纳米粗糙度

1 引言
纳米技术是20世纪80年代发展起来的高新科技。近年来，随着纳米技术的飞速发展，对各种纳米器
件表面精度的要求也越来越高，如在半导体掩膜、磁盘、宇宙空间用光学镜片、环形激光陀螺等中，均已提
出表面粗糙度的均方根小于1nm的要求。要实现这么高精度的非常光滑表面，测量仪器的分辨力首先要
达到纳米量级。然而，目前的表面粗糙度测量仪，如:自聚焦测量仪，虽然Z向分辨力可以达到小于5nm，
但是X-Y向分辨力却只有1μm[1]，不能满足纳米尺度形貌研究的要求，于是迫切要求找到一种在X、Y、Z
三个方向的分辨力均能达到纳米量级的表面粗糙度测量方法。以扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜
(AFM)为代表的扫描探针显微镜(SPM)技术，由于其超高分辨力，完全能满足这种微小尺寸的测量要求。
其中AFM 由于测量不受样品导电性的限制，应用范围更广。AFM 的扫描过程是由压电陶瓷驱动样品移
动的，由于压电陶瓷的伸缩变形量非常微小，一般而言，控制电压每改变1V，伸缩量仅改变几个纳米[2]，因
此，AFM 能够很好地满足纳米尺度形貌研究的要求。本文首先详细阐述了表面粗糙度及其主要评定参数
第25卷第4期
2003年8月
光学仪器
OPTICALINSTRUMENTS
Vol.25，No.4
August，2003
* 收稿日期:2002-02-23
作者简介:陈英飞(1977-)，女，浙江临海人，浙江大学硕士研究生，从事原子力显微镜硬件系统优化方面的研究。
的概念，简要介绍了用于纳米粗糙度测量的AFM 仪器系统，ZD介绍了实现这种粗糙度测量的软件实现
方法，并对得到的实验结果进行了简要的分析。
2 原理及方法
2.1 粗糙度的概念及主要评定参数
表面粗糙度(原称表面光洁度)是反映零件表面微观几何形状误差的一个重要指标。它主要由加工过
程中刀具和零件表面之间的摩擦，切屑分离时的塑性变形和金属撕裂，以及工艺系统中存在的高频振动等
原因所形成的。表面粗糙度的评定参数很多，其中轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz、轮廓Z
大高度Ry
这3个与微观不平度高度特性有关的表面粗糙度参数，由于各自不同的优点，成为被世界各国
广泛用作工业标准中的三个轮廓高度评定参数。因此，选用Ra、Rz、Ry
作为系统纳米粗糙度测量的三个轮
廓高度评定参数。
轮廓算术平均偏差(Arithmeticalmeandeviationoftheprofile)Ra
为取样长度内轮廓偏距值的
算术平均值(如图1所示)[3]:
Ra= 1
n∑ n
i=1
|yi| (1)
yi
为基于中线的表面轮廓高度，n为所取的轮廓偏距数。
图1 表面粗糙度Ra
示意图
微观不平度十点高度(Tenpointheightofirregularities)Rz
是指在取样长度内五个Z大的轮廓峰高
的平均值和五个Z大的轮廓谷深的平均值之和。
Rz= ∑
5
i=1
ypi+∑
5
i=1
( yvi)/5 (2)
轮廓Z大高度(Maximumheightoftheprofile)Ry
为取样长度内轮廓峰顶线与轮廓谷底线之间的距
离:
Ry= maxRi(0≤ i≤ k)
Ri= ypi+ y
< =
= vi
(3)
式中，ypi，yvi
分别为第i个轮廓峰高和第i个轮廓谷深，k为取样长度内的峰谷个数。
由于实际需要，为了更好地表征样品表面的几何形状，经常还需测量面粗糙度。面粗糙度中与微观不
平度高度特性有关的三个表面粗糙度评定参数Ra、Rz、Ry
公式与线粗糙度的公式类似，所不同的是面粗
糙度公式包含X、Y两个方向。由于篇幅有限，这里就不再重复给出。
2.2 AFM 仪器系统
AFM 的工作原理是基于原子与原子之间的相互作用力。当一根十分尖锐的微探针在纵向充分逼近
样品表面至数纳米甚至更小间距时，微探针的原子和样品表面的原子之间将产生相互作用的原子力。
原子力的大小与间距之间存在一定的曲线关系。通过检测原子间的作用力可以获得样品表面的微观形貌。
AFM 通过光电探测器把这种作用力信息转化为电压信息，Z后显示为灰度图。只要读取AFM 图像中某
·26· 光学仪器第25卷
条扫描线(横向或纵向)或者某个区域的灰度值并将其还原为高度值。然后根据线粗糙度或面粗糙度的
Ra、Rz、Ry
表达式就可以求出相应的线或面粗糙度值。
图2所示为AFM 的机、光、电、算系统框图。通过光束偏转法将微弱的原子力转化为放大的偏转位移
量，由位置敏感元件(PSD)接收反射光束。然后经过前置放大电路将PSD输出的光电流信号放大并转化
为电压信号，再通过A/D接口将电压信号转化为数字信号输入计算机，从而显示出样品形貌。同时计算机
通过D/A接口控制扫描电路，实现样品相对于探针的横向扫描(即XY扫描)。扫描采用恒力模式，即探针
与样品在扫描过程中保持一定的纵向即(Z向)间距，为此引入了比例-积分-微分(PID)反馈控制电路
系统[2]。为有效实现AFM 微探针的安装、激光光斑的对准，以及探针-样品间的微进给等操作，引入了
CCD显微摄像监控系统，在监视器监控下，这些操作直观而便捷，提高了仪器的可操作性。XYZ扫描控制
器由三根相互垂直的管状压电陶瓷与样品台组成，它可以在保证分辨力的同时获得较大的动态扫描范围，
而十字架的稳定结构，又使其适用于较大或较重的样品扫描。
图2 AFM 系统框图
2.3 软件设计
为获得样品表面的粗糙度，更好地了解样品表面的微观几何形状，针对上述的AFM 系统和实用化的
要求，设计了在不同型号的计算机和不同操作系统下均能有效工作的AFM 系统软件。系统软件分为两部
分:图像扫描部分和图像处理部分。图像扫描部分，软件提供了良好的扫描界面和参数设置功能，可对扫描
范围、扫描速度、扫描偏移量等进行实时调整，并选择图像像素和图像亮度阈值的大小。扫描获得的图像可
在显示框内实时地重复显示。扫描过程中可根据需要捕获图像并存储到计算机中，图像的捕获操作可连续
进行，以便对样品作实时的在线检测。图像处理部分，软件提供多种图像显示功能。可将图像作平面显示、
三维立体显示和截面线显示。实现图像的反色、线性变换、灰度拉伸、平滑、滤波、锐化、反转、裁剪、缩放、二
值化、直方图统计、粒径统计等处理。
获得待测样品的AFM 图像(每幅图像存有400×400或180×180个信息点)后，只要选取显示横向
或纵向线粗糙度，并通过鼠标在图像中拾取一点坐标值(X，Y)，计算机就读取该坐标点所在位置的一条横
向扫描线或纵向线上的400(或180)个信息点的Z值。并将其转化为对应点实际代表的高度值，就可将具
有相同X值或Y值的数据点的Z高度变化曲线即X或Y向的截面线显示出来，从而形象地表示出样品
表面的微观几何形状。同时根据粗糙度Ra、Rz、Ry
公式，计算出该坐标点所在位置的横向或纵向截面线的
粗糙度并显示出来。类似地，用鼠标在图像中拾取一区域，计算机将读取该区域内所有信息点并根据面粗
糙度公式计算该区域的Ra、Rz、Ry
值，从而获得相应区域的微观几何形状。
3 实验及结果分析
为了检测AFM 在表面粗糙度测量中的精度，进行了大量的实验测试。首先，在石英玻璃表面进行了
第4期陈英飞等: 原子力显微镜在纳米粗糙度测量中的应用·27·
一维横向和纵向线粗糙度的测定。如图3所示为石英玻璃表面(图像大小为1700nm×1700nm)，取样长度
L为1700nm的一维横向截面线图及其线粗糙度数值显示框图(纵向截面线图类似，由于篇幅有限，这里
不再给出)。由图可见，AFM 图在X、Y、Z三个方向上的粗糙度分辨力均达到了纳米量级。石英玻璃表面
Z大峰高为4nm，Z大谷深为4nm，0nm处的虚线为表面粗糙度的测量基准线(基准线采用中线制)。并
且，在截面图的下方分别显示出了表面轮廓算术平均偏差Ra
为1nm，微观不平度十点高度Rz
为2nm，轮
廓Z大高度Ry
为8nm。可见，AFM 用于表面粗糙度测量已完全达到纳米量级。
图3 石英玻璃形貌图和横向截面线及粗糙度显示框图
图4 石英玻璃面粗糙度测量
(a) 表面形貌图(b) 面粗糙度显示框图
图5 蓝宝石基底上ZnO薄膜面粗糙度测量
(a) 表面形貌图(b) 面粗糙度显示框图
·28· 光学仪器第25卷
对于AFM 在面粗糙度测量中的精度测定，分别在蓝宝石基底上的ZnO薄膜表面和石英玻璃表面拾
取了相同大小的区域(图像大小均为1000nm×1000nm)，进行了面粗糙度的测量和比较。如图4和图5所
示，图中(a)为拾取的AFM 形貌图，(b)为相应的面粗糙度数值显示框图。
由图可见，两幅图中，三个粗糙度评定参数都达到了纳米量级，其中石英玻璃表面的Ra
值(1nm)比
ZnO薄膜表面的Ra
值(6nm)要小的多。
4 结论
表面粗糙度的测量是检测材料表面功能中必不可少的一个环节，随着纳米技术的迅速发展，必将对表
面粗糙度的测量精度提出越来越高的要求。原子力显微镜是一种具有纳米级分辨力的表面显微分析仪器，
是测量各种材料表面纳米粗糙度及观察这些材料表面纳米结构的理想仪器。所设计的软件系统，用自制的
具有纳米级分辨力的原子力显微镜来测量表面粗糙度，实验结果表明，该套软硬件系统能够很好地满足纳
米粗糙度测量的要求。