表面微观形貌的测量及其表征

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重庆大学硕士学位论文
英文摘要
ABSTRACT
The surface of an accessory influence on its performance directly, and the development of technology calls for a more and more precise surface of a nano-accessory. For example, the surface of semi-conductor film and magຫໍສະໝຸດ Baiduetic disc call for a RMS roughness that less than 1nm. All this requirements bring forward the thesis of nano-survey and its token. As a new kind microscope with a high resolution which
1.2 表面形貌测量的方法
[2][9][16][40]
①机械探针式测量方法：探针式轮廓仪测量范围大，测量精度高，但它是一 种点扫描测量，测量费时。机械探针式测量方法是开发较早、研究最充分的一种 表面轮廓测量方法。它利用机械探针接触被测表面，当探针沿被测表面移动时， 被测表面的微观凹凸不平使探针上下移动，其移动量由与探针组合在一起的位移 传感器测量，所测数据经适当的处理就得到了被测表面的轮廓。机械探针是接触 式测量，易损伤被测表面； ②光学探针式测量方法：光学探针式测量方法原理上类似于机械探针式测量 方法，只不过探针是聚集光束。根据采用的光学原理不同，光学探针可分为几何 光学原理型和物理光学原理型两种。几何光学探针利用像面共轭特性来检测表面 形貌,，有共焦显微镜和离焦检测两种方法：物理光学探针利用干涉原理通过测量 程差来检测表面形貌， 有外差干涉和微分干涉两种方法。 光学探针是非接触测量,， 但需要一套高精度的调焦系统。 ③干涉显微测量方法：干涉显微测量方法利用光波干涉原理测量表面轮廓。 与探针式测量方法不同的是,它不是单个聚焦光斑式的扫描测量，而是多采样点同 时测量。干涉显微测量方法能同时测量一个面上的表面形貌，横向分辨率取决于 显微镜数值孔径，一般在 m 或亚 m 量级；横向测量范围取决于显微镜视场，大 小在mm量级；纵向分辨率取决于干涉测量方法，一般可达nm或0.1nm量级；纵向测 量范围在波长量级。因此干涉显微测量方法比较适宜于测量结构单元尺寸在 m 量 级，表面尺寸在mm或亚mm量级的微结构。 ④扫描电子显微镜：扫描电子显微镜(SEM, Scanning electronic microscope)利 用聚焦得非常细的电子束作为电子探针。当探针扫描被测表面时，二次电子从被 测表面激发出来，二次电子的强度与被测表面形貌有关，因此利用探测器测出二 次电子的强度，便可处理出被测表面的几何形貌。SEM既可以用于 m 量级结构的 测量，也可用于nm量级结构的测量。它比较适合于定性测量，不能精确测定微小 结构在纵向的尺寸。此外，它的电子束还会使某些对电子束敏感的样品产生辐射 损伤。
(3)The 2-D motif method is studied and the research on 3-D motif is conducted. Barre´ ’ s
3-D motif method which based on Vincent’ s watershed algorithm is investigated and developed, and rules for 3-D motif combination is brought forward. Finally some examples are analyzed by motif method. (4)The roughness software for STM IPC-205B with the function of acquiring 2-D roughness based on midline, 3-D roughness based on mid-surface, 2-D motif, 3-D motif and data processing is developed with Visual C++6.0. Keywords：STM, surface texture, roughness, waviness, motif method
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1 绪论
中心将 STM 用于光盘显微形貌的检测研究。 本文旨在对 STM IPC-205B 型扫描隧道显微镜性能进行研究的基础上，针对 其特点研究利用其在面粗糙度测量方面的应用，对粗糙度提取方法进行研究，并 给出多种表面表征及评价的方法。同时利用所开发的程序对扫描隧道显微镜所扫 的数据进行分析，对各种方法进行比较，以推动表面形貌表征评价的发展。
based on the quantum mechanics phenomenon known as tunneling, scanning tunneling
microscope(STM) is a basic tool in nano-survey, and has been widely used in surface science, biology, nano-science and so on. STM can play a powerful role in the research of nano-scale surface, so it is meaningful to conduct the research on the application of STM to surface texture survey and the token of surface texture. Taking STM IPC-205B as a tool, the research on utilizing it for nano-surface survey has been conducted and the relevant software has been developed, and the theory on the token of surface texture has been researched especially on the motif theory. The main research content of this dissertation is shown below: (1)The theory, advantage, disadvantage and application of STM are studied. The performance and the data formats of STM IPC-205B are studied, and different data processing methods are proposed for different data formats. The filter is adopted to reduce the noise of the STM data according to the characteristic of STM IPC-205B. (2)The 2-D roughness theory based on midline is studied, and the 3-D roughness theory based on mid-surface is investigated. A set of STM data is analyzed by homemade software to acquire a set of 2-D and 3-D roughness parameters, the result shows that 3-D roughness parameters are more stable than 2-D ones.
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1 绪论
1 绪论
1.1 课题的意义和目的
[6][10][11]
表面所具有的微观几何形状统称为表面形貌(surface topography)，其中表面 被定义为一种材料与其它材料之间的分界面[1]（在工程表面的情况下，一种材料 是空气，另一种为固体材料，例如金属、塑料等） 。固体表面是指固体上代表实体 和周围环境边界的部分。工程表面形貌代表着工件表面的主要外部特征，是由加 工过程中的各种工序产生的。 一个制件表面的微观几何形貌特性在很大程度上影响着它的许多技术性能和 使用功能。表面的耐磨性、密封性、配合性质、摩擦力、传热性、导电性、以及 对光线和声波的反射性，液体和气体在壁面的流动性、腐蚀性、涂层的附着力， 电子元件以及人造器官的性能，测量仪器和机床的精度、可靠性、振动和噪声等 等功能，都与表面的几何结构特征有密切的联系[1]。通过检查加工后金属表面留 下的纹理，常常可以发现工具或机床使用和操作中的缺点，如工具没有进行正确 的调整和安装，或操作中的错误（错误的进给量和切削速度等） 。表面的外观（外 貌特征）有时也很重要，例如用于装饰的表面、汽车车身以及防冲挡板的薄钢板， 其表面纹理对喷漆和电镀的牢固性和均匀性有很大的影响。油漆光滑的玻璃，要 获得良好的、牢固和均匀的油漆表面要比油漆一个粗糙表面难得多[53][54]。 近二十年来， 表面使用功能的研究， 特别是摩擦学研究工作向表面微观深入， 人们力图建立表面形貌与摩擦学效应的数学模型，实现摩擦、磨损工程的定量计 算。但是至今这方面的工作未获得令人满意的结果。原因之一是没有找到比较满 意且简单有效的用于描述和反映表面形貌特征的理论和分析方法，二是尚未掌握 表面特征与表面形貌参数的本质关系。因此，对表面形貌特征识别和评定的研究 越来越为工程技术界所重视。工程表面形貌与表面特征的研究成为最具吸引力的 课题。 扫描探针显微镜（SPM, Scanning probe microscope）是近十几年来在表面特 征表面形貌观测方面最重大的进展之一，是纳米测量学的基本工具，扫描隧道显 微镜（STM, Scanning tunneling microscope）作为扫描探针显微镜的一种，是其中 应用最广泛的[3]。目前采用扫描探针显微镜展开各方面的研究是国内外的一个热 点，其在表面形貌检测、生命科学及纳米制造领域都有较广的应用，例如采用原 子力对牙齿填充材料进行观察[4]、对超光滑表面微轮廓进行研究以及对珍珠表面 微形貌进行观察以揭示优良珍珠与劣质珍珠的本质区别。 美国 IBM Almaden 研究
重庆大学 硕士学位论文 表面微观形貌的测量及其表征 姓名：李志强 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：陈小安 20060501
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中文摘要
摘
要
一个制件表面的微观几何形貌特性在很大程度上影响着它的许多技术性能 和使用功能， 而近年来科技的发展对各种纳米器件表面精度提出了越来越高要求， 如对半导体掩膜、磁盘等均已提出粗糙度的均方根小于 1nm 的表面要求，这给 科研人员提出了纳米级表面的测量和表征的问题。扫描隧道显微镜（STM）作为 一种基于量子隧道效益的新型高分辨率显微镜，是纳米测量学的基本工具，其在 表面形貌研究、生命科学及纳米制造等领域都有较广的应用。扫描隧道显微镜为 人们在纳米尺度上去研究表面提供了有力的工具。因此，研究扫描隧道显微镜在 表面形貌检测上的应用以及表面形貌的表征的研究具有重大的意义。 本文以 STM IPC-205B 型扫描隧道显微镜为测量工具，对其在微观表面形貌 检测上的应用进行了研究并开发了相应的程序。对表面形貌评价表征理论进行了 研究，对 motif 形貌表征方法进行了研究探讨。本文的主要研究内容如下： （1）对扫描隧道显微镜原理进行了分析，分析其优缺点及其应用领域。分析 了 STM IPC-205B 型扫描隧道显微镜各主要部分的性能，对其采集的数据格式进 行了分析，并针对不同的数据格式提出了针对粗糙度分析的不同数据处理方法。 同时针对 STM IPC-205B 型扫描隧道显微镜的特点，提出在进行粗糙度分析之前 对采集的表面新貌数据进行一定的滤波处理，以减少噪声的影响。 （2） 阐述了传统的基于轮廓中线的粗糙度提取理论， 并研究了基于形貌中面 的三维粗糙度评价理论。并利用所编写的程序对扫描隧道显微镜采集的数据进行 二、三维的粗糙度分析，得到的结果显示从统计学看，三维粗糙度评价更具有稳 健性。 （3）对二维 motif 方法进行了阐述，并对目前三维 motif 方法的发展进行了 研究。 对 Barre´ 的基于分水岭算法的三维 motif 方法进行了研究， 并提出了的三维 motif 合并的具体方法和准则。对三维 motif 方法的进行了实例应用，展示了其独 到之处。 （4）采用 Visual C++6.0 为编程软件，开发针对 STM IPC-205B 型机的粗糙 度分析软件，包含基于轮廓中线二维粗糙度评价、基于形貌中面的三维粗糙度评 价、二维及三维 motif 方法，以及数据处理功能。 关键词：扫描隧道显微镜，表面形貌，粗糙度，波纹度，motif 方法