第四章 固体表面

1、第四章 固体表面 Company Logo材料的表面与界面材料的表面与界面123表面缺陷表面缺陷4表面形貌表面形貌6表层的基本特性表层的基本特性57固体表面固体表面表面缺陷表面缺陷表面形貌表面形貌Company Logo1. 固体表面的特点固体表面的特点固体表面的不均一性，主要表现如下：固体表面的不均一性，主要表现如下：(1) 固体表面的凹凸不平；固体表面的凹凸不平；(2) 固体中晶体晶面的不均一性：固体中晶体晶面的不均一性： 各相异性、晶面不完整；各相异性、晶面不完整；(3) 表面被外来物质所污染，表面吸附外来表面被外来物质所污染，表面吸附外来杂质；杂质；(4) 制备和加工条件。制备和加工条

2、件。4.1 固体表面固体表面Company Logo金属表面的实际构成示意图 工程表面工程表面 对于给定条件下的表面，其实际组成对于给定条件下的表面，其实际组成及各层的厚度与表面制备过程、环境以及及各层的厚度与表面制备过程、环境以及材料本身的性质有关。材料本身的性质有关。Company Logo2. 固体表面力场固体表面力场 晶体中每个质点周围都存在着一晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在晶体内部，质点个力场，在晶体内部，质点力场力场是对是对称的。但在固体表面，质点排列的称的。但在固体表面，质点排列的周期重复性中断，使处于表面边界周期重复性中断，使处于表面边界上的质点力场对称性破坏，表现出上

3、的质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力，剩余的键力， 称之为称之为。Company Logo表面力的分类：表面力的分类：(2) 范得华力范得华力(分子引力分子引力)(1) 化学力（长程力）化学力（长程力）定向作用力定向作用力FK(静电力静电力) ：发生于极性分子之间：发生于极性分子之间诱导作用力诱导作用力FD ：发生于极性与非极性分子之间。：发生于极性与非极性分子之间。分散作用力分散作用力FL(色散力色散力) ：发生于非极性分子之间。：发生于非极性分子之间。 Company Logo1.典型表面的结构组成4.2 表层的基本特性表层的基本特性Company Logo表面的组成与材料所处的状态有密

4、切关系 v (1) 变形层变形层又称应变层或加工硬化层，它是材料表面区域的重要组又称应变层或加工硬化层，它是材料表面区域的重要组成部分。摩擦过程也会形成变形层。成部分。摩擦过程也会形成变形层。v （2）贝氏层）贝氏层 贝氏层是加工过程中表面分子产生溶解和表面产生流动贝氏层是加工过程中表面分子产生溶解和表面产生流动之后淬火硬化而沉积的表层，它属于非晶或微晶结构。之后淬火硬化而沉积的表层，它属于非晶或微晶结构。Company Logo (3) 表面吸附层表面吸附层 在吸附过程中，一些能量较高的吸附在吸附过程中，一些能量较高的吸附分子，可能克服吸附势的束缚而脱离固体分子，可能克服吸附势的束缚而脱离固

5、体表面，称为表面，称为“脱附脱附”或或“解吸解吸”。当吸附。当吸附与解吸达到动态平衡时，固体表面保存着与解吸达到动态平衡时，固体表面保存着一定数量的相对稳定的吸附分子，这种吸一定数量的相对稳定的吸附分子，这种吸附，称为平衡吸附。附，称为平衡吸附。Company Logo（4）化学反应层）化学反应层表面化学反应是指吸附质与固体表面相互作用形成了一种新表面化学反应是指吸附质与固体表面相互作用形成了一种新的化合物。的化合物。金属表面特别是多晶体金属表面往往包含有很多缺陷：晶界、金属表面特别是多晶体金属表面往往包含有很多缺陷：晶界、位错、台阶等，这些部位能量高，氧化也就往往从这些高能位错、台阶等，这些

6、部位能量高，氧化也就往往从这些高能位置开始，一直到将表面覆盖。位置开始，一直到将表面覆盖。化学反应膜：化学反应膜：一般是指金属表面与润滑油中中的添加剂一般是指金属表面与润滑油中中的添加剂（有时也包括气体介质）相互作用产生的表面膜。（有时也包括气体介质）相互作用产生的表面膜。氧化膜有时也被认为是化学反应膜的一种，它是先发生氧氧化膜有时也被认为是化学反应膜的一种，它是先发生氧的物理吸附，然后在界面发生吸附反应，而转换为化学吸附，的物理吸附，然后在界面发生吸附反应，而转换为化学吸附，最后在氧原子与金属之间发生化学反应，生成氧化膜。最后在氧原子与金属之间发生化学反应，生成氧化膜。Company Log

7、ov 机械零件的表面形貌直接影响其磨损、疲劳与腐蚀，以及接触刚度机械零件的表面形貌直接影响其磨损、疲劳与腐蚀，以及接触刚度和传热性能，影响界面间的导电性能与密封性能。和传热性能，影响界面间的导电性能与密封性能。v 磨具的表面形貌影响它的磨削性能；磨具的表面形貌影响它的磨削性能；v 喷涂表面预处理后的形貌影响表面涂层喷涂表面预处理后的形貌影响表面涂层(如油漆如油漆)的质量与外观；的质量与外观；v 飞机跑道的表面形貌影响飞机起降的平稳性与飞机机件的寿命；飞机跑道的表面形貌影响飞机起降的平稳性与飞机机件的寿命；v 公路路面的表面形貌影响汽车行驶的平稳性与汽车的寿命；公路路面的表面形貌影响汽车行驶的平

8、稳性与汽车的寿命；v 海洋表面的形貌直接同船舶航行有关，而电子的发射、电磁波的反海洋表面的形貌直接同船舶航行有关，而电子的发射、电磁波的反射也同器件的表面形貌有密切的关系。射也同器件的表面形貌有密切的关系。v 所以，表面形貌越来越为工程技术界所重视。所以，表面形貌越来越为工程技术界所重视。4.3 表面形貌表面形貌Company LogoCompany Logo化学机械抛光后铜膜表面的SEM形貌Company Logo机械加工的表面产生凹凸不平的机械加工的表面产生凹凸不平的原因原因：1 1、切削加工过程刀具遗留在工件表面上的痕迹；、切削加工过程刀具遗留在工件表面上的痕迹；2 2、切屑与表面分离断

9、裂时引起不规则的塑性变形；、切屑与表面分离断裂时引起不规则的塑性变形；3 3、机床、机床工件系统的振动在工件表面上留下的波工件系统的振动在工件表面上留下的波形，以及机床系统误差和工件在切削力与重力等作形，以及机床系统误差和工件在切削力与重力等作用下发生变形引起的误差。用下发生变形引起的误差。Company Logo表面形貌形状误差：实际表面形状与理想表面形状的宏观偏差 波纹度：表面周期性重复出现的几何形状误差 表面粗糙度：表面微观几何形状误差 Company Logo 波纹度和粗糙度的主要区别是波纹度和粗糙度的主要区别是波长不同波长不同 波纹度粗糙度表面粗糙度表面粗糙度与摩擦磨损的关系较密切，

10、它对接与摩擦磨损的关系较密切，它对接触表面上的压力分布，接触变形的程度，摩擦触表面上的压力分布，接触变形的程度，摩擦阻力大小和摩擦成因等都有很大影响。阻力大小和摩擦成因等都有很大影响。 Company Logo 1.实际轮廓（表面轮廓） 实际轮廓是指平面与实际表面相交所得的轮廓线。 实际轮廓实际轮廓 Company Logo 2.2.取样长度取样长度lrlr 取样长度是指用于判别具有表面粗糙度特取样长度是指用于判别具有表面粗糙度特征的一段基准线长度。征的一段基准线长度。 标准规定取样长度按表面粗糙程度合理取值，标准规定取样长度按表面粗糙程度合理取值，通常应包含至少通常应包含至少5 5个轮廓峰和

11、轮廓谷。个轮廓峰和轮廓谷。 取样长度和评定长度取样长度和评定长度Company Logo 3.3.评定长度评定长度lnln 评定长度是指评定轮廓表面粗糙度所必需的一段长度。评定长度是指评定轮廓表面粗糙度所必需的一段长度。 一般情况下，标准推荐一般情况下，标准推荐lnln =5lr =5lr ， 4.4.基准线（中线基准线（中线m m） 基准线是用以评定表面粗糙度参数大小所规定的一条基准线是用以评定表面粗糙度参数大小所规定的一条参考线，据此来作为评定表面粗糙度参数大小的基准。参考线，据此来作为评定表面粗糙度参数大小的基准。 （1 1）轮廓的最小二乘中线）轮廓的最小二乘中线 在取样长度内，使轮廓上

12、各点至一条假想线距离的平在取样长度内，使轮廓上各点至一条假想线距离的平方和为最小。方和为最小。 轮廓最小二乘中线轮廓最小二乘中线Company Logo （2 2）轮廓算术平均中线）轮廓算术平均中线 在取样长度内，由一条假想线将实际轮廓分为上、在取样长度内，由一条假想线将实际轮廓分为上、下两部分，而且使上部分面积之和等于下部分面积之和。下两部分，而且使上部分面积之和等于下部分面积之和。 轮廓算术平均中线轮廓算术平均中线Company Logo5.5.轮廓单元轮廓单元 即一个轮廓峰和其相邻的一个轮廓谷的组合即一个轮廓峰和其相邻的一个轮廓谷的组合。 6.6.轮廓峰高轮廓峰高zpzp 轮廓峰高即轮廓

13、最高点距中线的距离。轮廓峰高即轮廓最高点距中线的距离。 7.轮廓谷深轮廓谷深zv 轮廓谷深即中线与轮廓最低点之间的距离。轮廓谷深即中线与轮廓最低点之间的距离。 轮廓算术平均中线轮廓算术平均中线轮廓单元轮廓单元Company Logo8.8.轮廓单元的高度轮廓单元的高度ztzt 轮廓单元的高度即一个轮廓单元的峰高和谷深之和。轮廓单元的高度即一个轮廓单元的峰高和谷深之和。 9.9.轮廓单元的宽度轮廓单元的宽度xsxs 轮廓单元的宽度即中线与轮廓单元相交线段的长度。轮廓单元的宽度即中线与轮廓单元相交线段的长度。 10.10.在水平位置在水平位置c c上轮廓的实体材料长度上轮廓的实体材料长度MlMl（

14、c c） 即在一个给定水平位置即在一个给定水平位置c c上用一条平行于中线的线与轮上用一条平行于中线的线与轮廓单元相截所获得的各段截线长度之和。廓单元相截所获得的各段截线长度之和。 11.11.高度和间距辨别力高度和间距辨别力高度和间距辨别力分别是指应计入被评定轮廓的轮廓峰和轮高度和间距辨别力分别是指应计入被评定轮廓的轮廓峰和轮廓谷的最小高度和最小间距。廓谷的最小高度和最小间距。 Company Logo一、固体的表面形貌一维表征 Company Logo宏观和微观粗糙度宏观和微观粗糙度 Company Logo1、表面轮廓高度方向一维表征 （1）轮廓算术平均偏差（或）轮廓算术平均偏差（或称中

15、心线平均值称中心线平均值Ra） 轮廓算术平均偏差（轮廓算术平均偏差（Ra），又称中位线算术平均偏差（），又称中位线算术平均偏差（CLA，Center line average），定义为），定义为一个取样长度内，表面轮廓线偏离一个取样长度内，表面轮廓线偏离其中位线的绝对值的算术平均值其中位线的绝对值的算术平均值。其数学表达式为。其数学表达式为 dxxzlRla0)(1其离散化计算公式为其离散化计算公式为 niiaznR11Company Logo（2）轮廓均方根偏差（）轮廓均方根偏差（Rq，简称简称RMS,Root mean square） 统计学认为，均方根偏差（统计学认为，均方根偏差（Rq）

16、，能比），能比Ra更好地描述表面轮廓更好地描述表面轮廓的粗糙度特征。其定义为，的粗糙度特征。其定义为，在一个取样长度内，表面轮廓线偏离在一个取样长度内，表面轮廓线偏离其中位线的距离的平方的算术平均值的平方根。其中位线的距离的平方的算术平均值的平方根。其数学表达式为其数学表达式为 21201/lqdxxzlR 其离散化计算公式为其离散化计算公式为 21121/niiqznR 对绝大多数的固体表面而言，对绝大多数的固体表面而言，Ra与与Rq之间有如下之间有如下的近似关系，即的近似关系，即qaRR8 . 0Company Logo（3）微观不平度十点平均高度（）微观不平度十点平均高度（Rz） 定义为

17、定义为取样长度内，取样长度内，5个最大的轮廓峰高的平均值与个最大的轮廓峰高的平均值与5个最深个最深的轮廓谷深的平均值之和的轮廓谷深的平均值之和。其数学表达式为。其数学表达式为 55151iivipizhhRCompany Logo（4）轮廓最大高度（）轮廓最大高度（Ry）定义为定义为取样长度内，轮廓峰顶线与轮廓谷底线之间取样长度内，轮廓峰顶线与轮廓谷底线之间的距离。的距离。 Company Logo Company LogoRa值相同的轮廓 Ra Rq2.29 2.542.29 2.542.29 2.642.29 2.682.29 2.682.29 2.59Company Logo2、表面轮廓

18、水平方向的表征（1） 高点数高点数 所谓高点数，是所谓高点数，是指在评定长度内，高出中位线或与中位线平指在评定长度内，高出中位线或与中位线平行的某一预先设定高度的线的完整表面轮廓峰的数目行的某一预先设定高度的线的完整表面轮廓峰的数目。如图所示。如图所示的表面轮廓，其高点数为的表面轮廓，其高点数为7。 Company Logo（2）轮廓微观不平度的平均间距）轮廓微观不平度的平均间距Sm 含有一个轮廓峰（与中位线有交点的峰）和相邻轮廓谷（与含有一个轮廓峰（与中位线有交点的峰）和相邻轮廓谷（与中位线有交点的谷）的一段中位线长度中位线有交点的谷）的一段中位线长度，称为，称为轮廓微观不平度间轮廓微观不平

19、度间距距。在取样长度内，轮廓微观不平度间距的平均值，称为轮廓微。在取样长度内，轮廓微观不平度间距的平均值，称为轮廓微观不平度平均间距，用观不平度平均间距，用Sm表示，表示， nimnmiSS11轮廓的单峰平均间距也是反映表面微观几何轮廓的单峰平均间距也是反映表面微观几何形状上峰谷间距特性方面的表面粗糙度参数，同形状上峰谷间距特性方面的表面粗糙度参数，同样，其数值愈大，表面愈粗糙。样，其数值愈大，表面愈粗糙。 Company Logo二、固体表面形貌的二维表征 直至目前，几个相对成熟且有一定直至目前，几个相对成熟且有一定应用前途的表面形貌特征的二维表征参数应用前途的表面形貌特征的二维表征参数是：

20、是：轮廓高度分布的概率密度函数、轮廓轮廓高度分布的概率密度函数、轮廓的支承长度率及支承面积曲线、表面轮廓的支承长度率及支承面积曲线、表面轮廓的自相关函数和功率谱密度函数。的自相关函数和功率谱密度函数。表面轮廓的自相关函数和功率谱密表面轮廓的自相关函数和功率谱密度函数这两者是相互关联的，它们相互构度函数这两者是相互关联的，它们相互构成一对傅立叶变换对。成一对傅立叶变换对。 Company Logo 鉴于零件表面粗糙度对其使用性能的多鉴于零件表面粗糙度对其使用性能的多方面影响，在选择表面粗糙度评定参数时，方面影响，在选择表面粗糙度评定参数时，应能充分合理地反映表面微观几何形状的真应能充分合理地反映

21、表面微观几何形状的真实情况。实情况。Company Logo（3 3）摩擦面、承受高压和交变载荷的工作面的粗糙）摩擦面、承受高压和交变载荷的工作面的粗糙度数值应小一些。度数值应小一些。（4 4）尺寸精度和形状精度要求高的表面，粗糙度数）尺寸精度和形状精度要求高的表面，粗糙度数值应小一些。值应小一些。（5 5）要求耐腐蚀的零件表面，粗糙度数值应小一些。）要求耐腐蚀的零件表面，粗糙度数值应小一些。（6 6）有关标准已对表面粗糙度要求作出规定的，应）有关标准已对表面粗糙度要求作出规定的，应按相应标准确定表面粗糙度数值。按相应标准确定表面粗糙度数值。4.3.3.2 4.3.3.2 表面粗糙度主参数值的

22、选用表面粗糙度主参数值的选用（1 1）同一零件上，工作表面的粗糙度值应比非工）同一零件上，工作表面的粗糙度值应比非工作表面小。作表面小。（2 2）摩擦表面的粗糙度值应比非摩擦表面小）摩擦表面的粗糙度值应比非摩擦表面小; ;滚滚动摩擦表面的粗糙度值应比滑动摩擦表面小。动摩擦表面的粗糙度值应比滑动摩擦表面小。 Company Logo4.3.3.3 表面粗糙度的标注 表面粗糙度的基本符号 Company LogoCompany LogoCompany LogoCompany Logo表面形貌的测量对于解决摩擦学问题是极为重表面形貌的测量对于解决摩擦学问题是极为重要的，测量表面微观或宏观的几何性能，

23、可用很多要的，测量表面微观或宏观的几何性能，可用很多方法。在观察和测量表面形貌的方法中，比较常用方法。在观察和测量表面形貌的方法中，比较常用的有用的有用干涉干涉或反射显微术的或反射显微术的光测法光测法以及用以及用电子显微电子显微镜镜等方法。等方法。观测表面形貌和表面轮廓的分辨率方面，观测表面形貌和表面轮廓的分辨率方面，目前目前比较先进的原子力显微镜（比较先进的原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微）和扫描隧道显微镜（镜（STM）可以达到原子的尺度。）可以达到原子的尺度。在测量表面轮廓在测量表面轮廓和粗糙度的仪器中，以电子放大的和粗糙度的仪器中，以电子放大的触针式仪器触针式仪器使用使用最为普及。最

24、为普及。 Company Logo一、一、8”测试片测试方法测试片测试方法v采用采用Agilent 5600LS AFM测试测试MIT/SEMATECH 854上测试点。上测试点。v选取定位点所在半径上的选取定位点所在半径上的5个测试单元个测试单元（一条半径上共（一条半径上共5个测试单元），命名个测试单元），命名方法由圆心向外边依次命名为方法由圆心向外边依次命名为point1、point2、 point3、 point4、point5 。Company LogoBlanket 结构图结构图Company Logo854测试单元结构符号说明测试单元结构符号说明Company Logo854测试结

25、构单元命名测试结构单元命名Company Logo854测试单元示意图测试单元示意图Company Logo1.Roughness典型测试结果典型测试结果v Roughness选取命名为选取命名为D2M2的测试单元（线宽的测试单元（线宽50微米、微米、间隔间隔50微米）上的微米）上的copper和和dielectric layer，测试面，测试面积积10X10微米，由圆心沿半径共取微米，由圆心沿半径共取5组。组。v 典型结果：典型结果：粗糙度值粗糙度值/nmpoint1 point2 point3 point4 point5Copper line0.8020.7340.6080.6501.10

26、3dielectric layer0.6260.5780.3130.6141.097Company Logo典型结果：典型结果： dielectric layer roughnessCompany Logo2.Dishing典型测试结果典型测试结果v Dishing选取选取D2M2单元，测试面积单元，测试面积100X100微米。微米。由圆心沿半径共取由圆心沿半径共取5组。组。v 典型结果：典型结果：测试点测试点point1 point2 point3 point4 point5Dishing深度值深度值/nm1815107.525Company LogoPoint2 Dishing Compa

27、ny Logo3.Erosion典型测试结果典型测试结果v Erosion选取选取AHAG单元，测试面积单元，测试面积100X100微米。由圆心沿微米。由圆心沿半径共取半径共取5组。组。v 典型结果：典型结果：5nmv point1Company LogoErosion典型测试结果典型测试结果v Erosion选取选取AHAG单元，测试面积单元，测试面积100X100微米。由圆心沿微米。由圆心沿半径共取半径共取5组。组。v 典型结果：典型结果：10nmv point2Company LogoErosion典型测试结果典型测试结果v Erosion选取选取AHAG单元，测试面积单元，测试面积10

28、0X100微米。由圆心沿微米。由圆心沿半径共取半径共取5组。组。v 典型结果：典型结果：7.5nmv point3Company LogoErosion典型测试结果典型测试结果v Erosion选取选取AHAG单元，测试面积单元，测试面积100X100微米。由圆心沿微米。由圆心沿半径共取半径共取5组。组。v 典型结果：典型结果：5nmv point4Company LogoErosion典型测试结果典型测试结果v Erosion选取选取AHAG单元，测试面积单元，测试面积100X100微米。由圆心沿微米。由圆心沿半径共取半径共取5组。组。v 典型结果：典型结果：7.5nmv point5Com

29、pany Logo二、二、12”pattern测试片测试方法测试片测试方法v1. 采用采用SMIC 65nm pattern测试片测试片v该片为双层结构。单元结构图如下：该片为双层结构。单元结构图如下：Company LogovSMIC 65nm pattern测试片结构测试片结构v该片为双层结构。使用该片为双层结构。使用Agilent 5600LS AFM测试如图所示的测试如图所示的PAD区域。由圆心沿半径测试区域。由圆心沿半径测试5个单元（共个单元（共5个）。个）。PAD1Company LogovSMIC 65nm pattern测试片测试片PAD说明说明vPAD1和和PAD2分别测试分

30、别测试M2和和M1CMP后后erosion ，用于监测小线条，用于监测小线条Cu的厚度。的厚度。vPAD4至至PAD8是是dishing PAD，用于监测大，用于监测大块面积块面积Cu的厚度。其中的厚度。其中PAD4测试测试 M1的的dishing 而而PAD5测试测试M2的的dishing。v单元结构图如下：单元结构图如下：57 8 126 34 M1 dishingM1, M3, M5, TM1 THK and erosionM2,M4,M6, TM2 THK and erosionM3, TM2 dishingM2, TM1 dishingM4 dishingM5 dishingCompany Logo1.Dishing典型测试结果典型测试结果v Dishing选取选取M2的的PAD4