表面粗糙度怎么测？Ra、Rz、Rq 参数与四类方法对比
2026-09-20
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一、测量需求背景
表面形貌测量通常关注三类指标：台阶高度、粗糙度与三维形状。其中粗糙度描述表面微观起伏的统计特征，不直接对应某一具体结构尺寸，却通过摩擦磨损、密封配合、疲劳寿命、光学散射、膜层附着等过程影响产品表现。
在半导体与精密光学制造中，粗糙度更多出现在工序中间而非终检环节。化学机械抛光（CMP）后的表面质量决定外延生长质量与栅氧界面状态；镀膜前的基底粗糙度会影响膜层附着力，同时干扰后续的膜厚光学测量，表面过粗会使反射信号明显减弱。因此粗糙度测量的核心问题不是"能不能测"，而是"用哪类方法测、在什么条件下测"。
二、参数体系与技术参数
粗糙度参数分为两套体系。沿单条线采样的二维参数按 ISO 4287 定义，在一整片面上统计的三维参数按 ISO 25178 定义。产线上常用的二维参数为 Ra、Rz、Rq，其定义与敏感性差异如下表。
| 参数 | 全称 | 含义 | 特点 |
|---|---|---|---|
| Ra | 轮廓算术平均偏差 | 取样长度内轮廓各点高度绝对值的平均值 | 使用广泛；对个别尖峰、深谷不敏感，波动小、稳定 |
| Rz | 轮廓最大高度 | 取样长度内最大峰高与最大谷深之和 | 对单个异常点敏感，可暴露划伤、凹坑类缺陷 |
| Rq | 轮廓均方根偏差（RMS） | 轮廓各点高度的均方根值 | 对峰谷分布较 Ra 敏感，统计意义上更接近标准偏差 |
| Sa / Sq / Sz | 面参数（ISO 25178） | 整片区域内统计的算术平均、均方根与最大高度 | 二维参数的面上扩展，可反映纹理方向性与空间分布 |
四类测量方法在接触方式、分辨率、测量范围与速度上的差异，构成了选型的基本依据。
| 维度 | 白光干涉 | 白光共聚焦 | 触针台阶仪 | 原子力显微镜 |
|---|---|---|---|---|
| 接触方式 | 非接触 | 非接触 | 接触 | 轻接触 / 非接触 |
| 垂直分辨率 | 优于 0.1 nm（相移模式更高） | 纳米至亚纳米级 | 亚埃至埃级 | 埃级 |
| 测量区域 | 视场毫米级，面扫描 | 毫米级面扫描，深沟槽适应性好 | 线扫描，行程可达 200 mm | 数十至数百微米见方 |
| 速度 | 快，数秒出三维数据 | 较快 | 慢，逐线扫描 | 慢，单区域需数分钟 |
| 样品限制 | 反射率过低时信号弱 | 适合低反射、大角度表面 | 软质样品存在划伤风险 | 表面需适合针尖扫描 |
| 典型强项 | 超光滑表面粗糙度、面粗糙度 | 粗糙至中等表面、微区与陡坡 | 大量程台阶、不受反射率影响、薄膜应力 | 超光滑表面与纳米结构的横向分辨 |
三、测量方案
白光干涉（WLI / PSI）将宽谱光分为参考光与样品光两路，两路反射光叠加产生干涉条纹，由条纹反演各点高度。其垂直分辨率与物镜倍率无关，大视场下仍可达到亚纳米级；相移干涉（PSI）模式针对更光滑表面，垂直分辨率更高，白光干涉（WLI）模式量程更大。
白光共聚焦通过针孔滤除离焦光线，仅焦点处反射光进入探测器，再经纵向层切与横向扫描重建三维形貌。其优势在于横向分辨率与陡峭表面适应能力，大角度斜坡、深沟槽等干涉法易丢信号的区域更适合采用。
触针式台阶仪由金刚石探针贴附表面扫描，探针随表面起伏运动，传感器将位移转换为高度信号。该方法不受样品反射率与透光性影响，垂直分辨率可达亚埃级，量程覆盖纳米级至毫米级，并可同时计算薄膜应力；代价是接触式扫描，软质样品存在划伤风险，且以线扫描为主。
原子力显微镜（AFM）通过针尖与样品表面间的原子力反馈控制扫描，垂直分辨率达埃级，横向可分辨纳米级特征，适用于超光滑表面与纳米结构表征；其限制在于视场小、速度慢，数十微米见方区域单次扫描需数分钟，不适用于大面积统计。
按样品条件可归纳为三条选型主线：样品怕划伤或需要三维面粗糙度，优先光学方法；台阶高度大或样品反射率过低，考虑触针台阶仪；需要纳米级横向结构分辨或对超光滑表面做仲裁验证，采用 AFM。优尼康科技可提供白光干涉轮廓仪、三维光学轮廓仪与触针式台阶仪等表面形貌测量方案，并依据样品类型与测量条件协助确定物镜倍率、滤波参数及取样长度。
四、实测数据与条件影响
光学方法测粗糙度的边界主要来自三方面。其一，横向分辨率受物镜数值孔径限制，表面纹理接近光斑尺寸时起伏会被平滑，测得数值偏小，此时需转入 AFM。其二，Ra 处于亚纳米至数纳米区间的超光滑表面，普通白光干涉的噪声可能淹没真实信号，采用相移干涉（PSI）模式更合适，该模式针对 0 至 3 微米的超光滑表面，垂直分辨率优于 0.1 nm，RMS 重复性可达 0.1 nm。其三，反射率极低的样品干涉信号强度不足，反射率适用范围通常为 0.05% 至 100%，超出该范围可改用共聚焦或触针法；表面起伏达到毫米级或纹理过于复杂时，干涉条纹会丢失，共聚焦或大行程台阶仪更为稳定。
Ra 并非与测量条件无关的常数。取样长度、评定长度与滤波截止波长不同，同一表面的 Ra 可相差数倍。跨设备比较数据前，需确认双方的滤波设置与标准版本一致。一般将截止波长设定为明显大于表面纹理特征周期的档位，避免将波纹度或形状误差计入粗糙度。横向采样密度同样影响结果，采样点间距过大会漏掉细纹理，使 Ra 偏小；测量目标越精细，横向步距需越小，对应到光学设备是物镜倍率或共聚焦步距，对应到触针设备是数据点间距。
五、结果讨论
以三类典型样品为例。CMP 后的晶圆不适合再引入接触式测量，采用白光干涉做非接触面扫描，在片上取多个区域统计 Sa 与 Ra，可同时反映单点质量与整片抛光均匀性；多层膜或高低差混存的图案片更适合共聚焦模式。精密光学镜片与窗口片的散射损耗与表面粗糙度直接相关，镀膜前需确认基底粗糙度，亚纳米级 Ra 的超光滑镜片采用 PSI 模式，曲率大或台阶明显的元件采用共聚焦或白光干涉。镀膜与布线前的基底检查中，先进封装铜走线表面粗糙度常在数十至两百纳米量级，反射法膜厚测量在该类区域信号下降明显，粗糙度与膜厚两项配合检查是产线常见组合。
样品与环境条件同样影响数据可信度。测量前需确认表面清洁，颗粒与液滴残留会被计入真实起伏；粗糙度测量对振动敏感，设备宜置于隔振环境，周边大功率设备运行会明显增大数据噪声；软质样品若必须采用接触法，探针力应由低到高逐级尝试，测量后检查表面是否留下划痕。
粗糙度测量不存在适用于全部表面的单一方法。确定测量参数、目标分辨率与样品是否可接触后，再在白光干涉、白光共聚焦、触针台阶仪与 AFM 之间选择。非接触与面统计需求交由光学方法，大量程、低反射与应力计算场景交由触针台阶仪，超光滑表面与纳米结构仲裁交由 AFM；跨设备比较数据前，先确认滤波设置一致。针对具体样品，携带实际样片做方法对比实测，是验证选型是否合理的可行途径。
