NIST研究院：表面粗糙度与台阶高度校准规范

 

在表面形貌的精密测量中，确保不同仪器与实验室间测量结果的一致性与可信度，始终是一项关键挑战。为应对该挑战，本文档系统阐述了NIST所采用的校准流程、测量条件及完整的不确定度评估方法，为表面粗糙度与台阶高度的精确计量提供了技术依据与权威支撑。Flexfilm探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

在具体测量实践中，美国国家标准与技术研究院（NIST）采用计算机化触针式轮廓仪对表面粗糙度及台阶高度参数进行量化。针对粗糙度高度参数，仪器通过标准校准球进行垂直标定；针对粗糙度间距参数，则借助经干涉仪校准的标准参考物质，对轮廓仪的驱动轴编码器进行水平校准。所有校准基准与被测样品的轮廓数据均实时采集并存储于计算机中，以供后续分析与参数计算。

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测量原理与方法

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用于台阶高度测量的NIST算法

ISO算法

NIST使用计算机化的触针式轮廓仪进行表面粗糙度和台阶高度的精确测量。

粗糙度测量：

高度参数（如Ra, Rq）：使用一个标准校准球对仪器进行垂直标定。

间距参数（如RSm）：使用经干涉仪校准的标准参考物质（SRM）来检验仪器驱动轴编码器的水平标定。

台阶高度测量：

使用经校准的台阶或标准球进行标定。根据台阶类型采用不同算法计算高度：

NIST算法：在台阶两侧分别拟合直线并外推至边缘，得到两个高度值（d1, d2），再取其平均值。

ISO算法：也可按ISO标准规定的算法进行计算。

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核心测量条件

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采样间隔：0.125 µm

评估长度：4 mm

滤波器：

长波截止波长（λc）：0.8 mm

短波截止波长（λs）：2.5 µm

符合ASME B46.1-2009标准的相位校正高斯滤波器

触针半径：1.52 µm ± 0.15 µm（k=2），并会通过针尖校正来估算真实的机械表面轮廓。

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测量不确定度

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所有测量结果的扩展不确定度（U），均为合成标准不确定度（u_c） 乘以包含因子（k=2）。

合成标准不确定度 u_c 由两部分构成：

测量系统标准不确定度 u(I)：源于仪器、校准master和算法本身。

测量统计变异 s：主要源于被测样品本身的不均匀性，也包含仪器的随机波动。

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各参数的系统不确定度 u(I) 来源

粗糙度高度参数（Ra, Rq, Rz, Rt, Rp, Rv）：

NIST粗糙度高度参数测量的不确定度预算

校准球的几何不均匀性与表面光洁度。

仪器本身的变异（噪声、基准面形貌、数字化过程、软件舍入）。

仪器传感器的非线性。

校准球半径的不确定度。

水平分辨率（短波滤波与针尖半径效应）。

垂直分辨率（仪器噪声）。

粗糙度间距参数（RSm）：

 NIST波长（间距）测量的不确定度预算

主要与编码器校准、温度影响、对准误差、阿贝误差、非线性及日间变化等7个来源有关。

台阶高度参数：

NIST台阶高度测量的不确定度预算

其不确定度来源与粗糙度测量类似，但排除了水平与垂直分辨率（分量5和6）的直接影响，因为它们不造成系统性偏移。不确定度大小与台阶高度（X）及所用校准master（H或球半径）有关。

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注意事项

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NIST报告的测量不确定度仅针对客户样品在 NIST 的校准过程估算值。客户在使用该样品（如将校准值传递至其他设备）时产生的额外不确定度，需由客户结合自身测量系统的所有影响量进行评估，包括校准标准件、核查标准件、测量仪器、环境条件、操作人员及其他相关因素。

Flexfilm探针式台阶仪

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在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量 

费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，Flexfilm探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量，保证材料质量、提高生产效率。

原文参考：《NIST SURFACE ROUGHNESS AND STEP HEIGHT CALIBRATIONS, Measurement Conditions and Sources of Uncertainty》

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