第四章固體表面

第四章固體表面材料的表面與界面123表面缺陷4表面形貌6表層的基本特性57固體表面表面缺陷表面形貌CompanyLogo材料的表面與界面123表面缺陷4表面形貌6表層的基本特性571.固體表面的特點固體表面的不均一性，主要表現如下：(1)固體表面的凹凸不平；(2)固體中晶體晶面的不均一性：

各相異性、晶面不完整；(3)表面被外來物質所污染，表面吸附外來雜質；(4)制備和加工條件。4.1固體表面

CompanyLogo1.固體表面的特點固體表面的不均一性，主要表現如下：(1)金屬表面的實際構成示意圖

工程表面對于給定條件下的表面，其實際組成及各層的厚度與表面制備過程、環(huán)境以及材料本身的性質有關。CompanyLogo金屬表面的實際構成示意圖工程表面2.固體表面力場晶體中每個質點周圍都存在著一個力場，在晶體內部，質點力場是對稱的。但在固體表面，質點排列的周期重復性中斷，使處于表面邊界上的質點力場對稱性破壞，表現出剩余的鍵力，稱之為固體表面力。CompanyLogo2.固體表面力場晶體中每個質點周圍都存在著一個表面力的分類：(2)范得華力(分子引力)(1)化學力（長程力）定向作用力FK(靜電力)：發(fā)生于極性分子之間誘導作用力FD：發(fā)生于極性與非極性分子之間。分散作用力FL(色散力)：發(fā)生于非極性分子之間。F范＝FK＋FD＋FLCompanyLogo表面力的分類：(2)范得華力(分子引力)(1)化學力（1.典型表面的結構組成貝氏層(Bielbylayer)重變形層輕變形層4.2表層的基本特性

CompanyLogo1.典型表面的結構組成貝氏層(Bielbylayer)重變表面的組成與材料所處的狀態(tài)有密切關系

(1)變形層

又稱應變層或加工硬化層，它是材料表面區(qū)域的重要組成部分。摩擦過程也會形成變形層。（2）貝氏層貝氏層是加工過程中表面分子產生溶解和表面產生流動之后淬火硬化而沉積的表層，它屬于非晶或微晶結構。CompanyLogo表面的組成與材料所處的狀態(tài)有密切關系(1)變形層

又稱應

(3)表面吸附層在吸附過程中，一些能量較高的吸附分子，可能克服吸附勢的束縛而脫離固體表面，稱為“脫附”或“解吸”。當吸附與解吸達到動態(tài)平衡時，固體表面保存著一定數量的相對穩(wěn)定的吸附分子，這種吸附，稱為平衡吸附。CompanyLogo(3)表面吸附層CompanyLogo（4）化學反應層表面化學反應是指吸附質與固體表面相互作用形成了一種新的化合物。金屬表面特別是多晶體金屬表面往往包含有很多缺陷：晶界、位錯、臺階等，這些部位能量高，氧化也就往往從這些高能位置開始，一直到將表面覆蓋。化學反應膜：一般是指金屬表面與潤滑油中中的添加劑（有時也包括氣體介質）相互作用產生的表面膜。氧化膜有時也被認為是化學反應膜的一種，它是先發(fā)生氧的物理吸附，然后在界面發(fā)生吸附反應，而轉換為化學吸附，最后在氧原子與金屬之間發(fā)生化學反應，生成氧化膜。CompanyLogo（4）化學反應層化學反應膜：一般是指金屬表面與潤滑油中中的添機械零件的表面形貌直接影響其磨損、疲勞與腐蝕，以及接觸剛度和傳熱性能，影響界面間的導電性能與密封性能。磨具的表面形貌影響它的磨削性能；噴涂表面預處理后的形貌影響表面涂層(如油漆)的質量與外觀；飛機跑道的表面形貌影響飛機起降的平穩(wěn)性與飛機機件的壽命；公路路面的表面形貌影響汽車行駛的平穩(wěn)性與汽車的壽命；海洋表面的形貌直接同船舶航行有關，而電子的發(fā)射、電磁波的反射也同器件的表面形貌有密切的關系。所以，表面形貌越來越為工程技術界所重視。4.3表面形貌

CompanyLogo機械零件的表面形貌直接影響其磨損、疲勞與腐蝕，以及接觸剛度和CompanyLogoCompanyLogo化學機械拋光后銅膜表面的SEM形貌CompanyLogo化學機械拋光后銅膜表面的SEM形貌CompanyLogo機械加工的表面產生凹凸不平的原因：1、切削加工過程刀具遺留在工件表面上的痕跡；2、切屑與表面分離斷裂時引起不規(guī)則的塑性變形；3、機床——工件系統的振動在工件表面上留下的波形，以及機床系統誤差和工件在切削力與重力等作用下發(fā)生變形引起的誤差。CompanyLogo機械加工的表面產生凹凸不平的原因：CompanyLogo表面形貌形狀誤差：實際表面形狀與理想表面形狀的宏觀偏差

波紋度：表面周期性重復出現的幾何形狀誤差

表面粗糙度：表面微觀幾何形狀誤差CompanyLogo表面形貌形狀誤差：實際表面形狀與理想表面形狀的宏觀偏差Co波紋度和粗糙度的主要區(qū)別是波長不同

表面粗糙度與摩擦磨損的關系較密切，它對接觸表面上的壓力分布，接觸變形的程度，摩擦阻力大小和摩擦成因等都有很大影響。

CompanyLogo波紋度和粗糙度的主要區(qū)別是波長不同表面粗糙度與摩擦4.3.1表面粗糙度國家標準

4.3.1.1基本術語

1.實際輪廓（表面輪廓）實際輪廓是指平面與實際表面相交所得的輪廓線。

實際輪廓CompanyLogo4.3.1表面粗糙度國家標準

4.3.1.1基

2.取樣長度lr取樣長度是指用于判別具有表面粗糙度特征的一段基準線長度。標準規(guī)定取樣長度按表面粗糙程度合理取值，通常應包含至少5個輪廓峰和輪廓谷。取樣長度和評定長度CompanyLogo2.取樣長度lr取樣長度和評定長度CompanyL

3.評定長度ln評定長度是指評定輪廓表面粗糙度所必需的一段長度。一般情況下，標準推薦ln=5lr，

4.基準線（中線m）基準線是用以評定表面粗糙度參數大小所規(guī)定的一條參考線，據此來作為評定表面粗糙度參數大小的基準。

（1）輪廓的最小二乘中線在取樣長度內，使輪廓上各點至一條假想線距離的平方和為最小。輪廓最小二乘中線CompanyLogo3.評定長度ln4.基準線（中線m）輪廓最

（2）輪廓算術平均中線

在取樣長度內，由一條假想線將實際輪廓分為上、下兩部分，而且使上部分面積之和等于下部分面積之和。輪廓算術平均中線CompanyLogo（2）輪廓算術平均中線輪廓算術平均中線Company5.輪廓單元即一個輪廓峰和其相鄰的一個輪廓谷的組合。

6.輪廓峰高zp輪廓峰高即輪廓最高點距中線的距離。7.輪廓谷深zv輪廓谷深即中線與輪廓最低點之間的距離。

輪廓算術平均中線輪廓單元CompanyLogo5.輪廓單元輪廓算術平均中線輪廓單元CompanyLogo8.輪廓單元的高度zt輪廓單元的高度即一個輪廓單元的峰高和谷深之和。

9.輪廓單元的寬度xs輪廓單元的寬度即中線與輪廓單元相交線段的長度。

10.在水平位置c上輪廓的實體材料長度Ml（c）

即在一個給定水平位置c上用一條平行于中線的線與輪廓單元相截所獲得的各段截線長度之和。11.高度和間距辨別力高度和間距辨別力分別是指應計入被評定輪廓的輪廓峰和輪廓谷的最小高度和最小間距。CompanyLogo8.輪廓單元的高度ztCompanyLogo4.3.2表面粗糙度的評定參數一、固體的表面形貌一維表征

CompanyLogo4.3.2表面粗糙度的評定參數一、固體的表面形貌一維表征宏觀和微觀粗糙度

CompanyLogo宏觀和微觀粗糙度CompanyLogo1、表面輪廓高度方向一維表征

（1）輪廓算術平均偏差（或稱中心線平均值Ra）輪廓算術平均偏差（Ra），又稱中位線算術平均偏差（CLA，Centerlineaverage），定義為一個取樣長度內，表面輪廓線偏離其中位線的絕對值的算術平均值。其數學表達式為其離散化計算公式為CompanyLogo1、表面輪廓高度方向一維表征（1）輪廓算術平均偏差（或（2）輪廓均方根偏差（Rq，簡稱RMS,Rootmeansquare）

統計學認為，均方根偏差（Rq），能比Ra更好地描述表面輪廓的粗糙度特征。其定義為，在一個取樣長度內，表面輪廓線偏離其中位線的距離的平方的算術平均值的平方根。其數學表達式為其離散化計算公式為對絕大多數的固體表面而言，Ra與Rq之間有如下的近似關系，即CompanyLogo（2）輪廓均方根偏差（Rq，簡稱RMS,Rootmean（3）微觀不平度十點平均高度（Rz）定義為取樣長度內，5個最大的輪廓峰高的平均值與5個最深的輪廓谷深的平均值之和。其數學表達式為CompanyLogo（3）微觀不平度十點平均高度（Rz）定義為取樣長度內，5個（4）輪廓最大高度（Ry）定義為取樣長度內，輪廓峰頂線與輪廓谷底線之間的距離。CompanyLogo（4）輪廓最大高度（Ry）定義為取樣長度內，輪廓峰頂線與輪廓

CompanyLogoCompanyLogoRa值相同的輪廓RaRq2.292.542.292.542.292.642.292.682.292.682.292.59CompanyLogoRa值相同的輪廓RaRqComp2、表面輪廓水平方向的表征（1）高點數所謂高點數，是指在評定長度內，高出中位線或與中位線平行的某一預先設定高度的線的完整表面輪廓峰的數目。如圖所示的表面輪廓，其高點數為7。CompanyLogo2、表面輪廓水平方向的表征（1）高點數所謂高點數，是指在（2）輪廓微觀不平度的平均間距Sm

含有一個輪廓峰（與中位線有交點的峰）和相鄰輪廓谷（與中位線有交點的谷）的一段中位線長度，稱為輪廓微觀不平度間距。在取樣長度內，輪廓微觀不平度間距的平均值，稱為輪廓微觀不平度平均間距，用Sm表示，輪廓的單峰平均間距也是反映表面微觀幾何形狀上峰谷間距特性方面的表面粗糙度參數，同樣，其數值愈大，表面愈粗糙。CompanyLogo（2）輪廓微觀不平度的平均間距Sm含有一個輪廓峰（與中位線二、固體表面形貌的二維表征

直至目前，幾個相對成熟且有一定應用前途的表面形貌特征的二維表征參數是：輪廓高度分布的概率密度函數、輪廓的支承長度率及支承面積曲線、表面輪廓的自相關函數和功率譜密度函數。表面輪廓的自相關函數和功率譜密度函數這兩者是相互關聯的，它們相互構成一對傅立葉變換對。CompanyLogo二、固體表面形貌的二維表征直至目前，幾個相對成熟且有一定應4.3.3表面粗糙度的選用及標注4.3.3.1表面粗糙度評定參數的選用鑒于零件表面粗糙度對其使用性能的多方面影響，在選擇表面粗糙度評定參數時，應能充分合理地反映表面微觀幾何形狀的真實情況。CompanyLogo4.3.3表面粗糙度的選用及標注CompanyLogo（3）摩擦面、承受高壓和交變載荷的工作面的粗糙度數值應小一些。（4）尺寸精度和形狀精度要求高的表面，粗糙度數值應小一些。（5）要求耐腐蝕的零件表面，粗糙度數值應小一些。（6）有關標準已對表面粗糙度要求作出規(guī)定的，應按相應標準確定表面粗糙度數值。4.3.3.2表面粗糙度主參數值的選用（1）同一零件上，工作表面的粗糙度值應比非工作表面小。（2）摩擦表面的粗糙度值應比非摩擦表面小;滾動摩擦表面的粗糙度值應比滑動摩擦表面小。CompanyLogo（3）摩擦面、承受高壓和交變載荷的工作面的粗糙度數值應小一些4.3.3.3表面粗糙度的標注表面粗糙度的基本符號

CompanyLogo4.3.3.3表面粗糙度的標注表面粗糙度的基本符號CoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogo4.3.4表面粗糙度的測量表面形貌的測量對于解決摩擦學問題是極為重要的，測量表面微觀或宏觀的幾何性能，可用很多方法。在觀察和測量表面形貌的方法中，比較常用的有用干涉或反射顯微術的光測法以及用電子顯微鏡等方法。觀測表面形貌和表面輪廓的分辨率方面，目前比較先進的原子力顯微鏡（AFM）和掃描隧道顯微鏡（STM）可以達到原子的尺度。在測量表面輪廓和粗糙度的儀器中，以電子放大的觸針式儀器使用最為普及。CompanyLogo4.3.4表面粗糙度的測量表面形貌的測量對于解決摩擦學問題一、8”測試片測試方法采用Agilent5600LSAFM測試MIT/SEMATECH854上測試點。選取定位點所在半徑上的5個測試單元（一條半徑上共5個測試單元），命名方法由圓心向外邊依次命名為point1、point2、point3、point4、point5。CompanyLogo一、8”測試片測試方法采用Agilent5600LSAFBlanket結構圖CompanyLogoBlanket結構圖CompanyLogo854測試單元結構符號說明CompanyLogo854測試單元結構符號說明CompanyLogo854測試結構單元命名CompanyLogo854測試結構單元命名CompanyLogo854測試單元示意圖CompanyLogo854測試單元示意圖CompanyLogo1.Roughness典型測試結果Roughness選取命名為D2M2的測試單元（線寬50微米、間隔50微米）上的copper和dielectriclayer，測試面積10X10微米，由圓心沿半徑共取5組。典型結果：粗糙度值/nmpoint1point2point3point4point5Copperline0.8020.7340.6080.6501.103dielectriclayer0.6260.5780.3130.6141.097CompanyLogo1.Roughness典型測試結果Roughness選取命名典型結果：dielectriclayerroughnessCompanyLogo典型結果：dielectriclayerroughne2.Dishing典型測試結果Dishing選取D2M2單元，測試面積100X100微米。由圓心沿半徑共取5組。典型結果：測試點point1point2point3point4point5Dishing深度值/nm1815107.525CompanyLogo2.Dishing典型測試結果Dishing選取D2M2單元Point2DishingCompanyLogoPoint2DishingCompanyLogo3.Erosion典型測試結果Erosion選取AHAG單元，測試面積100X100微米。由圓心沿半徑共取5組。典型結果：5nmpoint1CompanyLogo3.Erosion典型測試結果Erosion選取AHAG單元Erosion典型測試結果Erosion選取AHAG單元，測試面積100X100微米。由圓心沿半徑共取5組。典型結果：10nmpoint2CompanyLogoErosion典型測試結果Erosion選取AHAG單元，測Erosion典型測試結果Erosion選取AHAG單元，測試面積100X100微米。由圓心沿半徑共取5組。典型結果：7.5nmpoint3CompanyLogoErosion典型測試結果Erosion選取AHAG單元，測Erosion典型測試結果Erosion選取AHAG單元，測試面積100X100微米。由圓心沿半徑共取5組。典型結果：5nmpoint4CompanyLogoErosion典型測試結果Erosion選取AHAG單元，測Erosion典型測試結果Erosion選取AHAG單元，測試面積100X100微米。由圓心沿半徑共取5組。典型結果：7.5nmpoint5CompanyLogoErosion典型測試結果Erosion選取AHAG單元，測二、12”pattern測試片測試方法1.采用SMIC65nmpattern測試片該片為雙層結構。單元結構圖如下：CompanyLogo二、12”pattern測試片測試方法1.采用SMIC6SMIC65nmpattern測試片結構該片為雙層結構。使用Agilent5600LSAFM測試如圖所示的PAD區(qū)域。由圓心沿半徑測試5個單元（共5個）。PAD1CompanyLogoSMIC65nmpattern測試片結構PAD1CompSMIC65nmpattern測試片PAD說明PAD1和PAD2分別測試M2和M1CMP后erosion，用于監(jiān)測小線條Cu的厚度。PAD4至PAD8是dishingPAD，用于監(jiān)測大塊面積Cu的厚度。其中PAD4測試M1的dishing而PAD5測試M2的dishing。單元結構圖如下：57812634M1dishingM1,M3,M5,TM1THKanderosionM2,M4,M6,TM2THKanderosionM3,TM2dishingM2,TM1dishingM4dishingM5dishingCompanyLogoSMIC65nmpattern測試片PAD說明5781.Dishing典型測試結果Dishing選取M2的PAD4，測試面積100X100微米。由圓心沿半徑共取5組。典型結果：測試點point1point2point3point4point5Dishing深度值/nm3040251825CompanyLogo1.Dishing典型測試結果Dishing選取M2的PADPoint1PAD4DishingCompanyLogoPoint1PAD4DishingCompanyLPoint2PAD4DishingCompanyLogoPoint2PAD4DishingCompanyLPoint3PAD4DishingCompanyLogoPoint3PAD4DishingCompanyLPoint4PAD4DishingCompanyLogoPoint4PAD4DishingCompanyLPoint5PAD4DishingCompanyLogoPoint5PAD4DishingCompanyL2.Erosion典型測試結果Erosion選取M2的PAD2，測試面積100X100