表面粗糙度作为表征材料表面微观不平度的关键指标（定义为加工过程中形成的微小峰谷间距与高度差，波距通常≤1mm），直接影响产品的耐磨性、耐腐蚀性、装配精度及功能稳定性，在半导体、精密制造等领域至关重要。检测技术的选择需严格匹配应用场景（实验室研发/量产质控）与精度要求（纳米级/微米级），核心方法的技术特性、适配场景及实操要点如下：
一、原子力显微镜（AFM）
原子力显微镜（AFM）基于探针与样品表面原子间的范德华力进行三维形貌扫描，是纳米级粗糙度检测的权威技术 。其核心优势在于极致的垂直分辨率，可达0.01nm，能精准捕获Ra 0.1-10nm范围的超光滑表面微观特征，且支持True Non-contact™等非接触扫描模式，可避免针尖磨损与样品损伤，确保测量的可重复性 。
在技术细节上，先进工业级AFM（如Park FX200）通过优化机械结构降低热漂移与操作噪音，搭配11µm直径的SLD光束与快速Z伺服系统，实现亚纳米级定位精度；自动化功能（探针自动更换、激光对准、多坐标顺序测量）大幅缩短单样品检测耗时（优化后可降至10-20分钟），但受限于扫描原理，检测面积仍维持在μm级，难以覆盖大面积样品的均匀性分析 。
适配场景聚焦实验室研发与高端质控：包括半导体芯片纳米结构粗糙度分析、超薄涂层表面质量评估、新材料微观形貌表征等，尤其适用于需要原子级分辨率的基础研究与工艺验证场景。需注意检测环境需满足恒温（±0.5℃）、隔振要求，避免环境干扰影响数据准确性。
二、白光干涉仪（WLI）
白光干涉仪（WLI）利用多波长光干涉原理，通过垂直扫描干涉技术同步获取表面台阶高度与粗糙度数据，实现亚纳米级精度（典型垂直分辨率0.1nm）与毫米级视场的完美平衡。其核心优势在于非接触式测量与高效检测效率，单样品检测耗时通常为3-5分钟，且能通过面扫描模式分析样品整体均匀性，生成直观的三维形貌图。
在半导体领域，WLI是化学机械抛光（CMP）后硅片检测的主流设备，可精准量化面内粗糙度变异系数（CV值），识别边缘与中心区域的粗糙度差异，为抛光工艺优化提供数据支撑。设备通常支持4-12英寸硅片适配，搭配自动样品定位与数据分析功能，可无缝集成至量产线抽检环节。技术上，通过相移干涉算法与高数值孔径物镜组合，能有效区分表面粗糙度与波纹度，测量范围覆盖Ra 0.05-50nm，满足中端精度质控需求。
适配场景以量产线抽检为主，包括抛光硅片、光学元件、精密模具等产品的表面质量检测，尤其适合对检测效率与精度均有要求的批量生产场景，可在不影响产能的前提下实现关键质量指标监控。
三、紫外可见分光光度法
紫外可见分光光度法是基于光学散射原理的快速检测技术，通过测量200-800nm波长范围内的镜面反射率衰减与漫反射光强度，结合米氏散射与瑞利散射理论建立“光学信号-粗糙度”定量模型，实现粗糙度的间接量化分析。该技术彻底突破传统检测的效率瓶颈，单样品检测耗时≤2分钟，且支持非接触、无损伤测量，完美适配4-12英寸硅片的量产全检需求。
其核心技术特性包括：测量范围覆盖Ra 0.1-10nm，相对误差≤8%，与AFM检测结果具有良好相关性；通过积分球附件消除镜面反射干扰，仅采集携带样品表面信息的漫反射光，确保数据准确性；设备结构紧凑，可集成至生产线在线检测工位，搭配自动上下料系统实现24小时连续检测。在实际应用中，需通过标准样品（经AFM校准）建立校准曲线，定期验证模型稳定性，避免环境光与样品反射率变化影响测量精度。
适配场景聚焦半导体量产全检，包括硅片、外延片、芯片封装基板等产品的表面粗糙度快速检测，能显著提升检测 throughput，降低质量管控成本，尤其适合对检测效率要求极高的大规模生产场景。
四、接触式轮廓仪
接触式轮廓仪通过金刚石探针（典型针尖半径2μm）沿样品表面扫描，将机械位移转换为电信号，经滤波处理后计算Ra、Rz等粗糙度参数，测量范围通常为Ra 0.025-12.5μm，成本仅为AFM与WLI的1/5-1/3。其核心优势在于操作简单、维护成本低，无需复杂的环境控制，适合常规基材的初步粗糙度筛查。
但该技术存在显著局限性：探针与样品的物理接触易划伤抛光硅片等精密表面，导致样品报废；检测方式为线扫描，难以反映整个样品的表面均匀性；探针磨损会导致测量精度下降，需定期校准与更换探针。因此，其应用场景严格限制于未抛光基材的初步检测，包括硅锭切片后粗加工表面、陶瓷基材、金属毛坯等产品的粗糙度筛查，仅作为后续精密检测的前置过滤环节。
五、技术选型指南
检测技术 | 垂直分辨率 | 检测面积 | 单样品耗时 | 测量范围 （Ra） | 核心优势 | 适配场景 |
原子力显微镜（AFM） | 0.01nm | μm级 | 10-30分钟 | 0.1-10nm | 纳米级精准表征 | 实验室研发、高端质控 |
白光干涉仪（WLI） | 0.1nm | 毫米级 | 3-5分钟 | 0.05-50nm | 精度与效率平衡 | 量产线抽检、均匀性检测 |
紫外可见分光光度法 | - | 片级 | ≤2分钟 | 0.1-10nm | 快速全检、无损伤 | 硅片量产全检、在线检测 |
接触式轮廓仪 | 0.01μm | 线级 | 1-3分钟 | 0.025-12.5μm | 低成本、操作简便 | 未抛光基材初步检测 |
参考文件
1. 国家标准：GB/T 3505-2009《产品几何技术规范(GPS) 表面结构 轮廓法 术语、定义及参数》
2. 国际标准：ISO 25178-2-2012《几何产品规范(GPS) 表面结构 面轮廓法 第2部分：术语、定义和表面结构参数》
3. 行业标准：SEMI M40-0703《硅片表面粗糙度测试方法》
4. 技术手册：Park Systems《FX200原子力显微镜技术白皮书》
5. 学术文献：《紫外可见分光光度法快速检测抛光硅片粗糙度》（半导体技术，2024）
6. 行业报告：《2025半导体制造表面检测技术发展趋势》
7. 教材：廖念钊 等《互换性与技术测量》（中国计量出版社，2005）
8. 技术指南：巴斯德仪器《精密表面粗糙度检测行业应用方案》
