ISO新标准下，富睿思国产白光轮廓仪WLI-Marimba的高效非接触测量实践

导读：表面粗糙度是衡量超精密加工与半导体器件特性的核心指标之一。随着ISO 4287标准的废止与ISO 21920新标准的实施，如何在新旧标准切换中实现准确、稳定的粗糙度表征？本文将解读ISO表面轮廓评价标准的演进脉络，并以富睿思仪器自主研发的WLI-Marimba紧凑型白光轮廓仪为例，分享基于最新标准的亚纳米级粗糙度测试实践。

01 ISO表面轮廓评价标准的演进

表面粗糙度分析起源于对表面加工纹理的定性及半定量观测。1984年，国际标准化组织正式发布首版表面轮廓评定方法ISO 4287，建立了统一的二维表面轮廓评价框架，解决了采用不同设备、不同方法进行表面粗糙度评价的一致性难题，实现了粗糙度评价的互认性与可比性。在近四十年的应用实践中，ISO 4287经历了多次重要修订（1984首次发布、1999框架建立、2009补充修订）。

近年来，随着精密加工技术的发展，工件表面微观形貌日趋复杂，传统的二维表面轮廓评价方法已难以充分反映表面的三维特征。在这一背景下，国际标准化组织于2012年发布ISO 25178，基本确立了三维表面评价理论与方法框架。

然而，经过数年应用，ISO 4287等标准所制定的二维表面轮廓评价标准与三维评价方法在评价理念、参数定义、评价方法等方面的不适配愈发凸显。因此，2021年，国际标准化组织发布了新一代二维表面轮廓评价标准ISO 21920（同时宣告ISO 4287废止），并同步对ISO 25178 进行了更新。此次更新将二维表面与三维表面的评价过程进行一致性规范，形成了更为完备且具有可操作性的表面评价理论及方法框架。需要注意的是，ISO 4287的废止并非意味着其完全退出应用。

02 ISO 4287与ISO 21920的核心区别

ISO 4287与ISO 21920的主要区别究竟在哪里？除粗糙度标注符号的差异外，其在评定过程的变化主要体现在以下三个方面：

（1）滤波顺序变化

ISO 4287的滤波顺序：

• 移除轮廓名义形状；

• λs滤波，滤除轮廓高频噪声（获取原始轮廓Primary profile）；

• λc滤波，分离粗糙度与波纹度；

• λf滤波，分离波纹度与超长波。

ISO 21920的滤波顺序：

• S滤波，滤除轮廓高频噪声；

• F操作，滤除轮廓名义形状（获取原始轮廓/基础轮廓Primary profile）；

• L滤波，分离表面粗糙度；

• S滤波，分离波纹度。

不难发现，ISO 21920与ISO 25178的滤波顺序一致。同时，ISO 4287中的截止波长被ISO 21920中的嵌套系数所取代。两者的滤波过程示意如下图1所示。

（a）ISO 4287中的截止频率

（b）ISO 21920中的嵌套系数

图1 ISO 4287与ISO 21920中的滤波过程示意

滤波顺序的变化，有助于避免名义形状对高频噪声的影响，以提高评价的稳定性。需要注意，这种调整在表面存在明显形状时（如圆柱形、圆形），所带来的评价结果改变尤其显著。

（2）参数定义的区间长度变化

在ISO 4287中，大多数参数（除部分与峰、谷相关的参数）的计算是基于取样长度（sampling length）内计算后的平均结果（默认5段取样长度）；而ISO 21920中，上述操作改为由整个评价长度（evaluation length）内直接计算得出。

尽管原标准中取平均值的计算方式有助于提高评价结果的稳定性，但新标准的评定则更符合实际情况。此外，在评价峰、谷参数时，会根据取样长度内峰、谷的实际分布情况，选取符合条件的截面长度（section length，替代ISO 4287中的取样长度）进行评定。对于没有峰、谷分布的截面长度，则不参与评定。

（3）合格性判定规则变化

在ISO 4287中，表面质量的合格性判定默认遵循T16%原则，即只要超过粗糙度公差要求的数据量不超过16%，即可判定为表面质量合格；而ISO 21920中，默认标准改为Tmax，即所有粗糙度测量值必须都位于所要求的粗糙度公差范围内，表面质量才能判定为合格。

显然，ISO 21920新标准更加严格，同时，还新增了基于中位数判定的Tmed规则。

03 适配ISO新标的WLI-Marimba紧凑型白光轮廓仪

△富睿思紧凑型白光轮廓仪WLI-Marimba

ISO标准的演进对测量设备的软硬件提出了更高的要求。富睿思仪器基于白光干涉原理，自主研发的紧凑型白光轮廓仪WLI-Marimba，可实现优于0.1 nm的亚纳米级测量分辨力，有效应用于表面三维测量。

WLI-Marimba配套的专业软件MarimbaSCAN，集成了ISO 4287、ISO 21920和ISO 25178三套评定规则。用户只需在获得测量结果后，一键点选软件中的“表面纹理”，即可激活粗糙度选择标签，无缝切换不同标准下的计算参数，如图2所示。

图2 MarimbaSCAN中基于不同标准的粗糙度评价方法

04 WLI-Marimba对抛光硅片的粗糙度测量实践

为验证设备在新标准下的测量重复性与噪声控制，我们使用 WLI-Marimba 对同一抛光硅片进行了实测分析：

（1）基于ISO 21920标准的二维粗糙度分析

首先，获取原始轮廓/基础轮廓（P-profile）、波纹度轮廓（W-profile）和粗糙度轮廓（R-profile），如图3所示。

（a）基础轮廓（含拟合名义形状）

（b）波纹度轮廓

（c）粗糙度轮廓

图3 基于ISO 21920所提取的几类轮廓

其次，对其粗糙度Ra值进行30次测试，粗糙度均值为0.705 nm，RMS重复性为0.005 nm。其中前20测试的测量结果如表1所示。

表1 对抛光硅片Ra的前20次测试

（2）基于ISO 25178标准的三维粗糙度分析

首先，获取原始表面/基础表面（Primary surface）、S-F表面（S-F surface）、S-L表面（S-L surface），如图4所示。

（a）原始表面/基础表面

（b）S-F表面

（c）S-L表面

图4 基于ISO 25178所提取的几类表面

其次，对其粗糙度Sa值进行30次测试，粗糙度均值为0.833 nm，RMS重复性为0.006 nm。其中前20测试的测量结果如表2所示。

表2 对抛光硅片Sa的前20次测试

测试结果表明，富睿思仪器自主研发的WLI-Marimba桌面紧凑型光学轮廓仪，凭借稳定的测量表现与良好的噪声控制，能够精准适配ISO 21920和ISO 25178的标准要求，是半导体晶圆、超精密零部件及薄膜测试中替代进口同类设备的理想国产解决方案。

05 业务对接与资料获取