表面粗糙度對薄膜和界面的粘接和摩擦性能影響很大。因此，對表面粗糙度進(jìn)行測量，以及預(yù)測不同表面粗糙度水平可能帶來的影響具有重要意義。在材料中傳播的聲表面波( surface acoustic waves，SAWs)，其絕大部分的能量都包含在材料表面下一個波長深度的區(qū)域內(nèi)，對表面狀態(tài)非常敏感。表面狀態(tài)的任何變化，例如液體或者固體薄膜中殘余應(yīng)力和表面粗糙度級別，都會對其產(chǎn)生影響。許多技術(shù)都是基于SAWs，但目前并沒有注意到表面粗糙度可能帶來的擾動效應(yīng)。例如，某些重要場合的SAWs裝置要求更加精確的彈性參數(shù)測量結(jié)果，以便設(shè)計能夠在CHz頻率下工作的實驗裝置，此時對表面粗糙度水平要求非常高，表面粗糙度的細(xì)微變化造成的SAWs速度的微小差異就可能意味著無法獲得窄帶濾波器的優(yōu)異性能。因為表面粗糙度會造成基于SAWs速度頻散效應(yīng)的布里淵光譜法測量得到的材料彈性常數(shù)偏低等。Flannery和Kiedrowski研究了聲表面波(SAWs)在不同程度納米級表面粗糙度硅片的(001 )和(111)晶面上傳播的頻散效應(yīng)，研究結(jié)果對SAWs裝置的設(shè)計、布里淵光譜法測量的精確度及在材料無損檢測上的某些應(yīng)用具有相當(dāng)大的啟示。

SAWs在粗糙表面?zhèn)鞑r將發(fā)生頻散，即隨著頻率的增加，SAWs的傳播速度會降低且散射增強(qiáng)，發(fā)生衰減。SAWs的相速度與頻率的依賴關(guān)系為

 

式中，是頻率為ω時SAWs速度的變化； 是頻率為0時的速度(對應(yīng)于無表面粗糙度的光滑表面的瑞利波速)；為rms(均方根)表面粗糙度；a為表面粗糙度的橫向相關(guān)長度(表面粗糙度曲線中峰值和谷值間平均距離的量度)； 為常量，是材料彈性性能的函數(shù)。假設(shè)SAWs的波長>>和a，因此對于某一特定頻率， 是相速度的變化分?jǐn)?shù)。通常假定表面粗糙度是一個任意的高斯分布，其由和a來描述。要注意的一個重要特征是速度頻散與頻率呈線性關(guān)系且取決于表面粗糙度的平方。

準(zhǔn)備了一系列平的Si(001)面晶片，通過拋光/粗糙化使其rms表面粗糙度在=10~250nm內(nèi)變化。對于所有試樣，橫向相關(guān)長度a都在15~30μm范圍內(nèi)。

SAWs是由氮激光脈沖(持續(xù)時間0.5ns,工作波長337nm,脈沖能量0.5mJ)通過一個柱面透鏡線聚焦后照射到樣品上所激發(fā)的。照射到的區(qū)域吸收的熱能使其快速膨脹，所產(chǎn)生的應(yīng)力在其上激發(fā)出頻率范圍很寬的SAWs。用具有刃形探測器的壓電薄片在不同的相對傳播距離上對其進(jìn)行探測。通過對傳播路徑長度相差為10mm的SAWs波包進(jìn)行傅里葉變換得到相速度頻散曲線。

圖8-9a顯示了在= 130nm的Si(001)晶面上沿[100]方向不同傳播距離上的SAWs波包?？梢郧宄乜吹筋l散現(xiàn)象的存在。高頻部分(波長短)相速度較慢，最后到達(dá)?？梢哉J(rèn)為是表面粗糙度使得波的傳播變慢，隨著頻率的增加(波長/表面粗糙度比值降低)，這個效應(yīng)變得更加明顯。圖8-9b顯示了在不同表面粗精度水平的(00)面上沿[品向傳播的sAW典型的相速度頻散曲線，每條曲線都符合線性關(guān)系。

此外，研究還表明，由于頻散帶來的速度變化是明顯的，對于每個樣品在100MHz時的速度變化接近1%。如果將該結(jié)論外推到GHz頻率，即使表面粗糙度為nm數(shù)量級，速度的變化也會相當(dāng)大。這對布里淵光譜法(頻譜法)和工作在高頻的SAW裝置有很大影響。

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