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SEM具有较高的纵向分辨率和横向分辨率，可分别达到10nm和2nm，但是由于SEM有深度效果的图像是用立体观察技术和立体分析技术间接获得的，因此SEM主要用来定性观察被测表面的形貌。此外，SEM要求在真空环境下工作，要求被测表面导电，操作复杂，测量费时，这些限制了其应用范围。
③ 扫描隧道显微镜（STM Scanning Tunneling Microscope）
扫描隧显微镜的基本原理是基于量子隧道效应。当金属探针与被测表面非常接近（几个埃）时，在探针与表面的间隙中出现隧道电流，电流强度与间隙大小有关。当探针沿被测表面移动时，驱动和控制探针上下移动使隧道电流保持不变，保证间隙锁定，那么探针的上下移动量便反映了被测表面的轮廓。
STM有极高的分辨率，其纵向分辨率达0.001nm，横向分辨率达1nm。然而，STM的纵向和横向测量范围都很小，横向测量长度一般在几微米或及十微米量级，因此STM的使用局限于超精细、超光滑表面的测量。此外，STM的结构和控制复杂，设计的技术难度大，如针尖的制作、针尖表面间隙的控制及动件的精密控制等等都是棘手的难题。
④ 原子力显微镜(AFM Atomic Force Microscope)
原子力显微镜的基本原理是基于探针与样品间的原子相互力。探针置于悬臂梁上，利用光学杠杆法测出悬臂梁在原子力作用下的变形，便可测出被测表面的形貌。AFM的纵向分辨率可达0.01nm，但横向测量长度很小，仅达到10μｍ，且测量受探头影响较大。因此AFM常被用来测量线条的宽度，较少用于测量表面形貌。
2) 表面微观形貌的光学测量方法
二十世纪五十年代，由于光学技术被引入表面形貌测量，从而实现了非接触式测量。
表面微观形貌的光学测量方法大多为从物体表面轮廓信息载体（包括散斑图、相片、波面、条纹图等）中提取物体表面的轮廓资料。用于微观形貌测量的常用光学方法包括光学探针、干涉显微测量法等。
① 光学探针法
光学探针法是把聚焦光束当做探针，可利用多种光学原理来检测表面相对于聚焦光学系统的微小间距变化。利用像平面位置来检测表面形貌的光学探针称为几何光学探针；利用干涉原理的光学探针称为物理光学探针。几何光学探针有共焦显微镜和离焦误差检测方法，物理光学探针有外差干涉和微分干涉等方法。
图1-1 共焦成像法原理图
基于共焦显微镜原理的光学探针轮廓仪由共轭成像系统组成，如图1-1。测量时物点跟踪被测表面，并成像在点探测器上。当被测表面与探测器共轭时，点探测器上的像点最小，点探测器接受到的能量最大；当被测表面偏离物点时，探测器上的像变大，接收到的能量变小。测量时控制物点与被测面重合，保证探测有最大输出，便可描画出被测表面的形貌。
利用离焦误差检测原理测量表面形貌是通过测量显微物镜与被测表面的离焦量反映被测面的形貌，包括临界角法、像散法、偏心光束法、傅科刀口法。
微分干涉光学探针法原理图
微分干涉光学探针原理是利用偏振光干涉原理测量表面形貌，如图1-2。通过Wollaston棱镜将光源发出的一束光分成两束光矢量相互垂直的线偏振光，这两束光在被测面上聚集成两个相距很近的光斑，两相干光的相位差决定了被测面在这两个光斑之间的高度差，并可转换为表面形貌信息。
外差干涉光学探针技术是一种较成熟、较完善的高精度测试技术。该方法利用两束具有微小频率差的相干光束中的一束作为测量光束，经显微物镜聚焦在被测面上，另一束则作为参考光束保持光程不变。物体表面高度变化引起参考光束与测量光束光程差发生改变，通过相位比较，可获得表面微观高度。