半導體供應鏈必知的表面粗糙度入門：符合 ISO 指標的量測解決方案
在半導體設備與零組件供應鏈中，表面粗糙度（Surface Roughness）早已不只是檢驗表上的一個數值，而是會直接影響設備可靠度、製程良率與使用壽命的關鍵製程參數。
不論是精密加工件、陶瓷零件，或是鍍膜與拋光表面，粗糙度的控制方式，往往決定了零組件能否順利通過設備商或 OEM 的驗收。
但在實際製造現場，許多台灣半導體供應鏈廠商仍會遇到同樣的困擾：
「粗糙度數值明明符合規格，實際裝機或使用後卻還是出問題。」
本文將從半導體供應鏈的實際應用情境出發，說明表面粗糙度在製造現場扮演的角色，並協助你理解 ISO 粗糙度標準與量測邏輯，為後續製程優化與量測升級打下基礎。
為何表面粗糙度在半導體供應鏈如此關鍵？
在半導體設備與關鍵零組件中，表面粗糙度會直接影響以下幾個面向：
- 摩擦與磨耗行為
- 密封性能（Seal / Valve 接觸面）
- 顆粒生成風險
- 鍍膜或塗層的附著性
- 設備長時間運作下的可靠度與使用壽命
以常見設備零組件為例，如 E-Chuck、Shower Head、Chamber 內壁、Susceptor，以及各類精密金屬加工件，其表面狀態若控制不當，即使在尺寸或幾何精度上符合規格，實際製程中仍可能出現顆粒增加、性能衰退等問題，也因此，表面粗糙度已逐漸從單純的 QC 檢驗項目，轉變為製程品質與功能驗證的一環。
為什麼只看 Ra，往往不夠？
在多數精密加工與零組件供應鏈中，Ra（算術平均粗糙度）仍是最常被引用的指標。
Ra 屬於「線粗糙度（Profile-based Roughness）」，是沿著單一路徑量測後，計表面高度平均偏差的結果。
常見的線粗糙度參數包括：
- Ra：算術平均粗糙度
- Rz：最大高度
- Rp / Rv：最高峰與最深谷
不過，這類線粗糙度指標有一個在製造現場常被忽略的限制：
只反映單一路徑的表面狀態，無法完整呈現整個功能表面的實際情況
在半導體相關應用中，許多問題其實發生在整體表面紋理、分佈狀態或局部缺陷，而非某一條量測截面。
真空濺鍍設備中，粗糙度控制不當會發生什麼事？
以下是實際設備應用中，因表面粗糙度控制不良而導致製程異常的典型情境
薄膜剝落與微塵汙染（Flaking & Particle Contamination）
涉及零件：Outer Shield、Cover Ring、Shuttle Disk、Pumping Plate
在濺鍍製程中，靶材釋放出的原子會沉積在腔體內所有可見表面。
若零件表面過於光滑（粗糙度過低），沉積形成的過剩薄膜因附著力不足，在冷熱循環所產生的熱應力作用下，容易產生開裂、捲曲，進而剝落（Flaking）
可能造成的影響包括：
- 剝落碎片掉落至基板表面
- 形成微塵汙染
- 導致電路短路、針孔（Pinholes）或膜層不連續
- 成品良率明顯下降
實務作法上，通常會針對這類零件進行噴砂（Bead Blasting），將表面粗糙度控制在約
Ra ≈ 3.2 ~ 6.3 μm，藉此提升薄膜與基材之間的物理嵌合力（Mechanical Interlocking）。
真空抽速下降與虛擬漏氣（Virtual Leakage）
涉及零件：Pumping Plate、Outer Shield
當零件表面過於粗糙，且在微觀結構下存在大量深孔或裂縫時，氣體分子、水氣與雜質便容易被吸附在表面
實際影響包括：
- 抽真空速度變慢，影響產線節拍
- 殘留氣體緩慢釋放，形成虛擬漏氣
- 本底真空度不佳，導致薄膜純度下降或顏色異常
這類問題在現場常被誤判為設備異常，但實際上，問題根源往往在於表面品質與粗糙度分佈未被正確評估。
異常放電與電弧現象（Arcing）
涉及零件：Cover Ring、Shuttle Disk
Cover Ring 位於靶材邊緣附近，若表面粗糙度分佈不均，或存在尖銳的微小突起（Asperities），容易造成局部電荷積累
可能帶來的影響包括：
- 電場集中，誘發電弧（Arcing）
- 濺鍍過程不穩定
- 產生大量熔融噴濺物（Splashing）
- 嚴重時甚至可能損壞高頻電源或靜電吸盤
這類異常狀況，單靠 Ra 數值通常無法事前預警。
線粗糙度 vs 面粗糙度：半導體應用的關鍵差異
為了更真實反映實際功能面狀態，半導體供應鏈近年來越來越重視 面粗糙度（Areal-based Roughness） 的應用
線粗糙度（Profile-based）
- 依據 ISO 4287 等標準
- 以單一路徑量測為基準
- 適合初步或傳統加工評估
面粗糙度（Areal-based）
- 依據 ISO 25178 標準
- 以整個 3D 表面區域進行分析
- 能呈現更真實的表面紋理與分佈狀態
常見的面粗糙度參數包含：
- Sa：面算術平均粗糙度
- Sq：均方根粗糙度
- Sz / Sp / Sv：表面高度分佈
- Ssk / Sku：表面形貌統計特性
相較於線粗糙度，面粗糙度更適合用來評估實際功能表面，例如密封面、接觸面、鍍膜基底，或高反光拋光表面。
ISO 粗糙度標準在半導體供應鏈中的角色
在實務應用上，半導體供應鏈中最常見的國際粗糙度標準包括：
- ISO 4287：線粗糙度的定義與參數
- ISO 25178：面粗糙度與 3D 表面形貌分析
對半導體設備與零組件供應鏈而言，這不只是「有沒有符合標準」的問題，而是：
- 是否能用一致的量測語言與設備商對齊 ？
- 是否能提供可追溯、可重現的量測數據 ？
- 是否能避免因量測解讀不同而產生驗收爭議 ？
隨著設備結構與製程條件日益複雜，僅依賴傳統線粗糙度指標，已逐漸無法滿足實際製程與功能評估需求。
為何面粗糙度更貼近「實際加工品質」？
在半導體供應鏈的製造現場，真正影響設備性能的，往往包括：
- 表面紋理是否均勻
- 是否存在局部異常或微結構缺陷
- 表面高低分佈是否影響接觸或氣流行為
透過面粗糙度搭配 3D 表面形貌分析，可同時掌握：
- 整體表面品質
- 微結構深度與體積資訊
- 實際功能面狀態
這也是為什麼在晶圓製程、先進封裝、設備零組件與反修應用中，面粗糙度逐漸成為更具參考價值的品質指標。
從入門到實務：量測方式同樣關鍵
即使選擇了正確的粗糙度指標，量測方式本身仍會直接影響數據的可信度。
在半導體相關應用中，傳統接觸式量測在高反光、陡斜率或高價值表面上，往往容易產生誤差或潛在風險。
也因此，非接觸式 3D 光學粗糙度量測，逐漸成為高階製造與半導體供應鏈的重要解決方案。
在半導體製造與設備供應鏈中，表面粗糙度早已不是單一數值，而是功能品質與製程穩定度的關鍵指標。
從 Ra 到 Sa，從線粗糙度到面粗糙度，理解 ISO 標準與量測邏輯，是精密加工與零組件供應商邁向高階應用的重要第一步。
後續馬路將與您進一步探討不同量測方式在半導體應用中的實際差異，以及如何因應高反光、複雜幾何與量產需求，選擇更合適的粗糙度量測解決方案。
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