接觸式 vs 非接觸式粗糙度量測:半導體相關設備如何選擇量測方式?

在半導體設備與零組件製造現場,表面粗糙度量得準,只是基本門檻,量不量得到、量得穩不穩,才是真正的關鍵。

隨著設備結構越來越複雜、加工精度持續提高,許多供應鏈廠商逐漸發現:過去習慣使用的接觸式粗糙度量測方式,已經開始跟不上實際製程需求。尤其在高反光、複雜幾何或功能性關鍵表面上,接觸式量測往往出現量測限制、誤判甚至刮傷風險。

因此,越來越多半導體與精密加工供應鏈開始思考:是否該導入非接觸式 3D 光學粗糙度量測?

  • 接觸式粗糙度量測為何過去普及
  • 在半導體與極精密加工下的限制
  • 非接觸式粗糙度量測的優勢與應用場景
  • 半導體供應鏈該如何選擇合適的量測方式

馬路科技將從以上實務出發進行探討以協助工程師與品質人員做出更符合製程需求的判斷

為何過去廣泛使用「接觸式粗糙度量測」?

接觸式粗糙度量測儀(Stylus-based Profilometer)在精密加工產業已使用多年,其優點很明確:
  • 原理成熟、穩定度高
  • 操作直覺、上手容易
  • 符合多數線粗糙度(Ra、Rz)規範
  • 適用平面、低斜率與傳統加工表面

在早期加工條件相對單純、零件幾何不複雜的年代,接觸式量測確實能滿足多數 QC 檢驗需求,因此在台灣精密加工業仍相當普及

半導體及極精密加工應用下,接觸式量測面臨的實際限制 

當量測對象轉向半導體設備與關鍵零組件時,接觸式量測的限制便逐漸浮現 

常見現場問題包括: 

  • 高反光金屬或鍍膜表面,探針量測穩定性不足 
  • 陡斜率或深結構,探針無法完整貼合 
  • 不規則或自由曲面,僅能量到局部路徑 
  • 高價值零件,存在刮傷或破壞風險 

這些情況在半導體設備零組件中其實相當常見,尤其在拋光、鍍膜、陶瓷與精密金屬加工件上,更容易造成量測誤差或無法量測。 

接觸式量測的校正與耗材問題

接觸式粗糙度儀的校正原理,其實是透過「靈敏度補償」來放大量測訊號,而非改變物理結構

  • 使用標準 Roughness Block 作為基準
  • 若量測值與標準不同,系統會套用補償係數放大訊號

但實務上會遇到:

  • 探針尖端磨損
  • 校正片耗損
  • 需定期校正與更換耗材
  • 校正頻率不同會影響量測一致性
  • 增加額外成本

相較之下,非接觸式量測沒有探針與校正片等固定耗材問題。此外,接觸式量測多半僅能取得 Ra 線粗糙度,但 Ra 並不等同於 Sa 面粗糙度,無法反映整體功能表面。

哪些半導體零組件,接觸式「真的量不到」?

在半導體供應鏈中,以下零件常因表面特性而不適合接觸式量測:

  • E-Chuck
  • Shower Head
  • Chamber 內壁
  • Susceptor / Carrier Plate
  • Valve / Seal 接觸面
  • 高拋光金屬與陶瓷件

這些零件多半具備:

  • 高反光
  • 複雜幾何
  • 高斜率
  • 功能性關鍵表面

即使勉強量到 Ra,也無法真實反映整體功能面狀態

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以 E-Chuck 或 Heater 為例:
  • 表面有 Dimple 結構與晶圓接觸
  • Dimple 頂面與底部皆有粗糙度要求

若使用接觸式量測:

  • 可能刮傷陶瓷表面
  • 產生微屑(Particles)
  • 影響潔淨度

同時,若 Dimple 粗糙度過高:

  • 刮傷晶圓背面
  • 降低傳熱均勻性
  • 增加氣體洩漏風險
  • 靜電吸附力不均

這些問題都直接影響製程良率

非接觸式粗糙度量測,為何成為半導體主流?

為解決上述限制,半導體供應鏈逐漸導入非接觸式 3D 光學粗糙度量測技術

Alicona 的 Focus-Variation(焦點變化)技術為例,可在不接觸工件下,同時取得:

  • 高解析 3D 表面形貌
  • 線粗糙度與面粗糙度參數
  • 輪廓、深度與體積資訊

非接觸式量測在半導體應用的優勢

  • 不接觸工件,不損傷零件
  • 可量測高反光表面
  • 支援 >80° 陡斜率
  • 適用自由曲面與複雜幾何
  • 同步支援 2D / 3D 粗糙度分析
  • 更貼近實際功能表面評估

因此特別適合:

  • 設備零組件驗收
  • 製程前後比較
  • 反修品質判定

非接觸式量測,不只用在半導體設備

非接觸式測量並非半導體專屬,也廣泛運用在精密加工及醫療器材加工

實務上選擇非接觸式的關鍵原因包括:

  • 重複性高
  • 量測限制小
  • 能量出真正形貌細節
  • 不受探針尺寸限制
精密刀具
  • 評估刃口粗糙度與磨耗
  • 量測 Edge Honing
  • 比較批次穩定性
精密加工零件
  • 密封面、滑動面、配合面
  • 不允許二次刮傷
  • 需完整 3D 表面資訊
醫療器材
  • 複雜曲面
  • 生物相容性要求
  • 高附加價值零件

實際案例包含:

  • Stepper 精密模具量測
  • OSG 刀具量測
以上應用共通點都是:需要 3D 外型 + 面粗糙度,且不適合拖動探針量測

量測方式選錯,實際影響的是什麼?

量測方式影響的不只是數據,而是整個製程判斷

  • 是否能準確驗收
  • 是否避免誤判與重工
  • 是否具備可追溯數據

實務上常見:

  • 無法區分新品或反修品粗糙度
  • 來回溝通延誤交期

以 E-Chuck 為例:

  • 晶圓污染
  • 傳熱不均
  • 洩漏風險
  • 吸附力不穩

以上這些問題都可能直接反映在良率上

半導體供應鏈該如何選擇量測方式?

若出現以下情境,建議優先評估非接觸式量測:

  • 高反光或高價值表面
  • 複雜幾何或陡斜率
  • 需要 Sa / Sq 面粗糙度
  • 需完整 3D 表面資料

當上述條件同時存在時,單靠接觸式量測通常已不足。

隨著半導體設備與零組件越來越精密,粗糙度量測的重點已從「量不量得到」,轉變為「量測方式是否適合實際應用」,接觸式與非接觸式並非對立,而是各有適用場景,選對量測方式,才能真正提升製程穩定度與競爭力。

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