搜索
文6機械月刊第三十一卷第十二期半導體與平面顯示器製造自動化技術文/游欽宏前言半導體產業及平面顯示器產業為我國現階段重要的兩兆產業，我國半導體產業從1980年代成立之聯電公司及台積電公司開始，於1990年代中蓬勃發展，奠立我國半導體產業在全球之地位。而我國平面顯示器製造產業則由早期小尺寸面板製造開始，於1990年代末由友達、華映、奇美等公司策略性投入大面積TFT液晶顯示器製造，使得我國得以發展成為與日本及韓國三強鼎立之平面顯示器製造大國。半導體與平面顯示器製造產業投資額度龐大，經濟規模的建立對各公司而言皆是一個重要課題。適時地建立產能對於經濟規模的建立具有關鍵的影響，而半導體及平面顯示器製造產能提高的兩大推動力量主要為元件製造技術上的進步及製造生產力的提升。於半導體產業方面，在元件製造技術上，由於線寬的不斷縮小，使得電晶體的產能歷年來可以跟隨摩爾法則，達到每一年半至兩年增加一倍的產能；另外在製造生產力方面，則由於更多的製造工廠、更大的晶圓尺寸、較佳的矽晶圓使用率、更高的可使用率及可靠度、更高的生產速率及良率等因素促成下，使得電晶體的產能每三年達到五倍的提升。對於平面顯示器產業而言，產能之提升主要來自於製造生產力之提升，其中基材尺寸加大是一重點。晶圓及基材尺寸的加大對於製造生產力的提高是一個關鍵，半導體晶圓尺寸從1980年代中之6吋，1990年代初之8吋到1990年代末之12吋，統計上約七年半提升一倍面積。而平面顯示器基材尺寸面積的提升則更為快速，在第一代至第三代約四年多提升一倍，然而從第四代至第七代則加快到每一年半提升一倍，由此可知基材尺寸的提升對於平面文7二!!五年十二月號自動化專輯顯示器產業產能的影響性更為明顯。事實上對於一家平面顯示器製造廠而言，基材尺寸的決定可說是該公司的一項重大決策。對於半導體與平面顯示器產業，量產技術可說是一家公司投入該產業是否成功的重點，由於矽晶圓及玻璃基材尺寸之加大，使得自動化技術對於半導體及平面顯示器產業之量產技術具有深遠影響。半導體及平面顯示器之自動化技術含跨範圍相當廣泛，包含基層之感測器量測及基材搬運、設備及製程控制、製程區內之整合監控、全廠物流及資訊流控制、物料搬運系統、製造執行系統、廠務監控系統以及企業資源規劃系統及供應鏈管理系統等。本文主要就半導體晶圓廠及TFT-LCD廠之設備及製程控制、製程區之整合控制、物料搬運系統及先進製程控制整合系統等自動化技術範疇做一概述。對基材輸送機械手臂、設備控制器、多腔集束型設備等，有興趣的讀者也可參考2004年4月號的機械月刊[1]。半導體製造自動化技術半導體生產中，潔淨度是一個影響生產良率相當關鍵的因素，而在不斷地提高半導體元件密度及縮小線距之要求趨勢下，潔淨度更顯重要。這也使得半導體廠內之物料傳送系統，因潔淨度這個特殊需求，而有別於一般產業。由於晶圓面積及重量之增大，以及在當前工廠走向自動化、高生產效能之趨勢，工作區間及整廠之晶圓輸送機械自動化，實為必然。半導體廠之晶圓輸送系統發展趨勢主要可分三個方面：首先是300mm晶圓尺寸製造之被接受，全球後續主要製造晶圓廠以300mm晶圓廠為主，由於300mm晶圓廠必須完全自動化，不管在製造廠或設備上面，晶圓輸送系統之需求將大為提升。第二方面是在半導體小尺寸晶圓方面，如8吋及6吋晶圓製造上，對晶圓輸送系統之更新及提升有強烈需求，由於光電元件、通訊元件、微機電元件及功率元件之需求持續成長，再加上新應用如SOC之推展，對於具有較高性能之晶圓輸送系統之建立有很高之需求。在第三方面是新興市場之興起，尤其是中國大陸之興起，這兩三年來吸引了全球半導體產業之極大注意，在大陸興建之半導體廠所使用設備很多是採取由日本、美國、歐洲、南韓甚至台灣全廠輸出，並進行設備翻新及性能提升，在其中晶圓輸送系統有相當之市場規模。最新半導體製造廠自動化技術之發展主要是大量應用電腦及網路技術，並將自動控制技術深入應用。整體半導體廠自動化技術正從既有之晶圓輸送自動化，引入即時製程量測技術，以達成先進製程及設備控制；另外透過網路技術，以建構遠端監測、分析及控制技術，進而達成虛擬製造工廠之目標。(一)技術發展半導體製造廠之佈置經常運用群聚技術，將功能相同之設備放置在同一區域內，因此一般半導體廠可區分為離子文8機械月刊第三十一卷第十二期植入區、圖形微影區、薄膜區、蝕刻區、擴散區及測試區等，大部分這些製程區多以隧道之方式放置設備，這種佈置主要是在於潔淨度的維持、人員的操作及設備維護性等因素的考量。這種隧道型製程區，一般被稱為灣區(bay)，因此半導體廠晶圓輸送自動化可分為機具自動化(toolautomation)、灣區內自動化(intrabayautomation)及跨灣區自動化(interbayautomation)等三個層級，而各自動化層級間則由全廠物料控制系統(MaterialControlSystem；MCS)協調及整合控制，此物料控制系統再與管理資訊系統(ManagementInformationSystem；MIS)結合為製造執行系統(ManufacturingExecutionSystem；MES)，來達到半導體廠電腦整合製造自動化之境界。設備自動化的主要任務在於完成設備內部個別晶圓或卡匣的自動傳輸功能，置放於生產設備輸入埠上的卡匣，可放置25片晶圓，這些晶圓經設備內自動傳輸裝置，依序搬送到設備內的各生產模組進行製程處理，在完成所設定的製程後，再經自動傳輸裝置將處理過的晶圓搬運到生產設備的輸出埠上。由於晶圓處理之特殊環境需求，設備自動化硬體所承受環境之要求在各自動化層級中可說是最嚴苛的。其必須具有高真空、高潔淨、高無塵且必須滿足特殊製程如高溫及腐蝕之需求，也因為此種需求，使得生產設備必須自動化。灣區內自動化主要負責灣區內將放置有晶圓卡匣之一個生產設備與另一個生產設備之間，或在灣間內卡匣儲存站與設備間之運送。灣區內卡匣搬運工具可包含有機械人、無人搬運車(AGV)、懸吊式載具(OHT)、軌道式搬運車(RGV)、人員搬運車(PGV)等幾種形式。灣區內自動化在8吋以下之晶圓製造廠中是最難達成，其所有的晶圓在灣區內主要皆以人工為主，其主要原因是在灣區內設備與設備之間相互之界面硬體及軟體並沒有遵守一定的標準，且有時為了爭取製造效能，設備的擺置並沒有標準化，因此要推動一般晶圓廠在這個層級的全面自動化就顯得格外困難。有鑑於此，為達成300mm晶圓製造廠CIM自動化的目標，許多標準訂定工作是放在灣區內自動化及設備標準界面的制定上。跨灣區自動化系統則負責將晶圓卡匣在不同製程灣區之間傳送。此系統主要包括有運輸系統及置於各製程灣區之倉儲站，運輸系統根據全廠物料管理系統之需求將晶圓卡匣從一個倉儲站搬運到另一個倉儲站，這個運輸系統一般是採取懸吊於天花板上有軌道形式的載具運送方式。有關載具的驅動方式主要有有輪式或無輪式，有輪式是較為傳統的方法，而無輪式則是採取磁浮驅動方式，為較先進的驅動方式。在半導體廠裡各層級之自動化主要是由物料控制系統(MCS)統籌指揮及監控，並做為各層晶圓輸送系統與製造執行系統(MES)之橋樑，物料控制系統確認晶圓輸送載具將晶圓卡匣運送到正確的倉儲站或生產設備上，而相關排程則由製造執行系統來決定。整體AMHS、MCS、MES的結合架構圖可由圖1表示，而圖2所示為AMHS硬體系統立體示意圖。文9二!!五年十二月號自動化專輯在300mm晶圓製造廠的發展中有一項技術的引入，對自動化技術具有重大影響，那就是局部高潔淨環境(mini-environment)技術，或稱「迷你環境」，這個技術的基本內涵在於將高潔淨區域局部化，也就是將原先之高潔淨無塵室縮小到只以晶圓所處理的卡匣區域為考量，這技術的明顯優點為降低無塵室成本及提高操作人員之舒適性，當然相對地迷你環境的引入將使得設備維護之複雜度升高。迷你環境技術主要由前端開口整合盒(FrontOpenUnifiedPod；FOUP)來建構，這種FOUP整合盒主要是將傳統的開放卡匣及傳送盒兩種個別設計整合在一起，FOUP整合盒內部可以達到Class0.1之超高潔淨度。(二)產品及市場(二)發展半導體製造廠整合控制及製程設備自動化軟硬體產品主要可區分為設備自動化(toolautomation)、晶圓廠整合控制硬體(factoryhardware)及晶圓廠整合控制軟體(factorysoftware)三大領域。在設備圖1整體AMHS、MCS、MES的結合架構圖製造執行系統(MES)監控螢幕工廠區域網路物料控制系統(MCS)自動倉儲系統(AS/RS)自動物料搬運系統(AMHS)區域網路輸送軌道晶圓搬運車輸送機械手臂跨生產中心頭頂搬運系統生產中心內頭頂搬運系統手推車整合式晶圓盒無人搬運車/有軌搬運車開放式卡匣生產中心倉儲生產中心控制器操作人員工廠跨樓層階梯輸送系統控制器製程設備設施供應單元無人物料搬運車圖2自動物料搬運系統硬體立體示意圖(資料來源：ITRS2003)中央倉儲文10機械月刊第三十一卷第十二期自動化產品領域，可區分為真空環境裝置(vacuumtools)、大氣環境裝置(atmospherictools)、整合前端模組(integratedfront-endmodules)、卡匣輸出入埠(loadports)、設備控制軟體(toolcontrolsoftware)及網路診斷模組(e-diagnostics)等六個主要項目。而在晶圓廠整合控制硬體產品領域，則可區分為晶圓分類裝置(wafersorters)、光罩檢測機台(reticleinspec-tiontools)、光罩倉儲裝置(reticlestockers)、自動物料搬運系統(AutomatedMaterialHandlingSystems；AMHS)、晶圓卡匣倉儲系統(waferstockers)等五類主要項目。在晶圓廠整合控制軟體產品領域方面，可區分為物料控制(materialcontrol)、系統整合(systemintegration)、機台連線(toolconnectivity)、單元整合控制(stationcontrol)、先進製程控制(advancedprocesscontrol)、製造執行(manufacturingexecution)、排程及派工(schedulinganddispatching)、生產活動管理(activitymanagement)、防範式維護(preventivemaintenance)等九類主要產品。圖3所示為各自動化產品與半導體廠關係。根據Dataquest公司所發布之2001年半導體製造廠整合控制及製程設備自動化市場統計，全球半導體製造廠整合控制及製程設備自動化市場年產值約為30.7億美金，其中設備自動化產品佔11.3億美金，晶圓廠整合控制硬體產品佔10.2億美金，而晶圓廠整合控制軟體產品則佔9.2億美金。其中特別針對獨立銷售式產品之市場作為分類，獨立銷售式產品乃是獨立公司生產以搭配結合製程設備公司或晶圓廠整合控制公司以提供給晶圓製造廠，其亦可由獨立生產公司直接銷售給晶圓廠，2001年整個半導體製造廠及製程設備自動化獨立銷售產品市場獨立銷售產品市場為17.2億美金。相對於獨立銷售式產品的是束縛銷售式產品，所謂束縛銷售式產品指的是由製程設備公司或晶圓廠整合控制公司自行投資製造，束縛性地結合其製程設備或整合控制產品銷售給晶圓廠之產品。光罩搬運、檢查及儲存自動物料搬運系統大氣模組及系統真空模組設備軟體及控制器工廠與設備間界面物料追蹤廠區自動化服務工廠監控軟體圖3自動化產品與半導體廠關係圖(資料來源：美國Brooks公司研討會)文11二!!五年十二月號自動化專輯(三)全球300mm晶圓製造廠與設備標準為能使得自動化發揮效益，在建立自動化之前必須先完成合理化及標準化的工作。全球半導體產業有鑑於300mm晶圓製造工廠及設備標準化之制定需求，成立的組織主要有全球性之「SEMI世界工業標準委員會」(SEMIInternationalStandardCommittee)；在日本則有「300mm半導體技術聯絡會(J300)