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 3 0 0 m m 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(tool automation)、灣區內自動化(intrabay automation)及跨灣區自動化(interbay automation) 等三個層級，而各自動化層級間則由全廠物料控制系統

(Material Control System；MCS)協調及整合控制，此物料控制系統再與管理資訊

系統(Management Information System；MIS)結合為製造執行系統(ManufacturingExecution System；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( m i n i -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

(Front Open UnifiedPod；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 Class 0.1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 ( t o o lautomation)、晶圓廠整合控制硬體

(factory hardware)及晶圓廠整合控制軟

體(factory software)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：ITRS 2003)

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(vacuum tools)、大氣環境裝置(atmospheric tools)、整合前端模組(integratedfront-end modules)、卡匣輸出入埠(load ports)、設備控制軟體(tool control software)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(wafer sorters)、光罩檢測機台(reticle inspec-tion tools)、光罩倉儲裝置(reticle stockers)、自動物料搬運系統(Automated Material Handling Systems；AMHS)、晶圓卡匣倉儲系統(wafer stockers)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( m a t e r i a lcontrol)、系統整合(system integration)、機台連線(toolconnectivity)、單元整合控制(station control)、先進製程控制(advanced process control)、製造執行(manufacturingexecution)、排程及派工(scheduling and dispatching)、生產活動管理(activity management)、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 1 1 . 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」(SEMI InternationalS tanda rd Commi t t ee )；在日本則有「300mm半導體技術聯絡會 (J300)」進行標準化之制定以及「半導體先進技術協

會(Selete)」執行製程設備之評估工作；在美國方面，則以 SEMATECH為中心結合歐洲、韓國及台灣之半導體廠成立

「國際300mm方案計畫 (I300I)」進行標準化及設備評估工作。

SEMI國際工業標準計畫已有三十多年歷史，其制訂委員會首先成立於美

國，而後在日本及歐洲成立工業標準制

訂委員會。 北美、歐洲及日本委員會下分別設有設備、材料、封裝、微影、設

施及安全以及平面顯示器等六個分組進

行各種標準之研擬及修訂。有關 300mm晶圓及其製程設備方面，其已完成了下

列課題及標準的研訂：因機械加工造成

之缺陷的量測和影響，表面重金屬污染

之量測，表面平坦度及粗度之量測，以

及製程設備方面之晶圓輸送界面、晶圓

卡匣規格、設備佔地大小及高度、設備

之安裝等制定標準。

日本 3 0 0 m m 半導體技術聯絡會(J300)主要是由日本的 EIAJ、 JEIDA、JSNM、 SEAJ及 SIRIJ等五個團體結合而成，設置有卡匣、晶圓及設備之製造

設計工作小組。其於1994年10月成立，進行為期兩年的有關標準化的檢討作

業，於1996年9月完成300mm晶圓半導體(主要為記憶體)製造工廠設計之標準化檢討狀況報告。

I300I計畫主要是由 Intel、 IBM、Motorola、 TI、 AMD、 LT、 SGS、Philips、 Siemens、三星電子、現代電子、LG半導體與台積電等十三家半導體製造公司集資約6.5億新台幣，設立為美國 S E M A T E C H 公司之子公司，進行300mm晶圓半導體製程之研究，從 1996年 7月開始先期製造計畫，於 1997年 12月完成。

Selete是由富士通、日立製造所、松下電器產業、三菱電機、 NEC、 電氣

工業、三洋電機、 Sharp、 Sony及東芝等十家公司集資 50億日圓所設立，其主要任務是進行 300mm晶圓製程所需設備、材料之共同開發，未來之半導體先

進技術及基礎技術研究。

I300I及J300有鑑於300mm晶圓製造廠及生產設備的龐大投資及全球建立自

動化標準的需求，合作進行 300mm晶圓廠CIM及AMHS系統及模組標準化制定工作，並於美國 S E M I C O N - W e s t 及SEMICON-Japan聯合研討會中分三階段發表300mm半導體製造工廠之CIM全球共同指導，至此 I300I及 J300已與 SEMI密切結合，有關 300mm晶圓廠及製造設備自動化硬體及軟體標準已陸續經過各

會員公司討論表決發布於 SEMI標準書(Books of SEMI Standard)裡。由於300mm晶圓廠自動化系統複雜，相關標準仍持

續制訂中。圖 4及圖 5所示為 300mm晶

文12

機械月刊第三十一卷第十二期

無塵室

無塵室邊牆界面標準

排氣界面標準

化學液及氣體界面及標準

安全反制標準(氣體、化學液及火)

頭頂搬運系統界面標準

無塵室標準：‧環境‧溫度、溼度‧設備高度‧最大重量及尺寸‧其他

廠物及連通標準

對於地震及異常如電力、排氣、壓縮氣體、製程及冷卻水等之異常的防護

廠務界面標準

晶圓及儲存盒標準

製程設備

維護及耗材標準

量測設備

跨生產中心物料搬運系統

儲存室

批量識別標準

排液界面標準

無塵室地板界面標準

生產中心內搬運車安全標準

操作人員對於全場自動化系統及界面標準

生產中心內搬運車界面級標準

操作人員與設備界面互動標準

圖 4 300mm晶圓製造廠標準(資料來源：SEMI)

文13

二!!五年十二月號

自動化專輯

圖 5 300mm晶圓生產設備界面標準 (資料來源：SEMI及 ITRS)

OHT E-23通訊互動(OHT) ‧安全指引‧人體工學指引

迷你環境承接標準

前開界面機械標準

開放卡匣及置放盒標準

運動學藕合標準

承接標準

設備佔地面積及高度標準(Doc 2708)

場站或單元控制器(使用者範圍)

Wall(if present)

AGV/RGV/PGV生產中心內樓面移動搬運車

通訊互動

(PGV/RGV/AGV)

搬運車入塢標準

承載座

晶圓盒開啟器 /放置器對於設備之界面標準

製程及量測設備(側視圖)

設備內嵌控制器

‧廠務界面標準‧設施服務及終止矩陣

高速通訊標準 工廠之網路

‧半導體設備通訊標準Ⅱ‧可靠度、可利用度、可維護度‧之查驗標準‧典型製程設備模式標準‧免除跳電之標準

高速通訊標準

文 14 機械月刊第三十一卷第十二期

圓廠及設備界面標準。

(四)半導體設備自動化標準

在進行系統分析之前，需針對SEMI標準中與集束型設備控制器有關之軟體標準，俾在分析時能參考 SEMI標準之要求，俾在系統開發完成後，符合SEMI各項軟體標準。圖6所

示為半導體製程設備使用之SEMI設備自動化軟體標準狀況圖示，而圖7 所示則是這些設備自動化軟體標準應用狀況及相互

關係。有關半導體

廠及設備標準，讀

者可參考[5]，圖8所

示為典型半導體廠

跨製程區自動物料

傳送系統及製程設

備互動及SEMI標準所使用的一個應用

例子。本文以下僅

就 圖 7 所 示 在

300mm晶圓製程設備所需使用的標準

稍作簡介。而圖 8所示為典型半導體

廠跨製程區自動物

料傳送系統及製程

設備互動及SEMI標準所使用的一個應

用例子，讀者亦可

就圖 8 所示之所需動作步驟來比照各

個標準。

* E4 SemiconductorEquipment Com-munication Stan-dard I (SECS I)

E4 主要在定義適合半導體製程設

備與上層主機之間

交換訊息的通訊界

面，E4乃是點對點的通訊，其主要以

RS232界面為通訊硬體界面。其主要

界定內容包括有硬

通用設備模式(GEM300)

E84EPIO

E87CMS

E40PM

E94CJM

E90STS

E42RMS

E53ERS

E58ARAMS

E30GEM

E39 OSSE5 SECS-ΙΙ

E37.1 HSMS-SS/E4 SECSI

主控制器自動物料搬運

只適用 300mm所有晶圓尺寸皆適

沒有被應用

圖 7 主要 SEMI半導體設備自動化軟體標準應用狀況及相互關係

主控制系統

E37.1快速訊息服務標準

E84加強型平行輸出入標準 頭頂搬

運系統

整合盒

整合盒

E94控制工作標準

E40製程管理標準

E90基材追蹤標準

E5 SECS-11E39 OSS

E30代表性設備模式標準

E87承接裝置管理

整合盒承載座

圖 6 主要半導體設備使用之 SEMI設備自動化軟體標準功能關係圖

文 15二!!五年十二月號

自動化專輯

步驟順序 動作 SEMI標準

1 完成製程及分類整理 E87,E90,E94

2 對晶圓進行派工 草案文件 2827b

3 由生產中心內之自動物料搬運系

統將整合晶圓盒帶走 E82,E84,E87,E102

4 將整合晶圓盒傳送至儲存室 A E82,E84,E88,E102

5 由跨生產中心之自動物料搬運系

統將整合晶圓盒帶走

E82,E88,E102

6 將整合晶圓盒傳送至儲存室 B E82,E88,E102

7 對需使用的設備進行派工 草案文件 2827b

8 由生產中心內之自動物料搬運系

統將整合晶圓盒帶走 E82,E84,E88,E102

9 將整合晶圓盒傳送至設備 E82,E84,E87,E102

10 讀取及確認晶圓整合盒識別碼 E87,E99

11 設備將晶圓盒移至內部暫存區；晶

圓槽位讀取及確認

E87

12 設備開始執行製程 E40,E90,E94

4

3

2

1

7

8

9

1011

12

晶圓盒在不同設備區之搬運

儲存室A

生產中心內

6 儲存室B

MCS MES

承載座

晶圓傳送器

製程設備 A

跨生產中心

跨生產中心

內部暫存區

製程設備 B

圖 8 典型半導體廠跨製程區自動物料傳送系統及製程設備互動應用例

體連結、段落傳遞協定以及訊息協定

等。

* E5 Semiconductor Equipment Communi-cation Standard II (SECS II)

SECS II主要定義半導體製程設備與主機之間交換訊息時所用訊息協定的形

式與意義。SECS II 將訊息的結構定義為item，而item的組合則稱為list of items。而 SECS II則完全配合 SECS I所定義的訊息傳遞協定。SECS II所用的指令形式為 stream 及 function。* E30 High Speed Message Service (HSMS)

HSMS主要在定義適合在半導體廠內控制電腦間交換訊息的通訊界面，其

乃是以TCP/IP為通訊協定，其主要在提高通訊速度，可完全取代 E4。* E37 Generic Equipment Model (GEM)

GEM 主要在定義 SECS II指令應該使用的種類及時機，以及所會產生的結

果。GEM 可說對 SECS II的標準建構給與更深入的定義。

* E39 Object Services Standard (OSS)E39物件服務標準主要目的為提供以

物件及物件屬性來描述行為與資料時的

一般的術語、習慣及標示方式，此外，

並提供獲得及設定物件屬性及要求獲得

物件內容等基本的服務。此標準的範圍

包含提供概念、行為及公用物件常用之

一般通用之服務等。

* E84 Enhanced Parallel I/O (EPIO)E84 Enhanced Carrier Handoff Parallel

I/O為強化舊有的E21(PIO)，針對AMHS被動式灣區間(Inter-Bay)輸送器 (AMHS如OHT、AGV等)在傳送卡匣時與設備

文 16 機械月刊第三十一卷第十二期

之通訊標準。所謂的 Parallel I/O是指在平行操作的多條單位元線，每一條線的

訊號為ON/OFF，AMHS至Equipment往返的訊號均為8位元(有些位元未使用)，定義訊號交握(handshaking)的程序，僅作簡單旗標(flag)的傳送(無Carrier ID字元等)， E84規範了訊號內容、交握程序、接線定義等。

* E87 Carrier Management Standard (CMS)E87 Carrier Management Standard卡

匣管理標準為處理當自動輸送系統與設

備完成溝通後(E84)進行Carrier定位及到位後的相關操作，主要內容為訂定有關

處理卡匣之標準操作及卡匣有關以下的

通訊資料標準：

To and from host：當卡匣即將到位時通知設備；當完成卡匣到位確認後通

知卡匣 ID或Mapping結果給控制器；通知控制器(host)Load Port及卡匣狀態；通知設備有關卡匣內容、Mapping 結果及卡匣狀態等。在CMS中 Carrier亦以物件方式來定義，以利於隨時查詢 Carrier之現有狀態而不需追蹤其即時之所在位

置。

* E90 Substrate Tracking Standard (STS)E90 Substrate Tracking Standard主要

為進行基材(substrate)之位置追蹤，提供一個方法來決定設備內基材之即時位

置；另外進行基材之歷程記錄，提供基

材在設備中曾經到達過的位置的歷史資

料記錄的能量。 E90標準亦是利用物件來處理。

* E94 Control Job Management (CJM)E94 Control Job management屬於

晶圓層級之控制與管理標準，Control Job

(CJ) 定義了一個或多個晶圓/基材搬運器(carrier)在設備中的一個單位工作 (a unitof work)，此工作由一組由一個或多個將運用於 C a r r i e r 中之材料的製程工作(process job)所描述；亦即CJ定義一個產品的製程工作項目 (包含那些製程工作)，在工作執行時，只需將 Carrier中之各個基材指定到 CJ即可。 CJ指定了一個或多個製程工作， CJ對控制器提供佇列管理服務以便在佇列的製程工作

在執行時可變更其順序； 當單一Carrier/slot 的完整功能在某些製程工作時無法提供，則 CJ亦可以明確的指定 Carrier中基材之目的位置， CJ亦包含其他多種屬性與組態變數，以管理製程工作及

材料配置(disposition)。CJ管理基本上是晶圓的排程工作，在集束型設備控制器

中是屬於CTC之工作，應為CTC中之一個物件，惟在ITSC分析作業需瞭解此CJ物件之屬性與方法，以備未來接收 CTC之要求及獲得 CTC內之物件資料內容，據以執行所要求之工作項目。

* E99 Carrier ID Read/Write (CIDRW)E99 Carrier ID Reader/Write Func-

tional Standard，為對於 Carrier ID讀取與讀取 /寫入操作及服務要求的一個與協定無關的規格，亦即不管使用什麼

方式的讀寫方式都可運用相同的溝通

方式。其主要目的是為生產設備的

Loadport必須能支援 Carrier ID讀取(或讀 /寫)裝置，其位置取決於 ID之技術(條碼、 RF等)，使用者必須可以選擇使用技術，而設備供應者需要能將

更改使用技術時所造成之衝擊減至最

低。

文 17二!!五年十二月號

自動化專輯

平面顯示器製造自動化

(一) 液晶平面顯示器製造介紹

液晶平面顯示器的製造流程如圖 9

所示。一般而言，完整的液晶平面顯示

器製造可以區分為三段，分別為前段的

陣列(array)製程、中段的面板(cell)製程、及後段的模組(module)製程。 前段陣列製程包含薄膜電晶體基板及彩色濾光片的

製作，此階段的製程與半導體前段製程

類似，都是以重複的沉積、微影及蝕刻

過程，將薄膜電晶體製作於玻璃基板

上，或是製作出紅藍綠三原色的彩色濾

光片。 中段面板製程是將前段陣列製程所完成薄膜電晶體玻璃基板和彩色濾光

片玻璃基板結合起來，並在兩片玻璃基

板間注入液晶。而後段的模組製程是將

面板製程後的面板與其他組件如背光

板，電路模組，防護外框等多種零組件

組裝的製造作業。

在面板製造廠裡，前段陣列製程設

備大多屬高單價的全自動化製程設備，

從基板清潔、鍍膜、微影以至於蝕刻皆

是以自動化機具完成。而中段組立製程

設備，主要包含配向膜塗佈、配向、間

隔球灑佈、邊框塗膠、基板對位組立、

基板組切割及液晶滴入等。傳統中段組

立製程，從配向膜塗佈到基板組切割設

備，由於需處理大面積基板而要求高潔

淨與全自動化；而液晶滴入等後續製程

設備則視面板大小來決定全自動化設備

的需求。最後在後段模組製程設備由於

玻璃基板

成膜濺鍍

光阻塗布

紫外線光照射

曝光(光罩)

光阻顯影

蝕刻

陣列構造完成

光阻去除

反覆

(光罩道數

)

配向膜塗佈

面磨配向

框膠塗布

間隔物散布

組裝(陣列片 +彩色濾光片)

液晶注入

液晶封止

偏光板貼付

組立基板

TABIC接著

PCB接著

背光組裝

模組完成

圖 9 液晶平面顯示器的製造流程

(印刷電路板)

文 18 機械月刊第三十一卷第十二期

精度與潔淨度要求較低且

製程變化較大，因此許多

製程仍以人工方式進行。

新世代液晶平面顯示

器製程技術發展主要根據

陣列、組立及模組製程特

性之不同，藉由簡化製程

以及選用較少或較低成本

之原料或零件，在有效提

升製造良率及產能，並同

時降低製造成本。

(二)面板廠基材搬運系統發展

在面板製造產業中，

經常會將前段的陣列製

程、中段的組立製程及後

段的模組製程分別設置製

造廠。這些陣列廠、組立

廠及模組廠可能設置在同

一大廠房之不同樓層，或

是在同一地點之相連廠

房。由於模組製程之獨立

性較高，模組廠也可被建

置在不同地點，甚至跨國

設立。面板陣列廠之工廠

佈置方式與前述之晶圓製

造廠之工廠佈置方式類

似，主要以同一製程設備

放置在一起的方式佈置，

也就是以 bay的方式來建構。而組立廠及模組廠一

般則以生產線的方式來放

置製造設備。

由於面板玻璃基材之

面積，重量及易脆等特性，以及製程設備之龐大尺寸，

使得自動化技術在液晶平面顯示器產業中佔有關鍵角

色。基於玻璃基板的大尺寸考量，在一製程區內

(intrabay)之設備至設備之間及跨製程區之基材搬運主要以卡匣傳送方式進行。一般而言，這些卡匣每組可裝20片玻璃基材，在製程區內卡匣之搬運一般主要由無人搬

運車(AGV)來執行，而在跨製程區之卡匣搬運則由無人搬運車或者是頭頂傳送系統(overhead transport)來執行。圖10所示為友達公司頭頂傳送系統及無人搬運車實例。

這種頭頂搬運系統主要是在製程設備上面空間設置軌道

及輸送機構來搬運卡匣。一般傳送給製程設備所需玻璃

基材的方式乃是將裝有基板之卡匣送到製程設備之前端

的卡匣承接站(cassette station)，這些卡匣承接站為大氣環境。然後個別玻璃基材再經由機械手臂傳送到製程設

備內。在陣列製程中之許多設備需要在真空環境下執

行，如化學氣相沉積、物理氣相沉積、及乾蝕刻等。而

這些設備大都採取多腔式的集束型架構(cluster tool)，在這些設備內部各腔體之基材傳送主要會由一支真空機械

手臂來執行。有關多腔式集束型製程設備技術可進一步

參閱參考資料[8]。

面板廠內設備配置可以採取將同樣製程設備集中在

一個製程區內的製程功能導向佈置(job shop layout)，這

圖 10 頭頂傳送系統及無人搬運車實例 （資料來源：友達公司網站）

2004@AUO

文 19二!!五年十二月號

自動化專輯

種佈置方式在管理及維修上較具

優勢，然而其缺點是有可能造成

昂貴的製程設備常處於等待玻璃

基材之待機狀態。另一種可能比

較有效率的佈置方式是製造流程

導向佈置(flow shop layout)，這種佈置方式可以一個光罩之製造流

程為基準來考量設備的配置，而

其他光罩基礎的製造則重複於此

配置中完成。其衍生方式是以整

個陣列製程來考量設備佈置，這

種方式需要考量製程的瓶頸，再

將造成此瓶頸的製程設備增加台

數以達到流程平衡的目標。

(三)製程設備界面與倉儲系統結合技術

次世代薄膜液晶顯示器生產

線現正以上述之製造流程導向的

觀念及技術，也就是整合生產線

(in -line)設備的觀念應用在自動化倉儲系統上。其應用例如圖 11所

示，其結合集束型製程設備(在日語中，稱為枚葉型設備，即疊層

之意)及卡匣承接站 ( c a s s e t t estation)，並且將倉儲棚位建置在製程設備基材承接站的上方。 平面顯示器製造廠的卡匣承接站，

其功能有如半導體廠的設備前端

模組(EFEM)，然而卡匣承接站並沒有直接引入先進半導體廠之迷

你環境技術，但是利用了類似的

觀念，來維持在卡匣承接站中的

潔淨度，利用廠務端高效率風流

過濾器(HEPA)來持續產生下吹的

倉儲及搬運站

卡匣承接站製程設備

圖 11 製程設備界面與倉儲系統結合之應用例

圖 12 次世代面板廠之製程設備佈置及自動物料搬運圖 12 系統

文 20 機械月刊第三十一卷第十二期

氣流作為達到潔淨的手段。

次世代薄膜液晶顯示器廠由於玻璃

基材卡匣暨大又重，因此利用自動倉儲

中的搬送模組來傳送卡匣，代替了在製

程區內的頭頂搬運系統或無人搬運車，

來節省搬送時間。次世代面板廠的自動

物料搬運系統並利用倉儲做為製程區內

及跨製程區之間的連結，因此兼具了倉

儲和搬送的功能。

在技術發展中其也可為了製程規劃

後增加有軌搬運系統或其他種類的搬運

設備，以擴充產能。圖 12所示為次世代

面板廠一種可能的製程設備佈置及自動

物料搬運系統. 由於環境潔淨度對面板製造良率的影響很大，而面板廠中並無利

用迷你環境的方式來保持產品在卡匣的

潔淨度；因此，次世代面板廠正尋求有

效維持自動倉儲與製程設備界面的風向

及潔淨度控制。

先進製程及設備控制技術發展

半導體製程之控制方法可分別依處

理量、即時性、分析時間及調整機制等

四種特性予以分類。在處理量方面，製

程控制可分成批貨與批貨間之控制(lot -to-lot control)、批次至批次間之控制(run-to- run control)以及晶圓至晶圓間之控制(wafer-to- wafer control)。在即時性方面，則可將製程控制區分為即時控制系統(realtime control system)及批量控制系統(batchcontrol system)。在分析時間方面，則可分為線上分析(on-line analysis)及離線分析(off-line analysis)。在調整機制上則可分

為人工調整及自動調整兩種形式。

傳統製程控制採取統計製程管制

(Statistic Process Control；SPC)，其屬於批貨至批貨間之批量控制方法，為離線

分析後人工調整之製程控制。統計製程

管制主要是以正常操作下所得之結果，

所量測到之製程參數平均值作為製程設

定值隨機變動之特徵值，而其調整機制

則是以偏離特徵值之差值代表隨機製程

之干擾，再依控制方法進行正向補給及

回饋補償來修正製程配方參數。統計製

程管制之回饋控制是應用簡單之邏輯規

則來決定誤差是否代表一個真正之偏差

值或是隨機之變動。統計製程管制之回

饋控制並不是典型之自動控制，而是需

要人工介入。因此利用統計製程管制方

法進行人工控制之程度，經常建立在啟

發的方式與人為的判斷上。

由於在半導體製造產業之發展中，

隨著技術節點之推進及晶圓尺寸之放

大，使得投資成本急遽增加，因而加速

對科技的更深入需求，也相對地體會到

傳統製造機台在控制能力方面的落後，

有必要予以提升。傳統之統計製程管制

已不足以控制上述發展趨勢所產生之需

求。我們可以舉例來說明，例如當傳統

之統計製程管制系統發生失控狀況時，

常會造成製程設備之當機，此時設備將

無法持續操作，必須等待維修完成，再

經過驗證的確認程序，才能回復提供生

產之用。以現在半導體製程設備之生產

成本而言，當機將造成生產力重大之損

失。另外較嚴重之情形是在大量製程需

求超過機台負荷時，統計製程管制系統

出現異常的頻率將大為增加。解決這些

文 21二!!五年十二月號

自動化專輯

問題的有效方法之一是應用先進製程控

制(Advanced Process Control；APC)及先進設備控制( A d v a n c e d E q u i p m e n tControl；AEC)技術。

先進製程控制與先進設備控制已逐

漸被採用作為半導體製造廠提升品質及

良率之重要技術。這可從每年參與半導

體製造技術聯盟(SEMATECH)所舉辦的APC/AEC年度會議人數從近年以來逐年大幅成長得到確認。

先進製程控制之功能組成如圖13 所

示，其主要內涵是大量應用晶圓進入製

程反應腔之前及完成製程反應後之量測

(pre-measurement及 post-measurement)所獲得的資料，傳送至APC控制器內，透過控制法則之運算獲得製程參數之最佳

值，據以修改製程參數。另外透過大量

偵測掌握製程機台之狀況及製程資料，

經由錯誤偵測系統(fault detection system)確認製程反應結果是否在可接受之範圍

內，判斷是否有錯誤產生，並對所產生

之錯誤明確分類，進而透過回饋及修正

機制(feedback and correction)回報製程狀況，若此錯誤是在可自動修訂範圍內，

回饋及修正機制將自動調整機台參數以

消除錯誤。先進製程控制中之批次至批

次間之控制，是以數學的理論模型，把

控制的輸入值與製程的輸出值相結合計

算而得到。

由於半導體製造是以批次製程為

主，因此自動化批次與批次間之控制技

術將有很大潛力可改善晶圓廠的運作。

未來晶圓廠將會透過多重、分散的操作

中所收集之正向補給與回饋補償資訊，

來進行高度的批次控制系統整合。雖然

現階段先進製程控制技術在批貨與批貨

批次至批次控制器

前置量測 製程設備 後置量測

資料收集及配方單元

回饋及修正偵錯系統

圖 13 先進製程控制功能組成圖

文 22 機械月刊第三十一卷第十二期

間控制這個層級上較為成熟，然而在未

來數年內，在 300mm晶圓廠應用上，晶圓至晶圓間之控制將會被實現。此一層

級之技術的實現主要是受到高晶圓製造

設備成本所驅動，另外，這個驅動力量

也可能將製造後的量測方法整合於製程

設備上。

未來在製程控制上之分工及整合，

將趨向於批次與批次間之控制由半導體

製造廠負責，而晶圓與晶圓間之控制能

夠由設備提供廠商來負責建立在機台

上，並做為產品供應的一部分。由於此

分工趨勢，有效地整合由設備製造商建

立之晶圓與晶圓間之控制層級以及由晶

圓廠建立之批次至批次間的控制層級，

在晶圓廠整合控制中是一個重要議題。

錯誤偵測與判斷系統(Fault Detectionand Classification；FDC)是先進製程控制技術解決方案中之另外一項重要組成。

錯誤偵測在偵測製程操作之異常狀況，

而判斷則在提供此異常的可能原因。錯

誤偵測與判斷系統主要在提供一個自動

化的方法來偵測、示警及判斷導致異常

之原因。

自動錯誤偵測與判斷系統之主要特

色在於能夠監控一個多變數架構之製

程。其除了能獨立監控大量的製程參數

外，也可監控單一製程統計。複雜的多

變數錯誤監測與判斷系統，有很大的潛

力可應用在偵測設備的效能及診斷設備

的錯誤。在一製程設備上，要能偵控大

量的參數值，設備製造商要能將多變數

的錯誤偵斷系統嵌入到設備控制軟體結

構上。因此錯誤診斷系統除了可提供改

善設備製程操作外，也能在多重製程操

作的訊號下，執行監控設備製程之最佳

狀態。

先進製程控制技術是與半導體廠整

合控制密切結合的，因此先進製程控制

軟體之架構必須涵蓋所有共同功能的晶

圓廠整合控制之應用，而且其架構必須

要與半導體廠內其他軟體整合，其中主

要是與包含製造執行系統(MES)軟體架構快速整合。

結語

半導體及平面顯示器製造產業由於

技術門檻高及資金集中，其對製造自動

化之需求相當殷切。又由於網路技術及

產業全球化之快速發展，在需求明確及

資源充分投入之狀況下，使得半導體廠

及面板廠自動化技術得以迅速推動，並

在其他產業已有之技術基礎上健全發

展。

半導體及平面顯示器產業製造自動

化技術正從既有之基材輸送自動化，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。

參考資料

1.機械月刊，2004年4月號，半導體製程自動化專輯。

2.P. Singer, "Taiwan's fabs ramp up,"Semiconduct. Int., pp. 190-204, Sep. 1997.

3.F. Robertson, "300-mm factory trends,"Solid State Tech. pp. 101-102, Oct. 1997.

文 23二!!五年十二月號

自動化專輯

4.M. Weiss, "Semiconductor factoryautomation," Solid State Tech. pp. 89-96,Jan. 1996.

5.Books of SEMI International Standards,SEMI, CA, USA, 2004.(可參考網站：www.semi.org)

6.游欽宏，1998，「半導體前段設備及其晶片輸送系統發展趨勢分析」，中科院

新新雙月期刊，26卷第五期，1998 年9月。

7.游欽宏，黃崑峰，吳金龍，「高真空高潔淨之集束型製程設備自動化技術」，

機械月刊，2004年4月號，第345期。8."FPD Equipment and Material Analysis

and Forecast," DisplaySearch, 2000.9."International Technology Roadmap for

Semiconductor (ITRS)," 2003.(可參考網站：public.itrs.net)

作者簡介

游欽宏現任職中科院二所技術推廣組

組長及半導體與光電產業設備研發計

劃主持人

專長：

! 半導體與顯示器設備控制與設計

! 運動伺服控制技術

!機械人／手