雙階段虛擬量測 新世代技術
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張志玲｜
《科學發展》特約文字編輯（文字整理）
國立成功大學人才輩出，研究成果屢獲佳績。該校電機資訊學院製造資訊與系統研究所鄭芳田講座教授研發的「雙階段虛擬量測方法」，深受各界肯定，繼經濟部、國科會、東元科技文教基金會頒發科技獎項後，再度贏得殊榮，獲頒「行政院2011年傑出科技貢獻獎」。
截至2012年5月止，已取得我國和美、日、韓、中國大陸等5國11項與這項技術相關的專利，並成功地把技術轉移給半導體、面板顯示器、太陽能等產業的大廠，總計獲得技術授權簽約金新台幣7,535萬元。而這技術具有的潛在經濟效益，在台灣市場約新台幣7.7億元，全球市場約新台幣23億元。
線上即時 品質全檢
半導體、面板顯示器、太陽能等產業的投資規模龐大，必須大量生產才能提高經濟效益，因此如何讓生產設備每天24小時正常地運轉和提高產品良率，成為業界獲利的主要關鍵。而要提高產品良率，必須大量增設量測機台，且在生產過程中對半成品與成品進行全檢。然而，這麼做勢必耗費大量生產時間與成本。為求節省成本，目前業界只能以抽檢方式進行品質監控，因此無法達到全檢目標。
以半導體產業為例，其生產機台上的每個卡匣內約有25片晶圓，每隔一段時間僅抽取卡匣內的一或兩片晶圓量測品質，以監控晶圓品質是否正常或機台是否異常。然而，被抽測晶圓的量測值在完成加工後，仍須等待4到6小時才能取得，倘若生產機台參數在等待中的4到6小時內出現偏移或變異問題，可能無法及時發現，也可能導致產出大量不良產品。
所謂虛擬量測（Virtual Metrology, VM）是指在生產產品尚未或無法進行實際量測的情況下，利用生產機台參數推估其產品品質，以達全檢目標。這種做法能把離線且延遲的品質抽檢，改成線上且即時的品質全檢。國際商業機器股份有限公司、國際半導體技術藍圖與國際半導體技術製造協會等都已認定，虛擬量測是半導體與太陽能產業提高產品良率和降低生產成本的必備技術。只不過，傳統的虛擬量測方法仍無法讓人安心採用。
傳統的虛擬量測架構，首先須蒐集足夠的生產機台資訊與實際量測值進行資料前處理，然後建構虛擬量測模型，以便在無實際量測的情況下，利用生產機台參數推估其所對應的晶圓品質。這種做法只能有1項VM輸出，且有兩個疑慮：倘若即時輸出虛擬量測值，所得虛擬量測值準確性不高；若要確保虛擬量測值的準確性，則無法即時輸出。另外，由於只能提供預測值，而無法得知這預測值是否可靠，令使用者不敢貿然採用。
雙階段虛擬量測 環環相扣
鄭教授和其研究團隊被譽為全球半導體製造系統虛擬量測研究的先驅，他們研發的「雙階段虛擬量測架構」兼顧即時性與準確性，具線上即時模型更新能力，可提供信心指標（Reliance Index, RI）、整體相似度指標（Global Similarity Index, GSI）、追溯失效原因與生產機台資料分析，甚至可支援實現逐片檢測模式的先進製程批次控制。雙階段虛擬量測的第一階段，是在收集完成某一工件製程參數資料後，立即計算該工件的第一階段虛擬量測值（VMI），以及與其對應的RI指標與GSI指標，由於耗費時間少於1秒，可滿足立即性需求。第二階段是在接收被抽測工件的實際量測值後，先與製程資料比對序號，倘若比對成功，就以該組製程及量測值調校或再訓練預測模型，然後重新計算被抽測工件所屬卡匣內所有工件的第二階段虛擬量測值（VMII），以及與其對應的RI指標與GSI指標，以滿足準確性需求。
全自動虛擬量測技術（Automatic Virtual Metrology, AVM）技術必須透過AVM系統執行，這系統包括VM管理伺服器、遠端監控螢幕、建模伺服器、AVM伺服器等幾個重要組件。倘若要把虛擬量測擴散至整個晶圓廠，每部機台必須各配置一台AVM伺服器。主要運作方式是：首先由「建模伺服器」負責建置某一型機台的首套VM模型組；再由「VM管理伺服器」以自動移植方式，把首套VM模型組擴散至所有同類型機台的AVM伺服器；接收移植模型的各個AVM伺服器，隨即利用自動換模方式迅速換模，以恢復和維持虛擬量測應有的精準度，精準度恢復後，各AVM伺服器便可執行與VM有關的各項服務。
業界驗證 成效斐然
2004年開始投入AVM技術相關研究的鄭教授，把撰寫論文，申請專利，移轉技術供業界使用訂為必然目標。果真，AVM技術經業界驗證後成效斐然。2007年，該技術以技轉方式在一家半導體大廠的生產機台上，完成線上即時的先導功能與精度驗證。2006至2010年，在兩個國科會大產學計畫及技轉模式下，AVM技術在知名面板廠商的多種生產機台上達成所有功能與精度驗證。2010年，在技轉與固本精進計畫下，把AVM技術導入另一太陽能電池廠，進行設備即時失效偵測，改善如太陽能電池的抗反射層製程良率，增加發電轉換效率等。由於成效優異，翌年又在該太陽能電池廠的其他廠房導入AVM系統，並配合先進製程控制，使得電漿輔助化學氣相沉積機台的綜合製程能力指數提升達35％。
當然，節省成本也是AVM技術的強項。以每月生產3萬片12英寸DRAM晶圓新廠為例，如果採用AVM系統，預估每年可節省約 6,300萬美元，相當於節省新台幣20億元檢測成本。此外，在單一機台完成部署建置後，可全自動地部署到同一類型的所有機台，得以節省使用及維護人力達90％。只不過，採用AVM技術必須考量建置成本和投資報酬率，意即這技術較適合產值具一定規模，如半導體、面板、太陽能、工具機或石化工業等產業使用。
堅持到底 永不放棄
要做就要做到最好，是鄭教授的自我期許。成功大學電機系第一名畢業後，因為沒錢出國留學，就選擇有在職進修機會的中山科學研究院工作。他從研究助理開始做到最高階研究員，一待就是19年，因為工作態度認真負責，為自己爭取到低於百分之一的出國進修機會，最後終於取得美國俄亥俄州立大學電機工程研究所碩、博士學位。回到成功大學服務後，他要求理論與實務結合，以專業解決問題，加上擇善固執直到成功為止的研究態度，使得他獲獎無數。在教育部、國科會、成功大學、經濟部等各單位頒發的不同獎項中，都可見到鄭教授的名字，2008年1月1日榮膺國際電機與電子工程師學會會士（IEEE Fellow）則是他被國際科學界肯定的又一證明。
【行政院2011年傑出科技貢獻獎得獎人專訪】
