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以产品零缺陷实现工业4.1 半导体自动化教父率成大团队开发AVM技术

成大郑芳田教授在业界有「半导体自动化教父」之称,其透过多项技术协助台湾业者逐步完成工业4.0目标。廖家宜

在针对工业制造及设计的AI专利统计中,台湾成功大学智能制造研究中心主任郑芳田以拥有14项美国AI发明专利位居全台之冠,同时郑芳田在台湾业界也被称为「半导体自动化教父」,其团队所开发的全自动虚拟量测(AVM)技术解决过去半导体产业在品检流程中有时间延迟的问题,从抽检转换成实时全检,进而达成产品接近零缺陷的目标。而该技术也屡获台湾多家大厂青睐,包括早期奇美和联电,近年日月光、台塑、汉翔、远东机械、铨宝等业者也都与成大进行产学合作。

工业4.0不应只关注生产效率 产品零缺陷才是客户需求重点

工业4.0是今日全球制造业都渴望达到的里程碑,但郑芳田观察,现今制造业对于智能制造的愿景,大多仍聚焦于如何提高生产效率,惟对生产质量的提升却容易被忽略,即便是提出工业4.0概念的德国也是如此。对此,郑芳田则是呼吁,重视产品质量才是制造业者需关注的重点。

郑芳田以2016年三星Note7手机电池爆炸事件为例。回顾当时,Note 7推出后1个月内,在全球接连发生约20起爆炸事故,发生比例仅有百万分之5,这看似极微小的比例,却因此让三星手机蒙尘,不仅被迫停售Note 7,也让品牌商誉受损,市值一口气蒸发70亿美元。

对制造业者来说,藉由智能制造技术能够提升生产效率与降低生产成本,使交期准时送达,如此订单才会一波接著一波来。但事实上,对客户而言,产品有无瑕疵才是其最关心的部分。郑芳田直言,客户对于智能制造的需求,重视的是产品本质,意即最终产品本身有没有瑕疵,客户也许并不会在意业者所使用的生产机台有没有问题,或是排程做得好不好。

藉由智能制造提升生产效率是工业4.0的愿景,但郑芳田认为,制造业者最终更应追求产品零缺陷的目标,「这是超越工业4.0,达到工业4.1的境界。」欲达到零缺陷,以现行的手法来说,势必要针对所有在制品和产品进行全检,如此便需要购置大量的量测仪器,并耗费众多人力与时间才能达成,然此举需要大量投资,而如此便无法降低成本,所以根本不可行。而郑芳田与成大团队所开发的AVM技术正是取代实体量测手法,既无需投资大量硬件设备,也可达到产品全检的效果。

5秒之内就能完成在线实时虚拟量测

所谓虚拟量测,意即在产品尚未或无法进行实际量测时,利用机台参数推估其所生产的产品质量,进行在线且实时的估测,而最重要的关键,则在于可达到全检的效果。当生产的产品可在百分之百被检验的程序下确保质量无误,理所当然交货至客户手中的产品,也能确保100%良率。

这项技术起初是在半导体产业获得验证。郑芳田说,早在2000年左右,半导体产业就开始出现虚拟量测的观念与需求,希望能实时量测在制品,以确保产品质量。过去半导体产业采取离线抽检的方式进行品检,但其具有延迟性,此量测延迟(Metrology Delay)时间平均约2至4个小时,且因仅采抽检,所以也无法百分之百保证质量无误。

因此,半导体业者不仅希望在生产完当下就能实时检验质量,且针对高精密的晶圆产品,最好能够达到百分之百全检。于是郑芳田团队利用半导体设备大多都已具有的错误侦测和分类系统来撷取制程参数,加上每片晶圆都设有ID可追溯生产履历,而藉由历史样本的质量量测资料当「果」,而其相对应的制程资料做「因」,透过晶圆ID将因果关系链接,利用AI技术建立预测模型,未来当新的晶圆完成生产后,计算机就可收集当下所掌握的制程参数实时估测产品质量,而这整个过程大约仅需要有5、6秒。

郑芳田团队将这项AVM技术移转给台积电的过程中,也如期完成对方所要求的三阶段验收,虽然很拼命,「但也证明我们的AVM技术是真正的成功!」。据悉,该AVM系统除了台积电外,包括群创、茂迪、联电等高科技产业的生产线都已成功验证过。

而2018年成大智能制造研究中心(iMRC)也与封测大厂日月光技术合作,导入包含全自动虚拟量测(AVM)、智能型预测保养(IPM)与智能型良率管理(IYM)等三大智能化服务系统。运用AVM除了可达到全检外,亦可减少购置量测机台,且可大幅降低制程量测时间。而IPM则可预测制程设备的剩余寿命,借以提升机台稼动率和避免无预警死机,另外,运用IYM则可快速找出影响产品良率的重要机台参数,再针对造成影响良率的原因持续改善,以便能提升良率,达到所有生产产品接近零缺陷的目标。

协助各行各业达到「工业4.1」目标

成功大学在2018年初成立智能制造研究中心,而该中心成立的目标,即是希望透过如AVM、IPM、IYM等核心技术,让各个产业都能达到产品接近零缺陷,完成「工业4.1」的目标。例如航天和汽机车零件等产业,安全性是生产的最高原则,对于质量的控管甚为严格,也因此更需要采取产品零缺陷的生产方式。所以近年来,除了高科技半导体与面板产业外,包括汉翔、台塑、远东机械、铨宝等产业,也已将这项技术导入其生产线中,应用领域十分广泛。

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