全自动虚拟量测

国立成功大学讲座教授郑芳田。

国立成功大学(NCKU)讲座教授郑芳田博士，以在E化制造、半导体生产自动化、虚拟量测、预测保养、智能制造等领域的专长，来分享如何运用「虚拟量测」来提升工厂效率，进而迈向智能工厂的境界。他表示约10年前就开始有研究单位开始进行与虚拟量测相关的研究；而郑芳田的研究团队在「虚拟量测」这个领域的成果，包括学术论文、海内外专利、与在工厂上的实际应用等，都是独步全球。

「虚拟量测」的观念是半导体产业为了能将「有时间延迟的实际抽检」转换成使所有工件皆能被「在线且实时地品质全检」，以便能增加良率与降低成本，进而维持企业竞争力而率先提出的全新作法。

「虚拟量测」其属性为一种间接量测。而郑芳田博士所研发成功且荣获经济部国家发明奖金牌的 「全自动虚拟量测(Automatic Virtual Metrology；AVM)」系统，则是一套精准可行、架构成熟、且能将虚拟量测技术全自动地实际导入工厂生产线的发明。该AVM系统已在台积电、奇美、茂迪、与联电等高科技产业的生产在线验证成功过。

自动全检提升产品良率与安全性  虚拟量测期待多

半导体、面板显示器、与太阳能电池等高科技产业的投资规模庞大，大家比的是量产规模，产能大自然生产效益也大。因此如何应用自动全检让生产设备保持全天候不间断且正常运转，并维持高良率，就显得很重要。传统产业中，以汽摩托车零件？组装厂为例，安全是汽摩托车零组件的最高原则；但台湾大多采人工抽检，目前缺乏导入引擎零件、传动轴零件等的自动全检技术。

若要提升良率与安全性，就得对所有的成品进行全检。然而，以购买大量机台来对半成品与成品做全检的方式，会耗费大量生产时间、人力与企业资源。为了节省成本，目前业界普遍采用「抽检」方式来进行品质监测，但这样并无法达到全方位品管，因此为了能经济实惠地达到「全检」，就必须导入「虚拟量测」的技术。

产业界对虚拟量测的期待，早在2008年，ISMI就将之列为下时代晶圆厂(18寸厂)的必备规格之一；第九届AEC/APC研讨会中，ITRS也将之列为未来FICS(工厂信息控制系统)内的重要技术；2009年AEC/APC研讨会中IBM也表示，虚拟量测技术可协助太阳能产业提升产品的良率；2013年台积电在台湾欧盟资通讯科技合作策略会议上也提到，可运用虚拟量测技术来发展智能生产机台(Smart Tool)，使其具有自我检测、校正与控制等能力和达到减少晶圆控片的目标。

虚拟量测的原理说明与实机展示

郑芳田以机制业的CNC机台为例，说明虚拟量测的原理。传统加工精度量测为：「离机量测」(将加工件拿到CMM量床来测量)或「机上量测」(以加工机上的量测探针直接量测加工精度)。前者的量测延迟时间长，使得加工品质劣化时无法实时得知并改善，导致产生大批废料。而后者则是会占用机台的可加工时间，导致机台稼动率降低。至于虚拟量测，则可提供在线且实时的加工精度预测，比离机量测的效率还高，且比机上量测的加工时间短，所以虚拟量测更具效益与成本优势。

郑芳田以2012年在TSMS(台湾国际工具机展)中展示的全自动虚拟量测(AVM)系统，来实际说明其功能。在彰化工厂进行的手机镜头孔位精加工过程中，其使用者界面可显示在线实时的虚拟量测值 (在加工完成后5秒内，可实时预测且显示出该刚加工完之工件的虚拟量测值)，且还可透过TSMS展览会现场画面(台中)以线上方式显示出来。

一般半导体设备机台，大多设置了FDC参数检验系统，可侦测机台本身的健康状况，但无法侦测出产品的品质状况；当导入AVM之后，除了上述可运用产品的虚拟量测结果维持产品品质之外，当机台有异常状况时，AVM系统亦能一并侦测出此异常，且能实时发出警示。这也就是导入AVM系统的另一大优势。

在AVM的技术部份，其需要在机台上安装各种感应器(Sensors)来收集各种制程数据并送至AVM服务器；然后，经过数据处理，并做「数据品质评估」(去除数据杂讯)，再经过「预测演算核心」与「信心指标」等模块，来进行虚拟量测。

在AVM的双阶段虚拟量测演算法中，第一阶段是强调立即性，第二阶段则强调准确性。至于AVM系统架构，就是各AVM服务器连接生产机台与量测机台。然后透过SOAP (简单物件存取协定)与建模服务器、VM管理服务器、和数据库做连线，而管理者也可以透过SOAP协定连接前两个服务器，来做线上监控。

最后，郑芳田介绍各产业导入AVM的应用实例，包含了一般传统产业、面板厂TFT制程生产线、TFT黄光制程、半导体薄膜制程(抽测率由2/25降至1/50)、汽车轮圈生产线等。这些应用实例说明了AVM的实时性与精准性之优势，确实协助工厂将抽检品质提升到全检等级，不仅改善生产品质，增加生产效率，同时能够降低整体营运成本，为企业提升整体竞争力。