全自動虛擬量測

國立成功大學講座教授鄭芳田。

國立成功大學(NCKU)講座教授鄭芳田博士，以在E化製造、半導體生產自動化、虛擬量測、預測保養、智慧製造等領域的專長，來分享如何運用「虛擬量測」來提升工廠效率，進而邁向智慧工廠的境界。他表示約10年前就開始有研究單位開始進行與虛擬量測相關的研究；而鄭芳田的研究團隊在「虛擬量測」這個領域的成果，包括學術論文、海內外專利、與在工廠上的實際應用等，都是獨步全球。

「虛擬量測」的觀念是半導體產業為了能將「有時間延遲的實際抽檢」轉換成使所有工件皆能被「線上且即時地品質全檢」，以便能增加良率與降低成本，進而維持企業競爭力而率先提出的全新作法。

「虛擬量測」其屬性為一種間接量測。而鄭芳田博士所研發成功且榮獲經濟部國家發明獎金牌的 「全自動虛擬量測(Automatic Virtual Metrology；AVM)」系統，則是一套精準可行、架構成熟、且能將虛擬量測技術全自動地實際導入工廠生產線的發明。該AVM系統已在台積電、奇美、茂迪、與聯電等高科技產業的生產線上驗證成功過。

自動全檢提升產品良率與安全性  虛擬量測期待多

半導體、面板顯示器、與太陽能電池等高科技產業的投資規模龐大，大家比的是量產規模，產能大自然生產效益也大。因此如何應用自動全檢讓生產設備保持全天候不間斷且正常運轉，並維持高良率，就顯得很重要。傳統產業中，以汽機車零件？組裝廠為例，安全是汽機車零組件的最高原則；但台灣大多採人工抽檢，目前缺乏導入引擎零件、傳動軸零件等的自動全檢技術。

若要提升良率與安全性，就得對所有的成品進行全檢。然而，以購買大量機台來對半成品與成品做全檢的方式，會耗費大量生產時間、人力與企業資源。為了節省成本，目前業界普遍採用「抽檢」方式來進行品質監測，但這樣並無法達到全方位品管，因此為了能經濟實惠地達到「全檢」，就必須導入「虛擬量測」的技術。

產業界對虛擬量測的期待，早在2008年，ISMI就將之列為下世代晶圓廠(18吋廠)的必備規格之一；第九屆AEC/APC研討會中，ITRS也將之列為未來FICS(工廠資訊控制系統)內的重要技術；2009年AEC/APC研討會中IBM也表示，虛擬量測技術可協助太陽能產業提升產品的良率；2013年台積電在台灣歐盟資通訊科技合作策略會議上也提到，可運用虛擬量測技術來發展智慧型生產機台(Smart Tool)，使其具有自我檢測、校正與控制等能力和達到減少晶圓控片的目標。

虛擬量測的原理說明與實機展示

鄭芳田以機製業的CNC機台為例，說明虛擬量測的原理。傳統加工精度量測為：「離機量測」(將加工件拿到CMM量床來測量)或「機上量測」(以加工機上的量測探針直接量測加工精度)。前者的量測延遲時間長，使得加工品質劣化時無法即時得知並改善，導致產生大批廢料。而後者則是會佔用機台的可加工時間，導致機台稼動率降低。至於虛擬量測，則可提供線上且即時的加工精度預測，比離機量測的效率還高，且比機上量測的加工時間短，所以虛擬量測更具效益與成本優勢。

鄭芳田以2012年在TSMS(台灣國際工具機展)中展示的全自動虛擬量測(AVM)系統，來實際說明其功能。在彰化工廠進行的手機相機孔位精加工過程中，其使用者介面可顯示線上即時的虛擬量測值 (在加工完成後5秒內，可即時預測且顯示出該剛加工完之工件的虛擬量測值)，且還可透過TSMS展覽會現場畫面(台中)以遠距方式顯示出來。

一般半導體設備機台，大多設置了FDC參數檢驗系統，可偵測機台本身的健康狀況，但無法偵測出產品的品質狀況；當導入AVM之後，除了上述可運用產品的虛擬量測結果維持產品品質之外，當機台有異常狀況時，AVM系統亦能一併偵測出此異常，且能即時發出警示。這也就是導入AVM系統的另一大優勢。

在AVM的技術部份，其需要在機台上安裝各種感應器(Sensors)來收集各種製程資料並送至AVM伺服器；然後，經過資料處理，並做「資料品質評估」(去除資料雜訊)，再經過「預測演算核心」與「信心指標」等模組，來進行虛擬量測。

在AVM的雙階段虛擬量測演算法中，第一階段是強調立即性，第二階段則強調準確性。至於AVM系統架構，就是各AVM伺服器連接生產機台與量測機台。然後透過SOAP (簡單物件存取協定)與建模伺服器、VM管理伺服器、和資料庫做連線，而管理者也可以透過SOAP協定連接前兩個伺服器，來做遠端監控。

最後，鄭芳田介紹各產業導入AVM的應用實例，包含了一般傳統產業、面板廠TFT製程生產線、TFT黃光製程、半導體薄膜製程(抽測率由2/25降至1/50)、汽車輪圈生產線等。這些應用實例說明了AVM的即時性與精準性之優勢，確實協助工廠將抽檢品質提升到全檢等級，不僅改善生產品質，增加生產效率，同時能夠降低整體營運成本，為企業提升整體競爭力。