1.1 研究動機
半導體產業是一個資本密集的產業，12 吋晶圓廠約需投資 30 億美金。這龐 大的投資金額中，建築成本約佔 25%，機台成本約佔 75%，因此機台利用率很 重要，機台利用率越高，越有競爭力。
為了提升機台利用率，半導體產業通常傾向建造一個大型晶圓廠而不會建造 兩個獨立運作的小廠，原因說明如圖 1.1 所示：假設 Fab_1 與 Fab_2 分別代表兩 個獨立運作小廠，其中 M1 與 M2 是兩小廠內功能性相同的機台，若 M1 和 M2 其中之一當機，由於兩廠是獨立運作，兩機台產能無法相互支援，因此會造成機 台利用率下降的現象。如果是建一個大型晶圓廠(如 Fab_0)，M1 與 M2 機台皆會 擺放在鄰近的位置，當 M1 或 M2 任何一機台發生當機時，可以由另一台迅速遞 補，因此可以達到機台產能即時相互支援的效果，機台利用率會較高。
圖 1.1 大型晶圓廠與兩個獨立運作小廠之比較
然而大型晶圓廠的廠房空間如果太大，運輸軌道可能出乎意料的成為整個生 產系統的瓶頸。其主要的原因有二個；第一個原因為運輸距離變長：當大規模產 出時廠房所需的空間變大，運輸距離會變長，運輸時間也會跟著變長。第二個原 因則是運輸量變大：大規模產出會使加工件數增加，運輸量會大增。
為了避免運輸軌道成為瓶頸，本研究提出了兩種方案，解決因大規模產出而 Fab_0 M1/M2
M1
M2
Fab_1
Fab_2
造成運輸軌道成為瓶頸的問題：方案一是採單廠區多層運輸軌道設計、方案二是 建相鄰雙廠區並採跨廠區途程生產設計，茲分別討論如下：
方案一的研究背景乃源自於自動化物料搬運系統的設計，在 300mm 半導體 廠的規模時，一個批量的晶圓約重 8.2 公斤，已無法長時用人力搬運，需藉由自 動化物料搬運系統來運輸，一般的自動化物料運輸系統皆為懸吊式設計，懸吊於 半空中，搬運路線不會受到生產設備的限制，且便於生產動線的規劃。因此半導 體廠的運輸系統通常位於廠房的上方，與一般傳統的製造業有相當大的差異，故 本研究方案一的構想為在原始運輸軌道上方增建多層運輸軌道的方式，增加運輸 的產能，避免運輸軌道成為瓶頸，提升機台的利用率。如圖 1.2 所示，此方案的 研究重點在於：給定一產品組合及目標產出率，在最大化產出及最小化運輸成本 的考量下，決定運輸系統的「最適運輸軌道層數」。
圖 1.2 單廠區多層運輸軌道設計
方案二的研究背景是各公司的晶圓廠通常設置於鄰近的位置，在早期建廠時 並無考慮到雙廠區可跨廠生產運輸的功能，只是各自獨立生產產品，生產規模較 小，獨立運作的小廠之間無法立即相互支援產能，當某個廠房發生機台故障時，
通常都需要聯絡其他廠房是否有多餘產能可以生產，然後再溝通協調該如何撥單 生產，這樣的方式除了在管理上有相當的難度，在生產週期時間上也會造成很大 的延遲。如果可以讓兩獨立生產的小廠變成兩個相互支援產能的廠，再加上良好 的途程規劃方式，則可以大幅增加產出。因此方案二的主要議題為如何做好生產 途生產程規劃，使兩廠的產出最大化。本研究子題二提出了雙廠區可跨廠生產的 方法，如圖 1.3，其研究構想為在一個大型晶圓廠的空間內，建立兩個相鄰的小
Fab_0 M1/M2
：運輸軌道系統
廠區且可跨廠區生產。建兩個相鄰小廠區時，廠區內的運輸距離會縮短，可避免 運輸軌道成為瓶頸，然而廠區間又可利用跨廠運輸的方式達成產能相互支援的功 效，以提升機台利用率；此方案的研究重點在於給定產品組合與機台組合，在最 大化產出的考量下決定容許跨廠區生產的「最適生產途程」。例如：那些產品應 在單廠生產？哪些產品需跨廠生產？若需跨廠生產，途程應該如何切割?
圖 1.3 雙廠區跨廠生產設計
1.2 研究問題
如上節所述，半導體產業屬於資本密集的產業，為了有效的提升機台利用 率，採大規模產出的設計方式可以降低製造成本，增加企業的競爭力，因此本研 究擬探討：在大規模產出情境下半導體廠的最適設計與營運模式。針對此研究問 題，本論文分成三個子題進行研究。
第一個研究子題乃依據單廠區設計方案，發展出大規模產出的單廠區多層運 輸軌道設計方法，其研究重點在於單廠區「最適運輸軌道層數」的設計，而最終 決策為在利潤最大化的目標下，決定運輸系統所需建構的軌道層數。
第二個研究子題乃依據雙廠區設計方案。發展出適用的雙廠區可跨廠的途程 規劃方法，其研究重點在於產品各生產途程的比例分配及可跨廠產品的切割點選 擇，在兩廠總產出最大化的目標下，決定可跨廠生產的「最適途程」。
第三個研究子題是探討上述兩設計方案的適用情境。研究重點是對兩設計方 案在相同比較基準下(如廠房面積、機台數目、產品組合、產出率及目標週期時 間皆相同)，進行成本與利潤分析，以瞭解此兩方案的選擇時機為何？例如當產
M2
Fab_1
Fab_2 跨廠運輸
M1
量為多少時該考慮單廠區多層運輸軌道設計，何時該採用雙廠區可跨廠生產的方 式。
1.3 研究方法
本研究三個子題的研究方法簡述如下。
第一個子題的目的是在單廠區方案下，求解最適運輸軌道層數。求解方法可 分成兩階段：第一階段是假設運輸時間等於零，目的是求解最適機台數目。在給 定目標產出、產品組合及目標週期時間，我們利用 Connors et al. (1996)所提出的 等候網路模式為績效評估的機制，利用邊際搜尋法求得晶圓廠所需的最適機台數 目。得到最適機台數目後即可推估所需要的廠房面積大小及各機台間的運輸距 離，最後求得各機台與機台間所需的運輸時間。第二階段是假設運輸時間不等於 零，利用階段一所求得的機台數目、給定特定的產品組合及目標週期時間，以 Wu et al. (2009)根據 Connors et al. (1996)所修改的等候網路模式(將運輸視為機台) 為績效評估的機制，利用邊際搜尋法求得在利潤最大化的目標下，單廠區的最適 運輸軌道層數。
第二個子題為雙廠區進行跨廠途程規劃時，各產品可跨廠途程的切割點該如 何選擇?及各產品的途程生產比例該如何分配? 過去 Wu et al. (2009)已探討過此 子題，為降低求解時間，本研究提出一新構想：只容許部分產品跨廠，藉此簡化 跨廠途程規劃的複雜度。本子題亦分成兩階段求解：第一階段假設運輸時間等於 零，利用線性規劃(Linear Programming；LP)模組及兩個二元搜尋法作為搜尋機 制，在可跨廠生產數量最小化的情況下，求得最大化兩廠的總產出時的最佳切割 點及各產品生產途程的比例。第二階段則假設運輸時間不等於零時，利用基因演 算法(Genetic Algorithm；GA)為搜尋機制，利用 Wu et al. (2009)所提出的 Enhanced Q-Network 為績效評估機制，求得兩廠總產出最大化的情況下，各產品的最佳生 產途程配置方式。
第三個子題則為子題一/二的應用，在相同的基準下(廠房面積、機台數目、
產品組合、產出率及目標週期時間皆相同)，比較兩設計方案，在不同產出規模 下個別的總利潤，以決定最適設計方案。實驗結果顯示：在較小規模產出時，以 採用單廠多層運輸軌道設計方案為佳；在較大規模產出時，以採用雙廠跨廠生產 設計為佳。
1.4 論文組織
本論文其他章節安排如下，第二章為相關文獻探討，第三章為單廠區之最適 運輸軌道層數設計。第四章為雙廠區可跨廠途程規劃，第五章則為兩方案之比較 分析，最後一章為結論及後續研究。