國立交通大學
工業工程與管理學系碩士班
碩士論文
薄膜電晶體陣列廠下
雙等級工單之主生產排程設計
The Design of Master Production Scheduling
with Two Priority Orders for
TFT-LCD Array Factory
研 究 生：莊依潔
指導教授：鍾淑馨 博士
薄膜電晶體陣列廠下雙等級工單之主生產排程設計
The Design of Master Production Scheduling
with Two Priority Orders forTFT-LCD Array Factory
研究生：莊依潔 Student：I-Chieh Chuang
指導教授：鍾淑馨 博士 Advisor：Dr. Shu-Hsing Chung
國立交通大學
工業工程與管理學系
碩士論文
A Thesis
Submitted to Department of Industrial Engineering and
Management
College of Management
National Chiao Tung University
in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of
Master
in
Industrial Engineering
June 2009
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
薄膜電晶體陣列廠下雙等級工單之主生產排程設計
研究生：莊依潔 指導教授：鍾淑馨 博士 國立交通大學工業工程與管理學系碩士班摘 要
薄膜電晶體陣列段，因產品具製程規格、垂直鎖定機台與雙等級工單等限 制，造成等候時間延長，因而提高產品生產週期時間之變異。規劃主生產排程 時不考慮上述限制，將無法精確控制生產週期時間。有鑑於此，針對預定之產 品/等級組合及目標產出量，本文擬建立一快速提供主生產排程結果之規劃模 組，使產品可準時達交。另外，為得知具長期競爭優勢之最適產品組合/等級 比例，本文擬建構一評選機制，以求得良好之產品組合/等級比例。 針對考量雙等級工單、具製程規格與垂直鎖定機台之情境。本論文之「主 生產排程模組」，首先建構一混合整數規劃模式，以最小化黃光工作站機台間 之產能負荷差異為目標，求得各機台在負荷均衡下之產能分配。再透過 Jackson Network 演算法得知每一等級產品於各工作站之到達率，最後使用非逐位性等 候模式估算各產品於每一工作站之流程時間，並依照產品途程將流程時間加 總，以得每一等級產品之生產週期時間。依據估算之各等級產品生產週期時 間，估算現場在製品數，並制定對應之投料計劃及派工法則，以確保各機台間 產能負荷均勻化，及達成預定生產績效。 驗證結果顯示，本文所提出之主生產排程模組，在考量機台利用率具差異 之情況下，所推估之產品生產週期時間，與模擬系統所推估之結果相比，平均 誤差在3%以內；而本文提出之投料規劃，可使生產現場運作能達預定產出 目標之 99%以上。整體而言，本文所發展之模式，可作為在考量具雙等級工 單、製程規格能力與垂直鎖定機台等限制下，規劃主生產排程之參考依據。 本論文之「最適產品組合/等級比例評選機制」，係以上述模組為基礎，運 用資料包絡分析法針對產品生產週期時間、訂單達成率與利潤等生產績效指標 進行整體評估，決定最具競爭優勢之產品組合/等級比例，以提昇整體生產效 率。 關鍵詞：薄膜液晶體陣列廠、製程規格能力、垂直鎖定機台、雙等級工單、產
The Design of Master Production Scheduling with Two Priority
Orders for TFT-LCD Array Factory
Student：I-Chieh Chuang Advisor：Dr. Shu-Hsing Chung Department of Industrial Engineering and Management
Natural Chiao Tung University
Abstract
In TFT-LCD array environment, the waiting time of products will be extended if products have the characteristics of process window, machine dedication restrictions and priority order. If considering the above characteristics is not considered when planning the master production scheduling (MPS), then it is unable to control cycle time precisely. Hence, MPS mechanism is proposed for such an environment.
In this thesis, we develop mix-integer programming to allocate capacity loading between each machine in photo workstation for minimizing the variability of utilization rate at first. Second, in order to calculate the cycle time for every priority order of products, we use Jackson Network algorithm to solve the arrival rate of each product type at each workstation so as to estimate the flow time of products by using non-preemptive priority queuing model. Finally, to ensure the estimated cycle time of products can be achieved. We propose a material release planning module by adopting CONWIP release rule and develop the corresponding dispatching rule.
To validate the proposed mechanism, a simulation method is built. The results show that the average of cycle time estimation error is within 3% and 99% of the output target can be achieved.
To find the product and priority mix with the most competitive advantage for the factory, we select feasible scenarios as decision making units (DMUs) by applying the proposed MPS mechanism. Then we use data envelopment analysis (DEA) to evaluate and to select sets of the DMUs with considering cycle time, profit, output target, work in process(WIP) and delivery rate.
Keywords: TFT-LCD array, process window, machine dedication restrictions, product and priority mix, DEA
誌謝
終於要畢業了…當不自覺吐出這一句話後，我呆了一下，突然覺得最後一段學 生生涯在此結束，感覺還不錯。(其實我想了超多開頭文…哈哈) 首先謝謝教我三年的指導教授—鍾淑馨老師。師者，所以傳道、授業、解惑也。 除了課業與論文上的指導外，生活瑣事也一併關心了，大大小小的事總是逃不了老 師的法眼，能跟老師聊心事的感覺很好，我也終於了解為啥畢業的學長姊總會想要 回來找老師的原因了。因為，我也是。最後一個學歷能遇到老師真的是我莫大的幸 運。老師，謝謝您辛苦的教導，我想我應該是您教過中最皮的學生之一了，謝謝您 的耐心和不放棄，您所教所說所念的點點滴滴我會謹記在心。之後到社會工作，不 會忘了自己最初的那一面還有身體會注意的啦^_^。 在這條路上，我曾跌倒但又爬了起來，我曾逃避但後來仍勇敢面對，能完這一 段艱鉅難走的路要感謝的人實在多而又多，當然啦！要按照學長制來排囉！ 平哥，謝謝你在碩二時期長駐實驗室，你所推行的每週運動終於讓實驗室宅宅 們定時去外面被太陽晒晒，也讓我這個對疊球一竅不通的人當上交大工工所疊球隊 經理(呵呵，經理耶)，看到你對於一切的準備總是全力以付，讓我懂得凡事要事前準 備規劃完善。論文遇到問題時，能跟你討論真好，尤其是最後階段的 DEA，跟您討 論讓論文更加親近我。平哥謝啦！別忘了炸我哦！ 威良學長，謝謝你的脆梅與鳳梨，脆梅真的好好吃，可以在寫論文做文字排列 組合時，吃一下脆梅的感覺真的好好，我的嘴也因此變刁> <，那真的是我吃過最好 吃的了。學長，別再趴著睡覺了，有空要好好休息呀！元銘學長，謝謝你指定的「玉 山行」，若沒有你的邀請，還有我們這群傻傻答應的宅宅們，我想我這一輩子也不可 能看到那麼美的山稜、日初與雲海。清貴學長，謝謝你在我最後一年要忍受我的碎 碎念還有不定時的吵鬧，能吃到道地的澎湖名產真好，我下次去澎湖玩再找你事先 做功課買名產囉！于婷學姊，偷偷跑到小間跟你偷偷聊天，聊那屬於臭男生不懂的 事，在男生堆生存的我，能跟你吐怨氣真好。 再來，就是這一群學長姊了…，蕙純、阿立，謝謝你們回到 lab 來陪我們吃宵夜 (其實是找平哥的:p)，在寫論文陷入低潮時能跟你們聊聊真的很不錯；書銘、bo 姊、 東錡和耀陞，跟書銘討論系模，被 bo 姊出賣電話，賺到耀陞帶來的飲料和鮮芋仙， 東錡的半自動維修電腦…能認識你們這群學長姊真好，聽到你們工作的甘苦談，讓 我也能提早適應這個社會；再來就是孟儒啦！你這個超嘴炮前任大總管，沒事就愛 嘴碎，酒量也不太佳，連蔓越莓還是白酒都傻傻分不清，沒事還拗學妹幫你做苦力， 明明我沒車還硬是要我去借車載你去面試，而且只有一杯青心福全@@，接你的工作還要順便接你的論文，後，孽緣啦！但能跟你嘴炮，悶時跟你抱怨一下，壓力就會 瞬時不見，我會好好工作，為您這老人家鋪路的。 接者是這群兄弟們。柏懿，我居然賭輸了，還欠你一頓飯，你還真的在畢業後 當兵前找到女友(早知道要跟小毛先確認才是)，每天在實驗室跟你鬥嘴，看你一次跟 七八個妹聊 msn，那個 alt+tab 的轉換速度無人能比，還被我看到你的八卦，只能說 你做事我在看，別做虧心事呀！小毛，如果我是孫悟空，你就是那如來佛，聽到你 一開始念我就認輸了(緊箍咒別再念啦)，但也只有你會認真回應我，哪像柏懿總是哦 啊…一聽就是沒誠意，你做事總是全力以付認真無比，也不知道在要求啥(跟脫線的 我相比啦)。不過，你很可靠，至於你所說的帶線課長妹很多的事一點都不屬實，難 怪你要向外發展了…對了！到時別真要用到柏懿家外面的那個看板電話，你要加 油！別輸給柏懿那嘴炮傢伙；迪喬，雖然他們都說柏懿帥，但我覺得你比他帥多了， 衣服穿搭好看，又會自彈自唱，不像柏懿只會做三角伏立挺身，還偷偷學你買衣服， 每次看到你用各種姿勢聊手機，真覺得你太強了…那時在車上跟我聊論文，真的幫 助很大，我們可是 lab 唯一的北部人，同一陣線的！別忘啦！苗人，每次北南大戰時， 你這中部人就在旁邊偷笑，看你玩跑跑卡丁車，讓我自嘆不如，提早看清我不適合 在遊戲中打滾，你看似隨意的外表下，做事警慎細心，有莫名好運的你在台積要好 好撐下去，加油！ 謝謝學弟妹們的陪伴，從剛開始總是要我陪妳去找老師才安心，到現在能獨當 一面成為老師的好幫手—凱欣，妳是學弟妹們的依靠，凡事認真又有點孩子氣，別 忘了我跟妳所說的話，有事沒事都記得再找我聊天，就算我之後很忙妳也要記得這 件事呀！阿派，你這個很愛問為什麼的人，有自我的步調、要求及堅持，到時再約 一起出去玩吧！浩子，跟我很像很容易被其他事物分心的你，要記得現在這個角色 要做的事是什麼，先把該完成的完成後，才能更放心的去試其他的事，別忘了，只 差一點點，加油！小可、小吳、蠻頭、大雅和鴨子，跟你們去綠島還有雪霸，是我 最後一年學生生涯最開心的旅遊了，被你們逗到開心不已，天天哈哈大笑，只怕我 這老人的笑紋又要長出許多了。在寫論文的日子，其實苦的並不是寫論文，而是你 們的心志會不會被打敗，老師費了許多苦心在測試磨練你們的心志、文筆、邏輯及 思慮，這個過程每屆生管實驗室的學長姊都經歷過，也都過來了，加油！只要敢進 來這間實驗室就代表你們一定行的！ 還要謝謝在這三年中陪伴我的好室友們—小寶、怡芳和佳芬，我唯一一次的宿 舍生活能跟你們在一起真好，謝謝你們不定時的鼓勵與關心，還有美食之旅以及瘋 狂 shopping，這都是我難以忘記的，當然，就等小寶再辦一個新竹回顧旅囉！
宜芳、靜芳和志華，謝謝你們陪我吵吵鬧鬧，跟你們在一起總是有聊不完的話 題和看日初的衝動，雖然現在各奔東西，但我會記得我們的香港約，瞬間決定要結 婚時一定要跟我說，別偷偷來呀！ 最後，要謝謝我的家人，爸媽沒有你們的無條件支持就沒有女兒現在的成就， 能夠走到現在，完全是因為有你們無微不至的照顧，才會有這個開朗活潑樂觀不小 心過了頭的女兒，辛苦你們了！女兒能有這份榮耀是你們所給予的。妹，謝謝你的 溫馨接送情，總是在我任性打電話回家時來接我，在我耍笨時冷眼看我再罵我白痴， 在我決定任何事時，跟我說好呀！去試試吧！總沒有多餘的廢話，但妳也懂我需要 的就只是那句話。謝謝妳。 謝謝交大工工 95 級的各位，那份生日快樂我感動至今，也謝謝這條路上所有認 識幫助我的各位，謝謝你們，我將勇敢面對挑戰那未知的世界。(再謝下去誌謝就比 論文長了…哈哈) 小潔 於交大 519 生管實驗室
目錄
摘 要 ...I Abstract...II 誌謝 ... III 目錄 ... i 圖目錄 ...iii 表目錄 ... iv 符號表 ... vi 第一章 緒論 ... 1 1.1. 研究背景與動機 ... 1 1.2. 研究目的 ... 3 1.3. 研究範圍與限制 ... 4 1.4. 研究方法 ... 5 第二章 文獻探討 ... 6 2.1. 薄膜電晶體陣列段之介紹 ... 6 2.1.1. 薄膜液晶體顯示器之製程簡介(TFT-LCD) ... 6 2.1.2. 薄膜電晶體陣列(TFT-array)段之製程簡介 ... 7 2.1.3. 薄膜電晶體陣列段(TFT-Array)之特性 ... 10 2.2. 生產週期時間之文獻探討 ... 11 2.3. 多等級工單對系統績效之影響 ... 17 2.4. 製程規格能力與垂直鎖定機台之相關文獻 ... 20 2.4.1. 製程規格能力與垂直鎖定機台之定義 ... 20 2.4.2. 製程規格能力與垂直鎖定機台之文獻探討 ... 212.5. 資料包絡分析法(Data Envelopment Analysis, DEA)... 27
2.5.1. 資料包絡分析法之效率排序法 ... 30 2.5.2. 資料包絡分析法於產品組合中之應用 ... 31 2.5.3. 資料包絡分析法之優點與限制 ... 32 第三章 模式建構 ... 33 3.1. 問題描述與假設 ... 33 3.1.1. 生產環境介紹 ... 33 3.1.2. 問題定義與分析 ... 34 3.2. 整體邏輯與架構 ... 36 3.3. 主生產排程設計 ... 39 3.3.1. 主生產排程模組 ... 39 3.3.1.1. 機台產能負荷評估模組 ... 39 3.3.1.2. 生產績效估算模組 ... 47 3.3.1.2.1. 生產週期時間估算 ... 47 3.3.1.2.1.1. 源於負荷因子之等候時間估算 ... 48 3.3.1.2.1.2. 產品之生產週期時間 ... 57 3.3.1.2.2. 瓶頸工作站每日作業數 ... 59 3.3.1.2.3. 系統在製品估算 ... 60 3.3.1.3. 投料規劃與派工法則 ... 61 3.4. 最適產品組合/等級比例規劃 ... 64 3.4.1. 產品組合/等級比例設計機制 ... 65 3.4.2. 資料包絡分析法 ... 65
第四章 實例驗證 ... 68 4.1. 系統環境說明 ... 68 4.1.1. 生產環境資料 ... 68 4.1.2. 生產排程規劃假設 ... 69 4.1.3. 模擬環境說明 ... 71 4.2. 案例說明 ... 71 4.2.1. 機台產能負荷評估模組之執行過程 ... 71 4.2.2. 生產週期時間估算之執行過程 ... 76 4.2.2.1. 源於負荷因子之等候時間估算 ... 76 4.2.2.2. 估算產品之生產週期時間 ... 86 4.2.2.2.1. 搬運時間估算之執行步驟 ... 88 4.2.3. 瓶頸工作站每日作業數估算之執行步驟 ... 92 4.2.4. 系統在製品估算之執行步驟 ... 94 4.2.5. 投料規劃之執行步驟 ... 95 4.3. 結果比較與分析 ... 97 4.3.1. 模擬驗證 ... 97 4.3.2. 生產週期時間估算分析 ... 97 4.3.3. 曝光工作站利用率差異分析 ... 100 4.4. 最適產品組合/等級比例規劃執行過程與結果 ... 100 4.4.1. 產品組合/等級比例之設計 ... 100 4.4.2. 資料包絡分析法之評估 ... 103 第五章 結論與未來研究方向 ... 109 5.1. 結論 ... 109 5.2. 未來研究方向 ...111 參考文獻 ... 112 附錄 ... 117 附表 A- 1 產品 A 之加工步驟與作業時間(有檢測) (單位：分)... 117 附表 A- 2 產品 A 之加工步驟與作業時間(未檢測) (單位：分)... 118 附表 A- 3 產品 B 之加工步驟與作業時間(有檢測) (單位：分) ... 119 附表 A- 4 產品 B 之加工步驟與作業時間(未檢測) (單位：分) ... 120 附表 A- 5 產品 C 之加工步驟與作業時間(有檢測) (單位：分) ... 121 附表 A- 6 產品 C 之加工步驟與作業時間(未檢測) (單位：分) ... 121 附表 B- 1 各工作站相關資訊 ... 122 附表 C- 1 符合工作站利用率介於 0.895-0.905 之產品組合/等級比例... 123
圖目錄
圖 1-1 研究範圍 ... 4 圖 1-2 研究方法流程圖 ... 5 圖 2-1TFT-LCD 產業生產流程關係圖 ... 7 圖 2-2 薄膜電晶體陣列流程圖【74】 ... 9 圖 2-3 平均生產週期時間比較表 ... 18 圖 2-4 平均生產週期時間之標準差比較表 ... 18 圖 2-5 產出率比較表 ... 18 圖 2-6 在製品比較表 ... 18 圖 2-7 平均整體等候時間比較表 ... 18 圖 2-8 垂直鎖定機台限制與無鎖定機台限制之示意圖【6】 ... 20 圖 3-1 薄膜電晶體陣列段設備佈置簡圖【73】 ... 33 圖 3-2 主生產排程設計之邏輯架構圖 ... 37 圖 3-3 最適產品組合/等級比例規劃之邏輯架構 ... 38 圖 3-4 機台產能配置及負荷評估流程圖 ... 40 圖 3-5 生產週期時間流程圖 ... 47 圖 3-6 產品途程示意圖 ... 48 圖 3-7 源於負荷因子之時間估算流程 ... 48 圖 3-8 產品於瓶頸工作站之等候時間估算流程 ... 49 圖 3-9 非瓶頸工作站之等候時間估算流程 ... 51 圖 3-10 產品製造流程圖 ... 52 圖 3-11A 產品製程步驟... 53 圖 3-12B 產品製程步驟... 53 圖 3-13C 產品製程步驟... 54 圖 3-14 產品生產週期時間估算流程圖 ... 58 圖 3-15 瓶頸工作站派工流程圖 ... 63 圖 3-16 最適產品組合/等級比例規劃流程圖 ... 64 圖 3-17DEA 評估流程圖 ... 67 圖 4-1 範例系統之設備佈置圖【52】 ... 68
表目錄
表 2-1 薄膜電晶體陣列段與半導體晶圓廠比較[自行彙整]... 8 表 2-2 各世代玻璃基板可切割各尺寸之層級數對應表【73】 ... 10 表 2-3 生產週期時間估算方法[【65】及本文彙整]... 16 表 2-4 多等級工單對系統績效影響之相關文獻[自行彙整]... 19 表 2-5 製程規格能力與垂直鎖定機台之文獻彙整[【56】及本文彙整]... 25 表 2-6 製程規格能力與垂直鎖定機台之文獻彙整(續)... 26 表 3-1 績效指標之屬性 ... 66 表 4-1 搬運車於各工作區間所需搬運圈數(單位：圈)... 69 表 4-2 各產品之產出目標 ... 70 表 4-3 曝光製程各產品層級與製程規格對應表 ... 70 表 4-4 各產品於各製程規格所需生產層級數 ... 70 表 4-5 黃光區曝光工作站內機台與其具備製程規格之對應表 ... 71 表 4-6 黃光區曝光工作站之機群機台數分配表 ... 72 表 4-7 ILOG 數學模式之統計資訊(機群產能分配模式) ... 73 表 4-8 機群產能負荷分配模式之非關鍵層與關鍵層之分配結果 ... 73 表 4-9 機群產能負荷分配之各機群與曝光工作站平均利用率差異 ... 73 表 4-10 ILOG 數學模式之統計資訊(機台產能分配模式) ... 74 表 4-11 各機台與工作站平均利用率正差異... 74 表 4-12 機台產能負荷分配模式結果(單位：層級數-製程規格) ... 74 表 4-13 各製程規格分配至各機台之層級數(H-T) ... 75 表 4-14 各製程規格分配至各機台之層級數(N-NT) ... 75 表 4-15 各製程規格分配至各機台之層級數(N-T) ... 75 表 4-16 各機台之平均服務時間(單位：分鐘)... 76 表 4-17 曝光工作站內各機台之平均服務率 ... 76 表 4-18 不同等級產品於各機台之到達率 ... 77 表 4-19 不同等級產品於瓶頸機台之系統穩態等候時間與等候線上期望等候時間 . 77 表 4-20 高等級檢測類(H-T)各產品各規格別於瓶頸機台加工之層級數比例 ... 78 表 4-21 一般等級非檢測類(N-NT)各產品各規格於各瓶頸機台加工之層級數比例 . 78 表 4-22 一般等級檢測類(N-T)各產品各規格於各瓶頸機台加工之層級數比例 ... 78 表 4-23 高等級檢測產品(H-T)在不同製程規格下於各瓶頸機台之到達率 ... 79 表 4-24 一般等級非檢測產品(N-NT)在不同製程規格下於各瓶頸機台之到達率 ... 79 表 4-25 一般等級檢測產品(N-T)在不同製程規格下於各瓶頸機台之到達率 ... 79 表 4-26A 產品於各層級之製程規格與來源工作區之對照表... 80 表 4-27B 產品於各層級之製程規格與來源工作區之對照表... 80 表 4-28C 產品於各層級之製程規格與來源工作區之對照表... 80 表 4-29 各產品在不同製程規格下黃光區之來源工作區比例 ... 80 表 4-30 高等級檢測產品(H-T)由特定來源工作區到臨各瓶頸機台之到達率... 81 表 4-31 一般等級非檢測產品(N-NT)由特定來源工作區到臨各瓶頸機台之到達率 . 81 表 4-32 一般等級非檢測產品(N-T)由特定來源工作區到臨各瓶頸機台之到達率 .... 81 表 4-33 各產品於黃光區之到達率組合 ... 82 表 4-34 各產品於每一工作區到達率 ... 82 表 4-35 各產品經過每一工作站之機率值 ... 83 表 4-36 各工作站到達率 ... 83 表 4-37 每一工作站之服務率 ... 84表 4-38 不同等級工單在各工作站之穩態等候時間 ... 85 表 4-39 高等級檢測產品 A 之製程步驟週期時間(單位：分鐘)... 87 表 4-40 所有產品之生產週期時間 ... 88 表 4-41A 產品搬運流程從至表... 88 表 4-42B 產品搬運流程從至表... 88 表 4-43C 產品搬運流程從至表... 88 表 4-44A 產品所需繞行圈數... 89 表 4-45B 產品所需繞行圈數... 89 表 4-46C 產品所需繞行圈數... 89 表 4-47 各產品於工作區之搬運次數 ... 90 表 4-48 各產品於各工作區之總搬運次數 ... 90 表 4-49 不同等級工件在各工作區之總搬運次數 ... 90 表 4-50 不同等級工件於各工作區之平均到達率 ... 90 表 4-51 搬運車於各工作可接受服務之次數 ... 91 表 4-52 搬運車於各工作區之平均服務率 ... 91 表 4-53 各等級工件於各工作區之等候時間 ... 92 表 4-54 各工作區間所需搬運時間表 ... 92 表 4-55 各產品於瓶頸工作站每日產出之層級數 ... 93 表 4-56 一般等級非檢測產品 A 於瓶頸工作站之每日產出數... 93 表 4-57 各產品於瓶頸工作站之每日產出量 ... 93 表 4-58 各產品之每日平均產出率 ... 94 表 4-59 各產品於系統最適在製品數量 ... 94 表 4-60 各產品之投料順序表 ... 95 表 4-61 各產品之投料順序表(續)... 96 表 4-62 各產品之生產比例 ... 97 表 4-63 各產品生產週期時間估算值與模擬值之比較 ... 97 表 4-64 各產品規劃產出與模擬產出之比較 ... 98 表 4-65 曝光工作站內各機台利用率規劃值與模擬值比例 ... 100 表 4-66 產品別組合比例 ... 101 表 4-67 產品屬性比例設定 ... 101 表 4-68 產品組合/等級比例 ... 102 表 4-69 各方案之績效指標值 ... 104 表 4-70 各方案標準化後之績效指標 ... 105 表 4-71 績效指標之排序 ... 106 表 4-72CCR 模式之效率值 ... 107 表 4-73OW 模式之效率值... 107
符號表
下標
d ：製程規格能力編號(d 1 , ,D)
j ：產品別( j1 , ,J)
pri ：工件等級，當pri1為緊急工件，pri2為一般工件
r ：屬性別，當r1為不經過檢測產品；r2為需過檢測產品
x ：工作區(x1(film area), 2(photo area),3(etch area), 4(test area))
w ：工作站(w1 , ,Wx) k ：機群(k1 , ,Kw，Kw為工作站w總機群數) m ：在工作站w的第m台機台(m1 , ,Mk，Mk為機群k總機台數) 機台產能負荷評估模組之符號說明： 參數 , ak d ：表示機群 k 能夠處理製程規格能力 d 則ak ,d=1；否則ak ,d=0 , , , pri r j k m aar ：等級pri屬性r產品 j於機群k內機台m之平均到達率 k ac ：黃光區曝光工作站機群 k之實際可用產能 acap ：黃光區曝光工作站針對產出目標所需耗用之產能 al ：黃光區曝光工作站之平均產能利用率 k c ：黃光區曝光工作站之機群k實際可用機台數 d j cr, ：產品 j的關鍵層為製程規格能力d，則crj d, 1；否則crj d, 0 dcap ：黃光區曝光工作站在規劃幅度內之可用產能 r pri j dc , ：屬性r等級別pri之產品j產出目標 j jc ：產品 j所具有的關鍵層層級數 , k m
mttr ：機群k機台m之平均當機時間(mean time to repair)
,
k m
mtbf ：機群k機台m之平均當機間隔時間(mean time between failure)
,
k m
mttpm ：機群k機台m之平均預防保養時間(mean time to PM)
,
k m
mtbpm ：機群k機台m之平均預防保養間隔時間(mean time between PM)
d j p , ：黃光區曝光工作站內產品 j製程規格能力d之平均加工時間 , j l pt ：產品 j於黃光區曝光工作站在層級l之所需加工時間 , , pri r j d pncl ：屬性r等級別pri產品 j所具有非關鍵層且製程規格力d之層級數 Q ：表示極大的數 , k m st ：機群k內機台m之層級平均服務時間 T ：規劃長度
決策變數 , , , pri r j d k CL ：屬性r等級別pri產品 j且製程規格能力d之關鍵層分配給機群k的個數 m k d j MN , , , ：產品 j製程規格d 之光罩放置於機台m上，則MNj,d,k,m 1；否則MNj,d,k,m 0 , , , pri r j d k NCL ：屬性r等級別pri產品 j製程規格能力d之非關鍵層分配給機群k之層級數 r pri m k d j PLN , ,, , ：等級pri屬性r產品 j製程規格d指派於機群k機台m之層級數 d j UM , ：產品 j製程規格d之可用光罩數量 k u ：黃光區曝光工作站之機群k利用率與該工作站平均利用率之正差異 k u ：黃光區曝光工作站之機群k利用率與該工作站平均利用率之負差異 m k u , ：機台m與黃光區曝光工作站平均利用率之正差異 m k u , ：機台m與黃光區曝光工作站平均利用率之負差異 生產績效估算模組 估算瓶頸工作站等候時間之符號說明： 參數 , , , pri r j k m aar ：屬性r等級pri產品 j於機群k內機台m之平均到達率
k m,
E BST ：機群k機台m之期望服務時間 , k mmttr ：機群k機台m之平均當機時間(mean time to repair)
,
k m
mtbf ：機群k機台m之平均當機間隔時間(mean time between failure)
,
k m
mttpm ：機群k機台m之平均預防保養時間(mean time to PM)
,
k m
mtbpm ：機群k機台m之平均預防保養間隔時間(mean time between PM)
, pri k m nar ：等級pri產品於機群k內機台m之平均到達率 , k m st ：黃光區曝光工作站機台m之平均服務時間 , pri k m W ：等級pri於機台m之穩態等候時間(含服務時間) , , pri q k m W ：等級pri於機台m之等候線上期望等候時間(不含服務時間) , k m ：黃光區曝光工作站機台m之平均到達率 , k m ：黃光區曝光工作站機群k機台m之平均服務率
估算非瓶頸工作站等候時間之符號說明： 參數 , , , pri r j k m aar ：等級pri屬性r產品 j於機群k內機台m之平均到達率
x w,
E NBST ：工作區x工作站w之期望服務時間 , . j d x farea ：產品j規格d於黃光區之來源工作區x比例 , pri x w laar ：等級pri產品於工作區x工作站w之平均到達率 , x w nbdt ：工作區x工作站w之當機比例 . x w nbpm ：工作區x工作站w之保養比例 , . . pri r x w j nbpt ：屬性r等級pri產品 j於工作區x工作站w加工時間 , pri r j nl ：屬性r等級pri產品 j加工層級總數 , xx j p 產品 j於工作區x到達特定工作區x之機率值 r pri m k d j PLN , ,, , ：等級pri屬性r產品 j製程規格d指派於機群k機台m之層級數 , , , , , pri r j d x k m soar ：等級pri屬性r規格d產品 j至機群k內機台m之來源工作區x到達率 , , , , pri r j d k m rnl ：等級pri屬性r規格d產品 j於規格在機群k內機台m加工之層級數比例 , 1, pri r j ：等級pri屬性r產品 j於薄膜區之投入率 , pri x j ：等級pri產品 j於工作區x之平均到達率 pri x ：等級pri產品於工作區x之平均到達率 , x w ：工作區x工作站w之平均服務率 , pri x w W ：等級pri產品工作區x工作站w之穩態期望等候時間 , , pri q x w W ：等級pri產品於工作區x工作站w之等候時間 , pri r j dc ：屬性r等級別pri之產品j產出目標
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E NBST ：工作區x工作站w之期望服務時間 , pri k m nar ：等級pri產品於機群k內機台m之平均到達率 , x w nbdt ：工作區x工作站w之當機比例 . x w nbpm ：工作區x工作站w之保養比例 , . . pri r x w j nbpt ：屬性r等級pri產品 j於工作區x工作站w加工時間 , , , pri r j k m nl ：屬性r等級pri產品 j於機群k內機台m之加工層級總數 pri tar ：等級pri產品於檢測工作站之到達率 pri x ：工作區x非瓶頸工作站等級pri產品之平均到達率 , x w ：工作區x工作站w之平均服務率 , pri x w W ：等級pri產品工作區x工作站w之穩態期望等候時間 , pri q W ：等級pri產品於工作區x工作站w之等候時間瓶頸工作站每日作業數估算之符號說明： 參數 bmo ：瓶頸工作站每日產出之層級總數(每日作業數) j bnl ：產品j於瓶頸工作站之加工次數 , , , pri r j d k CL ：屬性r等級別pri產品 j且製程規格能力d之關鍵層分配給機群k的個數 , , , pri r j d k NCL ：屬性r等級別pri產品 j製程規格能力d之非關鍵層分配給機群k之層級數 , pri r j mo ：屬性r等級別pri產品 j每日加工層級數 mop ：瓶頸工作站每日產出之產品總數 T ：規劃長度 系統在製品估算之符號說明： 參數 ：寬放係數 , pri r j ct ：屬性r等級pri產品 j之生產週期時間 , pri r j par ：屬性r等級pri產品 j之平均產出率 , pri r j wip ：屬性r等級別pri產品 j於系統之在製品量 mwip ：系統最適在製品數
第一章 緒論
1.1. 研究背景與動機 半導體產業和影像顯示產業為政府在 2002 年推動的「兩兆雙星」產業。 其中，平面顯示產業為影像顯示產業的第一階段發展重點，根據 IEK 統計指 出，2007 上半年台灣平面顯示器產業總產值已達新台幣 6920 億元，較 2006 年同期成長超過 20%。且根據 Display Bank 對於 2008 年面板市況的調查與評 估表示，預估 2008 下半年 TFT-LCD 面板將供不應求更甚於 2007 年【1】。 事實上，2008 下半年經歷全球金融海嘯，TFT-LCD 產業需求雖急劇縮減， 但台灣手機面板出貨量成長 113%，雖目前稍有微衰退現象，但 Display Search 指出該產業於 2010 年將恢復成長。 TFT-LCD 製程主要區分為三階段，分別為第一階段之薄膜電晶體陣列 (TFT array)段製程、第二階段之液晶面板組立(LC cell assembly)段製程以及第 三階段之電路模組組立(module assembly)段製程。其中，第一階段薄膜電晶體 陣列製程與半導體晶圓製程十分相似，又稱為前段製程，具有回流(reentry)、 製程規格能力(process window)限制以及垂直鎖定機台(dedicated machine)限制 特性。 由於薄膜電晶體陣列段製程為三段製程中途程最長者。因此，機台產能是 否滿足產品訂單之產能需求，將影響到產品是否能在允諾期間內交貨。產能規 劃必須考量製程規格能力與垂直鎖定機台兩項限制，不同產品的製程精度相 異，精度越高，表示電路線寬越窄，造成產品僅限定於符合其製程技術之機台 上進行加工，即為製程規格能力限制，這種限制條件發生於黃光區機台。再者， 在黃光區中每台曝光機(exposure)在溫度、氣壓、濕度等諸多因素下，機台間 會有些微製程差異，導致產品於不同機台上進行加工時，易造成疊對誤差 (overlay error)【55】。因此，在第一關鍵層加工之機台，之後於關鍵層進行加 工時，仍回到原機台上進行加工，以避免誤差形成，不良率增加之情形，此種 情形稱為垂直鎖定機台限制。 除製程特性和機台限制外，另有等級工單之考量。衍生等級工單之原因分 為三大點：一、在工程批導入製程時，為加快工程批途程速度，因此提高工程 批之工單等級，以快速判斷技術更新之可行性。二、當新產品導入時，為驗證 新產品之規格，先提高新產品測試工單之等級，以儘快確認各機台生產該產品 之能力。三、為滿足部份客戶，加速產品上市時間要求，藉由提高工單等級， 縮短產品生產週期，以達到滿足客戶服務。等級工單的設定，可分辨工單之緊急程度，通常工廠會將工單分為三等級工單，即為 hot lot、rush lot 與 normal
lot，而本文所探討之情境將設定為 hot lot 與 normal lot，稱為雙等級工單。 當系統存在雙等級工單時，若工作站之暫存區有各等級之工件，此時，工 作站會挑選高等級工件進行加工動作，導致一般等級工件延後加工。顯然地， 高等級工件會因擁有優先加工權而較一般等級工件縮短生產週期時間，反之， 一般等級工件則因優先權之設定而延長生產週期時間，造成無法如期達交之可 能性，因此，加深排程規劃之困難度。 在 TFT-LCD 之 Array 產業情境下建構主生產排程機制時【71】【58】，並 未考量製程規格能力及垂直鎖定機台限制，亦未考量雙等級工單，因此引發吾 人之研究動機，設計出可考量上述限制條件之主生產排程。 由於產品組合/等級比例不同，對系統之負荷也會有所差異。如之前所言， 各種產品所需製程規格能力不同，必須在具備對應製程規格能力的機台上進行 加工。當產品組合(product mix)比例懸殊時，易造成負責加工產品比例較高之 機台利用率過高，而其他機台卻閒置之情形，使產品在等候加工時間延長，影 響到整體績效；另一方面，若高等級工單比例超過 20%時【25】，一般等級工 單之生產週期時間會急遽攀升，使得高等級與一般等級工單之生產週期時間變 異過大；但高等級工單比例過低時，無法提供特定客戶需求，加速產品產出。 如何訂定適當之產品組合/等級比例，以避免機台利用率差距過大，以及高等 級工單與一般等級工單之生產週期時間拉距過長，亦為本文研究動機之一。
1.2. 研究目的 基於上述之研究背景與動機，本文將依據薄膜電晶體陣列廠之特性，在考 量製程規格能力及垂直鎖定機台限制下，加入雙等級工單因素，以設計能快速 反應之主生產排程機制以及訂定最適產品組合/等級比例機制。吾人計劃以下 列模組來達成本文之目的： 1. 主生產排程設計 考量機台產能負荷，並針對雙等級工單、產品製程規格能力與垂直鎖 定機台限制因素，估算系統之產品生產週期時間、在製品數量以及每日作 業數，以做為主生產排程規劃之依據。 將上述績效指標與機台產能負荷作為考量，求得投料循環與產出時程 表，使主生產排程得以落實。 2. 最適產品組合/等級比例規劃模組 當主生產排程設計完成後，為考量於需求不穩定情境下以評估何種產 品組合/等級得使生產系統獲得最佳績效。故以資料包絡分析法(DEA)遴選 出高效率產品組合/等級比例並加以分析排序，以提供管理者作為接單依 據。
1.3. 研究範圍與限制 本文發展之主生產排程為中短期產能規劃，如圖 1- 1 所示。由於薄膜電晶 體陣列廠之生產系統複雜，為易於瞭解主題且降低研究環境之複雜度，做了下 列主要假設： 1. 生產系統方面：採用存貨式生產(make to stock, MTS)。 2. 生產作業方面：不考慮物料在工作區內之搬運時間，每次搬運車最大負 載量為 1 cassette 之工件；亦不考量緊急插單之情境。 3. 產品製程方面：各產品途程已知且製程穩定，並無報廢與重加工之情 況，各產品之製程規格能力為已知；產品等級不會在途程中突然改變。 4. 系統限制方面：不考慮人員、物料、附屬資源與工具之產能限制。 5. 本文僅針對 Array 段進行探討，Cell、Module 與供應商、顧客之關係不 在本文研究範圍。 6. 不考慮跨世代廠生產之情境，亦即僅考量單一廠內之生產情形。 圖 1- 1 研究範圍
1.4. 研究方法 為達成前述之研究目的，故本研究方法採下列方式進行： 1. 文獻探討 2. 問題定義與分析 3. 主生產排程設計 4. 最適產品組合/等級比例規劃 5. 結論與未來研究方向 圖 1- 2 研究方法流程圖
第二章 文獻探討
本文研究環境為薄膜液晶體顯示器之薄膜電晶體陣列段，並考量到產品製 程規格能力限制以及等級工單之情形，在此限制下探討主生產排程，故此，將 分為以下幾個方向進行相關文獻探討： 1. 薄膜電晶體陣列段(TFT-Array)介紹 2. 生產週期時間 3. 多等級工單對系統績效之影響 4. 製程規格能力與垂直鎖定機台 5. 資料包絡分析法 2.1. 薄膜電晶體陣列段之介紹 2.1.1. 薄膜液晶體顯示器之製程簡介(TFT-LCD) 薄膜液晶體顯示器共分為三大製程，分別為薄膜電晶體陣列段(array)製 程、後段面板組立段(cell)製程以及模組組裝(module)製程，其流程為在玻璃基 板上製作薄膜電晶體，並將 TFT 陣列工程基板和彩色濾光片(color filter, CF) 基板貼合在一起後，注入液晶而組成液晶胞，最後與電路板和背光板等進行模 組組裝【72】【60】(圖 2- 1)，以下簡介此三大製造程序： 1. 薄膜電晶體陣列(TFT-array)製程： 此階段之製程類似半導體製程，主要是在玻璃基板上製作薄膜電晶體，透 過洗淨、鍍膜、曝光、顯影、蝕刻等步驟在玻璃基板上進行一定次數的重覆加 工，最後在玻璃基板上形成電晶體。 2. 液晶面板組立(LC cell assembly)製程： 液晶面板組立製程為將在陣列製程完成的玻璃基板進行尺寸切割之工 作，並與彩色濾光片做配向處理，再經過壓合與封入液晶等過程，即可成為薄 膜液晶顯示器的面板。 3. 液晶模組組裝(LC module assembly)製程： 組裝製程為將上一階段完成之液晶面板與 IC、電路板及背光模組等零組 件進行組裝，再經過最後的檢驗使其成為一個 TFT-LCD 模組。圖 2- 1 TFT-LCD 產業生產流程關係圖 由於本研究著重於薄膜電晶體陣列段探討，因此將針對此段製程做詳細介 紹。 2.1.2. 薄膜電晶體陣列(TFT-array)段之製程簡介 由於薄膜電晶體陣列段製程與半導體晶圓廠多有相似之處，如半導體在晶 圓上製作電路圖，而薄膜電晶體陣列段則在玻璃基板上所劃分之裁切位置製作 電路圖等。故將薄膜電晶體陣列段與半導體晶圓廠相互比較異同，如表 2- 1 所示。並將薄膜電晶體陣列段製程流程說明如下【60】【2】【72】： 1. 玻璃基板投入：首先對於欲投入加工製程之玻璃基板進行品質檢驗，確保 玻璃基板之厚度均勻以及邊緣無毀損等品質狀況，再將其投入加工製程步 驟。 2. 洗淨(cleaning)：對原物料玻璃基板進行清洗，其目的在於使基板具有良好 的導電性、提升薄膜的密著性以改善表面品質，以及清除基板表面的微塵 粒子以提昇製程良率。 3. 成膜(film deposition)：在成膜製程中有物理方式的濺鍍法(sputtering)和化 學方式的電漿化學氣相沉積法(deposition)。濺鍍法是用於形成閘電極、源 電極、汲電極、掃瞄線、儲存電容電極、信號線和畫像素電極功能之金屬 薄膜；電漿化學氣相沉積法是用於成長閘電極絕緣膜、半導體層、保護膜 等。 4. 光阻劑塗佈(coating)、曝光(exposure)、顯影(developing)：將經過成膜製程 步驟之基板上塗佈光阻劑，並在黃光區中利用光罩照射進行曝光步驟，曝 光之後再進行顯影之工作。 5. 蝕刻(etching)、去光阻(resist stripping)：經過曝光顯影製程步驟後，將不需
要之透明電極層進行蝕刻去除，再將表面被光阻覆蓋之介質層去除。 6. 測試(testing)、TFT 陣列基板完成：將玻璃基板重複以上洗淨、成膜、光 阻劑塗佈、曝光、顯影、蝕刻及去光阻等製程步驟五至九次，最後再進行 測試步驟，並完成 TFT 陣列基板之加工。 表 2- 1 薄膜電晶體陣列段與半導體晶圓廠比較[自行彙整] 類別 差異特性 半導體晶圓廠 TFT Array 廠 生產型態 訂貨式生產 訂貨式/存貨式生產
設施佈置型態 Job shop & Flow shop Job shop
製程步驟 多擴散與離子植入製程 製程較半導體簡單 回流特性 十幾次至三十幾次不等 四至九次 批量生產 批量生產 無批量生產 製程特性 綁機限制 有 有 機台共用 有 有 機台特性 光罩限制 尺寸較小，成本較低 尺寸較大，成本較高， 為重要的輔助資源 如圖 2- 2 所示，陳氏【72】依照加工步驟及製程相似性，將薄膜電晶體陣 列段之設備分為薄膜區、黃光區、蝕刻區、測試區等四大工作區，介紹如下： 1. 薄膜區：洗淨、濺鍍以及電漿設備。 2. 黃光區：光阻劑塗佈、曝光以及顯影設備。 3. 蝕刻區：濕式蝕刻、乾式蝕刻以及光阻剝離設備。 4. 測試區：測試以及修復設備。
玻璃基板 投入 洗淨 顯影 光阻劑塗佈 曝光 成膜 陣列基板 完成 測試 去光阻 蝕刻 薄膜區 黃光區 蝕刻區 測試區 將玻璃基板充分洗淨 濺鍍與電漿化學氣相沉積 將光阻劑塗佈在光罩上 利用曝光(stepper)設備 進行曝光 對已曝光之光罩 進行顯影步驟 利用蝕刻(etching)設備 去除不需要的透明電極層 利用光阻剝離(asher)設備 將殘留光阻去除 回 流 圖 2- 2 薄膜電晶體陣列流程圖【72】
2.1.3. 薄膜電晶體陣列段(TFT-Array)之特性
陳氏【71】與梁氏【58】皆對薄膜電晶體陣列段之特性進行分析，吾人根 據兩位分析再加上業界訪談，彙整特性如下所示：
1. 生產型態：在薄膜電晶體陣列廠，依照產品種類尺寸大小而區分為不同世 代，目前業界在中小型尺寸為訂單式生產(make to order, MTO)或存貨式生產 (make to stock, MTS)，大型尺寸為存貨式生產(MTS)。 2. 佈置型態：業界大部分採零工式佈置(job shop)，依照機台功能別將相同功能 之機台放置一起。 3. 產品種類：由於製程世代之不同能力，可將玻璃基板裁切為不同產品之尺寸 大小，大致分為 15 吋、17 吋、19 吋、26 吋及 46 吋等，陳氏【71】透過訪 談將不同世代之玻璃基板所能切割之片數整理如表 2- 2 所示，不同產品種類 間具有製程步驟相同、製程時間差異小之特性。 4. 產品比例：產品之組合比例隨著時間及淡旺季而有所變化。 5. 製程特性：薄膜電晶體陣列段之製程具有再回流與重加工之特性。 6. 機台特性：由於原物料為大尺寸之玻璃基板，所佔體積龐大，故基於空間考 量，薄膜電晶體陣列段皆為序列加工機台，和半導體晶圓廠中有批量加工機 台之特性不同；機台設置時間方面，除了黃光機台更換光罩時需要換光罩時 間外，其餘機台僅需數秒之換線時間。 表 2- 2 各世代玻璃基板可切割各尺寸之片數對應表【71】 15 吋 17 吋 19 吋 26 吋 46 吋 3 代 2 片 2 片 2 片 1 片 0 片 3.5 代 6 片 4 片 4 片 2 片 0 片 4 代 6 片 6 片 4 片 2 片 0 片 5 代 15 片 9 or 12 片 9 片 4 or 6 片 1 or 2 片 6 代 30 片 25 片 16 or 20 片 12 片 3 片 7 代 42 片 36 片 25 片 18 片 6 片
2.2. 生產週期時間之文獻探討 由於本文為確保產能需求規劃之準確性，將估算生產週期時間以推估投料 時點，故生產週期時間的準確估算為本文關鍵之處。然而隨著生產系統複雜度 提升，預測生產週期時間之困難度因而倍增。Blackstone【7】即指出，所有排 程元素(elements)中，以等候時間之估算最為困難，若期盼產能需求規劃 (capacity requirement planning, CRP)能有效運作，則生產週期時間及等候時間 必須是可預測的。
在生產週期時間分類方面，Enns【22】將零工工廠之流程時間預測法分為 解析關係法(analytical relationship)、動態績效回饋法(dynamic performance feedback)與實證資料分析法(empirical data analysis)。其中以實證資料分析法建 立預測模型者最多，但各模型之建立係基於特定環境下發展出來，缺乏通用性 原則。另一方面，Glynn【27】、Matsuynama & Atherton【36】、Raddon & Grigsby 【39】將生產週期時間預測模式，區分為模擬法、等候理論與統計迴歸法。 Lawrance【31】則區分為實證資料分析法、模擬法與及數值分析法。 黃氏【64】則綜合上述說明並依據生產週期時間估算法之特性差異，將估 算法區分為下列五種類型，並簡述各類型之相關研究。 1. 直接程序法(direct procedure) 直接程序法係利用目前可得之資訊，如工件特徵、現場狀況之資訊，來進 行週期時間的估算。
Vig & Dooley【47】及張氏【67】均認為剛完工工件的生產績效，往往相 當程度反應系統現況，故採用動態回饋與更新法，利用最新完工的三個工件之 週期時間資訊，動態求算工件在各製程步驟之平均流動時間(flow time)，並結 合製程步驟數與加工時間等特性，透過適當的加權原則，以做為新工件之週期 時間推估。
2. 模擬法(simulation)與人工智慧法(artificial intelligence, AI)
所謂模擬乃模仿真實世界過程或系統之操作行為。主要透過電腦快速運算 能力，觀察操作性系統隨著時間前進下，系統內之組成成份依相關資料所產生 的交互影響，推論該系統之績效指標與特質，以作為決策或評估之參考【57】。 另一方面，亦可利用專家系統(expert system)與類神經網路(neural network)等人 工智慧方法進行預測程序，由於人工智慧方法常以模擬結果做為模型知識庫 (knowledge database)之建立，故與模擬屬於同一類型。
模擬為晶圓製造廠最廣泛使用的作業研究工具之一，其具有模擬系統動態
行為及解決 what-if 問題之能力【46】。Atherton & Atherton【5】即認為模擬係 具有描述晶圓製造廠動態產能之唯一工具。劉氏【56】亦針對晶圓廠情境，以 eM-Plant 建構該生產排程與模擬系統，得以快速估算產品週期時間與排程規 劃。且大多數晶圓廠已導入模擬系統，以做為預測生產績效或決策支援之工具。 在實務上，模擬系統雖已廣泛運用，但於學術研究方面，則將研究重心移 置生產策略、排程及活動控制績效之研究分析，如下列與模擬有關之文獻中 【23】【25】【55】【58】【59】【60】【63】【70】【71】【73】，模擬僅做為驗證各 種策略或方法成效之工具，並非研究之重點。
人工智慧方面，Chang et al.【11】運用案例式推演(case-based reasoning approach)方式，透過模擬系統取得大量資料，再刪除對生產週期時間影響性較 低之因子，並於確認重要因子後，將多個因子合併為一組資料作為一向量，經 由歐氏距離(euclidian distance)衡量資料與資料間距離(式 2- 1)，再透過式 2- 2 衡量資料間之相似性，並以多組資料量準確預測生產週期時間。其結果顯示， 運用案例式推演造成根號均方誤(RMSE)較倒傳遞類神經網路小，亦證實此方 法之準確度較倒傳遞類神經網路佳。
n i i i b a ab 1 2 式 2- 1 ab ab e s 式 2- 2 Yu et al.【51】運用類神經網路建立每一工作站之輸入與輸出關係，並做 為生產週期時間預測之學習系統(learning system)基礎，游氏【75】則將此機制 運用於晶圓製造廠之整合性訂單達交系統中。由於類神經網路在學習過程中需 耗費相當多時間，且模型之建構與維護需要特殊專業知識，使得其與模擬之應 用領域均受到相當限制。3. 統計分析法(statistical analysis method)
利用迴歸分析或相關分析等統計方法，尋找週期時間與各種變數之間的關 係，並依此關係建立統計模型進行預測。 Raddon &Grigsby【39】依據歷史資料建立迴歸模型，以預測工件生產週 期時間。透過此模型可從 50%提升至 100%預測週期時間，且估算誤差於2天 之比例。 陳氏【71】估算薄膜電晶體陣列段之生產週期時間時，考量區間搬運之環 境下，使用迴歸分析建構「個別工作站等候時間模式」及「整體迴歸式」進行
估算週期時間，前者估算誤差小於 25%；後者估算誤差小於 3%，故整體迴歸
式遠優於個別工作站等候時間模式。
Backus et al.【7】利用資料挖礦(data mining)發展非線性預測模組以估算生 產週期時間。使用群組(clustering)、K-Nearest Neighbors 與迴歸樹(regression trees)演算法估算週期時間並相互比較，以判定何種演算法對於生產週期時間 估算較佳。結果證實迴歸樹演算法於分析類別與連續變數時優於其他演算法。 由於此種分析方式乃藉由過去狀態以推測未來狀態，且所分析之生產情境 須符合該統計分析假設。當系統變異大時，所推測之準確度愈差，故與實證資 料分析法面臨相同問題，即發展之模型缺乏通用性原則，且僅適用於穩態生產 情境。 4. 數學分析法(mathematical method) 此法主要以等候理論或數學模式為基礎，利用數學公式推導工件流動時間 之平均值及標準差，並以常態分配假設設定所需參數。
Wang et al.【48】結合 Little’s formula(LW )及 Kingman’s equation【29】， 以估算工作站週期時間(式 2- 3)，其中 u 為機台利用率、a 與 b 為估計參數， 其值由歷史資料分析而得。 u u b a T 1 式 2- 3 Kramer【30】與 Martin【35】則直接以等候理論為基礎，發展出理論週期 時間與實際週期時間之比值(x-factor)估算式，如下所示。而業界常將 x-factor 視為生產週期時間評估指標之一。 Kramer：
u Factor X 1 1 式 2- 4 Martin： u u Factor X 1 2 / 1 式 2- 5Conway et al.【21】利用拉普拉斯轉換式(laplace transforms)估算單一機台 之流動時間(式 2- 6)。其中E
X 為工件之期望流動時間、E
P 為期望實際作業 時間、
2 P E 為作業時間平方之期望值、為工件到達率、 為機台利用率。
1 2 2 P E P E X E 式 2- 6 由於晶圓製造廠中，批次機台之批量特性為一重要製程特性，然而上述方 法均未將此特性納入考量，難以適用於晶圓製造廠中。於是蘇氏【74】將批量 因素納入考量下修正 Conway 估計式，修正後之公式(式 2- 7)對生產週期時間ABS=1)
ABS P E P E X E 1 2 2 式 2- 7 Connors et al.【20】運用等候網路模型估算晶圓製造廠之工作站利用率、 生產週期時間等績效指標，於模式型中考量重加工(rework)、報廢(scarp)與批 量大小等製程因素之影響，並分別依據序列機台及批量機台之加工特性建構等 候模型。在其模型中，將工作站之到臨事件分為兩大類，分別為因當機或維修 保養所造成之失效事件，以及欲加工之工件。 式 2- 8 與式 2- 9 分別代表到臨事件之到達率皆服從 poisson 分配之情形 下，不同機台數之序列工作站其平均等候時間的估算式。式 2- 8 為非逐位性優 先服務之 M/G/1 等候模式中，用來估算單一機台之序列工作站其平均等候時 間之公式，式 2- 9 為式 2- 8 乘上一修正因子後之 M/G/C 等候模式近似公式， 用來估算多部機台之序列工作站其平均等候時間。若將機台數等於 1 代入兩者 公式，即可發現公式皆相同。
) 1 )( 1 ( 2 2 2 g inc g inc g B b k T k k b b g g g S E S E D E
式 2- 8
) 1 )( 1 ( 2 2 2 2 1 g inc g inc g B b k T k k b b g c inc g g g g g g E S E S c D E
式 2- 9 其中E
Dg 表示平均等候時間，Tg表示在工作站g加工之作業集合，
2 k S E 表示作業k加工時間平方期望值，k表示作業k到達率，g表示工作站g利用 率，Bg表示工作站g所發生之失效事件集合，
2 b S E 表示失效事件b之失效時 期平方期望值，b為失效事件b之到達率， inc g 表示失效事件造成工作站g之 利用率。Chung and Huang【16】考量晶圓廠批次機台與序列機台混雜之物流時性， 發 展 出 區 段 基 礎 式 週 期 時 間 估 算 法 (block-based cycle time estimation methodology, BBCT)，分別考量源於負荷因子以及批量因子之等候時間，亦即 批量限制及其他因素導致物流阻塞之主因。該演算法先將晶圓製程以批次機台 加工作業為分割點分解成數個獨立區段，再依製程特性對各區段進行週期時間 之估算，最終將全部區段加總即為整體製程之週期時間。其結果顯示應用 BBCT 於晶圓製造廠之生產週期時間估算具有相當不錯之成效。 陳氏【70】考量系統存在多等級工單情境，發展多等級工單下晶圓廠生產 週期時間估算模式。其將工單等級造成負荷因子之影響，採用非逐位性優先等
候時間(non-preemptive priority queueing model)進行估算，並進一步將 BBCT
推廣為系統存在多工單環境下之區段基礎式估算法(BBCT-MP)；郭氏【60】繼 續延伸 BBCT-MP，並多加考量區間搬運狀況之搬運時間，發展包含搬運時間 之晶圓廠生產週期時間估算法，使其估算更臻完備。 梁氏【58】套用 Connors et al.【20】之 M/G/C 等候模式，估算薄膜電晶體 陣列廠中工件於各工作站之負荷因子等候時間，並在進行等候搬運時間估算 時，於測試區採用 M/M/1 等候模式，薄膜、蝕刻與黃光區採用 M/D/1 等候模 式，將搬運時間與工作站之週期時間加總得各產品之平均生產週期時間，結果 證實估算誤差小於 3%。 李氏【55】考量製程規格能力對垂直鎖定機台限制下之生產週期時間。將 BBCT 推 廣 為 存 在 機 群 利 用 率 差 異 下 之 區 段 基 礎 式 週 期 時 間 估 算 法 (BBCT-VU)，以避免機群之利用率差異過大下，導致產品生產週期時間產生大 幅變異，進而喪失各產品之生產週期時間競爭力。結果證實估算誤差於 5%左 右。 5. 混合法(hybrid method) 此法將整合多種研究方法，以進行週期時間之預測。 Enns【22】考量工件特徵與現場負荷，同時運用數值分析與模擬法，發展 一動態流程時間估算法，並以此法預測週期時間，做為交期訂定之基礎。張氏 與朱氏【68】則結合模擬、迴歸分析與類神經網路法，透過模擬系統蒐集系統 到達穩態後之訂單資訊，並藉由迴歸分析找出對於影響流動時間之因子及各項 參數，再交由類神經網路進行測試及評估，以找出有效交期指定模式。 Baykasoglu et al.【10】使用統計預測技術以預估於零工式生產佈置下之動 態流程時間。考量交期指派模式(due date assignment model, DDAM)之 last data point(LDP) 、 dynamic total work content (DTWK) 、 dynamic process plus waiting(DPPW)與 Adaptive response rate exponential smoothing (ADDRES)演算 法，並套用 FIFO、EDD、SPT 與 S/RO 等派工法則，代入模擬系統，再以實 驗設計分析 DDAM、派工法則與系統負荷率之間關聯度，亦分析不同系統負 荷率下之績效值。結果證實 ADDRES 與 EDD 結合之方法於所有系統負荷率下 績效值最佳。 文中亦指出不同類別之工件以隨機方式進入生產系統，僅使用等候理論估 算工件於工作站之等候時間，易造成在複雜生產系統中等候時間估算不準確且 高估。故 ADDRES 考量方式為修正工件於機台前之等候時間wij，使用指數平
滑法(exponential smoothing model)估算誤差(式 2- 11)，由於每一工件於機台之 等候時間隨著前一工件之等候時間進行調整。因此，此演算法遠優於其他 DDAM 之演算法。
i S j i i S j ij ij i i r m w p d 式 2- 10 i j ijwij
ij
wij w1 1 式 2- 11 最後吾人參考黃氏之分類方式將文獻整理如表 2- 3。 表 2- 3 生產週期時間估算方法[【64】及本文彙整] 求算方法 說明 適用情境 優點 缺點 直接程序法 【47】【67】 使用目前可得之 資訊(如：工件特 徵 、 現 場 狀 況 ) 等。 短期、動態環 境 簡單、不須繁複計算 模式中所使用之系 數須以其它方法得 知。 模 擬 與 人 工 智慧法 【 5 】【 11 】 【36】【75】 【57】 建立離散事件模 擬模型，經由模 擬結果預測週期 時間。 缺乏相關生 產 資 訊 (如：新廠籌 建、新製程 導入) 中長期決策 評估 透 過 所 建 立 之 模 型，可以提昇預測 之精準度。 有 效 模 擬 動 態 環 境 且 瓶 頸 問 題 易 透過模擬預知。 解 答 what-if 問 題，提供決策參考 或 預 測 控 制 參 數 值。 可 建 立 再 造 系 統 流程，以建立操作 共識與規範。 模 式 之 驗 證 預 經 由 多 次 模 擬 方 能 確保其可行性；在 確 認 方 面 雖 有 理 論 方 法 可 確 認 特 定之模式，但尚無 一套嚴謹、有效率 且 通 用 性 之 確 認 方法 模擬過程耗時。 統計分析法 【39】【71】 【7】 利用迴歸分析或 相關分析等統計 方法，分析過去 生產資料，以尋 找週期時間與各 類參數之關係， 並依此建立統計 模式以進行預測 穩定之生產 情境。 中長期決策 評估。 模型簡單，易於使 用。 現 場 人 員 接 受 度 較高。 適 用 於 生 產 情 境 穩 定 之 動 態 估 算 分析。 需 處 理 龎 大 資 料，極為耗時。 過 去 之 趨 勢 未 必 適用於未來。 需求改變、產能改 變 等 情 形 發 生 時，均可能造成模 型之不適用性。 數學分析法 【48】【35】 【30】【21】 【74】【70】 【60】【58】 【55】 以等候理論或數 學模式為基礎， 利用數學推導工 件流動時間及其 標準差，進而使 用常態分配假設 來設定系統參數 值。 中長期生產 策略 穩態生產環 境 具 統 計 分 配 之 特 性，可以推導出預 測誤差的分佈。 所 須 執 行 運 算 時 間較短。 數 學 模 式 所 設 定 之假設，與實際情 形可能有所差異。 數 學 模 式 複 雜 度 高，有時不易推導 出可用模式。 混合型 【22】【68】 整合多種研究方 法，以進行週期 時間之預測。 依 據 結 合 之 方法，而有不 同 的 適 用 環 境 可 整 合 各 種 方 法 之 優點，不同的限制條 件或影響因子，可各 別 採 用 不 同 方 法 處 理。 各 種 方 法 之 假 設 前 提 可 能 相 互 存 在矛盾點。 模 型 估 算 差 異 原 因 之 分 析 較 為 困 難。2.3. 多等級工單對系統績效之影響 工廠設定工單不同等級之目的為：一、在工程批導入製程時，為加快工程 批之產出速度，因此提高工程批之工單等級，以快速判斷技術更新之可行性。 二、當新產品導入時，為驗證新產品之規格，先提高新產品測試工單之等級， 以儘快確認各機台生產該產品之能力。三、為滿足部份客戶，加速產品上市時 間要求，提高工單等級，縮短產品生產週期，以達到滿足客戶服務。
Ehteshami et al.【23】利用 Glassey【26】所設計之 BLOCS 模擬系統，探 討晶圓廠緊急批量對生產系統所成之影響。在系統利用率越高的生產環境下， 緊急批量對其生產週期變異所造成的邊際影響越大。此外，隨著緊急批量比例 攀升，一般批量之平均生產週期時間與標準差亦大幅上升。以整體系統觀看， 平均生產週期時間仍維持在一固定常數，可是標準差卻呈現大幅變動。由此可 知，緊急批量會降低一般批量達交績效，進而影響客戶滿意度以及存貨成本的 積壓，增加生產系統不穩定性。為平衡此現象，應對緊急批量之價格設定做一 合理評估。 Fronckowiak et al.【25】利用不連續事件模擬法，探討不同產品緊急工單 比例對生產週期時間之影響。其研究結果顯示，在無回流特性的生產情境中， 緊急工單對生產週期時間影響不大；但對回流特性之生產情境，緊急工單比例 對生產週期時間具有顯著影響，當其比例超過 20%時，一般訂單之生產週期時 間也會急遽上升。因此，Fronckowiak 認為在策略制定時，緊急工單應限制在 10%-20%之間。
Narahari and Khan【38】參考 Lu et al.【34】的模擬系統，以模擬法及平均 值分析法（mean value analysis, MVA）研究緊急批量之存在以及不同的暫存區 派工法則對生產績效之影響。結果顯示當緊急批量百分比逐漸增加時，一般批 量之產出率將大幅下降，平均生產週期亦會大幅上升；同時，當緊急批量的平 均產出率增加時，平均生產週期也會逐漸上升，且週期時間之變異會大幅增 加。此文除了分析出緊急批量對於一般批量會有嚴重影響性外，另外證明除了 模擬分析外，還有平均值分析法可以適切地表達及分析緊急批量之影響。
Wang et al.【49】針對半導體製程具有回流之特性，設計 compound priority control (CPC) strategy，其方法為當工件進入等候區時，判斷產能是否達其上限 或下限，亦或介於兩者之間，以此依據變更其工件等級，以降低產品生產週期 時間、標準差與整體在製品數。並套用 Wein【50】的晶圓工廠模式，模擬 CPC、 FIFO 與 SRPT 法則，比較績效值差異。如下圖所示，在平均生產週期時間、
平均生產週期時間之標準差、產出率、在製品量與平均整體等候時間下，CPC
皆較 FIFO、SRPT 獲得較佳績效值，且較 FIFO 法可降低 50%以上的等候時間； 比 FIFO 與 SRPT 提升 0.004lot/hr 的產出率，但當時間間隔(time interval, TIR) 拉長時差異較不明顯。 Wang 將等級應於派工法則上，而非一開始投料時，即得知各工件之等級 屬性，與本文探討情境不同，但由此可知，適當等級比例調整可降低生產週期 時間標準差。 圖 2- 3 平均生產週期時間比較表 圖 2- 4 平均生產週期時間之標準差比較表 圖 2- 5 產出率比較表 圖 2- 6 在製品比較表 圖 2- 7 平均整體等候時間比較表
上述文獻皆使用模擬法以分析等級工單(亦或批量、工件)的比例變化對生 產系統之影響(如表 2- 4)。在生產週期時間之文獻中，亦有考量多等級工單之 情境，但是是在緊急工單比例固定之情況下，進行生產規劃及生產週期時間估 算，二者探討角度不同。 表 2- 4 多等級工單對系統績效影響之相關文獻[自行彙整] 作者 模擬方法 探討目標 結果 Ehteshami et al.【23】 BLOCS 模 擬 系統 晶圓廠緊急批量 對生產系統之影 響 系統利用率上升緊急批量對 生產週期時間造成之邊際影響 越大。 緊急批量比例一般批量的 平均生產週期時間及其標準差 也大幅上升。 緊急批量會降低一般批量之達 交績效，進而影響客戶滿意度 及存貨成本積壓，故應對緊急 批量之價格做一合理評估。 Fronckowiak et al.【25】 不連續事件模 擬法 不同產品緊急工 單比例對生產週 期時間影響 無回流特性之生產情境並無 影響。 有回流特性之生產情境緊急 工單對生產週期時間有顯著影 響 。 故 應 將 比 例 設 定 於 10%-20%。 Narahari Y. & L. M. Khan 【38】 參考 Lu et al. 之模擬系統使 用模擬法及平 均值分析法 緊急批量之存在 目的及不同暫存 區之派工法則對 生產績效影響 如同之前學者所提出緊急批量 對生產週期之影響外，亦證明 平均值分析法可適切表達及分 析緊急批量之影響。 Wang et al. 【49】 套用 Wein 的 晶 圓 工 廠 模 式 設計 CPC 之派工 法則，並與其它派 工法則比較。 工件等級在生產系統中適當調 整時，可降低平均生產週期時 間、在製品數量、平均整體等 候時間，並提升產出率。
2.4. 製程規格能力與垂直鎖定機台之相關文獻 2.4.1. 製程規格能力與垂直鎖定機台之定義 製程規格能力 所謂製程規格能力(capability)係指為達成某一特定之製造作業，機台所必 須具備之特定的製程規格能力【17】。在同一工作中心之機台，可能因技術層 次、穩定性等差異，造成該工作中心內，各個機台各自擁有不同的製程規格能 力。現場作業員在進行派工作業時，必須先判別該製程步驟之製程規格限制， 並挑選符合該製程規格能力之機台進行加工作業。由於有些機台可能只擁有一 個製程規格能力，有些則擁有十數個製程規格能力，任一製程步驟是否能在某 特定機台上加工，端視該機台是否具備該製程步驟所必須具備的製程規格能 力，與該機台隸屬於哪一個工作中心無關。因此，產能供給將不再以工作站的 機台數目多寡來表示，而是以具有特定製程規格能力的機台數目來表示。 垂直鎖定機台限制 當工件於第一關鍵層進入特定機台加工時，由於垂直鎖定機台限制，其後 之關鍵層限定加工於此機台，即便其他相同製程規格能力之機台呈現閒置狀 態，亦不得進行加工，以避免疊對誤差造成產品不良率上升。相反的，工件進 入無鎖定機台限制之工作區，可被安排於任一閒置機台上進行加工。 由圖2- 8可知，垂直鎖定機台限制易造成某一特定機台(machine X)成為該 工作站中之關鍵機台，若此機台突然當機，則易堆積過多待加工工件，進而造 成工件等候時間拉長。其影響陳述於下： 圖 2- 8 垂直鎖定機台限制與無鎖定機台限制之示意圖【6】 1. 瓶頸工作站內機台負荷不均 若綁機決策點並無考量機台現在及未來負荷，直接逕行機台指派，使得工 件於符合製程規格之機台前卻因在製品堆積而無法進行加工，且其他相同製程 規格之機台卻因為鎖定機台限制亦無法加工，造成非鎖定機台之產能利用率較 低，工作站內機台間產能負荷不均。 2. 非瓶頸機台成為暫時性瓶頸
