薄膜電晶體陣列廠機台配置機制之構建

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(1)國立交通大學工業工程與管理學系碩士班. 碩士論文. 薄膜電晶體陣列廠機台配置機制之構建 The Design of Tool Allocation Mechanism for a TFT-Array Factory. 研究生：梁宇帆指導教授：鍾淑馨博士. 中華民國九十五年七月.

(2) 薄膜電晶體陣列廠機台配置機制之構建 The Design of Tool Allocation Mechanism for a TFT-Array Factory. 研究生：梁宇帆. Student：Yu-Fan Liang. 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 Departmant of Industrial Engineering and Management College of Management National Chiao Tung University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Industrial Engineering July 2006 Hsin-Chu, Taiwan, Republic of China. 中華民國九十五年七月.

(3) 薄膜電晶體陣列廠機台配置機制之構建研究生：梁宇帆. 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. 摘要在 TFT-LCD 產業之三階段製程中，由於第一階段之薄膜電晶體陣列 (TFT Array)段其機台設備十分昂貴，因此，薄膜電晶體陣列廠中機台數量之配置規劃為一個相當重要之長期決策。此外，產品生產週期時間為一項重要之生產績效指標，同時亦為機台規劃時不可或缺之考慮因素。再者，由於 TFT-Array 廠中玻璃基板體積龐大，須以自動化搬運系統進行物料之運送，若系統之搬運車數配置不當，將導致廠內工件之生產週期時間拉長，因此，不可忽略搬運因素對於生產系統之影響。有鑑於此，本文首先估算系統所需之合適車數，使生產活動受搬運系統影響而延遲之可能性降低，同時避免不必要之成本浪費。吾人並在考量搬運因素下，依據等候理論方法發展一套適用於 TFT-Array 廠之生產週期時間估算法則，以便快速地求算生產週期時間。本文所設計之機台配置機制，將根據生產週期時間以及機台購置成本等資訊，運用排序方法進行機台數量之配置規劃，使系統之生產績效得以維持在一定水準之上，同時追求機台購置總成本之最小化，以確保整體之競爭力。驗證結果顯示，本文所推估之搬運車數，在維持瓶頸資源利用率於預定水準之前提下，可使得系統產出量達成預期目標，且不致造成車輛資源的浪費；在產品生產週期時間估算值與模擬結果相比較之下，平均誤差小於 3%；而透過本文模式所求得之機台數量配置，確實可滿足系統要求之生產績效水準。整體而言，本文所發展之模式，具有即時性與有效性，可作為機台規劃決策之參考依據。. 關鍵字：薄膜電晶體陣列廠、生產週期時間、機台組合. i.

(4) The Design of Tool Allocation Mechanism for a TFT-Array Factory Student：Yu-Fan Liang. Advisor：Dr. Shu-Hsing Chung. Department of Industrial Engineering and Management National Chiao Tung University. Abstract TFT-Array is the first stage among the three-stage manufacturing process of TFT-LCD, which needs quite expensive equipments. Thus, tool allocation for a TFT-Array factory is a significant long-term decision. Besides, product cycle time is one of the major performance measurements, and also an essential consideration of tool allocation. The volume of glasses in the TFT-Array is quite huge, so that if the number of vehicles in automation transportation system is assigned improperly, the product cycle time in the factory will increase. Therefore, the impact of transportation system on the production system should not be ignored. In this study, we first estimate the ideal number of automatic guided vehicle (AGV) for the system to minimize the probability of production delay resulted from the AGV, and to avoid unnecessary transportation cost. Also, we develop a fast cycle time estimation based on Queueing Theory for a TFT-Array factory considering transportation time. Then, we propose tool allocation mechanism, based on the data of the estimated cycle time and cost, to allocate the number of tools by ranking in order to keep the performance level of production system and the minimization of total purchase cost being pursued simultaneously. Simulation experiment reveals that on the premise of keeping the utilization of bottleneck machine at predetermined level, the number of AGV estimated is enough for supporting the achievement of planned target. Compare the estimated cycle time and the simulation result, the average error is less than 3%. And the machine units derived from the tool allocation mechanism can make the production performance truly satisfy the requirements of the system. Consequently, the mechanism proposed in this research is effective and efficient, and can be used as a feasible reference of tool planning. Keywords : TFT-Array, cycle time, tool allocation ii.

(5) 誌謝我十分感謝鍾老師這兩年來的指導與關愛，老師在教學上的熱忱與耐心、作研究時嚴謹的態度、以及日常生活的叮嚀與關心，都深深的影響了我。謝謝老師! 謝謝一平學長的協助與鼓勵，讓我的論文有撥雲見日的一天，謝謝你! 謝謝俊穎學長、清貴學長、繼遠、頌翔、自誠、蕙純、進立、哲豪、志偉、翊展、柏先、佩青、雅斐、源翌的陪伴。有了你們，519 和 517 總是充滿了歡樂，和大家一起渡過了許多快樂的時光，也曾經為了課業和論文一起打拼努力，這些都會是我這輩子難忘的回憶。謝謝學弟妹們在我們埋首於論文時，為我們分擔了許多大小事務。也謝謝在研究所這段時間認識的同學與朋友們，有了你們讓我的生活更加有趣。感謝我的家人，謝謝你們的支持，也謝謝你們常常帶我去吃大餐，讓我每次回家都好嗨。還要謝謝怡禎，謝謝你的體貼與照顧，你是個很重要的人。經歷了這兩年的研究生活，我從生活週遭的人事物當中學到了很多東西，讓我成長不少，再一次感謝我生活週遭的良師益友們。我相信這只是一個開始，我會一直抱持著學習的態度，不斷地進步。最後，希望大家在往後忙碌的日子裡，能夠抽空聚聚，一起出去玩!. iii.

(6) 目錄摘要...................................................................................................................... i Abstract ............................................................................................................... ii 誌謝.................................................................................................................... iii 目錄.................................................................................................................... iv 圖目錄............................................................................................................... vii 表目錄..............................................................................................................viii 符號一覽表........................................................................................................ xi 第一章. 緒論 .................................................................................................. 1. 1.1. 研究背景與動機 .............................................................................. 1. 1.2. 研究目的 .......................................................................................... 2. 1.3. 研究範圍與限制 .............................................................................. 3. 1.4. 研究方法與步驟 .............................................................................. 4. 第二章. 文獻探討............................................................................................. 6. 2.1 薄膜電晶體陣列(TFT-Array)段之介紹 ............................................ 6 2.1.1 薄膜液晶顯示器(TFT-LCD)之製程簡介 ................................. 6 2.1.2 薄膜電晶體陣列(TFT-Array)段之製程介紹............................ 7 2.1.3 薄膜電晶體陣列(TFT-Array)段之特性.................................... 9 2.2. 自動化搬運系統 .............................................................................. 10 2.2.1 搬運系統之軌道佈置.............................................................. 10 2.2.2 搬運系統之車數問題.............................................................. 12. 2.3. 生產週期時間 .................................................................................. 12 2.3.1 生產週期時間之定義.............................................................. 12 iv.

(7) 2.3.2 生產週期時間之估算方法...................................................... 13 2.4. 機台數量備配置問題 ...................................................................... 17 2.4.1 確定性分析法.......................................................................... 17 2.4.2 數學分析法.............................................................................. 17 2.4.3 模擬法...................................................................................... 21 2.4.4 混合法...................................................................................... 21. 第三章. 模式建構........................................................................................... 25. 3.1. 問題定義與分析 .............................................................................. 25. 3.2. 整體邏輯與架構 ............................................................................ 28. 3.3. 搬運車數估算模組 ........................................................................ 30 3.3.1. 3.4. 3.5. 搬運系統之最適搬運車數估算 ......................................... 30. 生產週期時間估算模組 ................................................................ 34 3.4.1. 搬運時間之估算 ................................................................. 34. 3.4.2. 工作站週期時間之估算 ..................................................... 41. 3.4.3. 產品之生產週期時間 ......................................................... 51. 機台數量配置模組 ........................................................................ 55 3.5.1. 初始機台數量估算機制 ..................................................... 56. 3.5.2. 機台數量新增機制 ............................................................. 59. 第四章. 實例驗證 ........................................................................................ 69. 4.1. 系統環境說明 ................................................................................ 69. 4.2. 4.1.1. 生產環境資料 ..................................................................... 69. 4.1.2. 生產排程規劃假設 ............................................................. 71. 案例說明 ........................................................................................ 72 v.

(8) 4.3. 4.2.1. 搬運車數估算模組之執行過程 ......................................... 72. 4.2.2. 初始機台數量估算機制之執行過程 ................................. 74. 4.2.3. 生產週期時間估算模組之執行過程 ................................. 76. 4.2.4. 機台數量新增機制之執行過程 ......................................... 89. 模擬驗證 ........................................................................................ 96 4.3.1. 模擬環境說明 ..................................................................... 96. 4.3.2. 搬運車數估算結果之驗證分析 ......................................... 96. 4.3.3. 生產績效之評估分析 ......................................................... 97. 4.3.4. 生產週期時間估算模組之成效分析 ................................. 99. 4.3.5. 機台數量新增機制之成效分析 ....................................... 101. 4.3.6. 不同機台配置下之生產週期時間分析 ........................... 108. 第五章. 結論與未來研究方向 .................................................................. 110. 5.1. 結論 .............................................................................................. 110. 5.2. 未來研究方向 ...............................................................................111. 參考文獻......................................................................................................... 113 附錄................................................................................................................. 117 附錄 A 製程資料.................................................................................... 117 附表 B 工作站相關資訊........................................................................ 119 附表 C 生產週期時間估算與模擬結果 ............................................... 120 附表 D 生產週期時間估算方法之比較結果 ....................................... 122. vi.

(9) 圖目錄圖 1 - 1 研究範圍 .............................................................................................. 4 圖 1 - 2 研究步驟流程圖 .................................................................................. 5 圖 2 - 1 薄膜電晶體陣列製程流程圖[32]........................................................ 8 圖 2 - 2 傳統網路式無人搬運車系統 ............................................................ 11 圖 2 - 3 單迴圈式無人搬運車系統[20]...........................................................11 圖 2 - 4 區域式無人搬運車系統[1]................................................................ 11 圖 2 - 5 區域雙向單迴圈式無人搬運車系統[21] ......................................... 11 圖 3 - 1 薄膜電晶體陣列段設備佈置簡圖[34].............................................. 26 圖 3 - 2 整體架構圖 ........................................................................................ 29 圖 3 - 3 搬運車數估算模組流程圖 ................................................................ 31 圖 3 - 4 搬運時間估算流程圖 ........................................................................ 37 圖 3 - 5 層級別示意圖 .................................................................................... 42 圖 3 - 6 工作站可用產能示意圖 .................................................................... 44 圖 3 - 7 工作站之週期時間估算流程圖 ........................................................ 50 圖 3 - 8 生產週期時間估算流程圖 ................................................................ 54 圖 3 - 9 初始機台數量估算機制流程圖 ........................................................ 59 圖 3 - 10 各層級 X-factor 值之示意圖........................................................... 61 圖 3 - 11 機台數量新增機制流程圖 .............................................................. 68 圖 4 - 1 模擬系統之設備佈置圖.....................................................................70 圖 4 - 2 不同機台配置下一般工件之生產週期時間比較圖 ...................... 109 圖 4 - 3 不同機台配置下量測工件之生產週期時間比較圖 ...................... 109. vii.

(10) 表目錄表 2 - 1 各世代玻璃基板可切割各尺寸之片數對應表[34] ........................... 9 表 2 - 2 薄膜電晶體陣列廠與晶圓廠比較表[34] ......................................... 10 表 2 - 3 生產週期時間估算方法及其優缺點[5][36]..................................... 14 表 2 - 4 熊氏[37]三個研究主題之分類.......................................................... 20 表 2 - 5 機台配置問題之相關文獻整理 ........................................................ 24 表 4 - 1 各工作區間之搬運所需圈數表. (單位：圈)……………………….70. 表 4 - 2 規劃幅度內各屬性別工件之計畫月產量. (單位：lot) ................. 72. 表 4 - 3 搬運流程從至表-一般工件. (單位：次數) .................................... 73. 表 4 - 4 搬運流程從至表-量測工件. (單位：次數) .................................... 73. 表 4 - 5 各工作站最大可提供之可用產能表 4 - 6 各工作站之需求產能. (單位：分鐘) ......................... 74. (單位：分鐘).............................................. 75. 表 4 - 7 各工作站之初始機台數量. (單位：台) ......................................... 76. 表 4 - 8 各屬性別工件於各工作區之總搬運次數表 .................................... 77 表 4 - 9 各工作區之工件到達率. (單位：lots/min) .................................... 78. 表 4 - 10 各工作區可接受之搬運服務次數表表 4 - 11 搬運系統於各區之搬運服務率. (單位：次數) ................... 78. (單位：lots/min) ...................... 78. 表 4 - 12 各工作區之等候搬運時間估算結果表 4 - 13 各區搬運所需之理論搬運時間表表 4 - 14 各區搬運所需之總搬運時間表. (單位：分) ....................... 79 (單位：分) ........................... 79. (單位：分) ............................... 80. 表 4 - 15 各工作站之產出速率、層級產出速率表 4 - 16 搬運系統於各工作區之層級搬運服務率. (單位：lots/min) .......... 81 (單位：lots/min) ...... 82. 表 4 - 17 第一層級 TF 區中各工作站之屬性別產出速率 viii. (單位：lots/min).

(11) ........................................................................................................................... 83 表 4 - 18 各工作區之工件層級到達率表 4 - 19 各工作站之工件總到達率. (單位：lots/min) .......................... 84 (單位：lots/min) .............................. 84. 表 4 - 20 各工作站之服務率、機台利用率 .................................................. 85 表 4 - 21 各工作站之等候時間以及週期時間表 4 - 22 一般工件之製程步驟週期時間. (單位：分鐘) ................... 86. (單位：分鐘) ........................... 88. 表 4 - 23 各屬性別工件之生產週期時間 ...................................................... 89 表 4 - 24 各產品之平均生產週期時間 .......................................................... 89 表 4 - 25 一般工件於各層級之生產週期時間與 X-factor 值. (單位：分鐘). ........................................................................................................................... 90 表 4 - 26 量測工件於各層級之生產週期時間與 X-factor 值. (單位：分鐘). ........................................................................................................................... 90 表 4 - 27 候選工作站集合 .............................................................................. 91 表 4 - 28 各候選工作站之排序順位值 Ak ,1 .................................................... 91 表 4 - 29 各候選工作站之排序順位值 Ak , 2 .................................................... 92 表 4 - 30 各候選工作站之排序順位值 Ak ,3 .................................................... 92 表 4 - 31 各候選工作站之機台新增優先順序 Ak .......................................... 92 表 4 - 32 工作站集合 S (N ) 之 Rk 比較表......................................................... 93 表 4 - 33 各屬性別工件於各層級之週期時間估算結果與 X-factor 值 ...... 94 表 4 - 34 新增機台之工作站順序 .................................................................. 94 表 4 - 35 最終之機台數量配置與各工作站利用率 ....................................... 95. ix.

(12) 表 4 - 36 各屬性別工件之生產週期時間 ...................................................... 95 表 4 - 37 各產品之平均生產週期時間 .......................................................... 95 表 4 - 38 不同車數下之生產績效模擬結果 .................................................. 96 表 4 - 39 各工作站利用率之比較 .................................................................. 97 表 4 - 40 各工作區間所需搬運時間之模擬結果表 4 - 41 各工作站週期時間之模擬結果. (單位：分鐘) ............... 98. (單位：分鐘) ........................... 99. 表 4 - 42 各屬性別工件之生產週期時間比較 .............................................. 99 表 4 - 43 各種方法下一般工件之生產週期時間比較表 ............................ 101 表 4 - 44 各種方法下量測工件之生產週期時間比較表 ............................ 101 表 4 - 45 初始以及最終機台配置下之生產週期時間模擬結果(一般工件) ......................................................................................................................... 102 表 4 - 46 初始以及最終機台配置下之生產週期時間模擬結果(量測工件) ......................................................................................................................... 102 表 4 - 47 新增機台之工作站順序(閒置成本法).......................................... 104 表 4 - 48 新增機台之工作站順序(邊際貢獻法).......................................... 104 表 4 - 49 各工作站之最終機台配置(閒置成本法) ..................................... 104 表 4 - 50 各工作站之最終機台配置(邊際貢獻法) ..................................... 104 表 4 - 51 不同方法下新增機種之名稱及數量 ............................................ 106 表 4 - 52 不同方法下各屬性別各層級之週期時間模擬結果與 X-factor 值 ......................................................................................................................... 107 表 4 - 53 各方法下生產週期時間模擬資訊與機台總成本之比較 ............ 107 表 4 - 54 不同機台配置下一般工件之生產週期時間比較表 .................... 108 表 4 - 55 不同機台配置下量測工件之生產週期時間比較表 .................... 108. x.

(13) 符號一覽表符號上下標 i ：第 i 種產品別( i = 1,..., I ， I 為產品種類數)。. j ：第 j 個製程步驟( j = 1,..., J r ， J r 為屬性別工件 r 之製程步驟總數)。 k ：第 k 個工作站( k = 1,2,..., BN ,..., K ， BN 為系統瓶頸工作站， K 為工作站. 總數)。 l ：第 l 個層級( l = 1,..., Lr ， Lr 為屬性別工件 r 之層級總數)。 r ：工件屬性別，若 r = nr 為一般工件； r = wr 為量測工件。. x ：工作區( x = TF , Photo , Etch , Test )。 x ' ：屬性別工件 r 進行下一製程步驟 j + 1 時所在之工作區( W jr = x , W jr+1 = x′ ，. W jr 為屬性別 r 進行製程步驟 j 時工作站所在之工作區)。 x′′ ：在層級中之工件由目前所在工作區，依該層級之工作區順序推得之下. 一順位工作區 x′′ 。. 搬運車數估算模組符號表 π r ：工件屬性別 r 所佔總產量之比例。. π i ：產品 i 所佔總產量之比例。 π ir ：屬性別 r 在產品 i 中所佔之比例。 TP r ：屬性別 r 在規劃幅度內之計畫月產量。 TP ：規劃幅度內之計畫月產量。. Q r ：屬性別 r 在規劃幅度內每月所需之搬運總圈數。 Qxx ' ：工件由搬運從點 x 區到搬運至點 x ' 區所需之搬運圈數。. xi.

(14) N xrx′ ：屬性別 r 自投料至產出由從點 x 區到至點 x′ 區所需之搬運次數。 S ：所有工作區之集合， S ∈ {TF , Photo, Etch, Test} 。 DQ ：規劃幅度內每月總需求之搬運圈數。 SQ ：單一搬運車在規劃幅度內每月理想可提供之搬運圈數。 T ：規劃時格長度。. vt ：天車繞行 Interbay 一周所需的時間。. SQ ' ：單一搬運車在規劃幅度內每月實際可提供之搬運圈數。. ω v ：搬運車之有效搬運率。 Veh ：系統所需車數。. 生產週期時間估算模組符號表搬運時間估算 M xr ：在系統規劃幅度內，屬性別 r 於各區之每月平均所需搬運次數。. TP r ：屬性別 r 在規劃幅度內之計畫月產量。 N xr ：屬性別 r 自投料至產出時，由從點 x 區出發所需搬運之次數。. M x ：工作區 x 於規劃幅度內每月平均所需之搬運次數。. λ x ：工作區 x 工件之平均到達率。 T ：規劃時格長度。. Rx ：工件在投入/產出之過程中，經過工作區 x 之次數。 R x' ：工件在投入/產出過程中，工作區 x 不能接受搬運服務之次數。. xii.

(15) Yx ：工件在投入/產出過程中，工作區 x 能夠接受搬運服務之次數。. µ x ：工作區 x 搬運系統之平均服務率。 Veh ：系統所需車數。. vt ：天車繞行 Interbay 一周所需的時間。. QTx ：工件於 x 區之平均等候搬運時間。 MT jr ：工件由 x 區到 x ' 區存貨站所需之純搬運時間。 W jr ：屬性別工件 r 進行製程步驟 j 時，加工工作站所在之工作區。 Qxx ' ：工件由搬運從點 x 區到搬運至點 x ' 區所需之搬運圈數。. AT jr ：工件 r 於製程步驟 j 所需之搬運時間。. 工作站週期時間估算 Ok ：工作站 k 之產出速率。 Bkmax ：工作站 k 之最大載入批量。. ck ：工作站 k 之可用機台數。 E ( Pk ) ：工作站 k 之平均製程時間。 M k ：工作站 k 之機台數量。 MTTRk ：工作站 k 之平均當機時間(mean time to repair)。 MTBFk ：工作站 k 之平均當機間隔時間(mean time between failure)。. xiii.

(16) PTkr ：屬性別 r 在工作站 k 之平均製程時間。. π r ：工件屬性別 r 所佔總產量之比例。 α l ,k ：工作站在其出現層級之平均層級產出速率。 Lk ：工作站 k 出現之層級總數。. α l , x ：搬運系統於各工作區其出現層級之平均層級搬運率。. µ x ：工作區 x 搬運系統之平均服務率。 Lx ：工作區 x 出現之層級總數。. α ：全廠之平均產出率。 TP ：規劃幅度內之計畫月產量。 T ：規劃時格長度。. λl , x ：層級 l 中工作區 x 之工件層級到達率。. λlr, x ：層級 l 中工作區 x 之各屬性別工件 r 層級到達率。 S (l , x) ：在層級 l 中，工作區 x 內所出現之工作站集合。. α lr, x,b ：在層級 l 工作區 x 中，各屬性別工件 r 之瓶頸工作站層級產出速率。 π kr ：工作站 k 中加工工件之屬性別為 r 之比例。 Rlr, x ：工作區 x 中各屬性別工件 r 之工件層級產出率。 Rl , x ：工作區 x 之整體工件層級產出率。. λk ：工作站 k 之總到達率。. xiv.

(17) λl ,k ：層級 l 中工作站 k 之工件層級到達率。. µ k ：工作站 k 之平均服務率。 ρ k ：工作站 k 之機台利用率。 QTk ：工作站 k 之平均等候時間。 CTk ：工作站 k 之週期時間。. 產品生產週期時間估算 CTk ：工作站 k 之週期時間。 AT jr ：工件 r 於製程步驟 j 所需之搬運時間。 CT jr ：屬性別 r 於製程步驟 j 之週期時間。 CT r ：屬性別 r 之生產週期時間。. CTi ：產品 i 之生產週期時間。. π ir ：屬性別 r 在產品 i 中所佔之比例。. 機台數量配置模組初始機台數量估算機制 Acapk ：工作站 k 中單一機台最大可提供之可用產能。 MTTRk ：工作站 k 之平均當機時間(mean time to repair)。 MTBFk ：工作站 k 之平均當機間隔時間(mean time between failure)。 xv.

(18) Dcapk ：工作站 k 為達成產出目標所需之需求產能。 TP r ：屬性別 r 在規劃幅度內之計畫月產量。 PTkr ：屬性別 r 在工作站 k 之平均製程時間。 f kr ：屬性別 r 從投入至產出所需經過工作站 k 之次數。. U k ：工作站 k 之負荷水準。 M k ：工作站 k 之機台數量。 U kUB ：工作站 k 之負荷水準上限值。 M kmin ：工作站 k 滿足負荷水準上限之前提下，所需之最小機台數量。 LB U BN ：黃光工作站之平均產能負荷下限值。. 機台數量新增機制 CTl r ：屬性別 r 於各層級 l 之層級週期時間。. CT jr ：屬性別 r 於製程步驟 j 之週期時間。 S (r , l ) ：屬性別 r 於層級 l 中所有製程步驟之集合。 PTl r ：屬性別 r 於層級 l 之純製程時間。. PT jr ：屬性別 r 於製程步驟 j 之工作站純製程時間。 MT jr ：工件由 x 區到 x ' 區存貨站所需之純搬運時間。 XFl r ：屬性別工件 r 於各層級 l 之 X-factor 値。 xvi.

(19) XF UB ：X-factor 上限值。 S ( D ) ：對於各屬性別 r 之 X-factor 値大於上限值的層級，其中所有工作站. 之集合，為候選工作站集合。 QTk ：工作站 k 之平均等候加工時間。 Ak ,1 ：候選工作站 k 依平均等候加工時間由大至小之排序順位值。. ∆CTI k ：工作站 k 之改善量。 hkr ：工作站 k 於屬性別 r 超出 X-factor 上限値之層級中，所出現之次數。. π r ：工件屬性別 r 所佔總產量之比例。 ∆CTk ：工作站 k 新增一部機台所造成之工作站週期時間減少量。 CTk ：工作站 k 之週期時間。 CTk′ ：工作站 k 新增一部機台時之工作站週期時間。 Ak , 2 ：候選工作站 k 依改善量由大至小之排序順位值。. Cost k ：工作站 k 之機台購置成本。 Ak ,3 ：候選工作站 k 依機台購置成本由小至大之排序順位值。. Ak ：候選工作站 k 之機台新增優先順序。 S ( N ) ：具有最小新增優先順序值之工作站集合。. Rk ：工作站 k 之改善量與機台購置成本之比值。. xvii.

(20) 第一章 1.1. 緒論. 研究背景與動機台灣在 2001 年時薄膜液晶平面顯示器(Thin Film Transistor-Liquid. Crystal Display，簡稱 TFT-LCD)之生產量在全世界市場之佔有率高達 26.1%，使得台灣成為全世界薄膜液晶平面顯示器生產大國之ㄧ。而 2002 年經濟部所提出「兩兆雙星產業發展計畫」，係指將半導體產值與彩色影像顯示器兩項產業的產值在 2006 年時，各自突破一兆元，並且推動數位內容與生技產業成為具發展潛力的兩個明星產業。因此，在此政策之推動下，TFT-LCD 產業已成為重點發展產業之ㄧ[40]。 TFT-LCD 之製程主要分為三個階段，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，第一階段之薄膜電晶體陣列廠其製程與半導體晶圓製造廠十分相似，其生產流程亦具有再回流(Re-entry)之現象。然而，由於薄膜電晶體陣列段加工之玻璃基板所佔體積龐大，其加工時礙於設備之空間考量，故無批量加工之機台製程，此特性不同於晶圓製造廠有批量加工機台之製程特性。薄膜電晶體陣列廠之機台設備成本十分昂貴，且機台組合對於整個系統之生產績效影響甚鉅，因此，薄膜電晶體陣列廠在建廠初期，機台數量規劃是ㄧ個相當重要之長期決策。一個良好的機台組合，不但能夠增加系統產出量、降低產品之生產週期時間，並且可以提高機台設備的使用率；反之，任意的購置機台，不僅會增加額外的機台購置成本，造成產能的閒置與浪費，還可能因為機台組合不適當而影響系統產出量、產品週期時間等重要之績效指標。對於薄膜電晶體陣列廠而言，產品生產週期時間是衡量生產績效的重要指標，其決定了產品之交期時間，也為規劃機台組合時不可或缺之重要考慮因素。此外，在薄膜電晶體陣列廠中，由於玻璃基板所佔體積龐大，故以自動化搬運系統進行物料之運送。然而，當自動化搬運系統設計不良時，物料之搬運時間將拉長，而造成生產週期時間之增加，故在薄膜電晶體陣列廠中，不可忽略搬運系統對於生產週期時間之影響。 1.

(21) 基於上述，誘發吾人之研究動機，期望在薄膜電晶體陣列廠建廠初期，對於機台設備之數量進行配置，以避免不必要之機台設備購置成本。並在考量搬運因素下，發展一套適用於薄膜電晶體陣列廠之生產週期時間估算法則，以便基於估算之生產週期時間進行機台數量之配置規劃。. 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，. 在考量搬運因素下，規劃薄膜電晶體陣列廠機台設備之數量配置，使機台產能得以充分利用，以避免產能閒置與購置成本之浪費，並維持系統之生產績效於一定水準之上，確保整體之競爭力。吾人計劃以下列三個模組來達成本文之研究目的： 1. 搬運車數估算模組：在本文考量搬運系統之生產環境中，吾人期盼搬運能夠流暢，不因車數過多而造成不必要之成本浪費；亦不希望因車數過少而成為系統瓶頸。因此，吾人將利用郭氏[30]之搬運車數估算模組，根據生產相關資訊求算系統所需之最適搬運車數。 2. 生產週期時間估算模組：吾人以數學方法發展一套考量搬運因素之生產週期時間估算法則，基於搬運車數估算模組所求算之車數，估算包含搬運時間之生產週期時間，其估算結果將作為配置機台數量時之重要參考資訊。 3. 機台數量配置模組：在滿足系統所需產能之前提下，吾人依據生產週期時間估算模組之估算結果，以及機台設備之購置成本等輸入資訊，於薄膜電晶體陣列廠之建廠初期，規劃廠中各機種之機台數量配置。. 2.

(22) 1.3. 研究範圍與限制研究範圍與限制本文所發展之機台數量配置機制，係依據市場需求預測所得之目標產. 出量以及產品組合，進行薄膜電晶體陣列廠中機台數量之配置，以利後續主生產排程、細部生產排程等生產規劃運作之進行。本文研究範圍如圖 1 1 所示。由於薄膜電晶體陣列廠之生產系統複雜，為了清楚詮釋主題以及降低研究環境之複雜度，本文作了以下之假設與限制： 1.. 生產系統為存貨式(Make To Stock, MTS)生產型態。. 2.. 假設目標產出量、產品組合比例以及產品製造途程皆已知。. 3.. 各產品製程均相當穩定，不考慮報廢與重加工之情況。. 4.. 假設同一工作站中所有機台之效能、當機機率與維修間隔皆ㄧ致。. 5.. 不考慮機台之整備時間。. 6.. 只考慮各工作區間的搬運時間，不考慮工作區內的搬運時間。. 7.. 搬運車最大負載量為 1 cassette 之工件。. 8.. 不考慮工廠中廠房空間大小問題。. 3.

(23) 圖 1 - 1 研究範圍. 1.4. 研究方法與步驟為達成前述之研究目的，本文之研究方法如下列方式進行，其步驟流. 程圖如圖 1 - 2 所示。 1. 研究背景與動機 2. 文獻探討 3. 問題定義與分析 4. 建構模式 5. 模擬驗證 6. 結論與未來研究方向. 4.

(24) 研究背景與動機. 文獻探討. 問題定義與分析. 建構模式. 模擬驗證. 結論與未來研究方向. 圖 1 - 2 研究步驟流程圖. 5.

(25) 第二章文獻探討本文之研究為薄膜電晶體陣列(TFT-Array)廠考量生產週期時間之機台設備數量配置，主要探討考量搬運因素下之產品生產週期時間以及機台數量配置問題，因此，本章將分為下列幾個方向進行相關文獻之回顧： (1) 薄膜電晶體陣列(TFT-Array)段之介紹； (2) 自動化搬運系統； (3) 生產週期時間； (4) 機台數量配置問題。. 2.1 薄膜電晶體段之介紹薄膜電晶體陣列(TFT-Array)段之介紹陣列 2.1.1 薄膜液晶顯示器(TFT-LCD)之製程簡介之製程簡介薄膜液晶顯示器在介紹薄膜電晶體陣列段之前，吾人首先簡單介紹薄膜液晶顯示器之製造程序。薄膜液晶顯示器之製造程序共有三大製程，分別為前段陣列 (Array)製程、後段面板組立(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[40]，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： 6.

(26) 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。本研究著眼於薄膜電晶體陣列(TFT Array)廠之機台數量規劃問題上，故接下來將針對薄膜電晶體陣列段之製程進行探討。. 2.1.2 薄膜電晶體段之製程介紹薄膜電晶體陣列(TFT-Array)段之製程介紹陣列薄膜電晶體陣列段之製程與半導體製程類似，皆具有再回流之特性，但因陣列段製程之再回流次數較少且無批量加工機台，故較半導體製程簡單，其製造流程如圖 2 - 1 所示，其說明如下[32][40]： 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七次，最後. 7.

(27) 再進行測試步驟，並完成 TFT 陣列基板之加工。如圖 2 - 1 所示，陳氏[34]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. 將玻璃基板充分洗淨薄膜區. 成膜. 回流. 濺鍍與電漿化學氣相沉積. 光阻劑塗佈. 將光阻劑塗佈在光罩上. 曝光. 利用曝光(Stepper)設備進行曝光. 顯影. 對已曝光之光罩進行顯影步驟. 蝕刻. 利用蝕刻(Etching)設備去除不需要的透明電極層. 去光阻. 利用光阻剝離(Asher)設備將殘留光阻去除. 黃光區. 蝕刻區. 測試. 檢測測試區. 陣列基板完成. 圖 2 - 1 薄膜電晶體陣列製程流程圖[32]. 8.

(28) 2.1.3 薄膜電晶體段之特性薄膜電晶體陣列(TFT-Array)段之特性陣列陳氏[34]針對薄膜電晶體陣列段之特性進行整理分析，如下所示： 1. 生產型態：存貨式生產(Make To Stock, MTS)。 2. 佈置型態：業界大部分採零工式佈置，依照機台功能別將相同功能之機台放置在一起，如此佈置較具彈性。 3. 產品種類：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[34]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 - 1 所示，而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：產品之組合比例會隨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，故基於空間之考量，薄膜電晶體陣列段中皆為序列加工機台，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。由於薄膜電晶體陣列段之製程有許多特性與半導體晶圓廠相似，陳氏 [34]進一步分析薄膜電晶體陣列段與半導體晶圓廠之異同，其比較如表 2 2 所示。表 2 - 1 各世代玻璃基板可切割各尺寸之片數對應表[34] 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 或 12 片. 9片. 4或6片. 1或2片. 6代. 30 片. 25 片. 16 或 20 片. 12 片. 3片. 7代. 42 片. 36 片. 25 片. 18 片. 6片. 9.

(29) 表 2 - 2 薄膜電晶體陣列廠與晶圓廠比較表[34] 薄膜電晶體陣列廠. 半導體晶圓廠. 生產型態. 存貨式生產. 訂單式生產. 設備佈置. 大部分為零工型佈置. 零工型佈置. 再回流特性. 有，(5~7 層). 有，(16~20 層). 共用機台特性. 有. 有. 批次機台. 無. 有. 2.2 自動化搬運系統 2.2.1 搬運系統之軌道佈置軌道佈置之主要目的為使得搬運系統能將在製品正確且有效率地搬運至目的地。在行走方向之規劃方面，軌道上無人搬運車(Automatic Guided Vehicle, AGV)之行走方向可分為單向(unidirectional)與雙向(bi-directional) 兩種，單向軌道在控制上較為簡單，一般工廠大多採用此類設計；而雙向軌道由於可來回行走於軌道上，故可減少所需之搬運路程。在軌道之佈置方面，可分為傳統網路式、單迴圈式、區域式以及區域雙向單迴圈式等四大類，如下所示[30]： 1. 傳統網路式(Network)：由於車輛可於任一軌道上行走，且任一無承載工件之搬運車皆可提供搬運服務於經過之工作站，故造成搬運系統中發生阻塞、擁擠、碰撞等情況之可能性較高，而用來控制並避免造成系統延滯之車輛指派、車輛途程設定等機制也較為複雜，如圖 2 - 2 所示。 2. 單迴圈式(Single-Loop)：此種佈置方式較容易控制，並且可以有效解決在傳統網路式中可能造成碰撞與死結的情況。然而，此佈置方式之彈性較差，其效能也未必優於傳統網路式佈置[20]，如圖 2 - 3 所示。 3. 區域式(Tandem)：此種佈置方式是將整個系統區分為數個不重疊交叉之獨立區域，各區有一輛無人搬運車進行搬運工作，並利用各區之間的轉運站，使得相鄰之區域能夠互傳工件，以滿足系統需求。此佈置方式具 10.

(30) 有避免碰撞且易於控制等優點，且較單迴圈式更具彈性[1]，如圖 2 - 4 所示。 4. 區域雙向單迴圈式(Segmented Bi-directional Single-Loop, SBSL)：此佈置方式結合區域式與單迴圈式，將單迴圈切割成數個不重疊之區段，各區段中僅有一輛無人搬運車來回雙向搬運，而各區段交接處設有轉運站進行工件之傳遞。此佈置方式雖然可以降低因交通問題所造成之時間延誤，然而卻因為裝卸載作業次數之增加，造成了多餘之搬運時間[21]，如圖 2 - 5 所示。. 圖示說明：. 無人搬運車. 裝卸站. 圖 2 - 2 傳統網路式無人搬運車系統. 轉運站. 區段轉運站. 圖 2 - 3 單迴圈式無人搬運車系統[20]. 圖 2 - 4 區域式無人搬運車系統[1]. 圖 2 - 5 區域雙向單迴圈式無人搬運車系統[21]. 11.

(31) 2.2.2 搬運系統之車數問題在搬運系統中，無人搬運車數量對於系統之生產績效與成本有相當程度的影響，因此，決定滿足生產所需之搬運車數量為一重要之課題。 Maxwell & Muckstadt[16]提出一套數學方法，在車輛速度、裝卸載時間以及搬運需求皆為固定已知之假設環境下，估算最短之空車行走時間，並與各工作站之裝卸載時間與負載搬運時間相加總，除以搬運車在規劃幅度內之可用產能，即可得最少所需之搬運車數量。郭氏[30]根據各產品之製程加工步驟，估算各產品從投料到產出所需繞行 Interbay 之圈數，並以產品繞行 Interbay 之圈數及計劃總產量為輸入參數，在滿足搬運需求量之條件下估算系統所需之搬運車數量。本文將運用郭氏[30]估算搬運車數之理念，估算薄膜電晶體陣列廠中所需之搬運車數量。. 2.3 生產週期時間 2.3.1 生產週期時間之定義 Kramer[12]定義生產週期時間為ㄧ晶圓批從投料至產出所需花費的時間。而從價值分析(value analysis)的觀點來檢視生產週期時間之組成因子，則可將其分為具增值性時間以及不具增值性時間。具增值性時間之意義為該時間對產品價值之增加，具有其貢獻性，例如純製程時間；而不具增值時間之意義則為該時間對於產品價值之增加，不具有其貢獻性，例如等候加工與等候搬運時間等[13][19]。黃氏[36]將週期時間分為理論週期時間和等候時間兩部分，其中理論週期時間包含了製程時間、裝卸時間、準備時間等具增值性活動之時間；而等候時間則包含了等候加工及等候搬運等不具增值性活動之時間。ㄧ般而言理論週期時間之變異較小，常常被視為一固定值；而等候時間由於具有高度不確定性，為ㄧ待估計之值。除上述生產週期時間之定義外，Chung and Huang[5]考量半導體晶圓製造廠中批量與序列工作站混雜之物流特性，將工件流經晶圓廠所需之時間 12.

(32) 分為以下三部份： 1.. 源於負荷因子之等候時間：因該工作站之平均工件負荷所造成之等候時間。. 2.. 源於批量因子之等候時間：因前後製程機台之載入批量差異，及其相對之產出速率差異，所造成之等候時間。. 3.. 理論週期時間：包含了純製程時間、載入與卸下時間…等等。. 2.3.2 生產週期時間之估算方法在生產週期時間估算方法之分類方面，Chung and Huang[5]依據週期時間估算法之特性差異，將週期時間估算法分為五種類型，分別為直接程序法、模擬法、統計分析法、數學分析法以及混合型方法，其分類彙整如表 2 - 3 所示。在工作站週期時間之估算方面，Wang et al.[24]結合了由等候理論所推導出之兩個公式：Little’s formula 以及 Kingman’s equation[7]，以估算週期時間，其公式如式 2 - 1 所示，其中 u 為機台利用率，a , b 為迴歸係數。其利用各工作站之歷史資料求算迴歸方程式之迴歸係數，並以此方程式作為工作站週期時間之估算式。 T = a + b×. u 1− u. 式2-1. Kramer[12]與 Martin[15]則以等候理論為基礎，推導出理論週期時間與實際週期時間比值(X-factor)之估算式，其公式如下所示。而在業界也常將 X-factor 視為生產週期時間評估指標之ㄧ。 Kramer : X − Factor = 1 /(1 − u ). 式2-2. 1− u / 2 1− u. 式2-3. Martin : X − Factor =. 此外，Conway et al.[7]利用拉普拉斯轉換式(Laplace Transforms)來估算工件在單一機台上之流動時間，如式 2 - 4 所示：. 13.

(33) E ( X ) = E ( P) +. λE ( P 2 ) 2(1 − ρ ). 式2-4. 其中，E ( X ) 表示工件之期望流動時間，E (P) 表示期望作業時間，E ( P 2 ) 表示作業時間之平方期望值， λ 表示工件到達率， ρ 表示機台利用率。. 表 2 - 3 生產週期時間估算方法及其優缺點[5][36] 求算方法說明優點缺點直接程序法只使用目前可得之資簡單、不須繁複的模式中所使用之係訊(如工件特徵、現場計算過程。數仍須以其它方法 (Direct 得到。 Procedure) 狀況等)。模擬法建立離散事件模擬模透過建立詳細的模模式確認(Model (Simulation 型，經由模擬結果來型，可以提昇預測 validation)不易，須之精準性，可解答經多次模擬方能確 Method) 預測週期時間。 What-if 的問題，提認可行性，且模擬供決策參考，或預過程所須時間相對測控制參數之值。較長。統計分析法利用迴歸分析或相關具有統計可信度，過去的趨勢並不一 (Statistical 分析等統計方法，來現場人員接受度較定適用於未來，且需求改變、產能改 Method) 分析過去的生產資高。料，以尋找週期時間變等等，均可能造與各類變數之間的關成模型的不適用係，並依此建立統計性。模式來進行預測。數學分析法以等候理論或數學模具統計分配特性，簡化過之數學模式 (Analytical 式為基礎，利用數學可以推導出預測誤往往與實際情形有 Method) 推導工件流動時間及差的分佈；且執行所差異；且數學模其標準差，進而利用運算所須之時間式複雜度高，有時常態分配的假設來設短。不易推導出可用模定所需參數。式。混合型方法整合多種研究方法，可整合各種方法之各種方法之假設前提可能相互矛盾， (Mixed 進行週期時間之預優點。不當的整合將增加 Method) 測。分析的困難度。. 14.

(34) 在晶圓製造廠中，批次機台之批量問題為一重要之製程特性，然而，上述各種方法均未將批量因素納入模型中考量，故難以適用於晶圓製造廠。於是蘇氏[39]與施氏[29]考量批次機台之批量因素，將上述之 Conway 估計式加以修正，如式 2 - 5 所示，而修正後之公式對於生產週期時間估算之準確性亦有相當幅度的提升。 E ( X ) = E ( P) +. λE ( P 2 ) 2(1 − ρ ) × ABS. 式2-5. 其中 ABS 代表批次機台之批量大小，若為序列機台則 ABS = 1 。 Connors et al.[6]運用等候網路模型來估算晶圓製造廠之工作站利用率、生產週期時間等生產績效，其模型中考量重加工(rework)、報廢(scrap)、批量大小等製程因素之影響，且分別依據序列以及批次機台之加工特性建構等候模型。在其等候網路模型中，工作站之到臨事件共分為兩大類，分別為因當機、維修保養等因素造成之失效事件，以及欲加工之工件。式 2 - 6、式 2 - 7 分別代表在到臨事件之到達率皆服從卜瓦松(Poisson) 分配的情況下，不同機台數之序列工作站其平均等候時間之估算公式。式 2 - 6 為在非逐位性優先服務(non-preemptive priority)之 M/G/1 等候模型環境中，用來估算僅有單一機台之序列工作站其平均等候時間之等候公式；式 2 - 7 為將式 2 - 6 乘上一修正因子後之 M/G/C 等候模型近似公式，用來估算有多部機台之序列工作站其工件之平均等候時間，若將機台數等於一台代入式 2 - 7 中，即可發現式 2 - 7 與式 2 - 6 相同。由於薄膜電晶體陣列廠之工作站皆為序列工作站，因此，本文將基於上述之 M/G/C 等候模型近似公式，估算薄膜電晶體陣列廠中各工作站之工件等候加工時間。. ∑Λ E ( Dg ) =. E ( Dg ) =. E ( S b2 ) + ∑ Λ k E ( S k2 ). b∈Bg. inc g 2 g. k∈Tg. 2(1 − ρ )(1 − ρ ginc − ρ g ). (ρ g + ρ ) c. b. inc g. ∑Λ. cg −1. ⋅. b. 式2-6. E ( S b2 ) + ∑ Λ k E ( S k2 ). b∈Bg. k∈Tg inc g. 2(1 − ρ )(1 − ρ ginc − ρ g ). 式2-7. 其中， E ( Dg ) 表示平均等候時間， Tg 表示在工作站 g 進行加工之作業. 15.

(35) 集合， E ( S k2 ) 表示作業 k 加工時間之平方期望值， Λ k 表示作業 k 之到達率， ρ g 表示加工作業造成之工作站利用率，Bg 表示在工作站 g 發生之失效事件. 集合， E ( S b2 ) 表示失效事件 b 其失效時間之平方期望值，Λ b 表示失效事件 b 之到達率， ρ ginc 表示失效事件所造成之工作站利用率。 Chung and Huang[5]考量晶圓廠批次機台與序列機台混雜之物流特性，發展出區段基礎式週期時間估算法(block-based cycle time estimation methodology , BBCT)，估算源於負荷因子以及批量因子之等候時間。該演算法先將複雜的製程以批次機台為分割點分解成數個獨立之區段，再依製程特性對於各區段進行週期時間之估算，最後將之全部加總即為整體製程之週期時間，而實證結果顯示應用 BBCT 於晶圓製造廠之生產週期時間估算有不錯之成效。陳氏[33]進一步將 BBCT 估算模式推廣至系統存在多等級工單之情境，發展晶圓廠多等級生產週期時間估算法(BBCT-MP)。郭氏[30]繼續延伸 BBCT-MP，並考量區間搬運狀況下之搬運時間，發展包含搬運時間在內之晶圓廠生產週期時間估算法，使生產週期時間之估算更臻完備。陳氏[34]認為薄膜電晶體陣列(TFT-Array)段之製程特性雖與半導體晶圓廠相似，但在薄膜電晶體陣列段製程中並無晶圓廠中批次機台之製程特性，故 BBCT、BBCT-MP 及郭氏考量搬運時間之估算法皆不適用於薄膜電晶體陣列段之週期時間估算。因此，作者在考量區間搬運之環境下，利用迴歸分析方法建構「個別工作站等候時間迴歸式」與「整體迴歸式」，分別估算薄膜電晶體陣列(TFT-Array)廠之生產週期時間。 Wu[25]認為生產系統之績效會受到系統中存在之變異性(variability)所影響，因此，作者以機台設備效率(overall equipment efficient, OEE)之角度作為出發點，在考量機台變異之前提下，以 G/G/1 之等候理論模式，建構機台之生產週期時間估算模型，並加總各機台之生產週期時間以求得產品之生產週期時間。. 16.

(36) 2.4 機台數量機台數量備配置問題數量備配置問題近年來，有許多的學者對於機台之數量配置問題進行研究探討。在求解機台配置問題之方法分類方面，劉氏[38]將之分為確定性分析法、數學分析法、模擬法以及混合法等四種類型，而吾人將依其分類方式對於各種類型進行相關研究之文獻回顧。. 2.4.1 確定性分析法在生產系統設計初期，由於缺乏完整生產資訊，因此可藉由一些簡單的產能粗估方法以及經驗法則來決定系統初始之機台數量配置。在產能推估方法方面，Chase[4]利用訂單所需之總產能除以規劃時間內可提供產品加工之產能，估算系統所需之機台數量；在經驗法則方面，吳氏[27]指出業者常常根據以往擴廠以及實務經驗來作決策，然而，當外界生產條件有很大的變動時，依據經驗法則規劃機台配置組合時往往會導致錯誤的決策。. 2.4.2 數學分析法數學分析法主要是以數學模式或等候網路模式為理論基礎，進行機台之數量配置，其優點主要為相較於模擬所需之運算時間，數學分析法可快速估算工廠之生產績效。然而，利用數學模式描述複雜之工廠生產系統十分不容易，且其估算之近似績效往往與實際情況有差異，此為數學分析法較為不足之處。 Yoneda[26] 將晶圓廠生產系統建構成一個開放式等候網路 (open queueing network)，利用所得資訊建立成本函數，其中成本函數定義為機台成本與在製品成本之加總。作者以成本函數最小化為目標，搭配模擬退火法(simulated annealing, SA)在所有可能解中找到一組成本最小之機台配置組合。作者針對 8 種產品以及 31 個工作站進行實例驗證，所需運算時間將近 9 個小時，運算效率略顯不足。其成本函數如式 2 - 8 所示：. 17.

(37) Min. f ( x) =. . ∑  a m + ∑ b i. . i. i. ij. j.  yij  . 式2-8. mi ：工作站 i 的機台數。 yij ：產品 j 在工作站 i 的在製品數量。 a i , bij ：表常數。. Bretthauer[2][3]認為在生產系統中，若機台產能不足，則會造成延遲以及過多在製品之情況發生；反之，設置過多機台數量，會導致利用率降低，造成資源浪費。作者將整個製造系統視為一個 Jackson 網路，並假設工件到達率服從卜瓦松(Poisson)分配、服務率服從指數(Exponential)分配，且網路上每一個節點(node)為單一工作站(single server)。因此，作者藉由決定網路模式中每一個節點之服務率，可求得每一工作站之產能水準，並限制系統之在製品量在一定範圍之內，以機台購置成本最小化為目標，運用分支界線法(branch and bound)進行模式求解，以找出一組最佳的機台配置組合。 Connors et al.[6]針對晶圓製造廠之生產系統發展了一套等候網路模型，用來快速估算晶圓廠之生產週期時間、機台利用率等生產績效，文中也運用此等候模型，作為規劃機台之數量配置時估算生產績效之工具。其機台規劃之數學模式如下所示： min c. ∑k. g. cg. g∈G. 式2-9. s.t. f Ψ f (c) < Ψmax , ∀f ∈ F. 式 2 - 10. c g ∈ Z + , ∀g ∈ G. 式 2 - 11. k g ：工作站 g 的機台成本。. 18.

(38) c g ：工作站 g 的機台數量。 Ψ f (c) ：在機台組合 c 之下，產品 f 之平均生產週期時間。 f Ψmax ：產品 f 允許之最大生產週期時間。. c ： c = (c1 ,..., cG ) ，表示機台組合。 F ：表示系統中所有之產品種類。. G ：表示系統中所有之機台種類。. Z + ：表示正整數。 Connors et al.[6]利用最大邊際貢獻法來進行上述整數規劃模型之求解，其概念為假設所有工作站之初始機台數為一台，接著一次增加一部機台至機台群中，且在每次增加機台時，優先增加每單位成本的績效改善幅度最大之機台，以此方式不斷的更新機台組合，直到平均生產週期時間滿足週期時間限制為止。 Swaminathan[22]考量產品市場需求不確定之情況下，發展一組混合整數規劃(mixed integer programming)之數學模型，以求解晶圓廠之機台配置問題。作者假設公司管理者能夠預測未來可能發生之數種產品需求情境 (scenarios)，而每一個需求情境皆對應一機率值，利用這些需求情境代表產品需求之不確定性。而模型中考慮機台購買預算、機台可用產能、市場需求等限制，以最小化缺貨成本之期望值為目標，進行機台之數量配置。由於晶圓廠機台規模龐大，很難在合理時間內求得最佳解，故作者發展了數個複雜之演算法以進行模式求解。而實驗結果顯示，在不確定需求之情況下，作者提出之機率性模型比單一需求情境之模型成效較佳。 Swaminathan[23]延續上述研究，並將之前只考慮單期的模型擴展至多期間之機台配置決策模型，以及將產品在機台上之加工作業列入規劃中，使模型更為完整。作者認為多期間之考量可反應產品之生命週期對機台配置的影響；而加入機台之加工作業規劃乃有助於細部生產計劃之擬定。. 19.

(39) 張氏[35]修改 Swaminathan[22][23]之數學模型，加入了 COO(Cost of ownership)成本模式作為單位生產成本，並考量產能不足與過剩之成本，以及機台利用率水準與預算之限制，在產品需求不確定之環境下，建構一套涵蓋多期間之機台產能擴充決策模型，以有效率地添購半導體產業之機台設備數量。 Hood[10]針對產品需求不確定之情況下，提出一機率性數學模型，以求解多期間之機台數量配置問題。模型之決策變數包括各產品之產量及在不同機台群之加工數量、各期間產量與需求量之差距，以及機台之購置數量。而此數學模型考量了預算、可用產能、缺貨量以及溢貨量等限制下，以產量與需求量差距之期望值最小化為目標，求解機台之數量配置。然而，由於模型中變數與限制式較多導致問題龐大，很難在合理時間求得最佳解，故作者採用啟發式方法進行求解。熊氏[37]將晶圓廠之機台數量規劃問題分為三個主題進行探討，其分類如表 2 - 4 所示。第一個主題針對不確定需求之環境下，以利潤最大化為目標，並滿足生產週期時間之限制，進行機台數量之規劃。第二個主題針對產品有季節性調整之環境，建構一個多產品比例之機台規劃模型，此模型以利潤最大化為目標，並考慮了週期時間與機台採購預算之限制。第三個主題對於已擁有多座晶圓廠之業者，其欲增建一座新廠時之機台規劃問題，模型中之決策變數為新廠之機台數量以及各分廠之產品產量配置，以新廠之機台投資成本最小化為目標，並考慮週期時間限制來進行規劃。作者以等候模型作為系統生產績效之評估工具，並運用基因演算法(Genetic algorithm)求解上述主題之機台規劃問題。. 表 2 - 4 熊氏[37]三個研究主題之分類主題. 工廠環境. 需求模式. 是否考慮週期時間. 研究主題一. 單廠環境. 不確定需求. 有考慮週期時間. 研究主題二. 單廠環境. 確定需求(多產品比例). 有考慮週期時間. 研究主題三. 多廠環境. 確定需求. 有考慮週期時間. 20.

(40) 2.4.3 模擬法模擬法是建構模擬系統，經由模擬工廠中實際運作情形，進行機台配置之規劃。在實務上，已有許多晶圓廠導入模擬系統，藉由模擬系統之動態行為預測系統之生產績效，並作為支援決策之依據。然而，Connors et al.[6]認為模擬法之缺點在於模擬系統之建構與執行所需時間太久，且需要不斷投入大量時間與金錢進行模擬系統維護更新。黃氏[36]也指出在學術研究中，模擬僅為驗證各種方法成效之工具，並非研究之重心。 Neacy[18]描述一個考慮多項生產績效因素之機台規劃問題，並運用模擬配合一些啟發式法則，來決定機台組合。首先推估生產系統中所需之初始機台數量，再利用模擬工具求得在製品、生產週期時間、產出量等系統績效，最後利用這些績效值並配合一些啟發式法則，作為調整機台數量之依據。而其啟發式法則為若機台閒置時間百分比低於 2%，或是產品在機台前的平均等候時間超過 8 小時，且機台平均等候與加工時間之總合除以機台平均加工時間之值大於 3，則增加一部機台。然而，此模型主要的缺點為模擬次數太多，每調整一次機台數量就必須重新進行一次模擬，相當耗時。此外，作者在決定機台數量時並沒有考慮到機台成本之因素。。. 2.4.4 混合法混合法是結合多種研究方法，進行機台數量之規劃。常見的混合法為運用模擬法並搭配其他研究方法來進行機台之數量配置，故混合法往往結合了各種方法之優點[38]。 Mollaghasemi[17]等人認為運用模擬法可表現出系統動態之特性，為設計製造系統與分析問題時廣泛使用之工具。然而，若要運用模擬方法找出最佳之製造系統，必須搭配其他的搜尋法。作者將機台數量規劃問題視為一個多目標問題，並認為整個系統最重要的兩個目標函數為產品週期時間與各機台之機台利用率，因此，作者首先考量決策者對於兩個目標函數偏好之情況，再運用 STEM 方法配合模擬系統績效，使得目標函數達到最佳化，以找出系統最佳的機台數量。. 21.

(41) Grewal[8]運用模擬法求得系統之生產績效，並配合啟發式法則進行機台配置之規劃。該啟發式法則之概念為先求得一組最小成本之機台配置，利用模擬方法得到生產週期時間以及各工作站之等候時間。接著分別加一部機台至各工作站中，並利用模擬方法求算各工作站降低之週期時間，選擇單位成本週期時間改善幅度最顯著之工作站新增一部機台。以上述之方式不斷更新機台之數量配置，直到滿足週期時間或預算之限制為止。此外，在 Grewal[8]所提出之模型中，工作站之機台利用率上限值設定為 85%，作者認為此設定值可確保模擬系統之穩定性，以避免因利用率過高而造成系統之變異增大。Kotcher[11]在產品組合不確定之情況下，分析最具敏感性之工作站其應添購機台之時機與數量，模型中亦指出當工作站之機台利用率大於 85%時，即為機台購買點，作者認為工作站之利用率皆應該維持在此上限值以下，以維持產品生產週期時間在合理之範圍內，避免因機台負荷過高而使得週期時間拉長之情況發生。吳氏[27]所提出之晶圓廠最佳機台組合決策機制，即對於ㄧ組給定的產品組合，在滿足週期時間與產出限制之要求下，以最小化機台購置總成本為目標，決定近似最佳之機台組合。此機制主要分為三個模組，分別為起始解產生模組、在製品搜尋模組以及改善解產生模組。首先利用起始解產生模組產生一組初始機台數量，接著運用產出量、週期時間以及在製品三者之關係，搜尋最佳之在製品量，以便利用模擬系統求得系統之生產績效。若目前機台組合之生產績效無法達到設定的要求，或是目前機台數可以再進一步減少，則運用改善解產生模組中的啟發式法則尋找一個最佳之搜尋方向，進而找出一個最佳之改善解。陳氏[31]延伸吳氏[27]之研究方法，考慮未來市場產品組合不確定之情況，並假設已知未來三年可能生產的產品組合及其發生之機率，以規劃期間內機台購置總成本及期望產出損失成本之最小化為目標，在滿足產品生產週期時間之限制下，建構一套晶圓廠之最佳機台組合決策機制。然而，在吳氏的研究中，對一組產品組合就需花費 35 個小時來產生最佳之機台組合；作者沿用吳氏之方法，並對於未來可能發生之每一種產品組合，決定其對應之最佳機台組合，故所需之運算時間更為冗長。林氏[28]提出晶圓廠之短期動態機台調整機制，針對晶圓廠未來三天 22.

(42) 內機台之負荷狀況，在不增加新機台的前提下，調整替代機台之功能參數使其成為瓶頸機台群之功能，以增加瓶頸機台群之產能。作者以最大化瓶頸機台群的產出量為目標，並限制未來三天內高利用率之工作站在經過機台功能調整後之產出量，不得低於調整功能前之產出量，以避免不正常之調整方案發生。此外，在調整機台群功能之優先順序方面，作者從候選機台群的產能狀況、支援瓶頸機台的程度、及調整機台功能所需之設置時間等三方面來決定候選機台群的優先順序，排序第一位之機台群優先進行調整，並藉由模擬求得調整後機台組合之產出量，以確認調整方案之可行性。吾人綜合以上機台數量配置問題之相關文獻，整理如表 2 - 5 所示。. 23.

(43) 表 2 - 5 機台配置問題之相關文獻整理文獻. Yoneda[26] Bretthauer 數 [2][3] Connors[6] 學. 系統環境. 有無考慮週期時間. 內容摘要. 晶圓製造廠單一產品組合. 無. 以最小化機台購置成本為目標，運用等候網路模型搭配模擬退火法進行求解。. 晶圓製造廠單一產品組合. 無. 以最小化機台購置成本為目標，運用等候網路模型搭配分支界線法進行求解。. 晶圓製造廠單一產品組合. 有. 以等候網路模型快速估算生產績效，並運用最大邊際貢獻法進行機台配置。. 無. 考量產品需求不確定性，以最小化缺貨成本期望值為目標，建構一混合整數規劃之數學模型。. 無. 將上篇考慮單期間之模型，擴展至考慮多期間之機台配置決策模型。. 無. 修改 Swaminathan[22][23]之數學模型，並於模型中加入 COO 成本模式之考量。. 無. 考量產品需求不確定性，以產量與需求量之差距期望值最小化為目標，提出一多期間之機台配置數學模型。. Swaminathan 晶圓製造廠分 [22] 多種產品組合析 Swaminathan 晶圓製造廠多種產品組合 [23] 法晶圓製造廠張氏[35] 多種產品組合. Hood[10]. 晶圓製造廠多種產品組合. 熊氏[37]. 晶圓製造廠多種產品組合. 有. 利用等候網路模型快速估算生產績效，並運用基因演算法進行模式求解。. 模 Neacy[18] 擬法 Mollaghasemi [17]. 晶圓製造廠單一產品組合. 有. 運用模擬求得系統生產績效，並搭配一些啟發式法則進行機台之數量配置。. Job Shop 單一產品組合. 有. 考量決策者對多個目標函數之偏好，運用 STEM 方法配合模擬求得最佳機台配置。. Grewal[8]. 晶圓製造廠單一產品組合. 有. 考量各工作站之利用率上限，並運用最大邊際貢獻法搭配模擬求得之生產績效，進行機台數量之規劃。. 無. 考量產品需求不確定性，對具敏感性之工作站應添購機台之時機與數量進行分析。. 有. 以最小化機台購置總成本為目標，並滿足週期時間與產出量之限制，以模擬搭配啟發式方法進行機台數量規劃。. 有. 承襲吳氏方法，並考量產品需求不確定性，建構一套最佳機台組合決策機制。. 無. 考量機台之多功能性，以最大化瓶頸機台群之產出量為目標，發展一短期動態機台調整之決策機制。. 混. Kotcher[11]. 晶圓製造廠多種產品組合. 吳氏[27]. 晶圓製造廠單一產品組合. 合法陳氏[31]. 晶圓製造廠多種產品組合. 林氏[28]. 晶圓製造廠單一產品組合. 24.

(44) 第三章模式建構 3.1 問題定義與分析 TFT-LCD 之製造流程主要分為三個階段，由上而下分別為薄膜電晶體陣列段、液晶面板組立段以及電路模組組立段等三階段製程。其中，由於薄膜電晶體陣列段之機台設備相當昂貴，為 TFT-LCD 三階段製程中之瓶頸製程段，故在薄膜電晶體陣列廠建廠之初，其機台設備之數量配置需要良好的規劃，以充分運用機台之產能，並避免機台產能不足或閒置等情形發生。因此，本文針對薄膜電晶體陣列廠之建廠初期，建構一套長期規劃模組，妥善規劃廠內各機種之機台數量，以提升整體之競爭力。薄膜電晶體陣列段之製程與半導體晶圓廠相似，且皆具有再回流之特性，然而薄膜電晶體陣列段僅有 30~50 道製程步驟，以及 5~7 層之回流層數，其製程複雜度較半導體晶圓廠製程簡單。且由於陣列段之原物料為大尺寸玻璃基板，加工時所佔之空間龐大，因此在薄膜電晶體陣列段中皆為序列加工機台，與半導體晶圓廠具有批次加工機台之特性不同。此外，薄膜電晶體陣列段屬於存貨式生產，產品種類少，且不同產品別所經過之製程步驟與順序相同、對應之製程步驟所需時間差異小，僅在黃光區所用之光罩不同。對此，吾人在建構薄膜電晶體陣列廠之生產系統環境時，不考慮光罩供量問題，且將不同產品間對應之製程步驟所需時間視為無差異，亦即不同產品間之製程步驟順序與製程時間相同。然而，雖然不同產品間之製程作業順序與製程時間相同，但為控制產品之不良率，工件在進行黃光區之加工作業前後，將抽批進行導線線寬、光阻塗佈之均勻度檢測等量測作業，若量測結果顯示工件狀況良好，則繼續進行下一個製程步驟；反之，若量測結果顯示工件狀況不佳，則工件須重新進行該層之加工作業。此外，工件經量測後須進行重加工之比率，將隨著產品製程穩定度而有所不同，然而在吾人建構之生產環境中，假設各產品製程已達穩定狀態(steady state)，故不考慮重加工之情況發生。因此，在考慮工件將抽批進行量測作業之狀況下，可將產品製程分為進行量測與不進行量測兩種製程，本文將依工件進行量測與否，將工件之屬性別分為量測工件與一般工件兩類，以進行機台數量之配置規劃。此外，一般和量 25.

(45) 測工件在製造途程上之差異僅為量測工件較一般工件多進行了量測工作站之加工，而在各製程工作站1之製程順序、時間以及經過次數方面則無差異。在薄膜電晶體陣列廠中，大尺寸之玻璃基板是透過自動化搬運系統進行運送。若工件因搬運系統而造成延遲加工，則可能導致生產週期時間增長、產品良率下降及產出量減少等結果，由此可知，搬運系統對於薄膜電晶體陣列廠而言相當重要。因此，本文將在考量搬運問題之情況下進行模式構建。此外，在薄膜電晶體陣列段之再回流製程步驟中，每一層加工步驟皆相當一致，故較接近流線型生產型態。然而，由於流線型生產型態較不具彈性，且現今 TFT-LCD 產業之工廠大部分採用零工式生產佈置，故本文依照陳氏[34]對於薄膜電晶體陣列段之設備佈置，在機台設備及搬運系統之佈置方面皆採用零工式佈置，並將機台設備分為四大工作區，其佈置簡圖如圖 3 - 1 所示。此搬運系統為目前業界採用之 Interbay 系統，為單迴圈之繞行軌道佈置，並假設搬運車將等速均勻於軌道中單向繞行。本文將根據上述之生產設備佈置，以及薄膜電晶體陣列廠之生產環境與特性，進行薄膜電晶體陣列廠在建廠初期之機台數量配置。此外，吾人亦考量各工作區之位置、距離與搬運需求量以決定搬運車之最適數量，並估算考量搬運時間下之生產週期時間，以作為進行機台數量規劃時之重要參考依據。. 圖 3 - 1 薄膜電晶體陣列段設備佈置簡圖[34] 1. 吾人定義薄膜電晶體陣列廠中之非量測工作站為製程工作站，故整廠之工作站共可分為製程工作站與量測工作站兩大類。 26.

(46) 綜合上述，為建構薄膜電晶體陣列廠之機台規劃模式，本文對生產系統之假設如下： 1.. 生產系統為存貨式(Make To Stock, MTS)生產型態。. 2.. 各產品製程均相當穩定，不考慮報廢與重加工之情況。. 3.. 不同產品間之製程步驟順序與製程時間相同。. 4.. 不考慮機台之整備時間。. 5.. 不考慮光罩供量問題。. 6.. 搬運系統為單迴圈之繞行軌道佈置，且搬運車將等速均勻於軌道中單向繞行。. 7.. 只考慮各工作區間的搬運時間，不考慮工作區內的搬運時間。. 8.. 由於搬運車進行裝卸載工件之動作只需數秒即可完成，故本文不考慮裝卸載工件時所耗用之時間。. 27.