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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

312期2017年10月號

出版日期:2017/10/15

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找出最佳化參數 製程人員快速變專家

撰文/陳玉鳳 攝影/謝慕郁

要做好吃麵包,從麵團配方、發酵溫濕度到烤溫都得講究,磊晶廠生產晶片也是一樣,只不過要設定的參數,包括溫度、壓力、流量、轉速…高達上百組,怎樣找出「最佳配方」?工研院的「可視化磊晶製程優化系統」,可讓製程人員「看」到參數調整的效果,快速找出最佳製程參數,縮短產品上市時間。

工研院研究團隊開發了「磊晶製程參數優化系統」,可以迅速地找到最佳化製程參數,完美解決磊晶業者的困擾。
工研院研究團隊開發了「磊晶製程參數優化系統」,可以迅速地找到最佳化製程參數,完美解決磊晶業者的困擾。

在實驗設計磊晶製程時,要找出最佳化製程參數,一般只能仰賴磊晶製程人員的經驗,也就是說,主事者的經驗多寡會左右調機時間長短,甚至影響良率高低,這是LED磊晶業者普遍面臨的困擾,「為提升LED磊晶製程競爭力,就要從這個部分著手,工研院透過跨領域合作,終於找出解決之道,」工研院電子與光電系統研究所磊晶元件技術部經理傅毅耕說。

解決之道就是「可視化磊晶製程優化系統」。不同於人為必需反反覆覆調整參數、試誤,該系統將製程參數實驗資料庫,以及模擬分析的優化結果導入巨量資料庫,配合成品要求,量身訂做找出最佳參數組合。導入「可視化磊晶製程優化系統」後,磊晶廠找出所有最佳化製程參數的時間,可從一週縮短為兩小時,且參數分析準確度由92%提升為95%,新產品上市時間也能由三個月縮短為一個月。

傅毅耕為這套系統下了一個註腳,「利用這套系統,磊晶製程操作人員馬上可變身為經驗豐富的專家。」


軟硬整合及可視化 提高準確性

值得一提的是,找出最佳化製程參數之餘,這套系統還能「看得到」參數調整下的變化。「LED製程的可視化設計驗證載台,就像是醫院裡的核磁共振成像(MRI),讓我們能『看』到MOCVD腔體內的熱流層和氣流層變化,」工研院機械與機電系統研究所研發副組長王慶鈞進一步說明,「這個載台能模擬磊晶製程的環境,讓工作人員能直接觀察高溫動態流場,提升數值模擬分析技術的準確度,進而使磊晶製程與設備參數優化軟體的分析更精準。」

拿做麵包來比喻,單就烤溫來說,如果能夠模擬烤箱上下烤溫設定對麵團的影響,看得到烤箱中熱傳導與熱對流影響麵團膨脹的狀況,麵包師傅就能調整烤箱上下火、麵團含水量,烤出心目中理想的麵包。

「軟硬整合」是此系統的另一特點。透過參數優化軟體和氣體噴灑頭的軟硬體整合,可進一步最佳化「有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)」製程並提升良率。王慶鈞指出,「MOCVD磊晶製程是LED製作過程中最難掌握的步驟,因為變數非常多,我們透過『軟』和『硬』這兩個途徑來降低難度,前者是指參數優化系統的導入,後者是結合機台與製程的氣體噴灑頭模組。」透過這樣的方式,LED磊晶製程業者除了能快速找到最佳化參數外,還能提高MOCVD製程的準確性;設備業者能大幅縮短氣體噴灑頭新模組設計開發時間,並可提高機台產能與良率。

表面反應路徑決策技術 以簡馭繁

此外,面對MOCVD磊晶製程的多重物理化學耦合現象所帶來的難題,工研院團隊則創新研發了「磊晶化學表面反應路徑決策技術」來解決。MOCVD磊晶製程發展至今已有50年,全球仍僅有威科(Veeco)、愛思強(AIXTRON)這兩家業者,就是因為磊晶製程是多重物理化學耦合現象,包含三五族氣體、高達攝氏一千度的高溫複合材料、流體動力、熱傳與化學反應動力等,實在太過複雜,跨入門檻極高。

王慶鈞說,MOCVD磊晶製程中要考慮的化學反應實在太多,工研院的「磊晶化學表面反應路徑決策技術」,能將100條複雜的化學反應式解析、篩選為不同溫度下真正主導反應的20幾條反應式,有助於快速實現磊晶表面關鍵製程的最佳化。

可視化磊晶製程優化系統導入前後比較
可視化磊晶製程優化系統導入前後比較

助台灣製造邁入工業4.0

「可視化磊晶製程優化系統」適合兩類用戶,其一是希望透過此系統開發新的磊晶製程或改進現有的製程參數的LED業者;其二是希望改進設備效能,或是使用新的噴灑頭以獲得更高產能的設備開發商。目前此套先進的軟體系統技術,已有國內外磊晶製程與設備業者使用,並與國際MOCVD設備大廠洽談合作中。

王慶鈞強調,此系統不限於應用在LED領域,「這是原創性極高的製造數位化決策技術,除了能協助LED業者技術升級外,未來還能應用於其他領域的磊晶製程。」這些領域包括半導體、下世代顯示器、太陽能光電、無線通訊,以及高效率功率電晶體等產品的磊晶製造。

展望未來,在既有的「可視化磊晶製程優化系統」基礎上,工研院也將展開新一波跨領域合作,進一步深入AI應用於薄膜製程智慧分析與最佳化之先進製造領域,為台灣製造業邁向工業4.0提供更強有力的後盾。

2017全球百大科技研發獎獲獎 - 可視化磊晶製程優化系統

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工研院獨創的「可視化磊晶製程與設備優化軟體(CyberEpi)」,不同於傳統的人為操作方式。而是透過創新的多重物理與化學耦合數值模擬分析,與高溫流場可視化技術,經由雷射動態拍攝,讓研發人員可直接觀察磊晶製程的高溫動態流場,加上製程參數實驗,計算出優化的模擬分析資料,再導入巨量資料庫。CyberEpi適用於磊晶製程和設備模組研發,除了將調整最佳化參數製程時間,由1週大幅縮減為2小時,而且能獲得準確度95%的鍍膜速率與均勻性預測。

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