工業技術研究院 機械與機電系統研究所   系統整合、工具軟體、應用設備類   編輯

可視化磊晶製程優化系統軟體(CyberEpi)

 

產品介紹

1.產品特色及功能

       在光電半導體產業繁複的的磊晶薄膜製程中,傳統仰賴人為經驗操作,需要花很長的時間來設定及調整製程參數,影響LED等產品上市時間,浪費時間和成本。本產品針對光電半導體業的關鍵問題―製程參數不易調控,開發出國內首套以數位化方式決定製程參數的「可視化磊晶製程優化系統軟體」,此軟體是將製程參數實驗資料,及流場可視化與獨特模擬分析手法之優化結果導入軟體巨量資料庫,具備將理論與設備透過電腦處理之特色與優勢,可快速及精準預測元件薄膜之膜厚均勻性與鍍率之功能,使線上製程工程師依據軟體預測結果,獲得最佳化磊晶製程參數後再生產製造,以節省製程開發與縮短產品上市時間

2.產品設計概念及應用方式

       本產品軟體設計概念為整合「高溫流場可視化驗證物理機制」及「化學反應路徑決策」,建構具化學氣相沉積(CVD)精準物理分析模型之軟體,達到數位化調控製程參數與快速關鍵模組設計開發的功能。本產品功能整合程度高軟體套件包括五大主要模組SimEpiFlowEpiOptiEpiLibEpiOptiEpi Plus,應用於MOCVD磊晶製程和設備模組研發的客戶,更具備磊晶製程雙向搜尋功能的軟體,不僅幫助客戶了解製程參數對產品特性的影響,而且可以提供新設備模組所需的設計參數,本產品未來能客製化人機界面設計為單機製程監控模式,亦可與工廠系統整合以進行全面性的整廠製程監控模式

產品圖片

產品影片

 1.產業技術現況(產品創新理念源起)
       TrendForce旗下綠能事業處LEDinside最新「2017-2021年LED產業需求與供給資料庫」顯示,2017年的LED產業受惠於LED市場價格止穩,加上車用照明與戶外建築景觀照明領域的快速成長,LED inside預估2017年的LED產值達到171.6 億美金。未來需求市場包含IT 顯示、一般照明市場、建築與景觀照明、車用照明、顯示屏、紅外線與紫外線等應用將大幅成長;其中LED前段之磊晶為LED產品的重要製程,佔產品成本的比例甚高。以通用照明為例,磊晶片約佔產品成本的20%。

       因應LED節能照明產品推陳出新的市場需求,使得LED產品研發週期必須加速與縮短,傳統上的做法是使用發散型(trial and error)磊晶實驗設計來找到最佳化參數以縮短調機時間。根據業界之經驗,測試一組參數需要6到8小時,找出最佳化製程參數往往耗費1週,影響LED產品上市時間,此方法不僅開發時程長(LED製程參數最佳化需時1週)、成本高、效率低及必須仰賴具多年磊晶製程經驗人員判斷參數設定,而開發出來的產品還要長時間調整才可上市,因而造成時間以及成本的浪費,且隨著新產品製程複雜度日益提升,能掌握多變資訊的資深工程師至少需有多年經驗,再加上產業競爭對手挖角情況嚴重,使得培訓資深工程師困難,導致世代光電半導體產業難以維持競爭優勢。因此建立一套製程參數優化軟體技術,突破傳統磊晶廠人為調控找出最佳化製程參數方式,大幅縮短調機時間及節省製造成本,進而提升產業競爭力亦是關鍵研究課題。

       此外,LED 新結構的研發需具備基礎學理(化學、機械、流力、質傳及熱傳等),一般製程人員為光電背景,對於化學反應過程不理解;而設備人員對製程不了解,往往在新結構的開發能量不足,因此如何輔助磊晶製程人員在製程上的突破,數位化製造系統的導入,並建立一套經驗傳系統,以取代人為經驗調控是刻不容緩,以上產業現況論述即為本產品創新理念源起

2.產品開發之動機與目的

       世界各國政府都把高科技的產業設備列為產業發展之重點,各個明星產業會隨著景氣、產業的轉移而有成長到逐漸成熟,但是高科技產業設備卻是能夠不斷成長深耕,並可扮演帶動智慧機械產業升級的重要火車頭。2017年台灣高科技設備的市場規模達5,157億台幣,主要是以半導體、顯示器等生產製造設備為主,而台灣高科技設備(不含零組件)產值達到1,680億台幣,相較2016年成長30%,是台灣產業中少數能夠有此大幅成長的行業,且此產值已超越工具機行業產值。

       光電半導體之真空CVD 鍍膜為其重要的高科技設備,真空CVD 鍍膜要求最為嚴苛且複雜的,莫過於金屬有機化學氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,簡稱 MOCVD) 磊晶製程。MOCVD磊晶設備是光電半導體產業之關鍵製程設備,應用市場與產業非常廣泛,不只應用在LED領域,其他如無線通訊、雷射二極體、半導體、太陽能光電,以及高功率電子元件等產品的磊晶製造,皆需依賴MOCVD設備才能達成產品光電特性的需求。

       MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)磊晶設備是光電半導體產業之關鍵製程設備,此磊晶製程設備發展至今已有50年,但全球仍僅有威科(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。

       隨著LED 已成為照明主流光源,促使MOCVD市場更為明確,根據DIGITIMES統計,2006~2014年全球LED用的MOCVD平均年出貨為305台,近年來以中國大陸的需求量最高,2014年需求量達63%,2015年更高達73.8%。2015年全球MOCVD機台累計安裝量達到3,130台,台灣地區累計安裝數量達約600台,佔全球MOCVD產能的19%,僅次於中國地區1473台累計安裝數量(佔全球產能47%),所以既有與新興MOCVD設備市場是本產品切入應用之處。

       本產品可輔助光電製程與設備業者達成減少製程材料浪費縮短新產品導入市場時間與成本並提高機台產能之功效,此為本產品開發之動機與目的。由於在過去MOCVD市場與文獻中未曾有相關本產品技術被發表過,大部份文獻內容只探討熱流場模擬相關資訊,且MOCVD設備原廠與市售模擬軟體皆不具有本產品預測功能,

       本產品為原創性極高的製造數位化決策技術:創新整合「熱流與氣流場物理控制(Macro)」及「表面化學反應控制(Micro)」,達到數位化調控製程參數的功能(預測鍍率&膜厚均勻性),榮獲R&D 100 2017全球百大科技研發獎、工研院機械所104年度傑出創新獎、工研院104年品質管理優良案例獎及智慧財產局103年國家發明創作獎銀牌國內外獎項之肯定。

       本產品永續性應用高未來可由傳統製程之人為調控(專業技術養成不易)→製程數位化經驗傳承系統(APP);在短時間內便可吸收眾多專業工程師多年經驗,同時與製程工程師協同研發,雙腦結合讓資淺的工程師變資深,資深工程師成為頂尖,並減少因人才流失造成的商業機密外洩的問題。同時,本產品市場應用性高:不限於應用在LED領域,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,及應用於其他真空薄製程設備,市場與產業效益將更大。

       展望未來,在既有的「可視化磊晶製程優化系統軟體」基礎上,工研院已於2018年展開一波跨領域合作,進一步可藉由導入AI突破本產品模擬分析物理極限提升品質與準確度,深入AI應用於光電半導體薄膜製程智慧分析與最佳化之先進智慧製造領域,為台灣製造業邁向工業4.0提供更強力的後盾。

1.R&D 100 2017全球百大科技研發獎
2.工研院機械所工研院機械所104年度傑出創新獎
3.工研院104年品質管理優良案例獎
4.智慧財產局103年國家發明創作獎銀牌
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