一.前言張陸滿教授在台大竹北校區碧禎館落成啟用後，率先從台北校本部遷移進駐，就近與新竹科學園區的高科技廠家產學合作，此舉台大校方特別於去年11月6日的台大焦點新聞中報導，詳情參閱以下網頁：(http://www.ntu.edu.tw/spotlight/2014/393_20141106.html) 張教授的研究團隊是台大第一批、也是目前唯一進駐竹北校區的團隊，張教授也是台灣第一代興建半導體廠的土木工程師，更是第一位到美國進修營建工程與計畫管理博士的台灣留學生。 因此，本期特別報導著重於張教授在高科技與半導體產業之因緣關係，轉述他所認知之土木工程在高科技廠房設施領域中可扮演的角色、高科技廠房設施之定義、對台灣的重要性，以及分享其在半導體廠房設施之關鍵技術產學合作的研究成果。 二. 與半導體之因緣關係張教授在1971年畢業於國立成功大學土木系。從1974到1977年間，張教授在台灣矽谷-新竹-負責工業技術研究院頭重埔新院區之規劃監造，同時協助昔時的工研院電子工業研究中心設計建造台灣第一座積體電路示範工廠。可說是第一代進入台灣半導體業的土木工程師之一。 在1977年「積體電路示範工廠」興建即將完成之前，有感於在高科技廠房營建管理方面之知識不足，須再教育，進一層的學習，又適逢當時美國各名大學土木系也正在展開營建工程與管理的學程，張教授毅然向當時之計畫主持人胡定華博士辭職到美國進修。 1983年，張教授在德州大學奧斯汀分校土木系（The University of Texas at Austin）取得營建工程與專案管理博士學位後（Construction Engineering and Project Management），旋即到佛羅里達大學（University of Florida at Gainesville）建築學院營建系（Building Construction）執教。於1986年轉到普渡大學土木系營建工程管理組任教。 普渡大學之營建工程管理與一般之建築營建管理不同，它包括了土木、機械、電機等的營建管理。普渡大學在2002年起集中資源投入奈米及生物醫學科技之研發，並規劃建造先進的奈米生物醫學等研究中心。於2003年起，運用興建中的研究設施，在普渡大學開授高科技營建及潔淨室設計之課程。在2006年的秋季班開始，張教授返回台灣在台灣大學土木工程學系繼續從事教學研究。 返台後，張教授有感於土木工程尚未與台灣如火如荼的高科技產業接軌，積極推動土木工程與高科技廠房設施產業的結合。張教授指出，其實，土木工程在高科技廠房設施領域扮演著相當重要的角色，因為所有的生產設備及公共共用設施，都要架設在土木的基礎結構上--不能妥協的安全基礎及結構、節能減碳材料之選用；純水、廢水、氣體、化學物之處理；環境生態的保護；高科技廠房中，幾千部晶圓矽片及光電元件載貨櫃的自動交通管制及最佳化；幾萬台精密儀器、製造機台、廠房設備之測量定位；應用電腦輔助設計及上百萬3D物件之資訊溝通；一座造價1 ~ 3 仟億台幣的高科技廠房，從破土到製造機台搬進，須於 9 個月內完工之營建管理考量等等，在在都與土木工程有關。雖然其他領域，如電機、化工、機械，工業工程等等在廠房設施中各司其職，但都不能各行其是，勢必要與土木工程整合，才得有所成。以此觀之，土木工程當然在高科技廠房設施領域工程中扮演著相當重要的角色，甚至可居於主導整合的地位。 三. 高科技廠房設施工程之定義關於「高科技」國內外有很多單位賦予不同的定義。國際經濟合作發展組織（OPED）將航太科技、藥品配製、電腦資訊機械、通訊器材和科學儀器等定義為高技術產業。行政院經濟規劃委員會（CEPD）因地制宜，將高技術產業分為六個類別。包括積體電路、光電儀器、生物醫學、遠距通訊、精密機械、和電腦週邊設備。而張教授的高科技產業定義則包括微電子、光電、精密儀器、電子通訊、奈米科技、藥品配製、微生物研究、醫療設備、動物實驗、航太科技等產業。 高科技廠房設施就是指高科技產業研發製造中所需的工廠實驗室，譬如建築、水電空調、儀表控制、管線設備、廢水廢氣處理、環境生態保護等等設施。高科技廠房設施工程係指規劃、設計、採購、施工、試車、移交、維護及經營管理高科技廠房設施之相關工程。 三. 提升半導體廠房設施技術之重要性根據國際半導體設備及材料產業協會（SEMI, Semiconductor Equipment and Materials, International）2014年7月之報導，台灣半導體產業在過去五年中，在半導體設備及材料的採購總量是全球最大，更估計在2014年和2015年之採購額，分別是210億美元及220億美元（每年約6仟3佰多億台幣）。這些數字的背後，就是台灣半導體製造是在持續地卓越成長，不斷地蓋廠擴建，不斷地採購設備材料，不斷地製造，不斷地輸出。 這樣地大幅之發展，不但提升了台灣在國際間的競爭力，促使台灣其他產業技術升級，更帶領台灣地區經濟成長。如此，不僅是對台灣經濟發展有深遠的影響，同時也使得台灣擁有卓越的國際科技地位。
很顯然，台灣半導體及相關產業在2008年蕭條衝擊後，將面臨更艱難的挑戰。台灣半導體的生產製造技術早已走在世界之前端，亟需要透過研發創新來更上一層的提昇。但要推進提昇台灣半導體製程技術的到14 奈米及18 吋之層次，廠房和實驗室等設施之妥善的設計、建造、驗證、完成、轉移使用者去營運維修，是半導體研發製造提昇中一個不可或缺的先決條件。沒有廠房設施，製造無從展開，廠房設施若蓋得不好，衍生品質差、良率低、成本高、無法準時交貨等等後患無窮。 由此觀之，廠房設施之研發是台灣半導體產業研發製造不可或缺的重要環節之一。要提升台灣半導體之製程技術，廠房設施之研發亦應積極配合，不可等閒視之，更應未雨綢繆加速研發。 當時，有鑑於此，張教授於2009年在台灣大學組織跨領域之研究團隊，與台積電的廠房設施專家共同合作，開發半導體廠房設施之關鍵技術，來支援台灣半導體製造技術之更上一層樓，並藉此加強台灣半導體技術持續領先優勢之基礎。 此計畫並獲前國科會的贊助。研究團隊中，張教授係計畫主持人，共同主持人有台大電資學院光電研究所吳宗霖教授、化工系吳紀聖教授、環工系林郁真教授、工程科學及海洋工程系洪振發教授、土木系陳柏翰教授以及台科大電機系馬自莊教授，產學合作配合廠家為台灣積體電路公司（TSMC） 。此項前國科會核定總值約3千6百萬台幣之研究計畫，於2010年中開始執行，2013年底完成，該研究案並獲得科技部工程處產學合作計畫之評審委員的高度肯定，評定為2013年之優良研究計畫。 四. 關鍵技術之研究成果半導體的研發製造中，必須運用高效能的製造設備（Tools）、精準敏銳的儀器（Instrument）和超純淨的水、電、空氣、化學原料等等的廠房公用設施（Utilities)。而這些研發製造程序必須在嚴格控制的潔淨室（無塵室）中，穩定的製造平台上，及可容許的電磁波干擾（EMI）之環境下進行。 本產學合作技術開發之研究係解決半導體研發製造中之空氣分子污染、電磁波防護、微振動破壞等刻不容緩極需解決的難題，期望能重點技術突破，提昇台灣半導體研發製造技術及奠定台灣高科技廠房設施研發的能力。 本產學合作分四項子計畫進行，其主要成果分述如下： (1) 混合式電磁消除控制系統子計畫：A. 電磁波干擾對於半導體製程之良率的有不良影響，磁場對製程與檢測設備之影響更為嚴重，本分項的研究主要係在設計主動消磁系統，經測量，當前晶圓廠內設施面臨環境磁場約為15.4mG，啟動本分項研發之主動消磁系統後，其區域磁場己降至1mG以下。如圖（1）設計主動消磁系統（詳圖1），將晶圓廠內之環境磁場從15.4mG，降至1mG以下的效果（詳圖2）。
B. 被動式隔離電磁波系統之研究主軸為其被動材料應用於分隔機台所受磁場改善為主。研究進入實地至台積電Fab12-P1與Fab15-P1廠的Lab實際架設與測試。其中在Fab12-P1可以將其原本的環境場中EMI（AC）值從6mG降至1mG以下（距離地板高度為0.5m）。在Fab15-P1經過長期監控所得到長時間的結果（將近一個月），DC場可由26mG降至0.1mG與AC場從最高300mG降至1.3mG。提供有效的方法解決台積電廠房EMI的問題。
C. 半導體晶圓廠電纜負載線之電磁波污染也是相當嚴重，經本產學研究合作廠商台積電的要求及密切配合監測，其晶圓廠電纜負載線於高架地板下之污染為20mG，而在機台工作點為13mG。這些電磁波污染不但會造成半導體製程良率之降低，同時，也可能對長期工作之人員的身心健康有所影響。有鑑於此，特別，額外完成模擬與初步現場驗證結果，證實改變現行半導體廠晶圓廠之電纜負載線之排列方式，可以有效地降低其電磁波到：高架地板下降為0.9mG，而在機台工作點上則降到0.4mG。如圖（2）所示。根據理論改變現行電纜負載線之排列方式（詳圖4），有效地降低其電磁波：高架地板從20mG下降為0.9mG，機台工作點上則從13mG降到0.4mG。
(2) 微振動的防制子計畫：本子計畫完成可協助台積電等半導體產業改善生產環境，提昇產能，降低生產成本，並為下世代半導體廠房之高微振標準預作準備。以改變過去相關微振問題動輒求國外支援之現況。完成之減振設計預留微調參數，且成品為模組型態，安裝容易，且適合較多的應用狀況，較不會發生誤用。 本子計畫執行依照原先規劃完成以下幾點： A. 在本計畫研究發展「可調整勁度以改變振動特性」之半主動控制減振器中，成果原型機設計的過程，實際製做三台小型之功能測試型原型機，於校內實驗平台實際量測，驗證設計之可行性，經過不斷的驗證及改良，最後製做出最佳設計之廠房型減振器原型機，並具體實現於高科技廠房中，經由實際安裝於該廠房內之冰水泵振動平台上，在各個振動頻率中進行減振機制，在1倍頻（19Hz）有1.746dB的減振效果，在1/2倍頻（9Hz）有1.976dB的減振效果。 B. 在隔振的部分，本研究針對變頻馬達下方常建置的垂直地板方向的避震彈簧及大型機台的側向防震緩衝器進行研究，建置彈簧的彈性係數須將變頻馬達常用的頻率及共振頻率點納入考量。另外，也需對於突如其來的外力，如地震波，仍將機台振幅控制在安全範圍。設計之半主動控制減振器原型機配置如圖(4)所示，製作完成適用於高科技廠房用之半主動式廠房減振器原型機實體照片如圖(5)(a)所示，安裝於台積電Fab8廠房內機台位置及冰水泵基座上現場照片如圖(5)(B)所示。 C. 在隔振的部分，本研究針對變頻馬達下方常建置的垂直地板方向的避震彈簧及大型機台的側向防震緩衝器進行研究，建置彈簧的彈性係數須將變頻馬達常用的頻率及共振頻率點納入考量。另外，也需對於突如其來的外力，如地震波，仍將機台振幅控制在安全範圍。以目前研究個案，其機台支撐墊已相當程度最佳化，採用二階段彈性支撐墊，於平時非共振狀態，可降低3 dB至4dB；於地震時，其振動量可比目前使用中之支撐墊再降低2dB，透過減振及隔振之組合，可使目前之減振功能達到降低6dB以上的需求。 D. 本子計畫研究發展半主動控制減振器（詳圖5、圖6），達到1.976dB的減振效果。在隔振的部分，降低3 dB至4dB。
(3) 潔淨室有機污染物偵測鑑定子計畫： A. 利用光纖陶瓷蜂巢式反應器去除揮發性有機污染物、烷類及芳香族化合物，及冷凝水洗系統之揮發污染物轉性。 B. 本研究運用光觸媒反應器與光纖（詳圖7），發展出之原型機（詳圖8）可去除90% 的揮發性有機污染物，對烷類及芳香族化合物預計可提升至95% 的效果，冷凝水洗系統之處理機制，揮發污染物轉性去除效率達99% 效果。
(4) 潔淨室無機污染物偵測子計畫：A. 本子計畫成功開發能自動萃取偵測氣相硼磷分子之原型機，遠遠突破目前業界所使用之固態萃取，總硼、總磷濃度的偵測極限，由現行的偵測方式需一天的時間才能偵測總硼總磷的濃度，經本子計畫研究的具體成果，可縮短至1-3小時，且沒有需要人工放置及收取控片等問題，原型機在廠區測試照片如圖（7）所示，未來可將偵測時間縮短及多點量測，大幅減少時間及人力，再與控制中心連線，能於硼磷氣體分子濃度增加時即時通知，必能大幅減少因氣體逸散所造成損失達到整廠監控目標。 B. 本研究成功開發能自動萃取偵測氣相硼磷分子之原型機（詳圖9、10），由現行的偵測方式需24小時才能偵測總硼總磷的濃度，縮短至2小時。
五. 人才培育、論文著作與專利等成果本計畫自98年起，本研究團隊的師生與台積電之菁英專才結合，不斷於實驗室及廠房實地內試驗，尋求更佳之廠房關鍵技術，期間更培養7名博士生、18名碩士生；其中，參與的學生有些畢業後直接無縫接軌進入高科技之職場，有些取得廠家研發替代役名額，繼續其研究的生涯。此產學合作之方式，不但將產業與學界間截長補短，更培育業界所需之專材。 而專利方面，亦展開佈局，申請國內外專利11件。論文著作良多，國內期刊論文7篇；研討會 13篇；SCI 1篇；國外期刊論文 2篇；研討會18篇；SCI 11篇。 六. 衍生效益本產學合作研究計畫案解決台灣高科技廠房技術提昇所面臨之關鍵問題，開發了多項前瞻技術與原型機，台灣積體電路股份有限公司（台積電）已於102年6月1日透過其內部新設立之產學大聯盟方案與台大土木系高科技廠房設施研究中心簽約研發下世代（更深一層）之技術並支付全額先期技轉金。 台積電團隊本着社會責任，義務協助執行本產學合作之高科技廠房設施研究中心，於國立台灣大學土木研究大樓中建造潔淨室（無塵室），並與中心成員協力於台大竹北校區成立研究室，並進行各項實驗測試。圖十一係學生在台大土木研究大樓潔淨室（408室）內，實驗操作量測潔淨室之情形。 提供資深優良志工講員，在台大土木系所開設之高科技廠房設計及高科技廠房營建管理兩門課程中分享實務經驗。 台積電另安排學生實廠參觀（詳圖12、圖13）及工地觀摩（詳圖14）。
七. 結論台灣半導體晶圓之製造做得好、快、便宜、良率高，堅守誠信，準時交貨，響譽全球。如此躍居為全球最大晶圓產能供應國，擁有世界最多的12吋晶圓廠及製造最多的28奈米之晶片及相關產品，這背後就是台灣的半導體廠房設施技術，也與半導體製造一樣出類拔萃，走在時代的尖端。 而不久後，台灣半導體製程更要持續邁向18吋晶圓廠之建造，進入低於14奈米製程之層次。在半導體競向更上一層的研發製造中，需用很多的高效能的製造設備（Tools）、細緻敏感的儀器（Instrument）和超純淨的廠房公用設施（Utilities）。而這些研發製造之程序，更須在嚴格控制的潔淨室裡，穩定的製造平台上，及在可容許之電磁波干擾環境下進行。 因此，張陸滿教授之產學合作團隊，經三年多之研究探索及配合廠家台積電之積極參與，從理論推導、模擬測試、實驗驗證、組裝原型機，到台積電的工廠實地確效，克服了不少進入14奈米製程衍生出來的氣懸空氣分子污染（Airborne Molecular Contamination, AMC）、微振動（Micro Vibration, MV）與電磁波之干擾（Electro-Magnetic Interference, EMI）的問題。 如此，關鍵技術之突破，不但提昇台灣半導體廠房設施之技術層次及奠定在此方面研發之基礎，而且，經科技部的不斷敦促引導，張陸滿教授研究團隊的師生走出實驗室，將理論落實到產業的應用，同時，台積電本着企業責任、率先積極參予產學合作，主動協助台大建造教學用的潔淨室，提供優良志工講員傳授實務，安排學生實廠工地參觀等等，這樣所建構的產官學合作的模式，實足己成為其他研發領城的借鏡。
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