土木四 徐慶毅
高科技產業在現代無疑是台灣的命脈，諸如台積電、聯發科等的本土企業產值在台灣經濟、全球市場都上扮演著舉足輕重的角色。然而，在許多人的印象中，土木系與高科技產業似乎是兩個毫無關聯的領域。但實際上土木專業在高科技廠房的建造中是不可或缺的，在修過「高科技廠房設施營建」這門課後，我更深刻體會到兩者之間的緊密聯繫。
這門課程由三位教授共同授課：張陸滿（土木系名譽教授）、林之謙（營管組教授）以及來自業界的講師莊子壽（台積電廠務部副總經理）。張教授是這門課的主要開課老師，他曾任教於佛羅里達大學和普渡大學，並參與多項高科技廠房的設計與建造研究，是台灣第一代半導體廠房的土木工程師，具有豐富的理論知識和實踐經驗。他致力於推動土木工程與高科技產業的結合，並帶領團隊開發半導體廠房設施的關鍵技術，現任土木系高科技廠房設施研究中心主任。另外，其中來自台積電的莊老師在業界享有盛譽。他畢業於臺灣工業技術學院 (現為臺灣科技大學)機械系，並在國立台灣大學取得土木工程營建管理組博士學位。他自1989年加入台積電以來，擔任過多項關鍵職務，負責晶圓廠的建設與維護，並成功帶領團隊完成多個大型專案，如南科晶圓十四廠第四期廠房和南京晶圓十五廠等，目前擔任台積電廠務部副總經理，為這門課提供務實的業界經驗。
課程內容涵蓋高科技廠房設施的設計、施工、管理等方面的理論與實作，也包含多位業界專家的講座，讓學生能夠了解工地現場實際的運作情況。其中最特別的，莫過於有機會能參觀台積電的廠房與工地現場 — 為期兩天一夜的Field Trip。
理論課程
學期開始，我們先是了解何謂「高科技產業」，以及其中最重要的廠房設計對象—潔淨室（無塵室）。無塵室的設計條件十分嚴苛，它需要具備隔震功能，以避免生產過程中受到震動的影響。同時，火災預防（防火規劃、消防設施）也是設計中的重點，確保廠房能夠在最低風險下運行。最後，設計時還必須考慮製造晶片所需的各種設備，包括真空馬達、不斷電系統、冰水主機、冷凍空調和純淨水路系統等。這些設備及其水電管線都需要在設計階段就進行配置，以免施工現場發生衝突導致工期延誤，延誤本身對迅速變化的高科技產業即是一大損失。記得在第一堂課，張老師就提供了一整片的晶圓供同學傳閱，讓我們親眼見證其精密，顯示老師對實物、實景的重視，著實令人耳目一新。
接下來的課程內容涵蓋了 CPM 排程與 BIM 5D 模擬的教學。老師提供了學長姐的範例，絕對是我看過最用心製作的一個CPM，整張紙攤開來需要整面教室牆的空間才能放得下，令人讚嘆。BIM的部分，我們看見了如何將 3D 模型與時間排程及成本兩個維度結合起來，進行 5D 模擬。於軟體呈現的畫面中，基地慢慢成長、架設工程進出，就好像動畫一樣的流暢且容易理解，對我來說是前所未見的。
圖：貼滿整面牆的CRM範例
此外，課程還包括無塵室檢驗廠商講師和台積電講師的教學。他們教授了無塵室檢驗方法、時間—成本權衡與資源平衡方法、TQM（全面品質管理）—持續改進和風險管理等項目。讓我們深入了解如何在高科技廠房中以最快的速度，達成高標準的品質要求，並有效地管理資源和風險，算是稍微窺探台積電建廠速度的秘密。至此，「土木產業能在高科技廠房中扮演的角色」這個問題，已經有了初步的解答，然而在參訪與實作之後的收穫更加豐富。
參訪與實踐
回想起來，這學期經過的參訪與實踐真是扎實又不可思議，很難想像這些都是在一個學期之內的時間軸完成的。我們一共有三個參訪與一個期末專案，包括電機二館實驗室、土研大樓無塵展示室以及兩天一夜的台積電參訪。期末專案是要實作 BIM 5D 模擬一個總圖前實驗室的建案，並且制定詳細的 CPM 排程。
我們首先來到電機二館的實驗室，實驗室本體空間不大，最讓人驚訝的是實驗室內的漫天黃光，初次進入製造晶片的實驗室的人可能都會有這種感受。據說黃光才能最大化製造過程的穩定性，提高良率。隨後，我們觀察了實驗室內的設備運作與空間分配，發現有一大部分的空間分配給真空馬達、不斷電系統、冰水主機、冷凍空調系統等各類設備。這些珍貴的資訊對於規劃一個實驗室而言，是非常重要且難以想像的。
接著，我們參觀了土研大樓的無塵示範空間（408室），一邊了解無塵室的隔震結構與空氣流動規劃，一邊由無塵室檢驗廠商業師講解無塵室的規範與審核項目。除了溫度和濕度，天花板空調排出空氣的潔淨度以及地面回收空氣時的潔淨度都需要受到嚴格的檢驗，而且這還只是眾多檢驗項目的一部分。由於要進入無塵室，我們必須穿著無塵衣，第一次穿上這身服裝的體驗實在特別，頓時感覺到人類在面對這些價值不菲的晶片時的慎重。
最後是兩天一夜的Field Trip，參觀台積電中科廠務學院以及興建中的南科18廠。台積電廠務學院包含電力、機械、水處理、氣化儀控與工安環保等六大訓練，是新進廠務工程師的訓練中心。接近一整天的參觀行程裡，我們由現任工程師帶領，依序在各個訓練部門學習。見證廠務學院「著重學理，補強專業，動手操作」的理念。例如，我們就進行了消防設備的動手操作，親身體驗所謂理論與實作的結合。台積電對設備「安全」的掌握在這裡展現的淋漓盡致，顯示他們對各種突發意外可能性的嚴格把關，正是這些不放過任何細節的措施，成就他們今天的地位。
有趣的是，中午我們和工程師在員工餐廳共進午餐，細細聽他分享公司的理念。「在台積電，如果你能做到的有80分，你就會被安排90分難度的工作，總是會比你原本的能力還要再進階一點，讓你有機會在合理的壓力下成長。別讓 Loading 成為 Pressure，如何做到這點在工作中會是很重要的課題。」合理的壓力的確是人前進的一大原動力，這讓我了解台積電廠房總是能快速建成且還越來越快的核心理念—對進步的追求。
圖：莊老師介紹廠務學院
圖：廠務學院參訪
圖：廠務學院參訪合照
圖：興建中的機電系統
第二天，我們前往台南，參觀興建中的南科18廠。在這裡，我們看到了無塵室的規劃與建造過程，親眼見到藏在地板下與天花板中正在建造的除塵機構。這是我在這門課程中第四次見到無塵室，但這次是規模最大的一次，放眼望去的空間都是黃光，都是未來無塵室的範圍，盡頭至少百米後。無塵室的設計與建造極其精細且複雜，能建成這麼大面積實在煞費工夫。
圖：南科FAB18參訪合照
現場也看到廠商之間的分工高度專業化，「這些廠商我們都配合很久了，彼此都知道工作流程該怎麼進行，不會有什麼衝突」莊老師說。一個廠房的興建固然不容易，需要各方專業相互合作，而其中必有的摩擦在長期配合與良好的訓練下被消除，這也是廠房興建迅速的其中一個關鍵因素。除此之外，工地各處都有相關的監測系統，用於預防潛在的工安、火災等意外。這些系統包括火災探測器、氣體檢測儀和遠程攝影機等，隨時監控工地的安全狀況，確保進度。這次參訪讓我深刻了解了高科技廠房建造的複雜性和嚴謹性，也看到了專業合作和高效管理的重要性，台積電做了最完美的示範。
圖：實驗室規劃成果
所有參訪行程到此告一段落。最後的任務是由我們動手實作，在總圖前的基地規劃一個包含無塵室的實驗室。這次實作讓我們運用了所學的知識和技能，從無塵室的隔震結構，到機電設備規劃，再到施工排程管理。我們用軟體建模，並制定詳細的 CPM 排程。雖然最後沒有時間達成建造過程的視覺化，沒辦法完美呈現BIM 5D，但我們確保每一步驟都實際可行。這次實作讓我們對高科技廠房的建造有了更全面的理解，也充分體現了課程中強調的理論與實踐的整合。
圖：實驗室剖面圖
圖：對主工程之外的考慮
經過這學期的課程和參訪，對「土木系與台積電的距離」這個問題有了明確的答案。從高科技產業的基本概念、排成方法到無塵室的設計與施工，我們深入學習了各種理論和實作技能，並有幸能一訪台積電進行交流。
其中最關鍵的是，我們深刻認識到晶片製造過程中良率的重要性。儘管學生實驗室中的晶片製造可以容忍較低的良率，但在業界需求的嚴格驅動下，高良率已然成為不可或缺的條件。一個精心設計、高度完善的廠房正是達成高良率的關鍵所在，而這些尖端廠房的建造必須仰賴土木工程的專業知識，以確保各項設施能夠穩定且精確地運行，尤其在面對地震等不可預測的天災挑戰時更顯其重要性。
土木工程與高科技廠房的關係，恰如樹根與樹幹的緊密聯繫。土木專業作為高科技產業的堅實根基，不僅提供了穩固的基礎和結構，更從隔震系統的設計、空氣流動的精密規劃，到複雜機電設備的佈局與安裝，無一不倚重土木工程的專業知識。這些至關重要的支撐，有助於高科技產業得以在瞬息萬變的時代中迅速茁壯、穩定發展。
參考資料：https://www.ntu-htfrc.org/
特別感謝：張陸滿（土木系名譽教授）