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高科技廠房 – 張陸滿
高科技廠房 – 張陸滿
高科技廠房設施工程及其關鍵技術
張陸滿，1971年畢業於成大土木系
2015年10月15日
一 前言
張陸滿校友目前任教於台大土木系，
張校友過去可以說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，
本編輯小組特別著文報導張陸滿校友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的認知。
二 與半導體廠房設施之因緣關係
張陸滿校友在1971年畢業於本系。
從1974到1977年間，
張校友在台灣矽谷-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，
又適逢當時美國知名大學土木系也正在展開營建工程與管理的學程，
張校友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，張校友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，
它包括了建築、土木、機械、電機等4組的營建管理。
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和生物醫學兩研究中心。
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，
張校友返回台灣在台灣大學土木工程學系繼續從事教學研究。
返臺後，
張校友有感於土木工程尚未與臺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。
張校友指出，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，
即不能妥協的安全基礎及結構;性能與高濃度節能減碳材料之選用研發;
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 個月內完工之營建工程與管理的總體考量等等，
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，才得有所大成。
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。
而張校友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。
台灣在高科技的製造中，
許多均在世界的競爭下有極傑出的表現，
特別是半導體晶圓及其相關製造更是領導群雄。
本文中所論及之高科技廠房設施，
事實均以半導體的廠房設施為範例。
下圖簡述一座半導體廠的基本設施，基本上分四大塊，
1.是廠房結構建築內外殼，2.製程系統，3.儀電控制，及4.機械系統。
四 . 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。
圖1、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
圖2、國際半導體設備及材料產業協會估計台灣在2014年和2015年之採購額，
分別是210億美元及220億美元
又根據ITRS
(International Technology Roadmap for Semiconductor)
2014之報導，
如下表1所述，
國際半導體及相關產業之製程至2018將進入閘寬
(Gate Length)
16奈米及18吋晶圓之製程技術，
廠房從施工興建至開始裝設生產設備，將於九個月內完成。
表1所示是國際上之一般的平均值，
台灣今年已開始進入16奈米之製程的大量生產。
而，台灣半導體的生產製造技術早已走在世界之前端，
到了2018年，台灣之技術水準應可望到7~5奈米之水平，因此，
極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低於10 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。
而今，
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。
奈米及奈米科技
要對高科技廠房設施工程有所瞭解，
必須先從奈米及其科技的認知開始。
奈米科技的定義
奈米，意為十億分之一。
根據美國國家科學基金會(NSF)在2001年開始的國家奈米科技推動方案
(NNI)中提到，奈米科技指的是在原子級、
分子級及超分子級的任何研究、發展與製造(R&D&M)，
其尺度範圍約在1至100個奈米。
奈米科技不僅提供增益奈米尺度下對物質基本現象及其材料之了解，
並且創造及應用了無數奈米尺寸的構物、元件與系統。
由於材料之構築係在微細的100微米之下，這些構物、
元件與系統也展現較好的功能及材料性質。
奈米的研發與製造包含了奈米結構的運作並將之整合為較大尺寸之構物、
元件、系統及型態。
雖然組裝出來的係較大的尺寸，
但所有之基本材料之組成控制然仍在奈米尺度下進行。
(National Research Council, 2002.)
圖3顯示從一公尺到一個奈米大小的各種事物。
其中可看到一個紅血球大約是一個奈米的5000倍。
奈米科技的重要性
在近期的電子和原子顯微鏡的發明讓研究者對於大小如單一原子的事物都可以看得清楚、
可以用探針探查、甚至於以一顆一顆原子地製造及操作。
研究員也發現透過這方面技術之提昇，
發現這些小原子和原子叢粒子跟同型原子成份堆積而成的大型材料有顯著完全不同的特質。
當這些粒子大小尺寸變小，其比表面積卻變大，
這樣比表面積變大卻對該材料的化學及物理行為有非常大的影響，
因此而改變了材料的顏色、表面反應性、光學性、磁性、
機械性、熱力性、催化性、甚或生物性的各種特性。
例如，圖4描繪粒子大小對於CdSe解析顏色的影響。
各瓶粒子均由相同的化學(CdSe)組合而成，但是螢光是和粒子大小相關的。
2.3個奈米直徑的分子發出藍色的光而5.5個奈米直徑的分子則發出橘紅色的亮光。
圖4、CdSe粒子不同大小，展現不同顏色
由於這些獨特性質的發現，以致在材料、
設備及感應器等方面產生了廣泛且多樣化的創新。
此等創新將會首先衝擊近代電子學到近代生物醫學整體性技術之範疇，
而該範疇開啟了許多未知的新領域，
諸如高分子顯影偏光的智慧型材料
(smart material of photorefractive polymer)、
小分子發光二極體(organic light-emitting diodes OLED)、
生化感應器(biosensor)、
實驗用晶片的奈米流體(lab-on-chip of nanoflouidics)、
奈米電子機構系統(nanaelectro-mechanical-System NEMS)、
分子電子學(molecular electronics)、
電子槍(electronic nose)、
奈米線(narowire)、
奈米管(nanotube)等等(Ratne & Ratne,2003.) 。
這種創新及其相關的研究、
發展及製造(R&D&M)可以統稱為—奈米科技(NT)
—即關於操縱及製造奈米等級尺寸的物質。
它以1公尺的十億分之一的尺寸—奈米—原子緊鄰著原子所構成的。
奈米科技預計將對經濟具有巨大的衝擊，因此引起國內外一般市民、
政治人物、科學家，甚至到實踐工程師們的重大關注………….
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