SEMICONDUCTOR FAB ENGINEERING

Layout 與 Hookup 知識手冊

從「機台怎麼擺」到「管線怎麼接」——整理晶圓廠設計中 Layout 規劃與 Hookup 配管的核心概念、規則架構與 MetAI 的 AI 解法。

快速導覽 · 三分鐘掌握全貌
01

Layout = 機台擺哪裡

在有限廠房空間內排出最多機台,同時滿足上百條設計規範。人工設計要 6-12 個月,AI Layout Engine 用強化學習可縮短到 72 小時。

02

Hookup = 管線怎麼接

把機台的每個接點(POU)依規則連到對應的供應端(TOP),中間要避開障礙、遵守彎頭數與坡度等硬限制,並在多個可行解中挑出最優路徑。

03

兩者共用同一套邏輯

都是「規則數位化 → 驗證圖面 → 生成方案 → 輸出圖檔」的流程,差別只在 Layout 解的是機台位置,Hookup 解的是連線路徑。

01

為什麼需要 Layout 規劃

建廠的核心目標是擴充產能,Layout 決定了空間利用率的上限

對 TSMC 而言,建廠的核心目標是擴充產能,而實現產能最大化的關鍵之一,在於有效規劃機台配置,也就是 Layout。在有限空間中,工程團隊致力於擺放最多的生產機台;由於半導體機台結構多樣(單層、雙層、三層式皆有),如何最佳化空間利用率、同時滿足產能需求,是設計 Layout 時最重要的課題。

困難與挑戰

半導體製程高度精密,為確保良率與產能,廠內設有上百條 Layout 設計規範,涵蓋機台相容性、冷卻水/化學品等廠務供應需求、安全法規遵循,以及跨樓層機台配置與附屬設備設計。一座新廠的 Layout 規劃通常需要 6–12 個月,仰賴工程人員人工設計,並須跨部門密切協調、反覆驗證與審查,流程複雜且耗時。

Macro Layout:廠房怎麼分區

Macro Layout 定義的是 Cleanroom 內各製程區的相對位置。常見的區域配置:

LIT / 微影區

對溫濕度、震動、潔淨度最敏感,EUV 機台通常自成一區,有專屬建築要求。

ETCH / CMP / PVD / CVD

主製程區,機台以 bay-and-chase 方式成排配置,中間穿插走道。

HPM 區

通常比較「髒」、且多為單層式機台,位於製程區的一側。

Metrology 量測機台

不獨立佔一個 Macro,而是散落分布進各製程區內。

Cleanroom 樓下還有 Subfab 與 Dirty Fab,機台的附屬設備(如 Chiller、VMB、DP 盤)往往落在這些樓層,因此 Layout 規劃必須跨樓層評估空間可行性。

02

AI Layout Engine 怎麼擺機台

用強化學習學出 TSMC 的擺放邏輯,讓機台自己「長」出最佳配置

AI Layout Engine 可將人工設計的 6–12 個月縮短至 72 小時,並允許使用者調整走道寬度等 config,測試不同的最佳化策略。只要建廠時間能縮短一個月,對 TSMC 就是多一個月的產能。

整體流程

1. 建立環境
2. 建立生產區域
3. 建立擺放條件
4. 資料確認
5. 產生 Layout
6. 產生報告

設計邏輯:Rule 定義「不可以」,AI 決定「怎麼做最好」

強化學習中,Rule 是界定「不可以」做的事,而不是「可以」做的事。以好鄰居壞鄰居表為例,機台由大到小依序擺放,AI 在可擺放區域內自由尋找最佳位置,而下列規則作為硬性遮罩(mask):

規則類型說明
兩條 Intra-bay 最相近機台 LP 中心 > 290cmAI 生成/越近越好屬於獎勵導向的最佳化目標
不可左右相鄰Rule-based硬性禁止
不可前後相鄰Rule-based硬性禁止
不可同 bayRule-based硬性禁止
不可同區域Rule-based硬性禁止
需距離 XX cm 以上Rule-based硬性禁止

Reward 機制:機台擺越多分數越高剩餘空間越多分數越高——AI 在不違反硬規則的前提下,持續朝這兩個方向最佳化。

Training(訓練)與 Inference(推論)

每次輸入後會執行一連串策略最佳化:訓練階段模型會隨機探索各種擺法的可能性,直到收斂出一個最佳擺放策略(Best Policy);推論階段模型不再探索,只選擇當下機率最高的動作,重複執行直到產生完整佈局。每次訓練結束會做一次評估(Evaluation),作為判斷策略好壞的依據。

因為訓練過程具有隨機性,同一組輸入在不同機台上分別執行「訓練 + 推論」,可能會得到不同的最終結果。

目前面臨的挑戰

  • 規則是人類口語撰寫,轉譯為程式碼時存在模糊空間與極端案例,需理解設計精神才能正確實作。
  • 不同樓層(Fab Layout / Subfab Layout)、不同製程區域有各自的特例限制,泛化性有限。
  • 人為設計 Layout 時不會 100% 遵守規則,追求產能最大化時常有妥協,理想規則與實際設計存在落差。
  • 機台可跨樓層擺放,使模型的限制式學習環境不固定,是尋求最佳解的一大挑戰。
可行的緩解做法:請使用者重新檢視真正的需求、移除非必須的規則;理解 AI 擺出來的結果有機率不如人所願;最終結果仍可由人工微調以達到最佳期待。
03

Hookup 到底在解什麼

Problem Ontology:三個維度拆解「怎麼把兩個接點接起來」這件事

Hookup 求解的順序是:先透過接口分群把接點需求組成一條條「實體對實體連線」,再把每條連線經節點與 N:M 拆解變成多組一對一的選點問題,最後在解題範圍有狀態路徑策略下產生實際走線。

維度一
基本題型:連線長什麼樣
維度二
解題範圍:多條線之間的耦合
維度三
有狀態路徑策略:實際怎麼走

3.1 維度一:基本題型

拓樸在這裡有兩層意思:一是整體連線的形狀(一對一、一對多);二是選點上的自由度(N 個候選起點對 M 個候選終點)。

一對一
機台接次幹管的單一支線
一對多(樹狀)
多台排氣支線匯入同一集管
N:M 選點
N 個候選起點對 M 個候選終點,選完後仍各自一對一

Node:拆解過程中「必須經過」的中介點

Node 不是預先存在的實體類別,而是在拆解一對一連線時,因為需要選點、分匯流或必經通過而產生的位置。常見三種型態:

  • 多接點單一物件:如集管(Header)、環狀管(O-ring),本身有多個可選接點位置。
  • 單接點單一物件:如門型架這類必經之路。
  • 群組物件:如一組 4 個 RC 孔,就形成 4 個可選點位置的 Node。
Entity: 4 個 Tool POU → 4:4 / 3:3 / 2:2 / 1:1
Node-A: RC 孔 → 1:1(必經門型架)
Node-B: 門型架 → 1:4 / 1:3 / 1:2 / 1:1
Entity: 4 個 Pump POU

接口分群:連線從哪裡來

在確認實體對實體連線之前,要先決定哪些接點屬於同一條連線,分幾群就有幾條連線,需考量三件事:

  • 相容性——群內接口兩兩相容才能同管
  • 容量——群內流量總和不得超過共用管容量
  • 目標——群數越少、管線越省

3.2 維度二:解題範圍(耦合關係)

多條線段之間常存在耦合,導致不能各自獨立求解:

資源競爭

多條線段搶同一個有限容量資源,如 RC 孔(一孔限量)或 Tray 截面,必須一起分配,若產生無解需退回重新搜尋。

聚合與配對

多條線之間有同行(共走一條走廊)、相鄰、幾何一致(轉折高程相近)、隔離等偏好或義務,第一條線會改變下一條的空間偏好。

跨系統耦合

不同廠務系統之間,設計上有固定的求解先後順序(邏輯來自空間需求度由大到小):

一般區域:PPL > 電力 > 排氣 > 排液 > 冷卻水=超純水 > 化學品 > 其餘氣體
WET/CMP 區:排液 > 化學品 > 排氣 > 電力 > 冷卻水=超純水 > 其餘氣體

此外,多系統共用同一空間時也有上下分層偏好,例如電纜架(Tray)上方不可有並行水路——這種上下關係只有相對於別的系統才成立,後解系統的空間偏好取決於先解系統實際走在哪裡。

3.3 維度三:有狀態路徑策略

實際走線時,動態規則(元件本身的規則)、環境規則(空間本身的規則)與目標需求三者共同決定每一步的路徑選擇。

(1) 動態規則:元件生成

元件擺放本身帶有規則,也會影響走線:

元件規則
彎管(Elbow)純幾何轉折,但受整段彎頭數上限或角度累積額度限制
洩氣閥(Vent Valve)排序規則,通常位於線段最高處
流量計(Flow Meter)直管段規則,需保持上游 10 倍管徑、下游 5 倍管徑的直管長度
縮管(Reducer)狀態轉移——通過後管徑縮小,下游淨空需求與壓損計算跟著改變

這些規則會在線上留下「之後走線要記得的事」,這就是狀態。規則對狀態有讀有寫:流量計上游 10D 是「讀」(檢查已累積的直管長度),下游 5D 是「寫」(留給後段的欠條)。

狀態類型範例影響下一步
物理截面縮管通過後管徑變小後段佔用與淨空需求改變、可穿的孔跟著變
幾何連續流量計下游尚欠 5D 直管;Drain 沿線只降不升的坡度接下來多長內不能轉彎、還能維持的坡度
累積額度已用彎頭數對上限、已用管長對長度上限剩餘還能用的額度
性能餘裕每個彎頭與縮徑各自增加壓損/真空導通損失整段壓損上限內還剩多少可用

(2) 環境規則:空間標注

空間本身帶規則,先於走線存在、與元件無關。走線時會把空間離散化(Voxel),每個切塊的可走性由兩層決定:

  1. 物理層:這格有沒有被柱、牆、既有管線占用——占用即不可走。
  2. 規則層:對未占用的格子標注偏好等級,決定走線成本:
標注意義
Preferred 偏好優先使用
Allowed 可行一般可使用(未標注格子預設為此)
Discouraged 低偏好可用但增加成本
Forbidden 禁止空著也不准走

(3) 目標需求

硬限制篩完後通常仍有多個可行解,目標負責排序。同一個量常有兩種身分:「最多 3 個彎頭」是硬限制,「彎頭越少越好」是目標;長度、壓損同理。常見目標包含路徑長度、彎頭數、壓損/真空性能、同行一致性、共享資源使用量、施工複雜度、維修可達性、空間成本,優先序與權重依系統與客戶設定。

04

走線規則怎麼分類

同樣叫「規則」,管的對象完全不同——分類速查表

規則約束的對象歸屬
哪些接口可以進同一條連線,含相容性與容量接口分群
連線兩端可以選哪些點、必經哪些 Node節點與 N:M 拆解
多條線之間的資源分配或相互關係:孔位、Tray 截面、同行、隔離、間距解題範圍
元件自身的幾何、順序、前後管段,走線沿途累積的狀態動態規則
空間格子可不可走、偏好等級環境規則
多個可行解之間的排序偏好目標需求
多個廠務系統之間先解哪個、後解哪個求解順序(跨系統耦合)

實際規則範例

規則原文歸屬性質
管路離樑 5cm、離柱面 2.5cm環境規則硬限制
維修空間上方走管列為軟性成本,非禁止環境規則目標
EUV 區 PPL 彎管角度加總不超過 180°,一般區 270°動態規則(累積額度)硬限制
橫向管路斜率至少 1/150動態規則(幾何連續)硬限制
合併管容量查流量表,例:一支 1 吋管可收三支 1/2 吋支管接口分群硬限制
不同氣體可放同一分配盤面,但同一支管必須同一氣體源接口分群硬限制
兩條 PPL 最外圍間隔至少 5cm(含管夾、保溫)解題範圍硬限制
同一 bay 的共管集管(Header)高程一致解題範圍(形態聚合)硬限制
三層式機台至幫浦前轉彎處應在 L10,雙層式在 L20有狀態路徑策略硬限制
系統求解順序:PPL>電力>排氣>排液>冷卻水=超純水>化學品>其餘氣體求解順序(跨系統耦合)
分配盤優先放主機台正面(load port 側),空間不足依序改後方、側邊節點與 N:M 拆解目標
05

實際配管:以幾個系統為例

把前面的抽象概念對回真實系統的配管流程

Power(Sky Tray)

  1. Step 1:取得 AC Box 位置(Rack 視為 AC Box 延伸);取得需要電力的附屬設備位置並群組統計需求總量;依附屬設備上方間距判斷 tray 高度。
  2. Step 2:在附屬設備群集地區尋找 tray 可能空間,依附屬設備長寬決定 tray 方向。
  3. Step 3:將 AC Box 的 bbox 視為起點、tray 群組視為終點進行連接。
特殊情況:AC Box 的 bbox 與附屬設備 bbox 可能完全無交集,或交集處滿是障礙物,這兩種邊界案例都需要額外處理。

DP Panel(Distribution Panel,分配盤)

DP 盤的功能是把中央供應的製程氣體或化學品,在終端分配到不同製程或機台。已知的設計假設:

  • DP 盤永遠依循前 > 後 > 左右的方式擺放,以機台 load port 做為前方。
  • 每台機台的 DP 盤需求固定(例如一組 1v4 的需求不可拆解成兩組 1v2),可從 3D 圖塊中取得。
DP 需求導入
空間規劃
前 > 後 > 左右
DP/VP/DAQ 擺放
建立接管群組
Greedy 演算法尋路
匯出結果

Chemical / Drain(化學品排液)

Drain 系統的管線依 Utility Matrix 標註分為 generalchemical 兩種:

  • Chemical 型:POU 方向預設朝下,只需向下固定長出 n 單位長度的管線,不須複雜避障。
  • General 型:每個 POU 依 remark 標籤找到對應的 Submain 作為連接目標;同一類 remark 的 POU 會先收到合併管,再以向下 45° 方式接進 Submain(同一類可能產生多根合併管以收完所有 POU,取決於合併管的流量限制)。

合併管只沿 X / Y 軸方向產生,不會有斜的、垂直的、階梯狀的合併管;高程原則:POU 高度 > 合併管高度 > Submain 高度

06

從 3D 模型到 2D 圖面

Layout Engine 產出的 OpenUSD,如何變成工程師能用的 CAD 交付物

Step 1
讀取 CSV + 3D 圖塊
Step 2
映射 3D 圖塊、定位旋轉
Step 3
由上而下投影壓扁
Step 4
2D 圖面加工規格化

Step 1 — 讀取資料

系統讀取 Layout 輸出的 CSV(記錄每台機台的配置資訊)。機台的原點座標計算方式特別:不是取 2D 圖塊左下角,而是抓出機台所有「維修區域」的四角,計算出整體中心點作為原點。3D 圖塊由客戶提供,包含機台本體、維修空間、Load Port、參考樓層、附屬設備等。

Step 2 — 映射與定位

系統將機台中心點放置到 CSV 指定的 XY 座標,並依角度旋轉。過程中常需處理 3D 圖塊瑕疵(如缺件、命名錯誤),系統需具備通用方法自動尋找並補正。

Step 3 — 3D 轉 2D 投影

將視角拉到最高、以俯視圖模擬「打光」效果,把物件投射邊緣描繪出來,達到壓扁成 2D 平面的效果。分層描繪:先主機台邊緣,再附屬機台,最後維修空間——前提是這些結構在原始 3D USD 中已是獨立物件。

Step 4 — 圖面規格化

投影完成後轉為 2D CAD(.DXF),依廠商需求把機台上色為藍色設備面,加上巨大 Main 邊框;依 CAD 規範在特定位置打叉或標框;附屬機台若需獨立標示,會畫上專屬藍色方框確保能被獨立識別。

未來可能的發展方向:
1. 「純 2D 流程」——先把單一圖塊壓成 2D,再依 CSV 座標直接排列成 2D 佈局,省去先組裝 3D 再壓扁的步驟。
2. 「2D 手排逆向生成 3D」——允許客戶直接在 CAD 手動排列 2D 圖面,系統再反推生成 3D 模型以驗證是否符合規範,技術挑戰在於圖層合併、文字塊與模型連結、以及回推中心點座標。
07

MetAI 產品架構與開發原則

Auto Hookup 與 Auto Layout 是兩套模組化流程,共用同一種「規則數位化」哲學

Auto Hookup

Rule Engine
走線規則數位化
Validator
驗證圖面是否合法
Path Gen
生成連接路徑
Component Placement
路徑上擺設管件
Output
USD / Revit / CAD

Auto Layout

Rule Engine
配置規則數位化
Validator
驗證佈局是否合法
Layout Gen
依 Tool List 生成配置
Output
USD / Revit / CAD

PoC 的建議切法

兩者是獨立的 PoC 項目:Hookup 選定單一系統、一組指定機台、一對一拓樸且人工設計最耗時者,先把該系統走線規則數位化並驗證;Layout 則以該機台所在區域為範圍,用 Hookup 視角驗證機台配置圖面。規則數位化是一次性投入,成功後可直接擴展到同類拓樸的其他系統或區域。

開發原則

原則意涵
Evidence before abstraction每個新抽象必須指出正在解決的已出現問題;「場內有」或「未來可能需要」不構成當下實作理由
Stable boundaries, replaceable implementations優先穩定資料 ownership 與模組 contract;solver、storage、加速實作應可替換
Immutable base, explicit derived state物理真相與請求特定/規劃特定的狀態要分開
Rules compile to semanticsRule Engine 的價值是把 domain knowledge 轉成可執行的 routing semantics,而非另建一套平行世界模型
Capability-based growth每個階段先形成最小端到端能力並驗證,再擴充下一層
Production readiness = contract + evidence成熟度不看文件詳細度或 class 數量,而看清楚的 contract、可預期行為、迴歸測試與現場實證

關鍵術語

術語定義
Physical World不依賴特定管線請求的場景實體佔用與必要 domain semantics
Traversability針對特定管線 envelope 與空間規則推導出的「可走/不可走」空間
RoutingProblem一個 solver-agnostic、可執行的單管尋路問題描述
Planning State已 commit 的管線、候選佔用、容量消耗等隨走線迭代改變的狀態
Constraint Compiler把系統規格、domain 規則與請求轉成 RoutingProblem semantics 的轉譯層
Orchestration管理多個 routing 請求的順序、commit/rollback、重試與全局策略
08

名詞對照表

依類別分組的常用詞彙速查,看到陌生術語時直接搜尋這裡

廠務系統

詞彙說明上下游關係
UPW(超純水)/PCW(製程冷卻水)由中央或區域供應端經幹管分配到設備,供回成對迴路系統Source → Main → Sub-main → Tool
Bulk Gas(GN2、CDA)/Specialty Gas由中央氣源經主管與控制設備送到使用點;特氣有相容性、隔離與氣密要求Source → Main/VMB → Tool
Vacuum / Pumping(PPL、Foreline)以幫浦與壓差抽除氣體,管路幾何直接影響真空導通與有效抽速Tool → Pump → Abatement → Exhaust
Exhaust 排氣以負壓與風管收集廢氣送往處理,管徑沿匯流逐段放大Tool/Abatement → Header → Exhaust 主系統
Drain / Waste 排液收集廢液送往處理,重力型高度依賴坡度與高程Tool → Branch → Header → 處理端
Electrical Power 電力從廠區電力系統逐層分配到機台與附屬設備Power → AC Box → Tray → Acc

附屬設備

詞彙說明
Chiller局部冷卻設備,建立局部冷卻迴路帶走 Tool 產生的熱量,與廠區級 Chiller Plant 不同層級
VMB(Valve Manifold Box)特氣閥件分配箱,對特殊氣體進行調壓、切斷、分配與安全控制
DP 盤(Distribution Panel)氣體/化學品終端分配盤,將中央供應在終端分配給 Tool;常與 VP Panel、DAQ 並列規劃
AC Box交流配電箱,將電力分配給附屬設備;Rack 視為其延伸
Lift Station / Waste Lift廢液提升設備,將重力收集的廢液以泵加壓送出

載體支撐

詞彙說明
Cable Tray 電纜架承載纜線的架體,分 Sky Tray(天)、Ground Tray(地)、立 Tray、Conduit;位置本身是決策變數,截面容量有限
門型架(Gate/Portal Frame)Subfab 內管線與 Tray 的依附結構,PPL 貼齊它走,Sub-tool 圖塊常以它為座標原點

資料文件

詞彙說明
Utility Matrix(UM/TUM)記錄每台設備的系統類別、用量、管徑與點位,是連線需求的來源,以機型為單位
Bluebook(BB)記錄 TOP 與其下游連管資訊的 SP1 接點資料表;與 UM 對應可能多對多,需人工判斷
P&ID/單線圖(SLD)P&ID 表達管線系統拓樸、流向與儀表;單線圖是電力系統的簡化連接圖,不表達流量
Rule List/Rule Sheet把工程限制與偏好以可判定的條列形式記錄,是 Rule Engine 數位化的源頭
Macro/Micro Layout定義環境與機台位置,是 Hookup 的空間前提;Macro 先於 Micro
Tool Block/Sub Tool Block可重用的標準模型元件,含 Maintenance Area、Load Port、Connector 等必要標注
RVT/IFC/DWG/DXF/USD各工具間交換模型與圖面的載體格式
BOM材料與元件的數量清單,供採購與施工使用

空間區域

詞彙說明
Bay/Intra-baybay-and-chase 佈局中機台成排的分區單元,與走道相間;Layout 規則多以 bay 為單位
Maintenance Area設備周邊保留的維修操作空間,屬圖塊一部分

製程區

詞彙說明
Lithography(LIT / EUV)透過塗光阻、曝光、顯影把電路圖形轉移到晶圓,對溫濕度、震動、潔淨度最敏感
Etch 蝕刻利用電漿或化學反應選擇性移除材料
Deposition(PVD/CVD/EPI)在晶圓表面形成材料薄膜
Diffusion / Thermal(DIF)透過高溫進行氧化、擴散、退火與材料活化
Ion Implantation(IMP)將離子加速後植入晶圓,改變材料電性
Wet Process / Clean(WET)以 UPW 與化學品進行清洗與濕式處理
CMP以 Slurry 的化學反應加機械研磨使晶圓表面平坦
Metrology/Inspection量測線寬、膜厚、套刻與缺陷等製程結果