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半導體製程的 DOE:大量因子的篩選策略

欸,你是不是也常遇到那種新產品導入,結果良率一直卡關的問題?這篇文章超適合你!作者分享了他以前的慘痛經驗,CPK 報告出來直接讓全場靜默。他會跟你聊聊,為什麼製程裡參數那麼多,傳統的實驗方法根本行不通,而且那些因子之間還會有很難搞的「交互作用」!看完這篇,你會知道怎麼更聰明地篩選因子,找到問題真正的癥結點,再也不用瞎子摸象了!快點進來學兩招!

# 那天 CPK 報告出來,全場沉默了三秒

還記得好幾年前,我們一個新產品導入,照理說製程都打通了,良率應該穩穩的。結果某天週會上,PM 突然臉色鐵青地秀出 CPK 報告,一個關鍵參數的 CPK 只有 1.08,DPMO 直接飆到 6210。整個會議室瞬間安靜,連掉根針都能聽到。老闆就問了:「阿你們製程 DOE 到底做了沒?因子到底篩了沒?」說實話,那時我心裡也在滴咕,因子那麼多,怎麼篩?

問題出在哪?

你們一定也遇過這種狀況,一個製程裡面,動不動就幾十個參數可以調。烤箱溫度、時間、氣體流量、功率、轉速... 隨便組合一下,實驗次數就爆表了。如果每個都做 Full Factorial,光是跑完實驗可能產品都下市了。而且很多時候,這些因子之間還會有「交互作用」,也就是說,A 參數的效果會因為 B 參數的不同而改變。你光看單一因子可能看不出來,但一組合起來,就出包了。

所以重點是,我們得找出那些「真正」有影響力,而且影響力「夠大」的因子。那些影響力小的,或是根本沒影響的,就直接忽略。這就是 DOE(實驗設計)裡面,「因子篩選」的重要性。

實際上怎麼做?

最簡單也最常用的,就是「Fractional Factorial Design」(部分因子設計)。說穿了就是一種「聰明地偷吃步」的方法。它不是把所有可能的組合都跑一遍,而是只挑選其中一部分的組合來做實驗。

舉個例子,假設你有 7 個製程因子,每個因子設定高低兩個水準。如果做 Full Factorial,要跑 2 的 7 次方,也就是 128 組實驗。光想就頭皮發麻。但如果我們用一個 2^(7-4) 的 Fractional Factorial 設計,它只需要跑 16 組實驗,就能幫你篩選出哪些因子是重要的。

換句話說,你用少量的實驗,就能判斷哪些因子是「主效應」或「主要交互作用」的潛在貢獻者。當然,這會有一個代價,就是你可能會犧牲掉一些高階交互作用的解析度。但坦白講,在製程開發初期,能快速找出關鍵因子,遠比糾結那些三階、四階交互作用來得重要。

最常見的坑

我曾經看過一個菜鳥工程師,拿到 2^(7-4) 的實驗設計表,一看只要跑 16 組,就覺得很輕鬆。結果他把所有因子都設成「高水準」或「低水準」這種極端值,想說這樣效果比較明顯。結果呢?很多參數都超出機台的操作範圍,機器跑不動,不然就是產品直接報廢。

所以重點是,Factor 的水準設定很重要!別把「高」就直接設成極限值,而是要設在「有意義」且「可操作」的範圍內。例如,烤箱溫度設定在 200 度,你不能說「高」就設 300 度,因為產品可能直接烤焦。應該是設在 190 度跟 210 度這種,你覺得可能會有差異,但又不會直接把產品搞砸的範圍。

另一個坑是,結果出來後,看到 P 值小的就一股腦兒去調整。但有時候,P 值雖然小,但效果量(Effect Size)卻很小,代表它雖然統計上顯著,但實際改善卻沒多少。這時候,工程師的經驗判斷就很重要了。

今天能做的一件事

把你們手邊一個待優化的製程因子列表拿出來,思考哪些因子是「真的」在你們可控範圍內。

想試試看?

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