晶圓廠經濟情況
減少週期時間有許多好處 Doug Sutherland – KLA-Tencor Corporation
由於消費性電子產品逐漸帶動晶圓廠的經濟，晶圓廠內晶圓的週期時間大部份決定半導體產品的上市時間。減少的 週期時間以及增加的運作效率可提供更高的可用性，並且加速晶圓廠環境中的上市時間。
度量和檢測步驟通常會需要佔用約 5% 的晶圓廠總週期 時間，但是他們在改良良率方面所提供的數值一般而言 都大於它們給予製程的週期時間成本。然而，週期時間 管理計畫如果要能夠成功，整個晶圓廠必須採取一致的 行動，付出同等的關注以減少晶圓廠中每個工具組的週 期時間。在近年中，晶圓廠中一直有發揮系統最大使用 率以及將週期時間減至最低的趨勢，前者可減少每個晶 圓的成本，而後者則可以增加收益與利潤。這兩個目標 彼此並不一致，因為減少使用率可以減少週期時間，但 是也會降低生產力。最佳的操作點便是在這兩者之間達 成平衡。 減少的循環時間 (CT) 有許多好處；主要的好處之一 是縮短上市的時間。幾乎所有半導體產品（DRAM、 Flash、Logic 等）的價格都會隨著時間快速下跌-一般是從 產品第一次發表之後每年下降 50% 到 80%。較短的週 期時間可確保從產品進入製程階段到產品上市為止，價 格下降的速度能夠減緩，因而贏得更高的平均售價。其 他的好處包含較短的學習循環 (COL) 和減少進行中的工 作 (WIP)。在研發過程中，較短的學習循環也等於較短 的開發時間，以及在轉移至生產時更快速的提昇良率。 WIP 和 CT 之間的關係可透過稱為 Little’s Law 的公式表 達：1
的 WIP 也意味當市場衰退時，庫存的半成品數量也較 少。Clayton Christensen2 對於週期時間做出極具價值的 評論，他表示： 「開發的時間多延長一天，讓步進器或製程符合標準條 件，就好像為工廠製程的每個晶圓付出 3.44 美元。此 外，如果為了達到成熟的晶圓良率而需要多花一天的時 間，就好像為所製造的每個晶圓付出 1.35 美元，或者如 果週期時間需要多一天的時間，就好比為每個晶圓支付 3.04 美元。」 透過此報價，我們可以感覺到 CT 的價值所在，每天 CT 減少每年大約可節省 1 百萬美元（30,000 WSPM x 12 個 月 x 每晶圓 3.04 = 每年 110 萬美元）。以數學上來說， CT 等於佇列時間（花費在等候處理批次的時間）加上處 理時間（花費在工具上的時間）。處理時間是簡單的計 算，但是佇列時間 (QT) 是三個獨立函數的產物。3
QT = {ƒ(變化性)} {ƒ(利用率)} {ƒ(可用性)} 上面的方程式並沒有單一正確的版本；它產生的是數種 不同複雜程度的典型，視使用者需要包括的詳細資料程 度而定。然而，原本所有 QT 的數學運算式有以下四個 共同的特徵：
WIP = (CT) x （開始率）
1) 沒有變化性的系統則沒有佇列時間：當 ƒ(變化 性)=0，QT=0 時
從上面的方程式可以看出，在給定的開始率中，WIP 將 會與 CT 成直線地減少。此開始率的優點是在任何給定 時間內批次的數量將會較少，因此能夠降低成本費用、 任何所需製程變更使用較少的批次，並且可減少在可能 發生的任何良率偏差期間有風險的批次數目。維持較少
2) ƒ(使用率) 與 1／(1-使用率) 成比例：CT 以指數方 式隨使用率增加而增加。
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3) ƒ(使用率) 同樣與 1／(工具數) 成比例：CT 隨著 工具的增多而減少。 24
晶圓廠經濟情況 用性為例，CT 實際上會隨著增加的 MTBI 增加。也就 是說，最好能夠將相同的停機時間分成許多簡短的事件 （低 MTBI 和低 MTTR），而非幾個長事件（高 MTBI 和高 MTTR），如圖 2 所示。這並不是與工具設計有 關的問題，因為我們通常會假設較高的 MTBI（較少的 系統關機事件）等於較高可用性。然而，從服務的觀點 來看，我們經常採納實用主義的哲學「如果我們解決問 題 A，我們最好同時調整 B、C 和 D。」這個立意良好 的方法雖然增加了工具 MTBI 和 MTTR，但是實質上並 未改善可用性（也就是總計維修時間維持不變），因此 也增加了 CT。在減少客戶的 CT 方面，我們最好的打算
4) ƒ(可用性) 與 1／(可用性) 成比例：CT 以指數方 式隨可用性（開啟時間）增加而減少。 低使用率和高可用性本身並無法確保 CT 能夠降低；只 有藉由去除變化性的所有來源，才可保證 QT 將會消 失。以數學上而言，變化性的測量方式是系統的標準誤 差除以其平均值。在晶圓廠中，變化性有以下三個主要 來源： 1) 批次到達率的變化性 2) 批次處理時間的變化性 3) 工具停機時間的變化性 圖 1 顯示的是操作特性曲線（CT 與使用率的繪圖） 在 相同的工具集中有一到五個工具承擔的單位變化性和 100% 可用性。此處的凸出點從一個工具變成兩個工具， 並沒有超過容量的兩倍。在相同的 CT 中使用一個有 60% 使用率的工具，您可以執行兩個工具，同時有將近 80% 的使用率。您不僅擁有兩倍的工具，同時每個工具處理 的晶圓也多出 30% — 改善幅度達到 260%。擁有 n+1 個 工具的影響比較不如擁有大型工具集，但是適用於相同 的原則，而且這是大型晶圓廠所享有的規模經濟的基礎 之一。大型晶圓廠一般都有低 CT 和低成本／晶圓比， 原因是他們能夠以高使用率的方式執行工具，而不需要 攀升至操作特性曲線中最陡峭的部份。
大型晶圓廠一般都有低 CT 和低 成本／晶圓比，原因是他們能夠 以高使用率的方式執行其工具， 而不需要攀升至操作特性曲線中 最陡峭的部份。 另一個有趣的情況是一致的情況，因為有專屬（或「黃 金」）的工具對於 CT 而言是最糟糕的事情之一。圖 3 顯示在有五個符合的明視野檢測工具檢測製程中的五 個層級，對照 4 個符合的工具檢測四個層級和一個專屬 （黃金）工具檢測一個層級（為了簡化的緣故，此 處假設 100% 取樣）時，對於週期時間的影響。不要讓
6
4.0 1000 Hrs MTBI
1 Tool 2 Tools 3 Tools 4 Tools 5 Tools
5 4
100 Hrs MTBI
Cycle Time (Days)
Cycle Time ( x Process Time)
除了工具的數目以外，對於 CT 的其他首要影響是相關 的變化、可用性和使用率。如果我們以人工方式將可 用性與使用率分別設定為 95% 和 85%，我們將會在週 期時間中看見一些有趣而預期外的趨勢。以給定的可
經常是反直覺性的（同時是反生產力的）。
3 2 1 0 0%
20%
40%
60%
80%
100%
Utilization
|
2.0
1.0
0.0 50%
60%
70%
80%
90%
100%
Utilization
圖 1：在有 1 到 5 個工具的工具集中的週期時間與使用率的對照。週 期時間單位是工具處理時間的倍數。在每個工具集中擁有多個工具的 大型晶圓廠擁有優勢，因為他們能夠以更高的使用率運作，對於週期 時間並沒有過多的影響。
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圖 2：有相同可用性 (95%) 但是不同 MTBI（和 MTTR）的兩個工具集 的週期時間與使用率的對照。從週期時間的觀點來看，在相同的可用 性中最好能夠有許多短的停機事件（MTBI = 100 小時）而不是相對 較少的長停機時間（MTBI = 1000 小時）。此範例中的差異是 1 天及 85% 的使用率。 25
晶圓廠經濟情況 時，將這些工具工具視為匹配（也就是說，不保留批次 以等待在其他工具之一中執行的黃金工具），但是這樣
4.0
將會得知增加的測試風險成本。
1 Golden & 4 Matched
Cycle Time (Days)
5 Matched Tools 3.0
服務契約為週期時間管理提供三倍的優點。第一（也是 最重要的）是它們能夠增加工具的可用性。接下來，它
2.0
具有自動減少使用率的新增優點（使用率等於生產時間 除以可用時間）。最後，服務契約可以明顯地減少停機
1.0
時間的變化性，對於週期時間有明顯的貢獻。圖 4 顯 0.0 50%
60%
70%
80%
90%
100%
Utilization
示以下兩種不同情況下，六個明視野檢測工具的操作曲 線：一種情況是其可靠的特性是可請款工具的典型；另 一種情況是根據服務契約已經涵蓋的六種工具。更快的 回應時間（停工期間減少，可用性增加）以及停工期間
圖 3：將層級提供給特定的「黃金工具」會產生「單一工具」環境（請 參見圖 1），並且會大幅增加在較高使用率時會加重的週期時間。在此 情況中，週期時間幾乎是不匹配工具之結果的兩倍。
的變化性減少，可減少約 1.9 天的週期時間。另一個關 鍵因素為，由於使用率等於生產時間除以可用時間，因 此工具集運作的使用率可達 85%，而根據服務契約，可 以在約 82% 使用率下執行可請款費用。
4.0
隨著 IC 產業受到消費性電子產品帶動的影響日趨增加，
Billable
Cycle Time (Days)
Contract
週期時間（或者也等於上市時間）對於晶圓廠而言將更
3.0
為重要，因為他們必須努力在最正確的時間生產出數量 最正確的產品。成為為預期客戶提供設計範例的第一個
2.0
IC 製造商，所產生的產品開發績效不是可帶來龐大的業 務商機，就是可能使業務中斷。同樣地，當市場價格進
1.0
入衰退期或是當消費者只是想要使用「下一個新事物」 0.0 50%
60%
70%
80%
90%
100%
度是以盈餘或是虧損作收。雖然對於週期時間重要性並
Utilization 圖 4：將六個明視野工具從可請款轉換成服務契約對於週期時間的影 響。可用性的增加可藉由讓契約中的工具將操作曲線平坦化達成，同 時也有助於降低使用率（使用率等於生產時間除以可用時間）。如果 可請款工具達到 85% 的使用率，服務契約可以減少週期時間達 1.9 天。
四個層級的所有經歷的週期時間由五個工具的操作曲線 所代表（參見圖 1），您讓四個層級的週期時間由四個工 具的曲線代表，而讓一個層級的週期時間由只包含一個 工具的工具集曲線代表。在此情況中，不匹配工具的淨 效應是使得該工具集的總週期時間增為兩倍（圖 3）。 晶圓廠減輕以上影響的方法是在每當黃金工具無法使用
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時，能夠掌握價值數億的進行中工作，就可決定公司年
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不是很大的 IC 業者而言，或許仍然有（以後也將持續 有）利基存在，但是在可預見的未來中，一般的趨勢仍 然是減少週期時間以及增加營運效率。因此，產品與服 務將可獲得更多重點，提供更高的可用性並減少晶圓廠 環境中的變化性。 參考資料 1. W.J. Hopp and M.L. Spearman, McGraw-Hill, “Factory Physics”， 2001 年第 223 頁 2. Clayton Christensen, “Solid State Technology”，2001 年 8 月 3. W.J. Hopp and M.L. Spearman, McGraw-Hill, “Factory Physics”， 2001 年第 325 頁
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