TWI519986B - 動態實驗設計方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種實驗設計方法，尤指一種應用於半導體製程技術之動態實驗設計方法。
在高科技產業的自動化生產製程中，尤其是半導體製程技術，自動化生產機台之製程參數為影響製程表現的關鍵所在。對於會影響生產產品的特性一般稱為品質特性，影響因素稱為因子，而每個因子的可能設定值則稱為因子水準。為了改善產品品質，在生產前多會進行製程參數的實驗設計，由因子的各種因子水準組合來得到實驗結果，以找到特定的因子水準，並藉由改變該因子水準使得產品生產流程能夠最佳化。換言之，實驗設計之主要目的在於探索因子與產品品質之間的關係，進以找尋生產機台的最佳製程參數組合。
習知業界常用的實驗設計方法多採用如田口實驗設計法(Taguchi Method)、因子實驗設計、D最佳化設計等。以下以田口實驗設計法為例，田口實驗設計法具有各種直交表、點線圖、應用技巧及解析方法，導入統計的概念，其目標為追求低成本、高品質之產品，且以縮短開發時間
作考量。操作者只需要適量的實驗次數，不需複雜的演算流程，允許多個參數作為變因，即可簡化及系統化尋找最佳參數組合之流程。在各種工業領域的製程實驗研究中，田口實驗設計法可說是最為廣泛運用的方法之一，且已被證明為一種非常有效的參數最佳化方法。
然而，田口實驗設計法雖為一種非常快速且經濟的實驗設計方法，但在先進高科技製程的實務複雜環境限制下，田口實驗設計法的應用亦碰到許多困難。例如在半導體之高科技產業中，除了必須考量製造技術之演進外，亦要考慮製造機台上眾多設定參數、生產線上機械與流程的變動所造成的因子改變等等。在此種情況下，使用田口實驗設計法在遇到實驗因子改變時，則必須放棄整個實驗設計的分析，重新再啟動一個新的實驗設計。換言之，習知田口實驗設計法並不允許在實驗過程中實務狀況有所改變，即無法根據實務現況機動性地、隨著時間進行調整因子，致使實驗設計無法有效且更彈性的應用在高科技產業上。
是以，實有必要提出一種能夠應用在高科技產業中，且能彈性地因應實驗背景變更，並能動態調整實驗因子的實驗設計方法，遂為目前亟待解決的課題。
本發明之主要目的在於提供一種動態實驗設計方法，係包括下列步驟：定義實驗目標範圍，以及取得至少一第一因子、複數個第一因子水準及複數個實驗徑數；依
據該至少一第一因子及該複數個實驗徑數建立第一實驗設計表；將該複數個第一因子水準輸入至該第一實驗設計表；依據該第一實驗設計表執行實驗；以及檢查該實驗目標範圍是否在實驗進行中更動；其中，若該實驗目標範圍已在實驗進行中更動，則取得至少一第二因子及至少一第二因子水準，將該第二因子新增至第二實驗設計表，將該複數個第一因子水準中已完成實驗者及該第二因子水準輸入至該第二實驗設計表，以繼續實驗設計並持續檢查該實驗目標範圍，而若該實驗目標範圍未在實驗進行中更動，則輸出實驗結果與分析報告。
本發明之另一目的在於提供一種動態實驗設計方法，係包括下列步驟：定義實驗目標範圍，以及取得至少一第一因子、複數個第一因子水準及複數個實驗徑數，其中，該實驗目標範圍包含實驗設計重複次數；依據該實驗設計重複次數、該至少一第一因子及該複數個實驗徑數建立至少一第一實驗設計表；將該複數個第一因子水準輸入至該第一實驗設計表；取得該第一因子之自由度，以據之優化該第一實驗設計表俾取得實驗設計結果；檢查該實驗設計結果之數目是否達到該實驗設計重複次數，若是，則輸出經優化之該第一實驗設計表中最優化者並繼續執行實驗，若否，則回到建立該第一實驗設計表之步驟以重新取得該實驗設計結果；以及檢查該實驗目標範圍是否在實驗進行中更動；其中，若該實驗目標範圍已在實驗進行中更動，則取得至少一第二因子及至少一第二因子水準，將該
第二因子新增至第二實驗設計表，將該複數個第一因子水準中已完成實驗者及該第二因子水準輸入至該第二實驗設計表，以繼續實驗設計並持續檢查該實驗目標範圍，而若該實驗目標範圍未在實驗進行中更動，則輸出實驗結果與分析報告。
11至18、201至213‧‧‧步驟
第1圖係為本發明動態實驗設計方法之一實施例之流程圖；以及第2圖係為本發明動態實驗設計方法之另一實施例之流程圖。
以下藉由特定之具體實施例加以說明本發明之實施方式，而熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點和功效，亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。
請參閱第1圖，第1圖係為本發明動態實驗設計方法之一實施例之流程圖。本發明動態實驗設計方法於步驟11中需先定義實驗目標範圍。所謂的定義實驗目標範圍，係指定義出實驗設計衡量指標以及其他與實驗有關之限制。指標係為實驗中用來衡量實驗結果的量。接著進至步驟12。
步驟12係為取得因子、因子水準及實驗徑數。於一實施例中，所謂的因子係指影響半導體製程機器所製造出來的產品好壞的因素，而因子水準則是指影響因子的半導體
製程機器上的製程參數，例如溫度、壓力、濕度、進料速度、轉速等皆為半導體製程機器上有關製程的因子，而50度、100度則為溫度此一因子的水準，因此每一因子可對應複數個因子水準，然以上僅為示例說明，本發明並不以此為限。另外，實驗徑數係指實驗的樣本數。於一實施例中，因子為至少一個以上，因子水準、實驗徑數通常為複數個，但本發明並不以此為限。另需說明的是，複數個因子可簡稱為因子數，例如因子數為3，即代表有3個因子。接著進至步驟13。
步驟13係為建立空白實驗設計表，該實驗設計表係依據因子數及實驗徑數來建立，而實驗設計表實質上為一NA矩陣。以因子數(p)及實驗徑數(n)為例，該空白實驗設計表即是一n×p之NA矩陣。又以因子數4個、實驗徑數8組為例，則可建立如下表1所示的實驗設計表。表1之實驗設計表第1列中F1~F4各代表不同因子，而第1行中1~8係為實驗徑。接著進至步驟14。
步驟14中係將因子水準中因實驗限制無法更動者輸入至實驗設計表中。在複數個因子水準中，包含了因為實驗限制必須固定因子水準數值、無法作任何更動的因子水準，以及非固定的因子水準。於一實施例中，此一非固定的因子水準係為沒有任何實驗限制而可任意作更動的因子水準，但本發明並不此以為限。在步驟14中，所輸入的因子水準係為因實驗限制無法更動的因子水準，而其輸入的位置必須依據實驗限制來輸入到實驗設計表的固定位置。如下表2所示，所輸入的複數個因子水準X即為固定無法更動的因子水準。必須說明的是，使用X只是為了清楚表示無法更動的因子水準，並不代表該些因子水準皆具備相同意義或製程參數。接著進至步驟15。
步驟15中係將因子水準中非固定者輸入至實驗設計表中。詳言之，在輸入完因子水準中因實驗限制無法更動者至實驗設計表中的固定位置後，接著將因子水準中非固定的因子水準，以最優化的方式輸入至實驗設計表中的剩餘位置，即輸入至實驗設計表中除了已被因實驗限制無法更動的因子水準所佔據的位置外的其他位置。如下表3所示，所輸入的複數個因子水準Y即為非固定的因子水準。必須說明的是，使用Y只是為了清楚表示非固定的因子水準，並不代表該些因子水準皆具備相同意義或製程參數。在此所謂最優化的方式，係指使用者可自由採用已知的演算法，例如採序列式調整的方式等來輸入非固定的因子水準。此外，當然亦可以隨機方式來進行輸入，本發明並不以此為限。
在將因子水準填滿實驗設計表後，接著即可開始進行與執行實驗(步驟16)。此時在實驗過程中，持續檢查實驗目標範圍是否有在實驗進行中進行更動(步驟17)，例如在生產線上新增、減少半導體製造機器，或是因應生產需求必須更動製程參數、生產流程等，此皆會造成因子、因子水準的更動。在實驗過程中途以生產線增加一機器為例，此時原有的因子F1~F4即會增加成F1~F5，因子水準亦會有所變動。因實驗目標範圍已有變動，故先停止實驗進行，重新取得因子、因子水準等數據，再次建立新的空白實驗設計表，而此一新的空白實驗設計表會有F1至F5之5個因子。由於是在實驗設計途中停止模擬，已有部份因子水準已完成實驗者(即完成運算者)，此些已完成實驗的因子水準以X、Y表示，且必須歸類在無法更動的因子
水準此一類別中。接著將此些已完成實驗的因子水準輸入至新的空白實驗設計表，且輸入的位置相同於原先的實驗設計表的位置，如下表4所示。
而重新取得的因子水準包含未完成實驗者及新因子F5所帶來的因子水準，則以最優化的方式輸入至新的實驗設計表中除了已完成實驗之因子水準的位置外的其他位置，其輸入的因子水準以z表示，結果如下表5所示。必須說明的是，使用z只是為了清楚表示所輸入的新的因子水準，並不代表該些因子水準皆具備相同意義或製程參數。除了最優化的輸入方式外，亦可以隨機的方式來進行輸入。
在輸入新的因子水準至新的實驗設計表後，如此一來即可重新以新的實驗設計表繼續實驗設計。步驟17的主要目的，就是檢驗實驗目標範圍是否有在實驗進行中更動，若有更動，則回到步驟12，重新取得新的因子、因子水準等，並依序往下執行步驟13、14、15、16、17，直到實驗目標範圍沒有更動而完成實驗設計時，才會進至步驟18，輸出實驗結果與分析報告。
本發明動態實驗設計方法之另一實施例，請參閱第2圖所示。其中，步驟201、202、203、204、205、211、212、213等步驟係分別相同於前述步驟11、12、13、14、15、16、17、18。上述相同內容於此實施例中不再贅述，以下僅說明本實施例與前述實施例之差異處。
於步驟201中，係定義實驗目標範圍。具體言之，係
定義實驗設計衡量指標以及實驗設計重複次數。而定義此實驗設計重複次數的目的，主要在於提高產生實驗設計表的品質，而影響此一品質的關鍵在於將因子水準中非固定者輸入實驗設計表此一步驟。由於非固定的因子水準在輸入實驗設計表時有多種輸入方式而產生不同的實驗設計表，然並非每種輸入方式皆能取得最優化的實驗設計表，即最優化的方式未必有公式解。因此，在找尋非固定之因子水準輸入實驗設計表時的最佳解可在此流程中以一遞迴尋找之演算法來進行。此外，執行一次演算法所找到的解未必為真實最佳解，因此需反覆執行演算法，以提高找到最佳解的可能性；即使無法找到最佳解，也能讓找到的解近似於最佳解。因此，實驗設計重複次數越多，產生的實驗設計品質就越可靠，但所需時間就越多。故在進行實驗設計時，必須先定義好實驗目標範圍，設定適當的重複次數以及指標。接著進至步驟202。
步驟202即在確定因子、因子水準與實驗徑數。於步驟203中，係建立空白實驗設計表，接著將因子水準中因實驗限制無法更動者輸入至實驗設計表中(步驟204)。接下來，將非固定的因子水準以隨機選擇的方式填入實驗設計表(步驟205)。此處採隨機選擇的方式來輸入非固定的因子水準，係因其可搭配前述的實驗設計重複次數來反覆執行演算法以尋求最佳解或近似最佳解，但本發明亦可採其他已知的優化方式來輸入非固定的因子水準。本發明並不限定將非固定的因子水準之輸入方式。接著進至步驟
206。
步驟206係為取得因子之自由度。所謂的自由度，就是一組數據中可以自由變化的空間維度。舉例來說，假設某因子之三次實驗的水準設定值L1、L2、L3相加必須等於1，即L1+L2+L3=1，因此，當第一次實驗及第二次實驗的水準確定時，第三次實驗也就被確定了(如第一次實驗及第二次實驗的水準分別為L1及L2，則第三次實驗的水準只能是L3=1-L1-L2)。據此，此因子在這三次實驗的設計自由度即為2(因為雖然有三個實驗，但事實上只有兩次實驗可自由調整)。在確定因子之自由度後，接下來針對各因子具自由度的因子水準進行逐步調整，即步驟207中對實驗設計表進行優化。如前例，該因子只有第一次實驗及第二次實驗的水準是具自由度的因子水準，因此只需要對這兩次實驗的水準進行調整，而第三次實驗的因子水準會根據這兩次實驗的因子水準決定。於一實施例中，在調整的時候可先固定第二次實驗的水準L2，進行第一次實驗水準L1的最優化，完成後再換固定第一次實驗水準L1，進行第二次實驗的水準L2的最優化，如此反覆直到不管是單獨修正第一次實驗水準L1還是第二次實驗的水準L2都無法再優化實驗設計表為止。必須說明的是，以上係以單因子的調整方式來說明，本發明並不限於上述單因子的調整方式。
在步驟207優化實驗設計表後，即可取得一組實驗設計結果(步驟208)，而此一實驗設計結果可先儲存至資料
庫中。接著進至步驟209，對實驗設計結果的數目進行檢查是否達到實驗設計重複次數，若未達到，則重新回到步驟203，再建立一空白實驗設計表，以重新進行步驟203~208。如此一來，可取得相對於實驗設計重複次數的數個實驗設計結果。在取得實驗設計結果的個數已符合實驗設計重複次數時，則可從這些實驗設計結果中挑選最佳、最優化之結果作為最終實驗設計表(步驟210)，然後根據此最佳、最優化之實驗設計表執行實驗(步驟211)。接著進至步驟212，檢查實驗目標範圍是否有在實驗進行中更動，此一步驟212之詳細內容相同於前述步驟17，於此不再贅述。直到實驗目標範圍沒有更動而完成實驗設計時，才會進至步驟213，輸出實驗結果與分析報告。
藉由本發明之動態實驗設計方法，在高科技，如半導體產業中，能夠彈性地因應實驗背景的改變，如增加生產線上的機器、即時改變製程參數等，能夠動態調整實驗因子，並可保留已完成實驗的因子水準，減少重新進行實驗設計模擬的時間，克服實務因子限制之問題，解決因子設定必須隨著時間變化的課題，而有適用性、穩健性高的優點。
上述實施形態僅為例式性說明本發明之技術原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此技術之人士均可在不違背本發明之精神與範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。然任何運用本發明所教示內容而完成之等效修飾及改變，均仍應為下述之申請專利
範圍所涵蓋。而本發明之權利保護範圍，應如下述之申請專利範圍所列。
11至18‧‧‧步驟
Claims (10)
- 一種應用於半導體製程之動態實驗設計方法，係包括下列步驟：定義實驗目標範圍，以及取得至少一第一因子、複數個第一因子水準及複數個實驗徑數，其中，該第一因子係指影響半導體製程機器所製造出來的產品好壞的因素，該複數個第一因子水準係指影響因子的該半導體製程機器上的製程參數；依據該至少一第一因子及該複數個實驗徑數建立第一實驗設計表；將該複數個第一因子水準輸入至該第一實驗設計表；依據該第一實驗設計表執行實驗；以及檢查該實驗目標範圍是否在實驗進行中更動；其中，若該實驗目標範圍已在實驗進行中更動，則取得至少一第二因子及至少一第二因子水準，將該第二因子新增至第二實驗設計表，將該複數個第一因子水準中已完成實驗者及該第二因子水準輸入至該第二實驗設計表，以繼續實驗設計並持續檢查該實驗目標範圍，而若該實驗目標範圍未在實驗進行中更動，則輸出實驗結果與分析報告。
- 如申請專利範圍第1項所述之動態實驗設計方法，其中，該複數個第一因子水準包含因實驗限制無法更動者及非固定者。
- 如申請專利範圍第2項所述之動態實驗設計方法，其中，該複數個第一因子水準中因實驗限制無法更動者係依據實驗限制輸入至該第一實驗設計表中的固定位置。
- 如申請專利範圍第3項所述之動態實驗設計方法，其中，在輸入完該複數個第一因子水準中因實驗限制無法更動者後，將該複數個第一因子水準中非固定者輸入至該第一實驗設計表中除該固定位置外的其他位置。
- 如申請專利範圍第1項所述之動態實驗設計方法，其中，該複數個第一因子水準中已完成實驗者輸入至該第二實驗設計表的位置係相同於其在該第一實驗設計表的位置。
- 如申請專利範圍第5項所述之動態實驗設計方法，其中，該第二因子水準係輸入至該第二實驗設計表中除該複數個第一因子水準中已完成實驗者之位置的其他位置。
- 一種應用於半導體製程之動態實驗設計方法，係包括下列步驟：定義實驗目標範圍，以及取得至少一第一因子、複數個第一因子水準及複數個實驗徑數，其中，該實驗目標範圍包含實驗設計重複次數，該第一因子係指影響半導體製程機器所製造出來的產品好壞的因素，該複數個第一因子水準係指影響因子的該半導體製程 機器上的製程參數；依據該實驗設計重複次數、該至少一第一因子及該複數個實驗徑數建立至少一第一實驗設計表；將該複數個第一因子水準輸入至該第一實驗設計表；取得該第一因子之自由度，以據之優化該第一實驗設計表俾取得實驗設計結果；檢查該實驗設計結果之數目是否達到該實驗設計重複次數，若是，則輸出經優化之該第一實驗設計表中最優化者並繼續執行實驗，若否，則回到建立該第一實驗設計表之步驟以重新取得該實驗設計結果；以及檢查該實驗目標範圍是否在實驗進行中更動；其中，若該實驗目標範圍已在實驗進行中更動，則取得至少一第二因子及至少一第二因子水準，將該第二因子新增至第二實驗設計表，將該複數個第一因子水準中已完成實驗者及該第二因子水準輸入至該第二實驗設計表，以繼續實驗設計並持續檢查該實驗目標範圍，而若該實驗目標範圍未在實驗進行中更動，則輸出實驗結果與分析報告。
- 如申請專利範圍第7項所述之動態實驗設計方法，其中，該複數個第一因子水準包含因實驗限制無法更動者及非固定者。
- 如申請專利範圍第8項所述之動態實驗設計方法，其 中，該複數個第一因子水準中因實驗限制無法更動者係依據實驗限制輸入至該第一實驗設計表中的固定位置，且在輸入完該複數個第一因子水準中因實驗限制無法更動者後，將該複數個第一因子水準中非固定者輸入至該第一實驗設計表中除該固定位置外的其他位置。
- 如申請專利範圍第7項所述之動態實驗設計方法，其中，該複數個第一因子水準中已完成實驗者輸入至該第二實驗設計表的位置係相同於其在該第一實驗設計表的位置，該第二因子水準係輸入至該第二實驗設計表中除該複數個第一因子水準中已完成實驗者之位置的其他位置。
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