工厂为何以及如何关注 CT 改进

作者：詹妮弗-罗宾逊

在新的一年开始之际，我想这是一个好时机，让我们从细节入手，谈谈为什么良好的周期时间对工厂很重要，为什么它很难实现，以及我们在高层应该做些什么来改善它。 如果您的管理团队认为不值得在周期时间改进方面投资，或者不知道如何开始，请考虑转发本期文章。

改善晶圆厂生产周期有三个广泛的经济理由：

1. 降低成本。
2. 提高价格。
3. 提高产量。

1. 降低成本

缩短生产周期有助于降低成本，主要有两种方法： 1) 降低工厂的在制品数量；2) 减少废品和返工。

降低 WIP： 我们从利特尔定律中了解到，如果工厂保持相同的吞吐率并缩短周期时间，WIP 也会减少。 (请参阅第 21.06 期：利特尔定律与指标选择，订阅者可从 FabTime 新闻通讯存档中下载。 详见下文）。 减少 WIP 为降低成本提供了三个机会：

• ECN 节约：当工厂的 WIP 减少，并发出工程变更通知时，受影响的晶圆数量就会减少。 节省的成本可估算为 WIP 变化 * ECN % * 处理 ECN 的每个晶圆成本。
• 降低持有 WIP 的成本：降低晶圆厂的 WIP 水平可一次性降低持有 WIP 的成本。
• 降低注销过时库存的风险（减少所需的安全库存）。 每当工厂在生产后持有存货时，都有可能出现部分存货在出售前就已过时的情况。 缩短周期可以减少必须作为安全库存的库存量，从而降低库存被注销的可能性。

减少废料和返工： 与我交谈过的大多数人都认为，周期缩短会减少报废晶圆的数量。 一个直观的论点是，晶圆在工厂中停留的时间越短，出错的几率就越小。 还有一种观点认为，如果晶圆厂中的 WIP 减少（如果周期时间缩短，WIP 也会减少），那么晶圆厂团队就能更快地发现设备问题，这样受影响的晶圆就会减少。

提高产量可降低以下成本

• 原始晶圆（我们不必启动那么多的晶圆来实现相同的产量）。
• 消耗品（我们不会在最终报废的晶圆上浪费消耗品）。

同样，周期时间越短，返工越少。 举例来说，WIP 越高，违反流程步骤之间的时间限制并引发返工的几率就越大。 (参见第 24.02 期： 管理晶圆厂工艺步骤之间的时间限制.) 减少返工还能降低耗材成本。 有关返工对工厂周期时间影响的更多信息，请参阅我们时事通讯档案中的第 22.03 期。

减少废品和返工可以释放一些浪费的工具产能（用于处理后来报废的晶圆或重新处理返工的产能）。 这有助于进一步缩短周期时间，从而形成正反馈循环。

2. 缩短上市时间带来高价格

增加销售收入可能是最有希望证明改进周期时间的成本合理性的途径。 这也是最难量化的途径，因为它需要假设客户未来将支付多少费用。 然而，举一个非常简单的例子，假设通过缩短 20% 的周期时间，贵公司可以更快地将关键的新产品推向市场，并可以收取 30% 的溢价（在有限的时间内）。 您可以很容易地计算出这对贵公司的价值。

以下是通过缩短周期来增加销售收入的三种潜在途径：

R1) 设计成功 - 增加学习周期：

更短的研发周期 -> 更多的产品开发学习周期 -> 更多的实验和产品改进时间 -> 更有竞争力的产品 -> 更多的设计成功 -> 更多的收入。

R2) 设计成功 - 率先进入市场：

缩短研发周期 -> 加快产品开发 -> 率先上市 -> 增加设计成功率 -> 增加收入。

R3) 定价溢价 - 率先上市：

更短的研发周期 -> 更多的产品开发学习周期 -> 更快的产品开发 -> 率先上市 -> 新产品定价溢价 -> 增加收入。

当然，在市场周期的某些阶段和某些利基市场，这一点更为重要。 但是，在许多情况下，缩短周期确实可以带来更高的收入。 如果您在铸造厂工作，您可能很清楚缩短周期时间对客户的价值。 更多详情，请参阅第 7 卷第 7 期：周期时间改进工作的财务理由和第 3 卷第 5 期：周期时间管理的底线效益，这两期均可供订阅者从 FabTime 新闻通讯存档中下载。

3. 提高产量

当工业工程师计划晶圆厂的产能时，他们会计划在每个工具可用于生产的时间内，以一定的百分比运行该工具。 正如本简讯中广泛讨论的那样，典型的做法是为每种工具留出一定的缓冲能力，而不是计划以 100% 的利用率运行工具。 这种缓冲能力有助于工厂从变化中恢复，并避免过高的周期时间。 缓冲区的大小取决于工具组中同类工具的数量、工具的成本以及其他考虑因素。 具有一定冗余度的工具的缓冲时间一般为可用时间的 15%。

如果一个工厂能通过减少可变性来缩短周期时间，那么该工厂就有可能减少关键工具组的缓冲能力。 这样，工厂就能使运行曲线趋于平缓，并在工具负载稍高的情况下实现目标周期时间。 这意味着，对于相同的工具组和周期时间目标，工厂可以启动更多的晶圆。 如果市场条件允许，晶圆厂可以销售额外的晶圆，那么经济效益就很容易量化（每片晶圆的净利润乘以一定时期内生产的额外晶圆）。

下面是一个例子。 如果该工厂的目标平均周期时间为 3 倍，且处于最高变化率条件下（红色曲线），则必须将瓶颈的利用率限制在 80.1%。 如果转到变异性较低的工况（绿色曲线），则可以将瓶颈负荷提高到 84%。 转到蓝色曲线后，负载将增加到 87%。 虽然瓶颈利用率提高的幅度可能会被夸大，但即使瓶颈负荷提高 1%或 2%（进而提高工厂吞吐量），也会带来巨大的经济效益。

在上面的章节中，我们探讨了由于周期时间的缩短而导致工厂成本降低和/或收入增加的几种途径。 其他效益可能较难量化，但也能增加价值。 例如

• 周期时间越短，客户越满意。 更短的周期时间通常也是更可预测的周期时间，从而带来更好的准时交货（OTD）性能。 更好的按时交货性能会让客户满意。
• 更短的周期时间让管理者更开心。 WIP 减少的精益工厂更灵活，更能应对市场变化。 WIP 减少的工厂总体上更易于管理。

客户更满意，员工更开心。 何乐而不为呢？

关于晶圆厂为何没有更好的周期时间，简而言之，答案是：成本、复杂性和变化： 成本、复杂性和变化。

• 晶圆厂设备价格昂贵。
  •  
  • 新的尖端晶圆厂的成本可达 200 亿美元。
  • 最昂贵的 EUV 工具每台成本达 2 亿美元。 即使是 "不那么昂贵 "的传统工具也需要 500 万到 1000 万美元。
  • 晶圆厂经理面临着让这些昂贵工具保持运转的压力！ 这就导致工具利用率高（我们知道，工具利用率高会导致生产周期延长）。关于晶圆厂为何没有更好的周期时间，简而言之，答案是：成本、复杂性和变化： 成本、复杂性和变化。

• 晶圆厂工艺流程漫长而复杂。 如今的产品可能有近 100 层，1000 多个工艺步骤。 这带来了大量的可变性，当然也增加了周期时间。
• 产品和技术组合变化 迅速。 这意味着
  • ：工艺工程师可能无法在足够多的工具上验证新配方；
  • 处于技术前沿的工具可能因为是新工具而不可靠；
  • 传统工具可能因为已经磨损而不可靠，而更换它们要么在技术上不可行，要么成本高昂。

25 年来，我一直在问人们这个问题的变体： "为什么你们工厂的生产周期很长？" 受访者列举了许多详细的原因。 在一年左右的时间里，我们让订阅本新闻通讯的人从一系列选项中选择他们认为导致生产周期延长的首要原因。 123 位受访者的结果汇总如下。 (详见第 24.04 期： 有关更多信息，请参阅第 24.04 期：常见晶圆厂周期时间成因 ）。

值得注意的是，上述清单中的一些因素是针对特定工厂的（工艺步骤之间的时间限制、重入流），而其他因素则适用于一般工厂。 不可否认的是，在晶圆厂中实现极短的周期时间具有挑战性（尤其是在高需求推动高利用率的情况下）。

我们知道，缩短晶圆厂的生产周期不仅能带来经济效益，还能使晶圆厂的运营更加轻松。 接下来的问题是：我们应该如何去做？

我建议分三步走，如下所示。

基本原理：第一步是帮助你的团队了解从哪里查找问题以及问题的原因。 这也是本期通讯和循环时间课程的重点。 如果我们不了解工厂是如何运作的，就很容易犯错误，从而降低绩效。 这些错误可能包括启动过多的晶圆、引入过多的可变性，或者让缺乏操作员或技术人员交叉培训的情况限制了你的绩效。

数据：改善工厂生产周期所需的第二件事就是数据。 我们需要能够看到工厂当前存在的问题，并对其进行优先排序，这样我们就能集中精力解决那些能带来最大效益的问题。 这些数据必须是前瞻性的。 仅仅知道发生了哪些问题是不够的（尽管这其中可能有宝贵的经验）。 我们想知道我们今天可以解决哪些问题，以帮助我们在未来改善周期时间。

行动：我们可以花尽可能多的时间学习工厂物理知识，收集有关工厂情况的数据。 如果我们不采取任何行动，就不会看到任何改进。 要采取的行动可能包括

• 购买工具和招聘人员。
• 改变操作方式（批量工具、PM 计划等），以减少变异性或释放缓冲能力。
• 实施控制技术，如调度程序和其他智能制造解决方案。

重要的是采取某种形式的行动。 理想情况下，我们可以在采取行动之前和之后衡量绩效，看看在特定情况下什么方法最有效。

基本原理：INFICON 网站提供了一些用于了解工厂周期时间基本原理的资源，包括

• PDF 格式的 FabTime 时事通讯往期。 订阅者可以下载单期或完整存档。 此外，还有一个 PDF 文件，其中包含迄今为止所有时事通讯的摘要。 现有订阅者可在最新的电子通讯中找到存档链接。 新用户注册后即可看到该链接。
• FabTime 运行曲线电子表格，这是一种基于 Excel 的实用工具，用于探索与可变性、利用率和合格工具数量相关的权衡。
• 有关FabTime 周期时间管理课程的信息，这是一个基于团队的四小时课程，可帮助您的团队了解晶圆厂周期时间的基本驱动因素。
• 这是一个PDF 文件，包含晶圆厂周期时间教程以及各种排队公式，创建于 FabTime 初期。
• 我的 FOA Fab Star 网络研讨会视频，内容涉及工厂周期时间的基本驱动因素。 请点击此链接并滚动到页面底部观看。

数据：INFICON FabTime和Factory Dashboard软件产品的设计目的都是为了让晶圆厂的工作人员能够获得改进所需的数据。 例如

• 按工具组划分的运行周期时间数据，以及每个工具组的在制品等待小时数。 这两张图表都突出了目前对周期时间影响最大的工具。 改进这些工具可以改善未来的周期时间。
• 动态周期时间和动态 x 因子，这两项功能都可以对周期时间进行前瞻性分析，以便在大批量生产之前及时纠正问题。
• 按工具组划分的待机-在制品-等待时间和后处理时间，可作为人员配置限制的指标。
• 当前设备状态和即将进行的计划维护，以便合理调配工程师。

行动：采取行动改善周期时间的方法之一是增加产能和/或人员。 当然，这种方法并不总是可行。 但是，您可以采取许多措施来降低工厂的可变性，并使工厂更有效地运行。 这些措施包括改变操作方法和使用更智能的软件工具。

• FabTime 新闻通讯》中有几篇文章介绍了有关改变操作实践的建议，包括
  • ：工厂周期时间改进框架（第 23.06 期）
  • 工厂周期时间改进的 10 项建议（第 22.02 期）工厂周期时间改进的
  • 10 项更多建议（第 24.01 期）。
• 许多工厂正在从标准调度转向智能调度。 INFICON工厂调度器采用先进的启发式、线性规划、优化和智能搜索算法，为您的工厂生成实时优化的调度计划。 集成的NextMove产品可为现场的材料处理人员和操作人员提供指导。

缩短晶圆厂的周期时间在经济和质量上都有明显的好处，尽管晶圆厂环境的结构性现实使其难以实现。 昂贵的工具、复杂的工艺流程和高水平的产品组合导致了高利用率和高可变性，以及工具冗余不足。 我们认为，必须采取三管齐下的方法来缩短生产周期。 工厂团队需要接受教育，以了解从何处查找问题以及问题的原因。 他们还需要灵活获取数据，以突出当前和未来的问题。 最后，他们需要采取行动，无论是扩大能力和人员配置，还是改变操作方法或增加软件控制技术。 我们提供了这些领域的资源链接，并期待有机会为您提供帮助。

感谢许多人积极参与我们的周期时间管理课程。 我们从每一组学员身上都能学到新的东西，而不断增长的知识库也为本文提供了参考。