基于改進(jìn)A-Kano 模型的外延設(shè)備控制系統(tǒng)研究

戴科峰，梁啟恒，唐卓睿，毛朝斌

（季華實驗室，廣東佛山 528200）

0 引言

作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表，碳化硅具有擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速率高、抗輻射能力強等優(yōu)越性能。碳化硅半導(dǎo)體器件憑借其低損耗、輕型化、小型化的特點，在新一代雷達(dá)、衛(wèi)星通信、高壓輸變電、軌道交通、電動汽車、通信基站、航天、軍工、核能等重要領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的戰(zhàn)略競爭高地。

碳化硅的外延生長是碳化硅半導(dǎo)體器件制備過程中至關(guān)重要的一步。而自動化碳化硅外延設(shè)備控制技術(shù)是碳化硅外延裝備的關(guān)鍵技術(shù)之一［1-5］。由于外延工藝驗證的條件復(fù)雜，需控制的參數(shù)眾多，各個參數(shù)之間高度耦合，互相影響，對控制系統(tǒng)的精度、實時性、穩(wěn)定性要求極高，并且參數(shù)微小變化對實驗結(jié)果影響很大［6-7］。目前碳化硅外延設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計尚處于起步階段，如何設(shè)計出一套滿足性能要求、面向用戶需求的自主研發(fā)的控制系統(tǒng)以提高產(chǎn)品質(zhì)量及用戶滿意度，成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

Kano模型是東京理工大學(xué)教授狩野紀(jì)昭（Noriaki Kano）發(fā)明的對用戶需求分類和優(yōu)先排序的有用工具，以分析用戶需求對用戶滿意的影響為基礎(chǔ)，體現(xiàn)了產(chǎn)品性能和用戶滿意之間的非線性關(guān)系［8］。傳統(tǒng)Kano模型作為一種定性需求分析方法，難以將滿意度這一感性的情感訴求量化為具體的功能需求［9］。為解決傳統(tǒng)Kano方法的固有缺陷，Qianli Xu和Roger提出了A-Kano［10］，利用離散值代替確定性值，把定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎糠治觯梢暂^好地解決用戶的實際體驗和需求問題，已成為洞察消費者需求的有效工具。宋明亮等［11］利用A-Kano 模型分析房車用戶需求，為房車功能配置方案提供參考。王偉等［12］通過A-Kano模型輔助微信導(dǎo)覽小程序的功能需求屬性分類及優(yōu)先級排序，有效提高了用戶滿意度。

為了精準(zhǔn)洞察用戶需求，本文通過對問卷選項分值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計以改進(jìn)A-Kano 模型，應(yīng)用該方法對收集到的用戶需求進(jìn)行定量分析，分為基礎(chǔ)型、期望型、魅力型需求3 類，指明了控制系統(tǒng)的研發(fā)路線與側(cè)重點。研究設(shè)計得到的碳化硅外延設(shè)備控制系統(tǒng)具備直觀便捷、功能完備、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，經(jīng)工藝驗證，能很好地滿足碳化硅外延的質(zhì)量要求，用戶調(diào)研滿意度較高。

1 外延設(shè)備控制系統(tǒng)的需求分析

1.1 A-Kano模型介紹

根據(jù)不同類型的質(zhì)量特性與顧客滿意度之間的關(guān)系，狩野教授將產(chǎn)品服務(wù)的質(zhì)量特性分為5 類：

（1）基本（必備）型質(zhì)量——Must-be Quality／ Basic Quality；（2）期望（意愿）型質(zhì)量——One-dimensional Quality／ Performance Quality；（3）魅力（興奮）型質(zhì)量——Attractive Quality／ Excitement Quality；（4）無差異型質(zhì)量——Indifferent Quality／Neutral Quality；（5）反向（逆向）型質(zhì)量——Reverse Quality。

以上前3 種需求根據(jù)績效指標(biāo)分類就是基本因素、績效因素和激勵因素。其中，必備型質(zhì)量需求（M）是指用戶認(rèn)為理應(yīng)具有的需求要素，當(dāng)產(chǎn)品具有此要素時，用戶的滿意度通常不會提高，但若不具備，用戶滿意度就會大幅降低；期望型需求（O）是指當(dāng)產(chǎn)品具備某項要素時，用戶滿意度會提高，當(dāng)其不具備時，用戶滿意度會降低；興奮型需求（A）是指令用戶感到興奮的產(chǎn)品功能，在產(chǎn)品中提供興奮型需求將大幅提升用戶對產(chǎn)品的滿意度，但產(chǎn)品若不表現(xiàn)興奮型需求，用戶也不會降低對產(chǎn)品的滿意度；無差異型需求（I）是指無論產(chǎn)品是否具備某項要素，都不會影響用戶對產(chǎn)品的滿意度；反向型需求（R）是指若產(chǎn)品具備某項要素，用戶滿意度會因此降低，反之則會提高［13-15］。

1.2 控制系統(tǒng)原始需求描述

通過會議討論、問卷調(diào)查、專家訪談3 種數(shù)據(jù)信息來源獲得的用戶對外延設(shè)備控制系統(tǒng)的56 項用戶需求如表1 所示。

表1 原始需求描述

1.3 原始需求的功能類型整合

根據(jù)功能類型對用戶原始需求進(jìn)行系統(tǒng)整合和分類后，確定外延系統(tǒng)的9 大功能型細(xì)分如表2 所示。

表2 功能型細(xì)分

1.4 基于A-Kano模型的問卷優(yōu)化設(shè)計

為了確保用戶調(diào)研的廣泛性與可靠性，選擇的調(diào)研人群除外延設(shè)備研發(fā)人員外，還包括一定數(shù)量的芯片廠商、高校、實驗室等潛在用戶。最終獲得有效調(diào)研問卷149份。

為了調(diào)查用戶對碳化硅外延控制系統(tǒng)是否具備某功能時的雙向滿意度和重要性權(quán)重評價。將用戶對每項二級功能的評價依次劃分為“喜歡”“理所當(dāng)然”“無所謂”“能容忍”“不喜歡”5 個選項。與傳統(tǒng)A-Kano模型的調(diào)查問卷［5-7］有所不同的是，由于原始需求由用戶調(diào)研得到，因此假設(shè)各功能型不存在負(fù)面評價，問卷采用非對稱評分設(shè)計。除此之外，為了確保A-Kano 的調(diào)查問卷所得到的結(jié)果與傳統(tǒng)Kano 模型沒有原則上的偏差，將“具備該功能時感到理所當(dāng)然”以及“不具備該功能時感到能容忍”兩個選項的分值從0.5 優(yōu)化為0.25。而衡量該項功能重要程度的權(quán)重值在［0，1］內(nèi)均勻分布選擇。問卷內(nèi)容如表3 所示。

表3 滿意度調(diào)研問卷

1.5 調(diào)研結(jié)果數(shù)據(jù)處理與分析

由式（1）～（3）計算得到外延設(shè)備控制系統(tǒng)需求的用戶滿意度調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表4 所示。

將xi、yi轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系下得到向量Si＝（si，αi），其中si表示衡量了該項功能需求的重要程度，ai則反映了該項控制需求所屬類型。其計算公式與分類標(biāo)準(zhǔn)如下式所示：

由表4 以及式（4）～（6）可繪制外延設(shè)備功能需求的A-Kano模型分析如圖1 所示。由圖可知，顯示基本信息、器件控制、設(shè)備管理和工藝運行和控制屬于基本型需求，狀態(tài)呈現(xiàn)、系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)性能和輔助功能屬于期望型需求，而統(tǒng)計和提醒屬于魅力型需求。上述結(jié)果為碳化硅外延設(shè)備控制系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計提供參考。

2 典型需求的設(shè)計、實現(xiàn)與優(yōu)化

通過A-Kano 模型的調(diào)研和分析，得到了屬于基本型需求、期望型需求和魅力型需求的需求清單。按照Kano模型的原則，控制系統(tǒng)研發(fā)策略為確保滿足基本型需求的前提下，盡量滿足期望型需求，進(jìn)一步地實現(xiàn)魅力型需求以求有效提升用戶滿意度。研發(fā)優(yōu)先級從必要程度高到低排序，處于同一需求層級則根據(jù)重要程度的權(quán)重均值ˉw從大到小排序。由上，本節(jié)闡述了3 類典型需求的設(shè)計、實現(xiàn)與優(yōu)化研發(fā)方案。

2.1 穩(wěn)定的基礎(chǔ)型需求

軟件體系結(jié)構(gòu)決定了一個系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)、宏觀特性和具有的基本功能等特性。正如大型建筑物的成功關(guān)鍵在于主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，復(fù)雜軟件的成功在于軟件系統(tǒng)有宏觀層次上結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性和合理性。外延軟件的開發(fā)過程中，運用了軟件工程和設(shè)計模型等理念，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、無故障，保障了基礎(chǔ)型需求的實現(xiàn)。

2.1.1 過程模型的選擇

過程模型是為了解決軟件開發(fā)的混亂狀態(tài)，使軟件開發(fā)更為有序。傳統(tǒng)的瀑布模型（Waterfall Model），是一個系統(tǒng)的、順序的軟件開發(fā)方法，從用戶需求規(guī)格說明開始，通過計劃、建模、構(gòu)建和部署，提供一個完整的軟件并提供持續(xù)的技術(shù)支持，如圖2 所示。但是瀑布模型存在交付周期長、質(zhì)量反饋滯后、無法快速根據(jù)反饋調(diào)整需求、最終交付的產(chǎn)品偏差較大等缺點。

圖2 瀑布模型

所以選擇了增量開發(fā)模型，如圖3 所示，通過優(yōu)先交付核心產(chǎn)品功能，滿足產(chǎn)品基本需求，持續(xù)交付產(chǎn)品附加特性，不斷重復(fù)，持續(xù)優(yōu)化。每一個增量模型都是一個可運行的產(chǎn)品，規(guī)避了前期開發(fā)人力不足、采購器件未到位影響軟件調(diào)試開發(fā)等相關(guān)風(fēng)險。研發(fā)過程中，已經(jīng)交付了5 個大的增量版本，后續(xù)還會持續(xù)地根據(jù)用戶需求和工藝要求交付新的版本。

圖3 增量模型

2.1.2 軟件架構(gòu)分析和設(shè)計

在軟件架構(gòu)選擇上，對比分析了3 個典型系統(tǒng)軟件架構(gòu)，如表5 所示。

表5 典型系統(tǒng)介紹

從功能性、可靠性、可使用性、可維護性、可移植性、效率等幾個方面評估，如表6 所示，最終基于系統(tǒng)三的基礎(chǔ)上選定架構(gòu)方案：WPF ＋MVVM。

選定的架構(gòu)具有導(dǎo)航清晰，學(xué)習(xí)成本低、代碼可重用度高、可維護性強、界面設(shè)計和代碼邏輯分離，可移植性高、支持多種界面效果，支持3D 和動畫等優(yōu)點。

表6 系統(tǒng)架構(gòu)對比分析

2.1.3 多語言方案設(shè)計

Visual Studio有多種方式實現(xiàn)多語言方案，比如在Resource 中添加不同的資源文件、也可以通過安裝“Multilingual App Toolkit”來實現(xiàn)多語言，在本項目中，對比了幾個不同的方案之后，選擇的是“資源字典”的方式實現(xiàn)多語言切換。

使用資源字典，首先新建兩個字典文件en-us.xaml、zh-cn.xaml。將兩個資源字典添加到App.xaml 中，在界面設(shè)計器中需要顯示的位置添加動態(tài)資源，動態(tài)切換，重新加載資源文件。

實際的編程過程中，如果需要支持一個新的多語言字符串，兩步即可實現(xiàn)：（1）在對應(yīng)的語言文件中新增key和key對應(yīng)的字符串；（2）使用該key。這樣的設(shè)計方式帶來極大地便利，不會引入新的問題，同時也利于擴展新的語言。

2.2 極致的期望型需求

期望型需求是用戶的癢點，其主要作用是用來區(qū)分“可以用”與“好用”。外延軟件雖然有其跟設(shè)備結(jié)合的特殊性，但它的軟件界面，存儲空間、響應(yīng)性能等同樣是用戶非常關(guān)注的部分。通過應(yīng)用界面設(shè)計的原則和算法優(yōu)化，確保用戶在使用控制系統(tǒng)的過程中保持好的用戶體驗。

2.2.1 用戶界面設(shè)計

用戶界面（User Interface）是用戶和設(shè)備進(jìn)行交互和信息交換的媒介。軟件的界面設(shè)計經(jīng)歷了一個持續(xù)優(yōu)化的過程，大致分為3 個階段：第一階段界面相對簡單，目標(biāo)是實現(xiàn)上下位機的對接控制；第二階段界面布局逐漸完善，功能豐富；第三階段運用界面設(shè)計“黃金原則”，即用戶操縱控制、減少用戶記憶負(fù)擔(dān)、保持界面一致進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 以主控界面的3 個階段為例，展現(xiàn)了用戶界面的逐步演進(jìn)和完善。控制系統(tǒng)的界面設(shè)計保持了整體風(fēng)格的統(tǒng)一完整，界面呈現(xiàn)與實物相匹配，減少用戶的記憶負(fù)擔(dān)，所見即所得。為用戶提供了靈活的交互方式，允許用戶交互過程中撤銷和中斷。相關(guān)設(shè)置值設(shè)置缺省值，給出符合要求的提示信息，提高效率，減少出錯的概率。

2.2.2 數(shù)據(jù)存儲的優(yōu)化設(shè)計和實現(xiàn)

數(shù)據(jù)記錄功能完整、準(zhǔn)確、自動存儲了工藝過程中的各項重要參數(shù)設(shè)置，包括工藝時間、運行模式、各類儀表讀數(shù)、開關(guān)閥門開合狀態(tài)等等。以上數(shù)據(jù)屬于典型時序序列數(shù)據(jù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)變化平滑、采樣頻率高、數(shù)據(jù)量大的特點［16］。為確保工藝參數(shù)記錄的實時性，每個采樣周期會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，經(jīng)過長期、多次工藝流程，將占用大量存儲空間。

各類數(shù)據(jù)壓縮算法可有效降低數(shù)據(jù)存儲成本。由于外延設(shè)備的數(shù)據(jù)寫入存儲與讀取查詢操作的迅速性要求不高，而且當(dāng)工藝流程穩(wěn)定采用自動工藝大批量生產(chǎn)時，所記錄的工藝數(shù)據(jù)大同小異，因此應(yīng)用壓縮率較高的基于學(xué)習(xí)字典的壓縮感知數(shù)據(jù)壓縮算法［17］。

該算法通過K-SVD 字典學(xué)習(xí)［18］將數(shù)值型數(shù)據(jù)的特征提取到學(xué)習(xí)字典中，利用學(xué)習(xí)字典中M ×N（M?N）的觀測矩陣對1 ×N的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮采樣，得到維數(shù)為M ×1 的觀測信號。這一過程可以視為把原始數(shù)據(jù)投影到一組非正交基構(gòu)成的空間中，而在每個基上投影的系數(shù)，就是觀測信號中的元素。非正交基的冗余性使得其基向量可表示多個正交基向量的特征，從而實現(xiàn)投影系數(shù)的稀疏性，提高數(shù)據(jù)壓縮率。

圖4 控制系統(tǒng)UI演進(jìn)

以上算法為有損壓縮算法，正常工藝流程生成的數(shù)據(jù)在壓縮率為0.125 的約束下，重構(gòu)值與實際值的均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）能確保小于1。若存儲的數(shù)據(jù)RMSE 大于1，則認(rèn)為工藝流程可能存在異常，將直接儲存原始數(shù)據(jù)，為排除異常提供參考。數(shù)據(jù)壓縮算法一經(jīng)采用，大幅降低了工藝數(shù)據(jù)記錄所占用的存儲空間，存儲成本降低為未采用數(shù)據(jù)壓縮算法前的近1／8。

2.3 驚喜的魅力型需求

魅力型需求是用戶意向不到的功能，是與同類產(chǎn)品形成差異化，構(gòu)建產(chǎn)品核心競爭力的差異化需求。通過提供自動計算及提醒用戶清洗維護的功能，打造出給用戶帶來驚喜的需求。

外延設(shè)備的臟污問題是影響外延效率的主要因素，當(dāng)前主要判斷設(shè)備是否需要維護的標(biāo)準(zhǔn)是外延生長的厚度，一般生長400 ～500 μm就需要對部分部件進(jìn)行保養(yǎng)，部分部件信息如表7 所示。所以需要工藝人員詳細(xì)記錄部件的更換、清洗時間，并記錄每次工藝生長的厚度，作為判斷部件需要清洗的標(biāo)準(zhǔn)。這樣帶來的問題是工作繁瑣，容易出錯，并且更換工藝人員將帶來繁重的交接工作。

根據(jù)跟工藝人員詳細(xì)溝通部件清洗和更換的邏輯，以及生長厚度的計算方式，開發(fā)了自動更換提醒的功能。只需要用戶輸入保養(yǎng)清理的標(biāo)準(zhǔn)，記錄更換或者保養(yǎng)的時間。系統(tǒng)會自動根據(jù)工藝菜單的時間計算出每次工藝生長的厚度，進(jìn)而準(zhǔn)確提醒用戶，省去大量的記錄和交接的工作。

3 驗證與結(jié)果分析

經(jīng)過對控制系統(tǒng)用戶需求的設(shè)計研發(fā)與滿足，以下驗證外延設(shè)備控制系統(tǒng)的工藝結(jié)果，并對用戶使用滿意度進(jìn)行調(diào)查。

3.1 工藝驗證結(jié)果

圖5 表面粗糙度測試點示意圖

表面粗糙度的測試點如圖5 所示，測試結(jié)果如圖6 所示，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的5 點測試法（5 mm去邊處理），從結(jié)果可以看出整個晶片表面粗糙度（RMS）為0.17，表面平整光滑沒有看到明顯的異常凹凸形貌。

圖6 表面粗糙度測試點測試結(jié)果

圖7 膜厚與摻雜濃度測試點示意圖

膜厚與摻雜濃度的測試點如圖7所示，采用標(biāo)準(zhǔn)17點測試5 mm 去邊處理，厚度均勻性分布、摻雜濃度均勻性分布如圖8 ～10 所示，其外延層厚度均勻性和摻雜濃度均勻性（U）分別為0.76%和2.96%（U ＝σ／M ×100%，σ為標(biāo)準(zhǔn)平均偏差，M為所有測試點的平均值），厚度均勻性和摻雜濃度均勻性已達(dá)到行業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 膜厚均勻性

圖9 膜厚分布

圖10 摻雜濃度均勻性

3.2 用戶使用滿意度調(diào)查

在用戶滿意度調(diào)查方面，采用的是NPS（Net Promoter Score），凈推薦值，又稱凈促進(jìn)者得分。NPS 是一種計量某個客戶將會向其他人推薦某個企業(yè)或服務(wù)可能性的指數(shù)［19-20］。凈推薦值是等于推薦者所占的百分比減去批評者所占的百分比。NPS ＝（推薦者數(shù)／總樣本數(shù)）×100%-（貶損者數(shù)／總樣本數(shù)）×100%。

共計收到136 份反饋。NPS 得分為30.56 分。具體如圖11 所示。

通過用戶反饋信息的關(guān)鍵字統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，設(shè)備的“清洗提供”“系統(tǒng)穩(wěn)定性”“界面”等相關(guān)特性用戶反饋較好，這與需求分析和設(shè)計的預(yù)期符合，具體如圖12所示。

圖12 用戶反饋關(guān)鍵字詞云圖

圖11 NPS調(diào)查問卷得分

4 結(jié)束語

面對復(fù)雜多樣的用戶需求以及現(xiàn)有產(chǎn)品間日趨明顯的同質(zhì)化問題，針對外延設(shè)備控制系統(tǒng)，本文首先從交互、功能及造型3 方面探討用戶需求，通過深入訪談等調(diào)查方式進(jìn)行用戶研究，得到更為客觀真實的用戶需求重要度。進(jìn)而利用A-Kano 問卷對用戶需求和滿意度進(jìn)行調(diào)查，通過計算分析得到更為真實、客觀的用戶需求要求及其屬性優(yōu)先級，以此挖掘出需求度最高的魅力型需求。并根據(jù)分類結(jié)果設(shè)計了滿足市場需求的外延控制系統(tǒng)，從而提高用戶的滿意度。主要結(jié)論如下。

（1）針對傳統(tǒng)Kano 模型不能有效反映用戶復(fù)雜多變的心理情況，基于改進(jìn)A-Kano 模型來研究產(chǎn)品的用戶需求，通過優(yōu)化問卷設(shè)計，避免得到與傳統(tǒng)Kano模型相悖的結(jié)果，進(jìn)一步提高了需求劃分的相對準(zhǔn)確性。

（2）根據(jù)A-Kano 模型得到的需求分類結(jié)果以及3類需求的實現(xiàn)優(yōu)先級原則，制定了3 類典型需求的設(shè)計、實現(xiàn)與優(yōu)化研發(fā)方案。工藝驗證結(jié)果及用戶滿意度表明，經(jīng)優(yōu)化的外延設(shè)備控制系統(tǒng)能生產(chǎn)出滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，用戶推薦度高。

（3）建立需求層級關(guān)系與項目開發(fā)的關(guān)系，從架構(gòu)設(shè)計、需求優(yōu)先級排序等更多的方面，滿足用戶的需求，設(shè)計出用戶真正喜愛的產(chǎn)品。