Fab Trade-Offs: 더 높은 수율을 위한 더 긴 사이클 타임

제니퍼 로빈슨

대부분의 웨이퍼 팹에서 목표는 낮고 예측 가능한 사이클 타임입니다. 팹 내에는 이 목표 달성을 어렵게 하는 구조적 조건들(다양한 제품 구성, 재진입 흐름, 시간 제약)이 존재하지만, 동시에 사이클 타임을 증가시키는 팹 팀의 선택들도 있습니다. 제 경험상 팹들은 더 나은 사이클 타임을 세 가지 요소와 정기적으로 교환합니다: 낮은 비용/높은 수익, 높은 수율, 그리고 우리가 '현상 유지(변화에 대한 저항)'라고 부를 요소입니다.

이 글에서는 두 번째 주제인, 수율 향상을 위해 사이클 시간을 증가시키는 웨이퍼 팹의 선택 사항에 대해 논의하겠습니다. 비용과 사이클 시간에 관한 선택 사항은 지난 호(26.04호)에서 다뤘으며, 현 상태 유지에 관한 선택 사항은 다음 호에서 다룰 예정입니다. 웨이퍼 팹에서 오랜 기간 근무하신 분들께서는 이 논의에 보탬이 될 만한 제안을 하실 수 있을 것입니다. 제안 사항이 있으시면 저희 연락처 양식이나 링크드인을 통해 저에게 연락해 주시기 바랍니다.

수율 향상이 기업의 순이익에 미치는 영향을 정량화하는 것은 간단합니다. 그러나 사이클 타임 증가의 영향을 정량화하는 것은 훨씬 더 복잡한 문제입니다. (사이클 타임 개선의 재무적 이점에 대한 논의는 '왜 그리고 어떻게 팹이 CT 개선에 집중해야 하는가(26.01호)' 참조) 실질적으로 이는 양자가 상충할 경우, 수율 개선보다 사이클 타임 개선을 선택하기가 더 어렵다는 것을 의미한다. 이는 정책이 수율에는 미미한 영향을 미치지만 사이클 타임에는 상당한 영향을 미치는 경우에도 마찬가지일 수 있다.

또 하나 염두에 두어야 할 점은 수율과 사이클 타임 자체가 서로 연관되어 있어, 한쪽을 개선하면 다른 쪽도 개선될 가능성이 높다는 것입니다(단, 반드시 그렇다는 보장은 없습니다). 이 내용은 뉴스레터 5.01호와 5.02호(21년 전!)에서 다룬 바 있습니다. 사이클 타임과 수율의 관계에 대한 초기 견해(주로 웨이퍼가 팹에서 머무는 시간이 짧을수록 문제가 발생할 기회가 줄어든다는 내용)를 발표한 후, 구독자들의 소중한 피드백이 쏟아져 결론을 수정하는 데 큰 도움이 되었습니다. 해당 호들은 FabTime 뉴스레터 아카이브에서 확인하실 수 있습니다. 특히 5.02호의 '구독자 토론' 섹션은 뉴스레터 커뮤니티에 아홉 분이 풍부한 경험을 공유한 내용으로 꼭 살펴보시길 권합니다. 5.02호 말미에 제시했던 결론의 업데이트된 버전을 아래에 재게재합니다.

사이클 시간과 수율 간의 관계는 복잡하며, 장비 활용도와 인라인 테스트 양과 관련된 관리적 절충점을 수반합니다. 개별 로트의 사이클 시간과 수율 사이에 관계가 있을 수도 있고 없을 수도 있습니다. 관계가 존재하더라도, 팹 내 변동성과 평균 사이클 시간의 길이로 인해 정량화하기 어려울 것입니다. 개별 로트에 대한 직접적인 관계가 없더라도, 저희와 많은 관계자들은 어느 정도의 상관관계가 존재한다고 믿습니다. 사이클 시간을 개선하면 수율이 향상되는 경향이 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지라고 생각합니다. 사이클 시간과 수율 관련 몇 가지 추세는 아래에 열거합니다.

• 더 짧은 사이클 시간은 학습 주기의 증가와 수율 상승 속도 향상을 가져옵니다.
• 더 짧은 사이클 시간은 오염 가능성이 줄어들게 하여 웨이퍼당 다이 수율을 높일 수 있습니다.
• 더 짧은 사이클 시간은 오류 탐지까지의 평균 시간 단축과 더 짧은 인라인 피드백 루프를 통해 수율 문제의 신속한 식별으로 이어질 수 있습니다.

• 수율 성능이 개선되면 보류 및 재작업 감소로 인해 사이클 시간이 단축될 수 있습니다. 즉, 상당한 시간을 보류 상태로 보내는 로트는 다른 로트에 비해 사이클 시간이 길어지고(보류 시간 때문) 수율이 저하되는(보류 자체가 수율 문제로 인해 발생하는 경우가 많기 때문) 경향이 있습니다.
• 수율 향상을 위해 사용되는 일부 기법은 사이클 시간을 악화시킬 수 있습니다. 다음 섹션에서 이러한 기법 중 네 가지를 검토합니다.

물론 모든 팹이 이 모든 일을 하는 것은 아닙니다. 하지만 여러분 중 상당수에게 적어도 몇 가지는 익숙할 것이라고 확신합니다.

1. 공정 제한을 통해 단일 경로 작업 구현: 스크랩을 최소화하기 위한 보수적인 접근법은 두 번째 또는 세 번째 장비를 인증하는 대신, 특정 레시피에 대한 가공을 단일 장비로 제한하는 것이다. 물론 이는 팹에 특정 장비 그룹 내 여러 장비가 존재하는 경우에만 적용된다.

• 예상 결과: 해당 공정을 통과하는 방문당 평균 사이클 시간은 두 개의 적격 장비가 있을 때보다 약 두 배가 될 것입니다. 그 이유는 한 공정에서 적격 장비가 하나뿐일 경우, 해당 공정을 통과하는 모든 로트는 그 장비에서 발생하는 모든 변동성에 노출되기 때문입니다. 장비가 가동 중단되면 모든 로트가 대기하게 됩니다. 공정 시간이 긴 로트나 대기열 맨 앞으로 이동하는 긴급 로트가 있으면 다른 모든 로트도 지연됩니다. 두 개의 적격 장비가 있을 경우, 이와 같은 불리한 사건으로 두 장비가 동시에 영향을 받을 확률은 현저히 낮아집니다.
• 아래 그래프는 1개, 2개 또는 3개의 공구로 구성된 장비 그룹의 운영 곡선을 보여줍니다. 장비당 동일한 활용률에서 빨간색 곡선(1개 장비)의 x-factor는 녹색 곡선(2개 장비)의 x-factor보다 약 2배 높습니다. 자세한 내용은 '단일 장비가 팹 사이클 시간에 미치는 영향'(23.05호)을 참조하십시오.

• 가능한 조치: 많은 팹에서는 새로운 공정 흐름을 생산에 적용하기 전에 작업당 최소 두 대의 검증된 장비를 요구하는 정책을 시행합니다. 작업당 세 대의 검증된 장비를 요구하는 파운드리 사례도 있습니다. 다른 경우, 팹은 초기 소량 생산 공정에는 단일 경로 제한을 허용한 후 생산량이 증가함에 따라 두 번째 장비를 검증할 계획으로 운영하기도 합니다. 물론 여기서 중요한 것은 두 번째 장비의 검증 절차를 반드시 수행하는 것입니다. 검증 유효기간이 만료될 경우 장비 재검증에 시간과 인력이 소요됩니다. 가장 큰 위험은 두 번째(심지어 첫 번째이자 유일한) 검증 유효기간이 만료된 후 해당 공정 장비의 재검증을 소홀히 하는 것입니다.
• 아래와 같이 각 작업별 적격 장비 수를 보여주는 차트를 정기적으로 검토할 것을 권장합니다. 본 예시에서는 WIP 대기 중인 작업만 표시됩니다. 그러나 현재 해당 작업에 WIP가 없더라도 공정 흐름상 어디에서든 WIP가 있는 다른 작업들을 포함하도록 필터를 적용할 수 있습니다. 핵심은 공정 제약으로 인한 단일 경로 작업을 점검하고 공정 엔지니어들이 두 번째 장비를 적격화하도록 장려하는 시스템을 구축하는 것입니다.
• 인피콘은 또한 고객사 중 한 곳과 협력하여 최적화 기술을 활용한 새로운 자격 관리 제품을 개발 중입니다. 이 제품은 재고 예측을 기반으로 팹이 어떤 장비가 어떤 제품에 대해 언제 자격을 부여받아야 하는지 지능적으로 관리할 수 있도록 지원합니다. 이는 지난 호(26.04호)에서 제안한 바와 같이 팹이 스마트 제조 피라미드의 상위 단계로 도약하기 위해 투자해야 한다는 권고 사항과 부합합니다. 새로운 자격 관리 제품에 대한 자세한 내용은 당사로 문의해 주십시오.

2. 과도한 검사 수행: 자주 검사를 실시하면 문제를 조기에 발견하여 전체 라인 수율을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 검사 수행에 소요되는 시간은 사이클 타임 측면에서 부가가치가 없으며 작업자 자원도 필요로 합니다. 검사 장비는 경우에 따라 제약 요소가 될 수 있습니다. 추가 검사가 불량률 감소에 미치는 혜택은 제한적인 반면 상당한 사이클 타임을 추가하는, 수익 감소점이 존재한다는 것은 명백해 보입니다.

• 예상 결과: 검사 단계가 이동으로 간주될 경우, 팀들은 과도한 검사를 유도받을 수 있습니다. 팹마다 검사 단계를 이동(FPS 용어로 완료)으로 취급하는 방식과 검사 단계가 제조 주기 시간의 일부로 "계산"되는지 여부가 다릅니다. 웨이퍼에 아무것도 추가되지 않는다는 점에서 부가가치가 없지만, 여전히 제조 조직의 통제 하에 있으므로(따라서 제조 주기 시간의 일부로 간주될 수 있음) 검사 비율이 높은 롯트는 일반적으로 다른 롯트보다 주기 시간이 더 길어집니다.
• 작업자 제약이 있는 팹에서 과도한 검사를 실시할 경우, 작업자들이 부가가치 창출 활동보다 검사 작업에 시간을 소비하는 현상이 발생할 수 있다. 이는 팹의 처리량과 수익성에 부정적인 영향을 미칠 것이다.
• 자동 광학 검사(AOI)는 본호 구독자 토론 포럼에서 언급된 바와 같이 위험 요소를 높입니다. 긍정적인 측면으로는 AOI 장비가 결함을 조기에 포착하여 지속적인 개선 환경을 조성할 수 있습니다. AOI는 비파괴적이며 첨단 공정 노드를 지원합니다. 반면 AOI 장비는 고가이며 클린룸 공간을 차지합니다. 고해상도 스캔은 사이클 시간을 크게 증가시킬 수 있습니다. AOI 장비는 설정이 지나치게 민감해져(오경보를 유발하는) 문제를 방지하기 위해 상당한 엔지니어링 오버헤드가 필요합니다. 위에서 글을 쓴 구독자가 상황을 잘 요약했습니다: "AOI 공정 시간이 길지 않음에도 불구하고, AOI 단계에서 긴 대기 시간을 경험합니다. AOI를 더 많이 사용할수록 수율은 향상될 수 있지만, 사이클 시간은 악화됩니다."
• 실천 방안: 팹은 검사 단계를 이동으로 간주하지 않음으로써 과도한 검사를 억제할 수 있습니다. 또한 검사 단계(AOI 단계 포함)가 기여하는 사이클 시간을 측정하고, 검사율과 수율 간의 과거 관계를 분석하여 수율 개선이 정체되는 변곡점을 찾아낼 수 있습니다. 인피콘의 Metrology Sampling Optimizer(MSO)와 같은 자동화 소프트웨어 제품은 품질과 위험 사이의 균형을 맞추어 이를 지원할 수 있습니다. 이 시스템은 엔지니어들의 복합적인 요구 사항을 충족시키면서 샘플링해야 할 최소 로트 수를 찾아낼 수 있습니다. MSO는 위험에 노출된 로트 수를 30% 감소시킨 실적을 입증했습니다.

3. 공정 단계 간 시간 제약 조건을 지나치게 타이트하게 설정하거나 너무 빈번하게 적용하는 경우: 웨이퍼 팹에서는 공정 단계 간 시간 제약 조건이 흔히 존재합니다. 많은 공정들이 이전 공정 완료 후 일정 시간 창 내에 후속 공정 처리를 시작해야 합니다. 대표적인 예로, 이전 클린 공정 완료 후 일정 시간 창 내에 완료되어야 하는 베이크(bake) 단계가 있습니다. 이러한 제약 조건은 대기 시간 제한(queue time limits), 시간 제약 시퀀스(time bound sequences), 시간 링크(time links)라고도 불립니다. 이는 일반적으로 공정 엔지니어가 팹 내 수율 향상을 위해 설정합니다. 팹의 운영 조건에 비해 시간 창이 너무 좁으면, 특히 시간 제약 루프 내에 여러 단계가 포함된 경우 사이클 시간과 생산 능력이 낭비될 수 있습니다. 팹 내 시간 제약이 많을수록 스케줄링과 작업 배정이 더 어려워집니다(물론 INFICON Factory Scheduler와 같은 고급 스케줄링 소프트웨어가 도움이 될 수 있음).

• 예상 결과: 시간 제약 조건이 위반되면 해당 로트는 재가공을 위해 시퀀스의 첫 번째 작업으로 되돌아가야 합니다. 이 경우 첫 번째 작업을 수행하는 장비에서 용량이 손실되며(해당 장비를 사용하는 모든 로트의 사이클 시간이 증가), 재가공된 로트의 사이클 시간은 재가공 시간만큼 증가합니다. 또한 후속 작업으로의 도착률 변동성도 증가합니다. 시간 제약 순환의 초기 작업과 최종 작업 사이에 중간 단계가 존재할 수 있습니다. 이러한 다단계 시스템은 관리가 특히 어렵습니다. 단 두 단계로 구성된 시스템조차 상당한 복잡성을 지닙니다.
• 시간 제약이 존재할 때 발생할 수 있는 또 다른 결과는 운영 팀이 이를 위반하지 않으려는 의지가 너무 강해, 하류 장비가 사용 가능해질 때까지 작업 진행 중(WIP)을 시간 제약 루프 외부로 유지한다는 점이다. 신중하게 관리하지 않으면 이는 상류 장비의 대기 시간을 증가시키고 하류 장비의 용량을 낭비할 수 있다.
• 당신이 할 수 있는 일: 공정 단계 간 시간 제약은 수율 개선 목표에 직접적으로 영향을 받는 숨겨진 사이클 시간 요인입니다. 이러한 상충 관계를 더 효과적으로 관리하기 위한 방법은 사이클 타임 측면의 비용을 가시화하는 것입니다. 구체적인 실행 방법은 해당 팹의 MES 시스템과 트랜잭션 기록 방식에 따라 달라집니다. 한 가지 아이디어는 "시간 제약 위반"을 포함하는 재작업 코드를 추가하여 해당 코드와 일치하는 이동 트랜잭션을 필터링하는 것입니다. 이를 통해 특정 장비나 공정에서 로트가 재가공되는 빈도를 파악할 수 있습니다.
• 상류에서 많은 작업을 보유한 상태로 하류 장비가 사용 가능해지기를 기다리는 더 미묘한 문제에 대한 단서는 시간 제약 루프의 첫 번째 장비에서 발생하는 상당한 대기-WIP-대기 시간입니다. 장비를 "시간 제약 루프 해제 대기 중"과 같은 하위 상태로 기록하면 이 데이터를 필터링하여 확인할 수 있습니다. 또는 대기 시간의 하위 집합으로 "시간 제약 루프 진입 대기 중"과 같은 WIP 상태를 설정할 수도 있습니다. 인피콘의 향상된 사이클 타임(ECT) 상태 모델에는 'Block-Q(차단된 순위 Q 시퀀스 가득)' 상태가 있습니다. 이는 "시퀀스에 이미 과도한 WIP가 존재하여 큐 시퀀스 시작점에서 로트가 정지된" 상황을 포착합니다. 이 상태는 향후 FabTime 버전에서 표시될 예정이며, 이러한 시간 제약 조건의 비용을 보다 가시화하는 데 활용될 수 있습니다.
• 웨이퍼 팹 공정 단계 간 시간 제약 관리(24.02호) 기사에서 시간 제약 만료 최소화를 위한 권장 사항을 확인할 수 있습니다.

4. 미래 보류 사항을 특정 엔지니어에게 연계하여 공정 엔지니어를 효과적인 맞춤형 도구로 전환: 제가 아는 모든 팹에서는 미래 보류 사항을 사용합니다. 미래 보류 사항은 엔지니어가 특정 롯트가 향후 특정 단계에서 보류되도록 지정하여 엔지니어가 무언가를 확인할 수 있도록 하는 상황입니다. 퓨처 홀드는 엔지니어가 문제 발생 가능 지점을 사전에 파악하고 적절한 개입을 계획할 수 있게 하여 수율 향상에 도움이 됩니다. 그러나 퓨처 홀드의 문제점은 특정 엔지니어에게 의존하는 경우가 많다는 점입니다. 해당 엔지니어가 퓨처 홀드 시점에 부재할 수 있기 때문입니다.

• 예상 결과: 일반적으로 해당 로트의 사이클 타임은 시간이 지남에 따라 늘어납니다. 대부분의 팹은 주당 168시간, 연간 50~52주 동안 가동됩니다. 이는 윤년 제외 시 연간 8400~8736시간에 해당합니다. 공정 엔지니어는 사람입니다. 밤에는 퇴근하고 휴가도 냅니다. 때로는 병가로 결근하기도 합니다. 팹 가동 시간의 약 25% 정도만 현장에 상주합니다(실제로는 그보다 더 길게 느껴질 수 있음). 그리고 현장에 있더라도 대개 다른 업무로 바쁩니다. 이는 특정 엔지니어에게 미래 보류가 설정된 경우, 해당 보류 시점이 도래했을 때 그 엔지니어가 부재할 가능성이 매우 높다는 것을 의미합니다. 이로 인해 사이클 타임이 증가하게 됩니다.
• 당신이 할 수 있는 일: 단일 경로 작업과 마찬가지로 여기서 당연히 해야 할 일은 백업 체계를 마련하는 것입니다. 모든 미래 홀드 작업에는 주 담당 엔지니어와 보조 엔지니어(가급적 같은 교대 근무를 하지 않는)가 배정되어야 합니다. 또는 의사들의 당직 일정처럼, 미래 홀드 작업이 발생할 때 이를 분류하는 책임을 지는 누군가가 있는 팀 구조를 마련해야 합니다. 특정 팹에 적합한 방법은 해당 팹의 상황에 따라 달라집니다. (엔지니어 수는? 훗날 보류 요청 빈도는?) 중요한 것은 공정 엔지니어들이 유일무이한 도구처럼 행동하는 상황을 만들지 않는 것입니다.
• 저희 FabTime 보고 소프트웨어에서는 엔지니어가 향후 보류 작업에 대한 자동 알림을 설정할 수 있습니다. (“로트 XZY가 단계 ABC에 도달하면 알려주세요.”) 알림이 발생하면 해당 알림을 생성한 담당자의 이메일 주소로 자동 전송됩니다. 다만 해당 담당자는 알림을 다른 이메일 주소(예: 팀 이메일)로도 전송할 수 있습니다. 이 방법을 적극 권장합니다. 아래에 예시를 보여드립니다.

비용과 사이클 시간 간의 상호작용은 본 시리즈 첫 번째 기사(26.04호)에서 설명한 바와 같이 예측 가능합니다(비선형적이지만 예측 가능). 장비, 인력 또는 소프트웨어 도구 등에 비용을 투자하면 사이클 시간을 단축할 수 있습니다. 이러한 지출을 절약하면 사이클 시간이 증가할 가능성이 높습니다. 사이클 시간과 수율 간의 관계는 더 복잡합니다. 사이클 시간을 단축하면 결함 발견 속도 향상과 학습 주기 단축을 통해 수율이 개선되는 경향이 있지만, 수율 개선 노력이 사이클 시간에 미치는 영향은 더 복합적입니다.

장비 적격성 평가 기준을 강화하면 불량률을 낮출 수 있습니다. 그러나 단일 경로 작업에서는 사이클 시간이 훨씬 길어집니다. 검사 빈도를 높이면 문제 발견이 빨라지고 수율이 향상됩니다. 물론 이 역시 사이클 시간 증가라는 대가를 치릅니다. 자동 광학 검사(AOI)로 전환하는 공정에서는 문제가 더욱 심화됩니다. 검사 장비 비용이 더 비싸고, 높은 부하로 가동될 가능성이 높아 대기 시간이 증가하기 때문입니다. 공정 단계 간 시간 제약과 향후 보류 시간 역시 수율 극대화를 위해 엔지니어들이 사용하는 기법으로, 사이클 시간에는 역효과를 낼 수 있습니다.

물론 이 모든 것이 팹이 이러한 수율 개선 기술을 사용해서는 안 된다는 뜻은 아닙니다. 그러나 특히 사이클 시간 단축 자체가 수율 개선에 도움이 될 수 있다는 점을 고려할 때, 사이클 시간 증가로 인한 상충 관계를 고려해 볼 가치가 있습니다.

귀사의 파브는 위에서 언급된 사항 중 어떤 것을 수행하나요? 이 목록에 추가할 다른 사항은 무엇인가요? (공유된 모든 답변은 익명으로 처리됩니다.)

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