APC란? 팹은 계측 후 어떻게 자동으로 보정할까: 피드백과 피드포워드

APC는 advanced process control의 약자로, 우리말로는 ‘첨단 공정 제어’라고 한다. 팹에서 APC는 시스템이 규칙에 따라 공정을 미세 조정하게 하는 것을 말한다. 웨이퍼 한 로트의 공정과 계측이 끝나면, 시스템이 측정값을 목표와 비교해 다음 로트의 설정을 얼마나 바꿀지 계산하고 장비에 보낸다. 가장 흔한 형태는 런투런 제어(run-to-run control, 흔히 R2R로 표기)다. 팹에서 말하는 ‘다음 로트 보정’은 대개 이것이 계산한 값이다. APC라는 세 글자는 다른 분야에서 저마다 다른 뜻으로 쓰이며, 이 글은 팹의 공정 제어를 다룬다.

왜 계속 조정해야 하나? 장비는 서서히 드리프트한다

장비는 정해진 설정에 따라 공정을 진행하는데, 이 설정을 레시피(recipe)라 한다(‘레시피란?’ 참고). 그런데 같은 설정이라도 이번 달과 다음 달의 결과가 같다는 보장은 없다. 식각 장비의 챔버 내벽에는 조금씩 무언가가 쌓여 식각 속도가 따라서 달라지고, CMP의 연마 패드는 오래 쓰면 매끄러워져 같은 시간에 깎이는 양이 줄어든다.

몇 년 쓴 오븐이 같은 온도와 시간으로 구워도 결과가 조금씩 달라지는 것과 같다. 그대로 두면 선폭과 막 두께가 목표에서 조금씩 벗어난다. 정기 정비(PM)로 장비를 원래 상태로 되돌릴 수 있고, 두 번의 PM 사이에 서서히 일어나는 드리프트(drift)를 관리하는 것이 APC다.

피드백은 어떻게 하나? 단계별로 보기

피드백(feedback)은 장비가 방금 처리한 결과를 보고 다음 로트를 수정하는 방식이다. 한 바퀴는 다음과 같이 돈다.

1단계: 현재 설정으로 이번 로트를 처리한다

• 무엇을: 장비가 레시피대로 처리한다. 대부분의 값은 고정되어 있고, 미리 정해 둔 몇 가지만 시스템이 조정하도록 열어 둔다. 예를 들면 연마 시간이나 노광 장비의 정렬 위치다.
• 왜: 정해 둔 값만 움직여야 결과가 달라졌을 때 어느 값 때문인지 알 수 있다.
• 이렇게 하지 않으면: 무엇이든 조정할 수 있으면 문제가 생겼을 때 원인을 거슬러 추적할 수 없다.

2단계: 계측한다

• 무엇을: 몇 장을 샘플링해 선폭, 막 두께, 또는 이 층이 아래층과 얼마나 정확히 맞는지(오버레이, ‘오버레이란?’ 참고)를 측정한다. 측정 방법은 ‘팹은 공정이 제대로 됐는지 어떻게 알까?’에서 다룬다.
• 왜: 시스템은 수치로만 보정할 수 있다. 계측하지 않으면 얼마나 벗어났는지 알 수 없다.
• 이렇게 하지 않으면: 새 수치가 없으니 지난번 설정 그대로 계속 처리할 수밖에 없다.

3단계: 목표와 비교해 차이를 구한다

• 무엇을: 측정값에서 목표를 뺀다. 목표가 40이고 측정값이 41이면 1만큼 많은 것이다.
• 왜: 조정해야 하는 것은 ‘얼마나, 어느 쪽으로 벗어났는가’다.
• 이렇게 하지 않으면: 측정값만 봐서는 어느 쪽으로 조정해야 할지 알 수 없다.

4단계: 규칙에 따라 다음 로트의 조정량을 계산한다

• 무엇을: 차이를 한 번에 전부 되돌리지 않고, 최근 몇 로트의 편차를 가중 평균한다. 최근 로트일수록 비중이 크다. 예를 들어 방금 끝난 로트를 30%, 그 전까지 누적된 값을 70%로 반영한다. 그다음 미리 측정해 둔 관계(예: 연마를 1초 늘리면 대략 얼마나 더 깎이는지)를 이용해 다음 로트의 설정값으로 환산한다.
• 왜: 측정값에는 언제나 노이즈가 섞여 있다. 계측 자체도 흔들리고, 웨이퍼마다 조금씩 다르다. 평균을 내면 한 번의 흔들림은 설정을 조금만 밀고, 장비가 정말 드리프트하고 있다면 편차가 로트마다 같은 쪽에 나타나므로 누적된다.
• 이렇게 하지 않으면: 너무 세게 보정하면 노이즈를 따라 오락가락한다. 이번 로트가 마침 높게 나와 전부 아래로 조정했는데 다음 로트의 노이즈가 마침 낮은 쪽이면, 방금 조정한 것까지 더해져 더 낮아지고, 조정할수록 더 흔들린다. 너무 약하게 보정하면 장비가 드리프트하는 속도를 따라가지 못한다.

샤워 물 온도를 맞추는 것과 같다. 차가우면 확 돌리고 뜨거우면 다시 확 돌리면 뜨거웠다 차가웠다를 반복할 뿐이다. 조금 돌리고 잠시 기다렸다가 다시 봐야 안정적으로 맞출 수 있다.

5단계: 다음 로트를 새 설정으로 처리하고 다시 계측한다

• 무엇을: 새 값을 장비에 보내 다음 로트를 그대로 처리하고, 끝나면 2단계로 돌아간다. 매번 얼마나 조정했는지 모두 기록한다.
• 왜: 장비는 계속 변하므로 보정도 계속 따라가야 한다.
• 이렇게 하지 않으면: 한 번 보정하고 내버려 두면 장비가 계속 드리프트해 편차가 다시 서서히 돌아온다.

피드포워드는 무엇인가? 앞 공정의 정보가 먼저 넘어온다

피드포워드(feedforward)는 방향이 반대다. 장비가 처리한 결과가 아니라 ‘들어오는 이번 로트’를 보고, 처리하기 전에 미리 조정한다.

예를 들어 앞 공정에서 막을 증착했는데, 이번 로트가 평소보다 조금 두껍게 측정되었다고 하자. 이 값이 먼저 다음 공정인 CMP로 전달되면, CMP는 연마 시간을 조금 늘려 연마 후 두께가 목표에 딱 맞게 한다. 식각도 앞 공정에서 측정한 선폭에 따라 조금 조정할 수 있다. 밥 짓기에 비유하면 이렇다.

• 피드백: 이번 밥이 너무 되게 됐으니 다음에는 물을 조금 더 넣는다.
• 피드포워드: 이번 쌀은 햅쌀이라 수분이 많으니 안치기 전에 물을 조금 줄인다.

두 방식은 함께 쓰는 경우가 많다. 피드포워드는 ‘들어오는 것이 다른’ 경우를, 피드백은 ‘내 장비가 변하는’ 경우를 맡는다.

‘다음 로트 보정’과 ‘관리 한계 안에서는 먼저 조정하지 않기’는 모순 아닌가?

‘SPC 관리도란?’을 읽은 사람이라면 이렇게 물을 수 있다. 그 글에서는 관리 한계 안의 작은 흔들림에는 장비를 조정하지 말라고, 조정할수록 더 흐트러진다고 했는데, 여기서는 로트마다 보정한다고 한다. 두 이야기는 충돌하지 않는다. 차이는 어떻게 조정하느냐에 있다.

• SPC에서 말하는 ‘조정하지 말라’: 사람이 점 하나가 조금 벗어난 것을 보고, 벗어난 만큼 장비를 손으로 조정하는 경우다. 점 하나는 대개 노이즈일 뿐이므로, 이를 진짜로 여기고 조정하면 흔들림을 한 번 더 더하는 셈이다.
• APC의 보정: 미리 설계한 규칙에 따라 정해 둔 몇 가지 값만 조정하고, 여러 로트를 평균해 한 번에 조금씩만 움직인다. 겨냥하는 것은 한쪽으로 서서히 진행되는 드리프트이며, 한 번의 노이즈로는 아주 조금만 움직인다.

두 생각은 처음부터 함께 놓여 있었다. 1990년대 초 대학에서 런투런 제어를 처음 제안한 연구가 바로 통계적 공정 관리와 피드백 제어를 결합하자는 내용이었다. 오늘날에도 둘을 함께 쓰는 경우가 많다. APC로 조정한 결과도 그대로 관리도에 그린다.

보이는 변화	대개 원인은	대응
로트마다 오르내리는 작은 흔들림	노이즈	그냥 둔다. APC는 조금만 움직인다
로트를 거듭하며 한쪽으로 서서히 이동	장비 드리프트	APC가 규칙에 따라 보정한다
갑자기 크게 튐	무언가 고장 났거나 바뀌었다	관리도가 잡아내고(OOC), 사람이 멈춰서 원인을 찾는다

시스템에 맡기면 안 되는 경우는?

APC는 두 가지를 전제한다. 측정값이 정확하고, 장비는 서서히 변할 뿐 갑자기 전혀 다른 상태가 되지 않았다는 것이다. 이 전제가 깨지면 사람이 봐야 한다.

• 계측 장비 자체가 틀어졌을 때: 시스템은 제품이 벗어났다고 판단해 잘못된 값을 보정에 넣고, 보정할수록 더 틀어진다. 그래서 수치가 갑자기 크게 튀면 먼저 다시 측정하는 경우가 많다.
• PM이나 부품 교체 후: 장비가 다른 상태가 되었으므로, 이전 로트들의 평균은 지금 상태를 대표하지 못한다. 먼저 테스트 런을 하고 시스템에 새 출발점을 줘야 한다.
• 신제품이나 오랫동안 생산하지 않은 제품: 평균을 낼 이전 로트가 없다. 먼저 선행 웨이퍼 한 장을 처리해 계측한 뒤 나머지를 어떻게 처리할지 정하는 경우가 많다.
• 보정량이 한쪽으로 계속 커질 때: 장비 안의 무언가가 마모되고 있거나 계속 쌓이고 있다는 신호인 경우가 많고, 보정은 그것을 가릴 뿐이다. 필요한 것은 계속 보정하는 것이 아니라 PM이다.

APC와 FDC는 무엇이 다른가?

간단히 말해 FDC는 장비가 공정을 진행하는 동안의 센서 값(압력, 온도, 파워)을 지켜보다가 임계값을 넘으면 바로 사람을 부른다. 잡아내는 것은 ‘장비에 문제가 생겼는가’다. APC는 공정이 끝난 뒤 측정한 결과를 보고 ‘다음 로트를 어떻게 조정해야 목표에 맞는가’를 계산한다. 많은 자료가 둘 다 APC에 포함시키는데, 이 글은 그중 조정하는 쪽을 다룬다.

fab24hr에서는

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 공정 엔지니어로 간 다음 이름 아래의 ‘포토’를 누르면 포토 공정 엔지니어가 된다. 오전 근무에 P-3A08의 오버레이가 규격을 벗어난다. 계측 맵의 화살표를 보고 평행 이동, 회전, 배율 세 가지 보정을 시험해, 화살표가 아주 짧게만 남는 보정을 찾아 이후의 모든 로트에 적용한다. 아래층은 다른 노광 장비에서 노광했기 때문에 선택도 해야 한다. 가장 중요한 몇 개 층을 같은 장비에 고정 배정할지, 두 장비의 차이를 보정에 넣어 보정이 계속 따라가게 할지다. P-3A08 자체를 리워크할지도 플레이어가 정한다.

R&D 라인의 포토 개발 공정 엔지니어는 오전 근무에 새 층을 처음으로 정렬하는데, 참고할 이전 로트가 없다. CMP 공정 엔지니어의 오후 근무에는 앞 공정이 새 타깃으로 바꿔 막이 두껍게 나오는데, 이 정보를 먼저 CMP로 전달해야 한다는 것이 바로 피드포워드의 원리다.

게임에서는 보정을 플레이어가 직접 누르지만, 실제 팹에서는 매일의 작은 보정을 시스템이 규칙에 따라 계산하는 경우가 많고, 사람은 규칙과 예외를 관리한다. 게임 속 회사, 인물, 장비 번호와 수치는 모두 가상이다. APC가 무엇인지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며, 팹마다 방식이 다르다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.