FDC란? 장비의 센서는 어떻게 쉬지 않고 감시될까

FDC는 fault detection and classification의 약자로, 우리말로는 ‘고장 감지 및 분류’라고 한다. 팹에서 FDC는 장비를 감시하는 시스템이다. 장비가 웨이퍼를 한 장 처리할 때마다 압력, 온도, 전력, 가스 유량이 계속 기록되고, FDC는 이 수치를 ‘정상적인 모습’과 비교해 범위를 벗어나면 바로 알림을 보내 사람을 부르며, 어떤 종류의 문제인지 판단하는 일도 돕는다. FDC라는 세 글자는 다른 분야에서 저마다 다른 뜻으로 쓰이며, 이 글은 팹의 장비 감시를 다룬다.

장비는 무엇을 계속 기록할까?

식각 장비를 예로 들면, 장비가 돌아가는 동안 안에 있는 센서가 계속 측정한다.

• 압력: 밀폐된 챔버 안의 압력이 얼마인지.
• 전력: 플라즈마를 점화하기 위해 넣는 전력이 얼마인지, 그중 들어가지 못하고 반사되어 돌아오는 전력은 얼마인지(플라즈마는 ‘플라즈마란?’ 참고).
• 가스 유량: 가스마다 1분에 얼마나 흘러 들어가는지. 단위는 흔히 sccm으로 쓴다.
• 온도: 예를 들어 웨이퍼 아래 스테이지가 얼마나 뜨거운지.
• 뒷면의 헬륨: 웨이퍼의 열을 빼 주는 층(He 배압)이다. 유량이 높을수록 많이 새고 있다는 뜻이며, 웨이퍼가 제대로 밀착되지 않은 경우가 많다.

이 수치는 시간에 따라 한 건씩 기록되는데, 흔히 1초에 한 건꼴이다. 웨이퍼 한 장마다 곡선이 한 묶음씩 남으므로, 양이 너무 많아 컴퓨터에 맡길 수밖에 없다.

운동용 밴드가 심박수를 기록하는 것과 같다. 달릴 때 심박이 빠른 것은 정상이지만, 가만히 앉아 있을 때 갑자기 그만큼 빠르면 이상하다. FDC도 마찬가지로 ‘이 단계에서 이 수치는 평소 얼마인가’를 본다.

반도체 제조 교과서는 측정을 두 가지로 나눈다. 웨이퍼를 측정하는 것(막이 얼마나 두꺼운지, 선이 얼마나 넓은지)과 장비를 측정하는 것(압력, 전력, 온도)이다. 계측은 앞의 것을, FDC는 뒤의 것을 본다.

계측을 기다리면 되지 않을까?

계측은 기다려야 하고, 게다가 몇 장만 뽑아서 측정하기 때문이다. 웨이퍼가 다 만들어져 계측으로 넘어가야 막 두께나 선폭이 맞는지 알 수 있다(‘팹은 공정이 제대로 됐는지 어떻게 알까?’ 참고). 장비가 정해진 시간마다 돌리는 모니터 웨이퍼도 일정 간격으로 한 장씩일 뿐이다(‘모니터 웨이퍼, 컨트롤 웨이퍼, 더미 웨이퍼란?’ 참고). 두 번의 계측 사이에 장비는 이미 여러 로트를 처리했을 수 있다.

FDC는 모든 웨이퍼를, 그것도 처리하는 그 순간에 본다. 한 논문은 이렇게 비교한다. 처리가 끝난 뒤 샘플링 검사를 하면 문제가 생겼을 때 많은 웨이퍼가 영향을 받을 수 있지만, 처리하는 동안 감시하면 지금 처리 중인 바로 그 웨이퍼에서 발견할 기회가 있어 영향받는 웨이퍼가 훨씬 적다.

FDC는 어떻게 작동하나? 단계별로 보기

1단계: 웨이퍼마다 처리 곡선을 기록한다

• 무엇을: 웨이퍼를 처리할 때마다 센서 수치를 곡선으로 저장하고, 어느 장비, 어느 챔버, 어느 웨이퍼인지, 레시피의 몇 번째 스텝을 진행 중이었는지 표시해 둔다.
• 왜: 같은 수치라도 레시피의 스텝마다 원래 다르다. 어느 스텝, 어느 웨이퍼인지 알아야 비교할 수 있다.
• 이렇게 하지 않으면: 전체 평균 하나만 남기면 어느 스텝에서 문제가 생겼는지 알 수 없고, 어느 웨이퍼가 영향을 받았는지도 찾을 수 없다.

2단계: ‘정상적인 모습’과 비교한다

• 무엇을: 과거 일정 기간 동안 잘 처리된 웨이퍼를 기준으로, 각 스텝의 수치가 정상적으로 들어가는 범위를 정한다. 이것이 임계값이다. 흔한 방법은 곡선을 레시피 스텝별로 나누고, 구간마다 대표 수치 몇 개(예: 평균)를 뽑아 비교하는 것이다.
• 왜: 장비는 웨이퍼마다 조금씩 흔들린다. ‘평소의 흔들림’과 ‘정말 달라진 것’을 구분해야 한다.
• 이렇게 하지 않으면: 임계값을 대충 정하면 쉴 새 없이 울리거나, 울려야 할 때 울리지 않는다.

3단계: 범위를 벗어나면 알림을 보내 사람을 부른다

• 무엇을: 어떤 수치가 임계값을 넘으면 FDC가 그 장비를 담당하는 사람에게 알림을 보내고, 어느 장비, 어느 수치, 어느 웨이퍼인지 명확히 적는다.
• 왜: 누군가 빨리 알수록 다음 웨이퍼까지 망가지지 않을 가능성이 커진다.
• 이렇게 하지 않으면: 수치가 조용히 범위를 벗어나도 아무도 보지 못하고, 계측에서 발견할 때쯤이면 이미 여러 로트가 지나간 뒤다.

4단계: 어떤 종류의 문제인지 본다(분류)

• 무엇을: 이 알림이 무엇인지 판단한다. 정말 무언가 고장 났는지(예: 특정 가스의 유량을 담당하는 부품에서 가스가 새거나 부품이 마모됐는지), 센서 자체가 잠깐 끊겼는지, 아니면 원래 튀는 정상적인 변화인지(예: 레시피가 다음 스텝으로 넘어가는 그 순간)다. 이것이 FDC의 C, 분류(classification)다.
• 왜: 문제가 다르면 찾아야 할 사람도, 대응 방법도 다르다.
• 이렇게 하지 않으면: 모든 알림을 진짜로 여기면 사람이 이리저리 뛰어다니다 지치고, 모두 오경보로 여기면 진짜인 그 하나가 꺼진다.

5단계: 문제가 확인되면 OCAP에 따라 처리한다

• 무엇을: 미리 작성해 둔 대응 절차인 OCAP을 따른다. 먼저 장비를 세우고, 잘못 처리됐을 수 있는 웨이퍼를 홀드하고, 엔지니어에게 알린다. 수리한 뒤에는 테스트 런을 하고, 통과해야 복구한다.
• 왜: 먼저 피해를 막고, 원인은 조금 뒤에 찾아도 된다.
• 이렇게 하지 않으면: 조사하면서 계속 돌리면, 조사하는 동안 불량 웨이퍼가 더 생긴다.

OCAP에 무엇이 적혀 있는지는 ‘OCAP이란 무슨 뜻일까?’에서, 홀드한 뒤 어떻게 결정하는지는 ‘홀드란?’에서 다룬다.

임계값은 얼마나 빡빡하게 정해야 할까?

FDC에서 가장 어려운 부분이다.

• 너무 빡빡하면: 정상적인 흔들림에도 울린다. 식각 장비 데이터를 연구한 한 논문은 정상적인 흔들림은 원래 작지 않은 반면, 진짜 문제는 아주 조금만 다른 경우가 많다고 썼다. 너무 자주 울리면 사람들은 알림을 그냥 꺼 버리는 데 익숙해진다. 산업용 알람 관리 표준은 너무 자주, 혹은 불필요하게 울리는 알람을 ‘성가신 알람(nuisance alarm)’이라 부른다. 이런 알람이 많아지면 정말 중요한 알람도 다른 알람과 똑같이 들린다.
• 너무 느슨하면: 조용해지지만, 천천히 나빠지는 문제를 놓친다. 예를 들어 정전척이 하루에 조금씩 마모되면 뒷면의 헬륨도 하루에 조금씩 더 새는데, 웨이퍼 한 장 한 장은 여전히 범위 안에 있다. ‘이 한 점이 기준을 넘었는가’만 보는 검사는 이런 느리고 작은 치우침에 원래 둔감하다. 그래서 추세도 봐야 한다. 한 장 한 장이 앞의 것보다 높아지고 있는가?

임계값은 한 번 정하면 끝나는 것도 아니다. 장비 PM을 하거나 부품을 교체하면 곡선의 모양이 바뀔 수 있다. 임계값을 정하고 관리하는 데는 품이 많이 들기 때문에, 시스템이 데이터에서 무엇이 정상인지 스스로 학습하게 해 오경보와 놓치는 경우를 함께 줄이려는 연구도 있다.

FDC는 SPC, APC와 무엇이 다른가?

세 약어는 함께 나오는 경우가 많지만, 보는 대상이 다르다.

	무엇을 보나	언제 보나	답하는 질문
FDC	장비 센서의 곡선	처리하는 동안, 웨이퍼마다	장비가 이상하지 않은가?
SPC	측정 결과를 관리도에 찍은 점	처리와 계측이 끝난 뒤	공정이 여전히 평소와 같은가?
APC	측정 결과가 목표와 얼마나 차이 나는지	계측 후, 다음 로트 전	다음 로트를 얼마나 조정해야 하나?

SPC 관리도를 읽는 법은 ‘SPC 관리도란?’에서, APC가 보정량을 계산하는 방법은 ‘APC란?’에서 다룬다. FDC가 범위를 벗어났는지 판단할 때도 관리도의 발상을 빌리는 경우가 많은데, 다만 점으로 찍는 것이 계측값이 아니라 장비의 수치다. FDC를 APC의 일부로 분류하는 자료도 적지 않다.

셋은 함께 쓰이는 경우가 많다. FDC는 처리하는 동안 ‘장비에 문제가 생겼다’는 것을 잡아내고, SPC는 ‘공정이 서서히 벗어나고 있지 않은가’를 보며, APC는 다음 로트를 목표로 되돌린다. FDC가 남긴 데이터는 장비 상태에 맞춰 PM 일정을 잡는 데도 쓸 수 있다(‘장비 PM(예방 정비)이란?’ 참고).

fab24hr에서는

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 장비 엔지니어로 간 다음 이름 아래의 ‘식각’을 누르면 식각 장비 엔지니어가 된다. 저녁 근무 ‘끝없는 오경보’에서는 남아서 수리 보고서를 쓰는데, FDC가 알림을 하나씩 보내 나를 부른다. ETCH-05의 반사 전력이 레시피 스텝이 바뀌는 그 1초에 한 번 튄다. MET-01의 스테이지 진공이 0으로 떨어졌다가 곧바로 돌아오는데, 센서 신호가 끊긴 것이다. 알림마다 현장에 가 볼지 끌지 골라야 한다. 아카이는 메시지로 식각 쪽 몇 그룹의 임계값은 반년 전에 급하게 정한 것이라고 알려 준다. 20% 넓힐지는 내가 정한다. 넓히지 않으면 21:00에 ETCH-03 챔버 A의 He 유량 알림이 하나 더 온다. 튀어 오른 것이 아니라 조금씩 올라간 것이다.

메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 5 ‘마지막 한 칸’에서 나는 R&D 라인의 식각 개발 공정 엔지니어다. 양산 팹에 넘길 POR은 한 칸만 남았다. He 유량의 알람 상한이다. 3개월치 그래프에는 피크가 세 번 있다. 하나는 센서 커넥터가 헐거워진 것, 하나는 PM 후 첫 웨이퍼이고, 정전척 마모로 생긴 것은 하나뿐이다. 12를 쓰면 3개월 동안 세 번 울리고 그중 한 번이 진짜다. 16을 쓰면 한 번도 울리지 않는다. 챕터 6, 7은 두 달 뒤의 양산 팹이다. 02:47에 ETCH-03이 멈추고, 기록을 거슬러 올라가 보면 He 유량은 사흘 동안 계속 올라가고 있었고, 노란불 워닝은 6번이나 꺼졌다.

게임 속 회사, 인물, 장비 번호, 숫자는 모두 가상이다. FDC가 무엇이고 어떻게 쓰이는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며, 팹마다 방식은 다르다. 다른 전문 용어는 반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이에서 찾아볼 수 있다.