모니터 웨이퍼, 컨트롤 웨이퍼, 더미 웨이퍼란? 장비는 매일 어떻게 이상 없음을 증명할까

모니터 웨이퍼, 컨트롤 웨이퍼, 더미 웨이퍼는 모두 팹에서 출하하지 않는 웨이퍼다. 고객의 제품이 아니라, 팹이 장비를 관리하려고 스스로 쓰는 웨이퍼다. 모니터 웨이퍼(컨트롤 웨이퍼라고도 하며, 영어로는 monitor wafer 또는 control wafer)는 측정하는 데 쓴다. 장비에서 정해진 때마다 한 장을 돌려 그 위의 파티클, 막 두께 또는 전기가 통하는 정도를 측정하고, 장비가 평소와 같은지 본다. 더미 웨이퍼(dummy wafer)는 자리를 채우는 데 쓴다. 퍼니스 보트의 양 끝과 빈칸에 채워, 고객의 제품이 온도와 기류가 안정된 곳에 놓이게 한다.

모니터 웨이퍼, 더미 웨이퍼, 제품 웨이퍼는 무엇이 다를까?

세 가지 웨이퍼를 비교해 보면 다음과 같다.

	제품 웨이퍼	모니터 웨이퍼(컨트롤 웨이퍼)	더미 웨이퍼
누구의 것	고객의 제품	팹 자체의 것	팹 자체의 것
패턴이 있나	있다. 한 층씩 쌓인 회로	대부분 없다. 패턴 없는 실리콘 웨이퍼	없다
용도	칩으로 만든다	측정해서 장비 상태를 본다	자리 채우기, 워밍업
출하하나	한다	하지 않는다	하지 않는다

이것은 흔히 쓰는 명칭이고, 팹이나 지역에 따라 부르는 이름이 조금씩 다르다. 대만에서는 두 가지를 흔히 하나로 묶어 부르며, 영어로는 C/D wafer(control/dummy)라고 쓴다. 게임에서는 장비를 시험하는 데 쓰고 출하하지 않는 웨이퍼를 테스트 웨이퍼라고 부르기도 한다.

왜 그냥 제품을 측정하지 않을까?

제품도 측정한다. 하지만 제품만 측정해서는 충분하지 않은데, 이유는 세 가지다.

1. 제품에는 패턴이 있어 측정하기 어렵다. 표면이 회로로 가득해서, 무늬가 있는 카펫에서 먼지 한 톨을 찾는 것과 같다. 패턴 없는 모니터 웨이퍼는 평평해서 레이저로 한 번 훑으면 파티클이 하나만 늘어도 알아챌 수 있다. 제품의 막 두께는 칩과 칩 사이에 일부러 남겨 둔 작은 빈 공간에서 측정해야 하는 경우가 많다.
2. 측정 방법에 따라서는 웨이퍼에 닿거나 웨이퍼를 망가뜨리기도 한다. 예를 들어 전기가 통하는 정도를 측정하려면 가는 바늘을 표면에 직접 눌러 대야 하고, 층과 층 사이를 보려면 웨이퍼를 잘라야 한다(단면 분석). 자른 웨이퍼는 더 이상 쓸 수 없다. 고객의 제품을 이렇게 쓸 수는 없다.
3. 제품을 측정할 때쯤이면 이미 늦다. 모니터 웨이퍼는 고객의 제품이 장비에 들어가기 전에 먼저 돌린다. 제품이 다 만들어진 뒤에야 발견한다면, 장비가 틀어져 있던 동안 이미 여러 로트를 만들었을 수 있다.

모니터 웨이퍼의 하루: 단계별로 보기

1단계: 작업 시작 전이나 정해진 때마다 한 장을 먼저 돌린다

하는 일: 고객의 제품이 장비에 들어가기 전에, 또는 일정한 간격마다 패턴 없는 모니터 웨이퍼 한 장을 넣어 평소 조건대로 한 번 처리한다. 이유: 장비가 만드는 결과는 서서히 변하므로, 출하하지 않는 웨이퍼로 먼저 시험하는 것이 가장 싸다. 그러지 않으면: 장비가 틀어져도 모른 채 다음 고객 로트가 그대로 들어가, 로트 전체가 불량이 된다.

2단계: 측정한다

하는 일: 장비 종류에 따라 측정하는 것이 다르다.

• 막을 키우는 장비(박막, 퍼니스): 막이 얼마나 두껍게 자랐는지, 웨이퍼 전체에 고르게 자랐는지 측정한다.
• 무언가를 제거하는 장비(식각, CMP, 세정): 처리 전에 두께를 한 번 재고 처리 후에 다시 재서, 그 차이로 식각되거나 연마되거나 세정으로 없어진 양을 안다.
• 이온 주입: 주입한 뒤 먼저 가열하고 면저항을 측정해, 주입된 원자가 충분한지 본다.
• 많은 장비가 파티클을 센다: 돌리기 전에 한 번 세고 돌린 뒤에 다시 세면, 늘어난 몇 개가 바로 장비 자체에서 떨어진 것이다.

이유: 장비마다 변하기 쉬운 부분이 다르다. 그러지 않으면: 엉뚱한 것을 측정하게 되어, 장비가 실제로 변하고 있는 부분은 아무도 보지 않고 틀어져도 모른다.

3단계: 관리도에 점을 찍는다

하는 일: 측정값을 그 장비만의 관리도에 찍어, 그 장비의 지난 날짜별 값과 나란히 놓는다. 이유: 숫자 하나만 보면 평소의 흔들림인지, 한쪽으로 쏠리기 시작한 것인지 구분할 수 없다. 여러 점을 이어 놓아야 보인다. 그러지 않으면: 장비가 하루에 조금씩 틀어져도 날마다 ‘아직 규격 안’이고, 정말로 규격을 벗어났을 때는 이미 많은 로트를 만든 뒤다.

관리도를 읽는 법은 SPC 관리도란?에서 다룬다.

4단계: 관리 한계 안이면 로트를 넣고, 벗어나면 멈춘다

하는 일: 숫자가 관리 한계 안에 들어오면 장비를 생산에 넘기고 고객의 제품을 넣기 시작한다. 한계를 벗어나거나 점들이 계속 한쪽으로 쏠리면 OCAP에 따라 처리한다. 장비를 먼저 멈추고, 뒤의 로트는 아직 넣지 않고, 측정 오류가 아닌지 확인하고, 엔지니어에게 알린다. 이유: 먼저 멈추고 조사하면 뒤의 로트까지 따라 들어가 불량이 되는 일을 막을 수 있다. 그러지 않으면: ‘측정이 잘못됐겠지’ 하고 로트를 먼저 넣으면 확인하는 동안 또 한 로트가 들어가고, 그 로트까지 홀드해야 한다.

OCAP을 어떻게 쓰는지는 OCAP이란 무슨 뜻일까?에서 다룬다.

5단계: 수리나 PM을 마친 뒤에도 모니터 웨이퍼를 먼저 돌린다

하는 일: 장비를 고치거나 PM을 마치면, 먼저 출하하지 않는 웨이퍼 몇 장을 돌려 워밍업하고(시즈닝), 이어서 모니터 웨이퍼를 돌려 결과를 확인한다. 이 관문을 테스트 런이라고 하며, 통과해야 장비가 복구된다. 이유: 한 번 열었던 장비는 다시 조립해도 원래와 같다는 보장이 없다. 부품이 제자리에 앉지 않았을 수도 있고, 부스러기가 남았을 수도 있다. 그러지 않으면: 부스러기가 고객의 제품 위에 떨어져, 수리 후 첫 로트에서 바로 사고가 난다.

PM을 마친 뒤 어떤 관문을 거치는지는 장비 PM(예방 정비)이란?에서 다룬다.

더미 웨이퍼는 무엇을 할까?

더미 웨이퍼는 퍼니스에서 많이 쓴다. 퍼니스는 웨이퍼 백여 장을 세로로 선 거치대(보트)에 한꺼번에 꽂아 고온의 튜브 안으로 들여보낸다. 튜브의 맨 위와 맨 아래는 가운데와 온도, 기류가 다르다. 쿠키 한 판을 통째로 구우면 가장자리 몇 개가 가운데와 다르게 구워지는 것과 같다.

그래서 이렇게 한다.

• 양 끝에 더미 웨이퍼를 둔다: 가장 관리하기 어려운 자리에 더미 웨이퍼를 세우고, 고객의 제품은 모두 가운데에 놓는다. 이것도 제품을 보호하는 방법이다.
• 빈칸도 더미 웨이퍼로 채운다: 이번 런의 로트로 보트를 다 채우지 못하면 빈칸에 더미 웨이퍼를 꽂아, 퍼니스 안의 기류와 온도를 가득 채웠을 때와 비슷하게 맞춘다.
• 모니터 웨이퍼는 사이사이에 끼운다: 예를 들어 위, 가운데, 아래에 한 장씩 끼워 두었다가 꺼낸 뒤 측정하면, 퍼니스 전체에서 막이 고르게 자랐는지 알 수 있다.

퍼니스가 구간별로 어떻게 가열하는지는 퍼니스는 무슨 일을 할까?에서 다룬다.

5단계에서 말한 워밍업용 웨이퍼도 이 부류에 속한다.

쓰고 난 모니터 웨이퍼와 더미 웨이퍼는 버릴까?

대부분 버리지 않는다. 쓰고 난 웨이퍼에는 막이 자라 있거나 무언가가 묻어 있다. 먼저 약액으로 막을 벗겨 내고, 표면을 살짝 한 겹 연마한 뒤 깨끗이 세정하면 다시 평평하고 반짝이는 패턴 없는 웨이퍼가 되어, 모니터 웨이퍼나 더미 웨이퍼로 다시 쓸 수 있다. 이렇게 회수해 다시 쓰는 웨이퍼를 재생 웨이퍼(reclaim wafer)라고 한다.

재생에도 한계가 있다. 연마할 때마다 웨이퍼가 조금씩 얇아져서, 일정 횟수를 쓰고 나면 스크랩할 수밖에 없다. 재생 웨이퍼에도 등급이 있어서, 표면 상태가 충분히 좋지 않으면 한 등급 낮춰 요구 수준이 낮은 곳에 쓴다.

모니터 웨이퍼는 공짜일까?

아니다. 돈이 들고, 웨이퍼값만 드는 것도 아니다.

• 웨이퍼: 모니터 웨이퍼와 더미 웨이퍼도 웨이퍼이고 사용량이 많다. 그래서 재생해서 쓰는 것이다. 모자랄 때는 장비가 멈춰서 기다려야 할 수도 있다.
• 장비 시간: 장비가 모니터 웨이퍼만 따로 돌리는 동안에는 고객의 제품을 처리할 수 없다.

그래서 얼마나 돌릴지는 저울질의 문제다. 너무 적게 돌리면 장비가 틀어진 것을 한참 뒤에야 알게 되고, 너무 많이 돌리면 출하하지 않는 웨이퍼에 돈과 시간을 쓰게 된다.

fab24hr에서는

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 공정 엔지니어로 간 다음 이름 아래의 ‘주입’을 누르면 이온 주입 공정 엔지니어가 된다. 오전 근무의 아침 회의에는 이온 주입 장비 IMP-01의 2주 치 모니터 웨이퍼 면저항을 가져가야 한다. 하루에 한 장씩이다. 10시에 이온 빔을 조정한 뒤 첫 모니터 웨이퍼가 중심선보다 아주 조금 높게 나온다. 아직 규격 안이고, 장비는 딱 맞게 주입했다고 표시한다. 두 로트가 기다리고 있다. 일단 홀드하고 장비 쪽에 점검을 부탁할지, 그대로 넣을지는 내가 정한다.

이름 아래에서 ‘퍼니스’를 누르면 퍼니스 공정 엔지니어가 된다. 오전 근무에는 보트의 위, 가운데, 아래에 넣은 모니터 웨이퍼 세 장을 측정한다. 맨 위와 맨 아래 몇 칸은 더미 웨이퍼라 측정할 필요가 없다. 저녁 근무에는 보트에 웨이퍼를 싣고, 양 끝과 빈칸에 더미 웨이퍼를 채워야 한다. 메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 2 ‘한 공정씩’에서도 R&D 라인의 퍼니스에 보트를 싣고, 모니터 웨이퍼를 세 장 넣을지 가운데 한 장만 넣을지 고른다. 식각 공정 엔지니어로 플레이하면 낮 근무에 가끔 랜덤 이벤트를 만난다. 증착 장비 CVD-02의 오늘 모니터 웨이퍼에서 파티클이 85개 나왔고, 상한은 10개다. OCAP에 따라 먼저 홀드할지, 한 장 더 측정해 볼지 정해야 한다.

게임 속 회사, 인물, 장비 번호, 로트 번호와 수치는 모두 가상이다. 모니터 웨이퍼와 더미 웨이퍼가 무엇이고 어떻게 쓰고 어떻게 재생하는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 실제로 얼마나 자주 돌리는지, 무엇을 측정하는지, 관리 한계를 어디에 긋는지는 장비마다, 팹마다 다르다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.