개발 PIE 엔지니어는 무슨 일을 할까? 새 칩의 초도 로트는 어떻게 이끌까

개발 PIE 엔지니어는 새 공정과 신제품이 R&D 라인에 있는 동안의 책임자다. 초도 로트 웨이퍼를 어떻게 나눌지, 만들어진 칩이 제대로 나왔는지, 언제 양산 팹에 넘길 수 있는지에 모두 답해야 한다. 공정 통합 엔지니어(PIE)의 한 갈래로, 직함은 회사마다 다르며 ‘공정 통합 개발 엔지니어’라고 쓰기도 하고, 영어로는 흔히 R&D process integration engineer라고 한다. 양산 팹 쪽의 PIE는 양산 팹에서 대량으로 생산되는 로트를 맡는다(‘공정 통합 엔지니어(PIE)는 무슨 일을 할까?’ 참고). R&D 쪽이 맡는 것은 새 공정, 새 칩을 처음 만드는 그 몇 로트다.

R&D 쪽의 공정 통합은 양산 팹과 무엇이 다를까?

가장 큰 차이는 R&D 쪽에서는 모든 일이 처음이라는 점이다. R&D 라인은 새 공정과 신제품을 먼저 만들어 보는 곳이다. 장비 종류는 다 갖췄지만 같은 종류의 대수는 많지 않고, 한 번에 몇 장만 만들며 조건을 크게 바꿀 수 있다. 양산 팹이 원하는 것은 똑같은 것을 대량으로 계속 만들어 내는 것이다.

식당이 새 메뉴를 내는 일에 빗대 볼 수 있다. R&D 라인은 시식용 주방과 같아서 한 번에 한두 접시만 만들고, 소금을 조금 더 넣거나 불을 조금 줄여 가며 맞을 때까지 시험한다. 양산 팹은 중앙 주방과 같아서 정해진 조리법대로 매일 같은 맛을 낸다. 개발 PIE 엔지니어는 새 메뉴를 시식 단계에서 메뉴판에 오르기까지 이끄는 사람이다.

신제품을 처음 만드는 그 몇 로트를 시생산이라 한다. 새 공정을 쓰거나 몇 단계를 바꿔야 하는 경우 시생산은 R&D 라인에서 하는 일이 많고, 이미 양산 중인 공정으로 새 설계를 만드는 경우에는 초도 로트를 양산 팹에서 바로 만드는 일이 많다. R&D 라인과 양산 팹이 그 밖에 무엇이 다른지는 ‘R&D 라인과 양산 팹은 무엇이 다를까?’에서 읽을 수 있다.

초도 로트는 몇 장뿐인데 왜 또 ‘나눌까’?

초도 로트가 답해야 할 질문은 많은데 웨이퍼는 많지 않기 때문이다. 흔히 쓰는 방법은 스플릿 실험이다. 같은 로트의 웨이퍼를 몇 그룹으로 나눠 그룹마다 조건 하나만 바꾸고 나머지는 모두 같게 한다. 아무것도 바꾸지 않은 그룹도 하나 남겨 대조군으로 삼는다. 다 만든 뒤 비교하면 그 조건의 영향을 알 수 있다.

쿠키 굽기와 같다. 같은 반죽을 세 판으로 나눠 한 판은 2분 더, 한 판은 2분 덜, 한 판은 조리법대로 구우면, 비교만 해 봐도 굽는 시간의 영향을 알 수 있다.

웨이퍼가 적으니 한 장 한 장을 따져야 한다.

• 한 그룹에 한 장만 넣었는데 하필 그 웨이퍼에 문제가 생기면, 조건 때문인지 그 웨이퍼가 운이 나빴던 것인지 가릴 수 없다.
• 누군가는 한 장을 앞서 보내 새 단계를 먼저 시험하고 싶어 하고, 누군가는 한 장을 남겨 잘라서 단면을 보고 싶어 한다. 자른 웨이퍼는 다시 쓸 수 없다.
• 조건이 많으면 한 번에 하나씩 바꿔서는 너무 느리다. 이럴 때는 통계의 ‘실험 계획법’으로 여러 조건을 함께 배치해, 더 적은 웨이퍼로 조건 하나하나의 효과를 알아낼 수 있다.

그래서 스플릿 표는 회의를 열어야 정해지는 경우가 많고, 누구에게 줄지, 어느 칸을 뺄지는 책임자가 정한다.

‘코너’란? 왜 일부러 웨이퍼를 치우치게 만들까?

같은 설계도라도 공장에서 만들면 반드시 조금씩 편차가 생긴다. 어떤 트랜지스터는 조금 빠르고, 어떤 것은 조금 느리다. 설계자는 칩이 가장 치우쳤을 때도 동작하는지 알아야 한다. 그래서 웨이퍼를 나눌 때 몇 장을 일부러 치우치게 만드는데, 이런 치우침의 조합을 코너(corner)라 한다.

칩 안에는 N형과 P형, 두 가지 트랜지스터가 있다. 중간값이 TT이고, 둘 다 빠른 쪽이면 FF, 둘 다 느린 쪽이면 SS, 하나는 빠르고 하나는 느리면 SF, FS다. 둘이 함께 빠르거나 느리면 주로 칩이 얼마나 빨리 동작하는지, 전력을 얼마나 쓰는지에 영향을 준다. 하나는 빠르고 하나는 느린 경우가 더 까다롭다. 두 트랜지스터의 보조가 맞지 않아 어떤 회로는 아예 오동작할 수 있다.

의자를 만들 때 가장 가벼운 사람과 가장 무거운 사람이 모두 앉아 봐야 하고, 평균 체중인 사람만 앉혀 봐서는 안 되는 것과 같다. 어느 코너가 가장 중요한지는 제품에 따라 다르다. 예를 들어 작은 전지 하나로 오래 버텨야 하는 제품은 대기 중의 누설 전류를 가장 두려워하는데, 빠른 쪽으로 치우친 트랜지스터가 가장 많이 새므로 FF 코너는 빼놓을 수 없다.

다 만들고 나면 무엇부터 볼까?

전기적 특성은 대개 웨이퍼 공정이 모두 끝나야 측정할 수 있어서, 웨이퍼 투입으로부터 이미 몇 주가 지난 경우가 많다. 결과가 나오면 먼저 두 가지를 본다.

• WAT: 웨이퍼 위에 측정용으로 따로 만들어 둔 작은 구조에 바늘을 대어 잰다. 이 구조를 TEG라 하며, 대부분 칩과 칩 사이의 스크라이브 라인에 둔다. 트랜지스터가 어느 전압에서 켜지기 시작하는지, 저항이 얼마인지, 누설 전류가 얼마인지를 잰다. 이것이 WAT이며, 로트 전체가 치우치게 만들어졌다는 사실을 가장 먼저 발견하는 곳 중 하나인 경우가 많다.
• 웨이퍼 맵: 이어서 웨이퍼 테스트로 칩을 하나하나 모두 테스트하고, 위치대로 그려 웨이퍼 맵을 만든다. 불량 칩이 어떤 모양으로 늘어섰는지가 단서인 경우가 많다. 가장자리 한 바퀴에 늘어서 있으면 웨이퍼 가장자리와 가운데가 어디서 다르게 만들어졌는지 조사해야 한다. 모든 샷의 같은 위치에서 불량이 나면 문제가 포토마스크를 따라다니는 경우가 많다. 호 모양 한 줄은 스크래치가 남긴 것인 경우가 많고, 불규칙하게 흩어져 있으면 무작위로 떨어진 파티클에 가깝다. WAT와 웨이퍼 테스트가 무엇이 다른지는 ‘칩은 어떻게 테스트할까?’에서 읽을 수 있다.

중요한 습관이 하나 있다. 공정보다 측정을 먼저 의심하는 것이다. 측정에 쓰는 프로브 카드의 바늘 끝이 더러워도 수치가 치우치고, 그러면 공정에 문제가 생긴 것처럼 보인다.

R&D 쪽에는 일이 하나 더 있다. 찾아낸 문제를 모두 다음 로트의 조건으로 바꿔야 한다. 어느 그룹을 한 번 더 돌릴지, 다음 버전 마스크에 TEG를 몇 개 더 남길지가 흔히 이때 정해진다. 마스크가 확정되면 바꾸기 어렵다.

양산 팹에 넘기기 전에 어떤 체크리스트를 확인할까?

새 공정이 안정되고 신제품의 수율이 목표에 이르면, 모든 것을 한꺼번에 양산 팹에 넘겨야 한다. 넘기기 전에 기술 이전 심사가 열린다. 조건, 장비 설정, 작업 지침서, 교육, 신뢰성을 한 항목씩 대조한다.

집을 넘겨받기 전의 인수 점검과 같다. 열쇠가 몇 개인지, 수도와 전기 계량기가 얼마를 가리키는지, 어디를 더 고쳐야 하는지 모두 분명히 적는다. 체크리스트에 ‘완료’라고 적은 항목은 근거를 내놓을 수 있어야 하고, 아직 끝나지 않은 항목은 얼마나 남았는지 말할 수 있어야 한다. 흔한 항목은 다음과 같다.

1. 표준 공정: 공정마다 어떤 장비를 어떤 조건으로 쓰는지를, 양산에서 그대로 따를 문서로 적는다. 이를 POR이라 한다. 확정된 뒤에는 숫자 하나를 바꾸려 해도 변경 절차를 밟아야 한다. 공정을 바꿀 때 고객에게 어떻게 알릴지를 정한 공개 업계 표준도 있다.
2. 작업 지침서와 교육: 양산 팹에서 이를 따라 작업하는 사람이 R&D 라인에 와서 배웠다는 보장은 없으므로, 모든 단계를 다른 사람이 읽고 이해할 수 있게 써야 한다.
3. 신뢰성: 흔한 항목 하나가 HTOL이다. 칩을 고온에서 전압을 건 채 1,000시간, 약 6주 동안 계속 동작시켜 일찍 고장 나지 않는지 본다. 흔히 쓰는 기준은 3로트에서 로트당 77개를 시험해 하나도 고장 나지 않아야 하는 것이다.

신뢰성 시험이 아직 끝나지 않았는데 고객이 물량을 서두르면, 리스크 투입을 할지 말지의 문제를 만난다. 양산 팹에 먼저 웨이퍼를 투입해 두면 시험을 통과했을 때 고객이 물량을 일찍 받을 수 있지만, 통과하지 못하면 그 로트들은 통째로 스크랩될 수 있다(‘웨이퍼 투입이란?’ 참고). 개발 PIE 엔지니어는 양쪽의 대가를 분명히 설명한 뒤 자신의 권고를 내놓아야 하는 경우가 많다.

모든 회사가 이렇게 나눌까?

꼭 그렇지는 않다. 직함과 업무 분담은 회사마다 다르다. R&D와 양산에 각각 PIE 엔지니어 조직이 있는 회사도 있고, 같은 사람들이 처음부터 끝까지 이끄는 회사도 있다. 이름도 기술 개발, 신제품 도입 등으로 부를 수 있다. 위에 적은 것은 흔한 방식이다.

fab24hr에서는

fab24hr에서 ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘개발 라인’을 누르고 좌우로 넘겨 개발 PIE 엔지니어를 고른다. 네 근무는 고객의 보청기 칩 ‘Glowmere’의 서로 다른 날이다. 오전 근무는 웨이퍼 투입 전날로, 스플릿 회의에서 웨이퍼 12장을 세 사람이 원하고 그것을 나누는 것은 플레이어다. 심야 근무는 투입 후 6일째로, 막 세정을 마친 12장이 다음에 갈 퍼니스가 다운되어 Q-time이 90분 남았다. 오후 근무는 한두 달 뒤로, WAT 불합격 항목 하나와 웨이퍼 맵 세 장을 보고, 다음 버전 마스크에 자신의 TEG를 남길지도 정해야 한다. 저녁 근무는 약 넉 달 뒤로, 기술 이전 심사 전날 밤에 체크리스트를 확인하는데 고객은 2주 앞당기고 싶어 한다.

메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 1 ‘12장을 어떻게 나눌까’, 챕터 3 ‘불량의 모양’, 챕터 4 ‘2주 앞당기기’의 주인공이 바로 개발 PIE 엔지니어다. 챕터 2 ‘한 공정씩’에서는 같은 사람이 그 12장을 따라 일곱 개 공정 구역을 거쳐 간다. 게임 속 회사, 제품, 인물, 로트 번호, 장비, 숫자는 모두 가상이다. 개발 PIE 엔지니어가 무슨 일을 하는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며, 실제 업무 분담은 회사마다 다르다.