웨이퍼 투입이란? 웨이퍼 한 로트의 시간은 언제부터 셀까

웨이퍼 투입은 웨이퍼 한 로트를 생산 라인에 올려 첫 공정을 시작하는 것이다. 영어로는 wafer start라고 하며, 팹 하나가 한 달에 웨이퍼를 몇 장 투입하는지 말할 때는 흔히 wafer starts per month라고 쓴다. 웨이퍼 투입이 이루어진 날부터 이 로트는 수백 단계를 한 공정씩 거쳐 나가며, 팹의 많은 시간과 숫자도 이날부터 센다.

웨이퍼를 투입하는 날 무슨 일이 일어날까?

팹에서 제품은 로트 단위로 움직인다. 12인치 팹에서는 웨이퍼 한 로트가 보통 밀폐된 웨이퍼 박스인 FOUP에 담기며, 한 박스에 최대 25장이 들어간다(박스가 팹 안에서 어떻게 움직이는지는 ‘웨이퍼는 팹 안에서 어떻게 이동할까?’에서 읽을 수 있다).

웨이퍼를 투입하기 전에 두 가지를 먼저 준비해야 한다.

• 포토마스크: 회로 패턴을 찍는 데 쓰는 ‘필름’이다. 칩 설계가 끝나 넘겨지고 포토마스크로 만들어져야 팹이 찍을 것이 생긴다.
• 공정 경로: 이 로트가 어떤 공정을 거치고, 공정마다 어떤 조건(레시피)으로 작업할지를 아주 긴 일정표로 미리 짜 둔다(레시피가 무엇인지는 ‘레시피란?’에서 읽을 수 있다).

투입하는 순간 시스템은 이 로트에 로트 번호를 부여하고, 제조 실행 시스템인 MES가 기록을 시작한다. 지금 어느 공정에 있는지, 다음에 어느 공정으로 가야 하는지다. 이후 공정에 도착할 때마다 시스템은 작업지시서를 발행해 장비와 사람에게 이 로트를 어떻게 처리할지 알려 준다.

이때의 웨이퍼는 아직 아무것도 없는, 반짝이는 실리콘 원판이다. 많은 공정 흐름에서 첫 공정은 세정이다. 눈에 보이지 않는 파티클과 금속을 먼저 씻어 내야 다음 공정에서 깨끗한 첫 층을 만들 수 있다.

왜 웨이퍼를 투입한 날부터 셀까?

웨이퍼 투입은 모내기와 비슷하다. 모내기를 하는 날 언제 수확할지, 얼마나 거둘지가 거의 정해진다. 도중에 더 거두고 싶으면 모를 한 번 더 심고 다시 자라기를 기다릴 수밖에 없다. 웨이퍼도 마찬가지로, 다음 세 가지를 이날부터 센다.

1. 사이클 타임: 투입부터 이 로트가 완성되어 팹을 떠날 때까지를 사이클 타임(cycle time)이라고 한다. 업계에서는 흔히 평균 3개월 정도라고 하며, 공정이 첨단일수록, 층수가 많을수록 더 오래 걸린다. 이 시간의 대부분은 가공이 아니라 장비 앞에서 차례를 기다리는 시간이다.
2. 납기: 평균 얼마나 걸리는지 알면 투입한 날부터 날짜를 세어 이 로트가 대략 언제 완성되고 언제 고객에게 넘길 수 있을지 추정할 수 있다. 웨이퍼가 완성된 뒤에도 패키징과 테스트를 거쳐야 쓸 수 있는 칩 하나하나가 된다.
3. 출하량: 몇 달 뒤 얼마나 출하할 수 있는지는 투입하는 날 거의 정해진다. 도중에 더 늘리고 싶어도, 어느 층까지만 만들고 멈춰 기다리게 해 둔 웨이퍼를 미리 남겨 두지 않았다면, 추가하는 웨이퍼는 첫 공정부터 다시 거쳐야 하고 또 몇 주에서 몇 달이 걸린다.

그래서 얼마나, 언제 투입할지는 대개 생산관리가 주문과 생산 능력을 보고 정한다. 고객이 특히 급하게 원하는 로트는 긴급 로트로 지정할 수 있으며, 대개 모든 공정에서 우선 처리된다.

‘월 투입량’은 무엇을 말할까?

뉴스나 산업 보고서에서 팹의 규모를 말할 때 흔히 ‘월 생산 능력 몇만 장’이라고 하는데, 이는 그 팹이 한 달에 투입할 수 있는 웨이퍼의 최대 장수를 뜻하며 영어로는 wafer starts per month다. 실제로 투입하는 장수는 주문에 따라 달라서, 매달 꽉 채워 투입하는 것은 아니다.

웨이퍼는 크기가 여러 가지라서 통계를 낼 때는 흔히 한 가지 크기로 환산해 더한다. 흔히 쓰는 표기는 ‘8인치 웨이퍼 환산’이다. 12인치 웨이퍼의 지름은 8인치의 1.5배이므로 면적은 1.5 × 1.5, 약 2.25배다. 그래서 12인치 웨이퍼 한 장은 두 장 남짓으로 계산한다.

주의할 점은 투입량이 웨이퍼의 장수이지 칩의 개수가 아니라는 것이다. 같은 웨이퍼라도 칩을 크게 만들면 잘라 낼 수 있는 칩이 적고, 수율이 낮으면 쓸 수 있는 칩은 더 적다(뉴스에서 말하는 ‘수율’이란?).

웨이퍼는 많이 투입할수록 좋을까?

그렇지 않다. 장비가 하루에 처리할 수 있는 양에는 한계가 있다. 처리할 수 있는 양보다 많이 투입하면, 넘친 만큼은 생산량이 되지 않고 라인에서 줄만 선다. 라인 위에서 아직 완성되지 않은 제품(WIP)이 점점 쌓이고, 로트마다 더 오래 기다려야 한다. 그 뒤에는 간단한 관계가 하나 있는데, ‘팹의 제조부는 무슨 일을 할까?’에서 다룬다. 그래서 생산 관리를 연구하는 사람들은 라인에 남은 제품이 얼마나 되는지, 가장 바쁜 장비의 일정이 얼마나 차 있는지 먼저 보고 이번에 얼마나 투입할지 정하라고 흔히 권한다.

리스크 투입이란?

신제품의 정상적인 순서는 이렇다. 먼저 R&D 라인에서 시생산을 하며 문제를 찾아 안정시킨다. 신뢰성 테스트도 통과하면(예를 들어 칩을 고온에서 아주 오래 연속으로 동작시켜 일찍 고장 나지 않는지 본다), 그때 양산 팹에 넘겨 웨이퍼를 투입하고 대량 생산을 시작한다.

이른바 리스크 투입은 아직 완전히 확정되지 않았는데 양산 팹에서 먼저 웨이퍼를 투입하는 것이다. 흔한 경우는 신뢰성 테스트가 아직 끝나지 않았을 때다. 왜 위험을 감수할까? 투입부터 완성까지 몇 달이 걸리기 때문이다. 먼저 투입해 두면 테스트가 끝날 무렵 웨이퍼는 이미 꽤 많은 공정을 지나 있어, 고객이 제품을 좀 더 일찍 받을 수 있다.

위험도 분명하다. 테스트를 통과하지 못하면 먼저 투입한 로트 몇 개를 통째로 스크랩해야 할 수도 있다. 그래서 리스크 투입을 할지, 비용을 어떻게 나눌지는 팹과 고객이 미리 협의한다.

테이프아웃과 웨이퍼 투입은 무엇이 다를까?

두 말은 자주 함께 쓰이지만 가리키는 일은 다르다.

	테이프아웃	웨이퍼 투입
영어	tape-out	wafer start
누가, 무엇을 넘기나	칩 설계자가 최종 설계도를 넘긴다	팹이 웨이퍼 한 로트를 생산 라인에 올린다
그다음	설계도대로 포토마스크를 만든다	웨이퍼가 한 공정씩 나아가 몇 달 뒤 완성된다
횟수	설계 한 버전에 한 번. 설계를 바꾸면 포토마스크를 다시 만들어야 한다	로트마다 각자의 투입일이 있다

순서는 설계 → 테이프아웃 → 포토마스크 제작 → 웨이퍼 투입 → 팹의 수백 단계 → 패키징, 테스트다. 테이프아웃(tape-out)이라는 영어 이름은 예전에 최종 설계 파일을 종이 테이프나 자기 테이프에 담아 넘기던 데서 왔다고 흔히 설명한다. 포토마스크는 반복해서 쓸 수 있어 한 세트로 여러 로트의 웨이퍼를 찍을 수 있다. 그래서 테이프아웃은 한 버전에 한 번뿐이지만, 웨이퍼 투입은 로트마다 이어진다. 설계와 제조를 서로 다른 회사가 맡을 때 이 단계에서 어떻게 넘겨주는지는 뉴스에 나오는 ‘파운드리’란?에서 읽을 수 있다.

fab24hr에서는

메인 스토리 ‘칩의 일생’은 가상의 보청기 칩 ‘Glowmere’를 따라간다. 프롤로그 ‘테이프아웃’에서는 Glowmere의 설계가 팹에 넘어가 포토마스크 한 세트로 만들어진다. 챕터 1 ‘12장을 어떻게 나눌까’는 웨이퍼 투입 전날로, 나는 개발 PIE 엔지니어로서 스플릿 회의에서 초도 로트 12장을 어떻게 나눌지 정해야 한다. 챕터 2 ‘한 공정씩’의 1일째가 바로 ‘웨이퍼 투입’이다. 12장은 세정부터 시작해 R&D 라인을 지나고, 이어서 퍼니스로 들어간다. 처음 닷새 동안 전공정의 7개 공정 구역을 거치며, 구역마다 내가 직접 한 단계씩 작업한다. 챕터 4 ‘2주 앞당기기’는 투입 후 약 4개월 뒤로, 고객은 제품을 2주 일찍 받고 싶어 하지만 신뢰성 테스트는 아직 3주가 남았다. 테스트가 끝날 때까지 기다리자고 권할지, 리스크 투입을 권할지 정해야 한다.

‘직장인의 하루’에서도 만날 수 있다. ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘개발 라인’을 누르고 좌우로 넘겨 ‘개발 PIE 엔지니어’를 찾는다. 이 역할의 네 근무는 같은 일정표 위의 서로 다른 날이다. 웨이퍼 투입 전날, 투입 후 6일째(막 세정을 마친 12장이 다음에 들어갈 퍼니스가 다운되어 Q-time이 계속 줄어든다), 한두 달 뒤, 약 4개월 뒤다. 게임 속 회사, 인물, 로트 번호, 칩, 일정표는 모두 가상이다. 웨이퍼 투입, 테이프아웃, 리스크 투입이 무엇인지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.