SPC 관리도란? OOC와 OOS는 무엇이 다를까

SPC는 통계적 공정 관리(statistical process control)의 약자로, 통계로 공정이 안정적인지 보는 방법이다. 측정할 때마다 그 값을 관리도에 그려, 여전히 평소와 같은지 본다. 관리도에는 두 종류의 한계가 있고, 어느 쪽을 벗어났느냐에 따라 이름이 다르다. OOC(out of control, 관리 한계 이탈)는 ‘평소와 달라졌다’는 뜻이고, OOS(out of spec, 규격 이탈)는 ‘이미 불합격이다’라는 뜻이다. 앞의 것은 경고 신호이고, 뒤의 것은 이미 문제가 생긴 것이다.

관리도는 무엇을 볼까? 출퇴근길로 생각해 보기

매일 차를 타고 출근하는데, 평소에는 30분쯤 걸린다고 해 보자. 27분일 때도, 33분일 때도 있는데, 신호등 운에 달렸다. 회사에는 9시 전에 도착해야 하고, 매일 8시에 집을 나선다.

• 어느 날 45분이 걸렸다. 8:45에 도착해 지각은 아니지만 평소와 너무 다르다. 오는 길에 분명 무슨 일이 있었다.
• 8일 연속으로 매일 30분보다 조금씩 더 걸렸다. 31, 32, 31, 33……. 하루하루는 이상하지 않고 지각한 날도 없지만, 이렇게 여러 날이 같은 쪽으로 치우쳤다면 아마 길 어딘가에서 공사가 시작됐을 것이다.
• 어느 날 65분이 걸려 9:05에야 도착했다. 지각이다.

앞의 두 경우는 ‘평소와 달라졌다’로, OOC와 같다. 마지막은 ‘이미 불합격이다’로, OOS와 같다. 관리도가 하는 일은 매일의 숫자를 점으로 한 줄로 늘어놓아, 어느 경우인지 한눈에 알아보게 하는 것이다.

관리도의 세 선은 무엇일까?

팹은 로트 하나를 측정할 때마다, 예를 들어 식각 후 선폭을 측정할 때마다 관리도에 점을 하나 찍는다. 점은 시간 순서대로 오른쪽으로 하나씩 이어지고, 관리도에는 가로선이 세 개 있다.

• 중심선: 이 공정의 평소 평균값이다.
• 관리 상한, 관리 하한: 보통 중심선의 위아래로 각각 ‘표준편차의 3배’ 떨어진 곳에 긋는다. 표준편차는 ‘평소에 얼마나 흔들리는가’를 재는 통계의 자다. 공정이 변하지 않았고 숫자의 분포가 흔히 보는 종 모양(정규분포)에 가까우면, 점은 거의 모두 이 두 선 사이에 떨어지며, 1,000개 가운데 밖으로 벗어나는 점은 3개가 채 되지 않는다.

핵심은 이 선들이 이 공정 자체의 데이터로 계산한 것이라는 점이다. 공정이 안정적이었던 기간의 기록으로 계산한다. 이 선들이 말하는 것은 ‘이 공정, 이 장비는 평소에 이런 모습이다’이며, 고객이 무엇을 원하는지와는 관계가 없다.

팹에서는 중요한 숫자 거의 모두에 저마다 관리도가 있다. 막 두께, 선폭, 위아래 두 층이 얼마나 정확히 맞는지, 그리고 모니터 웨이퍼의 파티클 수 등이다. 이런 숫자를 어떻게 측정하는지는 ‘팹은 공정이 제대로 됐는지 어떻게 알까?’에서 다룬다. 관리도는 오래된 방법이다. 1920년대에 미국의 월터 슈하트(Walter Shewhart)가 제안했고, 오늘날의 공장에서도 여전히 쓰인다.

규격 한계는 또 무엇일까? 관리 한계와는 무엇이 다를까?

규격 한계는 고객이나 설계가 요구하는 범위다. 예를 들어 선폭이 몇 나노미터에서 몇 나노미터 사이여야 만든 제품이 합격이다. 규격 한계가 답하는 것은 ‘이 제품을 쓸 수 있는가’이며, 공정이 평소에 얼마나 흔들리는지와는 관계가 없다.

	관리 한계	규격 한계
어디에서 오나	공정 자체의 데이터로 계산	고객이나 설계의 요구
답하는 질문	평소와 같은가?	합격인가?
벗어나면	OOC	OOS
출퇴근길에 비유하면	평소보다 훨씬 늦게 걸림	지각

공정의 평소 흔들림이 충분히 작으면 관리 한계는 규격 한계 안쪽에 놓인다. 그래서 OOC가 OOS보다 먼저 나타나는 경우가 많다. 제품이 아직 잘못 만들어지기 전에 공정이 변하고 있다는 것을 먼저 보는 것이다. 이것이 바로 관리도의 쓸모다.

반대로 하나하나 측정한 숫자가 평소에도 규격 한계 밖까지 흔들린다면, 모든 점이 ‘평소와 같아도’ 불합격 제품이 나온다. 이때 고쳐야 하는 것은 공정 자체이며, 업계에서는 ‘공정 능력’이 부족하다고 말한다.

아직 한계를 벗어나지 않았는데 왜 OOC일까?

공정이 변하지 않았고 숫자가 위아래로 대칭으로 흔들린다면, 각 점이 중심선 위에 놓일 확률과 아래에 놓일 확률은 거의 반반이다. 동전 던지기와 같다. 8번 연속으로 뒷면이 나올 확률은 256분의 1이다. 그러니 실제로 8개 점이 연속으로 중심선 아래에 있다면, 무언가 변했다고 보는 편이 더 그럴듯한 설명이다.

이렇게 판단하는 방법을 판정 규칙이라 한다. 흔히 쓰는 규칙은 다음과 같다.

• 점 하나가 관리 한계를 벗어난다.
• 여러 점이 연속으로 중심선의 같은 쪽에 놓인다(흔히 8개, 9개를 쓰는 곳도 있다).
• 6개 점이 연속으로 계속 올라가거나 계속 내려간다.

뒤의 두 규칙이 잡아내는 것은 ‘서서히 변하는 것’이다. 부품이 조금씩 마모되거나 약액이 조금씩 소모되면, 점 하나하나는 아직 한계 안에 있어도 점의 줄 전체는 계속 한쪽으로 움직인다. 어떤 규칙을 쓸지, 몇 개 점부터 해당하는지는 팹마다 스스로 정한다. 규칙을 많이 쓸수록 빨리 발견하지만 오경보도 많아진다. 첫 번째 규칙만 써도, 앞에서 말한 ‘1,000개 가운데 3개가 채 안 되는 점이 벗어난다’로 계산하면 약 370개 점마다 한 번꼴로 오경보가 난다.

조금만 치우쳐도 바로 조정하면 되지 않을까?

관리도의 나머지 절반의 쓸모는 언제 건드리지 말아야 하는지 알려 주는 것이다. 공정에는 매일 수많은 작은 원인이 더해져 생기는 자연스러운 흔들림이 있고, 그것이 공정의 본래 모습이다. 이런 흔들림을 이상으로 여겨 조금만 치우쳐도 장비를 조정하면 오히려 조정할수록 더 흔들린다. 품질 관리 교과서에 나오는 유명한 ‘깔때기 실험’이 바로 이것을 보여 준다.

그래서 SPC는 변동을 두 가지로 나눈다. 한계 안에서 오르락내리락하는 작은 흔들림은 일단 그냥 둔다. 한계를 벗어나거나 한 방향으로 늘어선 것은 원인을 찾는다.

OOC가 나오면 그 로트는 쓸 수 없을까?

꼭 그렇지는 않다. OOC가 말하는 것은 ‘공정이 변했다’는 것이고, 그 로트는 아직 규격 안일 수도 있다. 그래도 처리는 해야 한다. 흔한 방법은 먼저 그 로트를 홀드하고 다시 측정하는 것이다. 숫자가 변한 것이 계측 장비 자체가 틀어졌기 때문일 수도 있어서다. 그다음 미리 작성해 둔 절차를 따르는데, 이를 OCAP이라 한다(‘OCAP이란 무슨 뜻일까?’ 참고). 마지막으로 엔지니어가 결정한다. 릴리스할지, 붙잡아 두고 더 조사할지다. 관리도를 보고 OOC를 판정하는 사람은 대개 그 공정의 공정 엔지니어다(‘공정 엔지니어와 장비 엔지니어는 무엇이 다를까?’ 참고).

OOS가 나오면?

OOS는 이미 불합격이라는 뜻이다. 그 로트는 보통 먼저 홀드하고, 엔지니어가 어떻게 할지 판정한다. 다시 할 수 있으면 리워크하고, 되돌릴 수 없으면 스크랩할 수밖에 없다. 거슬러 생각해 보기도 해야 한다. 마지막으로 정상적으로 측정된 뒤에 같은 장비가 어떤 로트를 더 처리했을까? 그 로트들에도 문제가 있을 수 있다. 모든 로트를 측정하는 것은 아니므로, 두 번의 측정 사이 간격이 길수록 추적해야 할 로트가 많아진다.

fab24hr에서는

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 공정 엔지니어로 간 다음 이름 아래의 ‘식각’을 누르면 식각 공정 엔지니어가 된다. 오전 근무에서 마침 OOC의 두 가지 모습을 모두 만난다.

• 계측 장비 MET-01에서 식각 후 선폭이 8개 점 연속으로 중심선 아래에 있고, 점마다 조금씩 더 낮아지는데도 관리 한계를 벗어난 점은 하나도 없다. 날짜를 거슬러 맞춰 보면 처음 낮아진 점은 사흘 전이다.
• 10:40에 야팅이 전화한다. 계측실에 있는 OOC 로트는 선폭이 관리 상한보다 조금 높지만 아직 규격 안이고, 여전히 홀드 상태다. 릴리스하려면 비고를 써야 하고, 붙잡아 두면 로트는 더 기다려야 한다.

16:30 검토 회의가 끝나면 계측 장비로 돌아가 한 번 더 볼 수 있다. 장비의 부품을 교체한 뒤 선폭이 중심선 근처로 돌아왔는지 확인하는 것이다. 오전 근무와 오후 근무에는 랜덤 이벤트가 생길 수도 있다. 증착 장비 CVD-02의 막 두께 관리도에서 8개 점이 연속으로 중심선 위에 있다. ‘아직 규격 안이니 그대로 진행해요’로 갈지, OCAP대로 박막팀에 장비부터 봐 달라고 할지 정해야 한다. 공정 통합 엔지니어의 저녁 근무에도 서서히 올라가는 콘택트 저항 관리도가 있어서, 앞 공정들을 거슬러 올라가며 무엇이 먼저 움직였는지 찾아야 한다. 게임 속 회사, 인물, 장비 번호, 숫자는 모두 가상이다. ‘8개 점 연속’은 업계에서 흔히 쓰는 규칙 하나를 따른 것이며, 팹마다 쓰는 점의 개수는 다르다. SPC, OOC, OOS가 무엇인지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼다. 다른 전문 용어는 반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이에서 찾아볼 수 있다.