NGF(Next Generation Factory)로 가는 길
반도체 산업은 지금껏 생산공정의 미세화와 웨이퍼의 대구경화를 통해 발전해 왔다. 특히 웨이퍼의 대구경화는 1990년대의 150mm 웨이퍼로부터 약 10년을 주기로 1.5배씩 확대돼 왔으며, 현재에 이르러서는 450mm 웨이퍼의 도입 필요성까지 제기된 상태다. 하지만 반도체 제조업체의 비즈니스 모델이 다양해지면서 대구경화의 매력이 감소하고 있고, 개발비용에 대한 부담까지 겹쳐져 450mm 웨이퍼 도입에 대한 부정적인 시각까지 나타나고 있는 것이 사실이다.
이에 대한 대안으로 부각된 것이 300mm 프라임이라는 개념이다. 300mm 프라임은 기존 300mm 웨이퍼 기반 제조 공정에서의 생산 비용을 최소화하고 생산성은 지속적으로 향상시키는 개념이다. ISMI(International SEMATECH Manufacturing Initiative)에서는 300mm 프라임의 개발 성과를 450mm에 확대 적용하는 것을 개발의 기본 방향으로 삼고 있다.
ISMI에서는 이와 관련해 5개의 프로그램을 진행 중에 있는데, 그 중 특히 주목 받고 있는 것이 NGF이다. NGF 프로그램은 제품 제조시간을 단축하고, 비용을 절감해 생산성을 향상시키기 위한 일련의 내용을 포함하고 있는데, 여기서는 캐리어 및 웨이퍼 자동 반송 시스템(AMHS), 생산장비 설계, 생산장비 제어 영역에 대한 가이드라인을 제시하고 있다. 소프트웨어 관점에서 이 가이드라인의 내용을 간단히 요약하면 다음과 같다.
- 인터페이스의 표준화가 이뤄져야 한다.
- 웨이퍼 단위로 생산이력을 추적하고, 공정을 지시할 수 있어야 한다.
- 스케줄링 기능을 고도화해, 생산 효율을 높여야 한다.
- 장비에 대한 외부 모니터링 지원할 수 있어야 한다.
이런 NGF 가이드라인을 만족시키기 위해서는 생산관리시스템(MES : Manufac turing Execution System)과 장비엔지니어링시스템(EES : Equipment Enginee ring System)을 동시에 고도화 시켜야 한다. 하지만, 300mm 웨이퍼 이하의 기존 공정을 살펴보면, 그 고도화 작업이 결코 만만한 작업이 아니다.
대부분의 경우, 기존 시스템을 유지보수하기 위해서는 많은 비용을 투입해야 한다. 이는 기존의 시스템들이 너무 단단하게 결합돼 있어, 시스템 수정에 대한 파급효과가 크다는 점에 기인한다.
NGF에서의 시스템 성능 요구사항이 기존의 그것과는 상당한 수준 차이를 보인다는 것도 중요한 문제다. 웨이퍼의 구경이 대형화되고, 생산공정을 미세하게 관리하고자 할수록 시스템에서 처리해야 하는 데이터의 양이 많아지는 것은 자연스러운 일이다. 하지만 대부분의 시스템에서 성능 이슈는 설계 자체의 변경으로 이어진다. 기존의 시스템이 NGF에서 요구하는 수준만큼의 데이터를 처리하지 못한다면, 최악의 경우 기존 시스템의 재설계까지도 감안해야 하는데, 불행히도 기존 시스템의 대부분이 이에 해당할 것으로 추측한다.
NGF 환경 시스템 요구사항
기존의 시스템이 단단하게 결합된 구조를 가질 수밖에 없었던 이유는 표준화된 인터페이스의 부재가 큰 몫을 했다. 기존 생산라인에서는 각 시스템 간의 통신 규격이 표준화되지 않아 미들웨어에 의존하게 됐고, 이는 시스템 간의 결합도 증가로 이어졌다.
SEMI에서는 이런 문제의 해결을 위해 다음 그림과 같은 새로운 인터페이스 표준을 제안했다.
Interface-A(EDA : Equipment Data Acquisition)는 생산장비에서 발생하는 각종 데이터를 빠르고 유연하게 수집·제공하는데 사용된다. MES/FICS가 장비를 제어하는 데에는 여전히 SECS/GEM이 활용되는데, 이는 생산장비 데이터 수집과 제어의 경로를 분리해, 상호 간의 성능 간섭을 피하기 위한 방법이다.
Interface-B는 EES와 EES 간, EES와 MES/FICS 간의 통신을 담당한다. 기존에는 관련 인터페이스 표준이 존재하지 않아 시스템 간 연동에 어려움이 많았다. 하지만 Interface-B를 활용하게 되면 모든 시스템이 연동을 위해 동일한 방식의 인터페이스를 제공하게 되기 때문에 보다 유연한 시스템 연동이 이뤄질 수 있을 것으로 기대된다.
Interface-C는 생산라인 외부에 위치한 장비 엔지니어가 생산장비를 모니터링 할 수 있도록 해주는 인터페이스로, 이를 활용하면 보다 쉽게 생산장비에 대한 유지보수를 수행할 수 있다.
NGF 환경에서의 시스템은 이런 표준 인터페이스 규격을 준수해야 할 뿐만 아니라, 고속·대용량 데이터를 실시간으로 분석할 수 있는 성능도 갖춰야 한다.
상기와 같이 웨이퍼의 구경이 대형화되고, 생산공정을 미세하게 관리하고자 할수록 시스템에서 처리해야 하는 데이터의 양은 많아진다. 단적으로 300mm 이상의 웨이퍼 생산환경에서 사용될 것을 전제로 만들어진 Interface-A에서는 장비마다 초당 1만개의 파라미터 정보를 생산할 수 있어야 한다는 성능 기준을 마련하고 있다. 심지어 포토 공정에 사용되는 일부 장비들은 초당 2만개 이상의 파라미터 정보를 만들어내기도 한다.
따라서 생산라인을 구성하는 각 장비의 데이터를 분석해, 미세 공정 제어에 활용하기 위해서는 고속·대용량 데이터를 실시간으로 처리할 수 있는 시스템 성능이 필수적이라 할 수 있다.
NGF 환경 적합한 시스템 개발
‘NGF 환경에 적합한 시스템’을 한마디로 정의하기는 어렵다. 하지만 NGF 환경에 적합한 시스템이 기존 시스템이 가지고 있던 한계를 극복하기 위한 시스템이라는 관점에서 본다면 그 접근은 보다 수월해질 것이다. 이런 관점으로 정리해보면 NGF 환경에 적합한 시스템은 다음과 같은 3가지 사항을 모두 만족시킬 수 있어야 한다.
- 표준화된 인터페이스를 지원해야 한다.
- 시스템을 구성하는 모듈 간의 결합도, 연동되는 시스템 간의 결합도가 낮아야 한다.
- 고속·대용량 데이터를 실시간으로 분석할 수 있어야 한다.
하지만 지난 10여년동안 난제로 남아 있던 이런 사항들을 한꺼번에 해결한다는 것은 쉬운 일이 아니다. 또 일반적으로 엔지니어의 역량에 따라 그 결과물의 품질 격차가 현격하다는 점에서 NGF를 구성하는 시스템들의 품질 격차 역시 상당할 것이라는 추측도 가능하다.
이런 품질 격차는 시스템을 사용하는 생산라인에 상당한 위험요소로 작용할 수 있다. 이런 상황에서는 ‘NGF 환경에 적합한 프레임워크’가 완충재 역할을 할 수 있다. 프레임워크라는 말은 관점에 따라 다양하게 정의될 수 있으나, 여기서는 ‘보다 쉽고, 성공적으로 소프트웨어를 개발·운용하는데 필요한 기술, 철학, 환경의 통칭’으로 사용하고 있다. 여기에는 개발 도구와 구동 환경, 개발을 위한 코드 조각, 소프트웨어 개발의 전 과정에서 지침이 될 수 있는 개발 방법론과 그 가이드라인이 모두 포함된다.
NGF 환경에 적합한 프레임워크는 SEMI의 표준 인터페이스를 지원할 수 있어야 한다. NGF 환경에 적합한 시스템은 이미 소개한 Interface-A/B/C를 도입해 표준화된 인터페이스를 지원할 수 있어야 한다. 이 인터페이스에 관련된 코드 조각과 관련 개발 방법이 프레임워크에 포함된다면, 관련 기능의 성능을 일정하게 유지시킬 수 있다. SEMI의 새로운 인터페이스 표준들은 W3C의 웹서비스 표준을 준수하고 있는데, 이 웹서비스를 통해 시스템들은 다른 시스템과 보다 유연하게 연동될 수 있다는 부수적인 효과도 얻을 수 있다.
또 NGF 환경에 적합한 시스템은 시스템 안팎으로의 연결이 느슨하게 유지돼 있어야 한다. NGF 환경에 적합한 프레임워크에서는 이와 관련된 개발 방법론을 채택하고 있어야 한다. 연결이 느슨하다는 것은 연결 주체 간에 교환되는 정보가 보다 완전한 형태를 가지고 있어 시간, 장소, 순서 등에 독립적인 인터페이스를 가지고 있다는 것을 의미한다. 단 주의할 점은 느슨함과 밀접함은 서로 선택적인 것이 아니라 연속적인 개념이라는 점이다. 그러므로 여러 가지 현실적인 상황들을 고려해 적당한 수준의 느슨함을 유지하는 것이 중요하다. NGF 환경에 적합한 프레임워크에서는 그 적당한 수준을 가늠할 수 있는 기준도 함께 제시하는 것이 바람직하다.
더불어 NGF 환경에 적합한 프레임워크에서는 실시간으로 고속·대용량 데이터를 처리할 수 있는 기술적인 해법을 제시할 수 있어야 한다. 이것은 시스템 개발 방법론을 통해서 이뤄질 수도 있고, 코드 조각이나 특정 서버 제품을 통해 이뤄질 수도 있다. 하지만 현실적으로 이런 해법을 제시한다는 것이 결코 쉬운 일이 아니다. 일반적으로 데이터 처리에는 데이터베이스를 사용하게 되는데, 디스크 기반 DBMS의 경우 고속 데이터 처리에 한계가 있으며, 메인메모리 DBMS의 경우 메인메모리 용량을 넘어서는 대용량 데이터를 처리하는데 부적합하기 때문이다. 이에 따라 NGF 환경에 적합한 프레임워크에서는 프레임워크 제작자 특유의 기술이 녹아있는 제3의 방법을 제시할 수 있어야 한다.
비판적인 관점에서 본다면 ‘프레임워크 없이도 NGF에 적합한 시스템은 만들 수 있다’고 할 수도 있다. 하지만 NGF 환경에서의 시스템은 기존의 것에 비해 기술집약적이고 고려해야 할 사항도 많다. 이를 효과적으로 극복하고, 개발된 시스템의 품질을 최소한의 정도라도 보장하기 위해서는 잘 정의된 프레임워크를 기반으로 시스템을 만드는 것이 필요하다 할 것이다.
<참고문헌>
일본 Electronic Journal, 2009 반도체공장·장비·설비
