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다양한 종류의 복잡한 집적회로(IC)에 수천 개에서 수백만 개, 때로는 수십억 개의 트랜지스터를 구성하는 데 필수적인 여러 층의 화학물질에 대한 치밀하고 정밀한 증착은 반도체 웨이퍼 제조의 핵심이다. 이러한 IC 제조 공정 동안 다양한 화학 가스가 서로 다른 공정에 의해 지정되는 매우 다양한 용도로 단계마다 정확하게 계량된다. 대부분의 경우 이러한 단계는 고도로 자동화된 과정이다. 흥미롭게도 자동화되지 않은 부분은 이러한 가스의 적절한 공급을 지속적으로 유지하는 일이다.

미국 캘리포니아 산호세 인근에 있는 리니어테크놀로지의 실리콘밸리 팹에서는 175개 이상의 특수가스 실린더가 웨이퍼 제조 공정에 사용된다. 이들 가스 실린더는 가스 공급이 중단되지 않도록 면밀히 모니터링 된다. 가스 공급이 갑작스럽게 중단되면 수십만 달러의 웨이퍼를 폐기하게 되고 그 결과 매출 손실이 발생하며 고객에게 용납할 수 없는 납품 지연을 초래할 수 있기 때문이다. 이러한 가동 중단을 피하기 위해 기술자들이 공장 안의 각 가스 실린더의 압력을 하루 세 번 수작업으로 기록한다. 이러한 수작업은 인적 실수가 발생하기 쉬우며 유지비용이 많이 든다.

예전에 공장 내에 통신 배선을 설치하는 것은 많은 비용이 들고 현실적이지 않았기 때문에 이와 같이 데이터 기록을 수작업으로 수행했다. 실린더는 공장 전체에 배치되어 있는데다 대부분의 실린더는 근처에 AC 콘센트나 이더넷 잭이 없다. 공장 건물은 안전과 내진(지진에 대비)을 위해 콘크리트 벽면으로 구성되어 있어 새로운 배선을 설치하는 데 너무 많은 비용이 들어간다. 뿐만 아니라 전력과 통신 배선을 설치하는 대규모 건설 공사는 생산 공정에 차질을 일으키고 공장 가동을 중단시킬 수 있다.

무선 메시 네트워크로 문제 해결
제조 공정을 중단시키지 않으면서 배선 문제를 해결하기 위해 우선 32노드 스마트메시 네트워크를 설치해 가스 벙커에 있는 각 가스탱크의 압력을 모니터링 했다. 모든 노드는 정상 동작 시 약 8년의 사용 시간을 갖는 한 쌍의 리튬 AA L91 규격의 배터리로 구동된다. 따라서 네트워크를 설치하는 데 추가적인 배선이나 불필요한 가동 중단은 필요하지 않으며 단지 수명이 다 된 배터리 교체를 위해 매우 가끔씩 정기적 유지보수만 필요하다. 공장의 특성 상 콘크리트 건물과 금속 구조물이 많지만 네트워크는 높은 신뢰성을 갖는 것으로 입증됐다.

가스 벙커에서 각각의 실린더는 탱크 압력과 조절된 압력에 대해 모두 측정되며 이들 리딩은 스마트메시 무선 네트워크를 통해 중앙 모니터링 시스템으로 전송된다. 각 스마트메시 노드는 한 쌍의 실린더에 연결되고, 무선 메시 네트워크를 통해 빌딩 전체에 걸친 웹 서버에 리딩을 전송한다. 제어실에서는 공장의 현장 관리 소프트웨어 툴이 실시간 리딩을 디스플레이하므로 실행 속도와 추세선을 자동으로 계산해 실린더 교체에 필요한 일정을 예측할 수 있다.

또한 예정된 교체 전에 실린더가 경고 레벨에 먼저 도달하면 공장 기술자에게 알려주는 저압 임계값이 설정된다. 통보는 제어실 모니터에 디스플레이 되며 인터넷 메시징을 통해 공장 기술자와 플랜트 관리자에게 1년 365일 하루 24시간 전송된다.

데이터 분석을 통한 효율 향상
실시간 가스 소비량을 이용해 가스 실린더를 교체해야 할 시기를 정확하게 예측할 수 있으므로 용량이 남은 실린더를 너무 일찍 교체함으로써 발생하는 사용하지 않은 가스 낭비를 줄일 수 있다. 혜택은 효율적인 공장 가동을 훨씬 뛰어넘는다. 이 시스템은 가스 사용 데이터를 중앙에서 수집하고, 이를 플랜트 관리자가 즉시 이용할 수 있게 함으로써 추세 분석이 가능하므로 리딩과 특정한 반도체 공장 공정과 지오메트리를 연관시켜 플랜트 가동을 합리화할 수 있는 기회를 식별할 수 있다. 이것은 수요의 증가에 따라 공장의 생산용량 증대를 최적화하는 데 도움을 준다.

정리하면 반도체 웨이퍼 설비에서는 가동 시간을 최적화하고 가동 효율을 높임으로써 생산 출력과 수율을 증가시키고 중단 시간을 감소시킬 수 있다. 스마트메시 IP 무선 네트워크는 생산 공정에 차질을 일으키지 않는 설치로 가동 중인 팹에 구축해 가스 실린더 사용을 모니터링 할 수 있다. 무선 노드는 기존 공간 안에 설치되며 금속 및 콘크리트 구조물에서도 신뢰할 수 있게 동작하면서 실시간 리딩을 플랜트 관리 소프트웨어에 전달한다. 이러한 데이터는 빠르고 정확한 가스 사용을 알려주므로 적시에 가스를 보충할 수 있게 보장한다. 가동 중단 시간과 낭비되는 가스를 줄여준다. 기록된 데이터 포인트는 생산용량 계획에 이용할 수 있다.

리니어테크놀로지의 ‘더스트 네트웍스’ 제품은 칩과 사전 인증된 PCB 모듈로 무선 메시 네트워킹 소프트웨어를 갖추고 있다. 고객의 센서와 게이트웨이 제품에 내장할 경우 구현되는 무선 연결은 99.999% 이상의 데이터 신뢰성과 초저전력 소모를 달성하므로 까다로운 산업용 사물인터넷(IoT) 환경 어디에서나 센서를 배치할 수 있다.

리니어테크놀로지 프로덕트 마케팅 매니저 로스 유, 리모트 오피스 매니저 엔리케 아세베스

<이수환 기자>shulee@insightsemicon.com



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