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반도체 업체는 가동시간, 수율, 쓰루풋(일정한 시간 동안 처리해야 할 데이터의 양)을 극대화하고자 반도체 웨이퍼 제조 설비(팹)를 주의 깊게 관리한다. 플랜트 가동 책임자는 자사 제조 프로세스로부터 1%의 수분의 일이라도 더 높은 효율을 끌어내기 위해서 끊임없이 새로운 방식을 찾고 있다.

리니어테크놀로지의 미국 실리콘밸리 팹에서는 웨이퍼 제조 공정에 175개 이상의 특수 가스 실린더를 사용하고 있다. 가스를 중단 없이 공급하기 위해서는 이들 가스 실린더를 면밀하게 모니터링 해야 한다. 가스 공급이 예기치 않게 중단되면 수십만달러의 웨이퍼를 폐기해야 하고 매출 손실로 이어진다. 결국 고객에게로 제품 인도가 허용될 수 없을 만큼 지연될 수 있기 때문이다. 이런 중단이 일어나지 않게 하기 위해서 작업자들이 하루에 세 번씩 팹 내의 모든 가스 실린더 압력을 수작업적으로 기록하고 있다. 하지만 이러한 수작업 프로세스는 사람의 오류가 일어나기 쉬우며 유지관리에 많은 비용이 들어간다.

이 작업을 통상적으로 수작업으로 하는 것은 통신 배선을 설치하려면 많은 비용이 들어가고 팹 설비로 이렇게 설치하기가 현실적으로 어렵다. 실린더는 설비 전반에 걸쳐 산재해 있으며, 대다수 실린더가 인근에 AC 콘센트나 네트워크에 연결해 사용할 수가 없다. 또한 건물이 안전상의 이유에서 콘크리트 벽체로 이루어짐으로써 새로운 배선을 구축하려면 엄청난 비용이 들어가야 한다. 게다가 전원과 통신 배선을 설치하려면 대대적인 건설 공사를 해야 하므로 제조 프로세스를 방해하고 공장 가동을 중단해야 한다.

솔루션
이에 대한 솔루션으로서 가스 벙커에서 가스 압력을 모니터링하기 위해서 32모트(mote) 스마트메시(SmartMesh) 무선 네트워크를 구축했다. 모든 노드는 한 쌍의 리튬 AA L91 배터리를 사용해서 대략 8년의 배터리 수명을 달성한다. 그러므로 네트워크를 구축하기 위해서 추가적인 배선을 설치해야 하거나 불가피하게 공장 가동을 중단할 필요가 없다. 콘크리트 구조물이고 공장 곳곳에 금속 물체가 산재하는 가운데서도 이 네트워크가 지극히 신뢰할 수 있는 것으로 입증되고 있다. 이 글을 쓰고 있는 현재까지 이 네트워크는 83일 이상 연속적으로 가동하고 2600만개 이상의 데이터 리딩을 전송하면서 99.99999% 이상의 신뢰성을 달성하고 있다. 이것은 고가용성 통신 및 컴퓨터 시스템으로 기대되는 엄격한 ‘5nines(99.999%)’ 신뢰성보다도 100배 더 우수한 것이다.

가스 벙커 안에서 각 실린더에 대해서 탱크 압력과 조절 압력을 측정하고 이러한 리딩을 스마트메시 네트워크를 통해서 중앙의 모니터링 시스템으로 전송한다. 각각의 스마트메시 노드는 한 쌍의 실린더로 연결하고, 무선 메시 네트워크를 거쳐서 웹 서버로 리딩을 전송한다. 통제실에서는 팹의 사이트 관리 소프트웨어 툴이 실시간 리딩을 표시하고 사용량을 자동으로 계산하므로 실린더 교체를 위한 주기적인 일정을 계획할 수 있다(그림3). 또한 저압 임계값을 설정함으로써 교체 일정에 가까워져서 실린더가 낮은 수준이 되었을 때 작업자들에게 알려줄 수 있다. 이 통보는 24시간 어느 때라도 통제실 모니터에 표시되고 인터넷 메시지로 알려줄 수 있다.

도입 결과
실시간 가스 소비 데이터를 사용함으로써 가스 실린더를 언제 교체해야 할지를 정확하게 예측할 수 있으므로 실린더를 성급하게 교체했을 때 미사용 가스로 인한 낭비를 줄일 수 있다. 또한 효율뿐만 아니고 공장 가동 측면에서 데이터들을 유용하게 활용할 수 있다. 가스 사용 데이터를 중앙으로 모으고 플랜트 관리자들이 즉시 사용할 수 있게 함으로써 추이 분석을 할 수 있으므로, 이러한 리딩을 특정한 반도체 팹 프로세스 및 구조와 상관화함으로써 플랜트 가동을 추가적으로 더더욱 합리화할 수 있는 가능성을 제공한다. 그러므로 수요가 증가하는 것에 따라서 팹 생산용량을 최적화할 수 있다.

리니어테크놀로지의 최고운영책임자(COO)인 알렉스 멕켄은 “달성된 효율 향상은 스마트메시 가스 실린더 모니터링 네트워크의 도입 타당성을 입증하고도 남는다. 그래서 우리는 이 무선 매쉬 시스템을 전체 플랜트로 확대할 계획이다. 그럼으로써 공장 가동의 효율을 더더욱 높일 수 있을 것”이라고 말했다.

맺음말
반도체 웨이퍼 설비에서는 가동 시간을 극대화하고 가동 효율을 높임으로써 같은 시간에 더 많은 생산량을 생산할 수 있다. 이렇게 하기 위한 네트워크는 공장 가동을 중단하지 않으면서 설치할 수 있어야 한다. 기존의 공간적 제약 안에서 설치할 수 있어야 하고,금속 물체가 산재하고 콘크리트 구조물로 이루어진 환경 안에서 신뢰할 수 있게 동작해야 한다.

리니어테크놀로지는 자사의 실리콘 밸리 반도체 웨이퍼 설비로 제조 간소화를 위해서 스마트메시로 IP 무선 메쉬 네트워크를 구축했다. 이 네트워크를 사용해서 가스 실린더 사용량을 모니터링하고 이 실시간 리딩을 플랜트 관리 소프트웨어로 전송할 수 있다. 이 데이터를 사용함으로써 가스 사용량을 빠르고 정확하게 예측할 수 있으므로 적시에 실린더를 보충하고, 중단 시간을 줄이고, 가스 낭비를 줄일 수 있다. 데이터들을 기록하며 생산용량 계획에 이 데이터들을 활용할 수 있다.

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