반도체 자동화 생산을 위한 실시간 일정계획 시스템 재 구축에 관한 연구 : 300mm 반도체 제조라인 적용 사례 Real-Time Scheduling System Re-Construction for Automated Manufacturing in a Korean 300mm Wafer Fab원문보기
본 연구는 국내 300mm 웨이퍼를 이용하여 반도체 제품의 제조라인을 대상으로 수행 되었던 자동화 생산을 위한 일정계획 시스템 재 구축 프로젝트에 관한 내용이다. 본 프로젝트의 주요 목적은 반도체 제조라인 내의 세정, 확산, 포토, 증착과 같은 주요공정들을 대상으로 효율적인 일정계획 수립 알고리듬을 개발하고 그것을 실시간 일정계획 시스템에 구현함으로써 반도체 제조라인의 자동화 생산률을 향상시키는 것이다. 본 논문에서는 여러가지 주요 공정들 중 제한된 대기시간 제약과 배치공정의 특성이 존재하는 세정과 확산으로 이루어진 연속공정 구간을 대상으로 개발된 일정계획 알고리듬과 실시간 일정계획 시스템의 개발에 대한 내용에 초점을 두었다. 일정계획 시스템 재 구축 프로젝트가 시작 될 시점에 세정과 확산 공정의 자동화 생산률은 각각 50%와 10% 정도 였으나, 프로젝트 수행 완료 후에는 각각 91%와 83% 까지 자동화 생산률이 향상 되었다. 자동화 생산률의 향상은 작업자의 인건비 절감, 생산성의 향상, 지속적이고 편차 없는 생산을 의미한다.
본 연구는 국내 300mm 웨이퍼를 이용하여 반도체 제품의 제조라인을 대상으로 수행 되었던 자동화 생산을 위한 일정계획 시스템 재 구축 프로젝트에 관한 내용이다. 본 프로젝트의 주요 목적은 반도체 제조라인 내의 세정, 확산, 포토, 증착과 같은 주요공정들을 대상으로 효율적인 일정계획 수립 알고리듬을 개발하고 그것을 실시간 일정계획 시스템에 구현함으로써 반도체 제조라인의 자동화 생산률을 향상시키는 것이다. 본 논문에서는 여러가지 주요 공정들 중 제한된 대기시간 제약과 배치공정의 특성이 존재하는 세정과 확산으로 이루어진 연속공정 구간을 대상으로 개발된 일정계획 알고리듬과 실시간 일정계획 시스템의 개발에 대한 내용에 초점을 두었다. 일정계획 시스템 재 구축 프로젝트가 시작 될 시점에 세정과 확산 공정의 자동화 생산률은 각각 50%와 10% 정도 였으나, 프로젝트 수행 완료 후에는 각각 91%와 83% 까지 자동화 생산률이 향상 되었다. 자동화 생산률의 향상은 작업자의 인건비 절감, 생산성의 향상, 지속적이고 편차 없는 생산을 의미한다.
This paper describes a real-time scheduling system re-construction project for automated manufacturing at a 300mm wafer fab of Korean semiconductor manufacturing company. During executing this project, for each main operation such as clean, diffusion, deposition, photolithography, and metallization,...
This paper describes a real-time scheduling system re-construction project for automated manufacturing at a 300mm wafer fab of Korean semiconductor manufacturing company. During executing this project, for each main operation such as clean, diffusion, deposition, photolithography, and metallization, each adopted scheduling algorithm was developed, and then those were implemented in a real-time scheduling system. In this paper, we focus on the scheduling algorithms and real-time scheduling system for clean and diffusion operations, that is, a serial-process block with the constraint of limited queue time and batch processors. After this project was completed, the automated manufacturing utilizations of clean and diffusion operations became around 91% and 83% respectively, which were about 50% and 10% at the beginning of this project. The automated manufacturing system reduces direct operating costs, increased throughput on the equipments, and suggests continuous and uninterrupted processings.
This paper describes a real-time scheduling system re-construction project for automated manufacturing at a 300mm wafer fab of Korean semiconductor manufacturing company. During executing this project, for each main operation such as clean, diffusion, deposition, photolithography, and metallization, each adopted scheduling algorithm was developed, and then those were implemented in a real-time scheduling system. In this paper, we focus on the scheduling algorithms and real-time scheduling system for clean and diffusion operations, that is, a serial-process block with the constraint of limited queue time and batch processors. After this project was completed, the automated manufacturing utilizations of clean and diffusion operations became around 91% and 83% respectively, which were about 50% and 10% at the beginning of this project. The automated manufacturing system reduces direct operating costs, increased throughput on the equipments, and suggests continuous and uninterrupted processings.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 국내 반도체 제조라인을 대상으로 실제 수행되었던 실시간 일정계획 시스템의 재구축 프로젝트를 통하여 개발 되었던 대기시간 제약과 배치 공정이 존재하는 세정과 확산으로 이루어진 연속공정의 일정계획 방법론과 개발된 방법론의 현장 적용 결과를 보여줄 것이다.
본 연구는 국내의 실제 300mm 웨이퍼 반도체 제조 라인에서 제한 된 대기시간 제약과 배치공정의 특성이 존재하는 세정과 확산으로 이루어진 연속 공정 구간을 대상으로 효율적인 일정계획 방법론을 개발하고 그것의 구현과 효과에 관한 내용을 다루었다. 개발 된 일정계획 방법론은 실제 반도체라인에 구현되었으며, 자동화 생산률을 현저히 상승시키는 효과를 거두었다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 연구는 세정과 확산의 연속공정 구간(첫 번째 공정 : 세정, 두 번째 공정 : 확산)의 일정계획(스케쥴링) 방법론 개발과 구현을 통한 자동화 생산률의 향상을 최종 목표로 한다. 세정과 확산으로 이루어진 연속 공정 구간은 다음과 같은 특징이 있다.
가설 설정
1.5) 재공의 속성 기준으로 동일한 조건의 재공이 2개 이상일 경우, 임의의 순서대로 정렬한다.
2) 어떤 공정(설비)에서도 공정이 시작 된 후 본 공정(재공)이 완료되기 전 공정을 멈추고 다른 공정(재공)이 설비에 투입될 수 없다.
제안 방법
자동화 생산률이 100%에 미치지 못하는 이유는 배치공정 특성과 제한 된 대기시간 제약 이외에도 모니터링 재공, 설비 PM, 설비 Down 등 다양하게 고려해야 되는 현상들을 100% 반영하지 못하였기 때문이지만, 본 프로젝트의 초기 자동화 생산률이 세정과 확산에서 각각 50%와 10%였다는 것을 감안하면 91%와 83% 정도까지 자동화 생산률이 올라간 결과에 대해서는 본 프로젝트가 수행 된 반도체 회사에서도 매우 성공적인 사례로 평가 받았다. 개발 된 일정계획 방법론들은 세정공정 일정계획 방법론이 1차로 가장 먼저 구현, 적용 되었으며, 확산공정 일정계획 방법론과 일정계획 보정 방법론은 2차로 구현, 적용 되었다.
다음, 확산공정의 일정계획을 참조하여 세정공정의 일정계획 알고리듬(단계 2)을 이용하여 세정공정에서의 일정계획을 수립한다. 세정공정에서는 확산공정의 일정계획 정보, 즉, 확산에서의 공정시작 일정계획 정보를 이용하여 세정 공정의 일정계획을 수립한다.
먼저, 확산공정의 일정계획 방법론(단계 1)에서 세정공정에서의 대기, 공정 진행 중인 재공 그리고 확산 공정에서 대기 중인 재공 모두를 고려하여 배치를 구성하고 확산공정에서의 일정계획을 수립한다. 확산공정에서는 효율적인 배치를 구성해야 하기 때문에 확산공정에 도착하지 않은 재공도 함께 고려하여 배치를 미리 구성한다.
성능/효과
1) 모든 재공은 첫 번째 공정인 세정 공정에 미리 정해지지 않은 시간에 도착한다. 즉, 모든 재공은 각각 공정을 시작 할 수 있는 고유의 준비 시간을 갖고 있다.
1.3) 만약, 동일진행 단계의 재공이 2개 이상일 경우, 현 시점을 기준으로 제한 된 대기시간이 적게 남은 순서대로 재공을 정렬한다. 단, 세정공정의 대기 및 진행 중인 재공과 확산 공정의 대기 재공이라도 제한 된 대기 시간이 없는 공정조건의 제한 된 대기 시간의 남은 시간을 무한대로 정의한다.
3) 생산계획 당시부터 각각의 재공은 고유의 중요도(초 긴급재공, 긴급재공, 보통재공)를 갖고 있다. 이는 고객의 중요도, 제품의 타입(테스트용 재공 및 설비 모니터링 재공 등)에 의해 결정 되는 것으로 초 긴급재공은 긴급재공보다, 긴급재공은 보통 재공보다 빠른 시일 내에 모든 공정을 완료해야 하는 특징이 있다.
4) 각각의 모든 재공에 대해서 세정공정의 완료와 확산공정의 시작 사이에는 미리 정해진 제한된 시간이 존재하며, 그 시간은 제품의 타입에 따라 미리 공정 엔지니어들에 의해서 정해진다.
본 연구는 국내의 실제 300mm 웨이퍼 반도체 제조 라인에서 제한 된 대기시간 제약과 배치공정의 특성이 존재하는 세정과 확산으로 이루어진 연속 공정 구간을 대상으로 효율적인 일정계획 방법론을 개발하고 그것의 구현과 효과에 관한 내용을 다루었다. 개발 된 일정계획 방법론은 실제 반도체라인에 구현되었으며, 자동화 생산률을 현저히 상승시키는 효과를 거두었다.
한편, <그림 5>는 하루 평균 확산공정에서 진행 된 배치들의 평균 크기(배치에 포함 되어 있는 총 웨이퍼의 수, 재공 한 개에는 보통 25매의 웨이퍼가 포함되어 있음, 즉, 배치사이즈가 2인 경우 50매의 웨이퍼가 존재)를 보여준다. 그림에서와 같이 확산공정의 일정계획 방법론이 구현 된 시점을 기준으로 진행 된 배치들의 평균 크기가 증가하는 추세임을 확인 할 수 있었다. 이는 확산공정 설비의 생산성이 늘어남을 의미하는 것이다.
첫째, 각각의 세정과 확산 공정에는 복수의 동일 설비들이 존재한다. 둘째, 첫 번째 세정 공정이 완료 된 재공은 제품 타입 혹은 공정 조건(Recipe)에 따라 미리 정해져 있는 일정 시간 내에 두 번째 확산 공정을 시작해야 한다. 이는 세정 공정 이후 오랜 시간이 지남에 따라 자연산화 막이 형성 되고 공기 중에 있는 먼지(Particle)가 웨이퍼(Wafer) 표면에 내려앉아 불량률을 높이는 원인이 되기 때문에 존재하는 매우 중요한 제약 조건이 된다.
마지막으로, 세정공정과 확산공정의 일정계획 방법론들에 의해서 수립된 일정계획을 참고하여 실행 가능(feasible)하고 제한 된 대기시간을 지킬 수 있도록 수립 된 일정계획을 보정(단계 3)해준다. 즉, 세정공정 일정계획 방법론에 의해서 수립 된 일정계획을 세정공정에서의 공정 시작시간, 즉, 공정투입 시간을 조정하여 세정공정 완료 후 제한된 대기시간 제약을 만족할 수 있도록 보정 하는 것이고, 확산공정의 수립 된 배치 일정계획 중 보정된 세정공정의 일정계획에 맞추어 일정계획을 실행 가능한(feasible) 일정계획으로 보정하는 작업이다.
세정과 확산의 연속공정 구간에서의 자동화 생산률은 에서 보는 바와 같이 각각 새로 개발 된 일정계획 알고리듬이 구현 되는 시점을 기준으로 많은 향상을 보였다.
이는 세정 공정 이후 오랜 시간이 지남에 따라 자연산화 막이 형성 되고 공기 중에 있는 먼지(Particle)가 웨이퍼(Wafer) 표면에 내려앉아 불량률을 높이는 원인이 되기 때문에 존재하는 매우 중요한 제약 조건이 된다. 셋째, 두 번째 공정인 확산 공정은 공정조건(Recipe)이 동일한 복수개의 재공을 동시에 진행 할 수 있는 배치공정의 특징을 보유한다. 배치 공정만을 고려해 보았을 때 최대한 많은 재공(각 설비의 배치 사이즈만큼)을 하나의 배치로 구성 한 뒤 공정을 수행하는 것이 생산성 측면에서 보다 유리하다.
세정과 확산의 연속공정 구간에서의 자동화 생산률은 <그림 4>에서 보는 바와 같이 각각 새로 개발 된 일정계획 알고리듬이 구현 되는 시점을 기준으로 많은 향상을 보였다. 자동화 생산률이 100%에 미치지 못하는 이유는 배치공정 특성과 제한 된 대기시간 제약 이외에도 모니터링 재공, 설비 PM, 설비 Down 등 다양하게 고려해야 되는 현상들을 100% 반영하지 못하였기 때문이지만, 본 프로젝트의 초기 자동화 생산률이 세정과 확산에서 각각 50%와 10%였다는 것을 감안하면 91%와 83% 정도까지 자동화 생산률이 올라간 결과에 대해서는 본 프로젝트가 수행 된 반도체 회사에서도 매우 성공적인 사례로 평가 받았다. 개발 된 일정계획 방법론들은 세정공정 일정계획 방법론이 1차로 가장 먼저 구현, 적용 되었으며, 확산공정 일정계획 방법론과 일정계획 보정 방법론은 2차로 구현, 적용 되었다.
첫째, 각각의 세정과 확산 공정에는 복수의 동일 설비들이 존재한다. 둘째, 첫 번째 세정 공정이 완료 된 재공은 제품 타입 혹은 공정 조건(Recipe)에 따라 미리 정해져 있는 일정 시간 내에 두 번째 확산 공정을 시작해야 한다.
후속연구
이와 같이 차세대 국가 핵심 산업인 반도체 산업에서, 국내 반도체 회사들이 선진 외국 반도체 회사들에 비해 경쟁우위 확보와 유지를 위해서는 기술적인 개발을 통한 기술 우위와 더불어 생산비용절감, 수율 향상, 생산성 향상, 납기 준수, 지속적이고 안정적인 생산을 실현 할 수 있는 고도의 생산운영 방법이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
반도체 산업에서 국내 반도체 회사들의 경쟁우위 확보를 위해 필요한 것은 무엇인가?
이와 같이 차세대 국가 핵심 산업인 반도체 산업에서, 국내 반도체 회사들이 선진 외국 반도체 회사들에 비해 경쟁우위 확보와 유지를 위해서는 기술적인 개발을 통한 기술 우위와 더불어 생산비용절감, 수율 향상, 생산성 향상, 납기 준수, 지속적이고 안정적인 생산을 실현 할 수 있는 고도의 생산운영 방법이 필요하다.
반도체가 핵심부품인 이유는 무엇인가?
반도체를 이용하여 대용량의 정보를 저장할 수 있는 대용량 메모리와 다양한 전자제품들의 기능들을 하나의 반도체 Chip에 통합, 구현하는 디지털 컨버전스 기술은 전자산업, 의료기기산업, 자동차산업, 기계 제작산업 등의 다양한 분야에서의 핵심부품인 동시에 핵심 기술로써 디지털 강대국들의 명실상부한 차세대 핵심 산업으로 여겨지고 있다. 한편, 한국의 반도체 산업을 이끌어 가는 S사와 H사는 세계 반도체 시장의 높은 점유율 차지하고 있어, 반도체 산업은 명실상부한 한국의 국가핵심 산업이다.
세정과 확산으로 이루어진 연속 공정 구간의 특징은 무엇인가?
첫째, 각각의 세정과 확산 공정에는 복수의 동일 설비들이 존재한다. 둘째, 첫 번째 세정 공정이 완료 된 재공은 제품 타입 혹은 공정 조건(Recipe)에 따라 미리 정해져 있는 일정 시간 내에 두 번째 확산 공정을 시작해야 한다. 이는 세정 공정 이후 오랜 시간이 지남에 따라 자연산화 막이 형성 되고 공기 중에 있는 먼지(Particle)가 웨이퍼(Wafer) 표면에 내려앉아 불량률을 높이는 원인이 되기 때문에 존재하는 매우 중요한 제약 조건이 된다. 셋째, 두 번째 공정인 확산 공정은 공정조건(Recipe)이 동일한 복수개의 재공을 동시에 진행 할 수 있는 배치공정의 특징을 보유한다. 배치 공정만을 고려해 보았을 때 최대한 많은 재공(각 설비의 배치 사이즈만큼)을 하나의 배치로 구성 한 뒤 공정을 수행하는 것이 생산성 측면에서 보다 유리하다.
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