[논문]반도체 장비상태 모니터링을 위한 SCADA 시스템 구현

이윤지; 윤학재; 박효은; 홍상진

[국내논문] 반도체 장비상태 모니터링을 위한 SCADA 시스템 구현
SCADA System for Semiconductor Equipment Condition Monitoring 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.18 no.4, 2019년, pp.92 - 95

이윤지 (명지대학교 공과대학 전자공학과) , 윤학재 (명지대학교 공과대학 전자공학과) , 박효은 (명지대학교 공과대학 전자공학과) , 홍상진 (명지대학교 공과대학 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Automation control and the data for control of industrial equipment for the diagnosis and prediction is a key to success in the 4th industrial revolution. It increases process efficiency and productivity through data collection, realtime monitoring, and the data analysis. However, university and research environment are still suffering from logging the data in manual way, and we occasionally loss the equipment data logging due to the lack of automatic data logging system. State variable presents the current condition of the equipment operation which is closely related to process result, and it is valuable to monitor and analyze the data for the equipment health monitoring. In this paper, we demonstrate the collection of equipment state variable data via programmable logic controller (PLC) and the visualization of the collected data over the Web access supervisory control and data acquisition (SCADA). Test vehicle for the implementation of the suggested SCADA system is a relay switched physical vapor deposition system in the university environment.

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AI 본문요약
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문제 정의

이를 해결하기 위해 본 논문에서는 릴레이 기반으로 이루어진 반도체 장비인 Sputtering System 에 자동화 제어기인 Programmable Logic Controller (PLC)를 적용하여 PC 기반의 Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) 시스템을 구현하는 방법을 제시한다. 이를 통해 대학 내 환경에서도 데이터를 수집하며 실시간 모니터링이 가능한 환경을 구축하며, 발생하는 오류와 문제를 검출하고 판단하여 신속한 대응이 가능하도록 한다.
이를 해결하기 위해 본 논문에서는 릴레이 기반으로 이루어진 반도체 장비인 Sputtering System 에 자동화 제어기인 Programmable Logic Controller (PLC)를 적용하여 PC 기반의 Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) 시스템을 구현하는 방법을 제시한다. 이를 통해 대학 내 환경에서도 데이터를 수집하며 실시간 모니터링이 가능한 환경을 구축하며, 발생하는 오류와 문제를 검출하고 판단하여 신속한 대응이 가능하도록 한다.
제조 공정 중 박막은 증착공정을 통해 형성되며, 일반적으로 Chemical Vapor Deposition (CVD)와 Physical Vapor Deposition (PVD)을 통해 이루어진다. 본 논문에서는 고체 물질로부 터 박막을 얻기 위해 물리적인 방법을 사용하여 증착 하는 방법인 PVD의 장비 중 하나인 Sputter를 이용해 시스템을 구현하였다. Sputter는 PVD의 다양한 방법 중 금속 박막 증착 공정으로, 하부 구조가 완성된 반도체 표면에 금속 배선을 형성하는 방법이다.
본 논문에서는 반도체 장비인 sputtering system의 챔버 내 진공을 확보하기 위해 펌프와 밸브 스위치를 PLC와 PC를 이용하여 제어하는 방법을 구현했다. Sputter panel에 구성된 스위치를 릴레이를 통해 PLC와 연결해준다.
본 논문에서는 대학 내 연구환경에서 사용하는 릴레이로 구성된 반도체 장비에 제어기인 PLC를 적용하여 PC를 통해 장비 제어 및 데이터를 시각적으로 확인할 수 있는 SCADA 시스템을 구현하였다. 이를 통해 장비 엔지니어와 공정 엔지니어가 공정 중 장비와 공정 오류에 쉽게 대응 할 수 있는 시스템을 구축하였다.

제안 방법

2와 같이 SCADA 시스템은 기본적으로 작업자의 컴퓨터와 다수의 프로그래밍이 가능한 PLC와 RTU (RTU : Remote Terminal Unit), 그리고 HMI (HMI : Human Machine Interface)로 구성되어 있다. 이 시스템은 장비에 사용되는 스위치와 센서를 PLC와 RTU와의 연결과 네트워크 통신을 통해 SCADA 시스템과 데이터를 송수신하여 장비 상태 모니터링 및 제어가 가능한 화면을 구성한다.
이러한 단 을 보완하기 위해 본 논문에서는 Fig. 7과 같이 두 가지 플랫폼을 동시에 구축 및 연동하였다.
Sputter panel에 구성된 스위치를 PLC의 출력부와 릴레이를 통해 연결하여 Mitsubishi사의 GX Works2를 이용하여 제어 프로그램을 작성한다. 각각의 스위치에 자기유지 회로 코드를 작성하여 효율적으로 장비를 제어하는 것을 도와준다.
또한 추가적으로 Interlock 회로를 프로그래밍하여 장비 내부의 고장과 공정 중 발생하는 오류를 줄이는 효과를 준다. 또한 장비의 변화하는 진공 값을 PLC로 받기 위해 산술 명령어와 특수 릴레이 명령어를 사용하여 코드를 작성하였다. 장비의 변화하는 진공 값을 PLC로 받기 위해 산술 명령어와 특수 릴레이 명령어를 사용한다.
장비의 변화하는 진공 값을 PLC로 받기 위해 산술 명령어와 특수 릴레이 명령어를 사용한다. 코드에 사용되는 특수명령어인 SM명령어를 적용하여 controller에서 받는 데이터를 소수로 변환해주며, 산술명령어가 항상 동작하도록 프로그램을 작성하였다. 이를 통해 sputter에 구성되어 있는 ㈜ATOVAC의 vacuum gauge controller 인 GVC2200의 전압 값을 수식을 통해 변환하여 원하는 압력 데이터 값을 실시간으로 수집하고 확인 가능하다.
데이터를 수집하고 실시간으로 확인하기 위한 방법으로 Advantech社의 dashboard design tool을 이용해서 WebAccess/ SCADA와 Wise PaaS/Dashboard를 구현하였다. 구현한 dashboard는 웹 기반의 플랫폼으로 구성된 서비스로 PLC가 적용된 Sputter 장비를 제어하고 데이터를 하나의 화면을 이용해 쉽게 확인할 수 있다.
WebAccess/SCADA는 local기반의 플랫폼으로, PLC와 Ethernet 케이블을 이용하여 통신을 해준다. Ethernet 통신을 통해 사용하는 PLC와 SCADA 플랫폼의 Internet protocol (IP) 설정하고 PLC의 입출력 파라미터를 SCADA 플랫폼에서 설정함으로써 Sputter 장비 제어 스위치를 생성하여 장비를 제어할 수 있는 시스템을 구축하였다. 이 시스템을 통해 장비의 압력 데이터 값을 확인하고 장비의 스위치의 전원 출력을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 대학 내 연구환경에서 사용하는 릴레이로 구성된 반도체 장비에 제어기인 PLC를 적용하여 PC를 통해 장비 제어 및 데이터를 시각적으로 확인할 수 있는 SCADA 시스템을 구현하였다. 이를 통해 장비 엔지니어와 공정 엔지니어가 공정 중 장비와 공정 오류에 쉽게 대응 할 수 있는 시스템을 구축하였다. 또한 손실되는 방대한 양의 데이터를 수집하고 분석할 수 있는 환경을 구축했다.
이를 통해 장비 엔지니어와 공정 엔지니어가 공정 중 장비와 공정 오류에 쉽게 대응 할 수 있는 시스템을 구축하였다. 또한 손실되는 방대한 양의 데이터를 수집하고 분석할 수 있는 환경을 구축했다.

성능/효과

7과 같이 두 가지 플랫폼을 동시에 구축 및 연동하였다. 이 두 가지의 플랫폼을 통해 실시간으로 가변 하는 데이터 값을 확인 가능하며, 수기가 아닌 자동적으로 데이터 수집이 가능하게 되었다.
예시로, 공장 생산라인의 공정이 복잡해짐에 따라 각 설비 및 로봇에 PLC를 적용하여 제어하는 방법을 사용하여 작업자의 위험성을 감소하여 안정성과 생산 효율성을 높이는 효과를 얻는다.

후속연구

향후 본 논문의 연구를 통해 예측 진단이 가능한 알고리즘을 공정에 적용할 예정이다. 이는 산업 환경에서의 활용도를 높이며, 장비의 노후화와 고장을 미리 진단하여 비용적인 측면을 감소시킬 수 있을 것으로 예상된다.
이는 산업 환경에서의 활용도를 높이며, 장비의 노후화와 고장을 미리 진단하여 비용적인 측면을 감소시킬 수 있을 것으로 예상된다. 또한 하나의 장비 이외 다른 반도체 장비들도 본 논문에서 제시한 것과 동일한 방식을 적용하여 전체 공정의 장비 들을 네트워크를 통해 하나의 SCADA 시스템으로 구축함으로써 전체 공정의 효율성을 높이는 효과를 얻을 수 있을 것이라 예상한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SCADA는 무엇인가?	Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA)는 원거리에 있는 다양한 장비의 센서에 네트워크 및 소프트웨어를 설치하여 관리자가 설비와 장비를 감시하고 제어하는 시 스템이다. 대부분의 산업분야에서 필수적으로 사용되며 그 중 장비가 원거리에 분포되어 있는 광범위한 범위의 설비에 적합한 시스템이다.
	복잡한 공정 기술로 인해 발생하는 어려움은?	반도체 소자의 미세화로 인해 공정은 더욱 복잡해지고 정교해지고 있다. 복잡한 공정 기술로 인해 공정 중 발생하는 문제점의 발견과 장비의 고장 및 오류의 원인을 발견하는 어려움이 있다. 이는 수율 감소 와 생산성 및 효율성의 문제로 이어진다 [4].
	자동화 제어 기술을 활용하여 원거리로 시스템을 감시하고 관리 및 제어하는 시스템의 효과는?	더 나아가 자동화 제어 기술을 활용하여 주요기반시설 및 다양한 산업 분야에서 사용되면서 원거리로 시스템을 감시하고 관리 및 제어하는 시스템이 발전하였다. 이 시스템은 인력 및 비용절감과 공정 효율성과 생산성 증가의 이유로 네트워크와 프로토 콜을 사용하여 장비와의 통신을 통해 다수의 센서와 장비 및 공정 데이터를 수집하고 하나의 화면에서 확인 가능하다 [3]. 데이터를 직접 수기로 입력할 경우 데이터 손실 및 휴먼 에러의 원인이 된다.

참고문헌 (6)

Xiongwen Zhang "Thermal Analysis of a Cylindrical Lithi-um-ion Battery", Journal of Electrochemical Acta 56, pp. 1246-1255, 2011.

상세보기
H. D. Song, S. S. Han, and S. H. Beack, "Analysis of Industry 4.0 Standard and Standardization of Smart Factory in Korea," Journal of Standards, Certification and Safety, 6(4), pp. 47-58, (2016).
J. P. Park, "Analysis on Success Cases of Smart Factory in Korea: Leveraging from Large, Medium, and Small Size Enterprises," Journal of Digital Convergence, 15(5), pp. 107-115, (2017).
H. S. Kim and D. G. Park, "Implementation of abnormal behavior detection system based packet analysis for industrial control system security," Journal of Korea Academia-Industrial cooperation Society, 19(4), pp. 47-56, (2018).
Y. S. Cho, S. M. Lee, H. J. Kim, and S. B. Kim, "Detection of Faulty Equipment Sequence of Multivariate Processes in Semiconductor Manufacturing," Journal of the Korean Institute of Industrial Engineers, 44(5), pp. 325-333, (2018).

상세보기
B. K. Sun, K. R. Han, K. W. Rim, "Study on Development of Embedded HMI System for PLC Monitoring," Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea, 42(4), pp. 1-10, (2005).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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