반도체 공정을 위한 예약기반 FAB 스케쥴링 알고리듬

Abstract

반도체 산업의 발전과 함께, 제조사들은 경쟁력을 강화하기 위해 새로운 제품 개발 뿐 만 아니라 생산 스케쥴링 분야에도 큰 관심을 가지게 되었다. 반도체 FAB은 대표적인 장치 산업으로써 포토, 에칭, 확산, 계측 등의 공정들로 이루어진 매우 복잡한 프로세스를 통해 제품을 생산하는 산업이다. 칩 생산을 생산하기 위한 소요 시간이 길고, 재진입 프로세스(Reentrant process), 순서 기반의 셋업(Sequential based setup), Lot 우선순위(Lot's priority) 등의 특징이 있으며, 전용화(Dedication), 큐 타임(Queue time) 등의 제약이 존재한다. 이러한 점을 모두 고려하여 스케쥴링 하는 것은 매우 어렵고 복잡한 일이지만, 적절하게 고려하지 않으면 FAB의 성능이 현저하게 저하되기 때문에 생산 계획을 수립할 시 반드시 고려되어야 한다. 반도체 FAB 스케쥴링을 수행하는 과정은 크게 세 단계로 구성된다: 1) FAB 모델 구축, 2) FAB 스케쥴링 방법론 개발 및 적용, 3) 스케쥴링 결과 분석 및 방법론 개선. 세 단계 중 현실적으로 가장 수행하기 어렵고 오랜 시간이 소요되는 것은 FAB 모델 구축 단계이다. 앞서 언급했듯이, 반도체 FAB이 매우 복잡하기 때문에, 장비, 공정, 일정 계획 등의 정보가 없는 기업 또는 학계에서는 FAB 모델 구축이 매우 어렵다. 만약 반도체 FAB 모델을 구축한다면, 이는 다른 FAB 스케쥴링 연구를 위한 참조 모델로써 사용될 것이며, FAB 스케쥴링 기술 발전에 큰 영향을 미칠 것으로 보인다. 두 번째 단계는 생산 스케쥴링을 수립하기 위한 방법론을 개발하고 이를 적용하는 단계이다. FAB 생산 스케쥴링에는 디스패칭 규칙, 투입 계획, 배치 정책, 예방 정책 등의 다양한 분야들이 존재한다. 특히, 디스패칭 규칙과 투입 계획은 반도체 FAB의 성능에 큰 영향을 미치기 때문에 생산 스케쥴링을 수립하는데 있어서 적절한 방법론을 적용하는 것이 중요하다. 세 번째 단계는 스케쥴링 결과를 분석하고 문제점을 발견하여 이를 해결하는 단계이다. 이 단계에서는 구축된 FAB 모델과 적용된 스케쥴링 기법의 문제점을 분석하여 이를 해결함으로써 FAB 성능을 향상시키는 것에 목적이 있다. 본 논문의 목적은 시뮬레이션 기반의 반도체 FAB 스케쥴링 환경을 구축하고 FAB의 특성을 고려한 새로운 휴리스틱 알고리듬을 개발하는 것이다. 비록 스케쥴링을 위한 기법들이 다양하지만, FAB의 높은 복잡성 때문에, 많은 기업에서 스케쥴링을 수행하기 위해 시뮬레이션 기술을 많이 이용하고 있다. 본 논문 또한 같은 이유로 시뮬레이션 기술을 사용하였다. 우리는 FAB 모델을 개발하기위해 이미 개발된 three-phase modeling framework를 참조 모델로 이용하였으며, 합동 유럽 서브마이크론 실리콘 개발 계획과 세마테크의 협력을 통해 1995년에 개발된 MIMAC(Measurement and Improvement of MAnufacturing Capacities) 모델을 이용하여 데이터를 생성하였다. FAB 모델의 구축과 함께, 우리는 새로운 FAB 스케쥴링 방법론에 대한 연구를 수행하였다. 반도체 장비를 효율적으로 사용하기 위해서는 높은 품질의 투입 계획을 수립하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해, 우리는 투입 계획을 수립하기 위한 역방향 유한 능력 일정계획(Backward finite capacity planning) 방법론을 개발하였다. 이 연구에서 우리는 기존에 이미 개발된 투입 계획 생성 방법을 강화하였다. 각 공정에서의 투입 계획과 생산 계획을 계산하여 최종적으로 투입 계획을 수립하는 방법으로써, 기존에 널리 사용되던 방법(Time-shifted POR)에 비해 더 적은 제고를 가진다는 것을 증명하였다. 장비의 가동률이 매우 높게 유지되는 반도체 FAB에서 적절한 디스패칭 규칙을 적용하는 것은 매우 중요하다. 반도체 산업에서 경쟁력을 가지기 위해서는 고객과의 신뢰가 매우 중요하다. 본 연구에서는 FAB의 납기 만족을 달성하기 위해 2-단계 디스패칭 규칙을 개발하였고, 시뮬레이션을 통해 성능을 검증하였다. 2-단계 디스패칭 규칙은 각 공정의 생산 목표치에 대한 진도와 각 Lot의 진도를 모두 고려해야 Lot을 선택한다. 각 공정의 생산 진도를 계산하기 위해 backward pegging과 forward simulation을 이용하였다. FAB에는 납기 만족을 방해하는 많은 요소들이 존재한다. 본 연구에서는 주문의 우선순위와 전용화 제약에 대한 연구를 수행하였다. 반도체 FAB에서 주문은 크게 일반 주문과 긴급 주문으로 분류될 수 있다. 긴급 주문은 일반 주문에 비해 생산량이 적고, 목표 마감 기한이 매우 짧은 대신에 이윤이 높다. 그렇기 때문에 긴급 주문에 해당하는 Lot들의 납기 만족을 달성하기 위한 방법이 요구된다. 하지만 긴급 주문으로 인해 일반 주문에 해당하는 Lot들의 흐름이 늦춰짐에 따라 발생하는 피해 또한 무시할 수 없다. 이를 해결하기 위해 우리는 예약 기반의 디스패칭 규칙을 개발하였고, 이에 대한 성능을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 주문의 우선순위 뿐 만 아니라 전용화 제약 또한 FAB 스케쥴링을 수행하는데 있어서 반드시 고려되어야 한다. 전용화 제약은 FAB의 병목 공정인 포토 공정에 적용되는 제약으로써, 하나의 Lot이 FAB에서의 가공이 끝날 때까지 하나의 포토 장비에서만 처리되도록 함으로써 수율을 높이기 위한 정책이다. 전용화 제약으로 인해 수율을 높일 수 있지만, 반대로 유연성이 떨어지기 때문에 생산성이 떨어지는 결과를 초래할 수도 있다. 이러한 현상을 예방하기 위해, 우리는 전용화 부하 기반의 디스패칭 규칙을 개발하였다. 전용화 부하는 현 시점에 각 포토 장비에 전용화 된 Lot들에 대한 작업 부하의 합을 의미한다. 이 규칙은 모든 포토 장비에 Lot들을 균등하게 분배하여 부하 균형을 달성하는 것을 목표로 한다.