수율 잡는 AI
[사례 1] 2022년 삼성전자의 최대 고객이었던 글로벌 팹리스 세계 1위 기업 퀄컴은 3nm AP 파운드리 공정 TSMC에게 빼앗겼습니다. 심지어는 퀄컴은 4nm 파운드리 공정 또한 TSMC와 이원화했습니다.
[사례 2] SK 그룹은 중복 사업을 정리하고 계열사 간 합병을 추진하는 등 대대적인 구조조정 작업에 착수했다. 구조조정의 배경에는 10분기 연속 적자를 기록 중인 배터리 회사 SK온이 있다.
두 사례의 핵심은 무엇일까요? 바로 ‘수율’입니다. 수율은 설계 대비 정상품의 비율입니다. 이번 칼럼에서는 반도체와 배터리 산업에서 수율의 의미에 대해 알아보고 AI가 어떻게 산업의 핵심 경쟁력으로 작용하는지 알아보겠습니다.
반도체와 수율
반도체 수율은 웨이퍼 한 장에 설계된 IC 칩의 최대 개수 대비 생산된 칩들 중 정상 작동하는 칩의 개수를 백분율로 나타낸다. 즉, 투입된 수 대비 제조된 양품의 비율을 의미하며, 수율이 높을수록 생산성이 향상되고 기업의 매출과 직결된다. 반도체는 미세회로로 구성되어 있어 공정 중 어느 한 부분의 결함이 제품에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서 높은 수율을 확보하기 위해 공정장비의 정확도, 클린룸의 청정도, 공정조건 등의 제반 사항이 뒷받침되어야 한다. 일반적으로 반도체의 수율은 EDS 수율로 나타나며, 이는 전체 칩 중 정상 칩의 비율을 뜻한다. EDS에서 정상 판정을 받은 칩이 많을수록 수익에 큰 기여를 한다. 예를 들어, 2022년 4나노 공정에서 TSMC의 수율은 70~80%, 삼성전자는 50%로 추정된 바 있다.
배터리와 수율
배터리 업계에서 수율은 공장에서 생산된 배터리 중 결함 없는 합격품의 비율을 의미한다. 배터리 제조사는 완성품에 대한 성능 테스트를 진행하며, 일정 기준을 충족하는 제품만을 판매한다. 테스트에서 불량으로 판정된 경우, 특정 부분만의 문제라면 수정하여 재검사하고, 그렇지 않으면 분해 후 원재료를 추출해 재사용한다. 이러한 과정은 추가 비용을 발생시키고 수익성을 저하시킨다. 업계에서는 안정적인 제품 공급을 위해 90% 이상의 수율이 필요하다고 본다. 그러나 수율이 안정화된 공장을 타 지역에 동일하게 구축하더라도 비슷한 수율을 얻기는 어렵다. 이는 작업자의 경험과 환경 변화에 민감하게 반응하기 때문이다. SK온의 경우, 2024년에는 수율이 90% 중반에 이를 것으로 예상하며 큰 자신감을 보이고 있다.
정리
수율은 기업의 수익성과 고객사와의 신뢰를 결정하는 중요한 요소다. 그러나 반도체와 배터리의 수율은 수많은 변수에 의해 좌우되며, 높은 수율과 효율적인 수율 관리 공정은 산업의 중요한 성장 동인으로 작용하고 있다.
수율 관리와 AI
반도체 파운드리 산업에서는 다양한 공정제어 방법론을 적용해 수율을 높이려 노력하지만, 이를 쉽게 이루기는 어렵다. 첫 번째 이유는 반도체 공정 기술과 소자 구조의 복잡성 증가이다. 3D 구조와 멀티패터닝 공정은 반복적인 미세 편차로 인해 원인을 알 수 없는 결함을 초래한다. 두 번째는 비용 상승이다. 공정 스텝 수가 증가하면서 첨단 광학 검사 시스템 비용이 크게 증가하기 때문이다. 마지막으로, 노이즈 문제도 크다. 12인치 웨이퍼의 경우, 백만 개의 잠재적 결함을 가진 웨이퍼 맵이 생성될 수 있어 현실적으로 전부 검사하기는 어렵다.
이를 해결하기 위해 반도체 산업에서는 AI를 활용해 최초 설정된 공정 프로세스를 전수 점검하고, 불량 발생이 예상되는 공정을 사전에 탐지한다. AI는 기계 작동 강도, 컨베이어벨트 속도, 실내온도 등 다양한 변수를 반영한 시뮬레이션을 통해 불량률을 최소화하는 최적의 공정 레시피를 도출한다. 최근 기술은 반도체에 특화된 AI 알고리즘으로 예측 정확도를 0.2nm 수준까지 높였다.
배터리 산업에서도 AI가 활약하고 있다. LG에너지솔루션은 AI를 활용해 비정상 이미지를 탐지하고, 삼성 SDI와 SK온은 AI로 불량품을 자동 분류하며 비정상 활동을 알리는 등 최신 기술을 스마트팩토리에 접목하고 있다. 다만, 제조과정에서 발생한 결함을 자동 판정하는 것은 결과론적인 접근이다. 불량이 발생하지 않도록 정밀 제어 기술을 향상시켜 근본 원인을 예방하는 접근이 필요하다. 이와 관련하여, 고성능의 초고속 제어와 빅데이터를 활용한 AI 솔루션을 실시간 자동제어에 접목해 품질 결함을 최소화하는 ‘PC based PLC’ 시스템이 등장했다.
출처: https://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=50786반도체와 배터리 산업에서 수율은 기업의 생산성과 수익에 직결되는 핵심 요소로, 높은 수율 확보가 경쟁력을 좌우한다. AI와 정밀 제어 기술의 접목을 통해 수율 향상과 품질 관리의 효율성을 높이는 것이 필수적이다. 따라서 지속적인 기술 개발과 최적화된 공정 관리가 기업의 성장과 시장 경쟁력 강화를 위한 중요한 전략으로 자리 잡고 있다.
참고자료 및 출처
https://sshmyb.tistory.com/m/171https://biz.chosun.com/industry/company/2024/06/24/EV4B3CEGFZCFHNXXSJIACXOPCY/https://zdnet.co.kr/view/?no=20240429235901https://www.mk.co.kr/news/it/11156048
https://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=50786
작성자: ITS 27기 김민서
