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수율
수율(收率, Yield)은 투입 수에 대한 완성된 양품(良品)의 비율을 뜻한다. 특히 반도체와 같은 하이테크 업종의 경우 생산성과 수익성에 큰 영향을 준다.
100개의 반도체 칩을 만들었을 때 정상품이 70개라면 수율이 70%라고 할 수 있다. 높은 수율은 생산성과 효율성을 높이고 불필요한 비용을 절감할 수 있다. 안정적인 제품 공급을 위해서는 약90%이상의 수율이 나와야 한다.
목차
개요
반도체에서 수율은 결함이 없는 합격품의 비율을 말한다.
반도체 수율은 웨이퍼 한 장에 설계된 칩(IC)의 최대 개수 대비 생산된 칩들 중 정상 작동하는 칩의 개수를 백분율로 나타낸 것으로, 불량률의 반대말이다.
즉 투입한 수 대비 제조되어 나온 양품의 비율을 수율이라고 할 수 있는데, 수율이 높을수록 생산성이 향상됨을 의미하므로 반도체 산업에서는 수율을 높이는 것이 중요하다.
하지만 반도체는 미세회로로 구성되기 때문에 공정 중 어느 한 부분의 결함이나 문제점이 제품에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 때문에 높은 수율을 얻기 위해서는 공정장비의 정확도와 클린룸의 청정도, 공정조건 등 여러 제반사항이 뒷받침 되어야 한다.
투입 수에 대한 완성된 양품(良品)의 비율
반도체는 미세 회로로 되어 있어 생산 환경이나 공정상의 한계로 발생하는 불량품(不良品)은 항상 있어왔고 이에 관여하는 요소는 온도, 공정과정, 설비, 청정도 등 수 없이 많다. 생산이 안정적으로 돌아가면 수율이 높아져 수익성이 증대하기 때문에 이러한 불량품을 줄이기 위한 노력을 꾸준히 해야 한다.
웨이퍼 한 장에 반도체 400개를 그렸는데, 생산해 보니 300개만 양품이고 100개는 불량품이라면 수율은 75%가 된다.
국세청은 2006년까지, 연간 매출액이 일정 수준 이상인 제조업체들로부터 생산수율 계산에 필요한 자료를 제출받아 세금 신고 내용의 적정성을 검토하는 등의 업무에 활용해 왔다. 특별한 이유 없이 동종업체에 비해 생산수율이 낮다면 탈세를 의심할 수 있는 상황이었기 때문인 것으로 짐작된다. 생산수율 제출 제도는 2007년부터 폐지. 이후로는 업체로부터 자료를 제출받는 대신, 세금 신고 내용을 분석할 때 자체적으로 생산수율을 계산/분석한다고 한다.
투입된 원재료 대비 정제된 제품(중간 재료)의 비율
투입된 원재료 대비 정제된 제품(중간 재료)의 비율. 다음과 같은 종류가 있다.
- 추출수율: 커피 추출에 있어 투입된 커피 원두량(도징량) 대비 추출된 커피 성분의 비율.
- 도정수율: 투입된 벼의 무게에 대한 도정된 백미의 무게.
- 제재수율: 투입된 원목에 대한 제재목의 무게 비율.
- 육류수율: 도체율 또는 정육률
- 도체율: 도축한 짐승의 생체중량에 대한 도체의 비율. (머리, 내장, 가죽, 족 등은 도체 무게에서 빠진다)
- 정육률: 도체의 무게에 대한 정육량의 비율. (사골, 꼬리, 잡뼈, 지방 등은 정육이 아니므로 정육 무게에서 빠진다)
- 체중 600kg의 소를 도축하였는데 도체 무게가 372kg이면 도체율은 62%. 372kg의 도체로 정육 250kg을 생산했다면 정육률은 67.2%
- 그리고, 수산물에서도 수율이라는 단어를 사용하는데, 일반적으로는 수산물을 한 마리 손질한 뒤에 먹을 수 있는 양을 의미한다.
수율의 계산
수율은 다음과 같은 간단한 수식을 통해 계산할 수 있다:
수율 (Y) = 정상적으로 작동하는 칩의 개수/생산된 전체 칩의 개수 × 100
예를 들어, 하나의 웨이퍼에서 100개의 칩이 생산되었고, 그 중 90개의 칩이 정상적으로 작동한다면 수율은 90%가 된다. 수율이 높을수록 제조 공정이 안정적이고 품질이 우수함을 의미한다.
수율의 유형
반도체 수율에는 다양한 유형이 있으며, 주로 공정 단계와 결함의 종류에 따라 구분된다.
초기 수율(Initial Yield)
초기 수율은 웨이퍼 제조 공정이 완료된 후 처음 측정된 수율을 의미한다. 주로 포토리소그래피, 식각, 이온 주입 등의 공정에서 발생하는 결함에 의해 초기 수율이 결정된다. 초기 수율은 새로운 공정 기술을 적용하거나, 공정이 아직 안정화되지 않은 경우에 비교적 낮게 나타나는 경우가 많다.
최종 수율(Final Yield)
최종 수율은 모든 제조 공정을 거친 후, 최종 제품 상태에서 측정된 수율을 의미한다. 최종 수율은 제품 출하 전에 다시 한번 결함 검사를 통해 정상적인 동작을 확인한 후 산출된다. 최종 수율은 초기 수율에 비해 더 높아지는 경우가 많지만, 웨이퍼 가공 단계에서 발생한 결함을 완전히 제거하지 못할 수도 있다.
공정 수율(Process Yield)
공정 수율은 각 개별 제조 공정 단계에서의 수율을 의미한다. 반도체 제조는 수십에서 수백 단계의 공정으로 구성되며, 각 단계에서 결함이 발생할 가능성이 있다. 개별 공정에서 발생한 결함이 최종 제품에 미치는 영향을 고려하여 각 공정의 수율을 최적화하는 것이 중요하다.
전기적 수율(Electrical Yield)
전기적 수율은 반도체 칩이 전기적 특성 테스트를 통과하는 비율을 나타낸다. 모든 제조 공정을 마친 후, 각 칩은 특정 전기적 특성을 가지고 정상적으로 작동해야 한다. 전기적 수율은 주로 회로의 전기적 특성에서 발생하는 결함과 관련이 있다.
수율에 영향을 미치는 요인
반도체 수율은 여러 요인에 의해 영향을 받는다. 이를 크게 공정적 요인과 설계적 요인으로 나눌 수 있다.
공정적 요인
- 미세공정 기술
반도체 제조 기술은 점점 더 미세해지고 있으며, 이를 미세 공정이라고 부른다. 미세공정에서는 회로 패턴이 매우 작아지면서 공정의 난이도가 높아지고, 결함 발생 가능성도 증가한다. 공정 기술이 미세할수록 더 작은 결함도 칩의 성능에 큰 영향을 미치므로, 수율 관리가 더욱 중요해진다.
- 포토리소그래피 및 식각 공정
포토리소그래피(광식각) 공정은 웨이퍼 표면에 회로 패턴을 형성하는 과정이다. 이 단계에서 미세한 결함이 발생하면 칩이 불량이 될 수 있다. 또한 식각 공정에서 회로 패턴을 정확하게 형성하지 못할 경우 수율에 부정적인 영향을 미친다.
- 오염 및 결함 발생
반도체 제조 공정 중 미세한 먼지, 오염물, 또는 공정 내 미세한 결함이 발생하면 반도체 칩이 제대로 작동하지 않게 된다. 이러한 오염을 최소화하기 위해 클린룸 환경에서 작업이 이루어지며, 공정 중 발생할 수 있는 결함을 최소화하는 다양한 기술들이 적용된다.
- 공정 변동성
공정 변동성은 반도체 제조 공정에서 발생할 수 있는 미세한 차이로 인해 각 웨이퍼나 칩의 특성이 조금씩 달라지는 현상을 말한다. 공정 변동성은 수율에 영향을 미칠 수 있으며, 이를 최소화하는 것이 중요하다.
설계적 요인
- 칩 크기
반도체 칩의 크기는 수율에 중요한 영향을 미친다. 일반적으로 칩이 클수록 결함이 발생할 확률이 높아지므로, 수율이 낮아질 가능성이 크다. 큰 칩에서는 제조 중 발생하는 미세한 결함이 칩의 일부에만 영향을 미치더라도, 그 결함으로 인해 전체 칩이 불량으로 간주될 수 있다.
- 설계 복잡성
반도체 칩의 설계가 복잡할수록 결함 발생 가능성이 증가한다. 복잡한 설계는 더 많은 공정 단계와 더 정밀한 제조 기술을 요구하며, 이에 따라 결함 발생 가능성도 커진다.
- 결함 허용 설계
설계 단계에서 일부 결함을 허용하는 기술이 수율을 개선하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 다수의 트랜지스터나 배선을 중복으로 설계하여, 결함이 발생하더라도 그 결함이 칩의 전체 성능에 영향을 미치지 않도록 할 수 있다.
수율 향상 방안
반도체 수율을 향상시키기 위해 다양한 기술과 방법이 개발되었다. 수율 향상은 반도체 제조사에게 중요한 과제이며, 지속적인 공정 개선과 신기술 개발을 통해 이루어진다.
설계 최적화
반도체 설계 단계에서부터 수율을 고려한 설계 방법이 적용된다. 결함이 발생해도 칩이 정상적으로 작동할 수 있도록 중복 배선 설계나 결함을 감지하고 교정할 수 있는 기능을 포함시키는 방법이 있다.
공정 관리
공정 관리 시스템을 통해 각 공정 단계에서 발생할 수 있는 변수를 철저히 통제하고 모니터링한다. 이를 통해 공정 변동성을 최소화하고, 발생할 수 있는 결함을 사전에 방지할 수 있다.
결함 분석 및 제거
결함 발생 원인을 분석하고, 이를 제거하기 위한 방법을 개발하는 것도 중요한 수율 향상 전략이니다. 결함을 실시간으로 모니터링하고, 발생한 결함을 빨리 발견하여 해당 문제를 해결하는 시스템을 구축함으로써 수율을 크게 향상시킬 수 있.
클린룸 환경 개선
오염을 최소화하기 위해 제조 공정이 이루어지는 클린룸 환경의 관리도 중요하다. 먼지나 미세 오염 물질이 결함을 일으킬 수 있으므로, 클린룸의 청정도를 높이고 엄격하게 유지하는 것이 수율 향상에 기여할 수 있다.
참고자료
- 〈수율〉, 《나무위키》
- 〈반도체 용어 사전 수율〉, 《삼성전자 반도체 뉴스룸》
- 딴딴's 반도체사관학교, 〈<반도체 수율> "수율이 중요하다는데 도대체 수율이 뭘까?"〉, 《티스토리》, 2022-03-07
같이 보기
