반도체 장비 개발자들에 있어 부딪히는 문제중의 하나는 SECS 같은 반도체 장비간 통신 기술 표준에 대한 이해의 부족에서 찾아온다. 수많은 개발자들이 반도체와 FPD 장비 개발에 매달려 있으면서도 좀처럼 정보가 나오지 않는 곳이 이 분야이기도 하다. 반도체 장비 개발에서 왜 통신 기술에 대한 표준을 이해해야 하는지, 그리고 반도체 장비 통신 표준에는 어떠한 것들이 담겨있고 각 통식 표준 규격들은 어떻게 구별되는지 개념의 이해 차원에서 알아보고자 한다. [편집자 주]
삼성전자는 지난 10월 19일 세계 최초로 50나노 1기가 D램 반도체를 개발, 본격적인 50나노 D램 시대가 시작됐다고 전세계에 타전했다.
50나노 공정 기술은 현재 양산중인 80나노 공정에 비해 3세대 앞선 기술로 생산성이 2배나 뛰어나며, 삼성전자가 작년 세계 최초로 개발한 60나노 공정에 비해서도 생산성이 55%나 높은 최첨단 미세공정 기술이다. 각 언론에서는 이번에 개발한 50나노 D램이 ‘RCAT’와 ‘SEG’라는 3차원 입체 트랜지스터 구조 신기술과 ‘복합 유전층’이라는 신물질, D램 셀의 최소면적을 줄이는 ‘6F²’ 구조 등을 적용함으로써 50나노의 벽을 뛰어넘었다고 평가했다.
삼성전자 관계자는 “이번 50나노 개발로 개발 측면에서는 경쟁사와의 격차를 1년 이상 벌렸으며, 양산 측면에서도 비용 절감과 생산성 향상을 통해 독자적인 수익성을 유지할 수 있는 기반을 확보하게 됐다”고 말했다.
그러나 이러한 제품 개발이 곧바로 제품 생산으로 이어지는 것은 아니다. 첨단 기술을 소화할 수 있는 생산 라인도 동시에 갖춰져야만 양산으로 이어지고, 상품화가 가능해 지는 것이다. 따라서 첨단 제품 개발과 동시에 생산 장비에 대한 연구 개발이 동시에 추진되어야 비로소 제품 개발에 대한 의미를 현실화 할 수 있다.
삼성전자는 50나노 공정을 적용한 D램 제품을 2008년 1/4분기부터 출시할 예정이며, 50나노급 D램 시장 규모가 2008년 50억달러를 시작으로 2011년까지 4년간 550억달러에 달할 것으로 전망했다고 한다.
2008년 양산을 위해서는 먼저 이 기술 공정을 소화할 수 있는 거의 완벽에 가까운 제조 장비가 향후 1년이내에 개발되어야 할 것이다. 그만큼 제조 장비에 대한 비중이 높아질 수 밖에 없게 된 것이다. 제조 장비에 대한 비중의 증가는 이들 장비에 대한 안정성과 고정밀성의 기술 확보를 우선적으로 요구한다.
그러나 이러한 고정밀 제조 장비의 개발이 쉬운 것은 아니다. 현재 반도체 장비는 각 개발 장비가 장비 전문업체에 의해서 개발되어 제조 라인에 도입되고, 이들 장비들은 또한 전체 생산 시스템으로 또다시 묶여지게 한다. 각각의 개발 장비들이 독립적으로는 우수한 장비가 될 수 있을지 모르지만, 전체 시스템으로 묶여지게 되면 여기서도 첨단 기능을 100% 발휘한다는 보장은 없다. 각 장비간 정보의 인터페이스가 자연스럽게 이루어져야 하고, 전체 시스템의 흐름에도 정확히 부합해야 하기 때문이다.
반도체와 반도체 장비
그만큼 반도체 장비의 개발 기술이 어렵다는 것을 의미한다. 현재 국내 반도체 산업계의 최대 현안 과제도 여기에 있다. 반도체 칩에 대한 세계 최대 생산국이자 국내에서 최대 수익을 올리고 있는 산업분야임에도 불구하고 국내 반도체 장비 국산화율은 너무나 미약한 현실이다. 이에 정부에서도 장비 업체 발굴과 지원정책을 적극 추진하고 있기도 하다. 매출 200억원 규모의 업체들을 스타기업(중핵기업이라고도 함)으로 육성해 나간다는 방침하에 오는 2007년까지 원천기술 상용화 프로그램 5년 전략을 마련하고 2007년도에만 200억원의 예산을 편성하고 있다. 정부정책도 기존의 연구개발에 대한 단순 지원방식(중기거점, 프론티어 등)에서 벗어나 반도체, 지능형 로봇, 스마트 홈 등 장기적인 국가 전략을 통해 기술 개발과 산업 활성화를 추구한다는 전략기술 제시 방식으로 변화하였다.
이러한 반도체 장비의 특성으로 인해서 반도체 칩 메이커들은 각 제조 장비 전문업체들을 철저하게 관리하는 한편, 더욱 철저하고 정확한 제품 스펙을 제시하게 된다. 경우에 따라서는 장비의 크기는 물론 이에 사용되는 부품에 대해서도 메이커와 모델명까지 지정하는 경우도 발생한다. 이는 전체 제조 라인의 시스템적 통합을 염두에 둔 사전 포석이라고 한다. 여기에서 보다 중요시되는 것이 각 장비간의 정확하고 빠른 정보 교환이다. 개별 장비와 전체 시스템이 동일한 프로토콜의 통신 네트워크를 사용해야만 기술적인 추가 노력과 추가적인 인터페이스 장비 없이 완벽한 제조 시스템의 통합화가 가능해 진다.
따라서 반도체 장비 전문 개발업체는 모두 SEMI(Semiconductor Equipment and Materials International; 세계 반도체 장비 재료 협회)에서 규정하고 있는 반도체 장비 통신 표준을 채택함으로써 이러한 반도체 메이커의 요구에 적극 부응하고 있다. 반도체 메이커 또한 자사만의 독자적인 통신 프로토콜 개발에 대한 부담을 덜고, 국제적으로 표준화된 프로토콜 사양을 받아들여 장비 개발 업체에 스펙으로 제공하고 시스템 통합을 진행함으로써 많은 기술적인 이점을 얻고 있다.
재미있는 것은 핸드폰 충전기와 같이 소비자들의 불편을 해소하기 위한 일종의 소비자 압력에 의해 표준이 도출된 것과는 출발점이 다르다는 것을 엿볼 수 있다. 반도체 장비 통신 표준의 경우는 장비 개발 업체들이 주도적으로 협회 구성을 통해 자체적인 통신 표준을 마련하고 자체 강제규정을 채택함은 물론 반도체 메이커에 압력을 행사하여 수용하게 하였다는 점이다. 특히 반도체 표준안에는 제품에 대한 품질 목표치가 표준에 제시되고 있다는 점이 주목된다.
이러한 SEMI 표준은 반도체 분야에서 강제 규정에 가깝게 제시되고 있으며, 반도체와 프로세스가 상이한 LCD, PDP 등의 FPD 분야에서도 이 규정을 대다수가 따르고 있는 중이다. 이제는 SEMI의 통신 표준을 이해하지 않고서는 반도체나 디스플레이 분야에서 어떠한 장비도 개발할 수가 없으며, 메이커 업체의 제조 라인에 들어갈 수 없는 상황이 되었다.
통신 표준의 필요성
반도체 장비와 관련한 국제 표준은 먼저 IEC(국제전기표준회의)와 ISO(국제표준화기구)의 표준을 얘기할 수 있다. 초기에 개발적으로 출발한 양기관은 현재 상호 협력주의를 기반으로 하면서 취급 분야와 영역을 서로 분할하여 추진하고 있다. 반도체 장비 관련 IEC 표준으로는 TC 47(Semiconductor Devices), SC 47A(Integrated Circuits), SC 47D(Mechanical Standardization for Semiconductor Devices), SC 47E(Discrete Semiconductor Devices)가 있다. ISO 표준으로는 TC 209(Cleanrooms and Associated Controlled Environments)가 있다.
SEMI의 표준으로는 현재 13개 분야 총 772개의 규격이 제시되고 있는 것으로 나타났다. 대표적인 표준 분야로는 장비 자동화 하드웨어(92개 규격), 장비 자동화 소프트웨어(54개 규격), FPD(Flat Panel Display: 42개 규격), MEMS(3개 규격), 세이프티 가이드라인(27개 규격) 등을 포함한다. 또한 SEMI 표준은 완료된 상태가 아니라, 지속적인 진행형 단계를 밟고 있다. 반도체 장비와 관련한 기술 발전과 새로운 프로세스의 등장 등으로 인해 새로운 분야와 새로운 규격의 필요성이 꾸준히 요청되는 분야이기 때문이다.
최근 산업자원부 기술표준원이 국내 반도체 장비 생산업체를 대상으로 조사한 바에 따르면, 대부분의 반도체 장비 업체가 SEMI와 ISO 표준을 따르고 있는 것으로 나타났다. 또한 세부적인 표준 활용 분야로는 안전 및 자동화 분야에 대한 활용비중이 높은 것으로 나왔다. 특히 안전과 관련해서는 반도체 업체가 모두 준수해야 할 사항이 되었기 때문에 그 중요성이 더욱 증가하고 있으며, 추가적이고 구체적인 신규 표준이 필요한 분야라는 평가가 이루어졌다.
이러한 반도체 장비에서의 표준화는 우리에게 어떠한 이점을 제공할까? 먼저 반도체 장비 개발업체는 제시된 표준에 따라 제품 개발을 추진하면 어떠한 메이커에도 납품이 가능하기 때문에 표준에 근거하여 일관된 기술개발을 진행할 수 있다. 따라서 제품 개발 비용과 기간 단축은 물론 장비의 품질, 신뢰성, 호환성 등의 실현이 가능하다. 특히 개발 업체에서 각각 개발이 추진되더라도 통신 표준에 근거하여 제품 개발이 이루어지기 때문에 동일한 프로토콜의 채용으로 향후 장비간 통신이 자연스럽게 통합될 수 있다. 그리고 반도체 장비 표준사양에는 장비의 성능 자체가 보장되므로, 메이커에서 요구하는 품질 신뢰성과 고성능에 대한 의심에서 벗어날 수 있다.
반도체 소자업체들 또한 재료에 대한 표준으로 인해 제조 비용을 감소할 수 있으며, 장비 통합 비용 절감 및 설비 유지 비용을 최소화할 수 있다. 메이커 업체들로서도 앞서 설명했던 시스템 통합을 위한 자체 프로토콜에 대한 개발 비용 및 스펙 개발에 대한 비용을 절감할 수 있고, 정확한 제조 장비의 성능 검증에 따른 제조 스케줄링에서의 오류를 없앨 수 있다.
이에 더하여 공통적이고 국제적인 플랫폼 설정이 가능해짐으로써 장비와 재료의 국제적인 생산 및 공급이 가능하고 중복 투자를 사전에 제고할 수 있다는 장점을 가지게 된다. 세계 시장 어디에서나 공통된 표준을 따르기 때문에 장비 개발이 이루어지게 되면 기술적인 무역 장벽 없이 세계 어디에나 시장 진출이 가능하다는 것이기도 하다.
SEMI의 반도체 통신 표준 현황
반도체 장비에서의 SEMI 통신 규격은 SECS라 한다. SECS란 SEMI Equipment Communication Standard의 약자이며, 반도체 장비간 통신의 표준으로 자리잡았다. 이 표준 규격은 시대와 기술의 변화에 따라 지속적으로 변화하는 양상을 보이고 있다.
SECS-I, II
70년대말에 처음 제시된 SECS-I은 당시 거의 대부분의 장비가 채택하고 있던 시리얼 통신에 대한 접속 방법에 대한 규약으로 80년대 들어 표준으로 채택되어 사용되어 왔다. 곧이어 SECS-II 표준이 발표되었는데, SECS-II는 실제 통신이 이루어지는 데이터 정의에 대한 규약이다.
GEM
80년대 후반에는 반도체 장비 구동에 대한 시나리오의 필요성에서 GEM(Generic Equipment Model) 규약이 출현하게 되었다. GEM은 200mm 웨이퍼 자동화 라인에서 본격적으로 접목되기 시작하여 300mm 웨이퍼 라인에서 완전히 도입되어 사용되고 있다.
HSMS
여기에 인터넷 TCP/IP로 대표되는 이더넷의 기술 발전과 저변확대는 반도체 장비에서도 기존 시리얼 통신에서 벗어나 이더넷 통신의 필요성을 제기하게 되었다. 이에 이더넷을 통한 데이터 전송에 대한 규약이 90년대 중반에 SEMI 표준으로 등장하게 되었으며, 이것을 HSMS(High-speed SECS Message Service)라 한다. 현재 HSMS는 이더넷 기술의 본격적인 산업 장비 분야에서의 도입을 계기로 기존의 시리얼 버스 통신 규정을 담은 SECS-I 표준을 완전히 대체하고 있다.
왜냐하면 SECS-I은 시리얼 버스(RS232C 등)가 느린속도와 케이블 길이의 제한성을 갖는데 비해 SECS-II가 채택하고 있는 이더넷은 확장이 용이할 뿐만 아니라 케이블 길이의 제한이 없다. 최근에는 무선 LAN 기술의 결합도 가능하게 됨으로써 기존 시리얼 통신은 이제 반도체 장비에서 그 필요성을 거의 상실했다.
Interface A
2000년대 들어서는 SECS와는 어느 정도 구별되는 Interface 규약이 출현하게 되었다. 현재 Interface 규약은 Interface A가 완료된 상태이며, Interface B, Interface C는 아직 완료되지는 않고 논의가 지속되고 있다. 이 Interface 규약은 웹의 사용이 일상화되면서 기존 반도체 생산 라인의 정보 데이터를 웹과 연결하고자 하는 방안으로 제시된 것으로 말해진다. 실제 3년 전부터 본격적인 활성화 노력을 보이고 있는 가운데, 2년 전부터는 TI, 인텔 등에서 현장 적용에 나서고 있다. 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 업계에서는 아직 도입되고 있지는 않은 것으로 나타났다.
좀더 구체적으로 SEMI에서 제시하고 있는 반도체 장비 관련 통신 표준으로는, 1) SECS로 대표되는 일반화된 통신 표준, 2) 300mm 웨이퍼 프로세싱 표준, 3) Interface A, B, C 표준으로 분류할 수 있다.
반도체 장비에서의 일반화된 통신 표준인 SECS는 E4 SECS-I, E5 SECS-II, E37 HSMS-SS, E30 GEM 및 GEM에서 파생한 SEM이 있다. SECS-I에는 현재 300~400개의 메시지가 정의되어 있다. 그리고 이 메시지를 어떻게 전송할 것인가를 다룬 표준 규약이 SECS-I과 HSMS이다. 앞서 설명했듯이 GEM은 반도체 장비 운영에 대한 시나리오를 다루고 있으며, GEM에서 파생한 SEM은 또다시 무인반송차 및 호이스트, 핸들러장비, 검사장비, 클러스터 툴 등 일반 반도체 장비와 다른 특수한 성격이 있는 개개의 제조 장비군에 대한 표준을 정의하고 있다. SEM군에는 PSEM, STKSEM, IBSEM, HSEM, ISEM, CTMC 등 다수의 규약이 정해지고 있다.
300mm 와이퍼 프로세싱 표준으로는 E84 Enhanced Handoff Parallel I/O Interface, E87 CMS, E40 Process Job Management, E94 Control Job Management로 구성된다. CMS는 캐리어 매니지먼트 서비스를 의미하며, 특히 E40과 E94는 프로세스 및 컨트롤과 관련한 관리 규약으로 300mm 와이퍼에서 완전한 표준으로 자리잡았다.
어찌보면 단순히 웹을 통한 모니터링이라는 설비 관리자 및 운영자의 편의성을 위해 제시된 Interface A 규약은 반도체 장비 정보 및 데이터 수집 정보를 Http/SOAP를 통해서 외부의 클라이언트에 제공하고 기능을 가진다. 여기에서 모든 데이터는 XML 문서를 통해서 데이터 전송이 이루어진다. Interface A 규약은 다음의 4가지 표준으로 구성된다. 1) E120 CEM(Common Equipment Model), 2) E125 EqSD(Equipment Self Description), 3) E133 ECA(Equipment Client Authentication and Authorization), 4) E134 DCM(Data Collection Management)이 그것이다.
Interface A는 인터넷이 연결된 곳이면 어디서나 접속이 가능하기 때문에 장비 및 데이터 정보에 대한 모니터링에 사용되고 있으며, 장비가 언제 에러가 발생했는지를 진단하는 폴트 디텍션 컨트롤이나 인터넷을 통한 원격 장비 진단 등에 활용될 수 있다. 따라서 Interface A는 SECS 프로토콜을 대체할 목적으로 개발된 것은 아니지만, 기존 SECS에 비해 상당히 저렴하게 구축이 가능하여 SECS를 점차적으로 대체해 나갈 것이라는 것이 전문가들의 견해이다. 하지만 당장 대체하기에는 무리가 있다. 원래 Interface A는 웹을 통한 장비 데이터의 모니터링이 목적이었으므로 가장 중요한 제어기능은 고려치 않았기 때문이다.
현재 완료된 표준은 아니지만 Interface B와 Interface C도 주목된다. B는 반도체 장비간 데이터 공유에 대한 표준 규약으로 국내에서는 삼성전자 LCD부문에서 적극적인 도입을 보이고 있다. 또한 C는 장비의 현재 상태를 반도체 팹 라인 밖에서 모니터링 하기 위한 기준을 제시한다. 이는 대부분의 반도체 장비가 개별 전문업체에 의해 개발되고 납품되기 때문에 반도체 메이커 설비 운영 담당자가 쉽게 처리하지 못하는 장비에서 발생할 수 있는 문제들을 개발 업체 전문가들이 원거리에서도 직접 웹을 통한 모니터링으로 장비 진단을 할 수 있도록 한다는 진일보한 구상이기도 하다. 이 구상은 이론적으로는 완벽해 보일지는 모르지만 현실적으로는 무리가 있어 보인다. 현재 반도체 라인의 모든 데이터는 보안상의 이유로 팹 라인 외부로의 차단이 100% 이루어지고 있기 때문이다.
마치며
이상에서 반도체 장비에서의 통신 표준에 대한 필요성과 현재 SEMI 표준으로 발표된 SECS 통신 규약 등을 개괄적으로 알아 보았다. 구체적인 기술 스펙에 대해서는 반도체 및 FPD 장비를 직접 개발하고 있는 개발 담당자들의 몫이라 생각한다. 이번 기회를 통해 그동안 SECS 표준에 대한 구분과 개념을 잡지 못하고 고심해왔던 많은 개발자 및 엔지니어들에게 정확한 개념 정립과 향후 반도체 장비 통신 표준의 흐름을 이해하는데 조금이나마 도움이 되었으면 한다.
SECS 및 Interface A 표준 규약은 SEMI(www.semi.org)에서 구매가 가능하다. 다만, 많은 엔지니어들이 이 규약이 영문으로 되어 있어 개별 기업에서 한글로 번역하고 다시 이를 이해하기까지 많은 노력과 시간이 필요하다는 문제점을 호소하고 있다. 빠른 시일 안에 국내에서도 한국어 스펙이 출판되어 직접적인 장비 개발과 큰 관련이 없는 이러한 문제들을 해결할 수 있기를 바란다. 공식적인 한국어 스펙이 완성된다면 그 동안 반도체 및 FPD 메이커들이 요구해 왔던 매뉴얼 및 제품 스펙도 영어에서 한국어로 바뀔 수 있을 것이다.
이러한 문제들을 해결하기 위해 반도체 장비 개발자들이 서로의 정보와 개발 과정에서의 노하우를 조금씩이나마 공유해 나갔으면 하는 바람이다. 그리고 이러한 노력들 속에서 보안이라는 이름으로 억눌려있는 각종 정보들을 종합하여 보다 발전된 연구 자료들이 공유될 수 있고, 개발자들의 커뮤니티를 통해 개발자들의 목소리와 요구사항을 정부, 협회 및 메이커들에게 당당히 제시할 수 있는 기회가 오기를 기대한다.
[아이씨엔 매거진 2006년 11월호]
