반도체 등 공정값 제어 등에서 쓰이는 APC (Advanced Process Control)

 

요즘 계속 시스템 트레이딩에 신경을 쓰고 있다.

 

그러다가 예전에 내가 해봤던, 공장자동화 솔루션도 이러지 않을까 생각난게 있었다.

첫 회사가 반도체 생산 (FAB)회사였는데, 나온지 벌써 15년넘은듯??

 

APC (Advanced Process Control)

APC(Advanced Process Control)는 반도체 제조 공정 등에서 공정 변수를 실시간으로 모니터링하고 제어하여 품질을 유지하거나 향상시키는 데 사용되는 중요한 기술입니다.

APC에서 제어값을 변경하는 공식과 로직은 공정 모델, 제어 목표, 제어 방법론에 따라 다를 수 있지만, 일반적으로 사용되는 몇 가지 핵심 로직과 공식을 소개하겠습니다.

 

1. PID 제어 (Proportional-Integral-Derivative Control)

PID 제어는 APC에서 가장 일반적으로 사용되는 제어 방법입니다. PID 제어기는 공정 변수의 오차를 줄이기 위해 비례, 적분, 미분 요소를 조합하여 제어값을 조정합니다.

PID 제어 공식

PID 제어기의 출력 u(t)는 다음과 같이 계산됩니다:

 

여기서:

• e(t)=SP(t)−PV(t) : 오차 (설정값 SP와 실제 공정 변수 PV의 차이)
• Kp​ : 비례 이득 (Proportional Gain)
• Ki​ : 적분 이득 (Integral Gain)
• Kd​ : 미분 이득 (Derivative Gain)

PID 제어 로직

1. 오차 계산: 설정값(SP)과 실제 공정 변수(PV) 간의 차이를 계산하여 오차( e(t)e(t)e(t))를 구합니다.
2. 제어 출력 계산: 위의 PID 공식을 사용하여 제어 출력 u(t)를 계산합니다.
3. 제어값 조정: 제어 출력 u(t)를 기반으로 공정 변수에 영향을 미치는 제어값을 조정합니다.
4. 반복: 공정이 진행됨에 따라 위의 과정을 반복하여 실시간으로 제어값을 조정합니다.

2. 모델 예측 제어 (Model Predictive Control, MPC)

MPC는 공정의 동적 모델을 사용하여 미래의 공정 변화를 예측하고, 이를 기반으로 최적의 제어값을 계산하는 고급 제어 기법입니다.

MPC 제어 공식

MPC의 기본 아이디어는 미래의 제어 변수(u)와 출력(y)을 다음과 같은 예측 모델을 통해 계산하는 것입니다:

y(t+k)=Ay(t)+Bu(t)+Cd(t)

여기서:

• y(t) : 현재 출력
• u(t) : 현재 제어 변수
• d(t) : 외란 (disturbance)
• A, B, C : 시스템 매개변수 행렬

MPC는 특정 기간에 대해 제어 변수를 최적화하는데, 이 과정에서 목적 함수를 최소화하거나 제약 조건을 만족시키는 제어 입력 u(t)u(t)u(t)를 계산합니다.

MPC 제어 로직

1. 모델 구축: 공정의 동적 모델을 구축하여 출력 y(t)와 제어 변수 u(t) 간의 관계를 정의합니다.
2. 미래 예측: 현재 상태에서 미래의 공정 출력을 예측합니다.
3. 목적 함수 최적화: 공정 목표(예: 오차 최소화)를 달성하기 위해 목적 함수를 최적화하여 최적의 제어 입력 u(t)를 계산.
4. 제어값 적용: 최적화된 제어값을 공정에 적용합니다.
5. 반복: 공정이 진행됨에 따라 이 과정을 주기적으로 반복합니다.

3. 예측 보정 제어 (Feedforward Control)

Feedforward 제어는 공정의 외란을 사전에 예측하고, 그에 대응하여 제어값을 조정하는 방식입니다. 이 방법은 공정의 출력에 영향을 미치기 전에 외란을 보정할 수 있는 장점이 있습니다.

Feedforward 제어 로직

1. 외란 예측: 공정 외란을 예측하거나 측정합니다.
2. 보정값 계산: 예측된 외란에 대응하기 위한 보정값을 계산합니다.
3. 제어값 조정: 계산된 보정값을 기반으로 제어값을 조정하여 외란의 영향을 최소화합니다.
4. 통합 제어: Feedforward 제어는 일반적으로 피드백 제어와 결합되어 사용됩니다. 피드백 제어는 공정에서 발생한 오차를 보정하고, Feedforward 제어는 사전 예측을 통해 외란의 영향을 감소시킵니다.

4. 적응 제어 (Adaptive Control)

적응 제어는 공정이 시간에 따라 변하거나, 시스템 모델이 불확실할 때 효과적으로 사용됩니다. 적응 제어는 시스템의 상태를 실시간으로 모니터링하고, 제어 알고리즘의 파라미터를 조정하여 최적의 제어 성능을 유지합니다.

적응 제어 로직

1. 파라미터 추정: 실시간으로 공정의 상태를 모니터링하여 시스템의 파라미터를 추정합니다.
2. 제어 알고리즘 조정: 추정된 파라미터에 따라 제어 알고리즘의 이득을 조정합니다.
3. 제어값 적용: 조정된 제어 알고리즘을 사용하여 공정 변수를 제어합니다.
4. 반복: 공정이 진행됨에 따라 실시간으로 파라미터를 재평가하고, 제어 알고리즘을 조정합니다.

결론

APC에서 사용되는 제어값 변경 공식과 로직은 공정의 특성, 제어 목표, 그리고 적용하는 제어 전략에 따라 달라집니다. PID 제어, MPC, Feedforward 제어, 적응 제어 등은 반도체 제조 공정에서 자주 사용되는 제어 방법입니다. 이들 기법은 각각의 공정 특성에 맞게 조정되어 사용되며, 고품질의 생산을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.

 

 

=> 정말 챗GPT를 쓰면 쓸수록 대단하다고해야하나? 어떻게 이런 특정 산업의 부분까지 긁어갔을까나?

예전에 내가 했던건 이런 복잡한 공정수식까진 안 했고,

1. 장비 PM 등이 발생하면 으로 초기화
2. 그냥 이전 공정값들을 계산 (?, 까먹었다..)해서 이번에 진행할 값을 알려주고, 공정엔지니어가 OK하면 진행하는 정도.

알고보니 내가 한건 APC라고도 할수없는거였구만...