자료의 요약과 시각화
산화 공정을 마친 300 mm 웨이퍼 한 장의 막두께를 엘립소미터로 49곳에서 쟀다. 숫자 49개가 화면에 뜬다. 공정 엔지니어가 회의에서 말할 시간은 한 줄뿐이다 — "평균 100.40 nm, 1σ 0.25%, 가장자리가 두껍다." 이 한 줄에는 자료의 중심, 퍼짐, 모양, 그리고 무늬가 들어 있다. 이 장은 숫자 한 묶음을 몇 개의 숫자와 몇 장의 그림으로 줄이는 방법, 그리고 그렇게 줄일 때 무엇을 잃는지를 다룬다. 아래 점 하나를 오른쪽으로 끌어 보자. 평균(삼각형 받침점)은 따라 움직이지만 중앙값은 거의 그대로다.
- 변수를 범주형과 수치형(이산·연속)으로 나누고, 명목·순서·구간·비율 척도에 따라 의미 있는 요약 통계를 고른다.
- 도수 분포표(계급, 상대 도수, 누적 도수)와 히스토그램을 만들고, 계급 폭과 시작점이 그림을 어떻게 바꾸는지 Sturges·Scott·Freedman–Diaconis 규칙과 함께 설명한다.
- 평균·중앙값·최빈값·절사 평균·가중 평균을 계산하고, 평균이 받침점(편차의 합 0)이며 제곱 거리를, 중앙값이 절대 거리를 최소로 만든다는 사실로 둘의 강건성 차이를 설명한다.
- 범위·분산·표준 편차·변동 계수·사분위 범위·중앙 절대 편차와 z 점수를 계산하고, \(n-1\)로 나누는 이유를 반복 실험으로 확인한다.
- 다섯 숫자 요약과 상자 그림을 그리고, 1.5·IQR 울타리로 이상값을 표시하며, 여러 장비의 자료를 나란히 비교한다.
- 왜도와 첨도의 정의와 부호를 이해하고, 분포의 모양에 따라 평균·중앙값·최빈값의 순서가 바뀌는 것을 확인한다.
- 산점도와 표본 공분산, 상관 계수 \(r\)을 계산하고, \(r\)이 선형 변환에 불변이지만 곡선 관계·이상값·숨은 변수에 속는다는 것을 설명한다.
- 막두께 균일도(1σ %, 범위/2·평균)를 계산하고, 요약 통계가 웨이퍼 위의 공간 무늬를 숨길 수 있음을 웨이퍼 맵으로 확인한다.
자료의 종류와 측정 척도
통계학은 "흩어진 숫자에서 결론을 끌어내는 기술"이다. 그 첫걸음은 지금 손에 쥔 숫자가 무엇의 일부인지 아는 것이다. 웨이퍼 위의 막두께는 표면의 모든 점에서 정의되므로 값이 무한히 많다. 우리가 관심을 두는 이 전체를 모집단(population)이라 하고, 실제로 잰 49개를 표본(sample)이라 한다. 모집단의 평균처럼 전체를 설명하는 수를 모수(parameter), 표본에서 계산한 수를 통계량(statistic)이라 한다. 이 장은 표본을 정리하고 보여 주는 기술 통계(descriptive statistics)를 다룬다. 표본으로 모집단을 말하는 추론 통계는 8장부터 시작한다.
측정 기록 한 줄에는 여러 변수(variable)가 들어 있다. 로트 번호, 장비 이름, 슬롯 위치, 막두께, 결함 수, 결함 등급 …. 변수는 값의 성격에 따라 둘로 나뉜다. 범주형 자료(categorical data)는 값이 이름표다(장비 A·B·C, 결함 유형). 수치형 자료(numerical data)는 값이 양이다. 수치형은 다시 셀 수 있는 값만 갖는 이산형(discrete)(웨이퍼당 결함 수 0, 1, 2, …)과 구간 안의 어떤 값도 가질 수 있는 연속형(continuous)(막두께 100.37 nm)으로 나뉜다. 측정기가 소수 둘째 자리까지만 보여 줘도 막두께는 연속형이다 — 끊긴 것은 기록이지 양 자체가 아니다.
네 가지 측정 척도
스티븐스(S. S. Stevens)는 값 사이에 어떤 연산이 의미 있는지에 따라 척도를 넷으로 나눴다. 명목 척도(nominal scale)는 같다·다르다만 의미가 있다. 빈 번호 "Bin 7"은 숫자처럼 보이지만 이름표라 평균을 내면 안 된다. 순서 척도(ordinal scale)는 크고 작음이 의미 있지만 간격은 그렇지 않다. 결함 심각도 등급 4와 2의 차이가 2와 0의 차이와 같다는 보장이 없다. 구간 척도(interval scale)는 차이가 의미 있지만 0이 임의로 정해져 있어 비는 의미가 없다(섭씨 온도, 날짜). 비율 척도(ratio scale)는 0이 "없음"을 뜻하는 진짜 0이라 비까지 의미가 있다(막두께, 결함 수, 절대 온도, 전류).
| 척도 | 의미 있는 연산 | 중심 | 퍼짐 | 예 |
|---|---|---|---|---|
| 명목 | =, ≠ | 최빈값 | 범주 수, 비율 | 장비 ID, 결함 유형, 빈 코드 |
| 순서 | + <, > | + 중앙값 | + 사분위수 | 결함 등급, 만족도 |
| 구간 | + 차이(−) | + 평균 | + 표준 편차 | 섭씨 온도, 측정 시각 |
| 비율 | + 비(÷) | + 기하 평균 | + 변동 계수 | 막두께, 결함 수, 누설 전류 |
웨이퍼 척 A의 온도가 20, 척 B가 40이다. 섭씨로 비를 내면 B/A = 이지만, 같은 온도를 절대 온도로 바꾸면 B/A = 이다. 섭씨의 0은 물이 어는 점일 뿐 "열이 없음"이 아니어서 비가 단위를 바꿀 때마다 달라진다. 반면 차이 B − A = 는 어느 단위로 재도 같은 크기(1 °C = 1 K)다. 섭씨는 구간 척도, 켈빈은 비율 척도다.
척도를 가려내는 연습을 게임으로 해 보자. 카드 하나가 위에 나타나면 아래 네 칸 중 알맞은 척도로 끌어다 놓는다(버튼을 눌러도 된다). 틀리면 이유가 나온다.
척도 분류 게임
범주형 자료의 요약: 도수와 파레토 그림
범주형 자료는 범주마다 몇 번 나왔는지(도수)를 세어 막대그래프로 그린다. 막대를 도수가 큰 순서로 늘어놓고 누적 비율 꺾은선을 겹친 것이 파레토 그림(Pareto chart)이다. "결함의 80%는 소수의 원인에서 나온다"는 파레토 원리에 따라, 수율 개선 회의는 늘 이 그림에서 출발한다. 범주형 자료의 중심은 가장 많이 나온 범주, 곧 최빈값(mode)이다.
CVD 공정 기록표에 다음 열이 있다: ① 로트 ID(예: L2741), ② 챔버 이름(A, B, C), ③ 카세트 슬롯 번호(1–25), ④ 증착 온도(°C), ⑤ 49점 평균 막두께(nm), ⑥ 웨이퍼당 입자 수, ⑦ 육안 검사 등급(양호·주의·불량). 각 변수의 자료 유형과 척도를 말하고, 각각에 평균을 내도 되는지 판단하라.
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도수 분포와 히스토그램
이 장 내내 쓸 자료를 소개한다. 300 mm 웨이퍼에 열산화막을 기른 뒤, 가장자리 3 mm를 뺀 영역에서 표준 49점 배치(중심 1점, 반지름 49 mm에 8점, 98 mm에 16점, 147 mm에 24점)로 막두께를 쟀다.
| 1–7 | 8–14 | 15–21 | 22–28 | 29–35 | 36–42 | 43–49 |
|---|
표 1.1 — 49점 막두께(nm). 1번은 중심, 2–9번은 1번 고리, 10–25번은 2번 고리, 26–49번은 3번 고리다(열 방향으로 읽는다). 숫자만 늘어놓아서는 아무것도 보이지 않는다. 먼저 순서대로 늘어놓고 묶어서 센다.
도수 분포표
값의 범위를 겹치지 않는 구간인 계급(class, bin)으로 나누고, 각 계급에 든 값의 개수(도수(frequency))를 센 표가 도수 분포표(frequency distribution)다. 도수를 전체 개수 \(n\)으로 나눈 것이 상대 도수(relative frequency), 첫 계급부터 차례로 더한 것이 누적 도수(cumulative frequency)다. 경계에 걸린 값이 두 계급에 들어가지 않도록 계급은 \([a, b)\)처럼 왼쪽 끝을 포함하고 오른쪽 끝을 뺀다. 계급의 가운데 값을 계급값(class mark)이라 한다.
- 정렬한 49개 값을 수직선 위에 점으로 찍는다. 이것만으로도 점 그림(dot plot)이 된다.
- 범위를 폭 0.2 nm의 계급으로 자른다. 경계값 100.20은 오른쪽 계급 [100.2, 100.4)에 넣는다.
- 계급마다 점을 센다: 3, 9, 12, 12, 11, 2 — 합 49.
- 도수만큼 막대를 세우면 히스토그램이다. 막대는 서로 붙어 있다(수치형 자료의 연속된 구간).
도수 분포표를 막대로 그린 것이 히스토그램(histogram)이다. 막대그래프와 달리 가로축이 연속된 수직선이라 막대 사이에 틈이 없다. 세로축을 도수 대신 밀도 \(=\) 상대 도수 ÷ 계급 폭으로 그리면 막대 넓이가 상대 도수가 되고 넓이의 합이 1이 된다. 계급 폭이 서로 다를 때나, 5장에서 확률 밀도 함수와 겹쳐 그릴 때 이 밀도 척도를 쓴다.
계급 폭은 그림을 바꾼다
같은 자료라도 계급 폭과 시작점을 바꾸면 히스토그램의 모양이 달라진다. 폭이 너무 넓으면 봉우리 두 개가 하나로 뭉개지고, 너무 좁으면 막대마다 한두 개씩 들어가 들쭉날쭉한 잡음만 보인다. 정답은 없지만 출발점이 되는 규칙이 있다.
자료 49개, 표준 편차 0.25, 사분위 범위 0.41, 범위(최댓값 − 최솟값) 0.96이면 Sturges 계급 수는 , 폭으로는 이다. Scott 폭은 (계급 약 개), FD 폭은 (약 개)이다. \(n\)을 5000으로 늘리면 Sturges는 14개에 머물지만 Scott·FD는 계급을 훨씬 잘게 나눈다.
두 챔버(A, B)에서 나온 웨이퍼 200장의 평균 막두께를 하나의 히스토그램으로 그린다. 두 챔버의 평균은 약 0.85 nm 다르고, 각 챔버의 표준 편차는 0.25 nm쯤이다. 계급 폭을 1.0 nm로 넓게 잡으면 히스토그램은?
계급 폭 탐험기: 숨은 두 봉우리
① 폭을 두세 번 바꿔 그려 본다. 모양이 그대로인 특징만 믿는다. ② 봉우리가 둘이면 "섞인 무리"(장비 두 대, 로트 두 개, 측정자 두 명)를 의심한다. ③ 자료가 수십 개뿐이면 히스토그램보다 점 그림이나 상자 그림이 정직하다.
표 1.1의 49개 값으로 99.8 nm에서 시작하는 계급 폭 0.2 nm의 도수 분포표를 만들고, 상대 도수와 누적 상대 도수를 구하라. Sturges 규칙이 권하는 계급 수와 폭은 얼마인가?
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| 계급 (nm) | 계급값 | 도수 | 상대 도수 | 누적 상대 도수 |
|---|---|---|---|---|
| [99.8, 100.0) | 99.9 | 3 | 0.061 | 0.061 |
| [100.0, 100.2) | 100.1 | 9 | 0.184 | 0.245 |
| [100.2, 100.4) | 100.3 | 12 | 0.245 | 0.490 |
| [100.4, 100.6) | 100.5 | 12 | 0.245 | 0.735 |
| [100.6, 100.8) | 100.7 | 11 | 0.224 | 0.959 |
| [100.8, 101.0) | 100.9 | 2 | 0.041 | 1.000 |
중심의 척도: 평균, 중앙값, 최빈값
자료를 숫자 하나로 대표하라면 보통 "가운데"를 말한다. 그 가운데를 정하는 방법이 셋이다. 값이 \(x_1, x_2, \dots, x_n\)일 때 표본 평균(sample mean)은
중앙값(median)은 값을 크기순으로 늘어놓았을 때 한가운데 값이다. \(n\)이 홀수면 \((n+1)/2\)번째 값, 짝수면 가운데 두 값의 평균이다. 최빈값은 가장 자주 나오는 값인데, 막두께처럼 연속형 자료에서는 같은 값이 거의 반복되지 않으므로 도수가 가장 큰 계급(최빈 계급)으로 말한다. 표 1.1에서도 100.30, 100.46, 100.78이 세 번씩 나와 최빈값이 셋이다 — 측정 해상도가 만든 우연일 뿐 의미가 없다.
평균은 제곱 거리를, 중앙값은 절대 거리를 최소로 한다
자료 전체를 대표할 한 점 \(c\)를 고른다고 하자. "모든 값에서 \(c\)까지의 거리를 가장 작게" 하려는데, 거리를 어떻게 재느냐에 따라 답이 다르다.
강건성: 이상한 값 하나에 얼마나 흔들리는가
측정기가 입자 위에 초점을 맞춰 58.7 nm라는 엉뚱한 값을 냈다고 하자. 평균은 모든 값을 똑같이 더하므로 이 값 하나가 평균을 크게 옮긴다. 중앙값은 순서만 보므로 거의 꿈쩍하지 않는다. 이상한 값에 덜 흔들리는 성질을 강건성(robustness)이라 한다. 그 사이의 타협이 절사 평균(trimmed mean)이다. 정렬한 자료의 양쪽 끝에서 같은 비율(예: 10%)씩 버리고 남은 값의 평균을 낸다. 체조 채점에서 최고점과 최저점을 빼는 것과 같다.
막두께 10개 중 하나를 52.5 nm에서 70 nm로 바꾼다(나머지 9개는 51.7–52.6 nm). 평균, 중앙값, 표준 편차 중 가장 크게 변하는 것은?
이상값 줄다리기: 누가 버티나
가중 평균과 묶은 자료의 평균
값마다 무게가 다르면 가중 평균(weighted mean) \(\bar x_w = \sum w_i x_i / \sum w_i\)를 쓴다. 챔버별 평균을 합칠 때 무게는 웨이퍼 수다. 도수 분포표만 남아 있을 때는 계급값 \(m_j\)를 도수 \(f_j\)만큼 반복된 값으로 보고 평균과 분산을 근사한다.
챔버 A에서 12장(평균 100.20), 챔버 B에서 8장(평균 100.70), 챔버 C에서 5장(평균 99.90)을 처리했다. 웨이퍼 장 전체의 평균은 가중 평균 이다. 세 챔버 평균을 그냥 평균하면 로, 차이가 난다. 웨이퍼 수가 같을 때만 둘이 같다.
한 웨이퍼의 10점 막두께(nm)가 52.3, 51.8, 52.6, 52.1, 51.9, 52.4, 52.0, 52.2, 51.7, 58.7이다. 마지막 값은 입자 위에서 잰 것으로 의심된다. 평균, 중앙값, 10% 절사 평균을 구하고, 의심 값을 뺐을 때와 비교하라.
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퍼짐의 척도: 범위, 분산, 표준 편차
평균이 같아도 한 웨이퍼는 100.0±0.1 nm 안에 모여 있고 다른 웨이퍼는 98–102 nm에 흩어져 있다면 둘은 전혀 다른 공정이다. 공정 엔지니어가 평균보다 더 자주 들여다보는 것이 이 퍼짐이다. 가장 단순한 척도는 범위(range) \(R = x_{\max} - x_{\min}\)이다. 계산이 쉽지만 양 끝 두 값만 보므로 이상값에 약하고, 자료가 많을수록 커지는 경향이 있다(8절 실험). 모든 값을 쓰는 척도는 편차에서 출발한다. 편차의 합은 늘 0이니 그대로 평균할 수 없고, 제곱해서 평균한다.
- 다섯 점 101.2, 100.4, 99.8, 100.9, 100.7과 평균 100.6.
- 각 점의 편차. 오른쪽(+)과 왼쪽(−)이 정확히 상쇄되어 합이 0이다.
- 편차를 제곱하면 모두 양수가 된다. 제곱은 한 변이 |편차|인 정사각형의 넓이다 — 먼 점일수록 넓이가 급격히 커진다.
- 넓이를 더해 \(n - 1 = 4\)로 나눈 것이 표본 분산이다.
- 제곱근을 취해 단위를 nm로 되돌린 것이 표준 편차다. 대부분의 점이 \(\bar x \pm s\) 근처에 있다.
왜 \(n-1\)로 나누는가
편차를 잴 기준인 \(\bar x\)를 같은 자료에서 구했기 때문이다. \(\bar x\)는 언제나 자료의 한가운데로 끌려와 있으므로 \(\sum(x_i - \bar x)^2\)는 진짜 평균 \(\mu\)로 잰 \(\sum(x_i - \mu)^2\)보다 작다(앞의 미니 실험: 평균이 제곱 거리를 최소로 한다). \(n\)으로 나누면 평균적으로 모분산을 \((n-1)/n\)배만큼 작게 추정한다. 또 편차의 합이 0이라는 제약 때문에 \(n\)개 편차 중 자유롭게 움직이는 것은 \(n - 1\)개뿐이다. 이 수를 자유도(degrees of freedom)라 한다. 정확한 증명(\(E[S^2] = \sigma^2\))은 8–9장에서 한다. 여기서는 실험으로 확인하자.
변동 계수와 z 점수
표준 편차를 평균으로 나눈 변동 계수(coefficient of variation) \(\mathrm{CV} = s/\bar x\)는 단위가 없어서, 두께가 다른 막(10 nm 게이트 산화막과 1 µm 층간 절연막)의 고르기를 비교할 수 있다. 비율 척도에서만 의미가 있다. 값 하나가 무리 속 어디쯤인지는 z 점수(z-score) \(z_i = (x_i - \bar x)/s\)로 잰다. "평균에서 표준 편차 몇 개만큼 떨어져 있는가"다.
자료가 봉우리 하나인 종 모양이면 대략 68%가 \(\bar x \pm s\), 95%가 \(\bar x \pm 2s\), 99.7%가 \(\bar x \pm 3s\) 안에 든다(경험 법칙, 5장의 정규 분포). 모양과 상관없이 언제나 성립하는 보장은 체비쇼프 부등식이다: \(\bar x \pm ks\) 밖에 있는 값의 비율은 \(1/k^2\) 이하다(7장). 거꾸로, 점 무리의 가운데 2/3를 덮는 띠의 반폭이 대략 \(s\)다. 아래 게임에서 이 감각을 길러 보자.
표준 편차 눈대중 게임
막두께 균일도
반도체 공정에서 "균일도"는 대개 비균일도(nonuniformity, NU)를 퍼센트로 말한다. 정의가 둘 이상이라 보고서에는 꼭 어떤 정의인지 적는다.
49점 평균이 100.40, 최댓값이 평균보다 0.45 크고, 최솟값이 평균보다 0.51 작고, 표준 편차가 0.253이면, 범위는 , 범위 비균일도는 , 1σ 비균일도는 (3σ로는 )이다. 범위가 표준 편차의 배인데, 종 모양 자료 49개라면 보통 4.5배 안팎이다.
한 웨이퍼의 5점 막두께(nm)가 101.2, 100.4, 99.8, 100.9, 100.7이다. 범위, 표본 분산, 표본 표준 편차, 1σ 비균일도, 범위 비균일도를 구하라.
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사분위수, 상자 그림과 이상값
중앙값이 자료를 반으로 나누듯, 자료를 네 등분하는 세 값을 사분위수(quartiles)라 한다. 아래쪽 25%를 자르는 제1사분위수 \(Q_1\), 중앙값 \(Q_2\), 위쪽 25%를 자르는 제3사분위수 \(Q_3\)이다. 일반적으로 \(p\)분위수(백분위수 \(100p\))는 자료의 \(100p\)%가 그 아래에 놓이는 값이다. 정렬한 값 \(x_{(1)} \le \dots \le x_{(n)}\)에서 계산하는 방법이 여러 가지인데, 이 책은 엑셀 QUARTILE.INC·R 기본값과 같은 선형 보간을 쓴다.
사분위 범위(interquartile range, IQR) \(\mathrm{IQR} = Q_3 - Q_1\)은 가운데 50%가 차지하는 폭으로, 양 끝 25%를 무시하니 이상값에 강하다. 더 강건한 척도는 중앙 절대 편차(median absolute deviation, MAD) \(\mathrm{MAD} = \operatorname{median}|x_i - \tilde x|\)(\(\tilde x\)는 중앙값)다. 정규 분포에서는 \(\mathrm{IQR} \approx 1.349\sigma\), \(\mathrm{MAD} \approx 0.6745\sigma\)이므로 \(\mathrm{IQR}/1.349\)나 \(1.4826\,\mathrm{MAD}\)가 이상값에 흔들리지 않는 \(\sigma\) 추정값이 된다.
다섯 숫자 요약과 상자 그림
최솟값, \(Q_1\), 중앙값, \(Q_3\), 최댓값을 다섯 숫자 요약(five-number summary)이라 한다. 이것을 그림으로 그린 것이 튜키(J. Tukey)의 상자 그림(box plot)이다. 상자는 \(Q_1\)부터 \(Q_3\)까지, 상자 속 선은 중앙값이다. 상자에서 \(1.5\,\mathrm{IQR}\)만큼 떨어진 곳에 보이지 않는 울타리(fence)를 치고, 수염은 울타리 안에서 가장 먼 자료까지 긋는다. 울타리 밖의 점은 따로 찍어 이상값(outlier)으로 표시한다.
- 13개 CD 값을 정렬하고 순위를 붙인다.
- \(h = 12p + 1\): \(Q_1\)은 4번째, 중앙값은 7번째, \(Q_3\)은 10번째 값이다.
- \(Q_1\)–\(Q_3\)이 상자, 가운데 선이 중앙값이다. 상자 폭이 IQR = 0.9 nm.
- 상자에서 \(1.5 \times 0.9 = 1.35\) nm 떨어진 곳에 울타리를 친다(그림에는 보통 그리지 않는다).
- 수염은 울타리 안의 가장 먼 값(31.2, 34.0)까지. 36.2는 울타리 밖이라 이상값으로 찍는다. 31.2는 울타리 31.15에 아슬아슬하게 안쪽이다.
상자 그림의 진짜 힘은 여러 무리를 나란히 놓을 때 나온다. 장비 세 대의 자료를 상자 그림 셋으로 그리면 중심(중앙값)의 차이, 퍼짐(상자 길이)의 차이, 이상값이 한눈에 들어온다. 장비를 서로 맞추는 일(tool matching)의 첫 화면이 이것이다.
챔버 세 대 나란히: 상자 그림 비교
한 웨이퍼에서 잰 게이트 CD 13개(nm)가 31.2, 32.0, 32.4, 32.5, 32.7, 32.8, 33.0, 33.1, 33.3, 33.4, 33.6, 34.0, 36.2이다. 다섯 숫자 요약, IQR, 울타리, 수염의 끝, 이상값을 구하라. 평균·표준 편차와도 비교하라.
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분포의 모양: 왜도와 첨도
중심과 퍼짐이 같아도 모양은 다를 수 있다. 봉우리를 사이에 두고 한쪽 꼬리가 길게 늘어진 분포를 치우쳤다고 한다. 오른쪽(큰 값 쪽) 꼬리가 길면 오른쪽 꼬리 분포(양의 왜도), 왼쪽 꼬리가 길면 왼쪽 꼬리 분포(음의 왜도)다. 누설 전류, 입자 수, 결함 밀도, 소자 수명처럼 0 아래로 갈 수 없고 가끔 아주 큰 값이 나오는 양은 거의 언제나 오른쪽 꼬리를 가진다.
치우침의 정도는 표준화한 편차의 세제곱 평균으로 잰다. 세제곱은 부호를 살리므로 오른쪽의 큰 편차가 많으면 양수가 된다. 마찬가지로 네제곱 평균은 꼬리가 얼마나 두꺼운지를 잰다.
칩 1000개의 누설 전류를 쟀다. 대부분 1–2 pA인데 몇 개가 50 pA를 넘는다. 평균과 중앙값의 관계는?
꼬리를 끌어라: 왜도와 세 중심
첨도: 꼬리의 두께
첨도라는 이름 때문에 "봉우리가 뾰족한 정도"로 오해하기 쉽지만, 실제로 \(m_4\)를 지배하는 것은 꼬리의 먼 값들이다. 첨도가 크면 평균에서 3σ 넘게 벗어나는 일이 정규 분포보다 훨씬 잦다. 수율이나 신뢰성처럼 꼬리 확률(ppm)을 따지는 일에서는 이 차이가 결정적이다.
계산이 귀찮을 때 쓰는 근사가 피어슨의 제2 왜도 계수 \(\mathrm{Sk}_2 = 3(\bar x - \tilde x)/s\)다. 평균 2.33, 중앙값 1.80, 표준 편차 1.44이면 \(\mathrm{Sk}_2\) = — .
트랜지스터 6개의 누설 전류(pA)가 1.2, 1.5, 1.6, 2.0, 2.6, 5.1이다. 평균, 중앙값, 표준 편차, 모멘트 왜도 \(g_1\)과 보정 왜도 \(G_1\)을 구하라.
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산점도와 상관 계수
지금까지는 변수 하나를 봤다. 웨이퍼마다 막두께와 굴절률, 증착 온도와 두께, 문턱 전압과 누설 전류처럼 두 변수를 함께 재면 "같이 움직이는가?"를 물을 수 있다. 짝 \((x_i, y_i)\)를 평면에 점으로 찍은 것이 산점도(scatter plot)다. 가장 먼저 볼 것은 방향(오르막·내리막), 모양(직선·곡선), 세기(띠가 얼마나 좁은가), 그리고 무리에서 벗어난 점이다.
공분산과 상관 계수
평균점 \((\bar x, \bar y)\)를 원점으로 평면을 네 칸으로 나누자. 오른쪽 위와 왼쪽 아래의 점은 \((x_i - \bar x)(y_i - \bar y) > 0\), 나머지 두 칸의 점은 음수다. 이 곱을 평균한 것이 표본 공분산(sample covariance)이다.
\(r\)의 성질: ① \(-1 \le r \le 1\)이고, \(|r| = 1\)은 모든 점이 한 직선 위에 있을 때뿐이다. ② 단위가 없다. \(x\)를 \(ax + b\)로 바꿔도(\(a > 0\)) \(r\)은 그대로, \(a < 0\)이면 부호만 바뀐다. ③ \(x\)와 \(y\)를 바꿔도 같다. ④ 직선 관계의 세기만 잰다 — 곡선 관계, 이상값, 무리 섞임에 속는다. 13장의 결정 계수 \(r^2\)은 \(y\)의 변동 중 직선이 설명하는 비율이다.
상관이 거의 없는(\(r \approx 0\)) 점 11개가 있다. 여기에 다른 점들보다 \(x\)와 \(y\)가 모두 훨씬 큰 점 하나를 오른쪽 위 멀리 더하면 \(r\)은?
점을 끌며 보는 상관 계수
온도 편차 \(x\)(°C)와 막두께 \(y\)(nm)의 상관 계수가 0.922인 자료(예제)에서, \(x\)를 \(x' = \) 1.8\(\,x + \) 32로 바꾼다(1.8과 32는 °F 변환). 그러면 \(\bar x'\) = , \(s_{x'}\) = , 공분산 \(s_{x'y}\) = 로 바뀌지만, 상관 계수는 \(r'\) = 이다.
상관 계수 눈대중
\(r\)을 계산하기 전에 산점도만 보고 짐작할 수 있어야 계산 실수를 잡는다. 사람은 대개 \(|r|\)이 0.5 근처인 자료를 실제보다 약하게 본다 — 0.5는 생각보다 흐릿한 구름이다.
r 맞히기 게임
상관은 인과가 아니다
두 변수가 같이 움직이는 이유는 셋 중 하나다. \(x\)가 \(y\)를 바꾸거나, \(y\)가 \(x\)를 바꾸거나, 제3의 변수가 둘 다 바꾼다. 증착 챔버의 온도가 오르면 막두께도 늘고 굴절률도 바뀐다. 두께와 굴절률의 상관은 강하지만 두께가 굴절률을 바꾸는 것은 아니다. 이런 숨은 변수(교란 변수)를 가리려면 13–14장의 회귀와 실험 계획이 필요하다. 또 자료의 범위를 좁히면 \(r\)이 작아진다. 규격 안의 웨이퍼만 골라 보면 원래 강한 관계도 약해 보인다. 순서만 믿을 수 있거나 이상값이 걱정되면 값을 순위로 바꿔 상관을 구한 순위 상관 계수(Spearman rank correlation) \(r_s\)를 함께 본다.
챔버 온도를 설정값에서 \(x\) °C 바꿔 가며 웨이퍼 6장을 증착했다. \(x\) = −2, −1, 0, 1, 2, 3에서 막두께 \(y\)(nm) = 99.6, 100.1, 99.9, 100.5, 100.4, 101.0이다. 표본 공분산과 상관 계수를 구하라.
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웨이퍼 한 장을 숫자 몇 개로
이제 처음의 질문으로 돌아가자. 49점 막두께를 어떻게 보고할까? 표준 보고서는 대개 평균, 표준 편차(1σ %), 최솟값·최댓값(범위 %)을 적는다. 그러나 이 숫자들은 어느 점이 어느 자리에 있었는지를 모두 버린다. 위치 정보를 되살리는 그림이 웨이퍼 맵(wafer map)이고, 반지름에 따른 두께를 찍은 반경 그림이다. 표 1.1의 자료는 고리별 평균이 99.97(중심), 100.07, 100.32, 100.58 nm로 바깥으로 갈수록 두꺼워진다. 두께와 반지름 제곱의 상관 계수가 0.80이다 — 히스토그램에서는 전혀 보이지 않던 정보다.
웨이퍼 맵과 반경 그림
요약 숫자가 측정 점 수에 따라 달라지는 것도 기억하자. 범위는 점을 많이 잴수록 극단값을 만날 기회가 많아져 커진다. 표준 편차는 점 수와 상관없이 같은 값 근처에 머문다(점이 적으면 흔들릴 뿐이다). 그래서 5점 측정과 49점 측정의 범위 균일도는 비교할 수 없다.
표 1.1의 49개 값으로 평균, 중앙값, 표준 편차, 최솟값·최댓값, 1σ 비균일도, 범위 비균일도, 사분위수를 구하고 보고서 한 줄을 써라. 고리별 평균(중심 99.97, 1번 고리 100.07, 2번 100.32, 3번 100.58 nm)을 보고 무엇을 덧붙여야 하는가?
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핵심 정리
- 자료는 범주형(명목·순서 척도)과 수치형(이산·연속; 구간·비율 척도)으로 나뉜다. 척도가 의미 있는 연산을 정한다: 명목은 최빈값, 순서는 중앙값까지, 구간은 평균·표준 편차까지, 비율은 비와 변동 계수까지.
- 도수 분포표는 계급 \([a, b)\)마다 도수·상대 도수·누적 도수를 적고, 히스토그램은 그것을 붙은 막대로 그린다(밀도 높이 \(f_j/nh\), 넓이 합 1). 계급 폭과 시작점이 모양을 바꾸므로 Sturges \(\lceil\log_2 n + 1\rceil\), Scott \(3.49sn^{-1/3}\), FD \(2\,\mathrm{IQR}\,n^{-1/3}\)를 출발점으로 여러 폭을 그려 본다.
- 평균 \(\bar x = \sum x_i/n\)은 받침점(\(\sum(x_i - \bar x) = 0\))이며 제곱 거리를, 중앙값은 절대 거리를 최소로 한다. 평균은 이상값 하나에 무너지고(붕괴점 0%) 중앙값은 50%까지 버틴다. 절사 평균은 그 사이, 가중 평균은 \(\sum w_ix_i/\sum w_i\).
- \(s^2 = \sum(x_i - \bar x)^2/(n-1)\), \(s = \sqrt{s^2}\), \(\mathrm{CV} = s/\bar x\), \(z = (x - \bar x)/s\). \(n-1\)은 같은 자료로 구한 \(\bar x\)를 기준으로 쓴 대가(자유도)다. 막두께 비균일도는 1σ % \(= s/\bar x\)와 범위 % \(= (x_{\max} - x_{\min})/2\bar x\) — 범위는 측정 점 수에 따라 커진다.
- 사분위수는 \(h = (n-1)p + 1\) 선형 보간(이 책의 약속), IQR \(= Q_3 - Q_1\), MAD \(= \operatorname{median}|x_i - \tilde x|\). 상자 그림은 다섯 숫자 요약에 \(Q_1 - 1.5\,\mathrm{IQR}\), \(Q_3 + 1.5\,\mathrm{IQR}\) 울타리 밖의 점을 이상값으로 찍는다. 여러 무리 비교에 강하지만 봉우리 수는 숨긴다.
- 왜도 \(g_1 = m_3/m_2^{3/2}\)(오른쪽 꼬리면 양수, 대개 최빈값 < 중앙값 < 평균), 초과 첨도 \(g_2 = m_4/m_2^2 - 3\)(정규 0, 꼬리가 두꺼우면 양수). 엑셀의 SKEW·KURT는 보정된 \(G_1, G_2\).
- 공분산 \(s_{xy} = S_{xy}/(n-1)\), 상관 계수 \(r = S_{xy}/\sqrt{S_{xx}S_{yy}} \in [-1, 1]\)은 선형 변환에 불변(부호만 \(a\)를 따름)이고 직선 관계만 잰다. 곡선, 먼 점, 섞인 무리, 숨은 변수에 속으므로 언제나 산점도를 먼저 본다. 요약 통계는 위치 정보를 버리므로 웨이퍼 맵·반경 그림을 함께 본다.
연습문제
분위수는 이 장의 약속(\(h = (n-1)p + 1\) 선형 보간), 분산과 표준 편차는 \(n-1\)로 나눈 표본 값을 쓴다. 답이 ±1% 이내면 정답이다(따로 적은 문제 제외).
결함 리뷰에서 각 결함에 심각도 1(무해)부터 5(치명)까지 등급을 매긴다. 이 변수의 척도는?
등급 사이에 크고 작음은 있지만, 4와 2의 차이가 2와 0의 차이와 같다거나 4가 2의 "두 배 치명적"이라는 보장은 없다. 순서 척도이므로 중앙값·사분위수까지가 안전한 요약이다.
웨이퍼 6장의 결함 밀도(개/cm²)가 3.2, 2.8, 3.5, 3.1, 4.0, 2.9이다. 평균과 중앙값은?
합 19.5 → \(\bar x = 3.25\). 정렬: 2.8, 2.9, 3.1, 3.2, 3.5, 4.0 → 중앙값 \((3.1 + 3.2)/2 = 3.15\) 개/cm².
웨이퍼 200장의 평균 막두께로 히스토그램을 그린다. Sturges 규칙이 권하는 계급 수는?
\(\log_2 200 = 7.64\), \(k = \lceil 7.64 + 1\rceil = \lceil 8.64\rceil = 9\).
자료 80개로 계급 폭 0.5 nm인 히스토그램을 밀도 척도(넓이 합 1)로 그린다. 도수가 12인 계급의 막대 높이는?
높이 \(= f/(nh) = 12/(80 \times 0.5) = 0.3\) nm⁻¹. 막대 넓이 \(0.3 \times 0.5 = 0.15\)가 상대 도수 \(12/80\)과 같다.
게이트 산화막을 같은 자리에서 네 번 재니 2.1, 2.5, 1.9, 2.7 Å만큼 기준값에서 벗어났다. 이 반복 측정값의 표본 표준 편차는?
\(\bar x = 2.3\). 편차 −0.2, 0.2, −0.4, 0.4, 제곱합 0.40. \(s^2 = 0.40/3 = 0.1333\), \(s = 0.365\) Å.
웨이퍼 50장의 평균 막두께가 도수 분포표로만 남아 있다. 계급값(nm)과 도수: 99.6(3), 99.8(8), 100.0(15), 100.2(14), 100.4(7), 100.6(3). 평균과 표준 편차를 근사하라.
100을 뺀 계급값 −0.4, −0.2, 0, 0.2, 0.4, 0.6. \(\sum f m = -1.2 - 1.6 + 0 + 2.8 + 2.8 + 1.8 = 4.6\) → \(\bar x = 100 + 4.6/50 = 100.092\) nm. \(\sum f(m - \bar x)^2 = 3.137\) → \(s^2 = 3.137/49 = 0.0640\), \(s = 0.253\) nm.
한 로트 25장을 챔버 A(12장, 평균 100.2 nm), B(8장, 100.7 nm), C(5장, 99.9 nm)에 나눠 처리했다. 로트 전체의 평균 막두께는?
\((12 \times 100.2 + 8 \times 100.7 + 5 \times 99.9)/25 = (1202.4 + 805.6 + 499.5)/25 = 2507.5/25 = 100.30\) nm. 세 평균의 단순 평균 100.27과 다르다.
질화막 49점 측정 결과 평균 250.0 nm, 최댓값 253.1 nm, 최솟값 247.4 nm, 표준 편차 1.2 nm였다. 범위 비균일도 \((x_{\max} - x_{\min})/2\bar x\)와 1σ 비균일도를 %로 구하라.
범위 NU \(= 5.7/(2 \times 250.0) = 1.14\%\). 1σ NU \(= 1.2/250.0 = 0.48\%\). 범위가 \(s\)의 4.75배로 49점 정규 자료에서 흔한 비율(약 4.5배)과 비슷하다.
소자 9개의 누설 전류(nA)가 4.1, 4.4, 4.5, 4.7, 4.8, 5.0, 5.1, 5.3, 7.2이다. \(Q_1\), \(Q_3\), 위 울타리 \(Q_3 + 1.5\,\mathrm{IQR}\)을 구하고, 이상값이 있는지 말하라.
\(Q_1 = 4.5\), 중앙값 4.8, \(Q_3 = 5.1\), IQR 0.6. 울타리 \(4.5 - 0.9 = 3.6\), \(5.1 + 0.9 = 6.0\). 7.2 nA가 위 울타리 밖이라 이상값이다.
평균 100.4 nm, 표준 편차 0.25 nm인 49점 자료에서 101.1 nm인 사이트의 z 점수는? 체비쇼프 부등식에 따르면 이만큼 이상 떨어진 값의 비율은 최대 몇 %인가?
\(z = (101.1 - 100.4)/0.25 = 2.8\). 체비쇼프: \(|z| \ge 2.8\)인 비율 \(\le 1/2.8^2 = 12.8\%\). 종 모양이라면 실제로는 약 0.5%뿐이다 — 체비쇼프는 어떤 모양에도 성립하는 대신 느슨하다.
웨이퍼 24장의 평균 막두께가 평균 100.30 nm, 표준 편차 0.20 nm이다. 25번째 웨이퍼 101.30 nm가 더해지면 새 평균과 표준 편차는?
새 평균 \(= (24 \times 100.30 + 101.30)/25 = 100.34\) nm. 옛 제곱합 \(23 \times 0.04 = 0.92\). 증가분 \((101.30 - 100.30)(101.30 - 100.34) = 0.96\) → 새 제곱합 1.88, \(s^2 = 1.88/24 = 0.0783\), \(s = 0.280\) nm. 웨이퍼 한 장이 표준 편차를 40% 키웠다.
웨이퍼 10장의 증착 시간 \(x\)와 막두께 \(y\)에서 \(S_{xx} = 40\), \(S_{yy} = 2.5\), \(S_{xy} = 8.4\)를 얻었다. 상관 계수는?
\(r = 8.4/\sqrt{40 \times 2.5} = 8.4/10 = 0.84\).
챔버 온도의 평균이 400 °C, 표준 편차 2.5 °C이고, 온도와 막두께의 상관 계수가 −0.62이다. 온도를 화씨(\(F = 1.8C + 32\))로 바꾸면 평균, 표준 편차, 상관 계수는?
평균 \(1.8 \times 400 + 32 = 752\) °F. 표준 편차는 더하기에 영향을 받지 않고 배율만 받으므로 \(1.8 \times 2.5 = 4.5\) °F. 상관 계수는 양의 배율 변환에 불변이라 −0.62 그대로다.
칩 수명(시간) 자료의 히스토그램이 왼쪽에 몰려 있고 오른쪽으로 긴 꼬리를 가진다. 옳은 것은?
오른쪽(큰 값) 꼬리가 길면 세제곱 편차의 합이 양수라 왜도 > 0이고, 긴 꼬리가 평균을 끌어가 평균 > 중앙값이 된다. 수명, 누설 전류, 결함 수가 대표적이다.
한 웨이퍼의 대기 전류 중앙값이 1.20 µA, 중앙 절대 편차(MAD)가 0.050 µA이다. 정규 분포를 가정한 강건 표준 편차 \(1.4826\,\mathrm{MAD}\)와, PAT 방식의 위 한계 "중앙값 + 6σ"를 구하라. 1.70 µA인 칩은 어떻게 되는가?
\(\hat\sigma = 1.4826 \times 0.050 = 0.0741\) µA, 위 한계 \(= 1.20 + 6 \times 0.0741 = 1.645\) µA. 1.70 µA 칩은 규격 안이라도 이 한계를 넘어 걸러진다. 평균과 \(s\)를 썼다면 바로 그런 칩들이 \(s\)를 키워 한계를 느슨하게 만들었을 것이다.
다음 중 옳은 것은?
범위를 제한하면 \(x\)의 퍼짐이 줄어 직선 관계가 잡음에 묻히므로 \(|r|\)이 작아진다(규격 안 웨이퍼만 본 상관 분석의 함정). \(r = 0\)은 직선 관계가 없다는 뜻일 뿐(U자 곡선), 큰 \(r\)도 인과를 보장하지 않으며(숨은 변수), 단위 변환에 \(r\)은 불변이다.
개념 확인 퀴즈
웨이퍼 맵의 빈 코드(Bin 1 = 양품, Bin 7 = 누설 불량, Bin 12 = 기능 불량 …) 1000개의 평균이 4.3으로 나왔다. 이 숫자에 대한 평가로 옳은 것은?
같은 자료로 히스토그램을 그렸더니 계급 폭 0.2 nm에서는 봉우리가 둘, 0.8 nm에서는 하나였다. 가장 알맞은 해석은?
공정 A와 B의 49점 막두께 평균이 같고, A의 표준 편차는 0.20 nm, IQR은 0.27 nm, B의 표준 편차는 0.35 nm, IQR은 0.27 nm이다. 가장 그럴듯한 상황은?
산점도에서 두 변수의 상관 계수가 \(r = 0.05\)였다. 옳은 결론은?
두 웨이퍼의 49점 막두께가 같은 값들을 자리만 바꿔 가진다(평균, 표준 편차, 히스토그램이 같다). 두 웨이퍼에 대해 옳은 것은?