製造自動化規格：SECS/GEM準拠および改修ソリューション

製品概要

• 市場の状況: 半導体市場は2030年までに1兆ドル近くに達すると予測されており、需要を満たすためには自動化が不可欠となる（マッキンゼー、2023年）。
• チャレンジ： 最新機器と旧式機器が混在する環境は、通信の分断を生み出し、データ収集やプロセス制御を阻害する。
• ソリューション： SECS/GEMやGEM300といったファブオートメーション規格を採用することで、装置とホスト間のシームレスな通信が保証されます。
• 既存設備の改修： Einnosysは、高価な交換費用をかけずに、規格に準拠していない「スマート」なツールをスマート化するためのハードウェアおよびソフトウェアソリューションを提供しています。
• 主なメリット： 歩留まり管理の強化、不良品の削減、そしてインダストリー4.0への準拠に向けた明確な道筋。

イントロダクション

半導体業界は急成長を遂げている。マッキンゼー（2023年）によると、世界の半導体市場は2030年までに1兆ドル規模に達すると予測されている。この飽くなき需要に対応するためには、メーカーは手作業によるデータ入力や分断された機械設備に頼ることはできない。効率性こそが唯一重要な価値基準となるのだ。

しかし、驚くべきことに、いまだに多くの製造現場で、中央管理システムとの通信を拒否する機器に悩まされている。この通信障害は、多くの場合、製造現場の自動化基準への準拠不足に起因する。機械が状態、アラーム、またはプロセスデータを製造実行システム（MES）に送信できない場合、生産速度が低下し、エラーが発生し、歩留まりが悪化する。

最先端の300mmウェハ製造工場であろうと、特殊なLED製造工場であろうと、あらゆる施設において、機器の共通言語を確立することは不可欠です。その共通言語は、SEMI規格、特にSECS/GEMによって定義されています。この記事では、これらのプロトコルを詳しく解説し、Einnosysのソリューションが、従来の機械と完全にネットワーク化されたスマートファクトリーとの間のギャップをどのように埋めるのかを探ります。

アルファベットの羅列を解読する：SECS/GEMとは何ですか？

適切なドライバーがない状態で、2000年代初頭のプリンターをWindows PCに接続しようとした経験があれば、機器統合の苦労が理解できるでしょう。製造現場では、用紙トレイが詰まるといった些細な問題よりも、はるかに深刻な事態が起こり得るのです。

ファブオートメーション規格とは、異なるベンダーの異なる装置がホストコンピュータと通信できるようにするための、合意されたプロトコルのことである。その中で最も普及しているのはSECS/GEMである。

方程式の2つの部分

• SECS（半導体製造装置通信規格）： これは 輸送 データに関する規格です。メッセージが接続（通常はRS-232またはTCP/IP）を介してどのように送信されるかを定義します。SECS-I（シリアル）とHSMS（イーサネット用高速SECSメッセージサービス）に分類されます。
• GEM（製造装置の通信および制御のための汎用モデル）： これは 行動これは、マシンがどのような応答を返すべきかを定義します。GEMは、ホストが「ステータス変数」を要求した際に、すべてのマシンが予測可能な応答を返すことを保証します。

GEMがなければ、エッチング装置は摂氏で温度を報告する一方で、成膜装置はケルビンで報告する可能性があり、どちらもバッチ処理が完了したことを知らせてくれません。ファブ自動化規格であるSECS/GEMは、この混乱を解消します。

なぜこの議事進行規則が最優先されるのか

なぜ私たちは何十年も前に開発された規格を今も使い続けているのか？それは信頼性のためだ。

SECS/GEMは堅牢です。以下のことが可能です。

1. リモートコントロール： コントロールルームから処理ジョブの開始と停止を行う。
2. アラーム管理: プロセス変数が仕様範囲外になった場合、即座に通知します。
3. データ収集： 歩留まり分析のための重要な計測データを収集する。
4. レシピ管理: 人為的ミスを防ぐため、正しい製造工程レシピをツールに直接アップロードする。

トースターにこれほどの制御機能が必要でしょうか？おそらく必要ないでしょう。しかし、半導体製造工場の自動化においては、たった一度のミスが数千ドル相当のウェハーを台無しにしてしまうため、このような高度な制御機能は必須です。

スケールアップ：GEM300とインターフェースA

業界が200mmウェハーから300mmウェハーへと移行するにつれ、物流は基本的なGEMでは複雑になりすぎた。25枚のウェハーを積んだカセット（FOUP）の移動は、人間ではなく自動マテリアルハンドリングシステム（AMHS）の仕事となった。

GEM300標準スイート

完全な製造自動化に対応するため、GEM300規格が導入されました。これには以下のものが含まれます。

• E39（オブジェクトサービス）： データをオブジェクトとして扱う。
• E40（プロセスジョブ管理）： 特定のウェハの処理状況を追跡する。
• E87（キャリア管理）： FOUP（前面開閉式統合ポッド）の積載ポートへの出し入れを管理する。
• E90（基質追跡）： キャリア内の個々のウェハーを監視する。

最新の300mm製造工場にとって、これらの基準を遵守することは、ロボットによる息の合ったバレエのような動作と、衝突事故が頻発する大惨事との分かれ目となる。

インターフェースA（EDA）

SECS/GEMは制御には非常に優れていますが、高頻度分析のために大量のデータを取得しようとすると、処理が滞ってしまうことがあります。そこで登場するのがインターフェースA（機器データ収集）です。

インターフェースAはSECS/GEMと並行して動作しますが、データ収集専用です。これにより、製造現場の自動化チームは、装置の制御動作を遅くすることなく、故障検出のための高速データを取得できます。

レガシー機器チャレンジ

多くの工場にとっての現実とは、ゼロから新しい工場を建設しているわけではないということです。おそらく、真新しい設備と、90年代後半から稼働している信頼性の高い既存設備が混在しているでしょう。

SEMI財団の報告書（2022年）によると、200mmウェハーの世界的な生産能力のかなりの部分が、旧式の装置に依存している。これらの装置はシリコンを完璧に切断できるが、コンピュータは旧式である。Windows 98で動作するものもあれば、イーサネットポートがないものもある。SECS/GEMと通信できるソフトウェアが不足しているものもある。

「愚かな」機械の問題

機械がMESに接続できない場合、データに「ブラックホール」が発生します。

• オペレーターはロット番号を手動で入力する必要がある（入力ミスが発生しやすい）。
• エンジニアはリアルタイムのパフォーマンスを確認できない。
• レシピの選択は手動で行われるため、恐ろしい「間違ったレシピ」による廃棄事態が発生する可能性がある。

LEDや太陽光発電の製造における自動化組立ラインにとって、接続性を得るためだけにこれらの高価なツールを交換することは、経済的に自殺行為に等しい。投資対効果は一般的に存在しない。

では、新しいものを買わずに現代化するにはどうすれば良いでしょうか？

Einnosys Solutions：ギャップを埋める

そこでEinnosysの出番です。当社は、不可能と思われた接続を可能にすることに特化しています。ファブオートメーションの基準を満たすために、正常に機能する機器を廃棄する必要はないことを、当社は理解しています。

EIGEM – SECS/GEMドライバー

新しい装置を開発する機器メーカー（OEM）にとって、SECS/GEMコードをゼロから記述することは非常に大きな負担となる。開発者は、この作業に時間を取られて、コアとなるプロセス技術に集中できなくなるからだ。

EIGEMは、当社のライブラリ／ドライバソリューションです。OEMメーカーが自社の装置制御ソフトウェアに統合できるプラグアンドプレイ型のソフトウェアコンポーネントです。これにより、装置は瞬時にファブオートメーション規格であるSECS/GEMおよびGEM300に準拠します。C#、C++、Java、Pythonをサポートしているため、ベースアーキテクチャに関わらずスムーズな統合が可能です。

ハードウェアアダプタによる後付け

旧式の設備を使い続けている工場にとって、ソフトウェアだけでは不十分な場合が多い。機械の制御装置が独自のブラックボックスだったり、旧式のPLCだったりする場合は、中間的なシステムが必要になる。

Einnosysは、翻訳機として機能するスマートハードウェアアダプタ（E-Box）を提供しています。

1. 接続： ツール内部の信号に接続します（アナログ/デジタル入出力、PLCレジスタ、またはログファイル経由）。
2. 翻訳： E-Boxは、「ヒーターがオンになっている」「ドアが開いている」といった信号を解釈します。
3. Communication: アダプタはこれらの状態を標準のSECS/GEMメッセージに変換し、工場ホストに送信します。

MESにとって、30年前のスパッタリング装置は、まるで最新のスマート対応ツールのように見え、動作するようになった。

標準化の主な利点

なぜわざわざそんな手間をかける必要があるのか​​？なぜこれらの基準に合わせて改修やアップグレードに投資する必要があるのか​​？

収量および品質管理

SECS/GEMを使用してレシピ選択を自動化すると、「入力ミス」によるエラーをなくすことができます。ホストコンピュータがそれを防止すれば、オペレーターが誤って「低温」ロットに対して「高温」レシピを選択することはありません。

さらに、自動データ収集により、プロセスエンジニアは温度や圧力の変動が製造工程を台無しにする前にそれを検知できる。

運用効率（OEE）

測定できないものは改善できません。すべての設備を製造工場の自動化基準に準拠させることで、以下の点が可視化されます。

• アイドルタイム： その機械は別のオペレーターを待っているのでしょうか？
• ダウンタイム: 真空ポンプはどのくらいの頻度で故障しますか？
• スループット： 時間当たりの目標は達成できていますか？

このデータはOEE（総合設備効率）の計算に直接反映され、経営陣がボトルネックを特定するのに役立ちます。

インダストリー4.0の将来性

「インダストリー4.0」という流行語はよく耳にするが、本質的にはデータを活用して賢明な意思決定を行うことを意味する。AIや機械学習モデルには、クリーンで構造化されたデータが必要となる。

データが手作業で作成されたExcelシートから得られる場合、AIモデルは正しく動作しません。Fabオートメーション標準は、高度な分析に供給されるデータが正確で、タイムリーかつ標準化されていることを保証します。

導入方法：始め方

工場をスマートファクトリーに変革することは、一夜にして成し遂げられることではありません。戦略的なアプローチが必要です。

評価と監査

まずはフロアの点検から始めましょう。

• 既にGEM規格に準拠している機械はどれですか？
• GEMがインストールされているが、有効化する必要があるマシンはどれですか？
• どの機械が「スマートマシン」ではなく、改造ボックスが必要なのでしょうか？

成功のためのパートナーシップ

他にやることが何もない開発者チームがいない限り、社内でSECS/GEMドライバを開発しようとしないでください。これは複雑なプロトコルであり、数百もの例外的なケースが存在します。

Einnosysのような専門家と提携することで、お客様の社内チームはプロセスエンジニアリングに集中でき、接続性については当社が担当します。新しいワイヤーボンダー用のライブラリを必要とするOEM企業様でも、既存のオーブン群を接続しようとしている製造工場管理者様でも、当社は必要なツールセットをご提供いたします。

結論

半導体業界の競争は熾烈だ。微細化が進み、生産量が増加するにつれ、許容される誤差の範囲はほぼなくなる。ファブの自動化基準を遵守することは、もはやエリート300mmファブだけの贅沢ではなく、サプライチェーンに関わるすべての製造拠点にとって生き残りのための必須条件となっている。

SECS/GEMによる基本的な通信から、GEM300による複雑な物流管理まで、これらのプロトコルは現代の工場の神経系を形成しています。そして、時代遅れとなった設備に対しても、Einnosysは未来へと繋がる架け橋を提供します。