SECS/GEM & GEM300: 현대 팹 자동화를 위한 통합 가이드

요약

• 글로벌 영향: 전 세계 반도체 생산 능력이 사상 최고치를 기록하면서 효율적인 자동화는 선택이 아니라 산업의 생명선이 되었습니다.
• 표준 스택: SECS/GEM은 단일 프로토콜이 아니라 E4, E5, E37, E30 등으로 구성된 계층형 표준 모음으로, 장비가 공장 호스트와 “대화”할 수 있게 합니다.
• GEM300의 진화: 300mm 팹에서는 기본 GEM만으로는 부족했습니다. GEM300 스위트(E39, E40, E87, E94, E90)는 캐리어 관리 및 작업 처리 같은 복잡한 물류를 표준화합니다.
• 구현: 레거시 직렬 연결(SECS-I)에서 고속 이더넷(HSMS)으로의 전환은 현대적 데이터 처리량을 위해 필수적입니다.
• 효과: 적절한 구현은 통합 시간을 줄이고 수율을 높이며 맞춤형 드라이버의 “스파게티 코드”를 제거합니다.

소개

집에서 쓰는 와이파이가 복잡하다고 느껴진다면, 수십억 달러짜리 장비들이 밀리초 단위로 복잡한 레시피를 서로 속삭여야 하는 반도체 팹을 조정해 보세요. 그 중요성은 엄청납니다. SEMI의 World Fab Forecast(2024)에 따르면 올해 전 세계 반도체 생산 능력은 월 3,000만 웨이퍼라는 사상 최고치에 이를 것으로 전망됩니다. 이는 공급망을 통해 이동하는 엄청난 양의 실리콘을 의미하며, 이 모든 과정은 강력한 자동화 없이는 불가능합니다.

이 제조 교향곡의 중심에는 SECS/GEM이 있습니다. SECS/GEM은 팹의 숨은 영웅으로, 캘리포니아의 증착 장비가 독일에서 개발된 호스트 시스템과 원활하게 대화할 수 있게 해주는 보편적 언어입니다. SECS/GEM이 없다면 반도체 산업은 본질적으로 고가의 섬들로 나뉘어 나노미터 규모의 트랜지스터를 제조하는 데 필요한 정밀한 협업을 할 수 없었을 것입니다.

200mm 레거시 라인을 개조하든, 최첨단 300mm 시설을 도입하든, 이러한 표준을 이해하는 것은 필수입니다. 다만 솔직히 말하면 SEMI 표준 매뉴얼은 선인장을 탈수시킬 만큼 지루할 수 있습니다. 우리는 이것을 이해하기 쉬운 언어로 풀어 E5, E30, 그리고 강력한 GEM300 표준들의 알파벳 수프를 안내하려 합니다.

팹의 중추: SECS/GEM이란?

초심자에게 “SECS/GEM”은 단일 프로토콜처럼 들리지만, 실제로는 함께 작동하는 여러 표준의 스택입니다. 인터넷을 떠올려 보세요: 물리적 케이블, IP 주소, HTML 페이지가 있듯이 SECS/GEM도 유사한 계층 구조를 가집니다.

전송 계층: E4과 E37

데이터가 움직이기 전에 장비와 호스트는 데이터를 어떻게 전송할지 합의해야 합니다.

• E4 – SECS-I (직렬): “구세대”입니다. RS-232 직렬 케이블을 사용합니다. 느리고 노이즈에 취약하며 현대의 300mm 팹에서는 거의 구식입니다. 하지만 200mm 레거시 팹에 들어가면 20년 된 에처(etcher) 뒤에서 이런 케이블이 아직도 뽑혀 나오는 것을 볼 수 있습니다.
• E37 – HSMS: “High-Speed SECS Message Services”입니다. 이 표준은 직렬 케이블을 이더넷(TCP/IP) 연결로 대체했습니다. 웨이퍼 맵 데이터와 같이 기가바이트 단위의 데이터를 전송할 때 빠른 전송이 필수적입니다.

문법: E5 – SECS-II

연결이 설정되면 문법 구조가 필요합니다. E5 – SECS-II는 “메시지”를 정의합니다. 통신을 Streams(카테고리)와 Functions(특정 동작)로 나눕니다.

예: S1,F1은 “거기 있나요?”(Are You There Request). S1,F2는 “네, 있습니다”(On Line Data).

E5는 사전을 제공하지만, 대화를 어떻게 이어갈지는 알려주지 않습니다. 가능한 단어들을 나열해 줄 뿐입니다.

동작: E30 – GEM

SECS/GEM이 진정으로 살아나는 곳은 여기입니다. E30 – GEM(General Equipment Model) 표준은 작동 규칙을 정의합니다. 예를 들어 장비에 “Remote 모드에 놓이면 이 특정 명령들을 수락해야 한다”고 지시합니다.

E30가 없으면 한 벤더는 S2,F41를 공정 시작으로 사용하고, 다른 벤더는 같은 코드를 레시피 다운로드에 사용할 수 있어 혼란이 발생합니다. E30은 모든 GEM 준수 도구가 따라야 할 표준 상태 머신(Offline, Online-Local, Online-Remote)을 강제합니다.

왜 자동화에 공통 언어가 필요한가

왜 굳이 이 모든 과정을 거쳐야 할까요? 모든 OEM이 자체 API를 만들게 놔두면 안 될까요?

핵심은 확장성입니다. 현대 팹에는 Applied Materials, Lam Research, Tokyo Electron 등과 같은 30개 이상의 다른 공급업체의 500개 이상의 도구가 있을 수 있습니다. 공장 호스트(MES)가 각 도구마다 커스텀 드라이버를 작성해야 한다면 통합팀은 잠을 잘 수 없을 것입니다.

SECS/GEM은 도구와 호스트를 분리시킵니다.

• 상호운용성: 호스트 시스템은 장비 제조사가 누구인지와 상관없이 상태 변수(VID)나 수집 이벤트(CEID)를 요청하는 방법을 정확히 알고 있습니다.
• 수율 향상: 자동화된 데이터 수집은 결함 탐지 및 분류(FDC)를 가능하게 합니다. 챔버의 압력이 50ms 동안 급등하면 SECS/GEM이 즉시 보고하여 호스트가 불량 웨이퍼가 처리되기 전에 라인을 멈출 수 있습니다.
• 비용 절감: 표준 인터페이스는 신규 장비 설치 시 발생하는 비반복적 엔지니어링(NRE) 비용을 줄입니다.

참고: SECS/GEM이 표준이긴 하지만 “준수”라는 용어는 느슨하게 해석될 수 있습니다. 기술적으로 E30 준수라고 해도 표준을 독특하게 구현해 자동화를 파괴하는 도구가 있을 수 있습니다. 항상 엄격한 테스트 스위트로 검증하세요.

300mm 혁명: GEM300의 등장

산업이 200mm에서 2000년경 300mm 웨이퍼로 이동하면서 물리적으로 무거워진 문제가 생겼습니다. 300mm 웨이퍼가 들어 있는 FOUP(Front Opening Unified Pod)는 작업자가 하루 종일 들고 다니기에는 너무 무겁습니다. 따라서 업계는 OHT(Overhead Hoist Transports), 자동 저장 시스템 등 완전 자동화를 필요로 했습니다.

기본 SECS/GEM만으로는 이러한 복잡한 물류를 처리할 수 없었습니다. 그래서 E30 위에 얹히는 “GEM300” 표준들이 등장했습니다. 이들은 완전 자동화 팹의 복잡성을 관리하기 위한 추가 표준입니다.

E87 – 캐리어 관리

200mm 팹에서는 작업자가 캐세트를 장비에 올려놓고 “시작”을 누릅니다. 300mm 팹에서는 로봇이 FOUP를 로드 포트에 내려놓습니다. 장비는 다음을 알아야 합니다:

• 이 캐리어 ID가 무엇인가?
• 슬롯이 올바르게 채워져 있는가?
• 호스트가 이 장비의 처리 허가를 내렸는가?

E87은 “바인드(Bind)”, “캐리어 진행(Proceed With Carrier)”, “캐리어 아웃(Carrier Out)” 상태를 관리합니다. 이는 도구와 AMHS(자동 물류 시스템)가 완벽히 동기화되도록 보장합니다.

E40 & E94 – 작업 관리

여기서 사람들이 혼동하는 경우가 많습니다. 왜 작업에 대해 두 가지 표준이 필요할까요?

• E40 (Process Job): 웨이퍼에 실제로 무슨 일이 일어나는지를 정의합니다. “웨이퍼 1번부터 25번까지에 레시피 A를 적용해라.”
• E94 (Control Job): 감독자 역할을 합니다. Process Job을 감쌉니다. Control Job은 “Process Job 1을 실행하고 완료되면 웨이퍼를 출력 포트로 이동시켜라” 같은 지시를 내립니다.

Control Job은 프로젝트 매니저, Process Job은 전문 하청업체로 생각할 수 있습니다.

E90 – 기판 추적

웨이퍼를 잃어버리면 안 됩니다. 절대. E90은 호스트가 도구 내부의 각 웨이퍼(기판)의 정확한 위치를 추적할 수 있게 합니다. 프로세스 챔버에 있는가? 얼라인(alignment) 장치에 있는가? 냉각 스테이션에 있는가? E90은 그 가시성을 제공합니다.

SECS-I에서 HSMS로의 전환: 속도 업그레이드

레거시 장비를 다루고 있다면 아직도 SECS-I 직렬 연결과 씨름하고 있을 수 있습니다. RS-232 케이블은 악명 높게 까다롭습니다. 접지 루프, 전송 속도(baud rate) 불일치, 케이블 길이 제한(리피터 없이 최대 50피트) 등은 지속적인 골칫거리입니다.

E37 – HSMS는 모든 것을 TCP/IP로 이동시켜 판도를 바꿨습니다.

• 신뢰성: 더 이상 구부러진 핀이나 신호 열화 문제가 없습니다.
• 속도: HSMS는 훨씬 빠릅니다. 이는 초당 10회와 같이 챔버 온도를 샘플링하는 현대의 “Trace Data”(E5 Stream 6) 수집에서 중요합니다. SECS-I는 이 데이터 양을 소화하지 못하지만 HSMS는 무리 없이 처리합니다.

팹을 현대화하려면 레거시 SECS-I 포트를 HSMS로 변환하는 SECS/GEM 어댑터를 설치하는 것이 높은 ROI를 제공하는 활동 중 하나입니다. 이를 통해 도구는 즉시 네트워크 준비가 되고 현대적 분석 플랫폼과 통합할 수 있습니다.

구현 과제 및 현대적 솔루션

SECS/GEM 소프트웨어를 구현하는 것은 플러그 앤 플레이가 아닙니다. 오히려 “플러그 앤 디버그”에 가깝습니다. 자동화 엔지니어들이 직면하는 일반적 장애물은 다음과 같습니다.

1. “스파게티 코드” 함정 개발자들은 종종 E30 상태 모델의 복잡성을 과소평가합니다. “행복한 경로(Happy Path)”에서는 동작하는 빠른 드라이버를 작성하지만, 장비가 예상치 못한 알람이나 통신 이상을 던지면 바로 충돌합니다.
   • 해결책: 원시 SECS 메시지를 처음부터 작성하기보다는 상용 SECS/GEM 드라이버나 라이브러리(SDK)를 사용하세요.
2. 문서 불일치 장비 매뉴얼에는 변수가 ASCII 문자열이라고 적혀 있는데, 실제로 도구는 2바이트 정수를 보냅니다. 호스트가 충돌합니다.
   • 해결책: 엄격한 특성화(characterization). 연결하기 전에 “골든 스탠다드” 테스트 도구로 기계의 모든 변수와 이벤트를 쿼리하세요.
3. 200mm 장비에 300mm 로직 적용 200mm 팹에서도 효율을 위해 GEM300 기능(예: 고급 캐리어 관리)을 원하지만 OHT가 없는 경우가 있습니다.
   • 해결책: 하이브리드 접근 방식. 오래된 장비에는 기본 SECS/GEM을 사용하면서 호스트 측에는 300mm 로직을 “흉내” 내는 스마트 미들웨어가 필요합니다.

빠른 참고: 표준 스택

아래는 알아야 할 핵심 표준의 정리입니다.

표준	명칭	주요 기능
E4	SECS-I	물리 계층 (직렬 RS-232). 레거시 전송.
E37	HSMS	물리 계층 (이더넷 TCP/IP). 현대적 전송.
E5	SECS-II	메시지 계층. “문법”(Streams & Functions)을 정의.
E30	GEM	동작 계층. 상태 모델과 제어 규칙을 정의.
E87	Carrier Mgmt	GEM300: 로드 포트 및 캐리어 검증 관리.
E40	Process Job	GEM300: 레시피 및 웨이퍼 처리 지시 정의.
E94	Control Job	GEM300: 고수준 워크플로우 관리.
E90	Substrate Tracking	GEM300: 도구 내부의 개별 웨이퍼 추적.

결론

산업이 300mm 표준화 및 그 이상의 영역으로 나아감에 따라 SECS/GEM 인터페이스를 구현하고 유지관리하는 능력은 중요한 기술 세트가 되고 있습니다. 이것은 웨이퍼 가공의 물리적 현실과 수율 분석의 디지털 세계를 연결하는 다리입니다.

OEM 개발자가 도구를 “팹 레디(fab ready)”로 만들려고 하든, 공장 관리자가 라인 가동 시간을 5% 더 확보하려고 하든, 해답은 대개 더 나은 자동화에 있습니다. GEM300 표준은 로드맵을 제공하며, 당신은 그 차를 운전하면 됩니다.

자주 묻는 질문