SECS/GEM 簡介：半導體設備通訊完整指南

摘要

• SECS/GEM 是半導體製造的核心骨幹，使主機系統與設備之間能夠進行無縫通訊。
• 該協議堆疊由 SEMI 標準 E4、E5、E30 與 E37 組成，用於規範訊息結構與狀態機行為。
• 實施這些標準可降低人工錯誤、提升產能，並實現高度自動化的晶圓廠運作。
• 現代晶圓廠仰賴此通訊協議進行遠端控制、資料收集與警報管理。 
• 本指南將說明其技術架構、優勢，以及對自動化工程師與 IT 團隊的實際應用價值。

前言

根據 SEMI 於 2024 年發布的報告，全球半導體製造設備市場預計在 2025 年達到 1,240 億美元（SEMI 2024）。如此龐大的產業規模，不僅需要高階雷射與真空腔體，更需要一種通用語言。
SECS/GEM（半導體設備通訊標準 / 通用設備模型）正是這樣的語言，讓主機電腦能像傳訊息一樣與微影機進行溝通。

在晶片製造初期，不同廠商的設備使用不同的「語言」，導致大量客製化程式碼與混亂的整合流程。業界很快意識到，如果不進行標準化，自動化成本將急遽上升。如今，這些協議已成為晶圓廠自動化通訊的全球標準，使工廠能在極少人工介入的情況下運行。

無論你是剛入行的自動化工程師，還是經驗豐富的設備專家，理解 SECS/GEM 已不再是選擇，而是必備技能。它是連接無塵室實體設備與製造執行系統（MES）數位智慧的關鍵橋樑。

 

解析 SECS/GEM 基礎架構

要理解這些系統如何互動，我們必須檢視構成該協議的「分層結構」。它並非單一文件，而是由 SEMI（半導體設備與材料國際協會）所維護的一組標準。

SECS-I 與 HSMS 傳輸層

在最底層的是實體傳輸層。早期工廠多使用 RS-232 串列通訊，由 SEMI E4（SECS-I）規範。即使在今日，你仍可能在老舊產線中看到這類設備。

現代工廠則多採用高速訊息服務 HSMS（SEMI E37），其基於 TCP/IP，可透過標準乙太網路進行高速資料傳輸。HSMS 負責處理設備與主機之間的握手流程，確保資料封包能準確送達，不會在數位世界中遺失。

SECS-II 層（訊息結構）

若說 HSMS 是電話線，那麼 SECS-II（SEMI E5）就是通話語言。
它定義了訊息的結構，這些訊息被組織成「Stream（串流）」與「Function（功能）」。
例如，S1F1 通常代表「你在線嗎？」的查詢訊息。

GEM 層（行為邏輯）

GEM（SEMI E30）才是真正發揮作用的地方。
SECS-II 告訴你如何傳送訊息，而 GEM 則定義這些訊息「該做什麼」。

它定義設備狀態機，例如：

• 設備是否正在加工？
• 是否處於維護狀態？
• 是否等待人工操作？

為何晶圓廠自動化仰賴 GEM

為何不直接使用一般 API 或現代 Web 通訊協定？
原因在於半導體產業的特殊性——一次失誤可能導致數百萬美元的晶圓報廢。

標準化：使用統一的通訊標準，讓不同廠商的設備都能接入同一套 MES。
資料完整性：協議內建確認與逾時機制，確保資料可靠傳輸。
豐富的中繼資料：GEM 可回傳詳細的變數資料（VID）與事件報告（CEID），讓工程師完整掌握每一片晶圓的歷程。

你是否曾想過，系統如何知道在停電瞬間是哪一片晶圓在腔體中？這正是 GEM 事件回報的力量。

SECS/GEM 的核心功能

SECS/GEM 的核心在於幾個關鍵功能模組，讓 MES 成為「大腦」，設備成為「雙手」。

遠端控制

主機可控制設備的啟動、停止與暫停，並選擇加工配方（Recipe）。
這消除了人工輸入設定所帶來的錯誤風險。

警報管理

當發生異常（如真空洩漏或馬達過熱）時，設備會立即傳送警報給主機。
SECS/GEM 會將警報正確分類，使系統能判斷是否需要停線或僅通知維修人員。

資料收集

這是現代製造中最關鍵的一環。
設備可定期回傳資料（輪詢），或在特定事件發生時即時回報（事件驅動）。
根據 Gartner（2023）研究，即時資料收集可使 OEE（整體設備效率）提升高達 15%。

SECS/GEM 的導入挑戰與解決方案

導入這些標準並非易事。對設備製造商（OEM）而言，從零開始開發 GEM 介面就像從橡膠化學開始造車一樣困難。

連線落差問題

許多老舊設備並不支援現代通訊協議。此時可透過「GEM 啟用軟體」或「即插即用黑盒子」作為中介，讓舊設備也能融入現代自動化系統。

測試與相容性驗證

設備進入晶圓廠前，必須通過嚴格的相容性測試，以確保其 GEM 實作不會帶有「方言」或非標準行為，避免主機誤解指令。

未來趨勢：超越 SECS/GEM？

雖然 SECS/GEM 長期以來都是業界主流，但產業也正朝向未來邁進。部分新廠已開始導入 SEMI EDA（Equipment Data Acquisition），又稱 Interface A。

然而，EDA 並非取代，而是補充。
EDA 擅長大數據分析，而 SECS/GEM 在命令與控制方面仍無可取代。未來兩者將如同老牌皮卡與電動跑車，共存於產線之中。

結論

學習 SECS/GEM 就像學習一門新語言，但它是現代半導體製造不可或缺的基礎。
透過連接硬體與軟體，該協議確保晶圓廠具備高效率、高擴展性與極高精準度。
隨著製程節點持續微縮，標準化通訊的重要性只會持續提升。