晶圆厂自动化标准：SECS/GEM 合规性和改造解决方案

结语

• 市场背景： 预计到 2030 年，半导体市场规模将接近 1 万亿美元，因此自动化对于满足需求至关重要（麦肯锡，2023）。
• 挑战： 现代设备与老旧设备混杂使用，造成信息孤岛，阻碍数据收集和流程控制。
• 解决方案： 采用 SECS/GEM 和 GEM300 等晶圆厂自动化标准，可确保设备与主机之间无缝通信。
• 传统改造： Einnosys 提供硬件和软件解决方案，无需昂贵的更换即可将不合规的“哑”工具变成智能工具。
• 主要优点： 提高产量管理水平，减少废料，并为实现工业 4.0 合规性铺平道路。

介绍

半导体行业正飞速发展。据麦肯锡公司（2023）预测，到2030年，全球半导体市场规模有望达到1万亿美元。为了满足如此巨大的市场需求，制造商不能再依赖人工数据录入或孤立的机器设备。效率才是制胜之道。

然而，令人惊讶的是，仍有相当数量的生产车间面临着设备无法与中央管理系统“通信”的问题。这种脱节通常源于工厂自动化标准执行不力。当机器无法将状态、报警或过程数据传输到制造执行系统 ​​(MES) 时，生产速度就会减慢，错误也会随之出现，最终导致良率下降。

对于任何工厂而言，无论是尖端的300毫米晶圆厂还是专业的LED制造工厂，建立一套通用的设备语言都至关重要。这套语言由SEMI标准定义，特别是SECS/GEM标准。本文将深入剖析这些协议，并探讨Einnosys解决方案如何弥合机械设备与完全互联的智能工厂之间的鸿沟。

解读字母汤：什么是 SECS/GEM？

如果你曾经尝试过让一台没有正确驱动程序的 Windows 电脑与一台 2000 年代初期的打印机通信，你就会明白设备集成的痛苦。在晶圆厂里，这比卡住纸盒的风险要高得多。

晶圆厂自动化标准是允许不同厂商的不同机器与主机通信的通用协议。其中最普遍的是SECS/GEM。

等式的两部分

• SECS（半导体设备通信标准）： 这处理了 运输 它定义了消息如何通过连接（通常是 RS-232 或 TCP/IP）发送。它分为 SECS-I（串行）和 HSMS（以太网高速 SECS 消息服务）。
• GEM（制造设备通信与控制通用模型）： 这处理了 行为它定义了机器应该返回什么信息。GEM 确保当主机请求“状态变量”时，每台机器的响应都是可预测的。

如果没有GEM标准，蚀刻机可能以摄氏度报告温度，而沉积设备则以开尔文报告温度，两者都无法告知何时完成一批工作。晶圆厂自动化标准SECS/GEM统一了这种混乱局面。

为什么这项协议至关重要

为什么我们仍然使用几十年前制定的标准？因为可靠性。

SECS/GEM 系统功能强大，它允许：

1. 远程控制：否 从控制室启动和停止处理作业。
2. 报警管理： 如果过程变量超出规格，立即发出通知。
3. 数据采集​​： 收集关键计量数据以进行产量分析。
4. 菜谱管理： 将正确的工艺流程配方直接上传到工具中，以防止人为错误。

你的烤面包机需要这种程度的精确控制吗？可能不需要。但对于半导体制造自动化而言，哪怕一个小小的失误都可能毁掉价值数千美元的晶圆，因此这种控制是必不可少的。

扩展：GEM300 和接口 A

随着晶圆尺寸从200毫米过渡到300毫米，基本的GEM系统难以应对复杂的物流需求。搬运装有25片晶圆的盒式组件（FOUP）变成了自动化物料搬运系统（AMHS）的工作，而非人工操作。

GEM300 标准套件

为了实现晶圆厂的全面自动化，引入了GEM300标准。这些标准包括：

• E39（对象服务）： 将数据视为对象进行处理。
• E40（流程作业管​​理）： 跟踪特定晶圆的加工过程。
• E87（运营商管理）： 管理 FOUP（前开式统一舱）到装货口和从装货口的移动。
• E90（基底跟踪）： 密切关注载体内的各个晶圆。

对于现代化的 300 毫米晶圆厂而言，遵守这些标准是机器人同步运行和容易发生碰撞的灾难之间的区别。

接口 A（EDA）

虽然 SECS/GEM 在控制方面表现出色，但如果您尝试提取大量数据进行高频分析，它可能会堵塞。这时就需要接口 A（设备数据采集）。

接口 A 与 SECS/GEM 并行运行，但专门用于数据采集。它使晶圆厂自动化制造团队能够提取高速数据以进行故障检测，而不会降低工具的控制速度。

传统设备挑战

对于许多工厂来说，现实情况是：你并非从零开始建造一座全新的工厂。你很可能既有全新的设备，也有自 90 年代末以来一直在运行的可靠老设备。

根据SEMI基金会（2022年）的一份报告，全球200毫米晶圆产能中很大一部分依赖于老旧设备。这些机器切割硅的性能依然出色，但它们的计算机却十分陈旧。有些运行的是Windows 98系统，有些没有以太网接口，有些则缺少能够兼容SECS/GEM协议的软件。

“笨”机器问题

当机器无法连接到 MES 时，就会在数据中形成一个“黑洞”。

• 操作员必须手动输入批号（容易出现拼写错误）。
• 工程师无法看到实时性能。
• 食谱选择是手动的，这导致了可怕的“食谱错误”报废事件。

对于LED或光伏制造中的晶圆厂自动化装配线而言，仅仅为了实现连接而更换这些昂贵的设备无异于自寻死路。通常情况下，这样做根本无法带来投资回报。

那么，如何在不购买新设备的情况下实现现代化呢？

Einnosys解决方案：弥合差距

这就是Einnosys的用武之地。我们专注于将不可能的连接变为可能。我们深知，遵守晶圆厂自动化标准不应以报废功能完好的设备为代价。

EIGEM——SECS/GEM 驱动因素

对于正在开发新设备的设备制造商 (OEM) 而言，从零开始编写 SECS/GEM 代码是一件非常棘手的事情。它会分散开发人员的注意力，使他们无法专注于核心工艺技术。

EIGEM 是我们的库/驱动程序解决方案。它是一个即插即用的软件组件，OEM 厂商可以将其集成到设备控制软件中。它能使机器立即符合晶圆厂自动化标准 SECS/GEM 和 GEM300。它支持 C#、C++、Java 和 Python，无论底层架构如何，都能实现流畅集成。

使用硬件适配器进行改造

对于那些仍在使用老旧设备的工厂来说，单靠软件往往是不够的。如果机器的控制器是专有的黑盒或老旧的PLC，就需要一个中间设备。

Einnosys 提供智能硬件适配器（E-Box），可作为转换器使用。

1. 连接： 我们连接到工具的内部信号（通过模拟/数字 I/O、PLC 寄存器或日志文件）。
2. 翻译： E-Box 会解读这些信号：“加热器已开启”、“门已打开”。
3. 通讯： 适配器将这些状态转换为标准的 SECS/GEM 消息，并将其发送到工厂主机。

对于 MES 来说，这台使用了 30 年的溅射机现在看起来就像一台全新的、智能兼容的工具。

标准化的主要优势

何必这么麻烦？为什么要投资改造或升级到这些标准？

产量和质量控制

通过 SECS/GEM 实现配方选择自动化，可以消除“误操作”错误。如果主机系统阻止了这一操作，操作员就不会意外地为“低温”批次选择了“高温”配方。

此外，通过自动数据采集，工艺工程师可以在温度或压力出现偏差之前发现这些偏差，以免毁掉整批产品。

运营效率（OEE）

你无法改进你没有衡量的东西。通过将所有设备纳入晶圆厂自动化标准，你可以了解以下方面：

• 空闲时间： 机器是否在等待特定操作员？
• 停机时间： 真空泵发生故障的频率如何？
• 速率： 我们是否达到了每小时的目标？

这些数据直接用于 OEE（整体设备效率）计算，使管理层能够找出瓶颈。

面向工业4.0的未来保障

“工业4.0”这个词经常被提及，但它的本质是利用数据做出明智的决策。人工智能和机器学习模型需要干净、结构化的数据。

如果您的数据来自手动填写的 Excel 表格，您的 AI 模型将无法正常工作。晶圆厂自动化标准可确保为您的高级分析提供准确、及时且标准化的数据。

实施：如何开始

将一家普通工厂改造为智能工厂并非一朝一夕之功，它需要战略性的方法。

评估与审计

首先检查你的楼层。

• 哪些机器已经符合GEM标准？
• 哪些机器已安装 GEM 但需要启用？
• 哪些机器是“笨机器”，需要加装改造盒？

合作成功

除非你有一个闲得没事干的开发团队，否则不要尝试自行开发 SECS/GEM 驱动程序。这是一个复杂的协议，有数百种特殊情况。

与 Einnosys 等专家合作，可以让您的内部团队专注于工艺工程，而我们将负责连接工作。无论您是需要为新型引线键合机开发库的 OEM 厂商，还是希望连接一批老旧烤箱的晶圆厂经理，我们都能提供所需的特定工具集。

结语

半导体行业竞争异常激烈。随着器件尺寸的缩小和产量的激增，容错空间几乎消失殆尽。对于顶尖的300毫米晶圆厂而言，遵守晶圆厂自动化标准已不再是奢侈品，而是供应链中每个制造单元的生存必需。

从实现与SECS/GEM的基本通信，到利用GEM300管理复杂的物流，这些协议构成了现代工厂的神经系统。而对于那些被时代遗忘的设备，Einnosys则提供了一座桥梁，引领它们迈向未来。