SEMI E30

SEMI E30 GEM 标准概述

引言

20世纪80年代，随着半导体制造规模的扩大，不同设备厂商的通信协议差异导致工厂集成成本高昂、效率低下。为解决这一问题，SEMI在SECS-II（SEMI E5）标准的基础上，进一步推出SEMI E30（GEM）标准，其核心目标是：

  • 标准化通信接口：统一设备与工厂系统的数据格式和指令集。
  • 简化设备集成：通过通用模型减少定制化开发需求。
  • 支持自动化控制：实现设备状态监控、工艺配方管理和生产数据采集的自动化。

SEMI E30与SEMI E5（SECS-II）、E37（HSMS）共同构成了半导体设备通信的经典框架，至今仍是全球晶圆厂的主流标准。

  1. 通讯协议基础
    • SEMI E30基于SECS-II（SEMI E5）协议，定义了设备与主机系统之间的消息结构和通信逻辑。
    • 支持通过RS-232（传统方式）或HSMS（SEMI E37）（高速以太网）进行数据传输。
  2. 设备行为模型
    • 状态模型（State Model）：规范设备的运行状态（如IDLE、RUNNING、PAUSED）及状态转换逻辑。
    • 报警管理（Alarm Management）：定义设备报警的触发、清除机制及报警代码标准化。
    • 事件报告（Event Reporting）：设备主动向上位系统发送事件通知（如工艺完成、故障发生）。
  3. 关键功能模块
    • 配方管理（Recipe Management）：支持从主机系统下载、编辑和调用设备工艺配方。
    • 数据采集（Data Collection）：按预设条件采集生产数据（如晶圆加工参数、设备日志）。
    • 远程控制（Remote Control）：允许主机系统发送指令控制设备启停、参数调整等操作。
  4. GEM300扩展
    • 针对300mm晶圆厂需求，GEM标准扩展为GEM300，增加了对载具（Carrier）管理、物料追踪（Material Tracking）等功能的支持。

GEM标准的核心内容

GEM标准包含两类要求：基本功能和附加功能。

基本功能要求包括：

  • 通讯状态机（Communication State Machine）：定义了设备与主机之间的通讯规则和状态转换。
  • 控制状态机（Control State Machine）：规定了主机与设备之间的协作级别，以及操作员在不同控制级别上的交互方式。
  • 工艺状态机（Processing State Machine）：报告设备的作业状态，允许设备自定义状态。
  • 收集事件通知（Collection Event Notification）：当设备发生有意义的事件时，实时向主机报告。
  • 身份识别（Identification：设备在在线状态下接受主机的身份验证请求。
  • 错误消息（Error Messages）：设备在接收到无法处理的消息时通知主机。
  • 文档（Documentation）：提供设备的基本信息和操作手册。

附加功能要求包括：

  • 动态收集事件报告（Dynamic Collection Event Reports）：允许主机动态修改设备事件报告设置。
  • 变量、跟踪、状态数据（Variable, Trace, Status Data）：主机可以通过指定变量ID请求设备报告相关数据。
  • 自我描述（Self-Description）：设备能够向主机提供其功能和配置的详细信息。
  • 警报（Alarms）：设备在发生异常情况时向主机报告。
  • 远程控制（Remote Control）：主机可以通过通信接口远程操作设备。
  • 设备常量（Equipment Constants）：主机可以读取和更改设备上的常量值。
  • 配方管理（Process Recipe Management）：主机与设备之间传递工艺规范的方法。
  • 物料运动（Material Movement）：设备在物料转移时通知主机。
  • 终端服务（Terminal Services）：主机可以在设备显示设备上显示信息，或从设备操作员接收信息。
  • 限值监控（Limit Monitoring）：主机可以监控设备变量的值，并在变量超出设定范围时接收通知。
  • 时钟（Clock）：主机可以设置和查询设备的时间。
  • 假脱机（Spooling）：在通信中断期间，设备可以将消息在缓冲区中排队，待通信恢复后传递。

通讯状态机

通讯状态机规范了设备与主机之间的通讯规则。

(图片来源 SEMI E30)

通讯状态机的状态包括：

  1. Disabled：通讯功能被禁用。
  2. Enabled：通讯功能已启用。
    • 2.1 Not Communicating：设备与主机未建立通讯。
      • 2.1.1 Host-Initiated Connect：主机发起连接请求。
        • Wait CR From Host：等待主机的连接请求确认。
      • 2.1.2 Equipment-Initiated Connect：设备发起连接请求。
        • 2.1.2.1 Wait Delay：等待通讯延迟计时器到期。
        • 2.1.2.2 Wait CRA：等待通讯请求确认。
    • 2.2 Communicating：设备与主机正在通讯。

通讯状态机的核心是CommDelay Timer，用于测量尝试发送S1,F13消息的间隔时间。该定时器的长度由用户可配置的设备常量EstablishCommunicationsTimeout决定。

详细解读请参考本站文章 https://www.kxware.com/secs-gem-communicationstate/

控制状态机

控制状态机定义了主机与设备之间的协作级别，并指定了操作员在不同控制级别上的交互方式。

(图片来源 SEMI E30)

状态包括：

  1. Online：设备在线，主机可以远程控制设备。
    • Local：设备由操作员本地控制，主机不能使用引起物理移动或启动处理的远程命令，但可以上传和下载配方。
    • Remote：设备由主机远程控制，主机可以完全控制设备，操作员只能进行紧急操作。
  2. Offline：设备离线，主机无法控制设备。设备的操作由操作员在控制台进行，主机只能发送有限的消息。

详细读解请参考本站文章 https://www.kxware.com/secs-gem-controlstate/

工艺状态机

工艺状态机报告设备的作业状态，允许设备自定义状态。可能的状态包括：

  • Init：设备初始化。
  • Idle：设备空闲。
  • Processing Active：设备正在处理。
  • Pause：处理暂停。
  • Process：处理进行中。
  • Setup：设备设置中。
  • Ready：设备准备就绪。
  • Executing：设备正在执行任务。

收集事件通知

收集事件通知是GEM标准中的重要功能。当设备发生有意义的事件时，会实时向主机报告。GEM采用发布/订阅机制，设备定义一组可供主机收集的事件，主机订阅所需的事件。当事件在设备端被触发时，GEM接口只发布被订阅的收集事件。

Collection Event是设备上对主机具有重要意义的事件或事件分组。每个收集事件都有一个唯一的标识符CEID。主机可以通过事件报告、跟踪数据活动报告、限值监控和查询状态变量等方式监控设备的状态。

动态事件报告配置

在实际生产中，主机不仅需要收到事件通知，还需要了解与事件相关的数据。GEM标准允许主机动态修改设备事件报告设置。主机可以定义报告，将报告链接到收集事件，并启用收集事件通知。设备通过收集事件消息发布所请求的数据。

变量数据收集

变量数据收集功能允许主机通过指定RPTID向设备请求包含数据变量的报告。报告中包含的状态变量和设备常量的值应是最新的。离散数据变量值仅在特定采集事件发生时有效。

跟踪数据收集

跟踪数据收集提供了一种定期采样数据的方法，适用于跟踪趋势或监控一定时间窗口内的连续数据。跟踪报告包含数据采样间隔、报告组大小、状态变量、总样本数和跟踪ID等信息。

限值监控

限值监控功能允许主机监控设备变量的值，并在变量超出设定范围时接收通知。限值监控涉及定义监控区域和限制，当变量值在监控区域之间转换时，设备会向主机报告。

远程控制

远程控制功能允许主机通过通信接口远程操作设备。主机可以发送命令，如开始处理、选择配方、停止处理、暂停处理、恢复处理和中止处理等。设备需要响应主机命令，并提供相应的功能。

设备常量管理

设备常量管理功能允许主机读取和更改设备上的常量值。设备常量应存储在非易失性存储器中，当操作员更改设备常量时，设备应提供收集事件提醒主机。

工艺配方管理

工艺配方管理功能允许主机与设备之间传递工艺规范。设备应支持至少一种已定义的工艺配方管理方案，如格式化或非格式化工艺配方管理。主机可以上传、下载、查询和删除工艺配方。

物料运动

物料运动功能用于通知主机设备端口出现或移除材料。设备应至少提供两个收集事件，分别用于报告物料移除和物料到达。

设备终端服务

设备终端服务允许主机在设备显示设备上显示信息，或从设备操作员接收信息。设备应能显示主机传递的信息，并将操作员输入的信息传递给主机。

错误信息

设备在接收到无法处理的消息时，应通知主机错误类型，包括设备ID、消息流类型、消息函数、消息格式和数据格式等。设备还应通知主机报文数据量超出处理能力或交互定时器到期的情况。

时钟功能

时钟功能使主机能够跨多个设备管理与时间相关的活动。主机可以设置和查询设备的时间，设备也可以请求主机的当前时间。时间戳对于解决事件/警报发生的相对顺序和主机对设备活动的调度非常有用。

假脱机功能

假脱机功能允许设备在通信中断期间将消息排队，待通信恢复后传递。假脱机的目的是保留由于通信失败而可能丢失的数据，用于跟踪材料和提高产品质量。

结语

SEMI E30 GEM标准为半导体制造设备提供了一套通用的通信与控制模型，涵盖了从基本通信到高级功能的全方位需求。通过实现GEM标准，设备供应商和工厂能够显著提高制造自动化的效率和灵活性，从而获得更大的经济效益。

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关于SEMI 标准文档详细信息，请访问SEMI官网：http://www.semi.org 。

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