GEM标准在CMP系统上的应用

袁丁，张克佳

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176）



GEM标准在CMP系统上的应用

袁丁，张克佳

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176）

摘要：以当代最先进的自动化工厂（FA）走势为依据，结合化学机械抛光（CMP）系统的实际应用需求，提出了解决工业自动化通信协议SECSGEM的应用问题。叙述了GEM的通信状态、控制状态和实现GEM的设计思路，并举例说明了GEM中的消息配方。实践表明，我国自动化设备领域对GEM的需求是非常迫切的。

关键词：国际半导体设备与材料产业协会的设备通信标准（SECS）；工厂设备通信与控制通用标准（GEM）；化学机械抛光（CMP）；工厂自动化

1　当代应用设备FA趋势走向

FA（Factory automation）是指操作人员所做的所有工作由机器或系统来自动完成。在半导体消费者工厂里，FA可以理解为“主机（host）系统控制或进行许多以前由操作人员完成的工作”。但是主机系统也是由人工做出来的，有其局限性，这就是为什么我们需要协议（或标准）和一些设定来适用于消费者生产的情形，如果“人工智能”得以发展和实现，那么将是FA生产系统的巨大转变。

最终，消费者（晶圆加工厂）的目标就是“高度地执行力”和“百分之百的工厂自动化（无人晶圆加工车间）”。如图1所示，为了实现“高度执行力”，我们还要做很多努力，如解决硬件和软件方面的问题、改善硬件和软件方面的设计，还有改善加工方面的问题等。

图1　自动化工厂的发展需求

2　关于GEM协议

为了更好地实现自动化无人车间，SEMI （Semiconductor Equipment and Materials International）为半导体前端行业制定了设备到主机的通信协议GEM（GENERIC MODEL FOR COMMUNICATIONS AND CONTROL OF MANUFACTURING EQUIPMENT）。在自动化车间里，它能启动和停止设备的处理，收集测量数据，更改变量和配方（选自GEM协议）。

GEM的突出作用是为设备厂商和晶圆厂商带来经济利益。设备厂商得益于发展并推广单独的、满足多数用户需求的SECS-II接口的能力。晶圆厂商得益于日益提高且适用于所有设备厂商的SECS-II接口的功能性和标准性。这个标准化减少了设备厂商和晶圆厂商的软件开发成本。通过减少成本和提高功能性，晶圆厂商可以使半导体工厂更高效地自动化。设备厂商可以与用户协商来确定加入哪些GEM额外功能，制定出一台特制的设备。如图2所示，主机（HOST）与设备（EQP）之间依赖于SECS-II和E37-HSMS作为通信接口，二者才能建立通信，GEM决定主机和设备的行为。其中SECS-II定义了在设备和主机之间通信的所有信息详情，包括各种专有名词的解释、消息的结构、设备功能。E37-HSMS为基于TCP/IP的网络层协议，提供了一种方式，它能让独立的设备在不需要接入的相关信息时也能与对方建立连接。GEM决定设备与主机之间发送哪些消息，它通过建立起的配方（scenario）来定义设备的行为。

图2　SECS/GEM协议框架

3　GEM的通信状态

如图3所示，SECS通信有两种状态：DISABLE和ENABLE。系统初始状态必须在设备端手动设置，DISABLE一般是默认状态，这个状态下所有的SECS消息都不能发出，通信停止。ENABLE有两个子状态，一个是NOT COMMUNICATING（未通信）,另一个是COMMUNICATING（通信中），设备上必须通知操作者现在的通信状态，以提醒操作者转换通信状态。当处于未通信状态时，主机和设备都会发送连接申请，DELAY是重新申请连接的间隔时间［1］，CRA是设备端发出申请S1F13后等待主机端的回应，CR是主机端发出连接申请S1F13后等待设备端的回应。

图3　通信状态图

4　GEM的控制状态

CONTROL状态定义了设备与主机的协作级别，同时也详细说明了操作者在主机控制的不同级别如何切换工作。

如图4所示，控制状态提供了主机三种级别的控制。REMOTE（远程）是最高的控制级别，主机可以完全控制设备；LOCAL（本地）是中等控制级别，主机可以全部存取信息，但是限制对设备端的操作；OFF-LINE（线下）是最低的控制级别，设备不允许主机控制且只能得到有限的信息。

如果设备不在COMMUNICATING状态，设备仍然有CONTROL STATE，即使与状态无关。在设备进入适当的通信状态后，正如GEM默认的CONTROL设置那样，设备会自动进入一个控制状态。通信连接失败和因此而来的通信状态变化都不会影响系统的控制状态，控制状态由EC（设备常量）的值来决定［2］。

5　GEM的软件实现

GEM标准的实现是一个复杂的逻辑实现过程，其中有上万条的数据处理量。如图5所示，这是其中一个消息配方，用来报告event给HOST端。每条消息是以流（stream）+功能（function）组合形式命名，E5一共规定了18个stream，其中GEM用到了9个。每一个SxFx的结构和其中的参数都是不一样的，结构的多样决定了数据的庞大，处理起来需要严密的分析与判断。它以计算机编码的形式包含各种参数，指挥着设备的运作。

图4　控制状态图

图5　消息配方

GEM的软件实现分为三个部分，如图6所示。第一部分配置消息格式，用UTF-8编码开发，如图7所示，生成XML文件，这部分实现了SECS II消息的结构；第二部分配置变量，比如GemEquipmentOFFLINE、GemControlStateREMOTE 等CEID（Collection Events ID），Robot TO Ready Position Timeout等ALID（Alarm ID），构成消息的核心内容，以二进制数的形式打包报告给主机端；第三部分代码实现，采用VC++开发，在代码中绑定XML文件，从XML中读取消息，对其中的变量进行读写，对消息进行判断，然后发送给主机，当收到对方的回复时，对其中携带的消息进行解析，根据解析出来的数据使设备进行下一个行为。如果在消息交互过程中，信息格式无法解析或者通信超时等出现的时候，系统就会报错或报警，以收集事件（CE）的形式上报给发送端，等待处理。

图6　GEM实现流程图

图7　消息配置格式

作为CMP系统来讲，它由片盒（Cassette）、载片口（LoadPort）、传片系统（Transfer）、抛光盘（Platen）、上下片（HCLU）、抛光头（Head）、清洗槽（Cleaner）等子系统组成，它们每一个进程（process）的每一个模块都按需求作为事件（event）上报，系统通过不同的ID来鉴别不同的events，每个ID都是十进制整型数据，以二进制数据的形式存储在相应的SxFx消息中。如图8和图9所示，抛光盘的事件Platen2EndPoint-Done的CEID是3200，它的意思是配方的步骤到达终点标准，这个值就赋值给图9中的CEID，它是一个四字节的整型数据。如果S2F37的CEID是长度为零的序列，就代表允许或不允许上报所有的事件。

图8　事件列表（部分）

图9　消息文本

6　结束语

本论文主要介绍了GEM协议的解读和实现方法，协议涵盖面很广，功能很多，现阶段的工作可能还不够全面，但是基本功能已经能够实现，在以后的工作中，会根据实际情况更深入地解读GEM协议的内容，更自动化地实现其功能，这样在实际应用的时候能够确保完全兼容晶圆厂商的设备系统。

参考文献：

［1］王戟，王兵.半导体通讯标准GEM的应用［J］.机电工程，2008，25（7）：34-36.

［2］SEMI E30-1103 Generic model for communications and control of manufacturing equipment［S］. Global Information & Control Committee，2003.

［3］SEMI E5-1000 SEMI EQUIPMENT COMMUNICATIONS STANTARD 2 MESSAGE CONTENT［S］. Global Information & Control Committee，2000.

作者介绍：

袁丁（1988-）女，学士，助理工程师，主要从事于软件设计。

Application of GEM in CMP system

YUANDing，ZHANGKejia
（The 45thResearch Institute of CETC, Beijing100176）

Abstract:In this paperpresented an application of GEM standard, which based on the most advanced FA trend and combined with the actual application requirements in CMP system. The communication state model and control state modelwere introduced. The design of GEM model was presented, and a message scenario of GEM was provided. Practice shows, the demand for GEM in the field of automation equipment is very urgent. Research done in this paper is very valuable.

Keywords:SECS（SEMI Equipment Communications Standard）；GEM（Generic Model for Communications and Control of Manufactoring Eqiupment）；CMP（Chemical Mechanical Polishing）；FA（Factory automation）

中图分类号：TN305.2

文献标识码：B

文章编号：1004-4507（2016）05-0016-04

收稿日期：2016-05-03