袁丁，張克佳

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176）

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GEM標(biāo)準(zhǔn)在CMP系統(tǒng)上的應(yīng)用

袁丁，張克佳

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176）

摘要：以當(dāng)代最先進(jìn)的自動(dòng)化工廠（FA）走勢為依據(jù)，結(jié)合化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求，提出了解決工業(yè)自動(dòng)化通信協(xié)議SECSGEM的應(yīng)用問題。敘述了GEM的通信狀態(tài)、控制狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)GEM的設(shè)計(jì)思路，并舉例說明了GEM中的消息配方。實(shí)踐表明，我國自動(dòng)化設(shè)備領(lǐng)域?qū)EM的需求是非常迫切的。

關(guān)鍵詞：國際半導(dǎo)體設(shè)備與材料產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)的設(shè)備通信標(biāo)準(zhǔn)（SECS）；工廠設(shè)備通信與控制通用標(biāo)準(zhǔn)（GEM）；化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）；工廠自動(dòng)化

1　當(dāng)代應(yīng)用設(shè)備FA趨勢走向

FA（Factory automation）是指操作人員所做的所有工作由機(jī)器或系統(tǒng)來自動(dòng)完成。在半導(dǎo)體消費(fèi)者工廠里，F(xiàn)A可以理解為“主機(jī)（host）系統(tǒng)控制或進(jìn)行許多以前由操作人員完成的工作”。但是主機(jī)系統(tǒng)也是由人工做出來的，有其局限性，這就是為什么我們需要協(xié)議（或標(biāo)準(zhǔn)）和一些設(shè)定來適用于消費(fèi)者生產(chǎn)的情形，如果“人工智能”得以發(fā)展和實(shí)現(xiàn)，那么將是FA生產(chǎn)系統(tǒng)的巨大轉(zhuǎn)變。

最終，消費(fèi)者（晶圓加工廠）的目標(biāo)就是“高度地執(zhí)行力”和“百分之百的工廠自動(dòng)化（無人晶圓加工車間）”。如圖1所示，為了實(shí)現(xiàn)“高度執(zhí)行力”，我們還要做很多努力，如解決硬件和軟件方面的問題、改善硬件和軟件方面的設(shè)計(jì)，還有改善加工方面的問題等。

圖1　自動(dòng)化工廠的發(fā)展需求

2　關(guān)于GEM協(xié)議

為了更好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無人車間，SEMI （Semiconductor Equipment and Materials International）為半導(dǎo)體前端行業(yè)制定了設(shè)備到主機(jī)的通信協(xié)議GEM（GENERIC MODEL FOR COMMUNICATIONS AND CONTROL OF MANUFACTURING EQUIPMENT）。在自動(dòng)化車間里，它能啟動(dòng)和停止設(shè)備的處理，收集測量數(shù)據(jù)，更改變量和配方（選自GEM協(xié)議）。

GEM的突出作用是為設(shè)備廠商和晶圓廠商帶來經(jīng)濟(jì)利益。設(shè)備廠商得益于發(fā)展并推廣單獨(dú)的、滿足多數(shù)用戶需求的SECS-II接口的能力。晶圓廠商得益于日益提高且適用于所有設(shè)備廠商的SECS-II接口的功能性和標(biāo)準(zhǔn)性。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化減少了設(shè)備廠商和晶圓廠商的軟件開發(fā)成本。通過減少成本和提高功能性，晶圓廠商可以使半導(dǎo)體工廠更高效地自動(dòng)化。設(shè)備廠商可以與用戶協(xié)商來確定加入哪些GEM額外功能，制定出一臺(tái)特制的設(shè)備。如圖2所示，主機(jī)（HOST）與設(shè)備（EQP）之間依賴于SECS-II和E37-HSMS作為通信接口，二者才能建立通信，GEM決定主機(jī)和設(shè)備的行為。其中SECS-II定義了在設(shè)備和主機(jī)之間通信的所有信息詳情，包括各種專有名詞的解釋、消息的結(jié)構(gòu)、設(shè)備功能。E37-HSMS為基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，提供了一種方式，它能讓獨(dú)立的設(shè)備在不需要接入的相關(guān)信息時(shí)也能與對方建立連接。GEM決定設(shè)備與主機(jī)之間發(fā)送哪些消息，它通過建立起的配方（scenario）來定義設(shè)備的行為。

圖2　SECS/GEM協(xié)議框架

3　GEM的通信狀態(tài)

如圖3所示，SECS通信有兩種狀態(tài)：DISABLE和ENABLE。系統(tǒng)初始狀態(tài)必須在設(shè)備端手動(dòng)設(shè)置，DISABLE一般是默認(rèn)狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)下所有的SECS消息都不能發(fā)出，通信停止。ENABLE有兩個(gè)子狀態(tài)，一個(gè)是NOT COMMUNICATING（未通信）,另一個(gè)是COMMUNICATING（通信中），設(shè)備上必須通知操作者現(xiàn)在的通信狀態(tài)，以提醒操作者轉(zhuǎn)換通信狀態(tài)。當(dāng)處于未通信狀態(tài)時(shí)，主機(jī)和設(shè)備都會(huì)發(fā)送連接申請，DELAY是重新申請連接的間隔時(shí)間［1］，CRA是設(shè)備端發(fā)出申請S1F13后等待主機(jī)端的回應(yīng)，CR是主機(jī)端發(fā)出連接申請S1F13后等待設(shè)備端的回應(yīng)。

圖3　通信狀態(tài)圖

4　GEM的控制狀態(tài)

CONTROL狀態(tài)定義了設(shè)備與主機(jī)的協(xié)作級別，同時(shí)也詳細(xì)說明了操作者在主機(jī)控制的不同級別如何切換工作。

如圖4所示，控制狀態(tài)提供了主機(jī)三種級別的控制。REMOTE（遠(yuǎn)程）是最高的控制級別，主機(jī)可以完全控制設(shè)備；LOCAL（本地）是中等控制級別，主機(jī)可以全部存取信息，但是限制對設(shè)備端的操作；OFF-LINE（線下）是最低的控制級別，設(shè)備不允許主機(jī)控制且只能得到有限的信息。

如果設(shè)備不在COMMUNICATING狀態(tài)，設(shè)備仍然有CONTROL STATE，即使與狀態(tài)無關(guān)。在設(shè)備進(jìn)入適當(dāng)?shù)耐ㄐ艩顟B(tài)后，正如GEM默認(rèn)的CONTROL設(shè)置那樣，設(shè)備會(huì)自動(dòng)進(jìn)入一個(gè)控制狀態(tài)。通信連接失敗和因此而來的通信狀態(tài)變化都不會(huì)影響系統(tǒng)的控制狀態(tài)，控制狀態(tài)由EC（設(shè)備常量）的值來決定［2］。

5　GEM的軟件實(shí)現(xiàn)

GEM標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)復(fù)雜的邏輯實(shí)現(xiàn)過程，其中有上萬條的數(shù)據(jù)處理量。如圖5所示，這是其中一個(gè)消息配方，用來報(bào)告event給HOST端。每條消息是以流（stream）+功能（function）組合形式命名，E5一共規(guī)定了18個(gè)stream，其中GEM用到了9個(gè)。每一個(gè)SxFx的結(jié)構(gòu)和其中的參數(shù)都是不一樣的，結(jié)構(gòu)的多樣決定了數(shù)據(jù)的龐大，處理起來需要嚴(yán)密的分析與判斷。它以計(jì)算機(jī)編碼的形式包含各種參數(shù)，指揮著設(shè)備的運(yùn)作。

圖4　控制狀態(tài)圖

圖5　消息配方

GEM的軟件實(shí)現(xiàn)分為三個(gè)部分，如圖6所示。第一部分配置消息格式，用UTF-8編碼開發(fā)，如圖7所示，生成XML文件，這部分實(shí)現(xiàn)了SECS II消息的結(jié)構(gòu)；第二部分配置變量，比如GemEquipmentOFFLINE、GemControlStateREMOTE 等CEID（Collection Events ID），Robot TO Ready Position Timeout等ALID（Alarm ID），構(gòu)成消息的核心內(nèi)容，以二進(jìn)制數(shù)的形式打包報(bào)告給主機(jī)端；第三部分代碼實(shí)現(xiàn)，采用VC++開發(fā)，在代碼中綁定XML文件，從XML中讀取消息，對其中的變量進(jìn)行讀寫，對消息進(jìn)行判斷，然后發(fā)送給主機(jī)，當(dāng)收到對方的回復(fù)時(shí)，對其中攜帶的消息進(jìn)行解析，根據(jù)解析出來的數(shù)據(jù)使設(shè)備進(jìn)行下一個(gè)行為。如果在消息交互過程中，信息格式無法解析或者通信超時(shí)等出現(xiàn)的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)錯(cuò)或報(bào)警，以收集事件（CE）的形式上報(bào)給發(fā)送端，等待處理。

圖6　GEM實(shí)現(xiàn)流程圖

圖7　消息配置格式

作為CMP系統(tǒng)來講，它由片盒（Cassette）、載片口（LoadPort）、傳片系統(tǒng)（Transfer）、拋光盤（Platen）、上下片（HCLU）、拋光頭（Head）、清洗槽（Cleaner）等子系統(tǒng)組成，它們每一個(gè)進(jìn)程（process）的每一個(gè)模塊都按需求作為事件（event）上報(bào)，系統(tǒng)通過不同的ID來鑒別不同的events，每個(gè)ID都是十進(jìn)制整型數(shù)據(jù)，以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)在相應(yīng)的SxFx消息中。如圖8和圖9所示，拋光盤的事件Platen2EndPoint-Done的CEID是3200，它的意思是配方的步驟到達(dá)終點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)值就賦值給圖9中的CEID，它是一個(gè)四字節(jié)的整型數(shù)據(jù)。如果S2F37的CEID是長度為零的序列，就代表允許或不允許上報(bào)所有的事件。

圖8　事件列表（部分）

圖9　消息文本

6　結(jié)束語

本論文主要介紹了GEM協(xié)議的解讀和實(shí)現(xiàn)方法，協(xié)議涵蓋面很廣，功能很多，現(xiàn)階段的工作可能還不夠全面，但是基本功能已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)，在以后的工作中，會(huì)根據(jù)實(shí)際情況更深入地解讀GEM協(xié)議的內(nèi)容，更自動(dòng)化地實(shí)現(xiàn)其功能，這樣在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候能夠確保完全兼容晶圓廠商的設(shè)備系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

［1］王戟，王兵.半導(dǎo)體通訊標(biāo)準(zhǔn)GEM的應(yīng)用［J］.機(jī)電工程，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.

作者介紹：

袁?。?988-）女，學(xué)士，助理工程師，主要從事于軟件設(shè)計(jì)。

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）

中圖分類號：TN305.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-4507（2016）05-0016-04

收稿日期：2016-05-03