張鵬程，張紅雨，陳 楊

（電子科技大學 電子工程學院，四川 成都 611731）

一顆專用IC由HDL語言進行電路設(shè)計，然后送到半導體廠進行生產(chǎn)加工。IC由矽砂到封裝完成，所需的制造程序十分復雜，所需的半導體設(shè)備和半導體材料超過千種。如何讓這些種類繁多的設(shè)備協(xié)調(diào)一致的工作，就需要制定相關(guān)的標準。

在高度自動化的半導體制造行業(yè)中，CIM（Computer Integrated Manufacturing）統(tǒng)一管理協(xié)調(diào)個半導體設(shè)備的生產(chǎn)狀況，負責他們之間的通信聯(lián)絡(luò)，這樣可以做到半導體生產(chǎn)的高度自動化，以減少過程失誤進而降低成本并推動產(chǎn)品質(zhì)量的提升[1]。

但設(shè)備種類繁多，并且設(shè)備提供商的隊伍也十分壯大，這就在一定程度上阻礙了半導體生產(chǎn)的自動化并且增加了整個行業(yè)的成本。

采用一個統(tǒng)一的標準勢在必行，在這種趨勢下，行業(yè)協(xié)會SEMI已經(jīng)開始于1980年出版了關(guān)于制造設(shè)備和主控計算機間的通信標準SECS（SEMI Equipment Communication Standards， E4 and E5），后來于 1992 年出版了 GEM（Gen-eral Equipment Model）標準。在上世紀90年代末以前，高度自動化的制造廠開始考慮對它們的成功極為關(guān)鍵的SECS/GEM兼容的設(shè)備。

1 SECS/GEM標準框架

SEMI通信標準（SECS/GEM）定義了半導體設(shè)備與主機（Host）間、設(shè)備與設(shè)備間的通信規(guī)范。其中SECS-Ⅰ或者HSMS處于模型的最底層，提供了半導體設(shè)備通信的鏈路規(guī)范，但SECS-Ⅰ是基于RS-232串行鏈路，后者基于TCP/IP。SECS-Ⅱ定義了半導體設(shè)備的通信格式，GEM則定義了半導體生產(chǎn)制造過程中的通用情景下的交互行為，標準模型如圖1 所示。 其中 E4、E5、E30、E37 為這些標準在 SEMI的編號[2]。

圖1 SECS/GEM標準結(jié)構(gòu)Fig.1 Standard structure of SECS/GEM

E4：SECS-Ⅰ，基于串行鏈路的半導體設(shè)備點對點通信標準，定義了包括物理連接，傳輸包格式，傳輸速率等物理層和數(shù)據(jù)鏈路層得特性。

E5：SECS-Ⅱ，定義了半導體設(shè)備通信會話、消息和數(shù)據(jù)格式，通信格式包括設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備控制、物料狀態(tài)、物料控制、過程處理、配方管理、異常處理等。

E30:GEM，用戶層應(yīng)用的通用設(shè)備模型，基于SECS-Ⅱ消息，改標準定義了一套通用的半導體設(shè)備行為、交互機制和典型的情景。

E37：HSMS，定義了基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的半導體設(shè)備通信標準，替代E4標準，主要用于高速鏈路的數(shù)據(jù)通信需求。

2 SECS-Ⅰ標準

SECS-Ⅰ定義了SECS通信的電氣特性、傳輸封包格式、握手信號及其他一些通信控制信號，SECS-Ⅰ規(guī)范主要有以下內(nèi)容[3]：

1）基于RS-232串行通信，采用半雙工的通信方式，一位起始位，一位終止位，無奇偶校驗，數(shù)據(jù)位為8位；通信傳輸波特率150～19 200，目前均以9 600波特率最為常見，少數(shù)使用19 200波特率。

2）交握碼：即設(shè)備和主機進行通信之前的握手信號。當主機或者設(shè)備要開始傳送SECS信號之前要先送一個ENQ（請求發(fā)送）告知對方要傳送資料，等到對方回應(yīng)一個EQT（準備好接收）時才開始傳送資料，而待資料收齊后則對比Checksum（校驗和）是否相等，若相等則發(fā)出ACK（確認正確接收）告知對方；若不符則發(fā)出NAK（接收錯誤）告知對方重傳一次。

3）資料長度，為一個字節(jié)，以此表示一個塊內(nèi)含有多少個字節(jié)長度，不含資料長度的1個字節(jié)及校驗和的2個字節(jié)，其值為10～254個字節(jié)。SECS-Ⅰ報文格式如圖2所示。

4）信息頭部，共10個字節(jié)。SECS-Ⅰ報文格式如圖2所示。每個字節(jié)都有其特定的含義，為轉(zhuǎn)換為SECS-Ⅱ的內(nèi)容和格式提供了所需的信息。

圖2 SECS-Ⅰ報文格式Fig.2 Message format of SECS-Ⅰ

5）等待時間限制：在數(shù)據(jù)傳送過程中，由于設(shè)備資料傳送的延遲或因設(shè)備故障無法再傳送數(shù)據(jù)時，都會造成數(shù)據(jù)的不完整。必須重傳或高柱主機通知設(shè)備工程師維修設(shè)備。等待時間有4種，它們分別是T1（內(nèi)部字符傳輸超時），用于數(shù)據(jù)接收方限定一個數(shù)據(jù)塊中字符間最大的時間延遲；T2（協(xié)議超時）對于發(fā)送者，發(fā)出ENQ后，等待EQT的時間，或發(fā)出一個數(shù)據(jù)塊后，等待ACK貨NAK的時間，對于接受者，發(fā)出EQT后，等待第一個數(shù)據(jù)塊（數(shù)據(jù)長度字節(jié)）的時間；T3（回復超時）定義了發(fā)送者等待接受者回復相關(guān)的第二信息的時間限定；T4（內(nèi)部數(shù)據(jù)塊傳輸超時）定義了接受者在多數(shù)據(jù)塊信息中接收下一個數(shù)據(jù)塊的時間限定。

3 SECS-Ⅱ標準

在SECS協(xié)議中SECS-Ⅱ的功能相當于OSI協(xié)議層中的表示層。它把SECS-Ⅰ傳輸?shù)亩M制串翻譯成形象直觀的格式表示出來，SECS-Ⅱ規(guī)范傳輸資料的標準結(jié)構(gòu)和現(xiàn)實內(nèi)容，使信息的傳遞更人性化，方面使用者查看數(shù)據(jù)內(nèi)容。其重要功能有：

1）定義了在設(shè)備和主機之間交換信息的格式；

2）所有信息根據(jù)活動進行分類組織，叫Stream；

3）每一個Steam包含特定的信息，叫Function；

4）每個信息由各項組成。

SECS-Ⅱ定義了SECS協(xié)議的報文格式和表示內(nèi)容[4]，通常叫做StreamFunction報文格式。所有報文（Message）都用SNFM（N 為 Stream Number，M 為 Function Number）形式表示。 其中每次通信SNFM報文都成對出現(xiàn)，分別稱為Primary Message（其中 M 為奇數(shù)）和 Secondary Message（SNFM）。 SECS-Ⅱ還規(guī)范了Stream Function的使用范圍和功能。在SECS-Ⅱ中以Stream來區(qū)分不同信息的種類，再以Function來區(qū)分同一種類下信息不通的含義。二者編號范圍Stream Number為0～127；Function Number為0～255。發(fā)話者必須以M為奇數(shù)，而接收者必須以M+1進行回復。

SECS-Ⅱ其實相當于SECS-Ⅰ數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)區(qū)，相當于將SECS-Ⅱ封裝到了SECS-Ⅰ報文里，只不過SECS-Ⅱ以更加直觀的方式將SECS-Ⅰ所傳達的信息以更直觀的形式進行表示。SECS-Ⅱ的報文頭部格式如圖3所示。其中格式碼（Format Code）共15種，可指定14種格式形態(tài)及一個分支碼，分支碼可使Message具有樹狀結(jié)構(gòu)，更容易以文字表達說明，由此所形成的結(jié)構(gòu)語言稱之為SML（SECS Message Language）。這一語言是GW Associates為了描述SECS-Ⅱ消息而開發(fā)的符號語言，該語言和SEMI標準的符號相似但更精確更規(guī)則，常用語半導體設(shè)備手冊中。其格式為SNFMWitems，其中SNFM為Strem和Function的編碼，W為格式中的W位，items為SECSSECS-Ⅱ的數(shù)據(jù)項。

圖3 SECS-Ⅱ報文頭部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.3 Data structures of SECS-Ⅱmessage header

SECS-Ⅱ有自己的標準會話格式，每一個會話可能包含幾個相關(guān)消息，每次會話總是從一個單塊、Primary Message開始。SECS-Ⅱ定義了基本的7中會話模式。它們分別是無需回應(yīng)的會話、要求/資料的會話、傳送/確認的會話、要求/同意/發(fā)送/確認的會話、具體未格式化的資料在主機與設(shè)備間的交談、在設(shè)備間有關(guān)晶體管控的交談、話中插話。

4 GEM標準

GEM標準其實就是SECS-Ⅱ的一個子集。GEM定義了從主機放看到的半導體設(shè)備的行為，定義了哪些SECS-Ⅱ消息在何種狀態(tài)下被使用，在SECS-Ⅱ標準中選出最通用的通訊控制方式并加以規(guī)范化。Global Information&Control Committee在1992年提出了GEM規(guī)范，只要滿足GEM所指定的規(guī)范與功能需求的設(shè)備或主機，即可稱之為滿足SECS和GEM的設(shè)備。符合GEM標準的設(shè)備應(yīng)具有如下功能及通信處理能力[5]：

1）建立連接 主機與設(shè)備相互要求對方建立通信連接。對應(yīng)的 SF 為 S1，F(xiàn)1/F2，S1，F(xiàn)13/F14。

2）資料收集 具體分為時間告知、動態(tài)事件回報規(guī)劃、變數(shù)資料收集、追蹤資料收集、極限監(jiān)控、狀態(tài)資料收集、線上辨識等。

3）警報管理 是主機可以通告與管理在設(shè)備上鎖發(fā)生的緊急情況。對應(yīng)的 SF 為 S5，F(xiàn)3/F4；S5，F(xiàn)5/F6；S5，F(xiàn)1/F2 與 S6，F(xiàn)11/F12。

4）遠端控制 提供主機一個比設(shè)備更高的控制權(quán)限。

5）其他功能 如設(shè)備常數(shù)、制程程式管理、材料搬移、設(shè)備終端服務(wù)、錯誤訊息、時間等。

5 HSMS協(xié)議

HSMS，定義了基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的半導體設(shè)備通信標準，替代SECS-Ⅰ，主要用于高速鏈路的數(shù)據(jù)通信需求，如圖4為HSMS的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖?？偣灿?種狀態(tài)[6]，它們分別是：

圖4 HSMS狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.4 State conversion diagram of HSMS

1）未連接狀態(tài)（NOT CONNECTED）HSMS是基于TCP/IP的一個協(xié)議，在該狀態(tài)下設(shè)備和主機或設(shè)備和設(shè)備間試圖去初始化一個TCP/IP連接，但是連接還未真正建立，或者一個已有的TCP/IP連接被終止將進入該狀態(tài)。

2）連接狀態(tài)（CONNECTED）在此狀態(tài)下已經(jīng)建立了一個真正的TCP/IP連接。

3）未選擇狀態(tài)（NOT SELECTED）是連接狀態(tài)的一個子狀態(tài)，此時雖然連接已建立，但是還未真正建立一個HSMS會話。

4）選擇狀態(tài)（SELECTED）連接狀態(tài)的一個子狀態(tài)，此時HSMS會話建立。

HSMS傳送的信息分為控制信息和數(shù)據(jù)信息。其數(shù)據(jù)包格式如圖5所示。長度字節(jié)控制著整個報文的長度，HSMS信息頭部控制著整個報文的屬性，而數(shù)據(jù)區(qū)則是按SECS-Ⅱ通信數(shù)據(jù)，最多可攜帶4GB的數(shù)據(jù)?？刂菩畔⒎譃檫x擇請求、選擇應(yīng)答、連接請求、連接應(yīng)答和斷開連接5種，剛好對應(yīng)了HSMS的5種狀態(tài)。

圖5 HSMS消息格式Fig.5 Message format of HSMS

在主機與設(shè)備的通信過程中，總避免不了異常狀態(tài)的發(fā)生，比如TCP/IP連接斷開、收到錯誤字符、網(wǎng)絡(luò)傳輸錯誤、物理異常、斷開以及受到其他異常情況的干擾等。為保證通信的正常進行，SECS/GEM對超時作出了具體的定義，同時，SECS/GEM通信的執(zhí)行必須提供時間參數(shù)設(shè)置。

HSMS協(xié)議里有5種很重要的超時，它們分別是應(yīng)答超時（T3）、斷開連接超時（T5）、控制超時（T6）、未選擇超時（T7）、內(nèi)部字符超時（T8）。主機與設(shè)備的通信過程中通信狀態(tài)分為TCP的連接與未連接，HSMS的選擇與為選擇4種狀態(tài)。各個通信的各個階段因為所處狀態(tài)不同，超時的設(shè)置也不同。各個狀態(tài)超時的處理和異常狀態(tài)的超時處理流程如下[7]：

1）TCP/IP連接 主機與設(shè)備建立TCP/IP連接后，由主機向設(shè)備發(fā)送控制指令，并且開始T6計時，如果主機收到設(shè)備在小于T6時間內(nèi)的相應(yīng)回復，則主機與設(shè)備的通信狀態(tài)進入HSMS選擇狀態(tài)。

2）HSMS未選擇 如果主機未在小于T6的時間間隔內(nèi)收到相應(yīng)的回復，則開始T5計時，如果在小于T5時間內(nèi)收到設(shè)備端得TCP/IP連接請求，則主機與設(shè)備的連接成功，由主機重新發(fā)送相應(yīng)的控制指令，進入HSMS狀態(tài)選擇嘗試。

3）HSMS選擇成功 主機與設(shè)備進入HSMS選擇成功狀態(tài)之后，撤銷T6。由主機向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)指令，開始數(shù)據(jù)通信。發(fā)送數(shù)據(jù)指令后，開始T3計時，如果在小于T3的時間間隔內(nèi)收到相應(yīng)的回復，主機與設(shè)備數(shù)據(jù)通信無誤，根據(jù)實際需要發(fā)送下一條指令。

4）數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)異常處理 如果主機在小于T3時間間隔內(nèi)未收到相應(yīng)的回復，則開始T8計時。如果在小于T8的時間間隔內(nèi)收到設(shè)備端的TCP/IP連接請求，則主機與設(shè)備的連接未斷開，但由于產(chǎn)生的T8超時，需重新進行HSMS狀態(tài)的選擇過程。如果在小于T8的時間間隔內(nèi)未收到設(shè)備端的TCP/IP連接請求，則網(wǎng)絡(luò)可能斷開，為保證主機與設(shè)備通信的正常進行，需重新建立連接。

由于HSMS是基于TCP/IP的一個協(xié)議，所以更適合網(wǎng)絡(luò)控制，通信流量更大，所以非常適合技術(shù)的發(fā)展，大有取代SECS-Ⅰ的趨勢。當然，其中很細節(jié)的通訊控制也是非常復雜的。

6 應(yīng)用發(fā)展

SECS/GEM標準是在國外半導體行業(yè)里廣泛運用的一個標準，是SEMI標準的一部分。目前支持該標準的廠商達到1 600家。SECS/GEM標準最初出現(xiàn)在美國，后來在全球范圍內(nèi)得到了發(fā)展，在歐洲和日本也得到了廣泛的支持。其應(yīng)用范圍從最初的芯片尺寸控制到如今滲透到半導體生產(chǎn)的各個方面，不僅降低了半導體生產(chǎn)的成本，提高了生產(chǎn)效率和芯片的性能，也為整個行業(yè)的規(guī)范化生產(chǎn)提供了一個可以廣泛參考的模式。但目前，由于我國半導體工業(yè)起步較晚，該標準未能得到普及，這就是我們在生產(chǎn)自動化和國際上先進的生產(chǎn)工藝之間存在了巨大差距，使我國半導體行業(yè)在國際上的競爭中處于劣勢。所以此時我們應(yīng)該認識到差距，接收先進的生產(chǎn)標準，為我國半導體產(chǎn)業(yè)的整體提升打下堅實的基礎(chǔ)。

7 結(jié)束語

SECS/GEM是半導體[8]行業(yè)里得到廣泛應(yīng)用的標準，也是我國半導體行業(yè)發(fā)展的趨勢所在。本文對SECS/GEM的提出、應(yīng)用發(fā)展前景、標準的整體架構(gòu)以及各層所實現(xiàn)的功能都作了詳盡的描述。目前我國半導體產(chǎn)業(yè)還未全面符合該標準，半導體生產(chǎn)的自動化程度還處于較低水平，這對這個行業(yè)的發(fā)展是不利的。所以勢必要和國際接軌，采用國際上最先進的半導體生產(chǎn)控制標準，提高國內(nèi)的半導體產(chǎn)業(yè)水平。

[1]李文狄，陳玉云，蔡嘉鴻.半導體廠自動化之通訊協(xié)定SECSⅠ/Ⅱ&GEM[EB/OL]. （2001）[2011-05-23].http://secs.itri.org.tw/files/Paper/paper.htm.

[2]劉明哲，徐皚冬，于海斌.半導體設(shè)備控制中SEMI標準模型研究[J].儀器儀表學報，2008，29（4）：687-690.

LIU Ming-zhe，XU Ai-dong，YU Hai-bin.Research of SEMI standard model in IC equipment control[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2008，29（4）:687-690.

[3]王戟，王兵，李瑞東.半導體后端制造自動化[J].半導體行業(yè)，2008（2）:53-55.

WANG Ji，WANG Bing，LI Rui-dong.The automation of the back semiconductor manufacturing[J].Semiconductor Industry，2008（2）:53-55.

[4]鄧珂，王宏.一種面向?qū)ο蟮腟ECS-Ⅱ消息實現(xiàn)方法[J].微計算機信息，2008，24（4-3）:197-204.

DENG Ke，WANG Hong.Implementation of SECS-Ⅱ messages using OOP[J].Control&Automation，2008，24（4-3）:197-204.

[5]趙煒，張浩，湯光強.基于SECS標準的Linux平臺下串口通訊的實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用研究，2002（4）:27-29.

ZHAO Wei，ZHANG Hao，TANG Guang-qiang.Serial communication based on linux[J].Application Research of Computers，2002（4）:27-29.

[6]王戟.SECS/GEM在半導體生產(chǎn)計算機集成制造系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2008.

[7]王延輝.表面貼裝設(shè)備數(shù)據(jù)采集技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].西安：西安電子科技大學，2008.

[8]劉昆，符影杰，洪俊明.半導體制冷溫度控制算法的實驗研究[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2010（1）:55-57.

LIU Kun，F(xiàn)U Ying-jie，HONG Jun-ming.Experiment research of temperature controlling algorithms embedded intelligent controller for thermoelectic cooling[J].Industrial Instrumentation&Automation，2010（1）:55-57.