Dieser Leitfaden bietet eine einsteigerfreundliche Einführung in SECS/GEM, das Standardkommunikationsprotokoll der Fabrikautomatisierung in der Halbleiterindustrie. Sie erfahren, wofür SECS/GEM steht, wie die drei Kernstandards (SEMI E30 GEM, SEMI E5 SECS-II und SEMI E37 HSMS) zusammenwirken und wie Anlagen mit übergeordneten Fabriksystemen kommunizieren.
Für Halbleiter-OEMs und Fabs ist SECS/GEM vom „Nice-to-have“ zur Grunderwartung geworden. Führende Kunden verlangen heute GEM- oder GEM300 -Konformität, bevor sie ein neues Gerät abnehmen, und Fabriken mit gemischten Anlagenparks sind auf standardisierte Kommunikation angewiesen, damit die MES-Daten fließen. Wenn Sie prüfen, wie Sie SECS/GEM in Ihre Anlage bringen, entdecken Sie SECS/GEM-Lösungen für Ihre Fab und erfahren Sie, wie ein bewährtes SDK den Weg verkürzen kann.
Für die vollständigen offiziellen Normen, siehe SEMI.org. Um SECS/GEM auf Ihrer Ausrüstung zu implementieren, ohne einen Treiber von Grund auf neu zu erstellen, sehen Sie in unserer NxSphere® GEM SDK. Eine Übersicht Standard für Standard finden Sie in unserem SEMI-Standards-Leitfaden. Sie möchten lieber zuerst lesen? NxSphere® GEM Datenblatt anfordern.
In diesem Leitfaden
SECS/GEM verstehen: Definition & Grundkonzepte
1.
SECS (SEMI Equipment Communication Standards) und GEM (Generic Model for Communications and Control of Manufacturing Equipment) sind Standards, die von SEMI.org veröffentlicht und gepflegt werden – einer internationalen Organisation von Halbleiterherstellern, die die Standards für die Halbleiterfertigung festlegt.
2.
SECS/GEM ist das wichtigste Kommunikationsprotokoll für die Automatisierung in der Halbleiter- und Elektronikindustrie und hat sich heute auch in der Photovoltaik- und der SMT-Industrie weit verbreitet.
3.
SECS/GEM stellt eine Kommunikationsschnittstelle zwischen Anlagen und Host-Systemen bereit.
4.
Anders als andere Kommunikationsprotokolle wie bei SPS ermöglicht SECS/GEM, dass Anlagen verschiedener Hersteller über ein einheitliches, standardisiertes Protokoll mit unterschiedlichen Host-Systemen kommunizieren.
Warum die SECS/GEM-Integration für die Halbleiterfertigung entscheidend ist
Ohne SECS/GEM liegen Fabrikdaten in Silos. Bediener tragen Messwerte in Tabellen ein, Alarme bleiben unbemerkt, und jede neue Anlage braucht eine maßgeschneiderte Integration – das summiert sich zu teuren Stillständen und blinden Flecken, die die Ausbeute schmälern. SECS/GEM verändert die Wirtschaftlichkeit der Automatisierung.
Standardisierte Kommunikation ermöglicht Echtzeitüberwachung, schnelleres Onboarding neuer Anlagen und sauberere Analysen – Branchenerfahrungen verbinden dies mit deutlich geringeren Integrationskosten und messbaren Ausbeutegewinnen.
Für OEMs ist die GEM-Konformität häufig Voraussetzung für den Verkauf. Für Fabs sind SECS/GEM-Lösungen der kürzeste Weg von der Anlage in der Fertigung zu verwertbaren Daten, und SECS/GEM-Gateway-Lösungen binden die Altanlagen und SPS-gesteuerten Geräte an, die sonst isoliert blieben.
SECS/GEM-Normen
Drei SEMI-Standards ermöglichen gemeinsam die SECS/GEM-Kommunikation: SEMI E30 GEM legt fest, was die Anlage tut, SEMI E5 SECS-II legt fest, wie Nachrichten aufgebaut sind, und SEMI E37 HSMS legt fest, wie diese Nachrichten über das Netzwerk übertragen werden. Wer versteht, wie die drei zusammenspielen, versteht sowohl das Protokoll als auch die darauf aufbauenden Produkte besser.
Der SEMI-E30-GEM-Standard im Überblick
Der GEM-Standard definiert einen gemeinsamen Satz an Anlagenverhalten und Kommunikationsfähigkeiten, der die Funktionalität und Flexibilität bietet, um die Fertigungsautomatisierungsprogramme von Halbleiterherstellern zu unterstützen. Anlagenlieferanten können zusätzliche SECS-II-Funktionen anbieten, die nicht in GEM enthalten sind, solange diese zusätzlichen Funktionen nicht im Widerspruch zu dem in GEM definierten Verhalten und den dort definierten Fähigkeiten stehen. Dazu können SECS-II-Nachrichten, Collection Events, Alarme, Remote-Command-Codes, Prozesszustände, variable Datenelemente (Datenwerte, Statuswerte oder Anlagenkonstanten) oder andere Funktionen gehören, die für eine Anlagenklasse (Ätzanlagen, Stepper usw.) oder eine bestimmte Anlage einzigartig sind.
Kommunikation
Das COMMUNICATION-Zustandsmodell definiert das Verhalten der Anlage in Bezug auf das Bestehen oder Fehlen einer Kommunikationsverbindung zum Host. Es legt außerdem fest, wie die Kommunikation mit S1F13/S1F14 aufgebaut oder wiederhergestellt wird, wenn sie unterbrochen wurde.
Was das in der Praxis bedeutet: Das Kommunikationszustandsmodell bietet eine vorhersehbare Methode, um Verbindungsverluste zwischen Host und Anlage zu erkennen und zu beheben. Für Fabs bedeutet das weniger unbemerkte Ausfälle und eine sauberere Verfügbarkeit. Für OEMs bedeutet es, dass Kunden darauf vertrauen können, dass die Anlage ohne Eingriff des Bedieners die Verbindung wiederherstellt und die Berichterstattung fortsetzt.
Kontrolle
OFFLINE (niedrigste Stufe): Die Bedienung des Geräts erfolgt manuell durch den Bediener an der Bedienerkonsole. Das Gerät antwortet mit einem SxF0 auf jede primäre Nachricht vom Host, die nicht S1F13 oder S1F17 ist.
ONLINE/LOCAL (mittlere Ebene): In diesem Zustand darf der Host nur „Nur-Lese“-Operationen wie die Datenerfassung durchführen. Dem Host ist es untersagt, Anlagenkonstanten zu ändern, die den Prozess beeinflussen, oder Remote-Befehle auszugeben, die physische Bewegungen auslösen oder die Bearbeitung starten.
ONLINE/REMOTE (Höchste Stufe): In diesem Zustand kann der Host das Gerät in vollem Umfang über die Kommunikationsschnittstelle bedienen ("Lese- und Schreiboperationen").
Verarbeitung
Fernsteuerung
Variablen
Der GEM-Standard definiert drei Variablentypen, auf die der Host zugreifen kann:
Statusvariable (Status Variable): Eine globale „Nur-Lese“-Variable, die in der Anlage definiert ist. Bei jedem Verarbeitungsvorgang aktualisiert die Anlage die jeweilige Statusvariable mit den neuesten Daten, z. B. Zählerstände, aktueller oder vorheriger Zustand usw.
Anlagenkonstante (Equipment Constant): Eine globale „Lese-Schreib“-Variable, die in der Anlage definiert ist. Der Host kann die Anlagenkonstante setzen oder ändern, was sich auf Einstellungen auswirken kann, die wiederum das Verhalten der Anlage verändern.
Diskrete Variable (Discrete Variable): Eine „lokale“ Variable, die nur innerhalb eines Collection Events existiert.
Datenerhebung
SECS/GEM bietet dem Host mehrere Möglichkeiten, Daten oder Informationen von der Anlage zu erfassen:
Ein Satz von Statusvariablenwerten kann jederzeit mit dem Befehl S1F3 abgefragt werden.
Ein Satz von Anlagenkonstantenwerten kann jederzeit mit S2F13 abgefragt werden.
Der Host kann einen Report definieren, der Statusvariablen, Anlagenkonstanten und Datenvariablen enthält, und ihn an ein Collection Event binden. Löst die Anlage das Ereignis aus (mit dem Befehl S6F11), wird der Report mit diesen Variablenwerten gemeinsam gesendet.
Der Host kann Traces definieren, die Statusvariablendaten periodisch abtasten.
Eine weitere Möglichkeit ist, die Alarmbenachrichtigung zu nutzen, um über ein Collection Event weitere Daten zu erfassen. Laut Standard muss bei jedem Auftreten oder Zurücksetzen eines Alarms ein Collection Event an den Host gesendet werden.
Alarm-Benachrichtigung
Mit dieser Funktion kann die Anlage dem Host jedes Auftreten und jedes Zurücksetzen eines Alarms oder Fehlers an der Anlage melden. Ein Alarm bezeichnet Vorkommnisse, die abnormal oder unerwünscht sind oder Personen, Anlagen oder das zu bearbeitende Material gefährden.
Im Folgenden sind einige Merkmale des Alarmmanagements aufgeführt, die von GEM definiert wurden:
Jeder Alarm hat zwei zugehörige Zustände: ALARM SET (Auftreten) und ALARM CLEAR (Zurücksetzen).
Jedem AlarmSet und AlarmClear ist ein Collection Event zugeordnet. Damit lässt sich ein möglicher Bedarf des Hosts an umfangreicherer und flexiblerer Datenberichterstattung abdecken.
Der Host kann anfordern, welche Alarme aktiviert oder deaktiviert werden; die Anlage meldet dem Host dann nur die aktivierten Alarme.
Dokumentation
Und viele mehr...
Weitere Funktionen wie Spooling, Prozessprogramme (Process Program), Terminal Services und Limit Monitoring entnehmen Sie bitte dem vollständigen Standard.
SECS/GEM in Ihrer Anlage umsetzen?
Erfahren Sie, wie das NxSphere® GEM SDK die SEMI-E30-, E5- und E37-Konformität ermöglicht, ohne dass Sie einen Treiber von Grund auf entwickeln müssen.
SEMI E5 SECS-II: Nachrichtenstruktur
Wie in der Einleitung beschrieben, stellt dieser Standard die APIs für die Schnittstelle zwischen Host und Anlage bereit. In diesem Standard wird jede Nachricht als Funktion (Function) dargestellt und in einem Stream (Kategorie) gruppiert.
Wie bei einem Webservice besteht jede SECS-II-Nachricht aus einem Nachrichtenkopf (Header) (der in der Regel den Methoden- bzw. Funktionsnamen und den Transaktionstyp enthält: Anfrage oder Antwort) und einem Nachrichtenkörper (Body) (der Name und Typ der Parameter festlegt). Bei einigen Funktionen kann der Nachrichtenkörper leer sein.
Nachfolgend wird die Konvention der SECS-II-Nachrichtenstruktur beschrieben.
Kopfzeile der Nachricht
Wo:
Stream ID = Nachrichten-Stream bzw. Kategorie
Function ID = Funktionskennung der Nachricht. Jeder Stream hat mehrere Funktionen. Eine ungerade Function ID kennzeichnet eine Primärnachricht (Anfrage), eine gerade Function ID (SnFm+1) die Sekundär- bzw. Antwortnachricht.
Mnemonic = Kurzform der Nachricht
S, M = S=Single (einzelner Block), M=Multi-block (mehrere Blöcke)
H, E = H=Host, E=Equipment (Anlage)
Message Directions = Gibt die zulässige Nachrichtenrichtung an. Manche Nachrichten sind nur in eine Richtung gültig (z. B. H->E oder H<-E), bestimmte Nachrichten können jedoch bidirektional sein (HE). Beispiel: S1F13 Establish Communication (HE).
Reply = Gibt an, ob die Nachricht eine Antwort erfordert oder nicht.
Beschreibung
Struktur
Der Nachrichtenkörper der Funktion. Detaillierte Struktur mit Listen und definierten Elementen. Listen werden durch ein großes L gefolgt von der Länge, getrennt durch ein Komma, gekennzeichnet. Die einzelnen Elemente der Liste sind in separaten Zeilen nummeriert.
Verschachtelte Listen werden eingerückt, um die Struktur hervorzuheben. Die detaillierte Form der Elemente ist im Define-Abschnitt am Anfang der Transaktion angegeben. Die Symbole „<“ und „>“ kennzeichnen Element-Header. Eine ausführliche Beschreibung jedes Datenelements sowie eine Liste der zulässigen Datenformate finden Sie im Data Item Dictionary.
Ausnahme
SEMI E37 HSMS: High-Speed SECS Message Services (Hochgeschwindigkeits-SECS-Nachrichtendienste)
HSMS ist die Transportschicht, die auf dem TCP/IP-Protokoll aufbaut. HSMS ist als Alternative zu SEMI E4 (SECS-I) gedacht, für Anwendungen, die eine schnellere Kommunikation erfordern oder bei denen eine einfache Punkt-zu-Punkt-Topologie nicht ausreicht.
TCP/IP-Einstellungen
Da HSMS von TCP/IP abgeleitet ist, sind für Host (Client) und Anlage (Server) folgende Einstellungen erforderlich:
ConnectionMode: ACTIVE- oder PASSIVE-Modus. Der ACTIVE-Modus liegt normalerweise auf der Host-Seite, der PASSIVE-Modus (Listening) auf der Anlagenseite. Es gibt jedoch keine Einschränkung, es umgekehrt zu verwenden.
Local IP Address and Port Number: Erforderlich für jede Instanz im PASSIVE-Modus. Legt die Adresse fest, auf der die lokale Instanz auf eingehende Verbindungsanfragen wartet. Die Anlage arbeitet typischerweise in diesem Modus.
Remote IP Address and Port Number: Erforderlich für jede Instanz im ACTIVE-Modus. Legt die Adresse der entfernten Instanz fest, zu der die lokale Instanz eine Verbindung aufzubauen versucht. Der Host arbeitet typischerweise in diesem Modus.
HSMS-Timeout-Einstellungen
HSMS-Implementierungen müssen bei der Installation Einstellungen für die folgenden Parameter bereitstellen:
T3 Reply Timeout: Legt fest, wie lange eine Instanz, die auf eine Antwortnachricht wartet, maximal auf diese Antwort wartet.
T5 Connection Separation Timeout: Legt fest, wie viel Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Verbindungsversuchen zu einer bestimmten entfernten Instanz vergehen muss.
T6 Zeitüberschreitung für Kontrolltransaktionen: Gibt die Zeit an, die eine Kontrolltransaktion offen bleiben darf, bevor sie als Kommunikationsfehler betrachtet wird.
T7 Not Selected Timeout: Legt fest, wie lange eine TCP/IP-Verbindung im Zustand NOT SELECTED (d. h. ohne HSMS-Aktivität) bleiben darf, bevor sie als Kommunikationsfehler gilt.
T8 Network Inter-character Timeout: Maximale Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Bytes einer einzelnen HSMS-Nachricht.
Häufig gestellte Fragen zu SECS/GEM
Was ist der Unterschied zwischen SECS/GEM und älteren Kommunikationsprotokollen?
SECS/GEM ist der Branchenstandard der Halbleiterindustrie und wird von mehr als 100 OEMs weltweit eingesetzt. Ältere Ansätze wie proprietäre APIs, manuelle Dateneingabe und serielles RS-232 bieten keine Echtzeitfähigkeit, lassen sich nicht skalieren und führen zu Herstellerabhängigkeit. SECS/GEM ist standardisiert, echtzeitfähig und herstellerunabhängig – und damit das Fundament moderner Fab-Automatisierung.
Können ältere Halbleiteranlagen SECS/GEM nutzen?
Ja. Ältere Anlagen, die 10 bis über 20 Jahre alt sind, unterstützen SECS/GEM in der Regel nicht nativ, lassen sich aber über Gateway-Middleware oder SDK-basierte Treiber nachrüsten. NxSphere® GEMBridge und NxSphere® GEM sind speziell für die Integration älterer Geräte entwickelt und ermöglichen es bestehenden Anlagen, ohne Austausch mit modernen Fab-Automatisierungssystemen zu kommunizieren.
Wie lange dauert eine SECS/GEM-Integration in der Regel?
Die Dauer einer SECS/GEM-Integration hängt von der Komplexität der Anlage und dem Gateway-Typ ab. Einfache Gateway-Installationen dauern 2 bis 4 Wochen; SDK-basierte Integrationen über mehrere Anlagen hinweg dauern in der Regel 6 bis 12 Wochen. Insphere priorisiert zuerst die Anlagen mit der größten Wirkung, sodass sich der ROI schrittweise einstellt.
Wofür steht SECS/GEM?
SECS steht für SEMI Equipment Communication Standards (SEMI-Standards für die Gerätekommunikation) und GEM für Generic Model for Communications and Control of Manufacturing Equipment (generisches Modell für Kommunikation und Steuerung von Fertigungsanlagen). Gemeinsam legen sie fest, wie Fertigungsanlagen der Halbleiter- und Elektronikindustrie mit einem übergeordneten Fabriksystem (Host) kommunizieren.
Wie funktioniert SECS/GEM?
SEMI E30 (GEM) legt fest, was die Anlage tut: ihre Zustände, Ereignisse, Alarme und Fernbefehle. SEMI E5 (SECS-II) definiert, wie jede Nachricht aufgebaut ist, und SEMI E37 (HSMS) definiert, wie diese Nachrichten über TCP/IP übertragen werden. Host und Anlage tauschen diese Nachrichten aus, um die Anlage zu überwachen, zu steuern und Daten von ihr zu erfassen.
Welche Branchen nutzen SECS/GEM?
SECS/GEM ist die Standardschnittstelle für Anlagen in Halbleiterfabriken und wird außerdem in der Elektronikmontage, der Photovoltaikfertigung (Solar) und in SMT-Linien breit eingesetzt.
Was ist der Unterschied zwischen SECS-I (SEMI E4) und HSMS (SEMI E37)?
Beide sind Transportschichten für SECS-II-Nachrichten. SECS-I (SEMI E4) läuft über eine serielle RS-232-Verbindung, HSMS (SEMI E37) dagegen über TCP/IP-Ethernet. HSMS ist schneller und die Standardwahl für moderne Anlagen; SECS-I findet man meist noch bei älteren Geräten.
Was ist der Unterschied zwischen SECS/GEM und GEM300?
GEM300 baut auf SECS/GEM auf und ist für 300-mm-Fabs gedacht. Es ergänzt Carrier-Management, Substratverfolgung, Control Jobs und Process Jobs (SEMI E87, E90, E94 und E40), damit die Fabrik Materialtransport und Jobausführung automatisieren kann. Lesen Sie dazu unsere Einführung in die GEM300-Standards für Details.
Ist SECS/GEM für Anlagenbauer verpflichtend?
Es ist keine gesetzliche Vorgabe, doch in der Praxis verlangen die meisten Halbleiterfabriken und viele Elektronikhersteller GEM-Konformität – für Anlagenbauer ist sie häufig Voraussetzung für den Verkauf.
Bereit für die SECS/GEM-Umsetzung?
Ob Sie ein neues Gerät ausliefern, das vom ersten Tag an GEM-konform sein muss, oder einen bestehenden Anlagenpark für die MES-Anbindung online bringen: Mit dem richtigen SDK und Gateway wird aus einem monatelangen Projekt ein Projekt von wenigen Wochen. Die SECS/GEM-Lösungen von Insphere beruhen auf über 15 Jahren Praxiserfahrung bei führenden Fabs und OEMs.
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