半導體後端製程：GEM300 的選擇性採用

這篇部落格文章最初發表於 cimetrix.com

GEM 與 GEM300 的採用情況

在之前的部落格文章 中，我曾 分享過北美 SEMI 工作小組「先進後端工廠整合」（ABFI）已決定推動採用 GEM 標準。 在這篇部落格中，我將說明該工作小組也計畫有選擇性地採用常被稱為「GEM300」的一套標準。我之所以說「計畫」，是因為這項工作仍在進行中，且須遵循標準化流程，在此過程中我們致力於在參與者之間達成共識。不過，有人可能會認為這項計畫不應引起太大爭議，畢竟 GEM300 標準已經被數家主要的半導體後端設備製造商所採用。

何謂 GEM300 標準？

雖然沒有官方對「GEM300」的定義，但專家們至少都認同，GEM300 這套 SEMI 標準包含以下內容：

像這樣以表格形式彙整起來，看起來似乎有許多內容需要研讀和學習。這確實令人望而生畏。然而，必須記住的是，大多數主要標準（例如 E87 和 E90）都有其下屬標準（例如 E87.1 和 E90.1），這些下屬標準定義了如何使用 SECS-II 來實施該標準。 雖然這使得清單長度幾乎增加了一倍，但這些「.1」標準實際上只是主要標準的延伸，且都是相對簡短的規範。每項 GEM300 核心標準都具體定義了如何運用並擴充 GEM 標準，以實現特定的工廠自動化需求與生產運作情境。基本上，它們的運作方式如下：

SEMI E37（高速 SECS 訊息傳遞服務）、E5（SECS-II）及 E30（GEM）是任何現代 GEM 實作的核心標準——無論是否包含 GEM300 的新增內容——因此當然適用。 每項額外的 GEM300 標準均以 E30 和 E5 為基礎，用以定義資料收集、警報處理、收集事件報告以及訊息傳遞函式庫的一般功能。舉例來說，E87（載具管理）負責處理裝載埠服務、載具送入及載具移除。E90（基板追蹤）則會報告所有基板從載具移至製程腔室的過程，以及任何中間的移動。 E40（製程管理）與 E94（控制任務管理）則用於決定應處理哪些基板、使用哪些製程配方，以及基板的目的地。最後，E39（物件服務）則為所有標準定義了通用的物件處理機制。

儘管圖中顯示的是矽晶圓——因為半導體前端工廠幾乎無一例外地採用這套 GEM300 標準——但其適用範圍遠不止於 300 公釐矽晶圓的加工。然而，若某項設備並非直接處理基板（材料）或基板輸送，則最好僅實施 GEM 標準，而非 GEM300 標準。

這些 SEMI 標準該如何應用於其他設備呢？

E87 載體管理

當然，任何處理用於盛裝矽晶圓的 FOUP（前開式通用載具）的設備，皆可採用 E87 載具管理功能來管理裝載埠及載具驗證。但 E87 載具管理功能的設計足夠靈活，因此處理其他多種類型材料的設備亦可採用此功能。以下是相關標準：

1. 1. 物料會裝在某種容器中送達。容器的形狀、槽位數量以及槽位的方向皆無關緊要。容器可以是帶有隔間的矩形托盤，也可以是帶有隔間的圓形容器。E87 載具管理系統將這些容器稱為「載具」。
   2. 容器中的物料槽位可依序排列。在 FOUP 中，物料採水平堆疊的排列方式。然而，E87 載具管理規範的原則亦可適用於其他物料排列方式。無論容器類型為何，都必須有明確界定的槽位編號。E87 載具管理規範僅定義堆疊式容器的排列順序；因此，其他類型的容器則需要進行標準化。

透過這兩項標準，E87 載體管理系統可應用於提升設備的附加價值，藉此支援更高層級的工廠自動化。

哪些因素決定了是否能採用 E87 載體管理系統？

1. 1. 載具（容器）識別碼
      若存在某種形式的載具識別碼，這對實作載具識別碼驗證當然非常有用。載具識別碼可以是條碼或任何其他類型的識別符。但即使沒有載具識別碼（即使只有條碼也足夠），在遠端控制下，主機仍可為載具指派一個識別碼。此外，在本地控制下，設備軟體亦可產生一個唯一的載具識別碼。
   2. 承運商（貨櫃）識別碼讀取器
      E87《承運商管理》規範已預見，某台設備可能未配備承運商識別碼讀取器。該規範亦預見，承運商識別碼讀取器可能處於停用狀態或出現故障，因此應予以忽略。若未配備承運商識別碼讀取器，則無法透過驗證確認是否為正確的貨櫃已送達。
   3. 容器內的槽位數量
      標準的矽晶圓 FOUP 設有 25 個槽位。但容器內的槽位數量並無限制。

在什麼情況下無法套用 E87 承運商管理？

若要應用 E87 載具管理，物料必須以某種形式的容器運抵及／或運出。若物料在無任何容器的情況下持續運抵及運出（例如透過輸送帶），則 E87 載具管理便無載具或裝載端口可供管理。當然，即使不採用 E87 及其他 GEM300 標準，仍可應用 GEM；不過，E90 基板追蹤功能可能仍有其用處。

使用 E87 承運商管理系統有哪些好處？

E87 載波管理為任何能採用此技術的設備帶來了相當多的好處。

• 確認正確的容器已送達設備處
• 確認貨櫃各處均裝載預期中的物料
• 回報當前裝卸港狀態（例如：已佔用、準備卸貨、準備裝貨）
• 將裝卸口設為「啟用」或「停用」狀態，例如為了進行維護與維修
• 當貨櫃即將抵達時，通知相關設備
• 管理容器儲存空間
• 當容器中的物料處理即將完成時，應進行通報
• 裝貨口識別
• 指派基板 ID

E90 基板追蹤

「基板」一詞並非僅限於矽晶圓，而是適用於任何類型的產品材料。由於「基板」一詞具有此般廣泛的涵義，因此 E90 基板追蹤功能可應用於多種不同類型的設備。

通常，基板追蹤是基於固定的基板位置來考量，例如容器中的插槽、預對準裝置中的特定位置、機械手臂的末端執行器，或是特定的製程腔室。然而，正如用於處理矽晶圓的機器人可以具備多條手臂來處理多個基板一樣，輸送帶也可以以類似的方式建模，使其具備多個基板位置。 舉例來說，若一條輸送帶一次可容納 50 片小型基板，則可將其建模為具備 50 個基板位置，以實現高精度的物料追蹤。如此一來，即使基板位於輸送帶上，仍可利用 E90 進行追蹤。透過記錄每片基板放置於輸送帶上的時間，即可推斷出輸送帶上物料的排列順序。

E90 基板追蹤系統亦提供基板識別碼驗證功能。此功能僅在基板具備可讀取的識別碼（例如條碼或二維資料矩陣），且設備配備能讀取該識別碼的硬體時，方能實現。當這兩項條件皆滿足時，基板識別碼驗證可讓工廠在加工前確認每片基板，從而降低廢品率。

當設備利用任何類型的容器，在內部運輸並處理多單位的物料時，此過程稱為批次處理。E90 基板追蹤系統亦支援此方法，透過識別批次位置，並提供專為批次移動設計的資料蒐集功能。

在什麼情況下無法套用 E90 基材追蹤功能？

若要使用 E90 基板追蹤功能，設備必須至少具備兩個基板位置，並能處理某種類型的基板。若缺乏這些條件，實施 E90 基板追蹤便毫無益處。

使用 E90 基材追蹤功能有哪些好處？

E90 基材追蹤系統能為任何處理材料的設備帶來諸多好處。

• 提供基板移動的歷史紀錄，包括每次位置變更的時間戳記
• 基質鑑定
• 基板位置識別
• 工廠基板驗證，包括對無效基板的自動剔除
• 提供每片基板的處理狀態
• 針對遺失的基板實施虛擬基板追蹤

E40 處理管理

E40 處理管理會建立一份待處理的物料清單，並指定要使用的製程配方名稱。當使用矽晶圓基板時，此清單的形式要麼是載具識別碼搭配一組插槽編號，要麼是一份基板識別碼清單。

在什麼情況下無法應用 E40 處理管理？

如果某台設備是以連續方式處理材料，且沒有預先已知並標識的特定材料批次，則無法套用 E40 製程管理。E40 製程管理的前提是您有一組特定的材料待處理。若每片基板僅是在送入時立即進行處理，那麼您最好直接使用 GEM 的 PP-SELECT 遠端指令來選擇正確的製程配方。

使用 E40 處理管理系統有哪些好處？

當 E40 加工管理系統能應用於設備時，可帶來多項好處：

• 可輕鬆設定設備，以特定製程配方處理特定的一組材料。例如，20 個基板可以全部使用相同的製程配方進行處理，也可以各自使用不同的製程配方。
• 此功能使設備能夠支援製程調校，在此過程中，可將選定配方中的特定預設設定覆寫為新值。這比建立大量幾乎相同的配方要簡單得多。

E94 控制工作管理

E40 處理管理可獨立使用，但通常會與 E94 控制工作管理搭配實施。我建議同時實施這兩者。即使您不需要「控制工作管理」的所有額外功能，它帶來的額外負擔極小，且操作簡便。

在什麼情況下無法套用 E94 工作管理控制？

若未搭配 E40 處理管理，則無法使用 E94 控制工作管理，因為其主要功能在於管理 E40 處理工作。因此，其適用性須符合與 E40 處理管理相同的標準。

使用 E94 Control 工作管理系統有哪些好處？

E94 控制任務管理具備若干功能，可為某些設備帶來好處：

• 允許物料以一個容器運入，再以另一個容器運出。當源容器需要避免受到製程影響而保持無污染時，此做法便十分有益。
• 可根據特定標準對物料進行分揀。當分揀是基於檢驗結果和／或其他條件進行，且物料隨後會根據分揀結果被導向不同的目的地容器時，此功能便十分實用。
• 管理一組程序工作。例如，使用者可以中止、暫停或恢復所有程序工作。

這一切對後端產業領域有何影響？

工廠必須決定是否要享有 GEM300 帶來的優勢。雖然 E90 基板追蹤功能可應用於大多數設備，但 E87 載具管理、E40 製程管理及 E94 控制工作管理，僅適用於以容器形式輸送和／或移除材料的設備。 各項標準的功能單看可能並不顯得特別突出，但必須記住，這些功能是以標準化的方式實現的，且全球許多設備製造商及其工廠客戶都已同意遵循——這一點確實非常了不起。

GEM300 標準的主要優勢之一，在於工廠能夠將材料運送至設備，並以任何順序進行處理。「處理」一詞在此處的定義相當寬泛，其涵義包括：除了材料轉化之外，檢驗、量測、分選、測試、包裝及其他製造活動，均屬於處理的範疇。 材料可從任何設備轉移至任何設備。這種靈活性是現代積體電路製造成功的關鍵。它使製造商能夠在不移動設備或設置輸送帶的情況下生產多種產品；允許隨時增減製程步驟；並能透過在任何製程步驟前後重複使用同一台設備，實現檢測與量測設備的最佳利用。GEM300 標準直接支援了這種靈活性。

SEMI 先進後端工廠整合專案小組計畫針對如何依據設備的功能來判定應適用哪些標準，制定相關標準。我在這篇貼文中所闡述的內容，僅是這項工作的起點——還有許多工作有待完成。我們歡迎更多人士加入專案小組，以確保標準化工作能精準且高效地完成。