半导体后端工艺：GEM300的选择性采用

本博客最初发布于cimetrix.com。

GEM与GEM300的采用

在之前的博客中，我曾 分享过北美SEMI工作组"先进后端工厂集成"(ABFI)已决定推动GEM标准的采用。 本文将阐述该工作组如何计划有选择性地采用常被称为GEM300的标准体系。之所以说"计划"，是因为这项工作仍在推进中，需遵循标准化流程以争取参与方共识。不过可以认为该计划不应引发太大争议，毕竟GEM300标准已被多家半导体后端设备制造商采纳。

什么是GEM300标准？

目前尚无官方的“GEM300”定义，但所有专家至少都认同，GEM300这套SEMI标准至少包含以下内容：

将这些标准如此集中呈现于表格中，确实令人望而生畏。但需谨记，多数主要标准（如E87和E90）均设有子标准（如E87.1和E90.1），用于定义如何通过SECS-II实现标准规范。 虽然这几乎使清单长度翻倍，但这些".1"标准本质上只是主标准的延伸，且均为相对简短的规范。每项核心GEM300标准都具体规定了如何运用和扩展GEM标准，以实现特定的工厂自动化需求和生产运营场景。其协同作用基本遵循以下模式：

SEMI E37（高速SECS消息服务）、E5（SECS-II）和E30（GEM）是任何现代GEM实现的核心标准——无论是否包含GEM300扩展——因此这些标准当然适用。 每项新增的GEM300标准均基于E30和E5构建，用于定义数据采集、警报处理、采集事件报告及消息库的通用功能。例如：E87（载具管理）处理载具端口服务、载具输送与载具移除；E90（基板追踪）报告基板从载具到工艺腔室的全程移动及所有中间移动。 E40（工艺管理）和E94（控制作业管理）则确定待处理基板、适用工艺配方及基板目的地。最后，E39（对象服务）为所有标准定义通用对象处理规范。

尽管图示展示的是硅晶圆——因为半导体前端工厂几乎普遍采用这套GEM300标准——但其适用范围远不止于300毫米硅晶圆加工。然而，若某台设备不直接处理基材（材料）或基材输送，则最好仅实施GEM标准而非GEM300标准。

如何将这些SEMI标准应用于其他设备？

E87 载具管理

当然，任何处理装载硅晶片的FOUP（前开式通用托盘）的设备均可采用E87载具管理来管理装载端口和载具验证。但E87载具管理采用的编写方式足够灵活，因此处理多种其他类型材料的设备也可采用该方案。具体标准如下：

1. 1. 物料通过某种容器运抵。容器的形状、槽位数量及槽位方向均不影响使用。容器可以是带分隔槽的矩形托盘，亦可采用带分隔槽的圆形设计。E87载体管理规范将此类容器统称为载体。
   2. 容器中的材料槽位可按顺序排列。在FOUP容器中，材料采用水平堆叠方式存放。但E87载具管理原则同样适用于其他材料存放方式。无论采用何种容器类型，均需明确定义槽位编号。E87载具管理仅规定了堆叠式容器的排列顺序，因此其他容器样式仍需标准化规范。

基于这两项标准，E87载体管理可通过提升工厂自动化水平，为设备增值赋能。

哪些特性决定了E87载荷管理能否被采用？

1. 1. 承运人（容器）ID
      若存在某种承运人ID，则对实现承运人ID验证自然大有裨益。承运人ID可以是条形码或其他任何类型的标识符。但即使没有承运人ID（条形码亦可），在远程控制状态下，主机仍可为承运人分配ID。或者，在本地控制状态下，设备软件可生成唯一的承运人ID。
   2. 托盘（集装箱）ID读取器
      E87托盘管理功能预见到设备单元可能未配备托盘ID读取器。该功能同时预见到托盘ID读取器可能处于非工作状态或存在故障，因此应忽略此类情况。未配备托盘ID读取器意味着您将无法验证是否接收到了正确的集装箱。
   3. 容器中的插槽数量
      标准硅晶圆FOUP容器有25个插槽。但容器中的插槽数量不受限制。

在什么情况下不能应用E87载体管理？

要应用E87载体管理，物料需通过某种容器进出。若物料在输送带等设备上持续进出且不使用任何容器，则不存在可供E87载体管理的容器或装载端口。当然，即使不采用E87及其他GEM300标准，GEM仍可正常应用，不过E90基板追踪功能可能仍有实用价值。

使用E87承运商管理有哪些优势？

E87载体管理为任何能够采用该技术的设备提供了诸多优势。

• 确认正确容器已运抵设备处
• 确认集装箱内各指定位置存放着预期物料
• 报告当前装卸口状态（例如：被占用、准备卸货、准备装货）
• 启用或停用负载端口，例如用于维护和维修
• 通知设备即将有集装箱抵达
• 管理容器存储
• 当容器中的物料处理即将完成时进行报告
• 装载口识别
• 分配底物ID

E90 基板追踪

“基板”一词不仅限于硅晶圆，而是适用于任何类型的产品材料。这种对基板术语的泛化定义意味着E90基板追踪技术可应用于多种不同类型的设备。

通常，基板追踪是基于固定基板位置进行考虑的，例如容器中的槽位、对准器中的特定位置、机械臂的末端执行器或特定工艺腔室。然而，正如处理硅晶片的机器人可配备多条机械臂以同时处理多个基板，输送机同样可以建模为具有多个基板位置。 例如，若某输送机可同时承载50片小型基板，则可通过设置50个基板位置实现高精度物料追踪。此设计使E90系统能在输送过程中持续追踪基板。通过计算每片基板的装载时间，即可推导出输送机上物料的排列顺序。

E90基板追踪系统还支持基板ID验证功能。该功能仅在满足以下条件时有效：基板具备可读取的识别码（如条形码或二维数据矩阵），且设备配备可读取该识别码的硬件。当两者同时具备时，基板ID验证可使工厂在加工前确认每块基板的身份，从而降低废品率。

当设备在内部使用任何类型的容器运输和处理多单位物料时，称为批量处理。E90基板追踪系统同样支持此方法，通过识别批次位置并提供针对批次移动的专属数据采集功能实现。

在什么情况下不能应用E90基材追踪？

要使用E90基板追踪功能，设备必须至少配备两个基板位置，并能处理某种基板。若不满足这些条件，实施E90基板追踪将毫无意义。

使用E90基板追踪有哪些优势？

E90基板追踪系统为任何处理材料的设备带来诸多优势。

• 提供基质移动历史，包括每次位置变更的时间戳
• 基质鉴定
• 基质定位识别
• 工厂基板验证，包括对无效基板的自动剔除
• 为每个基板提供处理状态
• 为丢失的基板实现虚拟基板追踪

E40 处理管理

E40 加工管理功能会生成待加工材料清单及所用配方名称。当使用硅晶圆基板时，该清单可采用两种形式：载体ID与槽位编号组合，或基板ID列表。

在什么情况下不能应用E40处理管理？

如果设备在处理物料时不具备预先确定且可识别的离散物料集，则无法应用E40加工管理功能。该功能的前提是存在特定的待加工物料集。若仅对每块基材进行即时加工，则更推荐使用GEM的PP-SELECT远程命令来选择正确的配方。

使用E40处理管理有哪些优势？

E40处理管理应用于设备时可带来多重效益：

• 轻松配置设备以特定配方处理特定材料组合。例如，20个基板可全部采用相同配方处理，或各自采用不同配方。
• 允许设备支持工艺调优功能，即在选定配方中覆盖特定默认设置的新值。这比创建大量近乎相同的配方要简单得多。

E94 控制作业管理

E40 处理管理可独立使用，但通常与 E94 控制作业管理配合实施。我建议同时部署这两套系统。即使您不需要控制作业管理的所有附加功能，它也几乎不会增加额外负担，且操作简便。

在什么情况下不能应用E94控制作业管理？

E94 控制作业管理必须与 E40 处理管理配合使用，因为其主要功能是管理 E40 处理作业。因此，其适用性取决于与 E40 处理管理相同的条件。

使用E94控制作业管理有哪些优势？

E94控制作业管理具备若干特性，可为特定设备带来优势：

• 允许物料以一种容器形式进料，并以另一种容器形式出料。当源容器需要避免受到工艺影响而保持无污染时，这种方式尤为有益。
• 允许根据特定标准对物料进行分拣。当分拣基于检验结果及其他条件进行时，此功能尤为有效，物料随后将根据分拣结果被分流至不同的目标容器。
• 管理一组进程作业。例如，可以终止、暂停或恢复所有进程作业。

这一切如何应用于后端行业领域？

工厂必须决定是否需要GEM300的优势。虽然E90基板追踪功能可应用于大多数设备，但E87载具管理、E40加工管理和E94控制作业管理仅适用于输送和/或移除容器内材料的设备。 这些标准的单项功能看似平平无奇，但关键在于它们以标准化方式实现——全球众多设备制造商及其工厂客户均已达成共识遵循此规范，这才是真正了不起之处。

GEM300标准的主要优势之一在于工厂能够将材料运送至任意设备并按任意顺序进行加工。此处"加工"一词的定义较为宽泛，除材料转化外，检测、计量、分拣、测试、封装及其他制造活动均属于加工范畴。 物料可在任意设备间自由转移。这种灵活性是现代集成电路制造成功的关键所在：它无需移动设备或设置输送线即可生产多种产品，允许随时增减工艺步骤，并通过在任何工艺前后重复使用检测与计量设备实现资源最优配置。GEM300标准正是为保障这种灵活性而设计。

SEMI后端工厂集成高级工作组计划制定基于设备功能的标准适用性判定准则。本文所述内容仅是这项工作的起点——后续尚有大量工作待完成。我们诚邀更多成员加入工作组，以确保标准化工作精准高效地推进。