3.4 SECS 프로토콜(SECS-I/HSMS/EDA/TDI)

SEMI 산업표준규격은 세계 반도체 장비 및 재료에 대한 가정 포괄적인 국제 표준 규격이다. 이 SEMI 표준규격은 수요자, 공급자 및 관련업계 전문가들의 추천과 요구를 수렴하여 집대성한 규격이다. 대표적인 표준분야로는 장비자동화 하드웨어, 장비자동화 소프트웨어, FPD, MEMS, 안전 가이드라인 등을 포함한다.

제조실행시스템

3.4.1 SEMI 표준과 E10(RAM)

SEMI 표준은 반도체 생산 자동화를 위한 기능과 유연성을 제공하기 위해 장비가 취해야 할 행동들에 대한 정의나 설비의 성능에 관한 정의, 호스트와 장비 사이에서 메시지가 어떻게 전달될 것인가에 대한 정의 및 메시지 내부의 데이터에 대한 정의 등을 기술하고 있다.
 
최근에는 표기법으로 OMT대신 UML을 사용하고 데이터의 표현은 XML을 이용한다. EDA와 같은 현장에서의 요구사항을 적극 표준으로 반영하고 있으며 한 단계 더 높아진 장비 제어를 반영하는 추세이다. 장비 사용자의 인증 및 장비 내의 각종 데이터 수집 정책도 강화되고 있다.

PRODUCTIVE TIME

장비가 원래의 기능을 수행할 때의 시간으로, 제품의 Loading과 Un-loading을 포함해서 정규 제품을 생산하거나 다른 제품을 위한 작업, 재작업, 엔지니어링 런(Lot Split)등이 포함된다.
 

STANDBY TIME

장비가 원래의 기능을 수행할 준비는 되어 있는 상태이나 운영하지 않은 시간으로서, 휴식시간 등으로 작업자가 없거나 부품이 없거나 제품을 담는 용기가 없는 경우, 연관된 클러스터 모듈 등이 고장 난 경우 등이 포함된다.
 

ENGINEERING TIME

장비나 프로세스상에는 문제가 없으나 엔지니어링 실험을 하기 위해서 운영하는 시간으로, 프로세스 엔지니어링, 장비 엔지니어링, 소프트웨어 엔지니어링 등이 해당된다.
 

SCHEDULED DOWNTIME

다운타임 계획에 의해 장비가 원래의 기능을 수행할 수 없는 시간이며, 정비지연, 제품의 평가를 위해 계획된 장비의 제품 생산 중지 시간, 예방정비, 소모품 및 화학약품 교체, Setup, 환경이나 유틸리티 설치 등의 설비 관련 사항이 해당된다.
 

UMSCHEDULED DOWNTIME

장비가 계획되지 않은 사건으로 인해 원래의 기능을 수행할 수 없을 때의 시간이며, 고장수리, 소모품/화학약품의 교체, 사양을 벗어난 것이 투입되어 장비가 기능을 수행할 수 없을 때의 시간 등이 해당된다.
 

NON-SCHEDULED TIME

작업하지 않는 교대시간이나 휴일, 장비의 off-line 트레이닝, 설치/변경/재조립/업그레이드로 인한 장비가 생산계획에서 빠진 시간이다.

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3.4.2 SECS 프로토콜 체계, SECS-I & HSMS

반도체/FPD 분야는 다양한 종류의 장비 수요가 증가하고 있는 장치 집약적인 산업이다. 장비 간의 정보 교류에 대한 필요성과 효율적인 장비관리 측면에서 자동화에 대한 필요성은 점점 높아지고 있다. 장비 제공업체 측면에서는 고객별 서로 다른 요구사항으로 개발비용이 증가하고 각 벤더별로 서로 다른 시스템이 존재한다.
 
장비를 사용하는 업체의 경우 각 시스템 간의 서로 다른 통신사양으로 시스템 통합에 문제가 있다. 이러한 생산현장의 자동화 요구에 따라 관련 기술을 표준화하기 위해 국제반도체장비재료협회(SEMI)의 장비자동화 부문에서 반도체 정비와 외부 컴퓨터 간의 인터페이스를 위한 데이터통신 표준규약인 SECS 프로토콜을 제창했다.
 
대부분의 반도체 생산 관련 장비들이 인터페이스 부문에서 SECS 프로토콜 표준을 준수하고 있다. 장비 간 상호 연동을 위해서는 장비에서 지원되는 SECS 메시지 기능의 정확한 분석과 검증이 필요하며 기능을 수행할 메시지 내용이 없을 경우 장비 벤더에게 요청하여 추가하는 경우도 있다. 
 
SECS 프로토콜의 체계를 이해하는 것은 자동화를 위한 인터페이스의 첫 단계에서는 필수적 사항이며, 자동화에 대한 이해와 보다 성숙된 시스템 구현을 위해서 반드시 필요한 절차라 할 수 있다. 가장 하위단계인 SECS-I과 HSMS는 반도체 장비들 간 인터페이스를 위한 프로토콜이며 이러한 프로토콜을 기본으로 하여 바로 위 단계에 있는 SECS-II에서 정의한 데이터 포맷에 따라 데이터를 주고받을 수 있다.
 
GEM은 다양한 반도체 장비의 구동에 관한 표준을 의미하고 그 위에 존재하는 SEM은 GEM만으로는 부족한 Stoker나 반송장비 등에 적용되는 사양으로 정의되어 있다.
 
SECS-I 표준은 장비와 호스트 간의 메시지 교환에 적합한 통신 인터페이스를 정의하고 있다. 프로토콜 스택 관점에서 봤을 때 SECS-I 프로토콜은 point-to-point 통신에서 사용되는 Protocol Layer로 생각할 수 있다. 이때 SECS-I 내의 레벨은 물리적 링크, 블록 전송 프로토콜, 그리고 메시지 프로토콜로 구성되어 있다.
 
또한 SECS-I 프로토콜은 빠른 시간이 요구되는 프로그램이나 많은 데이터를 전송하기에는 부적합하다. SECS-I 표준은 연결자와 전압에 대해 EIA RS-232-C와 JIS C 6361과 같이 잘 알려진 국제 표준을 사용한 point-to-point 통신을 정의하고 있다. 1-bit 시작과 1-bit 정지 비트를 가지고 시리얼로 전송되는 8-bit 바이트들로 구성되어 있다. 
 
또 양방향이면서 비동기식 통신 방식을 가지며 한 순간에 한 방향으로만 흐르는 형태를 보인다. SECS-I 표준에서의 데이터는 254바이트 이하의 블록으로 전송된다. 또 각각의 블록은 10바이트 헤더를 가지고 있다. 전송되는 메시지는 한 방향 통신에서 완전한 통신 단위 형태로 나타나는데 최소 1개에서 많게는 32,767개 블록들로 구성될 수 있다.
 
이때 구성된 블록 헤더들은 특정 메시지의 일부분이면서 블록을 정의하는 정보를 포함하고 있다. 또 이렇게 전송되는 메시지는 트랜잭션이라 불리는 요구와 응답으로 짝지어진다.
 
HSMS의 스펙은 SEMI E37이다. SEMI E37에는 HSMS-SS와 HSMS-GS가 있는데 HSMS-SS는 Single session의 약자로 SECS-I을 대체하기 위해 요구되는 서비스의 최소 항목들을 포함하는 추가 표준이고 HSMS-GS는 General session의 약자로 Cluster tool 또는 track system과 같은 복잡한 다중 시스템을 지원하기 위해 필요한 서브셋(subset)을 제공하는 추가 표준이다.
 
RS-232를 이용한 SECS-I을 대체하기도 하는데 이는 장비에 대한 특정한 지식이 없어도 기기들을 연결하고 상호 동작할 수 있도록 고속의 통신기능을 만들어내는 수단을 제공한다. TCP/IP네트워크를 이용하기 때문에 장비가 위치한 FAB과 멀리 떨어진 전산실 내에 서버를 설치하여 장애 시의 접근성을 향상할 수 있다.

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3.4.3 SECS-II

SECS-II는 장비와 호스트 간에 메시지 전송 규약에 따라 교환하는 메시지가 해석될 수 있도록 그 구조 및 의미를 규정한다. 이 표준에서 정의된 메시지는 일반적인 반도체 제조에 필요한 대부분의 내용을 포함하고 있으며 정의되지 않은 장비 고유의 필요한 메시지를 정의해서 사용할 수 있도록 허용하고 있다.
 

Stream과 Function

모든 메시지의 이름은 Stream과 Function의 조합으로 표현된다. 이 정보는 전송되는 메시지 블록의 헤더에 메시지 ID로 표현되며 각각에 부여된 번호로써 구분된다. 
 

Stream

비슷한 기능을 하거나 서로 관련되는 메시지의 범주를 하나의 Stream으로 구분한다.
 

Function

Stream에 속하는 각각의 메시지를 Function으로 구분하며 1차 전송 메시지의 Function 번호는 항상 홀수 번호가 부여되고 이의 응답인 2차 메시지의 Function은 여기에 "1"이 더해진 짝수가 된다. (ex: 1차가 SnFm일 경우 2차는 Snfm+1)

 

Transaction 및 Conversation 프로토콜

SECS-II Protocol에 준하는 메시지 교환을 위해서는 트랜잭션의 형태와 각 트랜잭션 간의 관계에 필요한 Conversation Protocol을 따라야 한다.
 

Transaction 프로토콜

하나의 트랜잭션은 SECS-II에서 모든 정보교환의 기본이다. 트랜잭션은 주 메시지인 1차 메시지와 필요에 따라 선택적으로 요구되는 응답 메시지인 2차 메시지로 구성된다.
 

SECS-II 규정을 준수하기 위해 필요한 사항

① S1F1에 대한 응답은 항상 S1F2이어야 한다.
② 장비가 수신 메시지를 처리하지 못할 경우 Stream9에 있는 적절한 에러 메시지를 보낸다. 
③ SECS-II에서 제공하는 메시지에 대해서는 규정된 형태를 따라야 한다.
④ 장비에서 수신을 기다리는 제한시간 초과 시 S9F9 메시지를 보낸다.
⑤ 응답메시지로서 Function 0의 메시지를 수신하면 관련 트랜잭션을 종료한다.

 

Conversation 프로토콜

Conversation은 하나의 업무수행을 위해 필요한 여러 트랜잭션들의 조합이다. SECS-II에서 모든 정보교환의 형태를 구분하는 대화의 종류에는 7가지가 있다.

① 응답을 요구하지 않는 대화. 가장 단순한 대화의 형태로 단일 블록으로 구성
② 응답으로서 어떤 데이터를 요청하는 형태의 대화
③ 단일 블록 메시지 송신 후 정확한 수신 여부를 확인하는 형태의 대화
④ 여러 블록의 메시지를 송신할 경우 수신 측으로부터 사전에 송신 허락을 받아 수신 준비를 시킨 다음 메시지를 송신하고 송신 후에는 수신 여부를 확인함
⑤ 장비와 호스트 간에 정해지지 않은 데이터 셋을 송신하는 경우(Stream13)
⑥ 장비 간의 물류 이동과 관련된 기능의 대화
⑦ 송신 측에서 요구하는 응답을 위해서 수신 측에서 데이터를 준비하는 절차나 시간이 필요하여 여러 트랜잭션을 거쳐 응답을 하게 되는 경우

 

 Item

Item은 전송되는 데이터의 특징을 기술하는 헤더와 실제 데이터 내용으로 구성된다. Item헤더는 데이터의 형태를 구분해 주는 Format Byte와 데이터의 길이를 표시하는 Length Byte 부분으로 구성된다.
 

List

유사한 내용의 여러 Item을 묶어 하나의 List로 표현한다. List의 헤더는 Item의 헤더와 구조와 같으며 단지 포맷 바이트가 0으로 표현되고 길이를 나타내는 Length Byte는 Item의 개수를 표현한다.

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3.4.4 EDA/Interface A, TDI

EDA는 SECS를 통한 데이터 수집 방법의 한계를 극복하기 위한 방법으로서 설비 자동화의 4대 요소라고 할 수 있는 Event, Alarm, Trace, Control 중 Event, Alarm, Trace를 담당한다. EDA에는 SEMATECH에서 제안된 Interface A와 SELETE/JEITA에서 제안된 TDI가 있다. 
 
EDA가 지원되는 설비는 DCP/DCR, TDI가 지원되는 설비는 웹서비스나 ODBC, 그 외 설비는 SECS/Non-SECS 등의 인터페이스 방식으로 설비데이터가 집계된다.
 
현재 Interface 규약은 Interface A가 완료된 상태이며 Interface B, Interface C는 아직 완료되지는 않고 논의가 지속되고 있다. 이 Interface 규약은 웹의 사용이 일상화되면서 기존 반도체 생산라인의 정보 데이터를 웹과 연결하고자 하는 방안으로 제시된 것이다. 
 
SEMI에서 제시하고 있는 반도체 장비 관련 통신 표준으로는 (1) SECS로 대표되는 일반화된 통신 표준, (2) 300mm 웨이퍼 프로세싱 표준, (3) Interface A, B, C 표준으로 분류할 수 있다.
 
반도체 장비에서의 일반화된 통신 표준인 SECS-II에는 현재 300~400개의 메시지가 정의되어 있다. 그리고 이 메시지를 어떻게 전송할 것인가를 다룬 표준 규약이 SECS-I과 HSMS이다. GEM은 반도체 장비 운영에 대한 시나리오를 다루고 있으며 GEM에서 파생한 SEM은 또다시 무인반송차 및 호이스트, 핸들러 장비,  검사 장비, 클러스터 툴 등 일반 반도체 장비와 다른 특수한 성격이 있는 개개의 제조 장비군에 대한 표준을 정의하고 있다.
 
300mm 웨이퍼 프로세싱 표준은 E84 Enhanced Handoff Parallel I/O Interface, E87 CMS, E40 Process Job Management, E94 Control Job Management로 구성된다. CMS는 캐리어 매니지먼트 서비스를 의미하며 특히 E40과 E94는 프로세스 및 컨트롤과 관련한 관리 규약으로 300mm 웨이퍼에서 완전한 표준으로 자리 잡았다.
 
단순히 웹을 통한 모니터링이라는 설비 관리자 및 운영자의 편의성을 위해 제시된 Interface A 규약은 반도체 장비 정보 및 데이터 수집 정보를 SOAP/HTTP를 통해 외부의 클라이언트에 제공하는 기능을 가진다. 여기에서 모든 데이터는 XML문서를 통해서 데이터 전송이 이루어진다.
 
Interface A는 인터넷이 연결된 곳이면 어디서나 접속이 가능하기 때문에 장비 및 데이터 정보에 대한 모니터링에 사용되고 있으며 장비가 언제 에러가 발생했는지를 진단하는 FDC나 인터넷을 통한 원격 장비 진단 등에 활용될 수 있다. 따라서 Interface A는 SECS 프로토콜을 대체할 목적으로 개발된 것은 아니지만 기존 SECS에 비해 상당히 저렴하게 구축이 가능하여 SECS를 점차적으로 대체해 나갈 것이라는 것이 전문가들의 견해이다.
 
하지만 당장 대체하기에는 무리가 있다. 원래 Interface A는 웹을 통한 장비 데이터의 모니터링이 목적이었으므로 가장 중요한 제어 기능은 고려하지 않았기 때문이다. 지금은 SECS/GEM 인터페이스보다 적은 데이터를 제공하고 있으나 장차 상태 정보, 센서 피드백, 액추에이터 상태, 프로세스를 위해 필수적인 원시 데이터, 제품, 장비분석 데이터 제공이 기대된다.
 
EDA는 SECS-I에서 HSMS로 전환되었지만 Multi-Session 지원과 설비 Controller 수정 없이 원하는 설비데이터의 수집을 목적으로 진화 중인 SEMI 표준 스펙이다. SOA기반 IT를 접목하여 특정 프로그램 언어에 대한 의존성이 없는 특징이 있다. 인증을 위한 E132 ECA, 설비 모델링을 위한 E120 CEM, 데이터 모델링을 위한 E125 EqSD, 데이터 수집을 위한 E134 DCM으로 구분된다.
 
현재 완료된 표준은 아니지만 Interface B와 Interface C도 주목된다. B는 반도체 장비 간 데이터 공유에 대한 표준 규약이며, C는 장비의 현재 상태를 반도체 팹 라인 밖에서 모니터링하기 위한 기준을 제시한다.
 
이는 대부분의 반도체 장비가 전문업체에 의해 개발되고 설치되기 때문에 칩 메이커 설비 담당자가 쉽게 처리하지 못하는 장비에서 발생할 수 있는 문제들을 개발업체 전문가들이 원거리에서도 직접 웹을 통한 모니터링으로 장비 진단을 할 수 있도록 한다는 진일보한 구상이기도 하다. 이 구상은 현실적으로는 무리가 있어 보인다. 현재 반도체 라인의 모든 데이터는 보안상의 이유로 외부 공개가 제한되어 있다.