반도체 장비 개발을 위해서는 무엇보다도 먼저 SECS를 접하게 된다. 과연 SECS란 무엇인가? SECS는 국제 반도체 장비재료 협회인 SEMI가 규정하고 있는 반도체 장비에서의 통신 규약으로 국내외를 막론하고 모든 반도체 장비는 이 규약을 만족해야 한다.
[아이씨엔매거진] 반도체 공정의 자동화와 데이터 통신 최적화에 의한 생산성 향상이 중요한 요소로 대두되고 있다. 이에 반도체 공정의 데이터 통신과 관련한 표준화를 위해 SEMI (국제반도체장비재료협회; Semiconductor Equipment and Materials International)의 장비 자동화 부분 (Equipment Automation Division)이 반도체 장비와 외부 컴퓨터 간의 인터페이스를 위한 데이터 통신의 표준 규약인 SECS (SEMI Equipment Communications Standard) 프로토콜을 제정하고 있다. 이를 통해 SEMI는 반도체 장비 생산업체에게 이를 옵션으로 적용하도록 요구함으로써 다수의 반도체 생산관련 장비가 인터페이스 부분에서 SECS 프로토콜 표준을 따르게 되었다. 반도체 장비 업체에게는 SEMI에서 요구하는 이 표준 규약이 거의 의무 규정에 가까울 정도로 강제성을 띠게 되었다.
SECS 프로토콜은 메시지 전송체계를 규정하는 SECS-I (SEMI Equipment Communication Standard I), HSMS (High-Speed SECS Message Services) 및 SECS-1에서 규정하고 있는 메시지 내용의 구조를 규정하는 SECS-II (SEMI Equipment Communication Standard II)부분으로 구성된다.
생산현장에서 SECS 프로토콜을 이용한 장비와 호스트간의 통신이 가능해 지면서 장비는 제조공정 수행을 위해 호스트로부터 작업지시를 받거나 장비의 가동 상태나 공정조건 등의 파라메터 데이터를 호스트로 전송하여 분석 활용할 수 있도록 하는 등 생산자원의 중앙집중 관리가 가능해 졌다.
8인치 웨이퍼를 기준으로 64메가 칩 제작에 0.25㎛과 0.18㎛ 공정기술 적용시 생산되는 칩수는 각각 380개와 500개이다. 회로선폭 0.07㎛ 개선으로 생산량이 30%정도 증대된다. 현재 반도체 생산라인의 제조기술은 회로 선폭이 0.25㎛에서 0.18㎛으로 정밀해 지고 웨이퍼의 크기가 12인치로 대형화되는 추세로 웨이퍼 한 장에서 생산 가능한 칩 수는 8인치 웨이퍼와는 비교할 수 없을 정도로 늘어났다. 이는 제조공정에서 발생하는 웨이퍼 불량으로 인한 생산성 감소가 점점 더 커진다는 의미이기도 하다. 공정자동화에 의한 생산성 증대 못지않게 제조공정에서 발생하는 불량 웨이퍼의 발생을 최소화하는 것이 생산성 증대를 위해서는 꼭 필요하다는 것을 말해준다.
반도체 생산 공정의 자동화는 데이터베이스와 스케줄링으로 대변된다. 생산 자재에 대한 데이터베이스를 구축하고 각 공정에 맞게 생산을 스케줄링하는 것이 핵심이다. 이 바탕 위에 생산성 향상을 위해 FDC 등의 각종 관리 기술이 추가된다.
이런 자동화는 각 생산 장비와 MES 사이의 원활한 데이터 통신을 기반으로 한다. 그러나 장비 업체마다 사용하는 통신 프로토콜이 다르고 장비의 동작 방식이 다르다면, 이를 통합해서 관리하는 것 자체가 불가능할 수도 있다.
이를 해결하기 위한 방안으로 반도체 메이커들은 SEMI에서 제시한 데이터 통신 규약을 마치 강제규정인양 관련 장비업체에 스펙으로 제시하고 있는 중이다. 따라서 반도체 장비 업체들은 이제 SECS 표준을 이해하고 이를 적극 도입하는 노력이 무엇보다도 중요한 과제가 되었다.
1. SECS (SEMI Equipment Communications Standard) 프로토콜
SECS (SEMI Equipment Communications Standard) 프로토콜은 반도체 장비와 컴퓨터간의 메시지 교환을 위한 일대일 대응의 표준통신 규약으로 전송 체계를 규정하는 HSMS (High-Speed SECS Message Services), SECS-I (SEMI Equipment Communications Standard I)와 메시지 내용을 규정한 SECS-II (SEMI Equipment Communications Standard II)로 구성된다. HSMS 통신규약에서 기본통신 매체는 TCP/IP 이며, SECS-I에서 기본 통신 매체는 RS-232로 규정된다. 그림 2는 SECS 프로토콜 레이어를 나타낸 것으로 SECS-I은 메시지의 송수신 및 타임아웃 등을 체크한다. SECS-II에서는 SECS-I 및 HSMS을 이용해서 메시지를 전송하거나, 수신된 메시지를 해석하는 역할을 수행한다.
반도체 장비에서의 통신 규격은 SEMI가 규정하고 있는 SECS가 있다. SECS란 SEMI Equipment Communication Standard의 약자이며, 반도체 장비간 통신의 표준으로 자리잡았다. SEMI의 통신 규격을 통칭하여 SECS라 칭하고 있다. 이 표준 규격은 시대와 기술의 변화에 따라 지속적으로 변화하는 양상을 보이고 있다.
SECS 규격으로는 현재까지 총 13개 분야 총 772개의 규격이 제시되고 있다. 대표적인 표준분야로는 장비 자동화 하드웨어(92개 규격), 장비 자동화 소프트웨어(54개 규격), FPD(Flat Panel Display: 42개 규격), MEMS(3개 규격), 세이프티 가이드라인(27개 규격) 등을 포함한다. 또한 SEMI 표준은 완료된 상태가 아니라, 지속적인 진행형 단계를 밟고 있다. 반도체 장비와 관련한 기술 발전과 새로운 프로세스의 등장 등으로 인해 새로운 분야와 새로운 규격의 필요성이 꾸준히 요청되는 분야이기 때문이다.
2. SECS-I (SEMI Equipment Communications Standard I) 프로토콜
SECS-I 표준은 반도체 처리 장비와 호스트간의 메시지 교환에 적합한 통신 인터페이스를 정의한다. 반도체 처리 장비는 웨이퍼 생산, 웨이퍼 처리, 처리 측정, 조립, 포장을 하는 장비를 포함한다. 호스트는 생산을 수행하기 위해 장비와 정보를 교환하는 컴퓨터 혹은 컴퓨터 네트워크이다. 이 표준은 물리적 연결자, 신호 수준, 데이터 비율, 시리얼 데이터 경로에서 호스트와 장비간의 메시지 교환에 필요한 로직 프로토콜의 설명을 포함한다. 이 표준은 메시지 내에 포함된 데이터는 정의하지 않는다. 메시지의 의미는 SEMI Equipment Communications Standard E5 (SECS-II)와 같은 어떤 메시지 내용 표준을 통해 정의되어진다.
SECS-I 표준은 연결자와 전압에 대해 EIA RS-232-C와 JIS C 6361와 같이 잘 알려진 국제 표준을 사용한 점대점(Point to Point) 통신을 정의한다. 실제 전송은 1-bit 시작과 1-bit 정지 비트를 갖고 시리얼로 전송되는 8-bit 바이트들로 구성된다. 통신은 양방향이고 비동기이며 한순간에 한 방향으로만 흐르게 된다. 데이터는 254 바이트 이하의 블록으로 전송된다. 각 블록은 10 바이트 헤더를 갖는다. 메시지는 한 방향 통신에서 완전한 통신 단위이고 1개에서 32,767개 블록들로 구성된다. 각 블록 헤더는 특정 메시지의 일부분으로써 블록을 정의하는 정보를 포함한다. 메시지는 Transaction이라 불리는 요구와 응답으로 짝지어진다.
SECS-I에서 각각의 레이어에 대한 특징은 다음과 같다.
• Physical layer : 물리적인 연결, baud rate 결정
• Block layer : 블록포맷 (Length, Header, Checksum), T1, T2 타임아웃, Device ID.
• Message layer : Multi-block 메시지, T4 타임아웃.
• Transaction layer : Primary and Secondary 메시지, T3 타임아웃.
SECS-I에서 규정하는 메시지 전송규약은 다음 6가지 경우로 SECS-I 프로토콜 통신 규칙으로 정의된다.
(1) 전송은 하나의 start 비트와 stop 비트를 갖는 10 비트 직렬 전송으로 비동기식 양방향 통신이다.
(2) Handshake 과정에 의한 통신상태가 초기화된 후에 데이터가 전송된다.
(3) 데이터는 254 바이트 블록 단위로 전송된다.
(4) 각 블록은 10 바이트의 헤더를 가지며 블록 헤더에 있는 ID를 통해서 각 블록을 구분한다.
(5) 완전한 전송 단위인 메시지는 1 ~ 32,767 블록으로 구성된다.
(6) 메시지는 요청과 응답의 쌍으로 구성되며 이들을 하나의 transaction이라 정의한다.
전송 문자 구조
데이터 송수신은 문자당 10 비트의 직렬 비트 스트림 단위로 이뤄지며 8개의 데이터 비트와 start 비트(0)그리고 stop 비트(1)으로 구성된다. 전송은 비동기 방식으로 수행되며 그림 3에 전송문자 구조를 나타내었다.
블록 전송 프로토콜
SECS-I 방식으로 전송되는 모든 메시지는 블록의 형태로 전송되며, 장비와 호스트간 전송절차는 그림 4와 같이 handshake에 의한 통신 초기화가 이뤄진 후에 메시지 교환을 하게 된다. 전송 메시지에는 메시지의 크기를 나타내는 length 바이트와 메시지 내용을 포함하고 있는 블록, 데이터 에러시 에러보정에 사용하는 checksum 등이 포함되며, 메시지 수신 후 수신측 은 송신측에 메시지를 정상적으로 수신했다는 메시지를 송신하면 통신이 끝나게 된다.
전송되는 모든 데이터 블록은 10 바이트의 헤더를 갖고 있으며 블록 헤더의 구조와 각 바이트의 의미를 그림 5에 나타내었다. 블록 헤더에서 첫째, 둘째 바이트는 메시지의 방향과 Device ID를 나타내는 것으로 R = 0 이면 (장비→호스트), R = 1 이면 (장비←호스트)로의 메시지 전송을 의미하며, Device ID는 장비의 고유 번호를 의미하는 것으로 장비는 호스트에서 송신한 메시지의 Device ID를 검사하여 자신의 Device ID와 다른 경우에는 수신된 메시지를 폐기하며 호스트의 경우는 수신된 메시지의 Device ID를 검사하여 어느 장비에서 송신했는지 알 수 있다.
셋째, 넷째 바이트는 W 필드 및 메시지 ID를 나타내는 것으로 W-bit는 전송되는 메시지에 대한 수신측의 응답 여부를 결정하는 것으로 W = 1 이면 응답을 요구하는 메시지이며 W = 0 이면 응답을 요구하지 않는 메시지이다. 메시지 ID는 메시지 내용을 정의하는 것으로 장비별로 다르게 정의해서 사용하고 있다. 다섯, 여섯째 바이트는 메시지의 블록 갯수를 나타내는 것으로 E 필드 값은 전송되는 메시지의 최종 블록을 나타내는 것으로 E = 1 이면 최종 블록이라는 것을 E = 0이면 전송될 블록이 남아 있다는 것을 의미하며, 블록 넘버는 각 블록의 일련 번호로서 한 메시지에 허용되는 최대 블록은 32,767개 이다.
메시지 프로토콜
메시지는 한 방향으로의 완성된 통신 단위이다. 메시지 프로토콜은 메시지를 전송하고 수신하기 위해 블록 전송 프로토콜의 서비스를 사용한다. 메시지는 헤더에서 다음 정보를 갖는 메시지 데이터로 구성된다. (R-bit, 디바이스 ID, W-bit, 메시지 ID, 시스템 바이트)
메시지 전송 – 메시지가 전송될 준비가 되면, 메시지 전송 프로토콜은 아래에 기술된 기능들을 수행한다. 블록 전송 실패는 그 메시지에서 메시지 프로토콜 동작을 종료한다.
메시지 길이 – 메시지에서 블록 하나의 최대 데이터 길이는 244 바이트이다. 다중 블록 메시지에서 전송할 수 있는 최대 블록 개수는 32.767개이고, 하나의 메시지에서 허용될 수 있는 최대 데이터 길이는 244 X 32,767 바이트이다.
메시지 저지 – 메시지 저지는 블록 전송 프로토콜에서 전송되는 블록들의 메시지 데이터의 구분이다. 전송자는 최대 254 바이트로 마지막 블록을 제외한 다중 블록 메시지의 블록들을 채운다. 다중 블록 메시지의 수신자는 11에서 254 바이트 크기의 어떤 블록도 수용할 수 있고, 연속되는 블록들이 같은 크기일 필요는 없다.
헤더 – 메시지 프로토콜은 6절에의 요구에 따라 각 블록에 헤더를 설정해야만 한다.
삽입 메시지 – 하나 이상의 열린 Transaction의 지원을 허용한다. 다른 다중 블록 메시지 의 블록들의 끼워 넣기를 허용한다.
표 2는 SECS-I 프로토콜을 이용한 장비와 호스트 사이의 메시지 교환 시 필요한 전송 프로토콜 관련 용어를 설명한 것으로 장비와 통신에 있어서 기본이 되는 개념이다.
Timeout 파라메터는 메시지 교환에 따른 응답 메시지의 제한시간을 규정해 놓은 것으로 문자와 문자사이의 시간제한을 규정한 T1은 0.5초를 기본값으로 하며 ENQ 와 EOT 사이의 시간제한을 규정한 T2은 10초를 기본값으로 한다. 1, 2차 메시지에 대한 응답시간을 규정한 T3은 45초를 기본값으로 하며 다중 블록수신 시 블록간의 시간제한을 규정한 T4은 45초를 기본값으로 사용한다. T1, T2, T3 그리고 T4 값은 생산라인의 환경에 따라 사용자가 임의로 조정할 수 있다. Retry Limit은 장비와 호스트간의 통신실패 시 재시도 횟수를 규정한 것으로 3회를 기본값으로 한다.
3. SECS-II (SEMI Equipment Communications Standard II) 프로토콜
70년대말에 처음 제시된 SECS-I은 당시 거의 대부분의 장비가 채택하고 있던 시리얼 통신에 대한 접속 방법에 대한 규약으로 80년대 들어 표준으로 채택되어 사용되어 왔다. 곧이어 SECS-II 표준이 발표되었는데, SECS-II는 실제 통신이 이루어지는 데이터 정의에 대한 규약이다.
SECS-II는 장비와 호스트 간에 사용되는 메시지의 구조와 기능을 규정한다. 특히 반도체 제조공정에서 장비의 제어에 필요한 기능을 포함한다. SECS-II에서의 각각의 레이어의 특징은 다음과 같다.
(1) Data Item Formats : Integer data, Floating-Point data, Lists처럼 Data Item 포맷을 정의함.
(2) Standard Data Item Definitions : 표준으로 사용되는 Data Item의 포맷을 정의.
(3) Standard Message Structure : 표준으로 사용되는 메시지를 Stream과 Function의 형태로 정의.
Stream 과 Function
장비와 호스트 간에 주고받는 메시지 이름은 stream과 function의 조합으로 표시된다. Stream은 기능이 유사한 메시지들의 집합이며 stream에 속하는 각각의 메시지를 function 이라 한다.
다시 정리하자면, 스트림은 유사한 특성을 갖는 메시지의 그룹이고, 펑션은 각 스트림 내에서 특정한 기능을 하는 메시지를 가리킨다. 스트림과 펑션을 조합해서 흔히 S1F1, S6F11 등과 같이 SECS-II 메시지를 표현한다.
SEMI에서는 특정한 기능을 갖는 SECS-II 메시지를 이미 많이 만들어 두고 사용하고 있다. 또한 사용자가 자신에게 맞는 메시지를 따로 정의해서 사용할 수 있도록 방법을 제시하고 있다.
표 3은 SEMI에서 표준으로 정한 메시지와 사용자가 정의해서 사용할 수 있는 stream 과 function을 분류한 것으로 stream 1 – 63에 속하는 function 0 – 63은 SEMI에서 장비와 호스트 간의 통신을 의해서 정의해 놓은 메시지 규약으로 반도체 제조공정에 필요한 기본적인 내용을 포함하고 있으며 stream 1 – 63에 속하는 function 64 – 255 와 stream 64-127에 속하는 function 1 – 255 사이의 메시지는 사용자가 메시지 의미를 정의해서 사용할 수 있다.
표 4는 SEMI에서 표준으로 정한 stream의 몇 가지 예를 나타낸 것으로 stream1은 장비상태를 알기위해 사용하는 메시지로 S1F1은 handshake에 사용되며 S1F3은 제조공정에 사용되는 파라메타 값을 장비에 요구할 때 사용한다. Stream5은 장비오류를 호스트로 전송할 때 사용하며 stream9은 시스템 오류로 장비가 수신 메시지를 처리하지 못했을 때 사용한다. S9F1은 잘못된 Device ID를 사용했을 경우에, S9F3은 정의되지 않은 stream을 사용했을 때 각각 사용한다.
데이터 구조
그림 6은 SECS-II 메시지 포맷을 표현한 것으로 데이터의 크기에 따라서 단일블록 또는 다중블록에 의한 메시지 교환을 하게 된다. 블록은 10 바이트의 헤더와 데이터로 구성되며 데이터는 리스트 와 아이템으로 구성된다. 리스트 헤더는 그림 7에서 제시한 바와 같이 아이템 헤더와 구조가 같으며 다른 점은 포맷 바이트의 아이템 포맷 코드가 0으로 세팅되어 리스트 헤더임을 나타내며 2 비트의 number-of-length 바이트는 아이템의 갯수를 표시하는 length 바이트의 크기를 나타낸다.
아이템 헤더는 그림 2-5처럼 데이터 형태를 나타내는 1 바이트의 포맷 바이트와 데이터 크기를 표시하는 length 바이트 부분으로 구성된다. 포맷 바이트는 6 비트의 아이템 포맷 코드 와 2 비트의 Number-of-length 바이트로 구성되는데 아이템 포맷 코드는 표 2-6처럼 데이터 형태를 나타내며 Number-of-length 바이트는 실제 데이터 크기를 표시하는 length 바이트의 크기를 나타낸다.
4. HSMS (High-speed SECS Message Service) 프로토콜
SECS-I은 RS-232 직렬통신을 기반으로 사용하며 최고 전송속도는 20 Kbps 통신 가능한 최대 케이블 길이가 15m의 제약조건을 가진다.
HSMS는 SECS-I의 제약조건을 보완하는 통신 방식으로 TCP/IP를 사용하며 통신속도 및 케이블 길이에 제한을 받지 않는다.
결국 HSMS는 SECS-II 데이터를 Ethernet을 통해 전송하기 위한 규약으로, SEMI E37 High-speed SECS Message Services Generic Services에 정의되어 있다. HSMS는 E37.1 HSMS-SS(Single Session)와 E37.2 HSMS-GS(General Session)의 두 종류로 서비스 되는데, 아주 특별히 HSMS-GS를 필요로 하는 경우를 제외하고는 HSMS-SS를 사용한다.
현재 HSMS는 이더넷 기술의 본격적인 산업 장비 분야에서의 도입을 계기로 기존의 시리얼 버스 통신 규정을 담은 SECS-I 표준을 완전히 대체하고 있다고 볼 수 있다. 왜냐하면 SECS-I은 시리얼 버스(RS232)가 느린속도와 케이블 길이의 제한성을 갖는데 비해 HSMS가 채택하고 있는 TCP/IP 이더넷은 확장이 용이할 뿐만 아니라 케이블 길이의 제한이 없다. 또한 최근에는 무선 LAN 기술의 결합도 가능하게 됨으로써 기존 시리얼 통신은 이제 반도체 장비에서 그 필요성을 거의 상실해 가고 있다.
그림 8은 호스트와 장비간의 통신절차를 나타낸 것이다. Not Connected는 TCP/IP 연결 초기화 및 통신대기 상태를 의미한다. Connected는 TCP/IP 연결 설정된 상태로, NOT Selected와 Selected의 하위 상태를 가진다.
메시지 헤더 구조
HSMS에서는 일반 SECS-II 데이터 메시지 외에 HSMS 연결 상태를 관리하기 위해서 컨트롤 메시지(Control Message)가 사용되는데, 일반 데이터 메시지와 컨트롤 메시지는 헤더의 형식이 약간 다르다.
Message length 는 4 바이트 unsigned integer로 헤더와 내용을 포함한 메시지 크기를 바이트로 나타내며 메시지 헤더의 구조는 표 5에 보인다.
Session ID는 16 비트 unsigned 정수로 SECS-I의 Device ID와 의미가 같으며, Header Byte 2, 3는 PType 값에 따라 의미가 달라진다. PType = 0 이면 데이터 메시지로 W 필드와 stream 및 function 값을, PType ≠ 0 이면 컨트롤 메시지를 의미한다. PType 과 SType 은 8-bit unsigned 정수로 PType, SType = 0 인 경우 SECS-II 메시지라는 것을 의미하며 PType, SType ≠ 0 인 경우 컨트롤 메시지라는 것을 의미한다.
5. GEM 및 Interface A
이외에도 300mm 웨이퍼 시대부터는 GEM(Generic Equipment Model) 규약이 일반화되어 광범위하게 적용되고 있으며, HSMS와는 별도로 반도체 라인의 데이터 정보를 웹과 연동하고자 하는 방안으로 Interface 규약이 논의되고 있다.
GEM
80년대 후반에는 반도체 장비 구동에 대한 시나리오의 필요성에서 GEM(Generic Equipment Model) 규약이 출현하게 되었다. GEM은 200mm 웨이퍼 자동화 라인에서 적극적으로 접목되기 시작하여 300mm 웨이퍼 라인에서 완전히 도입되어 사용되고 있다.
GEM은 특히 반도체 장비를 생산하는 업체에서는 반드시 첵크해야 할 규약이다. 반도체 메이커의 장비 발주시에 제시되는 사양서에는 H/W 사양뿐 아니라 GEM 통신 사양까지를 포함하는 것이 일반화되어 있기 때문이다.
Interface A
2000년대 들어서는 SECS와는 어느 정도 구별되는 Interface 규약이 출현하게 되었다. 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 생산 라인의 정보 데이터를 웹과 연결하고자 하는 방안으로 제시된 것으로 말해진다. 실제 3년 전부터 본격적인 활성화 노력을 보이고 있는 가운데, 2년 전부터는 TI, 인텔 등에서 현장 적용에 나서고 있다. 2007년말 현재를 기준으로 삼성전자를 비롯한 국내 반도체 업계에서는 아직 도입되고 있지는 않은 것으로 나타났다.
6. SEMI 표준 규약
반도체 장비간의 개별적인 데이터 통신 프로토콜에 대한 표준화의 필요성에서 SEMI가 제정한 SECS 표준 규약은 이제 반도체 업계의 디펙토가 되었다. 여기에 최근에는 LCD, PDP 등의 FPD 산업을 위한 표준 규약과 Safety 표준 규약도 추가되었다.
RS-232에 기반한 SECS-I은 SEMI E4에, SECS-II는 SEMI E5로 표준문서가 제시되어 있다. 또한 GEM은 SEMI-E30에, TCP/IP 기반의 HSMS-SS는 SEMI-E37에 표준 규약으로 정해졌다.
SECS-II는 반도체 장비와 호스트 간에 메시지 전송 규약에 따라 교환되는 메시지가 해석될 수 있도록 그 구조 및 의미를 규정한 것이다. 그리고 SECS-I과 HSMS는 SECS-II의 규정에 의해 시리얼통신(SECS-I)과 이더넷 TCP/IP(HSMS) 매체를 사용하여 데이터 통신을 수행하는 규칙을 정의한 것이라 할 수 있다.
이제 반도체 및 FPD와 관계를 가지는 장비업체는 물론 그 장비를 위한 제어 시스템 및 각종 부품 전문업체들 까지도 SECS라는 이 반도체 데이터 통신 표준 규약을 미리 고려해야 할 때이다.
아이씨엔 매거진 2008년 01월호
오승모 기자 oseam@icnweb.co.kr
