带你轻松了解半导体CIM系统之AMHS (二)

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👉带你轻松了解半导体CIM系统之AMHS (一)

话接上文，半导体AMHS系统是芯片制造晶圆厂中十分关键的系统，由搬运设备，存储与净化设备和控制系统组成。而在Fab（晶圆厂）中AMHS中的OHT也就是天车搬运十分繁忙，系统出现问题会给生成带来巨大的损失，而机台与小车是如何做到这么有默契地配合，不会造成乱抓乱放FOUP等故障的呢？

这就离不开我们本期的主角，也就是与AMHS系统息息相关的SEMI-E84协议了。

SEMI协议是国际半导体协会制定的行业规范，里面有硬件相关的，也有软件相关的，如下图就是SEMI协议中的软件部分，也是我们整个半导体CIM系统的基座。图片

半导体SEMI协议

什么是E84?

随着更大更重的300毫米晶圆和更小的芯片拓扑结构的引入，由人工手动装载或卸载物料变得不切实际，同时还面临污染风险。因此引入了SEMI E84协议，实现物料在设备与各OHT（高架起重机运输系统）或AGV（自动导引车）之间的自动化输送，从而最大限度地提升产能。

每一个协议都有特定的作用对象，而E84协议主要是生产机台与AMHS系统（主要为OHT部分）的通讯协议。E84协议定义了用于并行I/O（PI/O）接口的手握信号，以实现FOUP等搬送过来与将FOUP等搬走的自动化操作。PI/O信号的具体含义会在以下E84流程中作详细介绍。自动化物料搬运系统（AMHS）可采用自动导引车（AGV）或架空输送（OHT）系统，但无论采用何种方式，物料均通过载具进行输送。 图片

E84协议作用示例

E84流程是什么样的?

首先，理解E84流程的前提要知道什么是parallel input/output (PI/O) 并行I/O控制信号，PI/O控制信号是半导体自动化生产中，用于实现自动化物料搬运系统（AMHS）与生产机台 / 储料设备之间载体交接控制的核心信号集合，作为 AMHS设备（如 AGV、RGV、OHT、OHS）与被动设备（如生产设备、计量设备、储料器）的 “通信桥梁”，专门用于控制载体（FOUP、开放式晶圆盒等）的交接操作（装载 / 卸载），确保设备间协作的可靠性与效率。

PI/O控制信号包含装载端口分配信号（用于指定载体交接的目标端口）、交接控制信号（触发装载 / 卸载动作）、状态反馈信号（告知对方设备当前交接进度）等；随着技术的发展，现在的PI/O控制信号已经可以实现 SEMI E84-1109标准规定的连续交接（两次载体串行转移）、同时交接（两次载体并行转移），以及接口错误检测（识别信号传输或交接动作异常）。下表为常用的具体信号内容：

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PI/O控制信号

以CS_0与CS_1举例，CS_0和 CS_1是PI/O接口的核心交接控制信号，例如CS_0=1、CS_1=0 是 “单个载体交接” 的信号组合，当然，该信号生效前提：需配合VALID=1（平台有效）、READY=1（平台就绪），否则 CS_0/1=1 也不会触发动作。

图片

CS_0与CS_1比较

接下来我们介绍下经典的Load（上货）与Unload（下货）流程，其实每一个复杂流程都是由多个基础的PI/O控制信号所组成的。
以下两张图分别展示了单次交接中loading/unloading的时间图，各信号交互顺序如下：

  1. 主动设备（AMHS 设备，如 OHT/AGV）到达装载端口前的交接位置后，指定要与被动设备进行载体交接的装载端口号（通过 CS_0/CS_1 选择对应载体平台）。

  2. 主动设备将 VALID 信号置为ON，表示 CS_0 和 CS_1 的信号跳变有效。

    注：被动设备需在主动设备将 VALID 置为 ON（表明接口通信有效）之后，才去校验 CS_0 或 CS_1 是否为 ON。

  3. 若装载端口已准备好执行装载操作，被动设备将 L_REQ 信号置为 ON；若准备好执行卸载操作，则将 U_REQ 信号置为ON。

  4. 为请求被动设备启动载体交接操作，主动设备将 TR_REQ 信号置为 ON。

  5. 当被动设备准备好进行载体交接时，将 READY 信号置为ON。

  6. 主动设备确认READY信号为ON后，将 BUSY 信号置为ON，并开始交接操作。

  7. 当载体被正确放置到装载端口（装载场景），或装载端口上的载体被取走（卸载场景）时，被动设备将 L_REQ（或 U_REQ）信号置为 OFF。

  8. 装载 / 卸载操作完成，且主动设备已离开交接冲突区域后，主动设备将 BUSY 信号置为OFF。主动设备必须在将BUSY置为OFF前，确认 L_REQ（或 U_REQ）信号已被置为OFF。

  9. 主动设备在将BUSY置为OFF后，将 TR_REQ 信号置为OFF。

  10. 主动设备将 COMPT 信号置为ON，以通知被动设备交接操作已完成。

    注：若被动设备要校验 BUSY 和 TR_REQ 信号为 OFF，需在主动设备将 COMPT 置为 ON（表明主动设备已完成交接）之后再进行校验。

  11. 被动设备确认主动设备已将 COMPT 置为ON后，将 READY 信号置为OFF。

  12. 待READY信号被置为 OFF 后，主动设备将 COMPT、VALID、CS_0 和 CS_1 信号置为OFF。

  13. 当 VALID 信号被置为OFF时，与被动设备的握手流程结束。

    注：若被动设备检查 COMPT、VALID 及 CS_0 或 CS_1 信号，应允许这些信号以任意顺序置为 OFF，且不报错。

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Signal Time Diagram for Single Handoff (LOAD）

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Signal Time Diagram for Single Handoff (UNLOAD)

E84的未来

SEMI E84是AMHS系统与生产机台间的并行I/O（PI/O）载体交接标准，其未来演进将紧密围绕更高效率、更强兼容性、更智能化、更安全可靠四大核心方向展开：

1. 向更高效的并行 / 批量交接演进

  • 多载体并行交接扩展： 当前E84主要支持双载体（CS_0/CS_1）并行交接，未来将向多端口、多平台批量交接扩展，适配300mm/450mm大尺寸晶圆、高密度FOUP场景，进一步提升Fab物料周转效率。

  • 低延迟通信优化： 针对高速AMHS（如 OHT/OHS），优化信号响应时序，缩短交接准备时间，适配更高节拍的生产需求。

2. 向数字化、智能化方向融合
  • 状态感知与预测性维护： 在PI/O信号中增加设备健康、载体状态、交接质量等数据反馈（如载体倾斜、端口磨损、信号抖动监测），支持设备预测性维护，减少停机。
  • AI 辅助决策： 结合工厂MES/FA系统，让E84接口支持动态端口分配、智能冲突规避，根据设备负载、晶圆优先级自动选择最优交接路径。
3. 向更开放的互联互通与标准化演进
  • 与新一代通信协议兼容： 逐步兼容TSN（时间敏感网络）、5G 等工业以太网 / 无线通信技术，在保留PI/O硬实时性的同时，支持更灵活的网络部署。
  • 跨厂商互操作性增强： 进一步统一信号定义、时序参数与错误处理逻辑，减少不同设备厂商（如 AMHS、设备端）的自定义扩展，提升跨厂商设备的即插即用能力。
4. 向更高安全与可靠性方向升级
  • 功能安全强化： 增加信号校验、冗余传输、紧急停机优先级等功能安全机制，符合 ISO 26262/SEMI S2 等安全标准，避免交接过程中的晶圆碰撞、掉落风险。
  • 错误自恢复机制： 在标准中定义可自动恢复的错误处理流程（如短暂信号丢失后的重试、端口忙时的排队机制），减少人工干预，提升整体可用性。

总结

无规矩不成方圆，E84协议就像是交通道路上的交通规则，它不是实物，但是秩序需要靠它维护，Fab的全自动高效运转与生产效率的提升离不开它的支持。半导体SEMI协议我们之前介绍软件相关的比较多，例如GEM(E30)，SECS-II（E5），SECS-I(E4)，HSMS(E37)等，E84更多地与硬件相关，E84里面还涉及很多细节和场景，本文也只是介绍它的冰山一角，大家可以看看官方文档深入学习。与现代网络的通讯协议一样，深入了解会发现有很多细节的东西，会惊叹设计的奥妙，不仅是晶圆厂甚至是整个社会的正常运转都离不开背后的这些关键基石。

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参考资料:

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