SECS/GEM im MES: Der Kommunikationsstandard der Halbleiterfertigung
SECS/GEM ist seit Jahrzehnten der von SEMI gepflegte Standard für die Kommunikation zwischen Fertigungsanlagen und MES in der Halbleiterindustrie. Diese Seite ordnet ein, was GEM (SEMI E30) und SECS-II (SEMI E5) konkret regeln und was das für die MES-Auswahl in der Halbleiter- und Mikrosystemfertigung bedeutet.
Zwei Standards, eine Kommunikationsschicht
SECS/GEM ist kein einzelner Standard, sondern die Kombination zweier von SEMI gepflegter Spezifikationen, die zusammen die Kommunikation zwischen Fertigungsanlage und MES regeln.
GEM, formal SEMI-Standard E30, beschreibt das Generic Model for Communications and Control of Manufacturing Equipment, also wie Kommunikations- und Steuerungsfähigkeiten zwischen einem Factory Host (dem MES) und der Fertigungsanlage unterstützt werden sollen, einschließlich strukturierter Zustandsmodelle etwa für Verbindungsaufbau und Anlagenstatus. GEM ist dabei eine Implementierung des darunterliegenden SECS-II-Standards, formal SEMI-Standard E5, der die konkrete Struktur der Nachrichteninhalte über Streams und Functions definiert.
Detaillierte Szenarien legen fest, welche genaue Abfolge und Teilmenge der in SEMI E5 definierten SECS-II-Nachrichten für eine bestimmte Fähigkeit genutzt wird und welche unterstützenden Anlagendaten dabei bereitgestellt werden müssen. Diese Kombination macht SECS/GEM zu einem der ältesten und am tiefsten dokumentierten Maschine-zu-MES-Standards überhaupt.
Vier Ebenen, nicht ein Standard
"SECS/GEM" wird umgangssprachlich als ein Standard behandelt, ist aber eine Kombination aus vier separat geführten SEMI-Standards auf zwei Schichten: Transport und Nachrichteninhalt.
SECS-I
Der ursprüngliche Transportmechanismus für SECS-Nachrichten über eine serielle RS-232-Verbindung. Historisch die erste Wahl, technisch durch die geringe Bandbreite seriell begrenzt.
HSMS
High-Speed SECS Message Services, der TCP/IP-basierte Nachfolger von SECS-I auf der Transportebene. HSMS ersetzt die serielle Verbindung, das SECS-II-Nachrichtenformat bleibt dabei unverändert bestehen.
SECS-II
Definiert Struktur, Dateninhalte, erwartete Antworten und Ausnahmebehandlung der eigentlichen Nachrichten, unabhängig davon, ob sie über SECS-I oder HSMS transportiert werden.
GEM
Die oberste Schicht: definiert, wie Host und Anlage sich auf Basis der SECS-II-Nachrichten grundsätzlich verhalten sollen, etwa bei Verbindungsaufbau, Zustandsmodellen und Ereignisberichten.
In der Praxis hat HSMS SECS-I bei Neuanlagen weitgehend abgelöst, da TCP/IP-Netzwerke höhere Datenraten erlauben. Altanlagen mit reiner SECS-I-Schnittstelle sind aber weiterhin im Feld und benötigen entweder eine serielle Anbindung oder einen Protokollkonverter.
Streams und Functions an konkreten Beispielen
Die abstrakte Struktur wird greifbarer anhand einiger der am häufigsten genutzten SECS-II-Stream-Gruppen.
Equipment Check
Grundlegende Statusabfragen zwischen Host und Anlage, etwa ob die Anlage online und kommunikationsbereit ist.
Equipment Control and Diagnostics
Befehle zur Steuerung der Anlage sowie diagnostische Abfragen, etwa zum Setzen von Anlagenparametern.
Exception Handling
Alarmmeldungen und Ausnahmebehandlung, zentral für die Überwachung kritischer Anlagenzustände in Echtzeit.
Data Collection
Übertragung von Prozess- und Ereignisdaten an den Host, Grundlage für Traceability und Prozessüberwachung im MES.
Process Program Management
Verwaltung und Übertragung von Rezepten (Process Programs) zwischen Host und Anlage, inklusive Versionsabgleich vor Auftragsstart.
Terminal Services
Textnachrichten zwischen Host und Bedienpersonal direkt am Anlagenterminal, etwa für Eingriffsanweisungen bei Ausnahmen.
Jede Function innerhalb eines Streams definiert eine konkrete Anfrage oder Antwort. Ein MES mit vollständiger SECS/GEM-Implementierung unterstützt in der Praxis nur eine Teilmenge aller theoretisch möglichen Streams und Functions, abgestimmt auf den jeweiligen Anlagentyp.
Wofür SECS/GEM im MES-Alltag genutzt wird
Sechs wiederkehrende Anwendungsfelder, in denen SECS/GEM die Anlagenanbindung im MES trägt.
Anlagenstatus in Echtzeit
Kontinuierliche Statusüberwachung, ob eine Anlage produktiv, im Wartungsmodus oder gestört ist, als Grundlage für Verfügbarkeitskennzahlen.
Rezeptübertragung an die Anlage
Übertragung von Prozessrezepten vom MES an die Anlage vor Auftragsstart, zentral für die hochpräzise, variantenreiche Halbleiterfertigung.
Ausnahmebehandlung in Echtzeit
Über Stream 5 gemeldete Alarme und Ausnahmen ermöglichen sofortige Reaktion, statt Störungen erst bei der nächsten manuellen Prüfung zu bemerken.
Prozessdatenerfassung
Über Stream 6 erfasste Prozess- und Ereignisdaten je Wafer oder Baugruppe bilden die Grundlage für lückenlose Rückverfolgbarkeit.
Durchlaufzeiten je Prozessschritt
Zeitstempel aus Statuswechseln der Anlage erlauben eine feingranulare Messung von Bearbeitungs- und Wartezeiten je Los oder Wafer.
Abstimmung komplexer Anlagen
Bei Cluster-Tools mit mehreren Prozesskammern koordiniert SECS/GEM den Datenaustausch je Kammer, damit das MES den Zustand der Gesamtanlage konsistent abbildet.
Wer SECS/GEM nativ implementiert
SECS/GEM wird nicht vom MES allein getragen, sondern vor allem von den Fertigungsanlagen selbst. Vier Beispiele aus der Praxis, deren Ausstattung öffentlich dokumentiert ist.
Applied Materials
Größter Halbleiteranlagenhersteller weltweit, dessen Systeme durchgängig mit GEM-konformer Schnittstelle für die Host-Anbindung ausgeliefert werden.
ASML
Lithografie-Systeme für die Chipfertigung, deren Steuerungssoftware SECS/GEM-Konnektivität zur Anbindung an den Factory Host vorsieht.
Tokyo Electron
Anbieter von Ätz-, Beschichtungs- und Reinigungsanlagen mit dokumentierter GEM300-Unterstützung für den Einsatz in 300-mm-Wafer-Fabs.
Lam Research
Ätz- und Abscheidungsanlagen für die Halbleiterfertigung, ebenfalls mit SECS/GEM als Standard-Schnittstelle zur MES-Anbindung.
Diese vier Namen stehen stellvertretend für einen breiteren Markt: In der Halbleiter-Fab-Ausrüstung ist SECS/GEM so verbreitet, dass eine Anlage ohne diese Schnittstelle heute die Ausnahme ist, nicht die Regel.
Native Unterstützung oder Middleware-Ansatz
Nicht jede Anlage kommt mit eingebauter SECS/GEM-Schnittstelle. Zwei grundsätzlich unterschiedliche Wege führen trotzdem zur MES-Anbindung.
| Ansatz | Wie es funktioniert | Typisches Beispiel | Wann sinnvoll |
|---|---|---|---|
| Native Implementierung | Der Anlagenhersteller liefert die GEM-Schnittstelle bereits ab Werk mit, meist über ein SDK wie Cimetrix CIMConnect in die Anlagensteuerung integriert. | Applied Materials, ASML, Tokyo Electron, Lam Research | Neuanlagen, Erstausrüstung, wenn Hersteller SECS/GEM dokumentiert unterstützt. |
| Middleware / Gateway | Ein zusätzliches Gateway-Produkt übersetzt zwischen der proprietären Anlagenschnittstelle und SECS/GEM, ohne die Anlagensteuerung selbst zu verändern. | MKS SenseStream SECS/GEM Gateway | Altanlagen ohne native Unterstützung, bei denen ein Steuerungsumbau unwirtschaftlich wäre. |
| SDK-Eigenentwicklung | Integratoren oder das MES-Systemhaus entwickeln mit einem Toolkit wie Cimetrix CIMConnect eine kundenspezifische Schnittstelle für eine bestimmte Anlage. | Projektspezifische Integratorenlösung | Sonderanlagen oder wenn weder native Unterstützung noch Standard-Gateway passt. |
Fachquellen wie Cimetrix selbst weisen darauf hin, dass eine nachträgliche SECS/GEM-Nachrüstung bei sehr alten oder vom Hersteller nicht mehr unterstützten Anlagen wirtschaftlich oft nicht mehr sinnvoll ist. In solchen Fällen ist der Ersatz der Anlage häufig die realistischere Option als die Nachrüstung.
GEM300: die Zusatzstandards für 300-mm-Wafer-Fabs
Mit dem Übergang zu 300-mm-Wafern in Großfabs reichte reines SECS/GEM nicht mehr aus. GEM300 bündelt fünf zusätzliche SEMI-Standards, die auf SECS/GEM aufbauen.
Processing Management
Standardisiert die Steuerung und Überwachung von Fertigungsjobs auf Anlagenebene, inklusive Job-Warteschlangen und Prozessabfolgen.
Carrier Management
Regelt die Verfolgung von Wafer-Carriern (FOUPs) an der Anlage, einschließlich Andock- und Zugriffsstatus.
Substrate Tracking
Verfolgt einzelne Wafer/Substrate innerhalb eines Carriers während der Bearbeitung, Voraussetzung für lückenlose Wafer-Traceability.
Control Job Management
Koordiniert komplexere Fertigungsaufträge, die mehrere Process Jobs über verschiedene Carrier und Substrate hinweg zusammenfassen.
Equipment Performance Tracking
Standardisiert die Erfassung von Anlagenzuständen für OEE-nahe Kennzahlen, etwa Produktiv-, Stillstands- und Wartungszeiten.
GEM300 ist keine Ablösung von SECS/GEM, sondern eine Erweiterung: Die Basis-Kommunikation läuft weiterhin über SECS-II und GEM, während die GEM300-Standards zusätzliche, für 300-mm-Fabs typische Anforderungen wie Carrier- und Substrate-Tracking abdecken. Für kleinere Fabs oder ältere 200-mm-Linien ist GEM300 in der Regel nicht relevant.
SECS/GEM im Vergleich zu anderen Anbindungsstandards
SECS/GEM ist branchenspezifisch und deutlich älter als viele andere MES-Anbindungsstandards, was Vor- und Nachteile mit sich bringt.
| Standard | Branche/Scope | Alter/Reife | Technische Basis |
|---|---|---|---|
| SECS/GEM | Halbleiter-, zunehmend Elektronikfertigung | Sehr etabliert, jahrzehntelang im Einsatz | SEMI E5/E30, eigenständiges Protokoll |
| GEM300 | 300-mm-Wafer-Fabs (Erweiterung von SECS/GEM) | Etabliert seit den 2000ern in Großfabs | SEMI E40/E87/E90/E94/E116 auf SECS/GEM-Basis |
| OPC UA | Branchenübergreifend | Etabliert, breite Industrie-4.0-Verbreitung | IEC 62541 |
| EUROMAP 77/79 | Kunststoff- und Gummimaschinen | Neuer als SECS/GEM, wachsende Verbreitung | OPC UA (IEC 62541) |
| IPC-Hermes-9852 | Elektronikfertigung (SMT-Linien) | Jünger, seit 2013 als offener Standard | XML-basiertes Maschine-zu-Maschine-Protokoll |
| MQTT/Sparkplug B | IoT- und Edge-nahe Konnektivität | Etabliert im IoT-Umfeld, jünger im klassischen MES-Kontext | MQTT-Protokoll |
Anders als bei neueren, OPC-UA-basierten Standards ist SECS/GEM ein eigenständiges Protokoll ohne direkte Verwandtschaft zu OPC UA oder EUROMAP. Für die Halbleiterfertigung bleibt es dennoch der De-facto-Standard, den kein branchenübergreifendes Protokoll bislang verdrängt hat. GEM300 baut direkt auf SECS/GEM auf und adressiert die zusätzliche Komplexität von 300-mm-Großfabs, während IPC-Hermes-9852 ein eigenständiger, jüngerer Standard für die Elektronikfertigung ist.
Was das für die MES-Auswahl bedeutet
Sechs Punkte, die Fertigungsunternehmen mit Halbleiter- oder Mikrosystembezug prüfen sollten.
SECS/GEM-Unterstützung ist praktisch Pflicht
In der Halbleiterfertigung implementieren nahezu alle relevanten Anlagenhersteller SECS/GEM, ein MES ohne native Unterstützung ist hier kaum praxistauglich.
Ausbreitung über die Halbleiterindustrie hinaus
Fachbeiträge zeigen, dass sich SECS/GEM zunehmend auch in verwandten Branchen wie der Elektronik- und Mikrosystemfertigung durchsetzt.
Konverter als Notlösung
Ohne native Unterstützung braucht es einen zusätzlichen SECS/GEM-Treiber oder Konverter zwischen Anlage und MES, mit entsprechendem Wartungsaufwand.
Anbieterspezialisierung prüfen
Anbieter wie Critical Manufacturing positionieren sich explizit für High-Mix- und Halbleiterfertigung, eine anlagenspezifische Prüfung ersetzt das aber nicht.
Nicht jede Implementierung deckt denselben Funktionsumfang
Zwei als SECS/GEM-kompatibel beworbene Anlagen können unterschiedliche Teilmengen an Streams und Functions unterstützen, ein Funktionsabgleich vor Projektstart ist notwendig.
Spezialisiertes Know-how selten breit verfügbar
SECS/GEM-Expertise ist stärker auf spezialisierte Integratoren konzentriert als etwa OPC-UA-Wissen, was Verfügbarkeit und Kosten von Implementierungspartnern beeinflusst.
Sechs Schritte zur SECS/GEM-tauglichen MES-Auswahl
Eine strukturierte Prüfung verhindert, dass Lücken im Funktionsumfang erst nach Vertragsabschluss auffallen.
Anlagenpark inventarisieren
Erfassen, welche Fertigungsanlagen SECS/GEM bereits unterstützen und welche Streams/Functions jeweils implementiert sind. Bei 300-mm-Fabs zusätzlich prüfen, welche GEM300-Standards (E40, E87, E90) die jeweilige Anlage abdeckt.
Funktionsumfang im Lastenheft festlegen
Konkrete Streams und Functions benennen, die für die eigenen Anwendungsfälle wie Recipe Management oder Alarm-Management benötigt werden. Allgemeine Aussagen zu „SECS/GEM-Kompatibilität“ ohne diese Konkretisierung führen regelmäßig zu Lücken im Betrieb.
Referenzprojekte in der Halbleiterfertigung prüfen
Nach dokumentierten SECS/GEM-Implementierungen des MES-Anbieters bei vergleichbaren Anlagentypen und Fab-Größen fragen. Referenzen aus artverwandten Branchen wie der Elektronikfertigung sind ein zusätzliches, aber kein gleichwertiges Signal.
Integratoren-Verfügbarkeit klären
Da SECS/GEM-Know-how spezialisierter ist als bei branchenübergreifenden Standards, frühzeitig verfügbare Implementierungspartner identifizieren. Das gilt besonders für GEM300-Erweiterungen, für die es weniger Spezialisten gibt als für Basis-SECS/GEM.
Konverter-Bedarf für Altanlagen einplanen
Für Anlagen ohne native Unterstützung Budget und Zeit für einen SECS/GEM-Treiber oder Konverter einkalkulieren. Diese Konverter decken meist nur eine Teilmenge der Streams ab, ein Funktionsabgleich vor Beschaffung ist daher Pflicht.
Pilotanlage vor Rollout validieren
Vor der flächendeckenden Einführung eine einzelne Anlage oder Anlagenklasse als Pilot anbinden, um Datenqualität und Timing der SECS/GEM-Nachrichten unter Realbedingungen zu prüfen. Erst danach auf weitere Anlagen desselben Typs ausrollen.
SECS/GEM im MES: 13 Fragen aus der Praxis
Antworten, die auch ohne den Rest dieser Seite verständlich sind.
SECS/GEM ist ein von der Branchenorganisation SEMI gepflegter Kommunikationsstandard für die Halbleiterfertigung. GEM steht für Generic Model for Communications and Control of Manufacturing Equipment und ist formal als SEMI-Standard E30 geführt. SECS-II, formal SEMI-Standard E5, definiert darunter die konkrete Struktur der Nachrichteninhalte.
SECS-I (SEMI E4) und HSMS (SEMI E37/E37.1) sind reine Transportprotokolle, seriell über RS-232 bei SECS-I, TCP/IP-basiert bei HSMS. SECS-II (SEMI E5) definiert unabhängig vom Transportweg die Nachrichtenstruktur selbst. GEM (SEMI E30) setzt als Verhaltensschicht obendrauf und regelt, wie Host und Anlage diese Nachrichten grundsätzlich einsetzen. HSMS hat SECS-I bei Neuanlagen weitgehend abgelöst, das SECS-II-Nachrichtenformat blieb dabei unverändert.
SEMI E30 beschreibt, wie Kommunikations- und Steuerungsfähigkeiten zwischen einem Factory Host, also dem MES, und der Fertigungsanlage unterstützt werden sollen. Der Standard definiert die übergeordnete Kommunikationslogik einschließlich strukturierter Zustandsmodelle, etwa für den Verbindungsaufbau und den Anlagenstatus.
GEM300 ist eine Familie zusätzlicher SEMI-Standards (u.a. E40, E87, E90, E94, E116), die auf SECS/GEM aufbauen und speziell für 300-mm-Wafer-Fabs entwickelt wurden. Sie regeln unter anderem Carrier- und Substrate-Tracking sowie Job-Management. Für kleinere Fabs oder ältere 200-mm-Linien ist GEM300 in der Regel nicht relevant.
MPDV bietet mit HYDRA for Electronics eine dokumentierte Lösung für die Elektronikfertigung mit Anbindung von Bestückungsautomaten wie ASM SIPLACE, Mycronic oder Fuji, das ist Leiterplattenmontage auf Baugruppenebene, nicht Halbleiter-Waferfertigung. FORCAM ENISCO ist auf diskrete Fertigung etwa in der Automobilindustrie spezialisiert. Für echte Halbleiter-Waferfabs mit SECS/GEM- und GEM300-Anforderungen sind auf diese Branche spezialisierte Anbieter wie Critical Manufacturing die dokumentiertere Wahl.
Ursprünglich ja, SECS/GEM wurde für die Halbleiterfertigung entwickelt und ist dort seit Jahrzehnten Standard. Fachbeiträge zeigen jedoch, dass sich der bewährte Standard zunehmend auch in verwandten Branchen wie der Elektronik- und Mikrosystemfertigung durchsetzt.
Streams und Functions sind die Grundbausteine der SECS-II-Nachrichtenstruktur. Ein Stream gruppiert thematisch verwandte Nachrichten, während eine Function innerhalb eines Streams eine konkrete Anfrage oder Antwort definiert. Detaillierte Szenarien legen fest, welche genaue Abfolge dieser Nachrichten für eine bestimmte Fähigkeit genutzt wird.
Für Fertigungsunternehmen in der Halbleiter- oder Mikrosystemfertigung ist dokumentierte SECS/GEM-Unterstützung praktisch eine Grundvoraussetzung, da nahezu alle relevanten Anlagenhersteller diesen Standard implementieren. Ohne native Unterstützung muss ein zusätzlicher Treiber oder Konverter eingesetzt werden.
SECS/GEM ist ein branchenspezifischer Standard der Halbleiterfertigung mit jahrzehntelanger Verbreitung, während OPC UA ein branchenübergreifender, international genormter Kommunikationsstandard (IEC 62541) ist. Beide Standards verfolgen ähnliche Ziele, unterscheiden sich aber in Nachrichtenmodell und Branchenverbreitung.
Besonders häufig genutzt werden Stream 1 für grundlegende Statusprüfungen, Stream 2 für Steuerungsbefehle und Diagnostik, Stream 5 für Alarm- und Ausnahmebehandlung sowie Stream 6 für die Datenerfassung. Welche konkreten Functions innerhalb dieser Streams tatsächlich benötigt werden, hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab.
Belastbare, allgemeingültige Kostenangaben existieren nicht, da der Aufwand vom Anlagentyp und dem gewünschten Funktionsumfang abhängt. Ein Gateway-Produkt wie MKS SenseStream oder ein SDK-basierter Eigenbau über Cimetrix CIMConnect ist in der Regel günstiger als eine Nachrüstung der Anlagensteuerung selbst, verursacht aber laufenden Wartungsaufwand. Bei sehr alten, nicht mehr herstellerseitig unterstützten Anlagen ist laut Fachquellen oft der Anlagenersatz wirtschaftlicher als die Nachrüstung.
SECS/GEM ist ein eigenständiges Protokoll ohne direkte technische Verwandtschaft zu OPC UA. EUROMAP 77/79 hingegen baut, wie OPC UA selbst, auf dem branchenübergreifenden OPC-UA-Standard auf, ist aber für Kunststoff- und Gummimaschinen statt Halbleiteranlagen ausgelegt. Alle drei lösen das gleiche Grundproblem der Maschinenanbindung für unterschiedliche Branchen.
Empfehlenswert ist, konkrete Streams und Functions, die für die eigenen Anwendungsfälle benötigt werden, explizit im Lastenheft abzufragen und nach dokumentierten Referenzprojekten mit vergleichbaren Anlagentypen zu fragen. Eine allgemeine Aussage zu SECS/GEM-Kompatibilität sagt nichts darüber aus, welche Teilmenge des Standards tatsächlich implementiert ist.
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