Data-Acquisition-Cards (DAQ) dienen als Bindeglied zwischen der realen Welt und der Software zur Messdatenaufbereitung. DAQ-Hardware zu entwickeln stellt eine anspruchsvolle Aufgabe dar, insbesondere bei komplexen Abläufen, hoher Dynamik im Messablauf und großen Datenmengen. Aufgrund einschlägiger Erfahrungen und positiver Referenzen erhielt Mazet einen Auftrag aus der Halbleiterindustrie; hier liegt die Herausforderung beim Bearbeiten von kleinsten Strukturen.

Die Miniaturisierung in der Halbleiterindustrie klappt nur dank technischer Anordnungen, die das Prinzip der Interferenzbelichtung nutzen, um Strukturen abzubilden, deren Abmessungen unterhalb der Wellenlänge des verwendeten Lichtes liegen. Auf diese Weise konnte die Branche bisher den Schritt zur Röntgenstrahllithografie vermeiden. Bei der Interferenzbelichtung liegen mehrere Belichtungsmasken übereinander, die trotz Beugungseffekten die gewünschten Strukturen belichten. Die hohe Zahl der Strukturelemente auf einer Maske haben zur Folge, dass eine vollständig fehlerfreie Maske praktisch nicht herzustellen ist. Es ist daher nötig, fehlerbehaftete Stellen auf den Masken zu reparieren.

Bild 1: Das Blockschaltbild der DAQ-Baugruppe zeigt, dass ein FPGA die Regelschleife zwischen ADC und DAC schließt. Die abzutastenden Pattern stehen im DDR-RAM.

Bild 1: Das Blockschaltbild der DAQ-Baugruppe zeigt, dass ein FPGA die Regelschleife zwischen ADC und DAC schließt. Die abzutastenden Pattern stehen im DDR-RAM. Mazet

Reparatursystem ansteuern

Die im Weiteren vorgestellte DAQ-Baugruppe verbindet sich mit diesem Reparatursystem und steuert einen fokussierten Elektronenstrahl, der gezielt korrekturbedürftige Strukturen bearbeitet. Je nach verwendeter Atmosphäre im Arbeitsraum ist es damit möglich, Material aufzubringen oder abzutragen. Ähnlich dem Wirkprinzip einer Braunschen Kathodenstrahlröhre formen elektrische Felder den Strahlengang. Angesteuert werden die elektrischen Ablenkplatten durch einen Hochspannungsverstärker und die durch Mazet entwickelte DAQ-Baugruppe. Bild 1 stellt die prinzipielle Anordnung dar. Entscheidend sind hier die technischen Parameter der Elektronenstrahlsteuerung, um die Maske fehlerfrei und zügig bearbeiten zu können. Der Bearbeitungsfortschritt wird nach dem Prinzip des Elektronenmikroskops fortwährend rückgemessen.

Die hohen Anforderungen an die Messdynamik des sich wiederholenden Scan-Betriebsmodus erfordert die Implementierung der Algorithmen zur Signalverarbeitung im FPGA. In einem DDR-SDRAM liegen die abzurasternden Muster. Der parametrisierte Aufruf des Treiber-API ermöglicht den automatisch wiederkehrenden Scandurchlauf. Die Algorithmen nutzen statistische Verfahren, um die mehrfach zurückgelesenen Daten nachzubearbeiten, um Störgrößen zu reduzieren und das Nutzsignal hervorzuheben. Datenreduktion und die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses sind die gewünschten Ergebnisse der Datenbearbeitung.

Gleichlauf zwingend erforderlich

Der Gleichlauf und der Crosstalk der analogen Signale zur Strahlablenkung müssen hohen Anforderungen genügen, da sie die Qualität des Endergebnisses stark beeinflussen. Neben diesen Parametern hat Mazet die Amplituden- und Offset-Spannung konfigurierbar gestaltet, und zwar direkt im digitalen Teil des D/A-Wandlers. Per Registerkonfiguration können Anwender beide Parameter abgleichen.

Eckdaten

Ein Reparatursystem für Belichtungsmasken in der Halbleiterfertigung braucht eine enge Regelschleife: Nach dem Prinzip eines Elektronenmikroskops überwacht es den Bearbeitungsfortschritt und steuert daraufhin einen fokussierten Elektronenstrahl. Mazet hat dazu eine DAQ-Baugruppe entwickelt, deren FPGAs und D/A-Wandler einen sehr geringen Jitter sicherstellen.

Der Gleichlauf zwischen den acht Ablenksignalen ist eine notwendige Bedingung für die fehlerfreie Funktion der Anlage. Andernfalls wären beispielsweise diagonale Strahlbewegungen nur fehlerhaft möglich. Die DACs generieren die Analogspannungen für die Ablenksignale und werden zeitdiskret über einen Takt synchronisiert. Die einfachste Realisierung eines Ausgabetaktes ist, ihn direkt in der Logikeinheit zu erzeugen. Aus einem zentralen Takt wird ein Systemtakt generiert, der den digitalen Datentransfer zwischen FPGA und DACs und die Ausgabe der Analogdaten steuert. Obgleich dieser Takt ausreichend gute Eigenschaften für den digitalen Datentransfer aufweist, zeigt er als Ausgabetakt für die zeitdiskreten analogen Spannungswerte aber einen vergleichsweise hohen Jitter. Zudem sind die Möglichkeiten zur zeitlichen Verschiebung der DAC-Ausgaben untereinander durch den FPGA stark eingeschränkt. Deshalb haben die Entwickler diese scheinbar einfache und naheliegende Lösung verworfen.

Taktkonzept

In der vorliegenden Baugruppe kam ein grundlegend anderes Taktkonzept zum Einsatz. Die Entwickler leiten den Takt zur Signalkonvertierung nicht mehr nur aus einem FPGA ab; vielmehr haben sie für diese Applikation eine zusätzlich Schaltung entworfen. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf konfigurierbare Zeitverzögerungsglieder, abstimmbare Frequenz und äußerst geringen Jitter. Damit wird auch eine Trennung zwischen digitaler Datenübertragung und analoger Ausgabe erreicht.

Bild 2: Das eigens entwickelte Taktversorgungssystem sorgt für einen exakten und Jitter-armen Gleichlauf der A/D- und D/A-Wandler.

Bild 2: Das eigens entwickelte Taktversorgungssystem sorgt für einen exakten und Jitter-armen Gleichlauf der A/D- und D/A-Wandler. Mazet

Die Datenverbindung zwischen FPGA und DACs bleibt unter Kontrolle des FPGAs. Die spezielle Takterzeugung realisiert ausschließlich den Ausgabetakt. Mithilfe von FIFOs werden die zwei getrennten Takte in den DACs synchronisiert. Mit dem Taktsystem ist es möglich, den Skew des Ausgabetaktes und damit die zeitliche Verschiebung zwischen den DACs in Schritten von wenigen Pikosekunden untereinander zu justieren. Außerdem kann der Ausgabetakt für die Analogsignale mithilfe von Kapazitätsdioden und einer einstellbaren Gleichspannung am Quarz-Oszillator um einige ppm verstimmt werden.

Zur Erzeugung sehr genauer Takte ist es möglich, den Ausgabetakt bei Bedarf nachzustimmen. Die Konfiguration dieser Parameter erfolgt auf Basis von Registern und kann ohne Änderung an der Hardware durchgeführt werden. Bild 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau dieser Taktversorgung.

Crosstalk vermeiden

Bild 3: Blick auf die DAC-Schnittstellen der DAQ-Baugruppe.

Bild 3: Blick auf die DAC-Schnittstellen der DAQ-Baugruppe. Mazet

Übersprechen (Crosstalk) ist die Folge von Signalkopplungen durch parasitäre Kapazitäten zwischen benachbarten Signalpaaren. Durch konsequente Trennung von Stromversorgung, digitaler Datenverarbeitung und analoger Schaltungsteile gelingt die Crosstalk-Unterdrückung bereits durch die geometrische Anordnung. In Bild 3 ist diese Trennung gut zu erkennen: Im rechten Teil der Baugruppe befindet sich die Stromversorgung mit getakteten Spannungswandlern. Hingegen sitzen an der entferntesten Stelle dazu die Ausgangsverstärker. Getrennt zur analogen Ausgabe befindet sich die analoge Eingabe auf einer zweiten Leiterplatte. Das Ergebnis ist ein messtechnisch nicht mehr nachweisbarer Crosstalk zwischen ADC und DAC.

Ein zweiter, weniger beachteter Koppelweg ist die Stromversorgung. Die Trennung von analoger und digitaler Versorgung auf einer Baugruppe ist eine übliche und naheliegende Maßnahme. Sie verhindert die Störeinkopplung von digitalen Schaltprozessen in analoge Signale. Verstärkerschaltkreise besitzen eine Betriebsspannungsunterdrückung um 80 dB. Sobald mehrere Leitungsverstärker signifikant Strom mit hoher Frequenz treiben, bricht ein Betriebsspannungssystem um wenige Millivolt ein. Dieser Einbruch führt zu einer Signalprägung auf benachbarte Verstärker und äußert sich als Crosstalk. Die logische Gegenmaßnahme ist eine Trennung der Betriebsspannungen zwischen jedem Kanal.

Hinzu kommt eine breitbandige kapazitive Entkopplung, die zur Spannungsglättung führt. Durch besonders dünne Laminatschichten in der Leiterplatte kann man zwischen Betriebsspannung und zugehöriger Masse eine signifikant breitbandig wirksame Kapazität aufbauen. Mithilfe der Finiten-Elemente-Methode lässt sich eine auf den genutzten Frequenzbereich optimierte Leiterplattengeometrie bestimmen.

Bilderstrecke

DAQ-Baugruppe
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DAQ-Baugruppe
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Faktor Mensch in der Qualität

Trotz der vom Design definierten hervorragenden Eigenschaften kann eine Justage die Performance weiter verbessern. Diese erfolgt automatisiert, denn selbst bei routinierter Arbeitsweise sind menschliche Fehler nicht auszuschließen. Möglich sind bei der manuellen Messung der Offsetspannung zum Beispiel Vorzeichenfehler oder fehlerhaft übernommene Messwerte. Diese können zu einer fehlerhaften Justierung führen. Trotz kleiner bis mittlerer Stückzahl sind Baugruppentest und Justage der Signalparameter durchweg automatisiert. Parameter werden in einer Testprozedur ausgemessen, justiert und baugruppenspezifisch protokolliert. Auch die registerprogrammierbare Konfiguration der analogen Parameter macht diesen Vorgang möglich.

Die entwickelte Baugruppe übertraf alle Anforderungen des Auftraggebers. Die konzeptionelle Arbeit zu Beginn des Projektes bildete die Grundlage für die Durchführung und den erfolgreichen Abschluss der Entwicklungsarbeiten.