Bild 1: Die AXIe-Bus-Verteilung.

Bild 1: Die AXIe-Bus-Verteilung.Adlink Technology

Die Elektronenstrahl-Lithografie ist ein Strukturierungsprozess für die Halbleiterherstellung der Zukunft. Da das Verfahren maskenlos ist, kennt es auch nicht die Beugungsbegrenzungen aktueller Foto-Lithografie bei Prozessen mit 20 nm und darunter. Die Elektronenstrahl-Lithografie erfordert ein System zum Streamen von Daten mit sehr hohem Durchsatz, das simultan riesige Mengen an Pattern-Daten von einem Datenserver überträgt, verarbeitet und an ein Elektronenstrahl-Werkzeug ausgibt.

Auf einen Blick

Adlinks FPGA-basiertes AXIe-Pattern-Streaming-System ist eine hocheffiziente Lösung zur Verarbeitung und Speicherung der Daten für Applikationen der maskenlosen Elektronenstrahl-Lithografie. Die Architektur des AXIe-Systems war dabei von entscheidender Bedeutung, da sie hohe Gesamtdatenraten bei sehr engen Synchronisationsanforderungen über mehrere Chassis realisiert. AXIe bietet nicht nur die Leistung, Kühlung und Leiterplattenfläche, die für die High-Speed-Elektronik jedes einzelnen Streamingmoduls erforderlich ist, sondern sorgt auch für hohe Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit.

Die Elektronenstrahl-Lithografie eliminiert die Begrenzungen durch Beugung, denen die herkömmliche Foto-Lithografie unterworfen ist. Das Konzept ist dem eines Druckers ähnlich, jedoch bei deutlich höherer Geschwindigkeit. Anstatt Tinte aufzubringen, schreiben tausende paralleler winziger Elektronenstrahlen ein Muster direkt auf die Waferoberfläche, die mit einem „Fotolack“ beschichtet ist. Das Elektronenstrahl-System wird über 8000 optische Kanäle kontrolliert, die ein MEMS Blanker-Array ansteuern, das im Endeffekt einzelne Strahlen ein- oder ausschaltet. Die Auflösung des Lithografiesystems erfordert, dass der Zeitversatz zwischen den 8000 optischen Kanälen den Wert von 2 ns nicht überschreitet.

Die Durchsatzanforderungen in der Produktion liegen bei zehn Wafern in der Stunde, also einen Wafer alle sechs Minuten. Jede Masken-Datei kann bis zu 2,5 TByte Daten umfassen, die in Echtzeit an das Pattern-Streaming-System übertragen werden müssen. Diese Daten werden dann vom System verarbeitet, das wiederum die 8000 optischen Kanäle ansteuert, die das Elektronenstrahl-System kontrollieren. Um die geforderten Leistungen zu erreichen, hat Adlink ein FPGA-basiertes AXIe-System zur Datenverarbeitung und -speicherung entwickelt.

Warum AXIe?

AXIe ist ein offener Standard, der AdvancedTCA (Advanced Telecom Computing Architecture) für Anwendungen bei Hochleistungsinstrumenten erweitert (Bild 1). Zu den speziellen Eigenschaften von AXIe, die es Adlink ermöglichten, die strengen Anforderungen zu erfüllen, zählen:

  • Das große Format der Leiterplatten bietet ausreichend Fläche für die Realisierung der High-Density Glasfaser-Kanäle.
  • Ausgelegt für Hochleistungsanwendungen mit bis zu 200 Watt je Slot; Spannungsversorgung über nur eine Schiene.
  • Gute thermische Leistung mit Hochleistungs-Luftkühlsystem.
  • High-Speed PCIe (PCI Express) -Datenstruktur.
  • Flexible Skalierbarkeit; effiziente Ausnutzung von Rack-Einbauraum. Ein AXIe-Chassis kann zwischen 1 und 14 Steckplätze in horizontaler oder vertikaler Anordnung enthalten. Mehrere Chassis können zusammengeschaltet werden, um ein synchronisiertes System hoher Kanalzahl zu realisieren.
  • Zu den speziellen Eigenschaften der Hardware-Plattform zählen Shelf-Management-Controller, intelligenter Plattform-Management-Controller sowie Hot-Swap-Fähigkeit.
  • Synchronisation und lokale Busfunktionen versorgen jeden Slot mit Präzisionstakten.

Struktur des Pattern-Streaming-Systems

Bild 2: Die Architektur des Streaming-Systems.

Bild 2: Die Architektur des Streaming-Systems.Adlink Technology

Das Pattern-Streaming-System umfasst ein Rechnermodul, ein PCIe-Switchmodul, mehrere Streamermodule, ein 14 Steckplätze großes AXIe-Chassis, eine externe Synchronisationseinheit sowie eine RAID-Box (Bild 2). Das Rechnermodul greift auf die Datendatei des Daten-Centers zu und lädt die RAID-Box über den 6 Gbit/s SAS-Link mit den Pattern-Daten für einen bestimmten Wafer, auf die dann während des Lithografieprozesses zugegriffen wird. Das Switchmodul ist ein PCIe-Fabric-Switch, der im Hub-Slot angeordnet wird. Es routet die vom Rechnermodul kommenden High-Speed-Daten zu den entsprechenden Streamermodulen. Jedes der 12 Streamermodule unterstützt 72 Glasfaser-Ausgangskanäle. Das Synchronisiermodul wird verwendet, um mittels der Clock- und Trigger-Distribution-Funktionen mehrere Chassis zu synchronisieren.

Das Pattern-Streaming-System nutzt die meisten speziellen AXIe-Funktionen wie Leiterplatten- beziehungsweise Baugruppenformat, Hardware-Plattformmanagement sowie Überwachungsmechanismen, Energieverteilungssystem, aktives Kühlsystem sowie das Interface der Datenübertragung.

Die horizontale und vertikale Ausrichtung der Elektronenstrahl-Systeme erfordert eine aufwändige Synchronisation, für die die AXIe-Signale STRIG und SYNC benutzt werden. Dieses Punkt-zu-Punkt-Triggersystem ermöglicht äußerst präzise und jitterarme Synchronisation mit jedem Slot.

Zeitversatz zwischen den Kanälen

Bild 3: Einzelnes AXIe-Chassis, voll belegt mit 12 Streamingmodulen.

Bild 3: Einzelnes AXIe-Chassis, voll belegt mit 12 Streamingmodulen.Adlink Technology

Bei dem Elektronenstrahl-System wird ein Zeitversatz zwischen zwei Kanälen von maximal 2 ns durch das Hardwaredesign garantiert. Ausgangspunkt ist das Synchronisiermodul, bei dem Low-Skew Clock-Fanout-Buffer eingesetzt werden, um die Takt- und Synchronisationssignale des Synchronisierers zu den Switchmodulen der einzelnen Chassis zu verteilen. Das Switchmodul ist nicht nur der Hub-Verteiler für PCIe, sondern auch für die STRIG- und SYNC- sowie zugeordnete Taktsignale. Diese verteilen die Timingsignale an alle Slots, in denen sich die Streamingmodule befinden. Bei den Streamingmodulen wurde streng darauf geachtet, dass die Leiterbahnlängen aller Timing- und Datensignale gleich sind und dass Low-Skew-Buffer eingesetzt werden. Für die endgültige Erzeugung der optischen Signale wurden Parallel-Fiber-Optic-Transmitter (AFBR-810BHZ-TX) von Avago gewählt. Unter der Berücksichtigung aller Skew-Effekte von FPGA und Glasfaser sowie Steckverbinder und Leiterbahn beträgt der maximale berechnete Zeitversatz zwischen zwei Kanälen 1 ns.

Hoher Durchsatz der Pattern-Streamingmodule

Bild 4: System-Blockdiagramm.

Bild 4: System-Blockdiagramm.Adlink Technology

Neben den stringenten Timinganforderungen über die zehn Chassis erfordert das System auch einen immensen Echtzeit-Datenfluss zu den optischen Kanälen. Jedes Pattern-Streamingmodul verfügt über vier leistungsfähige FPGAs. Eines ist für die PCIe-Schnittstelle zuständig. Die restlichen drei steuern je 24 optische Kanäle an, so dass jeder Slot eine Kapazität von 72 optischen Kanälen erreicht.

Das Pattern wird zunächst vom RAID-Speicher in den Speicher des Blade-Rechners übertragen. Dann wird es über PCIe-DMA an die entsprechenden Streamingmodule transferiert. Das PCIe-FPGA des Streamingmoduls empfängt die DMA-Daten und speichert sie auf Onboard-Flash-Speichern zwischen. Von dort werden die Daten dann in die DDR3-DIMMs übertragen, die jedem Streaming-FPGA zugeordnet sind. Die Pattern-Streaming-FPGAs führen auch die applikationsspezifische Dekompression der Daten durch und steuern die optischen Transmitter. Bild 5 zeigt das entsprechende Blockdiagramm.

Bild 5: Blockdiagramm der Pattern-Streaming-Baugruppe.

Bild 5: Blockdiagramm der Pattern-Streaming-Baugruppe.Adlink Technology

Der DDR3-Speicher ist in zwei Speicherbänke aufgeteilt, so dass durch abwechselnde Zugriffe die Bandbreite der Schreib-/Lesevorgänge optimiert wird. Der Umfang der Patterndaten jedes einzelnen optischen Kanals kann bis zu 300 MByte betragen. Das bedeutet 260 GByte bei einem voll belegten Chassis. Die Durchführung der Datenübertragung innerhalb von sechs Minuten erfordert eine kumulierte Bandbreite von 725 MByte/s, die durch die abgestimmte Architektur aus Rechnermodul, PCIe-Fabric-Switch und Pattern-Streamingmodulen realisiert wird. Während die aktuellen Patterndaten die Elektronenstrahl-Maschine versorgen, können simultan Patterndaten für einen völlig anderen Wafer heruntergeladen werden, so dass auch in High-Mix-Produktionsumgebungen ein hoher Durchsatz gewährleistet ist.