摘要：E-Beam（電子束）微影技術(Lithography)是下一世代無光罩(maskless)半導體制程。通過無光罩微影技術可使微影制程突破目前20奈米或更小制程的限制。E-Beam 微影系統需要使用極高帶寬的數據傳輸系統，將大量集成電路圖案數據，從數據服務器先通過數據傳輸系統解壓縮后，再通過數千條光纖并行傳輸至 E-Beam 機臺，且通道對通道間的時鐘偏移(skew)不得大于 2ns。基于高通道高密度及高數據傳輸帶寬的需求，凌華科技采用AXIe平臺架構來建置E-Beam 數據傳輸系統。本文說明如何充分發揮 AXIe平臺的特點，來達成此數千通道同步的嚴格要求。

簡介

如上所述，E-Beam 無光罩式微影技術可突破傳統光罩式微影技術的限制。概念上就像一臺超高速的打印機。不同于打印機噴出墨水，E-Beam機臺的電子槍投射出數千組平行電子束，打印至覆蓋有光阻劑的晶圓表面，超過 8,000組電子束會通過MEMS 數組來控制個別電子束的開關，而每個電子束開關的控制命令，則是通過個別的高速光纖輸出通道來做控制，因此會需要超過8,000個光纖輸出通道。為避免控制命令不同步造成電路圖案失真及錯誤，系統整體需求為所有光纖通道間數據的時鐘偏移不能超過 2ns。

 

可符合經濟效益的產出標準為每小時 10片以上，換句話說每6分鐘要完成一片晶圓。每一個集成電路光罩檔案的數據量可高達 2.5TB，所以另一個挑戰是如何實時的將大量數據通過圖形傳輸系統，再通過8,000組以上光纖通道平行輸出到E-Beam機臺。此數據經系統處理后，可用于控制 E-Beam 系統上的電子束控制數組。為滿足這些需求，凌華科技采用基于AXIe系統的FPGA架構解決方案進行數據處理及儲存。

AXIe的優點

 

AXIe是基于AdvancedTCAR（先進電信運算平臺）開放式標準所衍生而來，針對高階量測儀器應用新制定的標準。基于AXIe所具備的以下特點，此圖形傳輸同步系統因此選定AXIe作為該系統的解決方案：

6U大尺寸板卡面積，提供足夠的空間容納高密度光纖輸出通道電路。

每槽可提供高達200瓦高功率的電源供應。

有高性能冷卻系統，足以解決高功耗所帶來的熱能。

高速PCIe (PCI Express) 總線架構

高擴展彈性，單一AXIe機箱可容納1到14個插槽，而多組機箱可組成一套大量通道數的同步系統。

硬件平臺管理功能，包括機箱管理控制器、智能型平臺管理控制器以及熱插入的能力。

同步化(synchronization)及本地總線(local bus)功能可提供各槽所需的精確頻率。

 

圖 1：AXIe 總線分配

 

圖形傳輸架構

 

圖形傳輸系統包括計算機模塊、PCIe 轉換器模塊、多組數據傳輸模塊、14槽 AXIe 機箱、外接同步信號產生器以及磁盤陣列(RAID)系統，如圖2所示。

 

在電子束打印期間，計算機模塊通過 6 Gbps 的SAS接口，自數據中心(也就是磁盤陣列系統)實時的存取集成電路圖文件至系統上的內存儲存。PCIe切換器模塊位于分享器插槽(hub slot)，提供PCIe 通道自動切換功能，負責將儲存于內存的集成電路圖文件，通過PCIe高速數據接口傳輸至不同的數據傳輸模塊。每個傳輸模塊均可支持 72 組光纖輸出通道。外部同步信號產生器則產生一組共同工作頻率及觸發信號來讓多個機箱可同步運作。

 

AXIe 大部分獨特的功能都被圖形傳輸系統所采用，包括：機構設計及組裝、硬件平臺管理及監控機制、電源分配機制、主動散熱系統以及數據傳輸接口。

 

E-Beam系統機箱內為較為復雜的同步化，須利用 AXIe STRIG 及 SYNC 信號，如此可確保點觸發系統達成規定的各槽極精確與低抖動的同步化。

 

通道間時鐘偏移 (Channel-to-channel skew)

 

E-Beam 系統的硬件設計可確保通道間的時鐘偏移較大不超過 2ns。自外部同步信號產生器開始，低偏移扇形輸出緩沖器(fan-out buffer)即用于外部同步信號產生器之中，做為將工作頻率及同步信號分配到各機箱切換模塊的用途。另外，切換模塊除提供 PCIe總線自動切換功能外，也負責切換 STRIG、SYNC及相關頻率信號，將這些同步信號分配到各插槽上的數據傳輸模塊。在數據傳輸模塊方面，除特別注意各頻率及數據信號在PCB上布線都須使用相等路徑長度外，在電路輸出部分也都采用低偏移緩沖器。較后處理過的數據會由Avago 平行光纖發射器 (AFB-810BHZ-TX) 輸出。綜合考慮 FPGA 內部繞線及制程、光纖、連接器及 PCB 路徑等因素后，計算所得的總體通道間時鐘偏移可小于 1ns 以下。

 

圖 2：傳輸系統架構

 

圖 3：單一 AXIe 機箱滿載 12 組傳輸器模塊

 

圖 4：系統頻率圖

 

高帶寬圖形傳輸

 

除了跨 10 個機箱下嚴格的通道間歪斜的要求之外，系統還要求能夠實時傳輸大量數據到光纖輸出通道。各圖形傳輸模塊配備四組高性能的 FPGA；一顆負責PCIe驅動接口，另外三顆各負責 24 個光纖通道的驅動接口，即單一數據傳輸模塊可提供72 個光纖輸出通道。

 

集成電路圖案數據先自 RAID 磁盤陣列讀出后加載主板刀鋒服務器的內存，再經由PCIe 總線做直接內存存取(DMA, direct memory access)傳輸到個別的數據傳輸模塊。數據傳輸模塊上的 PCIe FPGA 接收 DMA 數據并存入模塊上的閃存，然后再傳輸到各圖形傳輸 FPGA 對應的 DDR3 內存儲存。圖形傳輸 FPGA 內建有客戶自定的解壓縮算法，解壓縮后的數據會通過光學發射器做同步數據輸出。示意圖請參見圖 5：

 

圖 5：數據傳輸方塊圖

 

其中DDR3 內存切割為兩個區塊，以便實現「乒乓(ping-pong)」技術，也就是可讓大量數據同時間進出內存以優化讀/寫帶寬。各光纖輸出通道的圖形檔案大小可達 300MB，換句話說，一個插滿12張數據傳輸模塊的機箱總共會需約260GB的檔案大小。

 

先前提到符合經濟效益的產出標準為每6分鐘要完成一片晶圓，所以整體上會需要至少725MB/秒的連續數據帶寬，通過這樣的運作模式，另一組完全不同的晶圓電路圖文件，也可在前片晶圓制作完成前可完成下載，以實現少量多樣的高性能產出。

 

總結

凌華科技基于FPGA架構的AXIe 圖形傳輸系統，對于無光罩 E-Beam 微影制程應用，提供高效率集成電路圖形數據處理、傳輸，以及數據同步的解決方案，整體系統跨通道間時鐘偏移低于 2ns，且應用AXIe的幾項特色，包含可提供大功率電源、有效散熱及高可靠度及擴充性，可符合實際半導體生產制程的需求。

 

*AdvancedTCA、Advanced Telecom Computing Architecture以及 PICMG 是 PCI Industrial Manufacturers Group 的注冊商標。

 

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