Maskenentwurf - Electronic Design Automation (EDA)

Masken entwerfen in KLayout

Der Entwurf ist ein Schwerpunkt im Bachelorstudium der Mikrosystemtechnik an der HTW Berlin. Neben der Konstruktion und dem Elektronikdesign ist der Maskenentwurf die dritte Säule der rechnergestützten Entwicklung, auch CAE genannt. Ohne Masken lassen sich keine Mikrostrukturen in Silizium und Co. realisieren.

Mit der Umstellung des Entwurfspools auf Windows 10 stellt sich die Frage, ob das bisher eingesetzte Entwurfswerkzeug GraffyBAS weiterhin genutzt oder durch eine andere EDA- (Electronic Design Automation) Software ersetzt werden soll. Eine Umstellung der Software ist immer mit zusätzlichem Aufwand und einigen Risiken verbunden. So sind Bedienungsanleitung neu zu schreiben und in einem Testlauf alle möglichen Prozedere durchzuspielen, die im Rahmen der regulären Entwurfsübungen vorkommen können.  

Auflösungsmaske mit Mikro-Einhorn
Im Bachelorstudium Mikrosystemtechnik entwerfen Projektteams sogenannte Auflösungsmasken. Mit diesen Masken soll die Auflösung und Genauigkeit der Prozessschritte überprüft werden. Das klingt kompliziert und doch zeigt der Maskenentwurf, dass Raum für kleine kreative Spielereien wie das Mikro-Einhorn besteht

Eine Besonderheit unseres Entwurfsprozesses

Schon lange stand die Forderung des Technologielabors im Raum, den Maskenentwurf auf das GDSII-Format umzustellen. GDSII ist quasi ein Standardformat im Chipentwurf. Durch den elektronischen Schaltungsentwurf, dessen Fertigungsdaten auf dem Gerber-Format beruhen, muss der Maskenentwurf daran angepasst werden. Mit der Umstellung auf GDSII ist ein Weg zu finden, den GDSII-Maskenentwurf in das Gerberformat des Fotoplotters umzusetzen. Solche Konvertierungen sind immer mit kleinen Hürden verbunden, benutzt jedes Entwurfswerkzeug ja seine eigene Formatsprache. 

Die Qual der Wahl

Man mag es kaum glauben, doch es gibt eine Reihe von EDA-Software, mit der sich ein Maskensatz für das Innenleben eines Mikrosystems entwerfen lässt. Abgesehen von den Lizenzkosten, der Programmbedienung und dem Funktionsumfang spielt bei der Programmauswahl noch ein weiterer Aspekt eine große Rolle: Die Studierenden sollen auch außerhalb der Laborübung die Möglichkeit haben mit der Entwurfssoftware zu arbeiten. Das schränkt den Kreis der potentiellen Kandidaten deutlich ein.

Die Maske - Ein Entwurf aus vielen Polygonen

Das Besondere am GDSII-Entwurf ist, dass die Struktur der Masken nur aus Polygonen zusammengesetzt wird. Des Weiteren gibt es nicht wie im Elektronikdesign fertige Mikrosystem-Bauelemente, die sich einfach importieren und mit elektrischen Leitungen kombinieren lassen. Zu guter Letzt besteht ein Maskenentwurf aus vielen Wiederholungen. Das klingt nach viel Arbeit, was aber absolut nicht der Fall ist. Vieles lässt sich durch einen sogenannten strukturierten Entwurf vereinfachen.

Maskenentwurf mit KLayout

Die Entscheidung fiel zugunsten KLayout aus, das kostenlos und für gängige Computerplattformen erhältlich ist. Damit wurde eine wichtige Forderung der Studierenden erfüllt, auch außerhalb der Laborübung mit dem Entwurfsprogramm arbeiten zu können. Für die Umwandlung des Maskenentwurfs in das Gerberformat des Fotoplotters ist eine Software lizensiert worden, die den technischen Anforderungen entspricht. Die auf großen Fotofilmen geplotteten Maskenentwürfe werden in einem nächsten Schritt auf Wafergröße verkleinert. Die so entstehenden Chrommasken bilden dann die Grundlage für die technologischen Prozesse im Reinraum des Studienganges.