一種用于掃描電子顯微鏡的電子束光刻和數(shù)字圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

高速標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)接口的發(fā)展，如通用串行總線（USB）和功能強(qiáng)大微控制器的許多設(shè)備，如集成通信接口，計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器，數(shù)字輸入/輸出，模數(shù)（ADC)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）允許以相對(duì)較低的成本更容易地開(kāi)發(fā)具體的科學(xué)應(yīng)用。

電子束光刻（EBL）是科學(xué)和微電子工業(yè)中眾所周知的不可缺少的工具?？茖W(xué)家對(duì)現(xiàn)代納米科學(xué)領(lǐng)域日益增加的興趣及其新興分支，如光子晶體、納米光學(xué)、微電子機(jī)械系統(tǒng)、納米流體等，使EBL成為一個(gè)必要的工具。專(zhuān)用的電子束光刻設(shè)備已經(jīng)商品化，并且提供高分辨和寫(xiě)入速度以及大的寫(xiě)入場(chǎng)，但對(duì)于一個(gè)研究實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，這通常是一筆不菲的投資。

通常在科學(xué)研究中，大的寫(xiě)入場(chǎng)和吞吐量并沒(méi)有那么重要，對(duì)傳統(tǒng)的掃描電子顯微鏡進(jìn)行改造以進(jìn)行EBL工作是一種便宜得多的解決方案。這種需求促進(jìn)了現(xiàn)有SEM改造成EBL系統(tǒng)的工作，其中的一些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。盡管如此，自建系統(tǒng)仍然會(huì)便宜得多，并且為定制應(yīng)用程序提供了更多靈活性。如今，由于高功能性集成電路和快速標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)接口的可用性，它們可以在小型實(shí)驗(yàn)室中快速搭建。

雖然新式的SEM生成數(shù)字圖像，但仍在使用的老式SEM只提供顯示器（模擬）輸出圖像，并以照片的形式提供硬拷貝。數(shù)字圖像記錄無(wú)疑會(huì)比攝影自拍更可取，且報(bào)道了許多解決方案。除了用于電子束控制的兩個(gè)DAC輸出外，下面描述的單元還包括ADC輸入，這也使得在軟件中以各種掃描速度、幀面積和不同數(shù)據(jù)源合并數(shù)字圖像采集成為可能。

在本文中我們描述了一個(gè)通過(guò)USB連接接到計(jì)算機(jī)的以低成本微控制器為基礎(chǔ)的設(shè)備，可用于數(shù)字圖像采集和電子束位置的完全控制，這使得它可以使用傳統(tǒng)的SEM進(jìn)行電子束光刻。與先前描述的系統(tǒng)不同，其中接口設(shè)備的基礎(chǔ)是商用數(shù)據(jù)采集板卡或圖像采集板卡，有時(shí)會(huì)略有修改以適應(yīng)特定的工作。

在這里我們描述了基于幾個(gè)現(xiàn)代集成電路的USB接口微控制器設(shè)備的完整設(shè)計(jì)。這進(jìn)一步降低了系統(tǒng)成本（印刷電路板+集成電路的價(jià)格約200美元；不包括個(gè)人電腦）。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于其主要功能集中在開(kāi)發(fā)的微控制器軟件中，該軟件執(zhí)行所有時(shí)間關(guān)鍵的底層控制和數(shù)據(jù)采集任務(wù)。廣泛使用的USB接口，使該系統(tǒng)便攜和獨(dú)立于計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)。

硬件

圖1顯示了整個(gè)系統(tǒng)的框圖，包括三個(gè)主要部分：掃描電子顯微鏡、電腦和接口單元（IU）。電腦通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)USB接口與接口單元連接，保持快速的雙向數(shù)據(jù)交換。從SEM方面，接口單元確保多達(dá)8個(gè)模擬輸入，用于從各種SEM信號(hào)中獲取數(shù)據(jù)和形成圖像；兩個(gè)模擬輸出用于電子束位置控制，一個(gè)數(shù)字信號(hào)用于可選的束閘控制。

圖1 用于電子束光刻和數(shù)字圖像采集的掃描電子顯微鏡升級(jí)系統(tǒng)框圖

接口單元內(nèi)部圖如圖1所示。該設(shè)備的核心是一個(gè)完全集成的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ADuC812，它在單個(gè)芯片上集成了高性能自校準(zhǔn)8通道ADC，雙DAC，8位8051指令集兼容微控制器核心和8Kb Flash/EE程序儲(chǔ)存器，以及許多其他附加模塊。

上述特性幾乎完全滿足了與SEM的接口要求，兩個(gè)用于電子束位置二維控制的DAC和八個(gè)用于數(shù)據(jù)采集的ADC通道。12位ADC和DAC分辨率足以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的數(shù)字圖像配準(zhǔn)，產(chǎn)生具有12位灰度深度、高達(dá)400萬(wàn)像素（4096×4096）的SEM圖像。對(duì)于不是非常大的寫(xiě)入場(chǎng)來(lái)說(shuō)，對(duì)于電子束光刻任務(wù)，該設(shè)備是令人滿意的。

其他功能模塊包括USB和RS-232接口模塊、32Kb外部RAM內(nèi)存，A/C同步模塊、模擬信號(hào)條件模塊以及它們與ADuC812芯片間不可避免的“膠水邏輯”。下載微控制器軟件需要RS-232接口，而系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)使用USB（USB1.0）連接，保證電腦和接口單元之間的雙向數(shù)據(jù)交換。

在一些掃描和電子束光刻操作模式中，額外的32Kb內(nèi)存用于緩沖X（水平）、Y（垂直）坐標(biāo)的電子束位置和/或駐留時(shí)間數(shù)據(jù)。A/C同步模塊為微控制器提供TTL脈沖，允許同步到線頻掃描，以盡量減少雜散場(chǎng)的影響。模擬信號(hào)調(diào)制是必要的，以匹配ADC輸入電壓范圍（0～2.5V）與檢測(cè)器信號(hào)范圍（在我們的情況下為-12V～+12V，但它取決于SEM模式）。DAC輸出范圍（0～2.5V）也必須轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)SEM偏轉(zhuǎn)線圈電子器件的輸入點(diǎn)電壓范圍（-12V～+12V，取決于SEM）。軟件和硬件也提供了束閘控制。

圖2顯示了接口單元的詳細(xì)方案（不含信號(hào)調(diào)制模塊、A/C同步模式和電源）。USB到并行接口FT245BM芯片（U910）用于USB接口到電腦。該芯片和32Kb內(nèi)存（U909）的尋址需要一些額外的邏輯（U905，U909）和鎖存（U907，U908）。

圖2 接口單元IU示意圖。信號(hào)調(diào)制模塊，A/C同步模塊和電源未顯示

圖3顯示了模擬信號(hào)條件放大器（圖3a和b）和A/C線同步脈沖發(fā)生器（圖3c）。圖3a所示方案將0～2.5V DAC輸出范圍線性變換為SEM偏轉(zhuǎn)線圈前置放大器的輸入范圍。需要使用兩個(gè)這樣的模塊（DAC0和DAC1）分別控制電子束的X（水平）和Y（垂直）偏轉(zhuǎn)（圖2）。R1(偏置)和R5(增益)是精密多匝電位器，用于調(diào)整輸出范圍以適應(yīng)特定SEM的輸入范圍。

最后增益控制用于精細(xì)調(diào)整圖像寬高比到1，使用一些拉長(zhǎng)的對(duì)象（沒(méi)有傾斜），并采取圖像在0°和90°樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)。圖3b（僅顯示一個(gè)通道）的方案具有類(lèi)似的任務(wù)，即將SEM檢測(cè)器模擬輸出（如SE探測(cè)器）的輸出范圍擬合到相應(yīng)ADC通道的輸入范圍。多匝電位器R2和R4分別控制增益和偏置。系統(tǒng)中最多可使用8個(gè)這樣的通道。通道選擇是由軟件通過(guò)嵌入式模擬多路復(fù)用器，允許從不同的檢測(cè)器形成圖像。這可以同時(shí)進(jìn)行（在每個(gè)電子束位置的給定像素處進(jìn)行通道切換）或連續(xù)進(jìn)行（逐幀通道切換）。

圖3（a） DAC輸出與SEM電子束偏轉(zhuǎn)線圈輸入之間的信號(hào)調(diào)制模塊（圖中為一個(gè)通道）;（b） ADC通道輸入和SEM檢測(cè)器輸出之間的信號(hào)調(diào)制模塊（一個(gè)通道）和（C） A/C線同步脈沖發(fā)生器。

圖3c展示了一個(gè)產(chǎn)生A/C線同步TTL電平脈沖的簡(jiǎn)單方案。它們被饋送到微轉(zhuǎn)換器的P3.4引腳，并由軟件（僅在系統(tǒng)操作的相應(yīng)模式下）與A/C線過(guò)零同步啟動(dòng)水平掃描線。在高倍率下，這大大減少了由雜散電磁場(chǎng)引起的畸變。

軟件

軟件由兩部分組成：上位機(jī)上的應(yīng)用層程序和通過(guò)USB協(xié)議進(jìn)行通信的嵌入式微控制器底層程序。掃描電子顯微鏡的兩種工作模式（EBL和數(shù)字圖像采集）都有嚴(yán)格的時(shí)序要求，尤其是EBL，在給定電子束位置的停留時(shí)間決定了電荷劑量。這需要在電腦和微控制器之間仔細(xì)分配任務(wù)。

實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)采集的時(shí)間關(guān)鍵任務(wù)由微控制器程序執(zhí)行，而應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)高級(jí)控制并保證用戶友好界面。電腦和接口單元間的雙重緩沖確保了掃描過(guò)程中不會(huì)引入延遲。微控制器程序是用匯編器編寫(xiě)的（源代碼可根據(jù)要求從作者處獲得），并使用MetaLink的8051宏匯編器編譯。Windows串行下載器用于通過(guò)串行端口下載由ASM51匯編器創(chuàng)建的因特爾標(biāo)準(zhǔn)十六進(jìn)制文件。

微控制器程序保證了多種操作模式。上位機(jī)將所需的控制參數(shù)發(fā)送到接口單元，并將其切換到相應(yīng)的模式。在單點(diǎn)模式下，上位機(jī)決定電子束位置。A/D所選的通道數(shù)據(jù)按要求發(fā)送到上位機(jī)。在這種模式下，上位機(jī)可將電子束定位在任意位置，并對(duì)來(lái)自不同ADC通道的信號(hào)進(jìn)行采樣，但時(shí)序精度限制在1ms左右。

快速光柵掃描模式用于快速觀察和調(diào)整各種掃描電鏡控制，如聚焦、對(duì)比度、消像散等。在這種模式下，光柵掃描以8位分辨率（128×128或256×256像散，最小停留時(shí)間為12us）以最大可能的速度（～4幀/秒）進(jìn)行電子束定位。12位A/D數(shù)據(jù)從預(yù)先選擇的通道從每個(gè)點(diǎn)發(fā)送到上位機(jī)。

在掃描模式下，以12位D/A分辨率（最大4096×4096）對(duì)視場(chǎng)進(jìn)行光柵掃描。掃描控制參數(shù)為掃描場(chǎng)的左上角和右下角坐標(biāo)，水平和垂直步長(zhǎng)，停留時(shí)間。12位A/D數(shù)據(jù)從預(yù)先選擇的通道從每個(gè)點(diǎn)發(fā)送到上位機(jī)。該掃描可以在有或沒(méi)有A/C線同步的情況下執(zhí)行。如果開(kāi)啟同步，則每條水平掃描線的起始時(shí)間由P3.4引腳處的電平躍遷決定（圖3c）。

這種微處理器模式非常強(qiáng)大，通過(guò)幾個(gè)控制參數(shù)，上位機(jī)程序可以獲得不同駐留時(shí)間（最小15us）的圖像，預(yù)定義全視場(chǎng)不同分辨率圖像（256×256；512×512；1024×1024；2048×2048和4096×4096）或選擇任意子場(chǎng)圖像，線掃描模式等。需要提及的一點(diǎn)是，觀察區(qū)域的實(shí)際大小是由掃描電鏡放大控制而不是由軟件決定的。

在EBL模式中，接口單元RAM用于緩沖信息，以控制電子束位置（2×12位），該點(diǎn)駐留時(shí)間（16位）和控制位（8位）-每個(gè)點(diǎn)總共6字節(jié)?？刂莆话~外的信息，如是否發(fā)送A/D數(shù)據(jù)，繪制序列的結(jié)束，束閘的開(kāi)關(guān)（束閘在該系統(tǒng)中尚未實(shí)現(xiàn)）。微控制器連續(xù)地從RAM中讀取每條數(shù)據(jù)記錄并執(zhí)行相應(yīng)的操作。讀取和相應(yīng)動(dòng)作之間的時(shí)間間隔由先前讀取的“駐留時(shí)間”參數(shù)決定。

在預(yù)填充RAM緩沖區(qū)所需的信息后，上位機(jī)將微控制器切換到EBL模式。接口單元RAM最多可以保存5333條記錄，如果需要使用更多的點(diǎn)，必須重新填充。雙重緩沖確保了重新填充過(guò)程的最小延遲。RAM緩沖數(shù)據(jù)的最后記錄關(guān)閉束閘（如果使用）或?qū)㈦娮邮偷揭晥?chǎng)中“未使用”的位置（沒(méi)有束閘），然后微控制器從上位機(jī)請(qǐng)求下一個(gè)數(shù)據(jù)塊。

微控制器按記錄解釋記錄的這種“低級(jí)”格式允許非常靈活地控制EBL過(guò)程。將不同格式（光柵或矢量，CAD輸出等）轉(zhuǎn)換為這種“低級(jí)”格式的任務(wù)是分開(kāi)的，并使系統(tǒng)開(kāi)放。為了更快執(zhí)行，EBL會(huì)話所需的所有數(shù)據(jù)都是經(jīng)預(yù)先計(jì)算的或從磁盤(pán)讀取的，由上位機(jī)程序轉(zhuǎn)換為上述“低級(jí)”格式，并存儲(chǔ)在電腦內(nèi)存的數(shù)組中。

所有的定時(shí)通過(guò)使用8051核心的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2完成，并廣泛使用中斷來(lái)確保最大精度。中斷程序也用于使用FT245芯片服務(wù)數(shù)據(jù)交換。

因此，嵌入在微控制器程序存儲(chǔ)器中的匯編程序封裝了系統(tǒng)的主要功能，而將系統(tǒng)的一般控制、圖像生成、EBL格式化數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)留給了電腦程序。這里最苛刻的任務(wù)是通過(guò)USB端口確保低電平通信。幸運(yùn)的是，驅(qū)動(dòng)程序是免費(fèi)的，它允許FTDI設(shè)備與最流行的操作系統(tǒng)（Linux、windows 98和所有更高版本）一起工作。所有的函數(shù)調(diào)用都封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）中?？梢允褂肅、Visual Basic、Delphi等不同的高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)應(yīng)用程序，并確保通過(guò)USB與接口單元輕松通信。

在我們的示例中，應(yīng)用程序是用Delphi 7編寫(xiě)的，正如上文提到的，可以很容易地用運(yùn)行在不同操作系統(tǒng)上的任何高級(jí)語(yǔ)言完成。運(yùn)行該軟件所需的計(jì)算機(jī)資源要求并不高。在我們案例中，應(yīng)用程序運(yùn)行在一臺(tái) 2GHz 、256 Mb 、Windows 2000操作系統(tǒng)電腦上。

該應(yīng)用程序確保了對(duì)操作系統(tǒng)參數(shù)和操作模式的用戶友好控制，各種格式的圖像記錄和存儲(chǔ)（BMP、JPEG和原始數(shù)據(jù)）和掃描速度、軟件可選擇的子場(chǎng)成像，A/C線同步切換等。原始數(shù)據(jù)（每像素12位）文件可以很容易地轉(zhuǎn)換為幾乎任何圖像格式，進(jìn)一步處理和/或分析，例如使用免費(fèi)的NIH軟件包ImageJ或一些商業(yè)化軟件。

目前，EBL的輸入文件是上述格式的外部準(zhǔn)備數(shù)據(jù)或簡(jiǎn)單的BMP格式圖形，其中兩個(gè)顏色通道的像素強(qiáng)度用于編碼每個(gè)像素的停留時(shí)間。我們計(jì)劃開(kāi)發(fā)將更復(fù)雜的基于矢量的格式轉(zhuǎn)換為上述“低級(jí)”格式的軟件。

我們發(fā)現(xiàn)，處理通過(guò)SEM控件進(jìn)行對(duì)比度調(diào)節(jié)外，進(jìn)一步的自動(dòng)軟件對(duì)比度調(diào)節(jié)是一個(gè)非常有用的功能。每像素12位的灰度級(jí)分辨率高于最常用的圖像格式（BMP或JPEG-灰度圖像為8位）的可能存儲(chǔ)分辨率。為了避免圖像格式在12位轉(zhuǎn)8位時(shí)丟失信息，每個(gè)*i 像素強(qiáng)度Ii *被轉(zhuǎn)換為一個(gè)新值I i '，如下所示：

其中，Imin和Imax分別為整個(gè)圖像的最小和最大像素強(qiáng)度，floor(x)表示最接近x且不大于x的整數(shù)。

典型案例

圖4顯示了在加速電壓為15kV，放大倍數(shù)為x3k（左）和x20k（右）的情況下，數(shù)字記錄的花粉二次電子圖像（1024×1024像素）的示例。圖像是由系統(tǒng)產(chǎn)生的，沒(méi)有任何額外的圖像處理。

圖4 花粉在15kv加速電壓下的二次電子圖像。放大倍數(shù)×3k（左）和×20k（右）。

圖5是由我們系統(tǒng)創(chuàng)造的EBL圖形示例。該光刻膠為高分子量PMMA（分子量約996K），溶解在苯甲醚（2 wt.%）中，3000轉(zhuǎn)/分鐘旋涂在顯微鏡蓋片上（20×20mm），在熱板上烘烤2分鐘。烘烤后PMMA層厚為105nm（橢偏儀測(cè)量）。

為了避免電荷影響，在勻膠前在基板上電子束蒸鍍200nm鉻。點(diǎn)曝光劑量為40fC，加速電壓為20kV，曝光范圍480×480um，超聲顯影140s（MIBK：IPA=1:3），IPA中浸泡30秒并用去離子水。圖像由直徑為600nm的點(diǎn)組成，排列在周期為1.25um的方形格子中。圖5（左）中標(biāo)記的子區(qū)域在高倍放大后顯示在右側(cè)。

圖5 示例性EBL圖案的光學(xué)顯微鏡圖像

討論

介紹了一種基于USB的數(shù)字成像和掃描電子顯微鏡電子束光刻微控制器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)提供了高分辨率的數(shù)字成像，并能夠在不太大的工作范圍內(nèi)用于電子束光刻。所提出的系統(tǒng)架構(gòu)允許輕松改進(jìn)器參數(shù)，如增加外部RAM緩沖區(qū)大?。ˋDuC812可使用高達(dá)16Mb）和DAC分辨率（16位外部DAC而不是12位內(nèi)部ADC）。

由于USB接口的簡(jiǎn)單四線結(jié)構(gòu)，光耦隔離可以很容易地添加到系統(tǒng)中，而無(wú)需改變其余的電子設(shè)備和軟件。市場(chǎng)上有商用USB光耦隔離器和光耦隔離USB集線器。光耦隔離將降低噪聲并避免接地回路問(wèn)題。還可以使用電池供電的接口單元，這與光耦隔離將進(jìn)一步降低噪聲。