一种用于扫描电子显微镜的电子束光刻和数字图像采集系统设计

引言

高速标准计算机接口的发展，如通用串行总线（USB）和功能强大微控制器的许多设备，如集成通信接口，计数器/计时器，数字输入/输出，模数（ADC)/数模转换器（DAC）允许以相对较低的成本更容易地开发具体的科学应用。

电子束光刻（EBL）是科学和微电子工业中众所周知的不可缺少的工具。科学家对现代纳米科学领域日益增加的兴趣及其新兴分支，如光子晶体、纳米光学、微电子机械系统、纳米流体等，使EBL成为一个必要的工具。专用的电子束光刻设备已经商品化，并且提供高分辨和写入速度以及大的写入场，但对于一个研究实验室来说，这通常是一笔不菲的投资。

通常在科学研究中，大的写入场和吞吐量并没有那么重要，对传统的扫描电子显微镜进行改造以进行EBL工作是一种便宜得多的解决方案。这种需求促进了现有SEM改造成EBL系统的工作，其中的一些已经实现商业化。尽管如此，自建系统仍然会便宜得多，并且为定制应用程序提供了更多灵活性。如今，由于高功能性集成电路和快速标准计算机接口的可用性，它们可以在小型实验室中快速搭建。

虽然新式的SEM生成数字图像，但仍在使用的老式SEM只提供显示器（模拟）输出图像，并以照片的形式提供硬拷贝。数字图像记录无疑会比摄影自拍更可取，且报道了许多解决方案。除了用于电子束控制的两个DAC输出外，下面描述的单元还包括ADC输入，这也使得在软件中以各种扫描速度、帧面积和不同数据源合并数字图像采集成为可能。

在本文中我们描述了一个通过USB连接接到计算机的以低成本微控制器为基础的设备，可用于数字图像采集和电子束位置的完全控制，这使得它可以使用传统的SEM进行电子束光刻。与先前描述的系统不同，其中接口设备的基础是商用数据采集板卡或图像采集板卡，有时会略有修改以适应特定的工作。

在这里我们描述了基于几个现代集成电路的USB接口微控制器设备的完整设计。这进一步降低了系统成本（印刷电路板+集成电路的价格约200美元；不包括个人电脑）。该系统的主要优点在于其主要功能集中在开发的微控制器软件中，该软件执行所有时间关键的底层控制和数据采集任务。广泛使用的USB接口，使该系统便携和独立于计算机和操作系统。

硬件

图1显示了整个系统的框图，包括三个主要部分：扫描电子显微镜、电脑和接口单元（IU）。电脑通过标准USB接口与接口单元连接，保持快速的双向数据交换。从SEM方面，接口单元确保多达8个模拟输入，用于从各种SEM信号中获取数据和形成图像；两个模拟输出用于电子束位置控制，一个数字信号用于可选的束闸控制。

图1 用于电子束光刻和数字图像采集的扫描电子显微镜升级系统框图

接口单元内部图如图1所示。该设备的核心是一个完全集成的12位数据采集系统 ADuC812，它在单个芯片上集成了高性能自校准8通道ADC，双DAC，8位8051指令集兼容微控制器核心和8Kb Flash/EE程序储存器，以及许多其他附加模块。

上述特性几乎完全满足了与SEM的接口要求，两个用于电子束位置二维控制的DAC和八个用于数据采集的ADC通道。12位ADC和DAC分辨率足以实现高质量的数字图像配准，产生具有12位灰度深度、高达400万像素（4096×4096）的SEM图像。对于不是非常大的写入场来说，对于电子束光刻任务，该设备是令人满意的。

其他功能模块包括USB和RS-232接口模块、32Kb外部RAM内存，A/C同步模块、模拟信号条件模块以及它们与ADuC812芯片间不可避免的“胶水逻辑”。下载微控制器软件需要RS-232接口，而系统实际工作时使用USB（USB1.0）连接，保证电脑和接口单元之间的双向数据交换。

在一些扫描和电子束光刻操作模式中，额外的32Kb内存用于缓冲X（水平）、Y（垂直）坐标的电子束位置和/或驻留时间数据。A/C同步模块为微控制器提供TTL脉冲，允许同步到线频扫描，以尽量减少杂散场的影响。模拟信号调制是必要的，以匹配ADC输入电压范围（0～2.5V）与检测器信号范围（在我们的情况下为-12V～+12V，但它取决于SEM模式）。DAC输出范围（0～2.5V）也必须转换为驱动SEM偏转线圈电子器件的输入点电压范围（-12V～+12V，取决于SEM）。软件和硬件也提供了束闸控制。

图2显示了接口单元的详细方案（不含信号调制模块、A/C同步模式和电源）。USB到并行接口FT245BM芯片（U910）用于USB接口到电脑。该芯片和32Kb内存（U909）的寻址需要一些额外的逻辑（U905，U909）和锁存（U907，U908）。

图2 接口单元IU示意图。信号调制模块，A/C同步模块和电源未显示

图3显示了模拟信号条件放大器（图3a和b）和A/C线同步脉冲发生器（图3c）。图3a所示方案将0～2.5V DAC输出范围线性变换为SEM偏转线圈前置放大器的输入范围。需要使用两个这样的模块（DAC0和DAC1）分别控制电子束的X（水平）和Y（垂直）偏转（图2）。R1(偏置)和R5(增益)是精密多匝电位器，用于调整输出范围以适应特定SEM的输入范围。

最后增益控制用于精细调整图像宽高比到1，使用一些拉长的对象（没有倾斜），并采取图像在0°和90°样品台旋转。图3b（仅显示一个通道）的方案具有类似的任务，即将SEM检测器模拟输出（如SE探测器）的输出范围拟合到相应ADC通道的输入范围。多匝电位器R2和R4分别控制增益和偏置。系统中最多可使用8个这样的通道。通道选择是由软件通过嵌入式模拟多路复用器，允许从不同的检测器形成图像。这可以同时进行（在每个电子束位置的给定像素处进行通道切换）或连续进行（逐帧通道切换）。

图3（a） DAC输出与SEM电子束偏转线圈输入之间的信号调制模块（图中为一个通道）;（b） ADC通道输入和SEM检测器输出之间的信号调制模块（一个通道）和（C） A/C线同步脉冲发生器。

图3c展示了一个产生A/C线同步TTL电平脉冲的简单方案。它们被馈送到微转换器的P3.4引脚，并由软件（仅在系统操作的相应模式下）与A/C线过零同步启动水平扫描线。在高倍率下，这大大减少了由杂散电磁场引起的畸变。

软件

软件由两部分组成：上位机上的应用层程序和通过USB协议进行通信的嵌入式微控制器底层程序。扫描电子显微镜的两种工作模式（EBL和数字图像采集）都有严格的时序要求，尤其是EBL，在给定电子束位置的停留时间决定了电荷剂量。这需要在电脑和微控制器之间仔细分配任务。

实时控制和数据采集的时间关键任务由微控制器程序执行，而应用程序实现高级控制并保证用户友好界面。电脑和接口单元间的双重缓冲确保了扫描过程中不会引入延迟。微控制器程序是用汇编器编写的（源代码可根据要求从作者处获得），并使用MetaLink的8051宏汇编器编译。Windows串行下载器用于通过串行端口下载由ASM51汇编器创建的因特尔标准十六进制文件。

微控制器程序保证了多种操作模式。上位机将所需的控制参数发送到接口单元，并将其切换到相应的模式。在单点模式下，上位机决定电子束位置。A/D所选的通道数据按要求发送到上位机。在这种模式下，上位机可将电子束定位在任意位置，并对来自不同ADC通道的信号进行采样，但时序精度限制在1ms左右。

快速光栅扫描模式用于快速观察和调整各种扫描电镜控制，如聚焦、对比度、消像散等。在这种模式下，光栅扫描以8位分辨率（128×128或256×256像散，最小停留时间为12us）以最大可能的速度（～4帧/秒）进行电子束定位。12位A/D数据从预先选择的通道从每个点发送到上位机。

在扫描模式下，以12位D/A分辨率（最大4096×4096）对视场进行光栅扫描。扫描控制参数为扫描场的左上角和右下角坐标，水平和垂直步长，停留时间。12位A/D数据从预先选择的通道从每个点发送到上位机。该扫描可以在有或没有A/C线同步的情况下执行。如果开启同步，则每条水平扫描线的起始时间由P3.4引脚处的电平跃迁决定（图3c）。

这种微处理器模式非常强大，通过几个控制参数，上位机程序可以获得不同驻留时间（最小15us）的图像，预定义全视场不同分辨率图像（256×256；512×512；1024×1024；2048×2048和4096×4096）或选择任意子场图像，线扫描模式等。需要提及的一点是，观察区域的实际大小是由扫描电镜放大控制而不是由软件决定的。

在EBL模式中，接口单元RAM用于缓冲信息，以控制电子束位置（2×12位），该点驻留时间（16位）和控制位（8位）-每个点总共6字节。控制位包含额外的信息，如是否发送A/D数据，绘制序列的结束，束闸的开关（束闸在该系统中尚未实现）。微控制器连续地从RAM中读取每条数据记录并执行相应的操作。读取和相应动作之间的时间间隔由先前读取的“驻留时间”参数决定。

在预填充RAM缓冲区所需的信息后，上位机将微控制器切换到EBL模式。接口单元RAM最多可以保存5333条记录，如果需要使用更多的点，必须重新填充。双重缓冲确保了重新填充过程的最小延迟。RAM缓冲数据的最后记录关闭束闸（如果使用）或将电子束送到视场中“未使用”的位置（没有束闸），然后微控制器从上位机请求下一个数据块。

微控制器按记录解释记录的这种“低级”格式允许非常灵活地控制EBL过程。将不同格式（光栅或矢量，CAD输出等）转换为这种“低级”格式的任务是分开的，并使系统开放。为了更快执行，EBL会话所需的所有数据都是经预先计算的或从磁盘读取的，由上位机程序转换为上述“低级”格式，并存储在电脑内存的数组中。

所有的定时通过使用8051核心的16位定时器/计数器T2完成，并广泛使用中断来确保最大精度。中断程序也用于使用FT245芯片服务数据交换。

因此，嵌入在微控制器程序存储器中的汇编程序封装了系统的主要功能，而将系统的一般控制、图像生成、EBL格式化数据传输和数据存储留给了电脑程序。这里最苛刻的任务是通过USB端口确保低电平通信。幸运的是，驱动程序是免费的，它允许FTDI设备与最流行的操作系统（Linux、windows 98和所有更高版本）一起工作。所有的函数调用都封装在一个标准的动态链接库（DLL）中。可以使用C、Visual Basic、Delphi等不同的高级语言编写应用程序，并确保通过USB与接口单元轻松通信。

在我们的示例中，应用程序是用Delphi 7编写的，正如上文提到的，可以很容易地用运行在不同操作系统上的任何高级语言完成。运行该软件所需的计算机资源要求并不高。在我们案例中，应用程序运行在一台 2GHz 、256 Mb 、Windows 2000操作系统电脑上。

该应用程序确保了对操作系统参数和操作模式的用户友好控制，各种格式的图像记录和存储（BMP、JPEG和原始数据）和扫描速度、软件可选择的子场成像，A/C线同步切换等。原始数据（每像素12位）文件可以很容易地转换为几乎任何图像格式，进一步处理和/或分析，例如使用免费的NIH软件包ImageJ或一些商业化软件。

目前，EBL的输入文件是上述格式的外部准备数据或简单的BMP格式图形，其中两个颜色通道的像素强度用于编码每个像素的停留时间。我们计划开发将更复杂的基于矢量的格式转换为上述“低级”格式的软件。

我们发现，处理通过SEM控件进行对比度调节外，进一步的自动软件对比度调节是一个非常有用的功能。每像素12位的灰度级分辨率高于最常用的图像格式（BMP或JPEG-灰度图像为8位）的可能存储分辨率。为了避免图像格式在12位转8位时丢失信息，每个*i 像素强度Ii *被转换为一个新值I i '，如下所示：

其中，Imin和Imax分别为整个图像的最小和最大像素强度，floor(x)表示最接近x且不大于x的整数。

典型案例

图4显示了在加速电压为15kV，放大倍数为x3k（左）和x20k（右）的情况下，数字记录的花粉二次电子图像（1024×1024像素）的示例。图像是由系统产生的，没有任何额外的图像处理。

图4 花粉在15kv加速电压下的二次电子图像。放大倍数×3k（左）和×20k（右）。

图5是由我们系统创造的EBL图形示例。该光刻胶为高分子量PMMA（分子量约996K），溶解在苯甲醚（2 wt.%）中，3000转/分钟旋涂在显微镜盖片上（20×20mm），在热板上烘烤2分钟。烘烤后PMMA层厚为105nm（椭偏仪测量）。

为了避免电荷影响，在匀胶前在基板上电子束蒸镀200nm铬。点曝光剂量为40fC，加速电压为20kV，曝光范围480×480um，超声显影140s（MIBK：IPA=1:3），IPA中浸泡30秒并用去离子水。图像由直径为600nm的点组成，排列在周期为1.25um的方形格子中。图5（左）中标记的子区域在高倍放大后显示在右侧。

图5 示例性EBL图案的光学显微镜图像

讨论

介绍了一种基于USB的数字成像和扫描电子显微镜电子束光刻微控制器系统的实现。该系统提供了高分辨率的数字成像，并能够在不太大的工作范围内用于电子束光刻。所提出的系统架构允许轻松改进器参数，如增加外部RAM缓冲区大小（ADuC812可使用高达16Mb）和DAC分辨率（16位外部DAC而不是12位内部ADC）。

由于USB接口的简单四线结构，光耦隔离可以很容易地添加到系统中，而无需改变其余的电子设备和软件。市场上有商用USB光耦隔离器和光耦隔离USB集线器。光耦隔离将降低噪声并避免接地回路问题。还可以使用电池供电的接口单元，这与光耦隔离将进一步降低噪声。