引言

高速標準計算機接口的發展，如通用串行總線（USB）和功能強大微控制器的許多設備，如集成通信接口，計數器/計時器，數字輸入/輸出，模數（ADC)/數模轉換器（DAC）允許以相對較低的成本更容易地開發具體的科學應用。

電子束光刻（EBL）是科學和微電子工業中眾所周知的不可缺少的工具。科學家對現代納米科學領域日益增加的興趣及其新興分支，如光子晶體、納米光學、微電子機械系統、納米流體等，使EBL成為一個必要的工具。專用的電子束光刻設備已經商品化，并且提供高分辨和寫入速度以及大的寫入場，但對于一個研究實驗室來說，這通常是一筆不菲的投資。

通常在科學研究中，大的寫入場和吞吐量并沒有那么重要，對傳統的掃描電子顯微鏡進行改造以進行EBL工作是一種便宜得多的解決方案。這種需求促進了現有SEM改造成EBL系統的工作，其中的一些已經實現商業化。盡管如此，自建系統仍然會便宜得多，并且為定制應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準計算機接口的可用性，它們可以在小型實驗室中快速搭建。

雖然新式的SEM生成數字圖像，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。數字圖像記錄無疑會比攝影自拍更可取，且報道了許多解決方案。除了用于電子束控制的兩個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、幀面積和不同數據源合并數字圖像采集成為可能。

在本文中我們描述了一個通過USB連接接到計算機的以低成本微控制器為基礎的設備，可用于數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的SEM進行電子束光刻。與先前描述的系統不同，其中接口設備的基礎是商用數據采集板卡或圖像采集板卡，有時會略有修改以適應特定的工作。

在這里我們描述了基于幾個現代集成電路的USB接口微控制器設備的完整設計。這進一步降低了系統成本（印刷電路板+集成電路的價格約200美元；不包括個人電腦）。該系統的主要優點在于其主要功能集中在開發的微控制器軟件中，該軟件執行所有時間關鍵的底層控制和數據采集任務。廣泛使用的USB接口，使該系統便攜和獨立于計算機和操作系統。

硬件

圖1顯示了整個系統的框圖，包括三個主要部分：掃描電子顯微鏡、電腦和接口單元（IU）。電腦通過標準USB接口與接口單元連接，保持快速的雙向數據交換。從SEM方面，接口單元確保多達8個模擬輸入，用于從各種SEM信號中獲取數據和形成圖像；兩個模擬輸出用于電子束位置控制，一個數字信號用于可選的束閘控制。

圖1 用于電子束光刻和數字圖像采集的掃描電子顯微鏡升級系統框圖

接口單元內部圖如圖1所示。該設備的核心是一個完全集成的12位數據采集系統 ADuC812，它在單個芯片上集成了高性能自校準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，兩個用于電子束位置二維控制的DAC和八個用于數據采集的ADC通道。12位ADC和DAC分辨率足以實現高質量的數字圖像配準，產生具有12位灰度深度、高達400萬像素（4096×4096）的SEM圖像。對于不是非常大的寫入場來說，對于電子束光刻任務，該設備是令人滿意的。

其他功能模塊包括USB和RS-232接口模塊、32Kb外部RAM內存，A/C同步模塊、模擬信號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，而系統實際工作時使用USB（USB1.0）連接，保證電腦和接口單元之間的雙向數據交換。

在一些掃描和電子束光刻操作模式中，額外的32Kb內存用于緩沖X（水平）、Y（垂直）坐標的電子束位置和/或駐留時間數據。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，以盡量減少雜散場的影響。模擬信號調制是必要的，以匹配ADC輸入電壓范圍（0～2.5V）與檢測器信號范圍（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）也必須轉換為驅動SEM偏轉線圈電子器件的輸入點電壓范圍（-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方案（不含信號調制模塊、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。信號調制模塊，A/C同步模塊和電源未顯示

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

最后增益控制用于精細調整圖像寬高比到1，使用一些拉長的對象（沒有傾斜），并采取圖像在0°和90°樣品臺旋轉。圖3b（僅顯示一個通道）的方案具有類似的任務，即將SEM檢測器模擬輸出（如SE探測器）的輸出范圍擬合到相應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。系統中最多可使用8個這樣的通道。通道選擇是由軟件通過嵌入式模擬多路復用器，允許從不同的檢測器形成圖像。這可以同時進行（在每個電子束位置的給定像素處進行通道切換）或連續進行（逐幀通道切換）。

圖3（a） DAC輸出與SEM電子束偏轉線圈輸入之間的信號調制模塊（圖中為一個通道）;（b） ADC通道輸入和SEM檢測器輸出之間的信號調制模塊（一個通道）和（C） A/C線同步脈沖發生器。

圖3c展示了一個產生A/C線同步TTL電平脈沖的簡單方案。它們被饋送到微轉換器的P3.4引腳，并由軟件（僅在系統操作的相應模式下）與A/C線過零同步啟動水平掃描線。在高倍率下，這大大減少了由雜散電磁場引起的畸變。

軟件

軟件由兩部分組成：上位機上的應用層程序和通過USB協議進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和數字圖像采集）都有嚴格的時序要求，尤其是EBL，在給定電子束位置的停留時間決定了電荷劑量。這需要在電腦和微控制器之間仔細分配任務。

實時控制和數據采集的時間關鍵任務由微控制器程序執行，而應用程序實現高級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程中不會引入延遲。微控制器程序是用匯編器編寫的（源代碼可根據要求從作者處獲得），并使用MetaLink的8051宏匯編器編譯。Windows串行下載器用于通過串行端口下載由ASM51匯編器創建的因特爾標準十六進制文件。

微控制器程序保證了多種操作模式。上位機將所需的控制參數發送到接口單元，并將其切換到相應的模式。在單點模式下，上位機決定電子束位置。A/D所選的通道數據按要求發送到上位機。在這種模式下，上位機可將電子束定位在任意位置，并對來自不同ADC通道的信號進行采樣，但時序精度限制在1ms左右。

快速光柵掃描模式用于快速觀察和調整各種掃描電鏡控制，如聚焦、對比度、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，最小停留時間為12us）以最大可能的速度（～4幀/秒）進行電子束定位。12位A/D數據從預先選擇的通道從每個點發送到上位機。

在掃描模式下，以12位D/A分辨率（最大4096×4096）對視場進行光柵掃描。掃描控制參數為掃描場的左上角和右下角坐標，水平和垂直步長，停留時間。12位A/D數據從預先選擇的通道從每個點發送到上位機。該掃描可以在有或沒有A/C線同步的情況下執行。如果開啟同步，則每條水平掃描線的起始時間由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大，通過幾個控制參數，上位機程序可以獲得不同駐留時間（最小15us）的圖像，預定義全視場不同分辨率圖像（256×256；512×512；1024×1024；2048×2048和4096×4096）或選擇任意子場圖像，線掃描模式等。需要提及的一點是，觀察區域的實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），該點駐留時間（16位）和控制位（8位）-每個點總共6字節?？刂莆话~外的信息，如是否發送A/D數據，繪制序列的結束，束閘的開關（束閘在該系統中尚未實現）。微控制器連續地從RAM中讀取每條數據記錄并執行相應的操作。讀取和相應動作之間的時間間隔由先前讀取的“駐留時間”參數決定。

在預填充RAM緩沖區所需的信息后，上位機將微控制器切換到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，必須重新填充。雙重緩沖確保了重新填充過程的最小延遲。RAM緩沖數據的最后記錄關閉束閘（如果使用）或將電子束送到視場中“未使用”的位置（沒有束閘），然后微控制器從上位機請求下一個數據塊。

微控制器按記錄解釋記錄的這種“低級”格式允許非常靈活地控制EBL過程。將不同格式（光柵或矢量，CAD輸出等）轉換為這種“低級”格式的任務是分開的，并使系統開放。為了更快執行，EBL會話所需的所有數據都是經預先計算的或從磁盤讀取的，由上位機程序轉換為上述“低級”格式，并存儲在電腦內存的數組中。

所有的定時通過使用8051核心的16位定時器/計數器T2完成，并廣泛使用中斷來確保最大精度。中斷程序也用于使用FT245芯片服務數據交換。

因此，嵌入在微控制器程序存儲器中的匯編程序封裝了系統的主要功能，而將系統的一般控制、圖像生成、EBL格式化數據傳輸和數據存儲留給了電腦程序。這里最苛刻的任務是通過USB端口確保低電平通信。幸運的是，驅動程序是免費的，它允許FTDI設備與最流行的操作系統（Linux、windows 98和所有更高版本）一起工作。所有的函數調用都封裝在一個標準的動態鏈接庫（DLL）中。可以使用C、Visual Basic、Delphi等不同的高級語言編寫應用程序，并確保通過USB與接口單元輕松通信。

在我們的示例中，應用程序是用Delphi 7編寫的，正如上文提到的，可以很容易地用運行在不同操作系統上的任何高級語言完成。運行該軟件所需的計算機資源要求并不高。在我們案例中，應用程序運行在一臺 2GHz 、256 Mb 、Windows 2000操作系統電腦上。

該應用程序確保了對操作系統參數和操作模式的用戶友好控制，各種格式的圖像記錄和存儲（BMP、JPEG和原始數據）和掃描速度、軟件可選擇的子場成像，A/C線同步切換等。原始數據（每像素12位）文件可以很容易地轉換為幾乎任何圖像格式，進一步處理和/或分析，例如使用免費的NIH軟件包ImageJ或一些商業化軟件。

目前，EBL的輸入文件是上述格式的外部準備數據或簡單的BMP格式圖形，其中兩個顏色通道的像素強度用于編碼每個像素的停留時間。我們計劃開發將更復雜的基于矢量的格式轉換為上述“低級”格式的軟件。

我們發現，處理通過SEM控件進行對比度調節外，進一步的自動軟件對比度調節是一個非常有用的功能。每像素12位的灰度級分辨率高于最常用的圖像格式（BMP或JPEG-灰度圖像為8位）的可能存儲分辨率。為了避免圖像格式在12位轉8位時丟失信息，每個*i 像素強度Ii *被轉換為一個新值I i '，如下所示：

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

典型案例

圖4顯示了在加速電壓為15kV，放大倍數為x3k（左）和x20k（右）的情況下，數字記錄的花粉二次電子圖像（1024×1024像素）的示例。圖像是由系統產生的，沒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×3k（左）和×20k（右）。

圖5是由我們系統創造的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/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的點組成，排列在周期為1.25um的方形格子中。圖5（左）中標記的子區域在高倍放大后顯示在右側。

圖5 示例性EBL圖案的光學顯微鏡圖像

討論

介紹了一種基于USB的數字成像和掃描電子顯微鏡電子束光刻微控制器系統的實現。該系統提供了高分辨率的數字成像，并能夠在不太大的工作范圍內用于電子束光刻。所提出的系統架構允許輕松改進器參數，如增加外部RAM緩沖區大小（ADuC812可使用高達16Mb）和DAC分辨率（16位外部DAC而不是12位內部ADC）。

由于USB接口的簡單四線結構，光耦隔離可以很容易地添加到系統中，而無需改變其余的電子設備和軟件。市場上有商用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題。還可以使用電池供電的接口單元，這與光耦隔離將進一步降低噪聲。