基于SEM的圖形檢測系統(tǒng)設(shè)計

1、基于SEM的圖形檢測系統(tǒng)設(shè)計         1、引言    掃描電鏡是微電子工業(yè)和微細(xì)加工研究中不可缺少的設(shè)備，它的分辨率和掃描速度已經(jīng)可以滿足目前的要求。但是，對大面積圖形進(jìn)行檢測時，現(xiàn)有的圖形發(fā)生器就會出現(xiàn)如下問題:一是DSP芯片訪問外部器件速度慢;二是掃描速度的種類不多，變換不夠靈活。在本系統(tǒng)中，一方面，將D/A，A/D芯片的控制權(quán)由DSP移交給FPGA。原有圖形發(fā)生器的核心DSP芯片對外部芯片D/A，A/D的控制訪問速度最大僅為IMHz，而采用FPGA芯片進(jìn)行控制可以達(dá)到25MHz的高

2、速度，并且對FPGA采集的數(shù)據(jù)采用大容量方式傳輸?shù)紻SP芯片，比原來采用單個數(shù)據(jù)采集要節(jié)約時間些;另一方面設(shè)計了多種A/D掃描速度和D/A的驅(qū)動轉(zhuǎn)換速度，A/D采集圖形分辨率有:512x512，1024xl024，4096x4096，8192x8192等，根據(jù)不同的線條寬度和要求進(jìn)行選擇;再者，可以擴(kuò)大掃描場。將常用的掃描場大小80mx80m，100mxl00m，擴(kuò)大到400mx400m，甚至更大，這樣在大面積圖形掃描時可減少圖形拼接次數(shù)。采用以上措施后對系統(tǒng)總體效率的提高估計值計算如下:假設(shè)掃描時間為總體時間的1/6，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)外部控制速度為巧MHz，則:   

3、; 2、設(shè)計方案    圖形檢測系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。    整個系統(tǒng)由A/D轉(zhuǎn)換單元、邏輯控制單元、處理顯示單元、D/A轉(zhuǎn)換單元組成。由于DSP承擔(dān)多種任務(wù)，故增加了FPGA作為邏輯控制芯片。整個系統(tǒng)運(yùn)行過程如下:由主機(jī)發(fā)送掃描命令，經(jīng)DSP傳給FPGA，再由FPGA根據(jù)所要求的掃描速度驅(qū)動D/A芯片，從而控制掃描電鏡電子束移動，掃描圖像數(shù)據(jù)經(jīng)A/D芯片轉(zhuǎn)換后傳給FPGA，再經(jīng)DSP主控芯片進(jìn)行濾波處理，傳給主機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示。    在掃描每一幅圖像之前，都必須對掃描場進(jìn)行校正。高速、高精度A/D芯

4、片將掃描到的標(biāo)記檢測數(shù)據(jù)實(shí)時地傳到計算機(jī)進(jìn)行處理，然后經(jīng)過計算得出校正參數(shù)，傳給增益、旋轉(zhuǎn)、位移數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過偏轉(zhuǎn)放大器校正偏轉(zhuǎn)部件，從而實(shí)現(xiàn)對掃描場的校正。    3、D/A轉(zhuǎn)換單元設(shè)計    根據(jù)系統(tǒng)的需要，同時也是為了滿足快速掃描圖形的要求，本系統(tǒng)選用了16位高速、高精度的D/A芯片。為了保證D/A轉(zhuǎn)換輸出的快速、高精度，電路添加了差動微分調(diào)零電路、加速電路和輸出放大電路。    3.1D/A主芯片外圍電路    當(dāng)輸人數(shù)據(jù)量發(fā)生變化時，數(shù)據(jù)量并不能同時到達(dá)D/A芯片

5、，為了縮短電壓的升、降時間，得到較好的電壓輸出，同時為了減小電壓漂移，保證動態(tài)輸出的準(zhǔn)確性，故設(shè)計了差動微分調(diào)零電路，其作用是提高D/A電路輸出電壓的上升和下降速度，將零輸人時的輸出電壓調(diào)節(jié)為零。    加速電路主要是為了提高D/A的建立時間，它是通過給差動微分調(diào)零電路和輸出放大電路提供控制信號來實(shí)現(xiàn)的。輸出到差動微分調(diào)零電路的信號是為了在電壓升降變化時，加快電壓變化的速度，以滿足系統(tǒng)的要求;輸出到放大電路的信號能夠有效開啟和關(guān)斷芯片SDS00N中的CMOS門電路，使得D/A芯片輸出到放大器的電壓迅速通斷。    輸出放大電路將D/A

6、芯片輸出得到的電壓與調(diào)零電路的電壓疊加后放大輸出，以滿足掃描電鏡的需要。輸出放大電路一方面能夠提供掃描電鏡所需的電壓，另一方面能夠保護(hù)D/A芯片。當(dāng)外部輸出電路發(fā)生短路時，強(qiáng)電流沖擊到運(yùn)算放大器，產(chǎn)生故障，截斷電流，從而保護(hù)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。    3.2D/A轉(zhuǎn)換    D/A芯片的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的性能，其轉(zhuǎn)換精度的大小決定著掃描電鏡的電子束偏轉(zhuǎn)的多少，而其轉(zhuǎn)換速度的快慢則決定著是否能夠滿足快速掃描圖形的要求。于是，本系統(tǒng)選用了16位高速、高精度的D/A芯片。    分辨率是衡量DAC靜態(tài)特性的一個

7、重要參數(shù)，它是指D/A的模擬輸出量可能被離散的數(shù)字量。    對于系統(tǒng)中的16位D/A芯片來說，共有65536個二進(jìn)制編碼，輸出電壓范圍為士巧V，則其分辨率為3OV/65536二0.46mV。為了避免D/A芯片達(dá)到飽和，提高圖形精度，并且保證其分辨率，系統(tǒng)設(shè)計時只選用了OxZFF一oxFCFF共6400個編碼，其分辨率為:3ov/64000=0.47mv。    毛刺過沖量是衡量DAC動態(tài)特性的一個重要參數(shù)，其產(chǎn)生原因有兩種:一方面是DAC中的模擬開關(guān)響應(yīng)時間不一致，在開關(guān)過程中，權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于接收短時間的虛偽代碼(稱之“偽碼”)，

8、因此在DAC的輸出端形成突變尖峰脈沖;另一方面是數(shù)字信號變化很快，這種快速變化是由于內(nèi)部電路藕合到輸出端而引起的。針對以上原因，系統(tǒng)設(shè)計時特采取了以下措施:    (1)在DAC輸出端加積分放大電路，并選擇性能優(yōu)良的運(yùn)算放大器，其工作頻率高達(dá)4lMHz，帶寬3dB，建立時間僅為80ns。在IMHz的頻率下，其失真僅為76dB，完全可以滿足系統(tǒng)的要求;    (2)在DAC數(shù)據(jù)輸人側(cè)增加74ACT16245緩沖器，能夠有效彌補(bǔ)DAC中模擬開關(guān)響應(yīng)時間不一致的不足;    (3)軟件濾波。當(dāng)DAC輸人端每變化

9、一次數(shù)據(jù)時，移動電子束至下一點(diǎn)，對該點(diǎn)進(jìn)行多次采集，控制A/D轉(zhuǎn)換，采用取多值求平均的方法進(jìn)行濾波。    系統(tǒng)中采用了取五值求平均的中值濾波算法，該算法在主控芯片DSP中完成，采用C語言編程實(shí)現(xiàn)。    系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)主D/A芯片的控制，實(shí)現(xiàn)電子束的步進(jìn)速度以及單步大小。DSP用來控制增益、位移、旋轉(zhuǎn)D/A芯片，對電子束進(jìn)行校正。數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示。    在進(jìn)行樣品的掃描之前，要對掃描場進(jìn)行校正。于是，在主掃描數(shù)模單元后面添加了三組16位乘法數(shù)模變換器，通過改變它的增益、位移、旋轉(zhuǎn)的參數(shù)大小，來偏轉(zhuǎn)電子束，實(shí)現(xiàn)掃描場的校正。實(shí)質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和位移。旋轉(zhuǎn)D/A使得電子束偏轉(zhuǎn)一個角度，與標(biāo)準(zhǔn)樣品相平行。位移D/A可改變實(shí)際原點(diǎn)與理想原點(diǎn)的坐標(biāo)差值。