基于SEM的图形检测系统设计

1、基于SEM的图形检测系统设计         1、引言    扫描电镜是微电子工业和微细加工研究中不可缺少的设备，它的分辨率和扫描速度已经可以满足目前的要求。但是，对大面积图形进行检测时，现有的图形发生器就会出现如下问题:一是DSP芯片访问外部器件速度慢;二是扫描速度的种类不多，变换不够灵活。在本系统中，一方面，将D/A，A/D芯片的控制权由DSP移交给FPGA。原有图形发生器的核心DSP芯片对外部芯片D/A，A/D的控制访问速度最大仅为IMHz，而采用FPGA芯片进行控制可以达到25MHz的高

2、速度，并且对FPGA采集的数据采用大容量方式传输到DSP芯片，比原来采用单个数据采集要节约时间些;另一方面设计了多种A/D扫描速度和D/A的驱动转换速度，A/D采集图形分辨率有:512x512，1024xl024，4096x4096，8192x8192等，根据不同的线条宽度和要求进行选择;再者，可以扩大扫描场。将常用的扫描场大小80mx80m，100mxl00m，扩大到400mx400m，甚至更大，这样在大面积图形扫描时可减少图形拼接次数。采用以上措施后对系统总体效率的提高估计值计算如下:假设扫描时间为总体时间的1/6，FPGA实现外部控制速度为巧MHz，则:   

3、; 2、设计方案    图形检测系统的总体框图如图1所示。    整个系统由A/D转换单元、逻辑控制单元、处理显示单元、D/A转换单元组成。由于DSP承担多种任务，故增加了FPGA作为逻辑控制芯片。整个系统运行过程如下:由主机发送扫描命令，经DSP传给FPGA，再由FPGA根据所要求的扫描速度驱动D/A芯片，从而控制扫描电镜电子束移动，扫描图像数据经A/D芯片转换后传给FPGA，再经DSP主控芯片进行滤波处理，传给主机进行实时显示。    在扫描每一幅图像之前，都必须对扫描场进行校正。高速、高精度A/D芯

4、片将扫描到的标记检测数据实时地传到计算机进行处理，然后经过计算得出校正参数，传给增益、旋转、位移数模转换器，通过偏转放大器校正偏转部件，从而实现对扫描场的校正。    3、D/A转换单元设计    根据系统的需要，同时也是为了满足快速扫描图形的要求，本系统选用了16位高速、高精度的D/A芯片。为了保证D/A转换输出的快速、高精度，电路添加了差动微分调零电路、加速电路和输出放大电路。    3.1D/A主芯片外围电路    当输人数据量发生变化时，数据量并不能同时到达D/A芯片

5、，为了缩短电压的升、降时间，得到较好的电压输出，同时为了减小电压漂移，保证动态输出的准确性，故设计了差动微分调零电路，其作用是提高D/A电路输出电压的上升和下降速度，将零输人时的输出电压调节为零。    加速电路主要是为了提高D/A的建立时间，它是通过给差动微分调零电路和输出放大电路提供控制信号来实现的。输出到差动微分调零电路的信号是为了在电压升降变化时，加快电压变化的速度，以满足系统的要求;输出到放大电路的信号能够有效开启和关断芯片SDS00N中的CMOS门电路，使得D/A芯片输出到放大器的电压迅速通断。    输出放大电路将D/A

6、芯片输出得到的电压与调零电路的电压叠加后放大输出，以满足扫描电镜的需要。输出放大电路一方面能够提供扫描电镜所需的电压，另一方面能够保护D/A芯片。当外部输出电路发生短路时，强电流冲击到运算放大器，产生故障，截断电流，从而保护数模转换芯片。    3.2D/A转换    D/A芯片的好坏直接影响着整个系统的性能，其转换精度的大小决定着扫描电镜的电子束偏转的多少，而其转换速度的快慢则决定着是否能够满足快速扫描图形的要求。于是，本系统选用了16位高速、高精度的D/A芯片。    分辨率是衡量DAC静态特性的一个

7、重要参数，它是指D/A的模拟输出量可能被离散的数字量。    对于系统中的16位D/A芯片来说，共有65536个二进制编码，输出电压范围为士巧V，则其分辨率为3OV/65536二0.46mV。为了避免D/A芯片达到饱和，提高图形精度，并且保证其分辨率，系统设计时只选用了OxZFF一oxFCFF共6400个编码，其分辨率为:3ov/64000=0.47mv。    毛刺过冲量是衡量DAC动态特性的一个重要参数，其产生原因有两种:一方面是DAC中的模拟开关响应时间不一致，在开关过程中，权电阻网络相当于接收短时间的虚伪代码(称之“伪码”)，

8、因此在DAC的输出端形成突变尖峰脉冲;另一方面是数字信号变化很快，这种快速变化是由于内部电路藕合到输出端而引起的。针对以上原因，系统设计时特采取了以下措施:    (1)在DAC输出端加积分放大电路，并选择性能优良的运算放大器，其工作频率高达4lMHz，带宽3dB，建立时间仅为80ns。在IMHz的频率下，其失真仅为76dB，完全可以满足系统的要求;    (2)在DAC数据输人侧增加74ACT16245缓冲器，能够有效弥补DAC中模拟开关响应时间不一致的不足;    (3)软件滤波。当DAC输人端每变化

9、一次数据时，移动电子束至下一点，对该点进行多次采集，控制A/D转换，采用取多值求平均的方法进行滤波。    系统中采用了取五值求平均的中值滤波算法，该算法在主控芯片DSP中完成，采用C语言编程实现。    系统中，FPGA负责主D/A芯片的控制，实现电子束的步进速度以及单步大小。DSP用来控制增益、位移、旋转D/A芯片，对电子束进行校正。数模转换单元的结构如图2所示。    在进行样品的扫描之前，要对扫描场进行校正。于是，在主扫描数模单元后面添加了三组16位乘法数模变换器，通过改变它的增益、位移、旋转的参数大小，来偏转电子束，实现扫描场的校正。实质就是实现坐标系的旋转和位移。旋转D/A使得电子束偏转一个角度，与标准样品相平行。位移D/A可改变实际原点与理想原点的坐标差值。