УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Полезная модель относится к измерительной технике для испытания полупроводниковых элементов на стойкость к воздействию тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) космического пространства, а более конкретно к тестированию интегральных схем (ИС) на чувствительность к космическому излучению.
Одним из основных факторов, влияющих на функционирование электронных приборов космических аппаратов, является воздействие ионизирующих излучений космического пространства. Попадание даже одной ядерной частицы - протона, либо (ТЗЧ), - в чувствительный объем ИС может привести к нарушению штатной работы устройства - т.н. одиночный сбой (ОС). Одиночные сбои происходят вследствие переключения логического состояния элемента ИС, в чувствительном объеме которого при ионизационном торможении заряженной частицы возникает достаточный для переключения локальный заряд. Для защиты электронных приборов от ОС применяются специальные схемотехнические и программно-алгоритмические решения. Определение стойкости интегральных схем к ОС под действием космических излучений, является важным элементом задачи обеспечения надежности бортовой аппаратуры и космического аппарата в целом.
Известно устройство, реализованное в способе определения стойкости полупроводниковых приборов к эффектам одиночных сбоев (ОС) под действием отдельных заряженных частиц, заключающийся в облучении приборов пучком протонов или ионов на линейных или циклических ускорителях и измерении параметров их работы до и после облучения, описанный в статье Заитова Ф.А., Литвиновой Н.М., Савицкой В.Г. и Средина В.Г. под названием «Радиационная стойкость в оптоэлектронике», М.: Воениздат, 1987, с. 27.
Недостаток этого устройства состоит в его высокой стоимости и трудоемкости, вследствие больших габаритов современных ускорителей, загруженности научными задачами. Также следует отметить, что переход с одного сорта ионов на другой является достаточно сложной процедурой, на выполнение которой обычно требуется больше суток, это делает проведение измерений трудоемкой задачей.
Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является устройство для испытания интегральных схем на стойкость к воздействию заряженных частиц, описанное в патенте US 8947115, МПК G01R 31/28, H01L 21/66, опубл. 06.10.2011 г. под названием «Метод тестирования чувствительности компонентов и схем электронного оборудования к воздействию пучков частиц и фотонов с использованием ускорения плазмы», содержащее следующие основные модули: лазерный источник с длительностью импульсов от нескольких наносекунд до нескольких фемтосекунд и с частотой повторения от одиночных импульсов до мегагерц, и с энергией от нескольких микроджоулей до килоджоулей, вакуумную мишенную камеру, оптическую фокусирующую систему, состоящую из не менее одного поворотных зеркал и параболического фокусирующего объектива, мишенного узла для позиционирования твердотельных мишеней, систему отклонения ионов, систему позиционирования интегральной схемы и систему питания и управления интегральной схемой, расположенной за пределами мишенной камеры.
Преимущество этого устройства состоит в сравнительно невысокой стоимости лазерного источника, являющегося основным элементом системы, а также в возможности получения посредством методов лазерного ускорения пучков ионов с энергетическим спектром в значительной мере схожим по параметрам со спектром заряженных частиц космического пространства.
Недостаток известного устройства состоит в том, что оно не позволяет генерировать ТЗЧ. При облучении твердотельных мишеней мощным лазерным импульсом, ускорение происходит за счет электростатического поля, формируемого вблизи поверхности. Пучок ускоренных ионов образуется из частиц, находящихся в поверхностном слое мишени толщиной около 10 нм. Как правило, этот слой содержит большое количество углеводородных загрязнений (пары масел из вакуумных насосов, пары воды, содержащиеся в остаточном газе вакуумной камеры и др.). Поэтому при лазерном ускорении пучки частиц состоят из протонов и ионов углерода и кислорода. Эффективно ускорить ТЗЧ методами лазерного ускорения без применения специальных методов очистки поверхности мишени не удается.
Задача настоящей полезной модели заключается в создании источника ТЗЧ с применением методов лазерного ускорения для определения стойкости ИС к воздействию ТЗЧ космического пространства.
Технический результат заключается в том, что удалось сгенерировать пучок ТЗЧ с параметрами, подходящими для такого рода исследований.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для испытания интегральных схем на стойкость к воздействию тяжелых заряженных частиц, содержащее лазерный источник, вакуумную мишенную камеру, оптическую фокусирующую систему, состоящую из не менее одного поворотных зеркал и параболического фокусирующего объектива, мишенного узла для позиционирования твердотельных мишеней, систему отклонения ионов, систему позиционирования интегральной схемы и систему питания и управления интегральной схемой, расположенной за пределами мишенной камеры, отличающееся тем, что оно снабжено системой очистки твердотельных мишеней от поверхностных загрязнений.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
Техническое решение проиллюстрировано на чертеже, где представлена схема лабораторной лазерной установки для тестирования интегральных схем (ИС) на одиночные сбои (ОС) и введены следующие обозначения:
УКЛ - лазер с ультракороткой длительностью импульса;
MB К - мишенная вакуумная камера; ЛИ - лазерный импульс;
СФЛИ - система фокусировки лазерного излучения;
МУ - мишенный узел; СОМ - система очистки мишени;
СПиУМУ - система питания и управления мишенным узлом;
СКФ - система контроля фокусировки;
ТЗЧ - тяжелые заряженные частицы (тяжелые ионы);
МСОИ - магнитная система отклонения ионов;
АИ - анализатор ионов; ИО - исследуемый объект;
СПИО - система питания исследуемого объекта.
Устройство для испытания интегральных схем на стойкость к воздействию тяжелых заряженных частиц состоит из лазера с ультракороткой длительностью импульса (УКЛ), мишенной вакуумной камеры (МВК), включающей оптическую фокусирующую систему (СФЛИ), состоящую из не менее одного поворотного зеркала и параболического фокусирующего объектива (на чертеже не показаны), мишенный узел (МУ), магнитную систему отклонения ионов (МСОИ), анализатор ионов (АИ) и исследуемый объект (ИО), системы контроля фокусировки (СКФ), системы питания и управления мишенным узлом (СПиУМУ), системы питания исследуемого объекта (СПИО) и системы очистки мишени (СОМ).
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Лазерный импульс (ЛИ), либо последовательность лазерных импульсов, сгенерированная лазером с ультракороткой длительностью импульса (УКЛ), фокусируются на мишень посредством системы фокусировки (СФЛИ). Мишень представляет собой тонкую фольгу, целиком, либо частично состоящую из металла с высоким атомным номером. Мишень или набор мишеней закреплены в мишенном узле (МУ), который обеспечивает их перемещение относительно фокуса лазерного импульса (ЛИ) для настройки, а также для смены мишеней в промежутках времени между отдельными лазерными импульсами (ЛИ). Система питания и управления мишенным узлом (СПиУМУ) позволяет управлять мишенным узлом (МУ) дистанционно, в том числе в автоматическом режиме. Требуемая плотность мощности лазерного излучения на мишени достигается за счет измерения диаметра пятна фокусировки посредством системы контроля фокусировки (СКФ). Система контроля фокусировки (СКФ) может подавать управляющие сигналы на систему питания и управления мишенным узлом (СПиУМУ), необходимые для совмещения мишени с фокусом лазерного импульса (ЛИ).
Часто металлические фольги, которые используются в качестве мишеней на лазерных установках, имеют поверхностные загрязнения в виде оксидов, конденсированных паров воды и других соединений, состоящих из легких химических элементов. Эти загрязнения могут препятствовать ускорению тяжелых ионов. В предлагаемой схеме установки для удаления поверхностных загрязнений используется система очистки мишеней (СОМ) работающая по одному из указанных принципов:
- абляция низкоинтенсивным лазерным импульсом,
- ионное травление,
- омический нагрев,
- нагрев непрерывным лазерным излучением;
- либо по какому-либо другому принципу, либо по комбинации нескольких принципов.
Тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ), эмитируемые из облученной лазерным импульсом мишени, пролетают через магнитную систему отклонения (МСОИ). В данной системе за счет действия магнитного поля происходит разделение ионов по отношению заряда к массе. Ионы с необходимыми параметрами направляются на исследуемый объект (ИО). Электропитание и контроль, возникающих сбоев в исследуемом объекте (ИО), осуществляются системой питания исследуемого объекта (СПИО). Контроль спектрального и зарядового состава ионного пучка осуществляется посредством регистрации части пучка анализатором ионов (АИ).
2
Посредством заявленного технического решения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле полезной модели, авторами получены пучки ионов тантала с энергиями до 47 МэВ, что соответствует линейным потерям энергии (ЛПЭ) в кремнии на уровне 35 МэВ×см/мг.
Для заявленного технического решения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле полезной модели, подтверждена возможность ее осуществления с помощью вышеописанных конструктивных решений и способность обеспечения достижения указанного технического результата. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».