Лазерная установка с перестраиваемой длиной волны для исследования радиационной стойкости интегральных схем на основе Si, GaAs, SiGe к воздействию отдельных заряженных частиц

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам для проведения испытаний полупроводниковых элементов на стойкость к воздействию отдельных заряженных частиц лазерными методами.
Широкое применение больших и сверхбольших интегральных схем (ИС), а также силовых и высоковольтных транзисторов в качестве электронной компонентной базы космической аппаратуры и авионики требует проведения работ по оценке их чувствительности к одиночным радиационным эффектам воздействия отдельных заряженных частиц - ионов и протонов космического пространства. К наиболее важным одиночным радиационным эффектам относятся одиночные сбои и тиристорные эффекты.
Традиционные методы оценки параметров чувствительности ИС к воздействию отдельных заряженных частиц основываются на результатах испытаний на ускорителях ионов и протонов, которые являются достаточно трудоемкими и дорогостоящими. К тому же, в силу статистического характера взаимодействия излучения с веществом, данные методы являются неэффективными при сравнении различных схемно-технологических методов обеспечения радиационной стойкости ИС.
В настоящее время развиваются альтернативные методы, основанные на использовании сфокусированного лазерного излучения ультракороткой длительности. Было показано, что эффекты, вызываемые в полупроводниковых приборах сфокусированными ультракороткими лазерными импульсами пикосекундной длительности, идентичны по электрической реакции ИС эффектам от воздействия отдельных заряженных частиц. Моделирование электрических эффектов от воздействий отельных заряженных частиц с помощью лазерных импульсов имеет ряд преимуществ перед традиционными методами, предполагающими использование пучка заряженных частиц (ионов):
- возможность локализовать чувствительные элементы с микронной точностью;
- возможность изучать динамическую чувствительность к одиночным сбоям в различных режимах работы ИС;
- высокая воспроизводимость лазерного импульсного возбуждения;
- возможность многократно воздействовать на элемент ИС, не вызывая накопления необратимых изменений;
- лазерные установки для исследования радиационной стойкости ИС могут быть достаточно компактны;
- не требуется помещение исследуемого прибора в вакуумную камеру;
- возможность расположения приборов функционального контроля в непосредственной близости к исследуемому объекту снижает уровень помех, что имеет особое значение при проведении испытаний на одиночные сбои устройств с высоким быстродействием;
- лазеры имеют меньшую стоимость, чем источники пучков частиц, более радиационно безопасны, экологичны, легко поддаются автоматизации, удобны в обращении и управлении.
Описанные особенности позволяют утверждать, что сфокусированное излучение пикосекундных лазеров может успешно применяться для имитации эффектов, возникающих в полупроводниковых приборах под действием космических лучей. В настоящее время лазерное излучение применяется для имитации:
- одиночных сбоев, представляющих собой изменение логического состояния ячейки памяти (или триггера), возникающего вследствие перехода закрытого транзистора в проводящее состояние при воздействии на него отдельных заряженных частиц;
- одиночных переходных процессов, проявляющихся как короткие всплески тока, способные приводить к аномальному поведению других компонент, практически всегда присутствующих в бортовой аппаратуре, таких как логические элементы, функционально зависимые от возбуждаемого элемента;
- тиристорного эффекта, возникающего при активации так называемых паразитных транзисторных структур, не участвующими в формировании целевых логических элементов ИС.
Применение методов тестирования ИС пикосекундными лазерными импульсами позволяет, сканируя поверхность ИС, прецизионно локализовать чувствительные к описанным эффектам области и найти пороги их возникновения.
Так, например, известно устройство для исследования радиационной стойкости ИС (патент на полезную модель RU 110488 U1) к воздействию отдельных заряженных частиц, содержащее лазерный источник для излучения ультракоротких лазерных импульсов длительностью 70 пc, блок ослабления излучения, фокусирующее устройство, предметный столик для размещения исследуемой ИС, выполненный с возможностью перемещения в трех направлениях, блок измерения энергии лазерного импульса, блок визуального контроля в виде ПЗС-камеры, а также систему компьютерного управления и функционального контроля.
К недостаткам известного устройства относится невозможность осуществления исследований ИС при облучении со стороны активного слоя, над активной областью которых находится несколько слоев металлизации, а также микросхем, выполненных по технологии «Flip-Chip», то есть микросхем с перевернутым кристаллом и приборным слоем, обращенным к подложке. Для преодоления указанной проблемы был предложен способ облучения исследуемой микросхемы со стороны подложки, что оказалось возможным, благодаря прозрачности чистого кремния для длин волн больше 1100 нм. Однако визуализация и регистрация изображения топологии исследуемой микросхемы сквозь подложку на этом устройстве невозможны, так как в канале наблюдения используется камера видимого диапазона, в котором кремний непрозрачен.
Еще одним ограничением применимости известного устройства является использование фиксированной рабочей длины волны, а именно 1064 нм, оптимизированной под исследования КМОП-структур на основе кремния. Для некремниевых ИС на основе таких полупроводниковых материалов, как GaAs, SiGe и др., набор оптимальных длин волн лежит в диапазоне от 700 до 1000 нм. Осуществление плавной перестройки длины волны в указанном диапазоне позволяет подобрать необходимую длину волны для указанных выше полупроводниковых материалов.
Технический результат предложенной полезной модели заключается в обеспечении возможности проведения испытаний на радиационную стойкость микросхем на основе некремниевых материалов (GaAs, SiGe и др.) к воздействию отдельных заряженных частиц лазерными методами.
Он реализуется за счет перестройки в необходимом диапазоне длины волны лазерного излучения, сфокусированного на активном слое исследуемой микросхемы при облучении со стороны подложки, с возможностью визуализации и регистрации изображения топологии микросхемы сквозь подложку с помощью дополнительного канала наблюдения с камерой инфракрасного диапазона.
5
Указанный технический результат достигается в практической реализации заявленной модели лазерной установки с перестраиваемой длиной волны для исследования радиационной стойкости ИС на основе Si, GaAs, SiGe и др. к воздействию отдельных заряженных частиц, содержащей следующие основные модули: лазерный источник пикосекундных импульсов, состоящий из пикосекундного лазера с длинами волн 1064 нм и 532 нм и длительностью импульсов 25 пс, работающего в режиме повторяющихся импульсов с частотой, регулируемой в пределах от 1 до 1000 Гц, и блока перестройки длины волны на основе оптического параметрического генератора (ОПГ), преобразующего лазерное излучение с длиной волны 532 нм в перестраиваемое излучение сигнальной (диапазон от 700 до 1000 нм) и холостой (диапазон от 1150 до 2200 нм) волн; модуль фокусировки лазерного излучения, состоящий из оснащенного лазерным портом широкоапертурного микроскопа c телецентрическим осветителем, обеспечивающих работу в видимой и ближней инфракрасной области спектра; модуль селектора длины волны и согласования параметров пучков с длинами волн от 700 до 1000 нм, 1064 нм и от 1150 до 2200 нм, вводимых в микроскоп через лазерный порт; модуль плавного ослабления лазерного излучения с программно регулируемым коэффициентом ослабления от 1 до 10 на основе трех соосных лазерных поляризационных призм Глана; модуль видеокамер для визуализации и регистрации фрагментов топологии исследуемых микросхем, состоящий из камер видимого и инфракрасного диапазона, а также установленных в канале наблюдения спектральных светофильтров; модуль позиционирования исследуемой ИС на основе трех прецизионных линейных шаговых приводов, позволяющих осуществлять перемещение ИС в трех направлениях относительно точки фокусировки лазерного пучка; модуль функционального контроля ИС и систему управления всеми модулями имитатора на базе ПК с пакетом специализированного программного обеспечения.
Указанные признаки являются существенными, а их совокупность является достаточной для достижения указанного технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
Сущность устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена блок-схема предложенного лазерного имитатора для исследования радиационной стойкости ИС к воздействию отдельных заряженных частиц. Упрощенная оптическая схема модуля фокусировки совместно с модулем видеокамер показана на фиг. 2.
На чертежах введены следующие обозначения:
1. Пикосекундный лазер
2. Оптический параметрический генератор
3. Модуль селектора длины волны
4. Модуль плавного ослабления лазерного излучения
5. Лазерный порт
6. Модуль фокусировки (микроскоп)
7. Модуль видеокамер
8. Система управления
9. Модуль функционального контроля ИС
10. Исследуемая ИС
11. Модуль позиционирования
12. Тубусная линза
13. Камера ИК диапазона
14. Полосовой и коротковолновый светофильтры
15. Цветная камера (видимого диапазона)
16. Галогенный источник света
17. Волоконный жгут
18. Телецентрический осветитель
19. Делительная пластина
20. Объектив микроскопа
Лазерный импульс пикосекундного источника излучения 1 и 2 с перестраиваемой длиной волны, пройдя через модуль селектора длины волны 3 и модуль ослабления 4, фокусируется с помощью объектива 20 на кристалл исследуемой ИС 10 в пятно с минимальным диаметром. Модуль позиционирования 11 обеспечивает прецизионное перемещение образца ИС в объектной плоскости XY и совмещение положения поверхности исследуемой ИС по оси Z с плоскостью острой фокусировки лазерного пучка.
Визуальное наблюдение и/или регистрация топологии участка ИС осуществляется с помощью модуля видеокамер 7, состоящего из камеры видимого диапазона 15 - при облучении со стороны активного слоя, и инфракрасного диапазона 13 - при облучении со стороны подложки. Сигнал с выбранной камеры обрабатывается ПК и выводится на монитор. Задание параметров импульса излучения, подачу функциональных команд и синхронизацию работы всех модулей установки осуществляет единая система управления 8 на базе ПК.
3+
лаз.
Лазерный имитатор разработан и практически реализован АО «ЭНПО СПЭЛС» и НИЯУ МИФИ. В качестве источника лазерных импульсов использован твердотельный Nd:YAG пикосекундный лазер 1 с диодной накачкой серии PL2210А (EKSPLA, Литва). Он генерирует импульсы длительностью 25 пс на основной длине волны λ=1064 нм с энергией 0.94 мДж и 0.65 мДж на второй гармонике 532 нм.
сигн.
хол.
Перестройка длины волны излучения осуществляется с помощью ОПГ модели PG503 (EKSPLA, Литва) 2, преобразующего излучение с длиной волны 532 нм, выходящее из лазера 1, в излучение сигнальной волны λ (диапазон от 700 до1000 нм) и холостой волны λ (от 1150 до 2200 нм). Одним из достоинств оптической схемы PG503 является отсутствие поперечного смещения пучков сигнальной и холостой волн в процессе перестройки длины волн и возможность корректировать пространственное распределение преобразованных пучков, вводя и сохраняя в памяти прибора соответствующие корректировки при каждом заданном значении длины волны.
сигн
хол.
лаз.
Модуль селектора длины волны 3 служит для оперативного выбора сигнальной длины волны λ из диапазона перестройки от 700 до 1000 нм, холостой длины волны λ из диапазона от 1150 до 2200 нм или фиксированной длины волны λ=1064 нм непосредственно с выхода пикосекундного лазера. В нем осуществляется дополнительное согласование диаметров и расходимости указанных пучков с помощью телескопов и зеркал для оптимального ввода в лазерный порт 5 модуля фокусировки 6.
Фокусировка лазерного пучка на исследуемом кристалле ИС осуществляется с помощью модуля фокусировки 6, базовым элементом которого является микроскоп Mic301LP фирмы OMEK (Израиль) с лазерным портом 5. Отличительной особенностью микроскопов серии Mic300 является широкая апертура канала наблюдения, включая все оптические элементы, что позволяет обеспечивать поле зрения примерно 1600 мкм и достигать разрешения до 0.06 мкм/пиксель на камере с размером матрицы до 1''. Оптическая схема микроскопа скорректирована на бесконечность тубусной линзой 12 с фокусным расстоянием 160 мм. Это облегчает ввод лазерного излучения в оптический канал микроскопа.
×
×
×
×
×
×
В разработанном модуле используются лазерно-стойкие объективы 20 фирмы Mitutoyo (Япония) с увеличенным рабочим расстоянием (ELWD - Extra-Large Working Distance) с кратностями 5, 20 и 100. Помимо рабочего расстояния, позволяющего исследовать практически любые ИС, в том числе с кристаллами, расположенными в глубине корпуса, еще одним их преимуществом является апохроматичность в видимой и ближней ИК области спектра (Plan APO NIR). Объектив 5 удобен для наблюдения больших площадей или получения панорамных снимков объекта. Объективы 20 и 100 - для острой фокусировки лазерного пучка.
Для обеспечения оптимального бестеневого освещения микроскоп оснащен телецентрическим осветителем 18, световой поток которого совмещается с каналом наблюдения с помощью светоделительного элемента 19. В зависимости от диапазона длин волн регистрируемого видеокамерой канала наблюдения, осветитель должен иметь соответствующий спектральный диапазон. В предложенном устройстве в составе телецентрического осветителя применен широкополосный (длины волн в диапазоне от 400 до 1800 нм) галогенный источник света 16 SCHOTT-MORITEX мощностью 100 Вт, особенностью которого является использование специальной технологии защиты оптических элементов от перегрева, а также термостойкого оптоволоконного жгута 17 для подачи света в сам телецентрический осветитель 18.
Наблюдение исследуемой ИС с возможностью регистрации получаемых изображений участков топологии осуществляется с помощью камеры видимого диапазона 15 при изучении поверхности ИС со стороны активного слоя и камеры инфракрасного диапазона 13 - при проведения исследований ИС со стороны подложки. Необходимое для лазерных испытаний ИС на радиационную стойкость качество изображения достигается при использовании видеокамер фирмы AVT (Allied Vision Technologies, Германия) Guppy F-146C для видимого диапазона и Goldeye P-032 для ближнего инфракрасного диапазона. Обе камеры подключаются через стандартные интерфейсы непосредственно к управляющему ПК.
Перед видеокамерами для их защиты от повреждения отраженным от объекта лазерным излучением устанавливаются спектральные светофильтры 14, диапазоны пропускания или отсечки которых подбираются в зависимости от используемых длин волн.
5
Для обеспечения возможности оперативного изменения энергии импульсов лазерного излучения, падающего на исследуемый объект при экспериментальном определении энергетических порогов одиночных радиационных эффектов в ИС, используется разработанный авторами модуль плавного ослабления лазерного излучения 4 на основе трех соосных поляризационных призм Глана, одна из которых оснащена прецизионным шаговым приводом вращения. Конструкция позволяет управлять ослабителем программно и вручную. Модуль обеспечивает плавную регулировку коэффициента ослабления энергии лазерного излучения от 1 до 10 во всем рабочем диапазоне длин волн лазерного излучения.
Модуль позиционирования объекта 11 предназначен для обеспечения координатного сканирования исследуемой ИС лазерным лучом с высокой точностью поддержания параметров фокусировки. Он выполнен в виде предметного столика с тремя прецизионными шаговыми приводами с минимальным шагом перемещения 0,125 мкм в плоскости сканирования XY и 0.16 мкм в направлении вдоль лазерного пучка Z. Диапазон перемещений составляет 100, 100 и 25 мм по направлениям X, Y и Z, соответственно. Максимальная скорость сканирования составляет 625 мкм/с. Управление модулем позиционирования осуществляется программно через многоканальный контроллер шаговых двигателей, подсоединенный к ПК. Кроме управления упомянутыми выше приводами, программное обеспечение позволяет автоматически поддерживать заданное расстояние между объективом и облучаемой поверхностью (автоматическая подстройка координаты Z) при сканировании желаемой области исследуемого объекта как синхронно, так и асинхронно с облучением лазерными импульсами.
Модуль функционального контроля ИС 9 предназначен для задания режимов работы, управления питанием и проверки работоспособности ИС путем выполнения тестов, а также формирования сигналов «обратной связи» для системы управления. В предложенном устройстве система функционального контроля ИС построена на базе стандартных аппаратно-программных модулей National Instruments под управлением среды разработки программ Lab View и упомянутого выше или другого сетевого ПК.
Для работы заявленной установки необходимо определенное пространственное расположение ее модулей друг относительно друга. Для этого на единой оптической плите все модули конструктивно объединяются в единый испытательный комплекс. Таким образом, заявленная установка может быть признана устройством, несмотря на то, что элементы (плита), обеспечивающие указанное взаимное расположение, не включены в формулу полезной модели.
Основные характеристики предложенной установки для проведения испытаний полупроводниковых элементов на стойкость к воздействию отдельных заряженных частиц лазерными методами представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Параметр
Значения
Источник излучения (лазер)
Nd<sup>3+:</sup>YAG с ОПГ
Длины волн, нм
От 700 до 1000; 1064; от 1150 до 2200
Макс. энергия импульса на объекте, мкДж
11.5
Длительность лазерного импульса (FWHM), пс
25
Стабильность энергии импульса, %
±5
Частота повторения импульсов, Гц
От 0 до 1000
Коэффициент ослабления энергии импульса
От 1 до 10<sup>5</sup>, управляется ПК
Видеокамеры VIS (NIR):ТипРазрешение, пиксПространственное разрешение, мкм/пикс
Цветная ПЗС (InGaAs матрица)Guppy F-146C (Goldeye P-032)1392×1040 (636×508)0.3 (1.6)
Объективы:Кратность
Mitutoyo Plan APO NIR5<sup>×</sup>, 20<sup>×</sup>и 100<sup>×</sup>
Минимальный размер пятна (1/e<sup>2</sup>) для 20<sup>×</sup>, мкм
3.0
XYZ позиционирование объекта:Минимальный шаг, мкмДиапазон перемещения X/Y/Z, ммМаксимальная линейная скорость X/Y, мкм/с
Моторизированное, управляемое ПК0.125/0.125/0.156100/100/25625/625
Ограничения по габаритам объекта:Максимальный размер объекта, ммРабочее расстояние до объектива 20<sup>×</sup>, мм
40020
Габаритные размеры комплекса, Д/Ш/В, мм
1200/1000/800
Разработанная лазерная экспериментальная установка позволяет проводить научные исследования и испытания широкого класса перспективных изделий кремниевой и некремниевой полупроводниковой микро- и наноэлектроники на стойкость к воздействию высокоэнергетичных отдельных заряженных частиц. Предложенное устройство обладает высокими технико-эксплуатационными характеристиками и является оригинальной разработкой, не имеющей аналогов в России.