Аппаратно-программный комплекс для исследования радиационной стойкости быстродействующих интегральных схем на основе Si и GaAs к воздействию отдельных заряженных частиц на основе лазерного источника фемтосекундных импульсов

Полезная модель относится к устройствам для проведения испытаний полупроводниковых элементов на стойкость к воздействию отдельных заряженных частиц лазерными методами.
Широкое применение больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) 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 локальным одиночным радиационным эффектам воздействия отдельных заряженных частиц - ионов и протонов космического пространства. К наиболее важным локальным одиночным радиационным эффектам относятся одиночные сбои и тиристорные эффекты.
Основной метод оценки параметров чувствительности ИС к воздействию отдельных заряженных частиц основывается на результатах испытаний на ускорителях ионов и протонов, которые являются достаточно трудоемкими и дорогостоящими. К тому же, в силу статистического характера взаимодействия ионизирующего 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 импульсов 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 воздействий отдельных заряженных частиц с помощью лазерного импульса имеет ряд преимуществ перед традиционными методами, предполагающими использование пучков 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 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.
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 пс, 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.
Использование в известном устройстве лазерных импульсов с длиной волны 1064 нм и длительностью 70 пс позволяет проводить тестирование на чувствительность к одиночным сбоям и тиристорным эффектам большинства КМОП ИС сравнительно невысокого быстродействия. Однако для современных сверхбыстрых приборов с временами переключения менее 0.1 нс такая длительность импульса может быть слишком большой. Для СБИС с характерными временами переключения меньше нескольких десятков пикосекунд для тестов на стойкость к воздействию тяжелых заряженных частиц предпочтительно использовать фемтосекундные импульсы. Регулируемая длительность импульса может быть полезна при изучении влияния длительности лазерного излучения на результаты имитационных лазерных испытаний сверхбыстродействующих ИС на стойкость к одиночным радиационным эффектам.
Технический результат предложенной полезной модели заключается в обеспечении возможности проведения испытаний на радиационную стойкость сверхбыстродействующих ИС на основе Si и GaAs.
Он реализуется за счет остро сфокусированного пучка излучения с длиной волны 870 нм одномодового фемтосекундного лазерного источника ультракоротких импульсов с регулируемой длительностью.
5
Указанный технический результат достигается в предложенном устройстве, представляющем собой аппаратно-программный комплекс для исследования радиационной стойкости быстродействующих ИС на основе Si и GaAs к воздействию отдельных заряженных частиц, содержащий следующие основные модули: одномодовый лазерный источник ультракоротких импульсов с длительностью, регулируемой в пределах от 100 до 3000 фс; расширитель пучка; оптический автокорреляционный измеритель длительности импульсов; плавный ослабитель лазерного излучения с программно регулируемым коэффициентом ослабления от 1 до 10 на основе поляризационных призм; модуль фокусировки лазерного излучения, состоящий из оснащенного лазерным портом широкоапертурного микроскопа с телецентрическим светодиодным осветителем и камеры видимого диапазона для визуализации и регистрации элементов топологии исследуемой ИС; модуль прецизионного позиционирования исследуемой ИС на основе трех линейных шаговых приводов, позволяющих осуществлять перемещение ИС в трех направлениях относительно точки фокусировки лазерного пучка; модуль функционального контроля ИС и компьютерную систему управления всеми модулями комплекса с пакетом специализированного программного обеспечения.
Сущность устройства поясняется чертежами. На чертежах введены следующие обозначения:
1. Лазерный источник ультракоротких импульсов
2. Расширитель пучка
3. Автокорреляционный измеритель длительности импульсов
4. Источник ультракоротких импульсов
5. Поляризационный плавный ослабитель энергии лазерных импульсов
6. Цветная видеокамера (видимого диапазона)
7. Модуль фокусировки (микроскоп)
8. Телецентрический светодиодный осветитель
9. Микрообъектив
10. Система управления
11. Модуль функционального контроля ИС
12. Исследуемая ИС
12. Модуль позиционирования
13. Оптическая плита
На фиг. 1 представлена общая блок-схема, а на фиг. 2 - схема расположения основных оптических модулей заявленного устройства на единой виброизолированной оптической плите 14.
Излучатель 4 разработан и произведен фирмой Авеста (Троицк, Москва). Входящий в его состав лазерный источник ультракоротких импульсов 1 генерирует фемтосекундные импульсы и усиливает до энергии 5000 нДж (с нестабильностью не более 3%), обеспечивая регулировку их длительности от 100 до 3000 фс. Далее импульсы попадают в расширитель пучка 2, который увеличивает диаметр пучка для последующего согласования с входной апертурой объектива 9, используемого для острой фокусировки на исследуемой ИС 12. Для контроля выходной длительности и формы импульса в излучателе предусмотрен оптимизированный под указанный выше диапазон длительностей автокорреляционный измеритель длительности импульсов 3, на который направляется небольшая часть излучения.
5
Далее энергия ультракороткого импульса уменьшается до необходимой величины с помощью трехпризменного поляризационного плавного ослабителя 5, коэффициент ослабления которого может плавно изменяться вращением одной из призм с помощью шагового привода в пределах от 1 до 10. Управление плавным ослабителем осуществляется программно системой управления 10 на базе ПК.
Пройдя через ослабитель 5, лазерное излучение направляется в модуль фокусировки, базовым элементом которого является скорректированный на бесконечность микроскоп 7 Mic301LP с лазерным портом фирмы OMEK (Израиль). Особенностью данного микроскопа является широкая апертура канала наблюдения, обеспечивающая поле зрения примерно 1600 мкм и разрешение до 0.06 мкм/пиксель на камере с размером матрицы до 1''.
В практической реализации модели используются лазерно-стойкие планарные апохроматические в видимой и ближней инфракрасной области спектра (Plan APO NIR) объективы 9 с увеличенным рабочим расстоянием фирмы Mitutoyo (Япония) с кратностями увеличения 5×, 20× и 100×, сменяемые с помощью револьверной турели, рассчитанной на установку от одного до пяти объективов. Объектив 5× удобен для наблюдения больших площадей или получения панорамных снимков объекта. Объективы 20× и 100× - для острой фокусировки лазерного пучка. Для обеспечения бестеневого освещения исследуемой ИС микроскоп оснащен светодиодным телецентрическим осветителем 8.
Модуль позиционирования 13 на основе трех линейных шаговых приводов 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 участков топологии активного слоя кристалла ИС осуществляется с помощью цветной видеокамеры 6 видимого диапазона высокого разрешения, сигнал с которой обрабатывается компьютером и выводится на монитор.
Задание параметров импульса излучения, подачу функциональных команд и синхронизацию работы всех модулей измерительного комплекса осуществляет единая система управления 10 на базе ПК. Задание режимов работы, контроль и управление питанием, проверку работоспособности ИС путем выполнения тестов и формирование сигналов “обратной связи” для системы управления осуществляет модуль функционального контроля ИС 11.
Для работы заявленной установки необходимо определенное пространственное расположение ее модулей друг относительно друга. Для этого на единой оптической плите 14 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 предложенного измерительного комплекса для проведения лазерных испытаний полупроводниковых элементов на стойкость к воздействию отдельных заряженных частиц представлены в таблице 1.
Таблица 1
Параметр
Значение
Длина волны, нм
870
Макс. энергия импульса, нДж
0.01…5000
Длительность импульса, фс
100…3000
Мин. диаметр пятна<sup>a)</sup>, мкм
1.2
Макс. частота повторения импульсов, Гц
100
Качество пучка M<sup>2</sup>, не более
1.6
Увеличение объективов
5<sup>×</sup>, 20<sup>×</sup>, 100<sup>×</sup>
Шаг позиционирования XYZ, мкм
0.15
<sup>a)</sup> Для объектива 100<sup>×</sup>
Используемая длина волны 870 нм обеспечивает высокую эффективность генерации избыточного заряда в ИС на основе Si и GaAs, в то время как глубина собирания заряда достаточна для возбуждения одиночных радиационных эффектов в активной области ИС. Учитывая, что типичное значение пороговой энергии для эффекта одиночных сбоев в КМОП ИС при длине волны 1064 нм и диаметре пятна 2 мкм лежит в пределах от 0.01 до 0.2 нДж, а для тиристорных эффектов от 0.5 до 1 нДж, а с уменьшением длины волны до 870 нм пороговая энергия становится еще ниже, можно утверждать, что используемый в данном комплексе диапазон изменения энергии является достаточным для моделирования практически всех известных одиночных радиационных эффектов от отдельных заряженных частиц. Максимальная энергия генерируемых на данном комплексе ультракоротких импульсов позволяет также вызывать необратимые эффекты, вплоть до разрушения соответствующих слоев ИС. Минимальный диаметр пятна, достижимый с помощью предложенного комплекса, составляет 1.2 мкм, что сравнимо с дифракционным пределом для данной длины волны и дает возможность использовать данную установку для локального возбуждения отдельных элементов ИС.
Заявленный комплекс по совокупности своих параметров является уникальным измерительным устройством для исследования радиационной стойкости быстродействующих ИС на основе Si и GaAs к воздействию отдельных заряженных частиц.