ЛАЗЕРНЫЙ ИМИТАТОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Полезная модель относится к измерительной технике и касается конструкции устройства, используемого для исследования радиационной стойкости интегральных схем (ИС) к воздействию отдельных заряженных частиц. В частности, рассматривается лазерный имитатор, предназначенный для моделирования объемных радиационных эффектов, возникающих в ИС при воздействии импульсных ионизирующих излучений.
Широкое применение больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем в электронной аппаратуре космических аппаратов требует проведения работ по оценке их чувствительности к эффектам воздействия высокоэнергетичных отдельных заряженных частиц (ОЗЧ) - ионов и протонов. К наиболее важным локальным радиационным эффектам относятся одиночные сбои и тиристорные эффекты (Чумаков А.И. «Действие космической радиации на ИС», М, «Радио и связь», 2004, стр.320; Messenger G.C., Ash M.S. «Single Event Phenomena», N.Y., «Chapinan & Hall», 1997, p.368).
Прямые методы оценки этих параметров основываются на результатах испытаний ИС на ускорителях ионов и протонов различной энергии, которые являются достаточно трудоемкими и дорогостоящими. К тому же, в силу статистического характера взаимодействия излучения с веществом, данные методы являются неэффективными при сравнении различных схемо-технологических методов обеспечения радиационной стойкости СБИС.
Поэтому в настоящее время развиваются альтернативные методы, основанные на использовании сфокусированного лазерного излучения пикосекундной длительности (Buchner S., et al. «Laboratory Tests for Single-Event Effects», IEEE Trans, on Nuclear Science, 1996, V. NS-43, №2, p.678-686; Jones et al. «Comparison between SRAM SEE cross-section from ion beam testing with those obtained using a Dew picosecond pulsed laser facility» IEEE Trans, on Nuclear Science, 2000, V. NS-47, №4, p.539-544; Чумаков А.И., Печенкин А.А., Егоров А.Н., Маврицкий О.Б. и др. «Методика оценки параметров чувствительности ИС к тиристорному эффекту при воздействии отдельных ядерных частиц», Микроэлектроника. 2008, т.37, №1, стр.45-51). Было показано, что эффекты, вызываемые в полупроводниковых приборах сфокусированными ультракороткими лазерными импульсами пикосекундой длительности в наибольшей степени сравнимы с эффектами от воздействия ОЗЧ. При ОЗЧ на ИС генерируется ионизационный трек из плотной электрон-дырочной плазмы в объеме полупроводника. К аналогичному результату приводит и поглощение пикосекундного лазерного импульса. Оба эти взаимодействия происходят за времена существенно более короткие, чем время электрического отклика большинства микроэлектронных приборов. Хотя пространственное распределение генерируемого при поглощении сфокусированного пикосекундного лазерного импульса в объеме полупроводника заряда заметно отличается от формы трека космической частицы, в обоих случаях создается локальный неравновесный сгусток заряда, способный вызвать появление сбоя.
Моделирование воздействия ОЗЧ с помощью лазерного импульса имеет ряд неоспоримых преимуществ перед традиционным воздействием пучка частиц:
- Лазерный луч может быть сфокусирован до микронных (и даже субмикронных для коротких длин волн) размеров. Это дает возможность локализации чувствительных элементов с микронной точностью.
- Воспроизводимое лазерное облучение с правильно подобранной энергией в отличие от возбуждения пучком частиц не вызывает остаточных разрушений.
- Лазерный импульс может быть точно синхронизован с тактовой частотой работы тестируемого прибора, позволяя изучать динамическую чувствительность к одиночным сбоям в различных режимах его работы.
- Лазерное тестирование не требует помещения исследуемого прибора вакуумную камеру, а дополнительные приборы функционального контроля и управления могут располагаться в непосредственной близости от него. Это обстоятельство имеет особое значение при проведении тестирования на одиночные сбои устройств с высоким быстродействием.
- Лазеры имеют меньшую стоимость, чем источники пучков частиц, более 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 ОЗЧ;
- 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 БИС пикосекундными лазерными импульсами позволяет, сканируя поверхность БИС, прецизионно локализовать чувствительные к описанным эффектам области и найти пороги их возникновения.
Так, например, известно устройство для исследования радиационной стойкости интегральных схем к воздействию отдельных заряженных частиц, содержащее лазерный источник для излучения ультракоротких лазерных импульсов пикосекундой длительности в направлении фокусирующего устройства и передачи его через это устройство на испытуемый образец в виде образца интегральной схемы, размещенного на предметном столике, выполненном с приводом его перемещения в трех направлениях, блок измерения энергии лазерного импульса, блок визуального контроля в виде ПЗС-камеры, размещенной в блоке фокусировки для фиксации отраженного сигнала от испытуемого образца, а также система управления (Д.В.Бобровский, B.C.Волин, О.А.Калашников, П.В.Некрасов, д.т.н., проф. Ю.С.Рябцев «Радиационная стойкость микропроцессоров семейства «МЦСТ-R», Вопросы радиоэлектроники, серия ЭВТ, выпуск 3, 2010, выложенная на официальном сайте Компании ЗАО «МЦСТ» в режиме он-лайн в Интернет по адресу: www.mcst.ru/doc/100405/bobrovsky_100405.doc).
Наиболее существенными недостатками применяемого в этой системе лазерного источника является отсутствие компьютерного управления позиционированием СБИС, а также то, что основным режимом работы лазеров в составе комплекса был режим генерации одиночных импульсов. Генерация последовательности импульсов хотя и была возможна, но происходила на весьма низкой частоте - не более 10 Hz. Все это резко ограничивает применение этого комплекса для сканирования больших по площади кристаллов СБИС. Вместе с тем, в последнее время в связи с повышением требований к радиационной стойкости аппаратуры авиакосмического применения возникла острая необходимость проводить как исследования, так и массовые испытания новейших типов СБИС с большой площадью кристалла. Это потребовало разработки новых поколений лазерных источников, представляющих более широкие возможности по автоматизации процессов сканирования и регистрации ионизационной реакции, функциональных сбоев и отказов СБИС.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в минимизации затрат на моделирование эффектов, возникающих в ИС под действием космических лучей (высокоэнергетических отдельных заряженных частиц) за счет генерации отдельных импульсов на высоких частотах и повышении достоверности полученных результатов за счет локализации зон воздействия излучения на ИС.
Указанный технический результат достигается тем, что лазерный имитатор для исследования радиационной стойкости интегральных схем к воздействию отдельных заряженных частиц, содержащий лазерный источник для излучения ультракоротких лазерных импульсов пикосекундой длительности в направлении фокусирующего устройства и передачи его через это устройство на испытуемый объект в виде образца интегральной схемы, размещенного на предметном столике, выполненном с приводом его перемещения в трех направлениях, блок измерения энергии лазерного импульса, блок визуального контроля в виде ПЗС-камеры, размещенной в блоке фокусировки для регистрации отраженного сигнала от испытуемого объекта, а так же систему компьютерного управления и функционального контроля, согласно полезной модели, снабжен блоком ослабления излучения, размещенным на пути прохождения лазерных импульсов от лазерного источника до входа в фокусирующее устройство и выполненным в виде набора поляризационных призм, одна из которых оснащена прецизионным шаговым приводом вращения для ослабления энергии излучения при изменении своего положения относительно других поляризационных призм, фокусирующее устройство выполнено на базе оптической системы, скорректированной на бесконечность, с использованием микрообъектов с большим рабочим расстоянием и телецентрического осветителя, привод перемещения предметного столика выполнен с использованием трех прецизионных шаговых двигателей с компьютерным управлением, а в качестве лазерного источника использован твердотельный пикосекундный лазер с диодной накачкой со встроенным преобразователем во вторую гармонику, работающий в режиме генерации последовательности импульсов на двух переключаемых длинах волн 1064 и 532 нм, при этом указанный лазер выполнен с функцией выделения одиночного импульса из цуга пикосекундных импульсов.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
Фиг.1 - блок-схема лазерного имитатора;
Фиг.2 - внешний вид установки лазерного имитатора.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция лазерного имитатора, предназначенного для проведения радиационных испытаний изделий (микросхемы интегральные, полупроводниковые приборы, электронные модули, оптоэлектронные приборы и др.) на стойкость к воздействию фактора 7.К11 (7.К12) по ГОСТ РВ 20.57.415, проводимых расчетно-экспериментальными методами.
Лазерный имитатор разработан и практически реализован в ЭНПО СПЭЛС, основан на использовании сфокусированного лазерного излучения пикосекундной длительности (фиг.1). Излучение лазерного источника 1, пройдя через блок 2 ослабления излучения, фокусируется с помощью микрообъектива фокусирующего устройства 3 на исследуемой БИС в пятно диаметром несколько микрон, в зависимости от длины волны 1064 и 532 нм и качества исходного пучка. БИС размещают на предметном столике 4.
1
2
00
2
В качестве лазерного источника использован твердотельный пикосекундный лазер с диодной накачкой PL-2201/SH фирмы EKSPLA со встроенным преобразователем во вторую гармонику, работающий в режиме генерации последовательности импульсов на двух переключаемых длинах волн 1064 и 532 нм. При этом указанный лазер выполнен с функцией выделения одиночного импульса из цуга пикосекундных импульсов. Пикосекундный лазер генерирует импульсы излучения длительностью 30 пс на двух переключаемых длинах волн с энергией (в области облучения объекта) соответственно 15 мкДж (λ=1064 нм) и 8 мкДж (λ=532 нм). Примененная оптическая схема (высокостабильный задающий генератор + регенеративный усилитель) и конструкция лазера обеспечивают близкий к гауссовому поперечный профиль лазерного пучка (ТЕМ, М≈1,2) при нестабильности импульса по энергии не более 2%. Лазер оснащен встроенными системами выделения одиночного импульса из цуга пикосекундных импульсов с контрастом не менее 1000:1 и цифрового измерения энергии каждого импульса. Выходная оптическая система лазера формирует и пространственно совмещает коллимированные пучки диаметром 6 мм на обеих длинах волн. Лазер не требует системы принудительного водяного охлаждения и имеет компьютерное управление режимами работы.
Энергия лазерного импульса контролируется с помощью измерителя энергии 5, на который отводится небольшая доля основного лазерного пучка. Трехкоординатная система позиционирования 6 обеспечивает прецизионное перемещение столика 4 и соответственно БИС в объектной плоскости и подстройку фокусировки пучка на поверхности кристалла. Визуальное наблюдение и фотографирование топологии осуществляется с помощью ПЗС-камеры 7, сигнал с которой подается на монитор или в управляющий компьютер 8. Задание режимов работы и функциональный контроль БИС производится с помощью системы 9 функционального контроля, также подключенной к компьютеру 8. Лазерные имитаторы по описанной схеме позволяют моделировать воздействие различных по типу и энергии частиц на любой выбранный элемент БИС путем регулирования геометрии ионизационного «трека» - глубины проникновения излучения (изменением длины волны) и диаметра пучка (изменением степени фокусировки).
В общем случае лазерный имитатор для исследования радиационной стойкости интегральных схем к воздействию отдельных заряженных частиц содержит лазерный источник для излучения ультракоротких лазерных импульсов пикосекундой длительности в направлении фокусирующего устройства и передачи его через это устройство на испытуемый объект в виде образца интегральной схемы, размещенного на предметном столике, выполненном с приводом его перемещения, выполненном с использованием трех прецизионных шаговых двигателей с компьютерным управлением, блок измерения энергии лазерного импульса, блок визуального контроля в виде ПЗС-камеры, размещенной в блоке фокусировки для регистрации отраженного сигнала от испытуемого объекта, а так же система компьютерного управления и функционального контроля. Блок 2 ослабления излучения размещен на пути прохождения лазерных импульсов от лазерного источника до входа в фокусирующее устройство 3 и выполнен в виде набора поляризационных призм, одна из которых оснащена прецизионным шаговым приводом вращения для ослабления энергии излучения при изменении своего положения относительно других поляризационных призм.
5
Система ослабления, встроенная в узел фокусировки, предназначена для плавной регулировки коэффициента ослабления энергии излучения, падающего на исследуемый объект, в диапазоне 1…10. Она состоит из поляризационных призм, одна из которых оснащена прецизионным шаговым приводом вращения. Конструкция позволяет управлять ослабителем программно и вручную.
Фокусирующее устройство выполнено на базе оптической системы, скорректированной на бесконечность, с использованием микрообъективов с большим рабочим расстоянием и телецентрического осветителя.
Система позиционирования объекта, предназначенная для сканирования объекта лазерным лучом с высокой точностью, выполнена в виде предметного столика. Привод перемещения предметного столика выполнен с использованием трех прецизионных шаговых двигателей с компьютерным управлением (с наименьшим шагом перемещения 0,125 мкм в горизонтальной плоскости XY и 0,16 мкм в Z направлении.) Диапазон перемещений составляет 100×100×25 мм по X, Y и Z соответственно. Максимальная скорость сканирования составляет 500 мкм/с.
Контрольно-измерительный блок на базе персонального компьютера предназначен для управления комплексом и функционального контроля тестируемой ИС. Регистрация импульсов ионизационной реакции и токов защелки осуществляются с помощью блока сопряжения и коммутации, подключаемого к компьютеру через универсальный параллельный адаптер. Блок оснащен всеми необходимыми программными и аппаратными средствами для регистрации отдельных сбоев и наблюдения явления «защелки» в ИС различных типов.
При исследовании явления «защелки» предусмотрена возможность записи осциллограмм временного отклика и автоматическая защита исследуемого устройства от перегрузки по току.
При реализации готового образца были получены следующие основные характеристики лазерного имитатора, приведены в таблице 1.
Таблица 1
Наименование характеристики
Единица измерения
Значение
Излучатель
Длина волны излучения, основная (вторая гармоника)
нм
1064
(532)
Полная энергия в объектной плоскости, не менее
мкДж
8
(3,2)
Нестабильность энергии на выходе, не более
±%
2
(4)
Частота повторения импульсов
Гц
1000
Режим одиночных импульсов
-
есть
Длительность импульса
пс
70
Измеритель энергии лазерного излучения
-
встроенный
Джиггер импульса синхронизации
нс
±1
Управление
-
с выносною пульта или с помощью ПК
Система охлаждения
-
конвекционная
Ослабитель
Тип ослабителя
-
плавный
Максимальный коэффициент ослабления, не менее
-
5 10<sup>4</sup>
Управление
-
вручную или с помощью ПК
Система фокусировки лазерного излучения и канал визуального наблюдения
Микрообъективы
крат
5×, 20×
Минимальный диаметр пятна фокусировки излучения (по уровню 0.5)
мкм
2,4
1,8
Поле зрения системы наблюдения: для микрообъектива 5∗ для микрообъектива 20∗
мкм
1600×1200 400×300
Разрешение канала наблюдения
мкм
0,7
Использование лазерного имитатора, основанного на сфокусированном лазерном излучении пикосекундной длительности, дает возможность эффективно и с минимальными затратами моделировать эффекты, возникающие в полупроводниковых приборах под действием космических лучей. Разработанные в ЭНПО СПЭЛС лазерные имитационные комплексы позволяют проводить научные исследования и испытания широкого класса перспективных изделий полупроводниковой микро- и наноэлектроники на стойкость к воздействию высокоэнергетичных отдельных заряженных частиц в связи с приданием лазерному имитатору высоких технико-эксплуатационных параметров. Комплексы является оригинальной разработкой ЭНПО СПЭЛС, не имеющей аналогов в России.