Лазерная установка для исследования радиационной стойкости изделий полупроводниковой электроники на основе Si, GaAs, SiGe к импульсному ионизирующему воздействию

Полезная модель относится к измерительной технике и касается конструкции устройства, используемого для исследования радиационной стойкости изделий полупроводниковой электроники (интегральных схем, полупроводниковых приборов, изделий твердотельной СВЧ-электроники, оптоэлектроники и микросистемной техники, электронных модулей, реализованных на элементно-технологических базисах и по технологическим процессам микроэлектроники) к воздействию импульсного ионизирующего излучения (ИИ).
12
Высокие требования к радиационной стойкости современных изделий полупроводниковой электроники (ИПЭ) для специальных применений требуют, в частности, определения их стойкости к воздействию ИИ большой мощности поглощенных доз (с уровнем порядка 10 рад(Si)/c и выше). Достижение таких уровней на импульсных рентгеновских и гамма-установках представляет собой достаточно сложную задачу. Вместе с тем, одним из самых простых и эффективных способов проведения исследований радиационной стойкости ИПЭ к импульсному ионизирующему воздействию (ИИВ) является использование объемной ионизации полупроводника импульсным лазерным излучением (ЛИ) наносекундной длительности, которая соответствует длительности коротковременной составляющей импульса гамма-излучения. Наилучшее совпадение результатов лазерного облучения и воздействия импульсной гамма-установки наблюдается, если при этом обеспечивается однородное по всему объему исследуемой структуры ИПЭ распределение неравновесных носителей заряда.
3+
При исследовании радиационного поведения кремниевых ИПЭ для обеспечения однородного распределения интенсивности ионизации по глубине возможно использовать импульсные твердотельные лазеры на основе ионов Nd с длинами волн 1,06 или 1,08 мкм (Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К. Физические основы лазерного экспериментального имитационного моделирования объемных ионизационных эффектов в полупроводниковых структурах, элементах и микросхемах. Линейная модель // Микроэлектроника, 2004, Т. 33, №2, С. 91-107). Эти длины волн соответствуют глубине поглощения ЛИ в кремнии в несколько сотен микрон и по указанному критерию являются оптимальными для большинства кремниевых ИПЭ, изготовленных по объемной и эпитаксиальной технологиям. Однако, в данном случае, сравнительно низкая доля поглощенной энергии в относительно тонком приборном слое современных ИПЭ, а также наличие на их поверхности большого количества слоев металла и поликремния, заставляют применять высокую интенсивность лазерного воздействия для достижения требуемых предельных значений эквивалентных мощностей поглощенных доз.
При воздействии ЛИ на приборы, выполненные по тонкопленочной КНИ- и КНС-технологии, эффективность использования энергии ЛИ вследствие поглощения в их еще более тонком (менее 1 мкм) приборном слое существенно ниже, чем в случае объемных интегральных схем. При использовании для моделирования объемных ионизационных эффектов в КНИ-структурах с толщиной приборного слоя 0,2 мкм ЛИ с длиной волны 1,06 мкм около 0,03% лазерной энергии реально участвует в ионизации кремния, а остальная энергия поглощается в подложке или покидает прибор.
Повышение эквивалентной мощности дозы за счет роста интенсивности ЛИ ограничивается возможностью повреждения кремниевых структур вследствие термодинамических эффектов. Поэтому в случае, когда дальнейшее увеличение интенсивности ЛИ невозможно, практически единственным выходом является повышение эквивалентной мощности поглощенной дозы в полупроводнике за счет использования более коротких длин волн (менее 1 мкм). Основным препятствием, ограничивающим использование более коротких длин волн, является сильная неравномерность распределения ионизации по глубине кристалла, приводящая к нарушению корректности лазерного имитационного моделирования объемных ионизационных эффектов в кремниевых ИПЭ.
Отдельной проблемой является моделирование воздействия ИИ на современные приборы твердотельной СВЧ-электроники на основе GaAs, SiGe и т.п. Так, например, ширина запрещенной зоны GaAs составляет около 1,42 эВ, что соответствует длине волны оптического излучения 0,87 мкм, следовательно, для достижения необходимых уровней неравновесной ионизации требуется ЛИ с длиной волны короче указанного значения.
Выбор оптимальной длины волны для каждого конкретного материала подложки и типа исследуемого ИПЭ с учетом всех критических для лазерного моделирования параметров (концентрация и подвижность неравновесных носителей, распределение концентрации в объеме полупроводника и т.п.) связан с проведением большого количества экспериментов по регистрации амплитуды, длительности и формы ионизационной реакции ИПЭ на различных длинах волн и их сравнения с результатами исследований на рентгеновских и гамма установках.
Так, например, известно устройство для исследования радиационной стойкости кремниевых интегральных схем, содержащее источник наносекундных лазерных импульсов с длиной волны 1,06 мкм, дискретный аттенюатор энергии (набор нейтральных светофильтров) и гомогенизатор (матовый рассеиватель) ЛИ и отдельный блок измерения плотности энергии лазерных импульсов (Nikiforov A.Y., Mavritsky О.В., Egorov A.N., Figurov V.S., Telets V.A., Skorobogatov P.K., Polevich S.A. "RADON-5E" Portable Pulsed Laser Simulator: Description, Qualification Technique and Results, Dosimetry Procedure // Proceedings of the 1996 IEEE Radiation Effects Data Workshop (REDW) Record, pp. 49-54 (1996)).
12
2
Наиболее существенными недостатками данного устройства являются фиксированная длина волны ЛИ, непригодная для исследования ИПЭ на основе GaAs, невозможность плавно изменять и контролировать в каждом импульсе плотность энергии ЛИ на исследуемом образце, а также отсутствие компьютерного управления режимами работы устройства. Кроме того, максимально достижимая в устройстве плотность энергии ЛИ не позволяет достигать эквивалентной мощности поглощенных доз (порядка 10 рад(Si)/c и выше) для интегральных схем с площадью кристалла более 1 см.
3+
Поэтому для исследования радиационной стойкости изделий полупроводниковой электроники на основе Si, GaAs, SiGe к импульсному ионизирующему воздействию потребовалась разработка универсальной лазерной установки, сочетающей в себе простоту и доступность традиционных лазерных источников на основе ионов Nd с возможностью перестройки длины волны ЛИ.
При разработке полезной модели ставилась цель создания модульной конструкции, позволяющей перестраивать длину волны и варьировать в широких пределах энергию ЛИ с возможностью ее контроля для каждого импульса, воздействующего на исследуемое ИПЭ, а также изменять другие параметры ЛИ, такие, как диаметр падающего на объект лазерного пучка.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в возможности осуществления исследования радиационной стойкости к ИИВ с помощью однородного облучения ИПЭ на основе Si, GaAs, SiGe на импульсной лазерной установке с перестраиваемой длиной волны.
Данный технический результат достигается в исследуемом образце полупроводникового устройства за счет объемной генерации неравновесных носителей заряда в однородном по сечению параллельном пучке лазерного излучения с фиксированными длинами волн (1,06 и 0,53 мкм) или перестраиваемой длиной волны в диапазоне 0,7-1 мкм. При этом устройство выполнено с возможностью изменения диаметра пучка излучения с эффективным диаметром однородного облучения от 6 до 36 мм.
4
3+
4
2
3
Указанный технический результат достигается тем, что лазерная установка для исследования радиационной стойкости изделий полупроводниковой электроники на основе Si, GaAs, SiGe к импульсному ионизирующему воздействию содержит наносекундный импульсный твердотельный лазер, выполненный с возможностью удвоения частоты излучения и профилем распределения интенсивности с плоской вершиной в центральной части поперечного сечения пучка, и два канала: первый канал предназначен для работы с длинами волн 1,06 и 0,53 мкм и содержит блок формирования лазерного пучка, в который входят управляемые шаговыми приводами селектор длины волны, поляризационный плавный ослабитель с коэффициентом ослабления энергии лазерных импульсов в диапазоне от 1 до 5⋅10 и дополнительный ослабитель энергии излучения с фиксированным коэффициентом ослабления для каждой длины волны, блок расширения пучка, состоящий из набора заменяемых телескопов с выходными эффективными диаметрами параллельных пучков 6, 12, 18 и 36 мм; второй канал предназначен для работы с перестраиваемой длиной волны в диапазоне от 0,7 до 1 мкм и содержит перестраиваемый Ti:AlO лазер, накачиваемый излучением 0,53 мкм указанного выше наносекундного импульсного твердотельного лазера, и блока формирования лазерного пучка, содержащего аналогичные формирователю первого канала поляризационный плавный ослабитель с коэффициентом ослабления энергии лазерных импульсов в диапазоне от 1 до 5⋅10, блок расширения пучка, состоящий из набора заменяемых телескопов с выходными эффективными диаметрами параллельных пучков 6, 12, 18 и 36 мм; общие для двух каналов измеритель интенсивности излучения в центральной части пучка и полупроводниковый лазерный целеуказатель и систему управления работой блоков формирователей пучка в обоих каналах на базе персонального компьютера с пакетом специализированного программного обеспечения, в которую также входит контроллер всех шаговых приводов.
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 разработанной установки для исследования радиационной стойкости ИПЭ поясняется чертежами (см. фиг. 1 и фиг. 2).
На чертежах приняты следующие обозначения:
3+
1. Блок питания Nd:YAG лазера;
3+
2. Nd:YAG лазер;
3+
3. Выносной пульт управления Nd:YAG лазером;
4. Удвоитель частоты (генератор второй гармоники 0,53 мкм);
5. Зеркало, переключаемое для выбора канала;
3+
2
3
6. Перестраиваемый Ti:AlO лазер;
7. Формирователь лазерного пучка первого канала;
8. Формирователь лазерного пучка второго канала;
9. Система управления на базе ПК;
10. Целеуказатель (полупроводниковый лазер);
11. Измеритель энергии лазерного излучения;
12. Объект (исследуемое изделие);
13. Блок селектора длины волны с шаговым приводом;
14. Дополнительный ослабитель энергии излучения;
15. Поляризационный плавный ослабитель;
16. Телескопический расширитель пучка (комплект зеркальных телескопов);
17. Калиброванная диафрагма;
18. Защитный кожух;
19. Оптическая плита (единая база всей установки).
3+
Блок-схема разработанной полезной модели представлена на фиг. 1. Основой разработанной лазерной имитирующей установки является мощный наносекундный импульсный твердотельный лазерный излучатель 2 с активным элементом из иттрий-алюминиевого граната (YAG), активированного ионами неодима (Nd), работающий на длине волны 1,06 мкм в режиме модуляции добротности резонатора с регулируемой частотой повторения импульсов от 1 до 10 Гц. Блок питания выполнен в виде отдельной стойки 1. Основной особенностью излучателя является высокая стабильность выходной энергии (1-2%) и низкая расходимость пучка генерации. Работа в режиме насыщения усиления обеспечивает профиль распределения интенсивности с плоской вершиной в центральной части поперечного сечения пучка. Излучатель снабжен выносным пультом управления 3, позволяющим задавать основные рабочие режимы и параметры лазера (энергию накачки, задержку срабатывания модулятора добротности и др.).
На выходе лазерного излучателя 2 установлен блок удвоителя частоты 4 на нелинейном кристалле КТР, осуществляющий преобразование основного излучения с длиной волны 1,06 мкм во вторую гармонику 0,53 мкм. При необходимости работы с ЛИ на основной длине волны блок может быть выведен из оптического тракта.
Далее ЛИ может быть направлено в два канала: в первый канал основного излучения, используемый при работе с длинами волн 1,06 и 0,53 мкм, либо во второй канал перестройки длины волны. Необходимый канал выбирается с помощью переключаемого зеркала 5.
Первый канал
С выхода излучателя (или удвоителя частоты) ЛИ поступает в блок формирователя лазерного пучка 7, конструкция которого схематично представлена на фиг. 2, состоящего из селектора длины волны 13, управляемого шаговым приводом, дополнительного ослабителя энергии излучения 14 с фиксированным коэффициентом ослабления на каждой длине волны, поляризационного плавного ослабителя 15 и телескопического расширителя 16.
4
Принцип действия плавного ослабителя 15 основан на зависимости пропускания поляризатором линейно поляризованного света от угла между плоскостями поляризации световой волны и поляризатора. Конструктивно блок ослабления выполнен в виде трех последовательно расположенных поляризационных призм Глана, одна из которых (средняя) вращается вокруг оптической оси с помощью шагового привода, подключаемого через USB-контроллер к ПК. Применение данной схемы обеспечивает регулировку с высокой точностью коэффициента ослабления энергии лазерных импульсов в диапазоне 1…5⋅10 при неизменном состоянии поляризации лазерного излучения на выходе. При необходимости еще большего расширения динамического диапазона ослабителя в оптический тракт перед плавным ослабителем может быть введен дополнительный ослабитель 14.
Телескопический расширитель пучка 16 служит для обеспечения равномерности (однородности по облучаемой площади) облучения ИПЭ и представляет собой набор сменных двухзеркальных телескопов с различными коэффициентами расширения пучка, обеспечивающих на выходе установки практически параллельный лазерный пучок с необходимым эффективным диаметром. Это позволяет облучать ИПЭ непосредственно в составе модулей различной высоты без пересчета падающей интенсивности ЛИ. Применение в телескопах оптических элементов на основе диэлектрических зеркал дает возможность исключить зависимость расходимости выходного ЛИ от длины волны. Платформа для установки телескопических расширителей снабжена устройством считывания кратности выбранного телескопа.
Пройдя через формирователь лазерного пучка 7, ЛИ направляется вниз на исследуемый объект 12. Точное позиционирование объекта относительно ЛИ осуществляется с помощью встроенного целеуказателя 10, представляющего собой полупроводниковый лазер, луч которого пространственно совмещен с осью сформированного лазерного пучка. Для контроля интенсивности лазерного облучения перед исследуемым объектом установлен калиброванный измеритель энергии 11 на основе кремниевого фотодиода с калиброванной диафрагмой 17, регистрирующий отраженную от делительной пластинки малую долю каждого падающего на объект лазерного импульса, что позволяет учитывать изменение интенсивности ЛИ при смене расширяющих телескопов 16, а также нестабильность энергии лазерного излучателя.
Блок формирователя лазерного пучка 7, целеуказатель 10 и измеритель энергии 11 объединены в единый модуль, конструктивно обеспечивающий функцию подъема лазерного пучка на высоту, необходимую для его направления на исследуемую ИПЭ сверху вниз (для удобства проведения испытаний). Для защиты персонала от интенсивного прямого и отраженного лазерного излучения предусмотрен специальный опускаемый кожух 18.
Основные характеристики первого канала представлены в табл. 1.
Второй канал
3+
2
3
При переключении зеркала 5 излучение лазера 2 попадает во второй канал, в котором, после преобразования во вторую гармонику в удвоителе частоты 4 используется для накачки перестраиваемого по длине волны лазера 6 с активным элементом на основе титан-сапфира (Ti:AlO), в котором возможны излучательные переходы в диапазоне 0,6…1,1 мкм. Из-за частичного перекрытия коротковолнового края полосы флуоресценции и длинноволнового края полосы поглощения генерация возможна только, начиная с λ=0,65 мкм. Потери в активной среде и на оптических компонентах резонатора приводят к дальнейшему сужению области перестройки до диапазона от 0,7 до 1 мкм.
В используемом перестраиваемом лазере функцию дисперсионного элемента выполняет активный элемент, торцы которого срезаны под углом Брюстера навстречу друг другу. Перестройка длины волны выходного излучения достигается поворотом глухого зеркала с помощью микровинта в плоскости дисперсии активного элемента.
На выходе перестраиваемого лазера установлен блок формирователя лазерного излучения 8, конструкция которого аналогична конструкции блока формирования лазерного пучка в первом канале, но не содержит селектора длины волны и дополнительного ослабителя энергии. Для указания центра лазерного пучка на объекте 12 и измерения энергии лазерного импульса используются те же элементы 10 и 11.
Основные характеристики второго канала представлены в табл. 2.
Управление работой блоков формирователей пучка осуществляется с помощью системы управления 9 на базе персонального компьютера, в которую также входит контроллер всех шаговых приводов, подключенный к компьютеру через USB-интерфейс. Специальная управляющая программа позволяет варьировать выходную энергию ЛИ на объекте и управлять положением дополнительного фиксированного ослабителя. Кроме этого на экран ПК может быть выведена информация о длине волны лазерного излучения и кратности установленного телескопического расширителя.
Для работы заявленной установки необходимо определенное пространственное расположение всех ее составных частей друг относительно друга. Для этого на единой оптической плите 19 все модули конструктивно объединяются в единый испытательный комплекс. Таким образом, заявленная установка может быть признана устройством, несмотря на то, что элементы (оптическая плита), обеспечивающие указанное взаимное расположение, не включены в формулу полезной модели.
Разработанная полезная модель лазерной установки для исследования радиационной стойкости интегральных схем к воздействию импульсных ионизирующих излучений имеет следующие основные признаки:
- компактный твердотельный лазерный источник с удвоителем частоты, используемый для облучения ИПЭ на длинах волн 1,06 и 0,53 мкм, а также для накачки дополнительного лазера, перестраиваемого по длине волны в диапазоне от 0,7 до 1 мкм;
- конструкция блока формирователя лазерного пучка, оснащенная опускаемым кожухом для защиты персонала от интенсивного прямого и отраженного лазерного излучения;
4
- программно-регулируемая система ослабления ЛИ с динамическим диапазоном от 1 до 5⋅10, позволяющая задавать коэффициент ослабления энергии лазерных импульсов и обеспечивающая неизменное состояние поляризации лазерного излучения на выходе;
- расширитель лазерного пучка со сменными зеркальными телескопами, обеспечивающий облучение параллельным пучком ЛИ интегральных схем и модулей с различными геометрическими размерами;
- встроенный измеритель энергии лазерного импульса, обеспечивающий контроль уровня воздействия на ИПЭ в каждом импульсе;
- лазерный указатель положения центра пучка воздействующего излучения.
Совокупность представленных признаков дает основания утверждать, что по сравнению с известным уровнем техники полезная модель позволяет достичь заявленный технический результат, а именно на импульсной лазерной установке с перестраиваемой длиной волны проводить исследования на стойкость к импульсному ионизирующему воздействию перспективных ИПЭ, созданных как на основе Si и SiGe, включая приборы, выполненные по тонкопленочной КНИ- и КНС-технологии, так и на основе GaAs.