CC BY
9УДК 621.38
Моделирование эффектов воздействия отдельных заряженных частиц космического пространства на изделия микроэлектроники и твердотельной СВЧ-электроники с использованием пикосекундного лазера
А.Н. Егоров, В.А. Телец, А.И. Чумаков, О.Б. Маврицкий, А.А. Печенкин, А.В. Яненко, Д.О. Кольцов
Институт экстремальной прикладной электроники НИЯУ МИФИ
Представлены основные технические характеристики автоматизированной установки для моделирования радиационных эффектов, созданной на основе перестраиваемого по длине волны твердотельного пикосекундного лазера. Обсуждены ее конструктивные особенности, возможности и преимущества для моделирования эффектов воздействия отдельных заряженных частиц космического пространства в современных микроэлектронных приборах на основе кремния, арсенида галлия, карбида кремния и т.п.
Ключевые слова: отдельная заряженная частица, одиночный радиационный эффект, радиационная стойкость, пикосекундный лазер, сфокусированное лазерное излучение.
В настоящее время активно развиваются лазерные методы [1-7] оценки чувствительности электронной компонентной базы (ЭКБ) к локальным радиационным эффектам воздействия отдельных заряженных частиц (ОЗЧ) - ионов и протонов космического пространства (КП). В работе [8] представлен обзор лазерных имитационных установок «ПИКО», основанных на использовании сфокусированного излучения первой (1064 нм) и второй (532 нм) гармоник твердотельных неодимовых лазеров пикосе-кундной длительности. Вместе с тем, в связи с широким распространением в последнее время субмикронных СБИС с большим количеством слоев металлизации, затрудняющих облучение со стороны приборных слоев, а также развитием ЭКБ твердотельной СВЧ-электроники на основе GaAs, SiGe и других, весьма интересным представляется использование для моделирования эффектов воздействия ОЗЧ пикосекундных лазеров с перестройкой по длине волны. В этом случае глубина и форма имитируемых зарядовых «треков» могут варьироваться в значительных пределах путем изменения длины волны лазерного излучения. Подобное изменение конфигурации зарядового «трека» может служить инструментом исследования механизмов собирания заряда [9]. Возможность перестройки длины волны лазерных импульсов может прояснить вопрос, как параметры, характеризующие процессы собирания заряда, зависят от профиля распределения неравновесных носителей заряда [10].
Соответствующий выбор длины волны (энергия кванта меньше ширины запрещенной зоны полупроводника) позволяет в ряде случаев использовать генерацию неравновесных носителей заряда за счет многофотонных процессов [11]. При этом сводится к минимуму влияние линейного поглощения в материале подложки, а неравновесные носители генерируются непосредственно в области фокусировки вблизи активных областей.
© А.Н. Егоров, В.А. Телец, А.И. Чумаков, О.Б. Маврицкий, А.А. Печенкин, А.В. Яненко, Д.О. Кольцов, 2012
Таким образом, задача по разработке установки для моделирования локальных радиационных эффектов от ОЗЧ КП в микроэлектронных приборах, в которой в качестве источника используется перестраиваемый по длине волны пикосекундный лазер, является актуальной. В настоящей работе рассматриваются характерные особенности и основные технические характеристики созданной установки «ПИКО-4», обсуждаются ее возможности и преимущества. В таблице представлены сводные данные по экспериментальным лазерным установкам для исследования эффектов от ОЗЧ, разработанным в ведущих мировых исследовательских центрах за последние 10 лет. Из таблицы видно, что созданная установка по основным параметрам не уступает, а по ряду характеристик превосходит зарубежные аналоги.
Лазерные установки для моделирования локальных радиационных эффектов от ОЗЧ КП
Местоположение Тип лазерного источника Длина волны, нм Длительность импульса, пс Диаметр пятна, мкм
IMS, Bordeaux, France Ti:Sapphire + OPA 400-2500, 1300 30 1,8
NRL, Washington DC, USA Nd:Vanadate + Dye, Ti:Sapphire + OPA 590, 775 + 1260 1 0,15 ~1
EADS, Paris, France Nd:Vanadate 1060 600 1,8
JPL (NASA), Pasadena CA, USA Ti:Sapphire 690-960 <10 1,4
Aerospace, Los Angeles CA, USA Nd:Vanadate + Dye 600,815 1 Нет данных
MBDA, London, UK Ti:Sapphire + OPA 800, 480-2600 1 ~1
IOP, Lanzhou, China Nd:YAG 1064,532 30 2,5
Fraunhofer Inst., Euskirchen, Germany Nd:YAG 1064 9 Нет данных
ИЭПЭ НИЯУ МИФИ, Москва, Россия Nd:YAG + OPA 1064, 532, 700-1000, 1150-2100, 70, 25 < 2
Структурная схема установки «ПИКО-4» показана на рис. 1. Излучение с выхода пико-секундного лазерного излучателя, пройдя через блок ослабления излучения, вводится в оптический канал блока фокусировки (микроскопа), где с помощью микрообъектива фокусируется на поверхности исследуемого объекта. Одновременно с этим изображение в плоскости фокусировки регистрируется блоком визуального контроля (видеокамерой), причем на изображении имеется указатель, отображающий положение фокуса лазерного пучка. Точка фокусировки на исследуемом объекте задается путем перемещения самого объекта относительно неподвижного фокуса лазерного пучка с помощью системы позиционирования. Система функционального контроля задает режимы работы исследуемого прибора, фиксирует все необходимые параметры и регистрирует события (импульсную реакцию, сбои, отказы), возникающие вследствие воздействия лазерного импульса.
Рис.1. Общая структурная схема установки: 1 - лазер накачки; 2 - оптический параметрический генератор; 3 - блок ослабления лазерного излучения; 4 - блок фокусировки оптического излучения; 5 - ПЗС-видеокамера; 6 - блок позиционирования объекта; 7 - оптическая плита
Пикосекундный лазерный излучатель состоит из лазера накачки PL2210 и оптического параметрического генератора PG503, расположенных на общей оптической плите и оптически соединенных между собой посредством системы зеркал.
Лазер накачки PL2210 представляет собой малогабаритный высокостабильный твердотельный пикосекундный лазер с диодной накачкой, работающий на частоте повторения импульсов до 1000 Гц. Лазер РЬ2210 оснащен встроенным преобразователем во вторую гармонику и генерирует импульсы излучения на длине волны 532 нм длительностью 25 пс. Примененные оптическая схема (высокостабильный задающий генератор и регенеративный усилитель) и конструкция лазера обеспечивают близкий к га-уссовому поперечный профиль выходного пучка (ТЕМ00, параметр М2 не превышает 1,2) при нестабильности импульса по энергии не более 2%.
Изучение второй гармоники (532 нм) с выхода лазера накачки PL2210 поступает на вход оптического параметрического генератора PG503. Оптическая схема PG503 включает в себя двухпроходный параметрический генератор и однопроходный параметрический усилитель. Для согласования с блоком фокусировки перед выходом из PG503 пучок дополнительно расширяется, что в сочетании с малой расходимостью и хорошим качеством лазерного пучка дает возможность сфокусировать излучение в объектной плоскости в пятно диаметром до 2 мкм и менее (в зависимости от длины волны).
Блок ослабления лазерного излучения предназначен для прецизионного изменения энергии лазерного импульса, что необходимо для определения уровней стойкости к воздействию ОЗЧ. Принцип действия блока 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 продольной оси с помощью шагового привода, подключенного через ^В-контроллер к ПК. Применение данной схемы обеспечивает регулировку коэффициента ослабления энергии лазерных импульсов в диапазоне 1-5-104 при неизменном состоянии поляризации лазерного излучения на выходе.
Блок фокусировки оптического излучения разработан на основе микроскопа Mic301LP, оснащенного специальным портом для ввода в оптический тракт лазерного излучения. Для фокусировки лазерного излучения, а также для наблюдения увеличенного изображения поверхности исследуемого объекта с помощью видеокамеры используются сменные микрообъективы с большим свободным расстоянием, предназначенные для работы в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне длин волн и закрепленные на револьверной головке. Блок фокусировки может комплектоваться объективами, имеющими различное увеличение (кратность) в диапазоне от 5* до 100*, что позволяет варьировать параметры оптического тракта в зависимости от решаемых задач. Микробъектив с малой кратностью (5*) используется, как правило, для получения панорамных изображений исследуемых объектов. Микрообъективы с кратностями 20* и более дают высокое оптическое разрешение, близкое к дифракционному пределу, что необходимо для получения детальных изображений, а также обеспечивают острую фокусировку лазерного пучка в пятно диаметром до 2-3 мкм (в зависимости от используемой длины волны). Высокий контраст изображения достигается применением бестеневого телецентрического осветителя, обеспечивающего освещение объекта пучком света практически по нормали к его поверхности.
ПЗС-видеокамера используется для получения изображения исследуемого объекта на экране монитора при изучении топологии кристалла БИС, позиционировании лазерного пучка, его точной фокусировке и т.д. Видеокамера также позволяет контролировать динамику процесса сканирования и осуществлять фотографирование поверхности кристалла БИС в любой момент по команде оператора или в соответствии с заданной программой. Видеокамера позволяет обеспечить оптическое разрешение 1392*1040 пикселей.
Блок позиционирования объекта обеспечивает прецизионное перемещение исследуемого объекта относительно фиксированного положения сфокусированного лазерного пучка. Он состоит из двух одинаковых линейных подач с шаговым приводом, имеющих минимальный шаг 0,125 мкм и полный диапазон перемещения 100 мм, что обеспечивает перемещение объекта в горизонтальной плоскости, а также вертикальной подачи в диапазоне 25 мм с шагом 0,16 мкм, служащей для фокусировки и наведения на резкость. Управление перемещением осуществляется программно с помощью USB-контроллера, подключенного к ПК. Программное обеспечение позволяет осуществлять перемещение в горизонтальной плоскости на заданное расстояние, устанавливать объект в положение с определенными координатами, проводить сканирование заданной области в режиме автоматической фокусировки по различным траекториям. Максимальная скорость перемещения в любом из направлений составляет 500 мкм/с.
Система управления представляет собой ПК, работающий под управлением операционной системы MS Windows, к которому через USB-интерфейс подключаются все блоки управления (сопряжения), входящие в состав установки, а также видеокамера. Специализированное программное обеспечение позволяет выполнять следующие основные функции:
- перемещение объекта в горизонтальной плоскости;
- настройка на резкость, автокомпенсация расфокусировки из-за наклона поверхности объекта;
- задание различных режимов работы лазерного излучателя и управление энергией лазерного импульса;
- сканирование заданных областей объекта, синхронизованное с облучением;
- управление яркостью осветителя;
- вывод изображения объекта на экран монитора с указанием точки фокусировки лазерного луча;
- получение панорамных фотографий и т.п.
Система функционального контроля «ПИКО-4» построена на основе виртуальной лаборатории LabView и системы сбора данных на базе крейта и набора модулей National Instruments. Ее основными функциями являются задание режимов работы исследуемого полупроводникового прибора и контроль его работоспособности до и после воздействия, регистрация событий.
Функционирование установки осуществляется следующим образом. После запуска управляющей программы происходит проверка готовности всех блоков. На объектном столике (вручную) устанавливается исследуемый образец, и уже с помощью программы система позиционирования в полуавтоматическом режиме располагает исследуемую поверхность образца в фокальную плоскость микрообъектива, совмещенную с плоскостью наблюдения микроскопа.
Особенностью программного обеспечения «ПИКО-4» является возможность проводить измерения не только при одновременной синхронизованной работе всех блоков лазерной установки, но и на основании результатов обработки сигналов, полученных системой функционального контроля в режиме реального времени, автоматически изменять параметры лазерной системы (длину волны, диаметр пятна, энергию в импульсе и т.п.) или режим работы БИС на следующем шаге программы. Такая обратная связь позволяет существенно повысить эффективность измерений, особенно при необходимости сканирования больших (по сравнению с размером пятна фокусировки) областей БИС.
Для иллюстрации возможностей созданной установки на рис.2 приведен фрагмент карты тиристорного эффекта (ТЭ), полученной сканированием кристалла ADuC841 лазерным пучком диаметром 30 мкм и энергией в импульсе 30 нДж (кружками на карте обозначены чувствительные области). Результаты подобного сканирования в дальнейшем могут быть использованы для коррекции топологии БИС с целью исключения ТЭ.
На рис.3 представлена зависимость пороговой энергии ТЭ от диаметра пятна лазерного излучения в ПЛИС XCV50, полученная для длины волны лазерного излучения 900 нм. Отметим, что при облучении этой же ПЛИС лазерным пучком с длиной волны 1064 нм и диаметром 30 мкм на лазерной установке предыдущего поколения «ПИКО-3» данный эффект не наблюдался вплоть до уровней энергии 500 нДж, соответствующих началу термического повреждения активных структур ПЛИС.
Особенности созданной установки «ПИКО-4» имеют принципиальное значе-
Рис.2. Фотография фрагмента карты ТЭ БИС ADuC841
100 т-;-
1 10 100 Диаметр лазерного пятна, мкм
Рис.3. Зависимость пороговой энергии ТЭ в ПЛИС XCV50 от диаметра лазерного пятна на длине волны 900 нм
ние при исследовании эффектов воздействия ОЗЧ в современных полупроводниковых приборах и интегральных схемах. Для моделирования локальных радиационных эффектов в БИС в данной установке используется сфокусированное лазерное излучение пико-секундной длительности с перестройкой в широком диапазоне длин волн (0,7-2,1 мкм). Это позволяет существенно расширить область ее применения, в том числе для приборов на основе полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны (Si, GaAs, SiC и др.), а также использовать эффект двухфотонного поглощения. Разработанная установка обеспечивает:
- малый диаметр пятна фокусировки лазерного излучения на поверхности объекта (до 2 мкм);
- высокую разрешающую способность оптической системы наблюдения (до 0,6 мкм) и точность позиционирования объекта (до 0,2 мкм);
- большую скорость перемещения и площадь сканирования объекта.
Лазерная установка «ПИКО-4» может быть использована для проведения научных исследований и испытаний на радиационную стойкость широкого класса перспективных изделий микро- и наноэлектроники, предназначенных для работы в реальных условиях космического пространства.
Работа выполнена в ИЭПЭ НИЯУМИФИ и ОАО «ЭНПО СПЭЛС» при финансовой поддержке Минобрнауки России (ГК№13.G36.31.007).
Литература
1. Чумаков А.И. Действие космической радиации на ИС. - М.: Радио и связь, 2004. - 320 с.
2. Laboratory Tests for Single-Event Effects / S. Buchner, D. McMorrow, J. Melinger, A.B. Campbell // IEEE Trans. on Nuclear Science. - 1996. - Vol. NS-43. - № 2. - P. 678-686.
3. Messenger G.C., Ash M.S. Single event phenomena. - N.Y.:Chapman & Hall, 1997. - 368 p.
4. Comparison between SRAM SEE cross-section from ion beam testing with those obtained using a new picosecond pulsed laser facility / R. Jones, A.M. Chugg, C.M.S. Jones et al. // IEEE Trans. on Nuclear Science. - 2000. - Vol. NS-47. - № 4. - P. 539-544.
5. Чумаков А.И., Егоров А.Н., Маврицкий О.Б., Яненко А.В. Возможности использования локального лазерного излучения для моделирования эффектов от воздействия отдельных ядерных частиц в ИС // Микроэлектроника. - 2004. - Т. 33. - № 2. - С. 128-133.
6. Методика оценки параметров чувствительности ИС к тиристорному эффекту при воздействии отдельных ядерных частиц / А.И. Чумаков, А.А. Печенкин, А.Н. Егоров и др. // Микроэлектроника. -2008. - Т. 37. - № 1. - С. 45-51.
7. Чумаков А.И. Взаимосвязь эквивалентных значений линейных потерь энергии тяжелых заряженных частиц и энергии сфокусированного лазерного излучения // Микроэлектроника. - 2011. - Т. 40. -№ 3. - С. 163-169.
8. Лазерные имитаторы «ПИКО» для испытаний электронной компонентной базы на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц / А.Н. Егоров, О.Б. Маврицкий, А.И. Чумаков и др. // Спецтехника и связь. - 2011. - № 4-5. - С. 8-13.
9. Pulsed laser-induced single event upset and charge collection measurements as a function of optical penetration depth / Joseph S. Melinger, Dale McMorrow, A. B. Campbell et al. // J. of Appl. Phys. - 1998. -Vol. 84. - № 2. - P. 690-703.
10. Nikiforov A.Y., Skorobogatov P.K., Mavritsky O.B., Egorov A.N. Influence of wavelength on CMOS IC dose rate laser simulation adequacy // Proc. of RADECS. - 2004. - P. 153-155.
11. Sub-bandgap laser-induced single event effects: carrier generation via two-photon absorption / D. McMorrow, W.T. Lotshaw, J.S. Melinger et al. // IEEE Trans. on Nuclear Science. - 2002. - Vol. 49. -P. 3002-3008.
Статья поступила 26 апреля 2012 г.
Егоров Андрей Николаевич - ведущий инженер УНЛ «Прикладная магнитооптика» НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: физика лазеров, нелинейная оптика, взаимодействие лазерного излучения с веществом, пикосекундная спектроскопия, лазерное моделирование радиационных эффектов в полупроводниковых материалах, лазерные имитационные установки.
Телец Виталий Арсеньевич - доктор технических наук, профессор, директор ИЭПЭ НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: радиационная стойкость электронной компонентной базы.
Чумаков Александр Иннокентьевич - доктор технических наук, профессор, заместитель директора ИЭПЭ НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: разработка методов моделирования доминирующих радиационных эффектов в изделиях электронной техники, методическое обеспечение испытаний и исследований их стойкости к воздействию радиационных факторов.
Маврицкий Олег Борисович - доцент кафедры физики твердого тела и наносистем НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: физика лазеров, нелинейная оптика, взаимодействие лазерного излучения с веществом, пикосекундная спектроскопия, лазерное моделирование радиационных эффектов в полупроводниковых материалах, лазерные имитационные установки. E-mail: oma_mavr@pico.mephi.ru
Печенкин Александр Александрович - инженер ИЭПЭ НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: исследование стойкости изделий электронной техники к воздействию радиационных факторов космического пространства, разработка методического обеспечения проведения экспериментальных исследований БИС, разработка алгоритмов и методик оценки параметров чувствительности БИС к локальным радиационным эффектам лазерными имитационными методами испытаний.
Яненко Андрей Викторович - кандидат технических наук, ведущий специалист ИЭПЭ НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: исследование радиационной стойкости электронной компонентной базы при воздействии отдельных ядерных частиц по локальным радиационным эффектам.
Кольцов Дмитрий Олегович - аспирант кафедры электроники НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: исследование стойкости изделий электронной техники к воздействию радиационных факторов космического пространства, разработка методического обеспечения проведения экспериментальных исследований БИС, разработка алгоритмов и методик оценки параметров чувствительности БИС к локальным радиационным эффектам, автоматизация лазерных имитационных испытаний.
Опечатка
В журнале «Известия вузов. Электроника» № 3(96)'2012 на с. 89 следует читать:
Тимошенков Сергей Петрович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: технология изготовления МЭМС-структур, материалы электронной техники.
