CN102495355A - 一种激光脉冲单粒子效应模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光脉冲单粒子效应模拟系统，属于集成电路辐射技术领域。该模拟系统包括超快激光脉冲发生系统、测试系统和控制器。该模拟系统利用压电陶瓷旋转台，通过压电陶瓷旋转台的旋转能力实现了激光在被测器件上进行精确扫描，克服了激光脉冲单粒子效应测试系统需要移动位移台及安装在其上的芯片才能实现扫描的问题。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路辐射技术领域，特别是一种激光脉冲单粒子效应模拟系统。
背景技术
集成电路单粒子效应加固水平是抗辐射集成电路的重要指标之一。单粒子效应的主要测试设备的加速器，此设备价格昂贵、机时紧缺，并且测试费用高，主要用于产品的考核，难于满足精细研究要求。为了解决此问题，美国海军实验室（NRL）开发了一台激光脉冲单粒子效应测试系统，此系统极大地支持了单粒子效应的研究工作，但遗憾的是，此系统由于需要位移台移动才能实现激光在器件不同区域的扫描，需要将器件安装在射频封装上，大幅度增加了使用成本，并无法解决静电损伤问题，从而限制了此技术用于器件提参用途，难于满足工业应用需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种激光脉冲单粒子效应模拟系统。
本发明提供的激光脉冲单粒子效应模拟系统包括超快激光脉冲发生系统、测试系统和控制器；
所述超快激光脉冲发生系统包括超快激光器，电控衰减器，第Ⅰ分光片，照明光源，压电陶瓷旋转台，光学聚焦系统，相机，其中，所述压电陶瓷旋转台上装有第Ⅱ分光片，所述光学聚焦系统包括物镜；
所述测试系统包括被测器件，第Ⅰ电控位移台，第Ⅱ直流电源，其中，所述被测器件设置于所述第Ⅰ电控位移台上；
所述超快激光器产生的超快激光经过所述电控衰减器后能量衰减成具有工作能量的工作激光，所述工作激光经过所述第Ⅰ分光片后射到所述第Ⅱ分光片上，射到所述第Ⅱ分光片上的工作激光借助所述压电陶瓷旋转台实现光轴偏转并从所述第Ⅱ分光片射出，从所述第Ⅱ分光片射出的工作激光在所述光学聚焦系统的作用下于所述光轴上形成焦斑，进而所述工作激光在所述被测器件的水平面进行X/Y方向扫描，并使所述被测器件吸收所述工作激光能量后在不同X/Y位置产生单粒子效应信号；
所述照明光源通过所述第Ⅰ分光片耦合到所述工作激光的光路上；
所述被测器件由所述第Ⅱ直流电源供电；
所述控制器控制所述第Ⅰ电控位移台切换所述被测器件，从所述被测器件提取所述单粒子效应信号，控制所述第Ⅱ分光片，进而控制所述光轴与所述被测器件平面之间的角度。
作为优选，
所述被测器件产生的单粒子效应信号是单粒子效应电流，
所述测试系统还包括射频探测模块，示波器和第Ⅰ直流电源，
所述射频探测模块由所述第Ⅰ直流电源供电，所述示波器由所述控制器控制，所述射频探测模块连接于所述被测器件，所述单粒子信号电流经过所述射频探测模块后被传输至所述示波器，所述示波器采集所述单粒子效应电流的脉冲信号。
作为优选，所述射频探测模块包括射频探针，所述射频探针将所述单粒子效应电流耦合后传输至所述示波器。
作为优选，所述射频探测模块还包括第Ⅰ传输线、射频探测器和第Ⅱ传输线，所述被测器件的地电极连接于所述射频探针的G针，所述被测器件的信号输出电极连接于所述射频探针的S针，所述射频探测器由所述第Ⅰ直流电源供电，所述被测器件产生的单粒子效应电流由所述被测器件的信号输出电极依次通过所述S针和所述第Ⅰ传输线传输至所述射频探测器，所述射频探测器将所述单粒子效应电流耦合后由所述第Ⅱ传输线传输至所述示波器，
所述示波器和所述第Ⅱ传输线的内阻与所述射频探测器的内阻相匹配。
作为优选，所述超快激光器的脉冲宽度＜20ps。
作为优选，所述超快激光器为皮秒激光器或者飞秒激光器。
作为优选，所述超快激光器前还装有光隔离装置。
作为优选，所述超快激光器发生的激光波长至少为一种。
作为优选，所述电控衰减器的衰减倍数间歇可调或者连续可调。
作为优选，所述连续可调的电控衰减器至少包括一块偏振片。
作为优选，所述超快激光脉冲发生系统包括超快激光器还包括反射镜，所述反射镜安装于旋转台上，所述反射镜对所述工做激光的方向进行粗调后使所述工作激光射向所述第Ⅱ分光片，再进一步由所述第Ⅱ分光片借助所述压电陶瓷旋转台对所述工作激光的方向进行细调。
作为优选，所述测试系统还包括第Ⅱ电控位移台和/或第Ⅲ电控位移台，所述压电陶瓷旋转台和/或旋转台装设于第Ⅱ电控位移台和/或第Ⅲ电控位移台上，通过对所述第Ⅱ电控位移台和/或第Ⅲ电控位移台的调整，进一步调整所述压电陶瓷旋转台和/或旋转台，使得所述工作激光移到所述光学聚焦系统中的物镜入口中心位置。
作为优选，所述相机前装设有衰减片。
作为优选，所述物镜的数值孔径＞0.4。
作为优选，所述物镜是浸没式物镜。
作为优选，所述射频探针选自GS针、SG针、GSG针、GSSG针、SGS针、GSGSG针中的一种。
作为优选，所述射频探测器是BIAS-T，所述BIAS-T的一个射频端通过所述第Ⅱ传输线接于所述示波器，所述BIAS-T的射频+DC偏置端连接于所述第Ⅰ传输线，所述BIAS-T的DC端连接于所述第Ⅰ直流电源。
作为优选，所述射频探测模块为多个。
作为优选，所述示波器的带宽＞4GHz。
作为优选，所述第Ⅰ电控位移台为多个，其中，至少有一个第Ⅰ电控位移台具有XYZ三轴位移能力。
作为优选，其中一个第Ⅰ电控位移台包括电控旋转台。
作为优选，所述多个第Ⅰ电控位移台上设有压电陶瓷位移台。
作为优选，所述多个第Ⅰ电控位移台还包括一维平移位移台。
作为优选，所述直流电源的电极上具有电容。
作为优选，所述被测器件选自MOS、LDMOS、VDMOS、IGBT中的一种；所述被测器件的栅极连接于所述第Ⅱ直流电源，所述被测器件的源极连接于所述射频探针的G针，所述被测器件的漏极连接于所述射频探针的S针，所述被测器件的体电极连接于所述射频探针的G针，所述体电极通过所述G针接地，或者，所述体电极连接于另一组射频探测模块的S针。
作为优选，所述被测器件是二极管或者电阻，所述被测器件的一极连接于所述射频探针的S针，所述被测器件的另一极连接于所述射频探针的G针。
作为优选，所述被测器件是集成电路或者集成电路单元，所述被测器件由至少一个第Ⅱ直流电源供电，所述射频探针的G针连接于所述被测器件的地电极，所述射频探针的S针连接于所述被测器件的信号输出电极。
作为优选，所述信号输出电极为多个，所述射频探针的S针总数量与所述信号输出电极的数量相同，每个所述射频探针的S针连接于一个所述被测器件的信号输出电极。
作为优选，
所述测试系统还包括信号采集电路，
所述信号采集电路采集被测器件单粒子效应产生的数字信号，
所述信号采集电路采集被测器件单粒子效应产生的数字信号由所述控制器提取处理，
所述被测器件连接于所述信号采集电路上。
作为优选，所述被测器件通过高频探针或者直流探针连接于信号采集电路上，或者，所述被测器件封装后连接于所述信号采集电路上。
作为优选，所述控制器还控制所述照明光源。
本发明提供的激光脉冲单粒子效应模拟系统的有益效果在于：
本发明提供的激光脉冲单粒子效应模拟系统利用压电陶瓷旋转台，通过压电陶瓷微弧度级的旋转能力实现了激光在被测器件上进行0.1um级别的扫描，克服了美国海军实验室（NRL）激光脉冲单粒子效应测试系统需要移动位移台及安装在其上的芯片才能实现扫描的问题。该系统利用射频探针测试系统替代射频封装测试系统，不但降低了使用成本，解决了静电防护问题，还极大地提高了测试速度：无须手动换被测器件，可直接用电控位移台移到下一个甚至下一千个被测器件处进行测试。利用该系统，不但可以用于单粒子效应研究领域，还可用于单粒子效应工业提参领域，解决了激光脉冲单粒子效应测试系统从实验室仪器转变为工业设备的过渡问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的激光脉冲单粒子效应模拟系统示意图；
图2为本发明实施例提供的激光脉冲单粒子效应模拟系统多台脉冲宽度小于20ps的超快激光器耦合到同一光轴的实现方法；
图3为本发明实施例提供的激光脉冲单粒子效应模拟系统位移台式电控间歇倍数可变衰减器；
图4为本发明实施例提供的激光脉冲单粒子效应模拟系统旋转台式电控间歇倍数可变衰减器；
图5为本发明实施例提供的激光脉冲单粒子效应模拟系统连续可调倍率衰减器；
图6为本发明实施例提供的激光脉冲单粒子效应模拟系统压电陶瓷旋转台在器件平面实现焦斑位移的方法；
图7为本发明实施例提供的激光脉冲单粒子效应模拟系统的射频探针示意图；
图8为本发明实施例提供的激光脉冲单粒子效应模拟系统的射频探针的针尖与压焊垫的连接示意图；
图9本发明实施例提供的激光脉冲单粒子效应模拟系统的双波长激光脉冲单粒子效应模拟系统简化示意图；
图10本发明实施例提供的激光脉冲单粒子效应模拟系统MOS单粒子效应测试结构示意图；
图11本发明实施例提供的激光脉冲单粒子效应模拟系统电阻和二极管单粒子效应测试结构示意图。
具体实施方式
为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
参见附图1，本发明提供的激光脉冲单粒子效应模拟系统包括超快激光脉冲发生系统10、测试系统20和控制器40；
超快激光脉冲发生系统10包括超快激光器11，电控衰减器12，第Ⅰ分光片13，照明光源14，压电陶瓷旋转台16，光学聚焦系统17，相机15，其中，压电陶瓷旋转台16上装有第Ⅱ分光片18，光学聚焦系统17包括物镜；
测试系统20包括被测器件32，第Ⅰ电控位移台31，第Ⅱ直流电源34，其中，被测器件32设置于第Ⅰ电控位移台31上；
超快激光器11产生的超快激光经过电控衰减器12后能量衰减成具有工作能量的工作激光，工作激光经过第Ⅰ分光片13后射到第Ⅱ分光片18上，射到第Ⅱ分光片18上的工作激光借助压电陶瓷旋转台16实现光轴偏转并从第Ⅱ分光片18射出，从第Ⅱ分光片18射出的工作激光在光学聚焦系统17的作用下于光轴上形成焦斑，进而工作激光在被测器件32的水平面进行X/Y方向扫描，并使被测器件32吸收工作激光能量后在不同X/Y位置产生单粒子效应信号；
照明光源14通过第Ⅰ分光片13耦合到工作激光的光路上；
被测器件由第Ⅱ直流电源34供电；
控制器40：
控制第Ⅰ电控位移台31切换被测器件32，
从被测器件32提取单粒子效应信号，
控制第Ⅱ分光片18，进而控制光轴与被测器件32平面之间的角度。
其中，作为产生单粒子信号的一种具体的实现方式，
被测器件32产生的单粒子效应信号是单粒子效应电流，
参见附图1，测试系统20还包括射频探测模块50，示波器21和第Ⅰ直流电源33，
射频探测模块50由第Ⅰ直流电源33供电，示波器21由控制器40控制，射频探测模块50连接于被测器件32，单粒子信号电流经过射频探测模块50后被传输至示波器21，示波器21采集单粒子效应电流的脉冲信号。
其中，作为射频探测模块50的一种具体的实现方式，射频探测模块50包括射频探针25，射频探针25将单粒子效应电流耦合后传输至示波器21。
其中，作为射频探测模块50的另一种具体的实现方式，参见附图1，射频探测模块50射频探针25、第Ⅰ传输线24、射频探测器23和第Ⅱ传输线22，被测器件32的地电极连接于射频探针25的G针，被测器件32的信号输出电极连接于射频探针25的S针，射频探测器23由第Ⅰ直流电源33供电，被测器件32产生的单粒子效应电流由被测器件32的信号输出电极依次通过S针和第Ⅰ传输线24传输至射频探测器23，射频探测器23将单粒子效应电流耦合后由第Ⅱ传输线22传输至示波器21，
示波器21和第Ⅱ传输线22的内阻与射频探测器23的内阻相匹配。
其中，作为超快激光器的一种具体的实现方式，超快激光器的脉冲宽度＜20ps。
其中，作为脉冲宽度＜20ps的超快激光器的一种具体的实现方式，脉冲宽度＜20ps的超快激光器为皮秒激光器或者飞秒激光器。
其中，超快激光器11前还可以装有光隔离装置，以消除外部反射光对超快激光器11的影响。
其中，超快激光器11发生的激光波长至少为一种，因为不同波长在被测器件32中的穿透深度、焦斑大小不同，从而可以满足对不同被测器件32的测试需求。
其中，电控衰减器12的衰减倍数间歇可调或者连续可调，以使工作激光的能量精确。
其中，连续可调的电控衰减器至少包括一块偏振片，共同作用的偏振片是两片，有可能有的激光器自带了一片偏振片，这时，连续可调的电控衰减器就只包括一片偏振片，通过两片偏振片之间偏振角度的连续变化，可以使工作激光的能量连续变化。
其中，本发明提供的激光脉冲单粒子效应模拟系统还包括反射镜，反射镜安装于旋转台上，反射镜对工做激光的方向进行粗调后使工作激光射向第Ⅱ分光片18，再进一步由第Ⅱ分光片18借助压电陶瓷旋转台16对工作激光的方向进行细调。
其中，测试系统20还可以包括第Ⅱ电控位移台和/或第Ⅲ电控位移台，压电陶瓷旋转台16和/或旋转台装设于该第Ⅱ电控位移台和/或第Ⅲ电控位移台上，通过对第Ⅱ电控位移台和/或第Ⅲ电控位移台的调整，进一步调整压电陶瓷旋转台16和/或旋转台，使得工作激光移到物镜入口中心位置。
其中，相机15前还装设有衰减片，衰减片能够选择性地衰减超快激光，衰减片对照明光源发出的光的衰减倍数＜＜衰减片对超快激光的衰减倍数。
其中，物镜的数值孔径可以＞0.4，以获得较小的焦斑，使得工作激光能够较好地照射在单个被测器件32或者被测器件32的指定位置上。
其中，物镜可以是浸没式物镜，从而使数值孔径更大，以获得更小的焦斑，使得工作激光能够更好地照射在单个被测器件或者被测器件的指定位置上。
其中，射频探针25可以选自GS针、SG针、GSG针、GSSG针、SGS针、GSGSG针中的一种。
其中，射频探测器23可以是BIAS-T，BIAS-T的一个射频端通过第Ⅱ传输线接于示波器21，BIAS-T的射频+DC偏置端连接于第Ⅰ传输线24，BIAS-T的DC端连接于第Ⅰ直流电源33。
其中，射频探测模块50可以为多个，以同时测试由同一被测器件32产生的多个单粒子效应信号。
其中，示波器21的带宽可以＞4GHz，以适应由被测器件32产生的激光脉冲单粒子效应信号。
其中，第Ⅰ电控位移台31可以为多个，其中，至少有一个第Ⅰ电控位移台31具有XYZ三轴位移能力，以方便切换被测器件32或者进一步移动被测器件32的位置。
其中，其中一个第Ⅰ电控位移台31包括电控旋转台，通过该电控旋转台的旋转，使得被测器件32的位置精确。
其中，多个第Ⅰ电控位移台31上可以设有压电陶瓷位移台，第Ⅰ电控位移台31的位移精度是1μm，压电陶瓷位移台的位移精度＜0.1μm，从而被测器件32的位置更加精确。
其中，多个第Ⅰ电控位移台31还包括一维平移位移台，以切换第Ⅰ电控位移台31上被测器件的位置，使得工作激光能够从切换后的被测器件的背面照射。
其中，直流电源的电极上可以具有电容，以实现稳压。
其中，被测器件可以选自MOS、LDMOS、VDMOS、IGBT中的一种；被测器件32的栅极连接于第Ⅱ直流电源，被测器件32的源极连接于射频探针的G针，被测器件32的漏极连接于射频探针的S针，被测器件32的体电极连接于射频探针的G针，体电极通过G针接地，或者，体电极连接于另一组射频探测模块的S针。
其中，被测器件32可以是二极管或者电阻，被测器件32的一极连接于射频探针的S针，被测器件的另一极连接于射频探针的G针。
其中，被测器件32可以是集成电路或者集成电路单元，被测器件32由至少一个第Ⅱ直流电源34供电，射频探针25的G针连接于被测器件32的地电极，射频探针25的S针连接于被测器件32的信号输出电极。
其中，信号输出电极为多个，射频探针25的S针总数量与信号输出电极的数量相同，每个射频探针25的S针连接于一个被测器件32的信号输出电极。
其中，作为产生单粒子信号的另一种具体的实现方式，，
测试系统还包括信号采集电路，
信号采集电路采集被测器件32单粒子效应产生的数字信号，
信号采集电路采集被测器件32单粒子效应产生的数字信号由控制器提取处理，
被测器件32连接于信号采集电路上。
其中，被测器件32通过高频探针或者直流探针连接于信号采集电路上，或者，被测器件32封装后连接于信号采集电路上。当信号输出数量很多并且为数字信号时，信号频率较低，例如信号频率＜1MHz时，为了测试信号，采用高频探针或者直流探针即可。
其中，控制器40还控制照明光源14，使本发明提供的模拟系统更加智能化。
图1所示激光脉冲单粒子效应模拟系统中，脉冲宽度小于20ps的超快激光器11可以是皮秒激光器，也可以是飞秒激光器。由于单粒子速度接近光束，穿过器件31敏感区的时间<1ps，采用飞秒激光器更能吻合单粒子效应发生时间，但由于测试系统带宽上升沿较慢，如39皮秒，认为脉冲宽度小于20ps的皮秒激光器也能胜任测试需求。
脉冲宽度小于20ps的超快激光器11可以是单波长的激光器，也可以是多波长的激光器，如一台激光器内部可发出1064nm波长激光，也可电控切换到它的倍频532nm波长激光，或者采用多台激光器耦合在同一光轴上，获得不同的激光波长。图2显示了一种多台不同波长激光器耦合到一个光轴上的方法，图中脉冲宽度小于20ps的超快激光器111通过反射镜191将激光发射到分光镜131处，再由分光镜131将脉冲宽度小于20ps的超快激光器111发出的激光反射到组光轴上；脉冲宽度小于20ps的超快激光器112则直接将发出的激光透过分光镜131进入主光轴。当采用更多激光器时，则所有激光器都可通过脉冲宽度小于20ps的超快激光器112与分光镜131的方式耦合到主光轴。
为了减小反射光对脉冲宽度小于20ps的超快激光器11的影响，可在脉冲宽度小于20ps的超快激光器11的出光处安装光隔离器，利用光隔离器的单向性，防止系统的反射光进入脉冲宽度小于20ps的超快激光器11影响其稳定性。
图3、图4显示了两种电控固定倍数可变衰减器的实现方法，图3是一种位移式电控固定倍数可变衰减器，通过位移台121的运动，将安装在支架122上的不同倍率的衰减片123移动到光轴上，实现衰减倍数的变化。图4是一种旋转式电控固定倍数可变衰减器，通过旋转台124的转动，将安装在支撑圆盘125上的不同倍率的衰减片123移动到光轴上，实现衰减倍数的变化。
图5显示了一种连续可调倍率衰减器，对于圆偏振光，图中第一偏振片126将激光起偏，第二偏振片通过旋转台124旋转一定的角度，使得两个偏振之间的偏振方向产生一夹角θ，由光学常识可知，理想情况下，假设入射光的光强为I，经过第一偏振片后变为0.5I，经过第二偏振片后变为0.5I×cos(θ)× cos(θ)。对于线偏振激光，也可只采用一个电控片即可，通过旋转台124旋转一定的角度，将第二偏振片调整到与线偏振激光夹角为θ，假设入射光的光强为I，则输出激光光强为I×cos(θ) × cos(θ)。连续可调倍率衰减器也可直接安装在激光器11内部。
图6是一种压电陶瓷旋转台在器件平面实现焦斑位移的方法，图中激光光束到达装在压电陶瓷旋转台上的分光片16后，被分光片162反射到光学聚焦系统17上，被装在光学聚焦系统17上的大数值孔径长工作距离物镜聚焦到被测器件单粒子敏感区域，转动压电陶瓷旋转台161，使分光片162与入射激光之间的夹角发生偏移，假设偏移角为γ，则位移与γ的关系为系数k乘于γ，当光学聚焦系统17只有一个透镜的时候，系数k为透镜的焦距f，当光学聚焦系统17中有多个透镜(如由透镜组组成的物镜)的时候，在单粒子敏感区域发生的位移除于偏移角γ即为系数k。不同方向的角度偏移，则可实现激光在单粒子敏感区域不同方向的位移；利用压电陶瓷urad级的精度，可实现0.1um精度的位移偏移。为了在测试开始时将光轴从大偏转角度移到器件测试区，也可在装在压电陶瓷旋转台上的分光片16装在普通手动旋转台或电动旋转台上，先用普通手动旋转台或电动旋转台将光调到合适位置，再用装在压电陶瓷旋转台上的分光片16进行精细测试，也可用一块装在普通手动旋转台或电动旋转台上的反射镜将光调节到压电陶瓷旋转台上的分光片16上的合适位置，再由装在压电陶瓷旋转台上的分光片16进行精细测试。此外由于压电陶瓷旋转台上的分光片16产生光的角度偏移后，光照在光学聚焦系统17上的大数值孔径长工作距离物镜上会产生一定的位移，如假设光从压电陶瓷旋转台上的分光片16到光学聚焦系统17上的大数值孔径长工作距离物镜入射光处的距离为50mm，产生10mrad的角度偏转，将会产生0.5mm的位移，提供一定位移的补偿，将有利于提高光学聚焦系统17上的大数值孔径长工作距离物镜的入射光质量。因此在装在压电陶瓷旋转台上的分光片上，或在装在普通手动旋转台或电动旋转台上的反射镜上安装一台位移台，补偿光偏转在光学聚焦系统17上的大数值孔径长工作距离物镜入射光处的偏移距离，可进一步提高入射光质量。
如图1所示，由于激光脉冲光强非常强，可能会导致照相机烧毁，并且相机各像素点电子满阱后也无法提取高斯分布图。因此，通常还在相机15前安装衰减器(包括可变衰减器)，通过调节衰减器倍数，相机可获得合适的光强。此外，将可变衰减器上的衰减片换成选择性透光衰减片，还可在不变衰减倍数下让照明光源14所发光衰减倍数远小于超快激光器11所发激光衰减倍数，达到照明、激光测试之间相机不用切换衰减倍数的效果。
装在光学聚焦系统17上的大数值孔径长工作距离物镜用于将激光聚焦在被测器件上。为了获得良好的聚焦效果，通常要求物镜具有大的数值孔径；此外，由于物镜下方还要使用射频探针，或者采用背照射方式时激光穿透硅片、载玻片等需要一定的工作距离，因此，物镜还要求有长的工作距离；为了满足此要求，可采用工作距离与焦距不同的物镜，如数值孔径NA为0.42，焦距为4mm，工作距离为20.5mm的物镜。或者NA为0.7，工作距离为10mm的物镜。此外，为了获得非常小的焦斑，在背照射时，可以不采用载玻片，之间将经过物镜的光束照射在硅片背面，最终聚焦到器件单粒子敏感区域，此时，由于工作距离很小，也可采用浸没式透镜，获得0.9以上的数值孔径。
与传统激光脉冲单粒子效应测试系统不同，本发明由于采用了高精度的装在压电陶瓷旋转台上的分光片16，可通过光旋转实现0.1um精度的光在被测器件32表面的位移，因此，可采用射频探针25直接扎在被测器件32上进行测试。射频探针25为GSG针的示意图如图7、图8所示。射频探针GSG针包括安装孔252，用于将射频探针25固定；连接头253，一头与第一传输线24相连，一头与射频探针针体255相连；射频探针针体255包括射频线256和焊接在其上的G、S、G三个针尖。其中两个G针尖与被测器件的地压焊垫相连，S针尖与被测器件的输出压焊垫相连。当输出压焊垫需要电压偏置时，由第一直流电源33通过BIAS-T射频探测器23对被测器件供电，在被测器件的输出压焊垫与地压焊垫之间提供所需电压。当被测器件其它压焊垫需要直流供电时，则用第二直流电源34通过射频探针或直流探针对其供电，需要直流供电的压焊垫通常可在压焊垫附近制作电容进行稳压，以确保单粒子事件发生瞬间器件可获得稳定的供电电压。单粒子事件发生时，单粒子效应脉冲通过射频探针25、第一传输线24传递到射频探测器23，射频探测器23将信号耦合后传递到第二传输线22处，并最终被示波器21探测到；所测脉冲信号除于测试系统的特征阻抗，如50欧姆，即为电流脉冲。射频探针25、第一传输线24、射频探测器23构成的探测器、示波器21、第二传输线22须进行阻抗匹配。当输出压焊垫无供电需求时，信号无须经过额外耦合，直接从射频探针25、第一传输线24传递到示波器21，探测到脉冲信号，脉冲信号除于示波器21的内阻即为被测电流脉冲，相关射频部件的特征阻抗需与示波器的实阻抗匹配。当有多个输出信号时，也可采用多组射频探针、第一传输线、射频探测器连接到被测器件的输出压焊垫上，并连接到示波器的探测接口上，采集相应的输出信号，多个射频探针测试时，各射频探针的G针连接的地压焊垫需要短接；为了测试高速脉冲信号，示波器带宽需大于4GHz。也有输出为数字信号的，也可采用高频探针、直流探针将输出信号采集到数字采集电路里。
本发明的最重要的工作是用于提取单粒子效应参数，为了提高测试速度，本发明还在测试系统20里使用了电动位移台31，实现XYZ三个方向的精确移动，由于被测器件通常排列整齐，同一方向误差可控制到um级别，为了加快位移效率，也可在电动位移台31上安装电控旋转台，在测试前将被测器件的XY方向与电动位移台31的XY方向调整到一致，则电动位移台31 XY方向的精确移动可准确地对应到被测器件的移动，达到快速、精确定位的效果。本发明同样可以用在测试封装好的器件、电路上，因此，在电动位移台31上再安装一压电陶瓷位移台也可提高测试时的位移精度，特别是在电动位移台31上安装一Z轴压电陶瓷位移台，通过压电陶瓷位移台<0.1um精度的移动，可很好地改善大NA物镜景深较小问题。本发明不只是可以采用一个波长的脉冲宽度小于20ps的超快激光器11，还采用多个波长的脉冲宽度小于20ps的超快激光器11、甚至不同脉冲宽度的脉冲宽度小于20ps的超快激光器11同时用在一套系统里。对于一台激光器发出多个波长脉冲的示例，如图9所示，图9示出了一种可发两种波长（如532nm和1064nm）的激光脉冲单粒子效应模拟系统简化示意图。由于532nm激光通常只能从正面入射到被测器件表面，而1064nm激光则不但可从正面入射，还可从背面入射，而且背面入射可以避免表层金属的影响，对硅基器件测试有很重要的意义。为了达到良好的测试效果，如图9所示，电控位移台31的底层还使用了一个一维位移台311，通过311的作用，可在正面入射测试时将器件32拉到激光焦点上，当需要背面入射测试时，则将被测器件321拉到激光焦点上，器件背面朝上，并且采用背探针技术进行测试，即探针与激光放在相反反向的测试方法，通过载物台开孔，将探针连接到被测器件压焊垫上；探针也可装载在电控位移台上，实现远程控制，必要时在探针一侧增加一台显微镜，也可将其安装在电控位移台上，实现更好的探针控制功能。当不同波长激光从相反反向入射时，如532nm波长激光从上方入射，1064nm波长激光从背面入射，则可以不移动探测系统，而用薄的透光载物台（如玻璃），将被测器件321拉到激光器位置，即可进行测试。
作为本发明的突出优势，本发明可用于提取单个器件的电流－电压特性，为了获得稳定准确的测试结果，本发明还在被测器件相关区域进行了进一步的限定，以NMOS（N型金属氧化物半导体）为例，如图10所示。图10中，NMOS源、体电极接在一起，作为地电极连接到两根射频探针的G针，漏极连到GS射频探针25的S针，栅极连到另一根射频探针的S针上，并连接到第二直流电源34上。第二直流电源34在外部与示波器21共地。两根射频探针在被测器件上的G针也用金属层短接。为了控制栅极受激光脉冲的影响，在栅极与源极需放置一电容322进行稳压。为了减少漏极的输出信号被寄生电容滤波，漏极压焊垫须为低寄生电容压焊垫，用顶层金属制成，或用顶层金属与第三层金属～顶层金属以下的一层金属或多层金属制成。由于LDMOS、VDMOS、IGBT等均采用的是相近的MOS电极结构，可采用类似的连接方法进行测试。本发明不仅可以测试MOS管，也可测试三极管、二极管、电阻等。图11显示了一种二极管与电阻的测试方法，图11中，二极管的正极与GS射频探针25的S针连接在一起，负极与G针连接在一起，激光脉冲单粒子效应发生时，射频信号从GS射频探针25传出到示波器上被探测到。电阻结构的连接方法与二极管类似，一端连接到GS射频探针25的S针，另一端连接到G针即可。
在本发明中，当被测器件32是集成电路单元或集成电路时，被测器件可由一个或多个第二直流电源34提供直流供电，被测器件地电极接在射频探针25的G（地）针，信号输出电极接在射频探针25的S（信号）针，并由与射频探测器连接的第一直流电源33提供直流偏置，信号输出电极为一个或多个，并由相应数量的射频探测模块50输出。当信号输出电极输出的是数字信号时，可用高频探针，和/或者直流探针连接到信号采集电路上。此外，本发明也可用于电路板上的集成电路单粒子效应测试，此时，信号输出电极、电源电极、地电极可直接由导线（包括传输线、微带线）连接到相应的设备上。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (31)
1.一种激光脉冲单粒子效应模拟系统，其特征在于，包括超快激光脉冲发生系统、测试系统和控制器；
所述超快激光脉冲发生系统包括超快激光器，电控衰减器，第Ⅰ分光片，照明光源，压电陶瓷旋转台，光学聚焦系统，相机，其中，所述压电陶瓷旋转台上装有第Ⅱ分光片，所述光学聚焦系统包括物镜；
所述测试系统包括被测器件，第Ⅰ电控位移台，第Ⅱ直流电源，其中，所述被测器件设置于所述第Ⅰ电控位移台上；
所述超快激光器产生的超快激光经过所述电控衰减器后能量衰减成具有工作能量的工作激光，所述工作激光经过所述第Ⅰ分光片后射到所述第Ⅱ分光片上，射到所述第Ⅱ分光片上的工作激光借助所述压电陶瓷旋转台实现光轴偏转并从所述第Ⅱ分光片射出，从所述第Ⅱ分光片射出的工作激光在所述光学聚焦系统的作用下于所述光轴上形成焦斑，进而所述工作激光在所述被测器件的水平面进行X/Y方向扫描，并使所述被测器件吸收所述工作激光能量后在不同X/Y位置产生单粒子效应信号；
所述照明光源通过所述第Ⅰ分光片耦合到所述工作激光的光路上；
所述被测器件由所述第Ⅱ直流电源供电；
所述控制器控制所述第Ⅰ电控位移台切换所述被测器件，从所述被测器件提取所述单粒子效应信号，控制所述第Ⅱ分光片，进而控制所述光轴与所述被测器件平面之间的角度。
2.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，
所述被测器件产生的单粒子效应信号是单粒子效应电流，
所述测试系统还包括射频探测模块，示波器和第Ⅰ直流电源，
所述射频探测模块由所述第Ⅰ直流电源供电，所述示波器由所述控制器控制，所述射频探测模块连接于所述被测器件，所述单粒子信号电流经过所述射频探测模块后被传输至所述示波器，所述示波器采集所述单粒子效应电流的脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的模拟系统，其特征在于，所述射频探测模块包括射频探针，所述射频探针将所述单粒子效应电流耦合后传输至所述示波器。
4.根据权利要求3所述的模拟系统，其特征在于，所述射频探测模块还包括第Ⅰ传输线、射频探测器和第Ⅱ传输线，所述被测器件的地电极连接于所述射频探针的G针，所述被测器件的信号输出电极连接于所述射频探针的S针，所述射频探测器由所述第Ⅰ直流电源供电，所述被测器件产生的单粒子效应电流由所述被测器件的信号输出电极依次通过所述S针和所述第Ⅰ传输线传输至所述射频探测器，所述射频探测器将所述单粒子效应电流耦合后由所述第Ⅱ传输线传输至所述示波器，
所述示波器和所述第Ⅱ传输线的内阻与所述射频探测器的内阻相匹配。
5.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述超快激光器的脉冲宽度＜20ps。
6.根据权利要求5所述的模拟系统，其特征在于，所述超快激光器为皮秒激光器或者飞秒激光器。
7.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述超快激光器前还装有光隔离装置。
8.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述超快激光器发生的激光波长至少为一种。
9.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述电控衰减器的衰减倍数间歇可调或者连续可调。
10.根据权利要求9所述的模拟系统，其特征在于，所述连续可调的电控衰减器至少包括一块偏振片。
11.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜安装于旋转台上，所述反射镜对所述工做激光的方向进行粗调后使所述工作激光射向所述第Ⅱ分光片，再进一步由所述第Ⅱ分光片借助所述压电陶瓷旋转台对所述工作激光的方向进行细调。
12.根据权利要求1或11所述的模拟系统，其特征在于，所述测试系统还包括第Ⅱ电控位移台和/或第Ⅲ电控位移台，所述压电陶瓷旋转台和/或旋转台装设于第Ⅱ电控位移台和/或第Ⅲ电控位移台上，通过对所述第Ⅱ电控位移台和/或第Ⅲ电控位移台的调整，进一步调整所述压电陶瓷旋转台和/或旋转台，使得所述工作激光移到所述光学聚焦系统中的物镜入口中心位置。
13.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述相机前装设有衰减片。
14.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述物镜的数值孔径＞0.4。
15.根据权利要求14所述的模拟系统，其特征在于，所述物镜是浸没式物镜。
16.根据权利要求3所述的模拟系统，其特征在于，所述射频探针选自GS针、SG针、GSG针、GSSG针、SGS针、GSGSG针中的一种。
17.根据权利要求4所述的模拟系统，其特征在于，所述射频探测器是BIAS-T，所述BIAS-T的一个射频端通过所述第Ⅱ传输线接于所述示波器，所述BIAS-T的射频+DC偏置端连接于所述第Ⅰ传输线，所述BIAS-T的DC端连接于所述第Ⅰ直流电源。
18.根据权利要求2所述的模拟系统，其特征在于，所述射频探测模块为多个。
19.根据权利要求2所述的模拟系统，其特征在于，所述示波器的带宽＞4GHz。
20.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，所述第Ⅰ电控位移台为多个，其中，至少有一个第Ⅰ电控位移台具有XYZ三轴位移能力。
21.根据权利要求20所述的模拟系统，其特征在于，其中一个第Ⅰ电控位移台包括电控旋转台。
22.根据权利要求20所述的模拟系统，其特征在于，所述多个第Ⅰ电控位移台上设有压电陶瓷位移台。
23.根据权利要求20所述的模拟系统，其特征在于，所述多个第Ⅰ电控位移台还包括一维平移位移台。
24.根据权利要求1或2所述的模拟系统，其特征在于，所述直流电源的电极上具有电容。
25.根据权利要求2或18所述的模拟系统，其特征在于，所述被测器件选自MOS、LDMOS、VDMOS、IGBT中的一种；所述被测器件的栅极连接于所述第Ⅱ直流电源，所述被测器件的源极连接于所述射频探针的G针，所述被测器件的漏极连接于所述射频探针的S针，所述被测器件的体电极连接于所述射频探针的G针，所述体电极通过所述G针接地，或者，所述体电极连接于另一组射频探测模块的S针。
26.根据权利要求2所述的模拟系统，其特征在于，所述被测器件是二极管或者电阻，所述被测器件的一极连接于所述射频探针的S针，所述被测器件的另一极连接于所述射频探针的G针。
27.据权利要求2所述的模拟系统，其特征在于，所述被测器件是集成电路或者集成电路单元，所述被测器件由至少一个第Ⅱ直流电源供电，所述射频探针的G针连接于所述被测器件的地电极，所述射频探针的S针连接于所述被测器件的信号输出电极。
28.根据权利要求27所述的模拟系统，其特征在于，所述信号输出电极为多个，所述射频探针的S针总数量与所述信号输出电极的数量相同，每个所述射频探针的S针连接于一个所述被测器件的信号输出电极。
29.根据权利要求1所述的模拟系统，其特征在于，
所述测试系统还包括信号采集电路，
所述信号采集电路采集被测器件单粒子效应产生的数字信号，
所述信号采集电路采集被测器件单粒子效应产生的数字信号由所述控制器提取处理，
所述被测器件连接于所述信号采集电路上。
30.根据权利要求29所述的模拟系统，其特征在于，所述被测器件通过高频探针或者直流探针连接于信号采集电路上，或者，所述被测器件封装后连接于所述信号采集电路上。
31.根据权利要求1所述的模拟系统，所述控制器还控制所述照明光源。
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