CN107886823A - 一种优化集成式单光路激光电离效应模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种优化集成式单光路激光电离效应模拟系统，该系统主要包括脉冲激光产生与衰减模块、显微成像与能量监测模块、测试与控制模块三个部分。该系统可自由切换266nm、532nm和1064nm三个波长对辐射电离效应进行单路激光模拟，可灵活快捷地在实验室条件下对半导体器件辐射电离效应进行研究和验证，特别是针对伽马射线等辐射源作用于半导体器件剂量率效应的模拟，具有方便、快捷、准确、安全性高等特点。该发明有效降低了试验成本，提高了试验效率，缩短了抗辐射加固的设计周期。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件辐射效应研究领域，特别是一种优化集成式单光路激光电离效应模拟系统。
背景技术
现在很多社会应用场景中，都存在着各种各样的辐射因素。当辐射因素与半导体器件之间相互作用时，会引发电离效应、位移效应等物理过程，严重影响器件乃至整个系统的工作性能，甚至可能使之永久失效。因此对辐射效应影响的研究以及对相应抗辐射加固技术是必要的研究课题。
早期，研究人员主要依靠电子直线加速器、各种放射源等大型地面装置开展辐射效应研究。但这些大型地面辐射模拟装置存在如辐射测量范围有限、参数调节非常困难、改变辐射种类和能量需要的时间长、对被测器件有损伤、难于精确提供器件在辐射下的精确时间和空间信息、需要严格的辐射屏蔽和保护措施等局限性，难以满足科研人员在设计初期，在实验室中灵活、快捷、安全地对半导体器件辐射效应和工作性能进行研究和验证的需求。
由于激光可以在半导体器件内产生同某些辐射效应相近的电学特征，因此，激光模拟辐射电离效应方法应运而生，并且得到了国外科研界的推广和认可，在半导体器件辐射效应敏感性测试、抗辐射加固器件的批量筛选以及防护措施验证等方面中证实了其独特优势，可以在很大程度上弥补地面装置模拟方法的不足，具有非常广阔的应用前景。
目前国内现有的激光模拟系统大多为单粒子效应激光模拟系统，且多为单波长试验系统，波长切换成本昂贵，不能满足辐射剂量率效应激光模拟要求。
发明内容
针对目前国内尚无针对剂量率效应激光模拟系统的现状，以及其它地面模拟装置的固有限制，本发明提供了一种优化集成式单光路激光电离效应模拟系统。利用波长为266nm或者532nm或者1064nm的单路激光模拟辐射电离效应，该模拟系统可灵活快捷地在实验室条件下，对半导体器件辐射剂量率效应进行研究和验证，并对光路和结构进一步进行了优化，使整个系统更紧凑且具有集成性。
本发明的技术方案如下：
一种优化集成式单光路激光电离效应模拟系统，其特征在于：包括调整底座，光源，衰减与光束调整模块，显微观察模块，测试与控制模块；
所述调整底座，用于稳定支撑整个模拟系统；
所述光源，安装于调整底座上部，用于产生波长为266nm或者532nm或者1064nm的单路激光，并沿水平方向进入到衰减与光束调整模块；
所述衰减与光束调整模块，用于对单脉冲激光的能量进行衰减；
所述显微观察模块，用于对反射出的激光照射到测试样品上形成的光斑进行观察；
所述测试与控制模块，用于采集并记录半导体器件测试样品辐射电离效应的响应电信号。
所述调整底座包含调平螺丝和纵向安装于调整底座上的导轨，调平螺丝用于调节调整底座的水平位置，导轨用于调整系统的高度。
所述光源、衰减与光束调整模块均安装于遮光罩内。所述光源包含脉冲激光器和光路提升器；所述脉冲激光器用于产生波长为266nm或者532nm或者1064nm的激光，266nm和532nm的激光可以由1064nm倍频得到；水平方向脉冲的激光通过调节光路提升器进入衰减与光束调整模块，光路提升器保证进入到衰减与光束调整模块的激光保持水平。
所述衰减与光束调整模块整体设置于光源上方，经过光束提升器后沿激光进入方向依次包括有第一级1/2λ波片、位于第一级1/2λ波片透射光方向上的第一级偏振分光棱镜、位于第一级偏振分光棱镜的透射光方向上的第二级1/2λ波片、位于第二级1/2λ波片透射光方向上的第二级偏振分光棱镜、位于第二级偏振分光棱镜反射光方向上的光束收集器一、位于第一级偏振分光棱镜的反射光方向上的分光棱镜一、位于分光棱镜一透射光方向上的激光能量计探头一、位于分光棱镜一反射光方向上的光束收集器二、位于第二级偏振分光棱镜透射光方向上的光束匀化器，激光经过光束匀化器后射出到后续光路。所述光束匀化器，可将直径4mm的高斯光转化为光斑大小为10mm的平顶光。
优选的，遮光罩的内部表面粗糙，不发生镜面反射，且易拆卸。
所述显微观察模块包括沿光束匀化器出来的激光方向设置有分光棱镜二，分光棱镜二上端设置有显微镜筒与照明光源、摄像头，分光棱镜二的透射光方向上设置有激光能量计探头二，分光棱镜二的反射光方向设置有可变光斑调节装置；激光经过分光棱镜二后，透射光到达激光能量计探头二，反射光经过可变光斑调节装置照射到测试样品上，光斑调节范围为10μm-10mm。
所述照明光源在空间位置上依次经过分光棱镜二、调焦机构、物镜转盘、物镜后到达半导体器件测试样品表面；照明光源在分光棱镜二上与脉冲激光合束后，到达半导体器件测试样品表面上时，照明光源与脉冲激光的光斑中心重合。
优选的，照明光源为波长为532nm的连续激光，功率不大于1mW。
所述测试与控制模块Ⅴ，包括用于放置待测样品的精密位移平台，用于测试待测样品信号的示波器，与精密位移平台、示波器信号连接的数据采集与控制卡，用于控制系统与数据采集与控制卡连接的计算机。半导体器件测试样品放置于精密位移平台上，通过控制精密位移平台来精确控制光斑作用于半导体器件测试样品上的位置。
优选的，精密位移平台为六自由度位移平台。
本发明的有益效果如下：
本发明提出的模拟系统可适用于实验室研究，利用波长为266nm或者532nm或者1064nm的单路激光模拟辐射电离效应，该模拟系统灵活快捷地在实验室条件下对半导体器件辐射剂量率效应进行研究和验证，对光路进一步优化，结构优化得更紧凑且具有集成性，可有效降低试验成本，提高试验效率，缩短了抗辐射加固设计的设计周期。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的调整底座的俯视结构示意图。
图3为本发明的光源的俯视结构示意图。
图4为本发明的衰减与光束调整模块的俯视结构示意图。
其中，附图标记为：Ⅰ为调整底座，Ⅱ为光源，Ⅲ为双光路衰减模块，Ⅳ为显微观察模块，Ⅴ为测试与控制模块，1为调平螺丝，2为导轨，3为脉冲激光器，4为光路提升器，5为第一级1/2λ波片，6为第一级偏振分光棱镜，7为第二级1/2λ波片，8为第二级偏振分光棱镜，9为光束收集器一，10为分光棱镜一，11为激光能量计探头一，12为光束收集器二，13为光束匀化器，14为分光棱镜二，15为照明光源，16为摄像头，17为激光能量计探头二，18为可变光斑调节装置，19为待测样品，20为六自由度位移平台，21为示波器，22为数据采集与控制卡，23为计算机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实例进行详细描述。
参见图1，一种优化集成式单光路激光电离效应模拟系统，包括调整底座Ⅰ、光源Ⅱ、衰减与光束调整模块Ⅲ、显微观察模块Ⅳ、测试与控制模块Ⅴ。
参见图2，所述调整底座Ⅰ包含调平螺丝1和纵向安装于调整底座上的导轨2，调平螺丝2用于调节调整底座的水平位置，导轨2用于调整系统的高度。
参见图3，所述光源Ⅱ包含脉冲激光器3和光路提升器4；所述脉冲激光器3用于产生波长为266nm或者532nm或者1064nm的激光，266nm和532nm的激光可以由1064nm倍频得到；水平方向脉冲的激光通过调节光路提升器4进入衰减与光束调整模块Ⅲ，光路提升器4保证进入到衰减与光束调整模块Ⅲ的激光保持水平。所述光路提升器4由两个位置对称的反射镜组成，两个反射镜设置于同一纵向方向，位于下部的反射镜用于将脉冲激光器3的激光反射到上部的反射镜，上部的反射镜将激光水平反射至衰减与光束调整模块Ⅲ。
参见图4，所述衰减与光束调整模块Ⅲ，整体设置于光源Ⅱ上方，经过光束提升器4后沿激光进入方向依次包括有第一级1/2λ波片5、位于第一级1/2λ波片5透射光方向上的第一级偏振分光棱镜6、位于第一级偏振分光棱镜6的透射光方向上的第二级1/2λ波片7、位于第二级1/2λ波片7透射光方向上的第二级偏振分光棱镜8、位于第二级偏振分光棱镜8反射光方向上的光束收集器一9、位于第一级偏振分光棱镜6的反射光方向上的分光棱镜一10、位于分光棱镜一10透射光方向上的激光能量计探头一11、位于分光棱镜一10反射光方向上的光束收集器二12、位于第二级偏振分光棱镜8透射光方向上的光束匀化器13，激光经过光束匀化器13后射出到后续光路；光束收集器一9、光束收集器二12用于避免激光泄露，使整个光路更加安全可靠。光束匀化器13用于将高斯光转化为平顶光，入射到光束匀化器13的激光光斑大小为4mm的高斯光，经过光束匀化器13后，为光斑大小为10mm的平顶光。平顶光相比高斯光，激光的能量分布更加均匀，使系统测试结果更加可靠和稳定。
参见图1，所述显微观察模块Ⅳ，沿光束匀化器13出来的激光方向设置有分光棱镜二14，分光棱镜二14上端设置有显微镜筒与照明光源15、摄像头16，分光棱镜二14的透射光方向上设置有激光能量计探头二17，分光棱镜二14的反射光方向设置有可变光斑调节装置18；激光经过分光棱镜二14后，透射光到达激光能量计探头二17，反射光经过可变光斑调节装置18照射到测试样品上，光斑调节范围为10μm-10mm。
参见图1，所述测试与控制模块Ⅴ，包括：用于放置待测样品19的六自由度位移平台20，用于测试待测样品19信号的示波器21，与六自由度位移平台20、示波器21信号连接的数据采集与控制卡22，用于控制系统与数据采集与控制卡22连接的计算机23。所述测试与控制模块Ⅴ通过调整六自由度位移平台20可进行对焦和光斑大小调节，激光照射到待测样品19上后的电学响应信号由示波器21触发采集，数据采集与控制卡22用于采集摄像头18的图像数据以及示波器21的波形数据，并控制六自由度位移平台20的位置，由计算机23存储和显示。
Claims (9)
1.一种优化集成式单光路激光电离效应模拟系统，其特征在于：包括调整底座（Ⅰ）、光源（Ⅱ）、衰减与光束调整模块（Ⅲ）、显微观察模块（Ⅳ）、测试与控制模块（Ⅴ）；其中：所述调整底座（Ⅰ）用于稳定支撑整个模拟系统；所述光源（Ⅱ）及衰减与光束调整模块（Ⅲ）用于产生特定波长脉冲激光，并根据实际实验需求对单脉冲激光能量进行衰减；所述显微观察模块（Ⅳ）用于对待测样品（19）进行成像，并对作用于待测样品（19）的脉冲激光进行能量测量；所述测试与控制模块（Ⅴ）用于采集并记录待测样品（19）辐射电离效应的响应电信号，并控制光斑作用于待测样品（19）上的位置；所述衰减与光束调整模块（Ⅲ）整体设置于光源（Ⅱ）上方，沿激光进入方向依次包括有第一级1/2λ波片（5）、位于第一级1/2λ波片（5）透射光方向上的第一级偏振分光棱镜（6）、位于第一级偏振分光棱镜（6）的透射光方向上的第二级1/2λ波片（7）、位于第二级1/2λ波片（7）透射光方向上的第二级偏振分光棱镜（8）、位于第二级偏振分光棱镜（8）反射光方向上的光束收集器一（9）、位于第一级偏振分光棱镜（6）的反射光方向上的分光棱镜一（10）、位于分光棱镜一（10）透射光方向上的激光能量计探头一（11）、位于分光棱镜一（10）反射光方向上的光束收集器二（12）、位于第二级偏振分光棱镜（8）透射光方向上的光束匀化器（13），激光经过光束匀化器（13）后射出到后续光路。
2.根据权利要求1所述的一种优化集成式单光路激光电离效应模拟系统，其特征在于，所述光源（Ⅱ）可切换产生266nm、532nm或1064nm三种波段的脉冲激光。
3.根据权利要求1所述的一种优化集成式单光路激光电离效应模拟系统，其特征在于，所述调整底座（Ⅰ）包含调平螺丝（1）和纵向安装于调整底座（Ⅰ）上的导轨（2），调平螺丝（1）用于调节调整底座（Ⅰ）的水平位置，导轨（2）用于调整系统的高度。
4.根据权利要求1所述的一种优化集成式单光路激光电离效应模拟系统，其特征在于，所述光源（Ⅱ）、衰减与光束调整模块（Ⅲ）均安装于遮光罩内。
5.根据权利要求1或4所述的一种优化集成式单光路激光电离效应模拟系统，其特征在于，所述光源（Ⅱ）包含脉冲激光器（3）和光路提升器（4）；所述脉冲激光器（3）用于产生波长为266nm或者532nm或者1064nm的激光，266nm和532nm的激光由1064nm倍频得到；水平方向脉冲的激光通过调节光路提升器（4）进入衰减与光束调整模块（Ⅲ），光路提升器（4）保证进入到衰减与光束调整模块（Ⅲ）的激光保持水平。
6.根据权利要求1所述的一种优化集成式单光路激光电离效应模拟系统，其特征在于，所述显微观察模块（Ⅳ）包括沿光束匀化器（13）出来的激光方向设置有分光棱镜二（14），分光棱镜二（14）上端设置有显微镜筒与照明光源（15）、摄像头（16），分光棱镜二（14）的透射光方向上设置有激光能量计探头二（17），分光棱镜二（14）的反射光方向设置有可变光斑调节装置（18）；激光经过分光棱镜二（14）后，透射光到达激光能量计探头二（17），反射光经过可变光斑调节装置（18）照射到待测样品（19）上，光斑调节范围为10μm-10mm。
7.根据权利要求6所述的一种优化集成式单光路激光电离效应模拟系统，其特征在于，所述照明光源（15）在空间位置上依次经过分光棱镜二（14）、调焦机构、物镜转盘、物镜后到达待测样品（19）表面；照明光源（15）在分光棱镜二（14）上与脉冲激光合束后，到达待测样品（19）表面上时，照明光源（15）与脉冲激光的光斑中心重合。
8.根据权利要求1所述的一种优化集成式单光路激光电离效应模拟系统，其特征在于，所述测试与控制模块（Ⅴ）包括用于放置待测样品（19）的精密位移平台，用于测试待测样品待测样品（19）信号的示波器（21），与精密位移平台、示波器信号连接的数据采集与控制卡（22），用于控制系统、数据采集与控制卡（22）连接的计算机（23）。
9.根据权利要求8所述的一种优化集成式单光路激光电离效应模拟系统，其特征在于，所述精密位移平台采用六自由度位移平台（20）。
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