RU110488U1

RU110488U1 - LASER SIMULATOR FOR RESEARCH OF THE RADIATION RESISTANCE OF INTEGRAL SCHEMES TO THE INFLUENCE OF SEPARATE CHARGED PARTICLES

Info

Publication number: RU110488U1
Application number: RU2011121653/28U
Authority: RU
Inventors: Андрей Николаевич Егоров; Олег Борисович Маврицкий; Александр Иннокентьевич Чумаков; Александр Юрьевич Никифоров; Александр Александрович Печенкин; Андрей Викторович Яненко
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2011-11-20

Abstract

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 фокусирующем устройстве для фиксации отраженного сигнала от испытуемого образца, а также система компьютерного управления и функционального контроля, отличающийся тем, что он 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, привод перемещения предметного столика выполнен в виде трех прецизионных шаговых двигателей с минимальным шагом перемещения 0,125 мкм в горизонтальной плоскости и 0,16 мкм в вертикальном направлении, а в качестве лазерного источника использован твердотельный пикосекундный лазер с диодной накачкой со встроенным преобразователем во вторую гармонику, работающий на двух переключаемых длинах на частоте повторения импульсов до 1000 Гц, при этом указанный лазер выполнен с функцией выделения одиночного импульса из цуга пик A laser simulator for studying the radiation resistance of integrated circuits to individual charged particles, containing a laser source for emitting ultrashort laser pulses of picosecond duration in the direction of the focusing device and transferring it through this device to the test object in the form of an integrated circuit sample placed on a stage made with a drive for moving it in three directions, a laser pulse energy measuring unit, a visual control unit in the form of CCD cameras located in the focusing device for fixing the reflected signal from the test sample, as well as a computer control and functional control system, characterized in that it is equipped with a radiation attenuation unit located on the path of the laser pulses from the laser source to the entrance of the focusing device and made in the form a set of polarizing prisms, one of which is equipped with a precision stepwise rotation drive to attenuate the radiation energy when changing its position relative to others polarizing prisms, the stage movement drive is made in the form of three precision stepper motors with a minimum movement step of 0.125 μm in the horizontal plane and 0.16 μm in the vertical direction, and a solid-state picosecond diode-pumped laser with a built-in second harmonic converter is used as a laser source operating at two switchable lengths at a pulse repetition rate of up to 1000 Hz, while the specified laser is configured to extract a single pulse from the peak train

Description

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.The utility model relates to measuring technique and relates to the design of the device used to study the radiation resistance of integrated circuits (ICs) to the effects of individual charged particles. In particular, a laser simulator is considered, designed to simulate volumetric radiation effects that occur in IP under the influence of pulsed ionizing radiation.

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).The widespread use of large (LSI) and ultra-large (VLSI) integrated circuits in the electronic equipment of spacecraft requires work to assess their sensitivity to the effects of high-energy individual charged particles (OPC) - ions and protons. The most important local radiation effects include single faults and thyristor effects (A. Chumakov, “The effect of cosmic radiation on IP”, M, “Radio and communications”, 2004, p. 320; Messenger GC, Ash MS “Single Event Phenomena” , NY, 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.Direct methods for assessing these parameters are based on the results of tests of IP on accelerators of ions and protons of various energies, which are quite laborious and expensive. In addition, due to the statistical nature of the interaction of radiation with matter, these methods are ineffective when comparing various circuit-technological methods for ensuring the radiation resistance of VLSI.

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.Therefore, alternative methods based on the use of focused picosecond laser radiation are currently being developed (Buchner S., et al. "Laboratory Tests for Single-Event Effects", IEEE Trans, on Nuclear Science, 1996, V. NS-43, no. 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, No. 4, p.539-544; Chumakov A.I., Pechenkin A.A., Egorov A.N., Mavritsky O. B. et al. “Methodology for assessing the parameters of the sensitivity of an IC to a thyristor effect when exposed to individual nuclear particles” , Microelectronics. 2008, vol. 37, 1 str.45-51). It was shown that the effects induced in semiconductor devices by focused ultrashort laser pulses of a picosecond duration are most comparable to the effects of the impact of an extra-frequency band. In the case of an SCR, an ionization track is generated from the dense electron-hole plasma in the semiconductor bulk on the IC. The absorption of a picosecond laser pulse leads to a similar result. Both of these interactions occur during times substantially shorter than the electrical response time of most microelectronic devices. Although the spatial distribution of the focused picosecond laser pulse generated during absorption in the volume of the charge semiconductor differs markedly from the shape of the track of the cosmic particle, in both cases a local nonequilibrium charge bunch is created that can cause a malfunction.

Моделирование воздействия ОЗЧ с помощью лазерного импульса имеет ряд неоспоримых преимуществ перед традиционным воздействием пучка частиц:Modeling the impact of an OZC using a laser pulse has a number of undeniable advantages over traditional exposure to a particle beam:

- Лазерный луч может быть сфокусирован до микронных (и даже субмикронных для коротких длин волн) размеров. Это дает возможность локализации чувствительных элементов с микронной точностью.- The laser beam can be focused to micron (and even submicron for short wavelengths) sizes. This makes it possible to localize sensitive elements with micron accuracy.

- Воспроизводимое лазерное облучение с правильно подобранной энергией в отличие от возбуждения пучком частиц не вызывает остаточных разрушений.- Reproducible laser irradiation with the right energy, unlike particle beam excitation, does not cause residual damage.

- Лазерный импульс может быть точно синхронизован с тактовой частотой работы тестируемого прибора, позволяя изучать динамическую чувствительность к одиночным сбоям в различных режимах его работы.- The laser pulse can be precisely synchronized with the clock frequency of the device under test, allowing you to study the dynamic sensitivity to single failures in various modes of its operation.

- 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.- Laser testing does not require a vacuum chamber to be investigated, and additional functional monitoring and control devices can be located in close proximity to it. This circumstance is of particular importance when testing for single failures of devices with high speed.

- Лазеры имеют меньшую стоимость, чем источники пучков частиц, более удобны в обращении и управлении.- Lasers are less expensive than sources of particle beams, more convenient to use and manage.

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:The described features make it possible to assert that the focused radiation of picosecond lasers can be successfully used to simulate the effects that arise in semiconductor devices under the action of cosmic rays. Currently, laser radiation is used to simulate:

- одиночных сбоев, представляющих собой изменение логического состояния ячейки памяти (или триггера), возникающего вследствие перехода закрытого транзистора в проводящее состояние при воздействии на него ОЗЧ;- single failures, which are a change in the logical state of a memory cell (or trigger) that occurs as a result of the transition of a closed transistor to a conducting state when an OPC is exposed to it;

- 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;- single transients, manifesting themselves as short current spikes that can lead to abnormal behavior of other components that are almost always present in on-board equipment, such as logic elements that are functionally dependent on the excited element;

- тиристорного эффекта, возникающего при активации так называемых паразитных транзисторных структур, не участвующими в формировании целевых логических элементов ИС.- the thyristor effect that occurs when the so-called parasitic transistor structures are activated that are not involved in the formation of target logical elements of the IC.

Применение методов тестирования БИС пикосекундными лазерными импульсами позволяет, сканируя поверхность БИС, прецизионно локализовать чувствительные к описанным эффектам области и найти пороги их возникновения.The application of LSI testing methods by picosecond laser pulses allows, by scanning the LSI surface, to precisely localize regions sensitive to the described effects and to find thresholds for their occurrence.

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).For example, a device is known for studying the radiation resistance of integrated circuits to individual charged particles, containing a laser source for emitting ultrashort laser pulses of picosecond duration in the direction of the focusing device and transmitting it through this device to the test sample in the form of an integrated circuit sample placed on an object circuit a table made with a drive for moving it in three directions, a unit for measuring the energy of a laser pulse, a unit for visual control in the form of a CCD camera located in the focusing unit for fixing the reflected signal from the test sample, as well as the control system (D.V. Bobrovsky, BCVolin, O.A. Kalashnikov, P.V. Nekrasov, D.Sc. , Prof. Yu.S. Ryabtsev “Radiation resistance of microprocessors of the“ MTsST-R ”family, Radioelectronics Issues, EVT series, issue 3, 2010, posted on the official website of the MTsST CJSC Company on-line on the Internet at: 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.The most significant drawbacks of the laser source used in this system is the lack of computer-based VLSI positioning control, as well as the fact that the main mode of operation of the lasers in the complex was the single-pulse generation mode. The generation of a pulse train, although it was possible, occurred at a very low frequency — not more than 10 Hz. All this sharply limits the use of this complex for scanning large-area VLSI crystals. At the same time, in connection with the increasing requirements for radiation resistance of aerospace equipment, there has been an urgent need to conduct both research and mass testing of the latest types of VLSI with a large crystal area. This required the development of new generations of laser sources, which provide more opportunities for automating the processes of scanning and recording the ionization reaction, functional failures, and VLSI failures.

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.This useful model is aimed at achieving a technical result, which consists in minimizing the costs of modeling the effects that arise in IS under the action of cosmic rays (high-energy individual charged particles) by generating individual pulses at high frequencies and increasing the reliability of the results by localizing the zones of radiation exposure to IP.

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.The specified technical result is achieved by the fact that a laser simulator for studying the radiation resistance of integrated circuits to individual charged particles, containing a laser source for emitting ultrashort laser pulses of picosecond duration in the direction of the focusing device and transmitting it through this device to the test object in the form of an integrated circuit sample, placed on a stage made with a drive for moving it in three directions, the laser energy measuring unit pulse, the visual control unit in the form of a CCD camera located in the focusing unit for recording the reflected signal from the test object, as well as the computer control and functional control system, according to the utility model, is equipped with a radiation attenuation unit located on the path of the laser pulses from the laser source before entering the focusing device and made in the form of a set of polarizing prisms, one of which is equipped with a precision stepwise rotation drive to attenuate the radiation energy when changing its position relative to other polarizing prisms, the focusing device is made on the basis of an infinity-corrected optical system using microobjects with a large working distance and a telecentric illuminator, the stage movement drive is made using three precision computer-controlled stepper motors, and as The laser source used a diode-pumped solid-state picosecond laser with a built-in converter harmonic operating in the mode of generating a sequence of pulses at two switchable wavelengths of 1064 and 532 nm, while this laser is designed to extract a single pulse from a train of picosecond pulses.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.These features are significant and are interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the desired technical result.

Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.The present utility model is illustrated by a specific example of execution, which, however, is not the only possible one, but clearly demonstrates the possibility of achieving the required technical result.

Фиг.1 - блок-схема лазерного имитатора;Figure 1 is a block diagram of a laser simulator;

Фиг.2 - внешний вид установки лазерного имитатора.Figure 2 - appearance of the installation of a laser simulator.

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.According to this utility model, the design of a laser simulator designed for radiation testing of products (integrated circuits, semiconductor devices, electronic modules, optoelectronic devices, etc.) for resistance to the influence of factor 7.K11 (7.K12) according to GOST RV 20.57.415 is considered carried out by calculation and experimental methods.

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.The laser simulator was developed and practically implemented in the SPEPS ENPO, based on the use of focused picosecond laser radiation (Fig. 1). The radiation of the laser source 1, passing through the radiation attenuation unit 2, is focused using a micro-lens of the focusing device 3 on the LSI under study into a spot with a diameter of several microns, depending on the wavelength of 1064 and 532 nm and the quality of the initial beam. LSI is placed on a stage 4.

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 (λ₁=1064 нм) и 8 мкДж (λ₂=532 нм). Примененная оптическая схема (высокостабильный задающий генератор + регенеративный усилитель) и конструкция лазера обеспечивают близкий к гауссовому поперечный профиль лазерного пучка (ТЕМ₀₀, М²≈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.As a laser source, a EKSPLA solid-state picosecond diode-pumped laser PL-2201 / SH with an integrated second-harmonic converter operating in the mode of generating a sequence of pulses at two switchable wavelengths of 1064 and 532 nm was used. In this case, the specified laser is configured to isolate a single pulse from a train of picosecond pulses. A picosecond laser generates radiation pulses of 30 ps duration at two switchable wavelengths with energy (in the area of the object irradiation), respectively, 15 μJ (λ ₁ = 1064 nm) and 8 μJ (λ ₂ = 532 nm). The applied optical scheme (highly stable master oscillator + regenerative amplifier) and the laser design provide a Gaussian transverse profile of the laser beam (TEM ₀₀ , M ² ≈1.2) close to Gaussian with an energy instability of no more than 2% of the pulse. The laser is equipped with built-in systems for isolating a single pulse from a train of picosecond pulses with a contrast of at least 1000: 1 and digital measurement of the energy of each pulse. The laser output optical system forms and spatially combines collimated beams with a diameter of 6 mm at both wavelengths. The laser does not require a forced water cooling system and has computer control of operating modes.

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).The energy of the laser pulse is controlled using an energy meter 5, to which a small fraction of the main laser beam is allocated. The three-coordinate positioning system 6 provides precise movement of the stage 4 and, accordingly, the LSI in the object plane and fine-tuning the beam focus on the crystal surface. Visual observation and photographing of the topology is carried out using a CCD camera 7, the signal from which is fed to a monitor or to a control computer 8. The operation modes and functional monitoring of the LSI are set using the functional monitoring system 9, also connected to the computer 8. Laser simulators as described the scheme allows one to simulate the effect of particles of a different type and energy on any selected LSI element by adjusting the geometry of the ionization "track" - the depth of radiation penetration (changed cm wavelength) and a beam diameter (the degree of change in focus).

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.In general, a laser simulator for studying the radiation resistance of integrated circuits to the action of individual charged particles contains a laser source for emitting ultrashort laser pulses of picosecond duration in the direction of the focusing device and transmitting it through this device to the test object in the form of an integrated circuit sample placed on a stage made with the drive of its movement, made using three precision stepper motors with computer control Unit of measurement of the laser pulse energy, the unit of visual control of the CCD camera, placed in the focus block for the registration of the reflected signal from the test object, as well as a computer control system, and functional control. The radiation attenuation unit 2 is placed on the path of the laser pulses from the laser source to the entrance to the focusing device 3 and is made in the form of a set of polarizing prisms, one of which is equipped with a precision stepwise rotation drive to attenuate the radiation energy when changing its position relative to other polarizing prisms.

Система ослабления, встроенная в узел фокусировки, предназначена для плавной регулировки коэффициента ослабления энергии излучения, падающего на исследуемый объект, в диапазоне 1…10⁵. Она состоит из поляризационных призм, одна из которых оснащена прецизионным шаговым приводом вращения. Конструкция позволяет управлять ослабителем программно и вручную.The attenuation system built into the focusing unit is designed for smooth adjustment of the attenuation coefficient of the radiation energy incident on the object under study in the range 1 ... 10 ⁵ . It consists of polarizing prisms, one of which is equipped with a precision stepwise rotation drive. The design allows you to control the attenuator programmatically and manually.

Фокусирующее устройство выполнено на базе оптической системы, скорректированной на бесконечность, с использованием микрообъективов с большим рабочим расстоянием и телецентрического осветителя.The focusing device is based on an infinity-corrected optical system using micro-lenses with a long working distance and a telecentric illuminator.

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.An object positioning system designed to scan an object with a laser beam with high accuracy is made in the form of a stage. The drive for moving the stage is made using three precision computer-controlled stepper motors (with the smallest step of movement 0.125 μm in the horizontal XY plane and 0.16 μm in the Z direction.) The range of movements is 100 × 100 × 25 mm along X, Y and Z respectively. The maximum scanning speed is 500 μm / s.

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.The control and measuring unit based on a personal computer is designed to control the complex and functional control of the tested IC. The pulses of the ionization reaction and the latch currents are recorded using the interface and switching unit, which is connected to the computer via a universal parallel adapter. The unit is equipped with all necessary software and hardware for registering individual failures and observing the “latch” phenomenon in various types of ICs.

При исследовании явления «защелки» предусмотрена возможность записи осциллограмм временного отклика и автоматическая защита исследуемого устройства от перегрузки по току.When studying the “latch” phenomenon, it is possible to record waveforms of the temporary response and automatic protection of the device under study against current overload.

При реализации готового образца были получены следующие основные характеристики лазерного имитатора, приведены в таблице 1.When implementing the finished sample, the following main characteristics of the laser simulator were obtained, are shown in table 1.

Таблица 1Table 1 Наименование характеристикиName of characteristic Единица измеренияunit of measurement ЗначениеValue ИзлучательEmitter Длина волны излучения, основная (вторая гармоника)Emission wavelength, fundamental (second harmonic) нмnm 10641064 (532)(532) Полная энергия в объектной плоскости, не менееTotal energy in the object plane, not less мкДжmJ 88 (3,2)(3.2) Нестабильность энергии на выходе, не болееInstability of energy at the exit, no more ±%±% 22 (4)(four) Частота повторения импульсовPulse repetition rate ГцHz 10001000 Режим одиночных импульсовSingle pulse mode -- естьthere is Длительность импульсаPulse duration псps 7070 Измеритель энергии лазерного излученияLaser energy meter -- встроенныйinline Джиггер импульса синхронизацииJigger Pulse Sync нсns ±1± 1 УправлениеControl -- с выносною пульта или с помощью ПКwith a remote control or using a PC Система охлажденияCooling system -- конвекционнаяconvection ОслабительAttenuator Тип ослабителяType of attenuator -- плавныйsmooth Максимальный коэффициент ослабления, не менееMaximum attenuation coefficient, not less -- 5 10⁴ 5 10 ⁴ УправлениеControl -- вручную или с помощью ПКmanually or using a PC Система фокусировки лазерного излучения и канал визуального наблюденияLaser focusing system and visual observation channel МикрообъективыMicro Lenses кратkrat 5×, 20×5 ×, 20 × Минимальный диаметр пятна фокусировки излучения (по уровню 0.5)Minimum diameter of the spot for focusing radiation (at the level of 0.5) мкмμm 2,42,4 1,81.8 Поле зрения системы наблюдения: для микрообъектива 5∗ для микрообъектива 20∗Field of view of the surveillance system: for a micro lens 5 ∗ for a micro lens 20 ∗ мкмμm 1600×1200 400×3001600 × 1200 400 × 300 Разрешение канала наблюденияChannel resolution мкмμm 0,70.7

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.The use of a laser simulator based on focused laser radiation of picosecond duration makes it possible to efficiently and with minimal cost simulate effects that occur in semiconductor devices under the action of cosmic rays. Laser simulation complexes developed at ENPO SPELS allow scientific research and testing of a wide class of promising products of semiconductor micro- and nanoelectronics for resistance to the effects of high-energy individual charged particles in connection with giving the laser simulator high technical and operational parameters. Complexes is an original development of ENPO SPELS, which has no analogues in Russia.

Claims

A laser simulator for studying the radiation resistance of integrated circuits to individual charged particles, containing a laser source for emitting ultrashort laser pulses of picosecond duration in the direction of the focusing device and transferring it through this device to the test object in the form of an integrated circuit sample placed on a stage made with a drive for moving it in three directions, a laser pulse energy measuring unit, a visual control unit in the form of CCD cameras located in the focusing device for fixing the reflected signal from the test sample, as well as a computer control and functional control system, characterized in that it is equipped with a radiation attenuation unit located on the path of the laser pulses from the laser source to the entrance of the focusing device and made in the form a set of polarizing prisms, one of which is equipped with a precision stepwise rotation drive to attenuate the radiation energy when changing its position relative to others polarizing prisms, the stage movement drive is made in the form of three precision stepper motors with a minimum movement step of 0.125 μm in the horizontal plane and 0.16 μm in the vertical direction, and a solid-state picosecond diode-pumped laser with a built-in second harmonic converter is used as a laser source operating at two switchable lengths at a pulse repetition rate of up to 1000 Hz, while the specified laser is configured to extract a single pulse from the peak train second pulses.