专利名称：基于光纤探针的脉冲激光模拟单粒子效应实验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及脉冲激光模拟单粒子效应的实验系统，特别是基于光纤探针的脉冲激 光模拟单粒子效应实验系统。
背景技术：
单粒子效应是指空间中的高能粒子入射到运行中的微电子器件或电路，使之产生 逻辑错误、功能异常乃至器件损毁的现象。航天器上使用了大量的微电子器件和集成电路， 航天器的安全可靠运行依赖于这些器件和电路的正常工作，而在轨运行的航天器又时刻处 在宇宙射线和地球辐射带高能粒子的辐射中，一旦发生单粒子效应，有可能对航天器造成 致命的损害。因此，研究集成电路的单粒子效应、寻找抗单粒子效应的措施，对国家航天事 业的发展具有十分重要的意义。为了掌握集成电路中单粒子效应的特征，评估抗单粒子效应措施的效果，在地面 上进行单粒子效应的模拟实验必不可少。主要的地面模拟实验方法有加速器模拟方法、天 然放射源模拟方法和脉冲激光模拟方法。专利号为00261443. X的中国专利公开了单粒子 效应加速器地面模拟装置，该装置以真空靶室为主体，在真空靶室入口处设有降能片更换 装置和光栏，在真空靶室内设有直射注量探测器、散射注量探测器、能量探测器、均勻度探 测器、待测器件支架等部件。该装置既可以模拟单粒子效应，又可以用于探测器标定和材料 辐射实验，具有较全面的功能和通用性。被测器件提供方须提供被测集成电路芯片、单粒子 效应检测电路板和单粒子效应检测系统。使用该装置时，被测芯片安装于单粒子效应检测 电路板上，单粒子效应检测电路板安装于待测器件支架上，单粒子效应检测电路板的全部 引线通过两个92芯的真空插座与单粒子效应检测系统连接。但是，该装置需要兰州重离子 加速器提供的重离子束轰击待测集成电路芯片来模拟单粒子效应，使用成本高，使用地点 固定，辐射安全防护措施复杂，难以满足大多数单粒子效应研究单位的需求。天然放射源模 拟方法也可以模拟单粒子效应，但是同样有使用成本高、辐射安全防护措施复杂的不足。脉冲激光模拟单粒子效应是将聚焦的脉冲激光束斑辐照在集成电路上，利用半导 体的光电效应产生电子空穴对，模拟高能粒子进入半导体后电离出电子空穴对而产生的 单粒子效应。这是一种投资少、见效快、易维护、无辐射风险的单粒子效应模拟方法，能够 快速评估抗辐照加固措施的性能，因而受到众多抗辐照集成电路研制单位的采用。传统 脉冲激光模拟集成电路单粒子效应的实现方式是采用脉冲激光器向自由空间输出平行脉 冲激光，平行脉冲激光通过透镜进行聚焦，再将聚焦的激光束斑辐照在集成电路上来模拟 单粒子效应。专利号为6967491的美国专利公开了时空可选择的激光辅助错误定位方法 (Spatialand temporal selectrive laser assisted fault localization) ,^Jj^WMi 光控制单元和测试单元相结合，在测试单元提供特定的测试激励下，将脉冲激光器向自由 空间输出的脉冲激光通过透镜聚焦并辐照在集成电路上来产生单粒子效应，测试集成电路 内各区域的单粒子效应敏感性。专利号为RM2002A000382的意大利专利公开了单粒子效应
(sistema per la mappatura della sensibilita' ai “see") ΛΜΜ^ Μ自由空间中的脉冲激光通过透镜聚焦并辐照在集成电路上来产生单粒子效应，并对整个集成电路芯片进行单粒子效应敏感性的成像。随着微电子技术的不断发展，深亚微米集成电路已成为高性能集成电路的主流， 对深亚微米集成电路进行单粒子效应的脉冲激光模拟研究十分重要。深亚微米集成电路 中核心半导体器件的尺寸远小于lum，为了模拟深亚微米集成电路中单个器件或局部电路 的单粒子效应，脉冲激光的束斑直径也应小于lum。但是，用于单粒子效应模拟的脉冲激光 一般采用能量小于半导体禁带宽度的红外波段激光，而自由空间中激光的束斑直径不能小 于激光的波长，再加上透镜聚焦质量的影响，传统脉冲激光聚焦的最小束斑直径难以小于 lum。专利号为6967491的美国专利的实施例采用了波长分别为1340纳米和1064纳米的 激光，产生的激光束斑直径均大于lum。专利号为RM2002A000382的意大利专利的实施例采 用波长为913士 IOnm的脉冲激光，产生的激光束斑直径约10um。上述两个专利公开的脉冲 激光辐照的束斑区域往往覆盖数个甚至更多的器件，不能模拟深亚微米集成电路中单个器 件或局部电路的单粒子效应。光纤探针是输出端为锥形的光导纤维，当输出端的锥形尖端的孔径小于激光波长 时，可以输出束斑直径小于激光波长的激光，广泛应用于扫描近场光学显微镜、超高密度光 学存储、纳米微细加工和亚波长局域光谱分析等领域。顶端开孔的镀膜光纤探针输出的束 斑直径理论极限约lOnm，目前实现的光纤探针孔径已经接近20nm。探针台是连接被测芯片输入输出接口和测试系统的装置，主要由探针台架、样品 托板、探针夹、电学探针、显微镜和控制系统等部件组成。探针台架是探针台的骨架结构，用 于保持电学探针与被测芯片输入输出接口电学连接的稳固性；样品托板固定被测芯片或安 装有被测芯片的电路板；电学探针是尖端极细的导电金属针，多根电学探针分别固定在多 个探针夹中，各电学探针的尖端接触被测集成电路芯片的各输入输出接口。探针夹固定在 探针台架上，探针夹的导线连接测试系统。探针台的探针夹和样品托板的位置可以进行手 动控制或由探针台的控制系统进行自动控制，电学探针尖端的位置随探针夹位置的移动而 移动，从而控制电学探针尖端与被测芯片输入输出接口的接触。显微镜用于观察电学探针 的尖端与被测芯片的输入输出接口的接触情况。用光纤探针代替电学探针固定在探针夹上，就可以通过控制探针夹和样品托板的 位置来使光纤探针的输出端与被测芯片表面的指定位置接触，实现基于光纤探针的脉冲激 光模拟单粒子效应实验系统。基于光纤探针的脉冲激光模拟单粒子效应实验系统有望使脉 冲激光束斑直径突破激光波长的限制，缩小到深亚微米的范围，模拟深亚微米集成电路中 单个器件或局部电路的单粒子效应。但目前还没有采用光纤探针进行脉冲激光模拟单粒子 效应实验的公开报导。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对传统脉冲激光模拟单粒子效应实验系统中脉冲 激光束斑直径过大的问题，利用光纤探针来输出脉冲激光，减小脉冲激光的束斑直径，实现 深亚微米集成电路中单个器件或局部电路单粒子效应的模拟。同时，用光纤探针代替透镜 来形成微小的激光束斑，脉冲激光模拟单粒子效应实验系统的成本可以明显降低。本发明基于光纤探针的脉冲激光模拟单粒子效应实验系统由脉冲激光器、光纤探针和探针台组成。脉冲激光器能够产生脉冲激光，并使脉冲激光耦合进入光纤探针。要求脉冲激光 器产生的单个激光脉冲波长在500nm至2000nm之间，单个激光脉冲能量在IpJ至IuJ之间， 单个激光脉冲长度在Ifs至IOOns之间。
光纤探针将脉冲激光器产生的脉冲激光从光纤探针的输入端传输到光纤探针的 输出端。光纤探针的输出端为锥形，锥尖孔径为IOnm至Ium之间。探针台用于固定被测集成电路芯片，实现光纤探针输出端的定位，并辅助被测集 成电路芯片输入输出接口与单粒子效应检测系统的连接。如果被测集成电路芯片没有安装在单粒子效应检测电路板中，则被测集成电路芯 片固定在探针台的样品托板上，探针台的多根电学探针分别固定在探针台的多个探针夹 中，各电学探针的尖端分别接触被测集成电路芯片的各输入输出接口，各探针夹的导线连 接单粒子效应检测系统。被测集成电路芯片提供方须提供被测芯片和单粒子效应检测系 统。如果被测集成电路芯片安装在单粒子效应检测电路板中，则将单粒子效应检测电 路板直接固定在探针台的样品托板上，单粒子效应检测电路板的导线连接单粒子效应检测 系统。被测集成电路芯片提供方须提供被测集成电路芯片、单粒子效应检测电路板和单粒 子效应检测系统。光纤探针的输入端连接脉冲激光器，光纤探针靠近输出端的一段光纤固定在探针 台的探针夹中，光纤探针的输出端接触被测集成电路芯片的被测位置。探针台的探针夹和样品托板的位置可以进行手动控制或由探针台的控制系统进 行自动控制，光纤探针输出端和电学探针尖端的位置随探针夹位置的移动而移动，从而可 以控制光纤探针输出端和电学探针尖端与被测芯片指定位置的接触。单粒子效应的测试步骤如下第一步，连接脉冲激光器和光纤探针的输入端，光纤探针靠近输出端的一段光纤 固定在探针台的探针夹中。如果被测集成电路芯片没有安装在单粒子效应检测电路板中， 则被测集成电路芯片固定在探针台的样品托板上，探针台的多根电学探针分别固定在探针 台的多个探针夹中，各电学探针的尖端分别接触被测集成电路芯片的各输入输出接口，各 探针夹的导线连接单粒子效应检测系统。如果被测集成电路芯片安装在单粒子效应检测电 路板中，则将单粒子效应检测电路板直接固定在探针台的样品托板上，单粒子效应检测电 路板的导线连接单粒子效应检测系统。第二步，开启单粒子效应检测系统，对单粒子效应的发生进行检测。第三步，调节探针夹和样品托板的位置，使光纤探针的输出端接触被测集成电路 芯片的被测位置。第四步，开启脉冲激光器电源，发出脉冲激光。光纤探针将脉冲激光传输到被测集 成电路芯片的被测位置，单粒子效应检测系统检测被测集成电路芯片被测位置的单粒子效 应，并处理检测数据。采用本发明可以达到以下技术效果1.使用锥尖孔径为IOnm至Ium的光纤探针，能够输出束斑直径小于等于Ium的脉 冲激光，实现深亚微米集成电路中单个器件或局部电路的单粒子效应模拟。
2.使用价格低廉的光纤探针代替价格昂贵的透镜输出脉冲激光的微小束斑，降低 了脉冲激光模拟单粒子效应实验系统的成本。
图1为被测集成电路芯片没有安装在单粒子效应检测电路中时的本发明总体结 构示意图。图2为被测集成电路芯片安装在单粒子效应检测电路中时的本发明总体结构示 意图。
具体实施例方式图1为被测集成电路芯片1没有安装在单粒子效应检测电路板中时的本发明总体 结构示意图。被测集成电路芯片1固定在探针台3的样品托板4上，探针台3的多根电学探 针5分别固定在探针台3的多个探针夹6中，各电学探针5的尖端分别接触被测集成电路 芯片1的各输入输出接口，各探针夹6的导线连接单粒子效应检测系统2。光纤探针7的输 入端连接脉冲激光器8，光纤探针7靠近输出端的一段光纤固定在探针台3的探针夹6中， 光纤探针7的输出端接触被测集成电路芯片1的被测位置。其实验步骤为第一步，连接脉冲激光器8和光纤探针7的输入端，光纤探针7靠近输出端的一段 光纤固定在探针台3的探针夹6中。被测集成电路芯片1固定在探针台3的样品托板4上， 探针台3的多根电学探针5分别固定在探针台3的多个探针夹6中，各电学探针5的尖端 分别接触被测集成电路芯片1的各输入输出接口，各探针夹6的导线连接单粒子效应检测 系统2。第二步，开启单粒子效应检测系统2，对单粒子效应的发生进行检测。第三步，调节探针夹6和样品托板4的位置，使光纤探针7的输出端接触被测集成 电路芯片1的被测位置。第四步，开启脉冲激光器8的电源，发出脉冲激光。光纤探针7将脉冲激光传输到 被测集成电路芯片1的被测位置，单粒子效应检测系统2检测被测集成电路芯片1被测位 置的单粒子效应，并处理检测数据。图2为被测集成电路芯片1安装在单粒子效应检测电路板9中时的本发明总体结 构示意图。被测集成电路芯片1安装在单粒子效应检测电路板9中，单粒子效应检测电路 板9的导线与单粒子效应检测系统2连接，单粒子效应检测电路板9固定在探针台3的样 品托板4上。光纤探针7的输入端连接脉冲激光器8，光纤探针7靠近输出端的一段光纤固 定在探针台3的探针夹6中，光纤探针7的输出端接触被测集成电路芯片1的被测位置。其实验步骤为第一步，连接脉冲激光器8和光纤探针7的输入端，光纤探针7靠近输出端的一段 光纤固定在探针台3的探针夹6中。将单粒子效应检测电路板9直接固定在探针台3的样 品托板4上，单粒子效应检测电路板9的导线连接单粒子效应检测系统2。第二步，开启单粒子效应检测系统2，对单粒子效应的发生进行检测。第三步，调节探针夹6和样品托板4的位置，使光纤探针7的输出端接触被测集成电路芯片1的被测位置。 第四步，幵启脉冲激光器8的电源，发出脉冲激光。光纤探针7将脉冲激光传输到被测集成电路芯片1的被测位置，单粒子效应检测系统2检测被测集成电路芯片1被测位 置的单粒子效应，并处理检测数据。
权利要求
一种基于光纤探针的脉冲激光模拟单粒子效应实验系统，其特征在于该系统由脉冲激光器(8)、光纤探针(7)和探针台(3)组成，脉冲激光器(8)产生脉冲激光，并使脉冲激光耦合进入光纤探针(7)，脉冲激光器(8)产生的单个激光脉冲波长在500nm至2000nm之间，单个激光脉冲能量在1pJ至1uJ之间，单个激光脉冲长度在1fs至100ns之间；光纤探针(7)的输出端为锥形，锥尖孔径为10nm至1um之间；光纤探针(7)的输入端连接脉冲激光器(8)，光纤探针(7)靠近输出端的一段光纤固定在探针台(3)的探针夹(6)中，光纤探针(7)的输出端接触被测集成电路芯片(1)的被测位置，光纤探针(7)将脉冲激光器(8)产生的脉冲激光从光纤探针(7)的输入端传输到光纤探针(7)的输出端；被测集成电路芯片(1)采取安装在单粒子效应检测电路板(9)中或不安装在单粒子效应检测电路板(9)中两种方式如果被测集成电路芯片(1)没有安装在单粒子效应检测电路板(9)中，则被测集成电路芯片(1)固定在探针台(3)的样品托板(4)上，探针台(3)的多根电学探针(5)分别固定在探针台(3)的多个探针夹(6)中，各电学探针(5)的尖端分别接触被测集成电路芯片(1)的各输入输出接口，各探针夹(6)的导线连接单粒子效应检测系统(2)；如果被测集成电路芯片(1)安装在单粒子效应检测电路板(9)中，则单粒子效应检测电路板(9)直接固定在探针台(3)的样品托板(4)上，单粒子效应检测电路板(9)的导线连接单粒子效应检测系统(2)。
2.一种基于光纤探针的脉冲激光模拟单粒子效应实验系统，其特征在于所述探针台 ⑶的探针夹(6)和样品托板⑷的位置可以进行手动控制或由探针台(3)的控制系统进 行自动控制，光纤探针(7)输出端和电学探针(5)尖端的位置随探针夹(6)位置的移动而 移动。
全文摘要
本发明公开了一种基于光纤探针的脉冲激光模拟单粒子效应实验系统，目的是减小脉冲激光的束斑直径，实现深亚微米集成电路中单个器件或局部电路单粒子效应的模拟。该系统由脉冲激光器、光纤探针和探针台组成，光纤探针锥尖孔径为10nm至1μm之间；光纤探针的输入端连接脉冲激光器，光纤探针靠近输出端的光纤固定在探针台的探针夹中，光纤探针的输出端接触被测集成电路芯片的被测位置，光纤探针将脉冲激光从输入端传输到输出端；被测集成电路芯片采取安装在单粒子效应检测电路板中或不安装在单粒子效应检测电路板中两种方式。采用本发明能输出束斑直径小于等于1μm的脉冲激光，实现深亚微米集成电路中单个器件或局部电路的单粒子效应模拟，且降低了成本。
文档编号G01R1/067GK101833064SQ201010162010
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月5日 优先权日2010年5月5日
发明者何益百, 刘必慰, 孙永节, 梁斌, 池雅庆, 陈书明 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学