Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы испытаний ис на стойкость к воздействию ояч. испытания на лазерных установках и на ускорителях ояч 11
1.1. Испытания на лазерных установках и ускорителях ОЯЧ как альтернатива друг другу 12
1.2. Совместное использование испытаний на ускорителе и методики сфокусированного лазерного воздействия 17
1.3. Методика локального лазерного воздействия 21
Выводы. 39
ГЛАВА 2. Развитие методов лазерных испытаний 40
2.1. Неравномерность распределения коэффициента оптических потерь лазерного излучения по площади кристалла ИС 41
2.2. Выбор оптимальных параметров лазерного излучения. 52
2.3. Корректировка сечения одиночных эффектов. 59
2.4. Воздействие лазерного излучения со стороны подложки ИС. 63
2.5. Измерение диаметра лазерного пятна. Нож Фуко 69
Выводы. 72
ГЛАВА 3. Аппаратно-программные средства проведения лазерных испытаний 73
3.1. Общая структура приложения для управления процессом лазерных испытаний 74
3.2. Алгоритмы работы отдельных модулей приложения автоматизации лазерных испытаний 84
Выводы. 94
ГЛАВА 4. Экспериментальная апробация методов и средств лазерных испытаний ис на стойкость к воздействию ояч 96
4.1. Верификация методики локального лазерного воздействия на тестовых структурах с микронными проектными нормами 97
4.2. Апробация методики локального лазерного воздействия при воздействии лазерного излучения со стороны подложки 102
4.3. Учет неоднородности распределения коэффициента потерь лазерного излучения по площади кристалла ИС при совместном использовании источников импульсного лазерного и гамма-излучения 104
4.4. Апробация метода измерения формы лазерного пятна 108
4.5. Статистика результатов лазерных испытаний 109
Выводы. 116
Заключение 117
- Совместное использование испытаний на ускорителе и методики сфокусированного лазерного воздействия
- Неравномерность распределения коэффициента оптических потерь лазерного излучения по площади кристалла ИС
- Общая структура приложения для управления процессом лазерных испытаний
- Апробация методики локального лазерного воздействия при воздействии лазерного излучения со стороны подложки
Введение к работе
Введение. . Диссертация направлена на решение актуальной научно-технической задачи по совершенствованию и развитию методов и аппаратно-программных средств лазерных испытаний полупроводниковых элементов вычислительной техники и систем управления на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) и протонов космического пространства (КП).
Актуальность темы диссертации
В настоящее время сроки активного существования космических аппаратов во многих случаях определяются стойкостью элементной базы устройств вычислительной техники и систем управления бортовой аппаратуры к воздействию отдельных ядерных частиц и протонов космического пространства.
Основным средством для оценки стойкости интегральных схем (ИС) к воздействию отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) космического пространства (КП) являются ускорители ионов и протонов, которые, тем не менее, имеют ряд существенных недостатков. Лазерные испытания наряду с ними позволяют существенно расширить информативность результатов, а в ряде случаев являются единственным средством оценки стойкости элементов систем управления, например, в случае ИС, изготовленных по технологии flip-chip.
Помимо сечения одиночных эффектов (ОЭ) и пороговых значений линейных потерь энергии (ЛПЭ) их возникновения, лазерные методы позволяют получать информацию о координатах и размерах областей возникновения ОЭ на кристалле ИС, вольтамперные характеристики отдельных тиристорных структур, факт сохранения либо не сохранения работоспособности ИС в состоянии ТЭ и пр.
При этом лазерные испытания являются трудоемким процессом, включающим следующие типовые процедуры:
– поиск наиболее чувствительных по ОЭ областей, т. е. областей с наименьшей порого-
вой энергией ОЭ;
– определение зависимостей пороговой энергии лазерного излучения (ЛИ) для возник-
новения ОЭ от диаметра пятна ЛИ;
– определение зависимостей параметров импульса ионизационной реакции от парамет-
ров ЛИ при воздействии на ИС, включенную в т. н. «режиме фотодиода»;
– определение зависимости сечения ОЭ от энергии ЛИ;
– исследование сохранения работоспособности ИС при выдержке в состоянии ТЭ;
К началу работы над диссертацией все эти процедуры выполнялись испытателем вручную, что занимало большое количество времени и приводило к затягиванию сроков испытаний. Поэтому актуальной задачей являлось повышение их эффективности (сокращение времени испытаний, использование оптимальной длины волны и ряда других характеристик лазерного излучения) за счет автоматизации перечисленных выше процедур лазерных испытаний, совершенствования методического аппарата, введения новых способов и алгоритмов воздействия и т.п.
Состояние исследований по проблеме
В России и за рубежом широко применяются лазерные методы для проведения экспериментальных исследований по оценке чувствительности ИС к эффектам воздействия ОЯЧ. За рубежом лазерные методы представлены в работах авторов S. Buecher, P. Fouillat, V. Pouget, D. McMorrow, F. Miller, A. Chugg и других, в России - в работах А. И. Чумакова, П. К. Скоробогатова, А. А. Печенкина, А. Н. Егорова, О. Б. Маврицкого, А. В. Яненко. Заметим, что за рубежом применяется в основном методика сфокусированного лазерного воздействия. В работах отечественных авторов помимо сфокусированного применяется также т. н. локальное лазерное воздействие.
На момент начала работы производительность лазерных испытаний в отечественных исследованиях была невысока в виду отсутствия автоматизации процесса испытаний по методике локального лазерного воздействия. Отсутствовал механизм привязки координат областей возникновения ОЭ к конкретной топологии ИС и механизм мониторинга возникновения одиночных эффектов, что крайне затрудняло также и испытания с использованием методики сфокусированного лазерного воздействия. Кроме того не был решен ряд методических и технических задач, которые кратко сводятся к следующим:
выбор оптимальных параметров (энергии, диаметра пятна, длины волны и длительности импульса) лазерного излучения, при которых исследования ОЭ дают максимально адекватные результаты;
учет неравномерности распределения по поверхности кристалла величины коэффициента оптических потерь лазерного излучения, влияющей на корректность определения наиболее чувствительных областей и корректность оценки сечения ОЭ;
экспериментальное определение распределения интенсивности излучения внутри лазерного пятна, необходимое при оценках параметров чувствительности ИС по ОЭ;
- устранение систематической погрешности определения сечения ОЭ, обусловленной
ненулевыми размерами лазерного пятна;
- привязка координат возникновения ОЭ к топологии ИС.
Решению этих задач посвящена диссертация.
Цель диссертации: развитие научно-методических и аппаратно-программных средств проведения лазерных экспериментальных исследований и испытаний ИС на стойкость к воздействию ОЯЧ КП, обеспечивающих повышение производительности испытаний и достоверности их результатов.
Основными задачами диссертации являются:
-
Разработка программных и методических средств для оценки распределения коэффициента оптических потерь по площади кристалла ИС и учета данного распределения при оценке параметров чувствительности ИС к воздействию ОЯЧ лазерными методами.
-
Совершенствование научно-методического обеспечения проведения лазерных экспериментальных исследований и испытаний с учетом выбора оптимальных параметров (энергия, диаметр пятна, длина волны и длительность импульса) лазерного излучения для структур с многослойной металлизацией.
-
Разработка аппаратно-программных средств, обеспечивающих повышение производительности и достоверности результатов на всех этапах лазерных испытаний, имеющих гибкую модульную структуру, с возможностью взаимодействия отдельных компонентов программного обеспечения по локальной сети.
-
Разработка методики коррекции сечений ОЭ учитывающей влияние ненулевых размеров лазерного пятна сфокусированного лазерного излучения.
-
Апробация разработанных научно-методических и аппаратно-программных средств путем применения их в испытаниях ИС.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Разработаны методические средства и программное обеспечение для получения карты распределения величины коэффициента оптических потерь лазерного излучения по площади кристалла ИС и учета этого распределения при оценке параметров чувствительности ИС к воздействию ОЯЧ лазерными методами.
-
Предложен алгоритм выбора оптимальных параметров лазерного излучения (энергия, диаметр пятна, длина волны и длительность импульса) для исследования ОЭ в структурах с многослойной металлизацией.
3. Разработана методика коррекции получаемых значений сечений ОЭ, учитывающая
ненулевые размеры пятна сфокусированного лазерного излучения. Практическая значимость работы:
-
Разработаны аппаратно-программные средства, автоматизирующие все этапы лазерных испытаний, на порядок и более снижающие их трудоемкость. Получены 4 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
-
Проведены лазерные испытания более 100 типов современных ИС и БИС с многослойной металлизацией.
-
Результаты диссертации вошли в отчетные материалы по НИР и составным частям ОКР (14К035-ТЗЧ, ЛТ150-ТЗЧ, АСН-РМ-ИИКП, Перспектива-ТЗЧ, Энергия-1-ТЗЧ, Процессор ВСП-2, Цифра-3, БИВК-14Ф31-СВВ, Перспектива-ТЗЧ-СПЭЛС, Империал), выполняемых в интересах Минобороны РФ, Росатома и предприятий оборонного комплекса (ГУП НПЦ «ЭЛВИС», ЗАО «ПКК Миландр», ЗАО НТЦ «Модуль», ОАО «НИИ КП», ОАО «РИРВ», ООО «ИРЗ ТЕСТ», ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», ФГУП ВО «Радиоэкспорт»)
-
Разработанные научно-методическое обеспечение и аппаратно-программные средства внедрены в ОАО «ЭНПО СПЭЛС», ОАО «НИИКП», ЗАО «МЦСТ».
-
Результаты диссертации внедрены в ОАО «ЭНПО СПЭЛС» при проведении радиационных испытаний отечественных и зарубежных ИС, комплектующих бортовую аппаратуру, на стойкость к факторам космического пространства в аппаратуре изделий 14Ф142, 14Ф148, Спектр-РГ, 14Ф137, KazSat-2, ЛТ150, Резонанс, 14В120, 14Р736, ФСЧ-Б, Эльбрус-2С+, ART XC, БИВК КА 14Ф31, Луч-5В.
Положения, выносимые на защиту:
-
Усовершенствованный метод определения зависимости сечения одиночных эффектов от величины эффективных линейных потерь энергии лазерного излучения, учитывающий неравномерность распределения по кристаллу коэффициента оптических потерь излучения на металлизации, основанный на получении карт пороговой энергии ОЭ и амплитуды импульса ионизационной реакции ИС при воздействии на нее в режиме «фотодиода».
-
Алгоритм выбора оптимальных параметров лазерного излучения для исследования конкретных одиночных эффектов, позволяющий проводить испытания ИС с четырьмя и более слоями металлизации.
3. Методика корректировки сечения одиночных сбоев при проведении лазерных испы-
таний, основанная на модели прямоугольной чувствительной области, позволяющая снизить погрешность определения сечения ОЭ, связанную с ненулевыми размерами лазерного пятна.
-
Аппаратно-программные средства, обеспечивающие увеличение производительности лазерных испытаний и достоверности их результатов, имеющие гибкую модульную структуру с возможностью взаимодействия отдельных компонентов программного обеспечения по локальной сети.
-
Оригинальные результаты экспериментальных исследований более 100 типов ИС. Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на:
– российских научных конференциях “Радиационная стойкость электронных систем”
(Лыткарино, 2011-2014 гг.);
– международных конференциях по радиационным эффектам в компонентах и систе-
мах (The Conference on Radiation Effects on Components and Systems – RADECS) (Севилья 2011 г., Биарриц 2012 г., Оксфорд 2013 г.);
– V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспек-
тивных микро- и наноэлектронных систем МЭС-2012» (Москва, 2012);
– научных сессиях НИЯУ «МИФИ» (Москва, 2011-2014 гг.);
– научных конференциях “Электроника, микро- и наноэлектроника” (г. Суздаль, 2012-
2013 гг.);
– 14-й международной телекоммуникационной конференции молодых ученых и сту-
дентов «Молодежь и наука», Москва 2010;
Основные результаты диссертации опубликованы в 28 работах (в период с 2010 по
2014 гг.), в том числе в 7 журналах из перечня ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 138 страниц, в том числе 89
Совместное использование испытаний на ускорителе и методики сфокусированного лазерного воздействия
Испытания на ускорителе и лазерном источнике можно использовать как дополняющие друг друга. При испытаниях на ускорителе ионов снимается зависимость сечения ОЭ от линейных потерь энергии (ЛПЭ) падающих ионов (рисунок 1.2.1).
Для оценки частоты ОЭ в космосе зависимость сечения ОЭ от ЛПЭ должна быть умножена на спектр частиц в космосе и проинтегрирована по ЛПЭ [31] (рисунок 1.2.2): где z – угол падения ионов на плоскость ИС, Lz – линейные потери энергии ОЯЧ при нормальном падении, Lz0 – пороговые линейные потери энергии ОЯЧ, при которых начинается сбой ИС, – сечение сбоя ИС от действия ОЯЧ, нормально падающих на плоскость ИС, – дифференциальный спектр линейных потерь энергии, усредненный за время работы ИС в условиях воздействия ОЯЧ. Интеграл произведения дифференциального спектра ОЯЧ на сечение ОЭ оэ по ЛПЭ дает частоту ОЭ оэ. Однако вначале экспериментальная зависимость сечения ОЭ от ЛПЭ должна быть аппроксимирована функцией Вейбулла [31]: где Go - сечение насыщения ОЭ, Wz - параметр аппроксимации.
При испытаниях на ускорителе обычно получается лишь несколько экспериментальных точек зависимости сечения ОЭ от ЛПЭ в виду дискретности значений ЛПЭ ионов и небольшого числа используемых типов ионов. Аппроксимация лишь по нескольким точкам может иметь значительную погрешность. В то же время, лазерные методы позволяют варьировать энергию воздействия не прерывно и получать неограниченное число точек зависимости сечения ОЭ от энергии лазерного излучения (рисунок 1.2.3). Сечение ОЭ определяется путем сканирования кристалла ИС в соответствии со следующей формулой: где SИС – площадь кристалла ИС, Nоэ – количество зарегистрированных при сканировании ОЭ, Nимпульсов_ЛИ – общее число импульсов ЛИ.
Рисунок 1.2.3 – Зависимость сечения ОС от энергии лазерного излучения для СОЗУ CY62256 ф. Cypress [28]. Длина волны 870 нм, диаметр пятна 2.5 мкм.
Сканирование кристалла лазерным пучком позволяет непосредственно определить зависимость сечения ОЭ от энергии ЛИ, но не от ЛПЭ. Полагая, что эффективное значение ЛПЭ лазерного излучения линейно зависит от энергии, можно привести зависимость сечения ОЭ от энергии ЛИ к зависимости сечения ОЭ от ЛПЭ ионов, добиваясь при этом наилучшего совпадения этих двух зависимостей (рисунок 1.2.4).
Совмещенные зависимости сечения ОС от ЛПЭ при испытаниях статического ОЗУ CY62256 ф. Cypress на ускорителе ионов и лазерном источнике.
Описанная методика лазерных испытаний, включающая сопоставление зависимости сечения ОЭ от ЛПЭ ионов и зависимости сечения ОЭ от энергии лазерного импульса, носит название «методика сфокусированного лазерного воздействия», если при получении зависимости сечения ОЭ от энергии лазера сканирование производится сфокусированным лазерным пучком. Альтернативой методике сфокусированного лазерного воздействия служит методика локального лазерного воздействия [33], авторами которой являются А. И. Чумаков, А. А. Печенкин, О. Б. Маврицкий, А. Н. Егоров, А. В. Яненко. Воздействие было названо «локальным» с целью подчеркнуть его отличие от «однородного» лазерного воздействия, когда облучению подвергается весь кристалл ИС (при испытаниях на стойкость к воздействию факторов ядерного взрыва). Далее для краткости методика локального лазерного воздействия будет называться просто «локальная методика». При локальном лазерном воздействии при каждом лазерном импульсе облучению подвергается небольшая область кристалла, а диаметр лазерного пятна варьируется в диапазоне от 2.5 до 100 мкм.
Методику локального лазерного воздействия отличает то, что она:
1) использует не только сфокусированное, но и расфокусированное излучение;
2) позволяет оценить коэффициент пропорциональности между энергией лазерного излучения и эквивалентным значением ЛПЭ ионов одними лишь лазерными методами, не прибегая к испытаниям на ускорителе ионов.
Воздействие сфокусированным и расфокусированным лазерным пучком. В области фокуса лазерного пучка лучи идут параллельно друг другу (рисунок 1.3.1а). Если поверхность ИС находится в фокусе, то имеет место ситуация, изображенная на рисунке 1.3.1б. Расфокусированное же излучение используется в локальной методике, так как предполагается, что оно лучше проникает сквозь слои металлизации, чем сфокусированное благодаря расходимости пучка и переотражениям между слоями металлизации (рисунок 1.3.1в).
Расфокусированное лазерное излучение лучше проникает сквозь слои металлизации, чем сфокусированное.
Связь энергии лазерного излучения и ЛПЭ. Рассмотрим вывод формулы, связывающей энергию лазерного излучения и его эквивалентное значение ЛПЭ. Под эквивалентностью энергии лазерного излучения JЛИ и линейных потерь энергии иона LET понимается равенство количества электронно-дырочных пар dN, сгенерированных на единице длины dl лазерным излучением с данной энергией и ионом с данным значением ЛПЭ.
Неравномерность распределения коэффициента оптических потерь лазерного излучения по площади кристалла ИС
Распределение амплитуды импульса ионизационной реакции по площади кристалла. При использовании для оценки пороговых ЛПЭ ОЭ методики локального лазерного воздействия на первом этапе проводится поиск нескольких наиболее чувствительных областей ИС, т. е. областей возникновения ОЭ, имеющих наименьшую пороговую энергию ЛИ для возникновения ОЭ среди всех прочих областей, выявляемых в процессе сканирования кристалла. Предполагается, что эти области обладают также и наименьшими пороговыми ЛПЭ, что было бы верно, если бы ЛПЭ коэффициент потерь Km имел одно и то же значение для всех чувствительных областей. Коэффициент же потерь, согласно (1.3.21) обратно пропорционален экспериментально измеренной амплитуде импульса ионизационной реакции при воздействии на ИС в режиме фотодиода. При этом амплитуда импульса ионизационной реакции в большинстве случаев имеет неоднородное распределение по площади кристалла ИС, как показано на рисунке 2.1.1. За рубежом получение подобных карт распределения амплитуды импульса ионизационной реакции известно как OBIC (Optical Beam Induced Current) и применяется для анализа дефектов в кристаллах ИС [48]-[59].
Рисунки 1.3.12, 1.3.14 и 2.1.1 показывают, что области с наименьшей пороговой энергией возникновения ОЭ, как правило, локализованы в местах с относительно большой амплитудой импульса ионизационной реакции. Поэтому тот факт, что они имеют наименьшую пороговую энергию ЛИ для возникновения ОЭ, не гарантирует, что они будут иметь наименьшие пороговые ЛПЭ. Таким образом, целесообразно было бы проводить поиск областей не с наименьшей пороговой энергией ОЭ, а с наименьшим значением Jth/Km или, что то же самое, наименьшим произведением пороговой энергии на амплитуду импульса ионизационной реакции. Для этого потребовалось бы определять пороговую энергию в каждой точке возникновения ОЭ на кристалле в процессе сканирования лазерным пятном, что было реализовано в алгоритме т. н. «растрового» сканирования, который описан в главе 3. На рисункепоказано распределение величины 1/Jth по площади кристалла для ИС микроконтроллера STM32F100R41 ф. STMicroelectronics. (а) – распределение величины 1/Jth (б) – распределение амплитуды им (D = 50 мкм) пульса ИР Распределение величины 1/Jth и амплитуды импульса ИР по площади кристалла для ИС микроконтроллера STM32F100R4. исследование ИС проводилось в сотрудничестве с О. В. Меркушиным (в) – зависимость сечения ТЭ от энергии ЛИ (г) – фотография кристалла Рисунок 2.1.2 (продолжение) – Распределение величины 1/Jth (а) и амплитуды импульса ИР (б) по площади кристалла для ИС микроконтроллера STM32F100R4, а также зависимость сечения ТЭ от энергии ЛИ (в) и фотография кристалла ИС (г).
Определив пороговую энергию ОЭ в каждой области его возникновения, можно построить зависимость сечения ОЭ от энергии ЛИ с разрешением по оси энергии равным точности определения пороговой энергии (рисунок 2.1.2в). Для определения пороговой энергии в текущей реализации программы автоматизации лазерных испытаний используется метод дихотомии (см. п. 2.2 приложения А), поэтому точность определения пороговой энергии равна Jmax/2n, где Jmax – энергия ЛИ, с которой начинается процесс поиска пороговой энергии методом дихотомии, n – число итераций в методе. Заметим, что при использовании стандартного метода получения зависимости сечения ОЭ от энергии ЛИ, для получения 2n точек зависимости пришлось бы провести серию из 2n сканирований, для чего понадобилось бы произвести в 2n/n больше лазерных импульсов, чем в описанном методе определения пороговой энергии в каждой точке возникновения ОЭ. Еще один пример использования описанной методики для более корректного определения зависимости сечения ОЭ от эффективного ЛПЭ лазерного излучения показан на рисунках 2.1.3, Исследование ИС проводилось совместно с Г. Г. Давыдовым Определение пороговой энергии в каждой точке сканирования дает распределение Jth(x, у), показанное на рисунке 2.1.3а, определение амплитуды импульса ионизационной реакции в тех же точках дает распределение Uup(x, у), показанное на рисунке 2.1.3б, которое будучи умноженным на Jth(x, у), дает распределение Jth(x, y)-Uup(x, у) (рисунок 2.1.3в). Чтобы рассчитать сечение ОЭ при заданном уровне энергии ЛИ J, нужно подсчитать количество точек сканирования, в которых пороговая энергия ОЭ меньше чем J и умножить его на квадрат шага сканирования. Аналогично рассчитывается сечение ОЭ при заданном значении произведения Jth Uup.
На рисунке 2.1.4 показаны зависимости сечения ТЭ от ЛПЭ ионов, энергии ЛИ и произведения энергии ЛИ на амплитуду импульса ИР для 0.09 мкм КМОП ОЗУ при логарифмическом масштабе по обеим осям графика. Из рисунка очевидно, что кривая зависимости сечения ТЭ от произведения энергии ЛИ на амплитуду импульса ИР лучше коррелирует с зависимостью сечения от ЛПЭ ионов, чем кривая зависимости сечения ТЭ от энергии лазерного излучения.
Общая структура приложения для управления процессом лазерных испытаний
Типичный состав оборудования лазерного испытательного стенда показан на рисунке 3.1.1 [3]. Каждый прибор, показанный на рисунке 3.1.1, выполняет в испытаниях определенную функцию. Причем одну и ту же функцию могут выполнять различные модели приборов. Например, в лазерных испытаниях, проводимых в ОАО «ЭНПО СПЭЛС», применяются три модели источников питания (ИП), четыре модели видеокамер, три модели осциллографов, два вида контроллеров шаговых двигателей, две модели мультиметров и т. д. (таблица 3.1.1). Зачастую оборудование подключено не к одной, а к нескольким электронно-вычислительным машинам (ЭВМ). Условия проведения лазерных испытаний приводит к определенным требованиям, предъявляемым к компьютерной программе для их автоматизации.
Программа должна:
1. Выполнять набор определенных задач (этапов испытаний);
2. Единообразно работать с множеством разнотипного оборудования, поддерживающего различные интерфейсы с персональным компьютером (ПК);
3. Быть модульной и расширяемой, т. е. поддерживать включение новых задач и нового оборудования.
4. Управлять работой оборудования, подключенного к различным компьютерам, объединенным в локальную сеть (т. е. быть распределенным приложением), причем делать это «прозрачно» т. е. так, как если бы все оборудование было подключено к единственному компьютеру;
Так как программа разрабатывалась для работы под управлением ОС Windows, в качестве платформы для разработки была выбрана платформа Microsoft .NET1 и язык программирования C# («си шарп»). В процессе разработки программного обеспечения (ПО) для автоматизации было решено определить две абстракции: «прибор» и «задача». Например, сканирование кристалла является «задачей». Для выполнения этой задачи необходимы «приборы»: лазерный источник, источник питания, осциллограф. Понятие «источник питания» также является абстракцией, т. к. не существует источника питания «вообще», а существуют конкретные модели источников, например GwInstek PST3202 или PST3303. Таким образом, задачи должны работать с абстракциями, которые реализуются реальными приборами (рисунок 3.1.2).
В объектно-ориентированном программировании (ООП) абстрактный прибор может быть реализован как абстрактный класс1 или как интерфейс2. Реализация же той или иной абстракции в виде конкретного прибора осуществляется обычным неабстрактным классом. «Задача» также реализуется в виде класса.В главе 1 была подробно описана последовательность действий при испытаниях с использованием методик сфокусированного и локального лазерного воздействия. Напомним, что она включает такие процедуры как сканирование, определение пороговой энергии одиночного эффекта, измерение ионизационной реакции в зависимости от энергии ЛИ и пр. В процессе испытаний задействовано множество оборудования: источники питания, шаговые двигатели, видеокамеры, осциллографы, мультиметры и т. д. Проведение испытаний по локальной методике вручную (т. е. при наличии лишь стандартного программного обеспечения (ПО)) в простейших случаях занимает около недели. В более сложных случаях без специального ПО испытания вообще невозможны. Методики лазерных испытаний допускают автоматизацию практически в полном объеме, каковая и являлась одной из целей настоящей работы. В данной главе будут рассмотрены следующие вопросы:
Типичный состав оборудования лазерного испытательного стенда показан на рисунке 3.1.1 [3]. Каждый прибор, показанный на рисунке 3.1.1, выполняет в испытаниях определенную функцию. Причем одну и ту же функцию могут выполнять различные модели приборов. Например, в лазерных испытаниях, проводимых в ОАО «ЭНПО СПЭЛС», применяются три модели источников питания (ИП), четыре модели видеокамер, три модели осциллографов, два вида контроллеров шаговых двигателей, две модели мультиметров и т. д. (таблица 3.1.1). Зачастую оборудование подключено не к одной, а к нескольким электронно-вычислительным машинам (ЭВМ). Условия проведения лазерных испытаний приводит к определенным требованиям, предъявляемым к компьютерной программе для их автоматизации.
Программа должна:
1. Выполнять набор определенных задач (этапов испытаний);
2. Единообразно работать с множеством разнотипного оборудования, поддерживающего различные интерфейсы с персональным компьютером (ПК);
3. Быть модульной и расширяемой, т. е. поддерживать включение новых задач и нового оборудования.
4. Управлять работой оборудования, подключенного к различным компьютерам, объединенным в локальную сеть (т. е. быть распределенным приложением), причем делать это «прозрачно» т. е. так, как если бы все оборудование было подключено к единственному компьютеру;
Так как программа разрабатывалась для работы под управлением ОС Windows, в качестве платформы для разработки была выбрана платформа Microsoft .NET1 и язык программирования C# («си шарп»). В процессе разработки программного обеспечения (ПО) для автоматизации было решено определить две абстракции: «прибор» и «задача». Например, сканирование кристалла является «задачей». Для выполнения этой задачи необходимы «приборы»: лазерный источник, источник питания, осциллограф. Понятие «источник питания» также является абстракцией, т. к. не существует источника питания «вообще», а существуют конкретные модели источников, например GwInstek PST3202 или PST3303. Таким образом, задачи должны работать с абстракциями, которые реализуются реальными приборами (рисунок 3.1.2).
В объектно-ориентированном программировании (ООП) абстрактный прибор может быть реализован как абстрактный класс1 или как интерфейс2. Реализация же той или иной абстракции в виде конкретного прибора осуществляется обычным неабстрактным классом. «Задача» также реализуется в виде класса.
Такая концепция привела к тому, что в процессе испытаний имеется множество (набор) задач и множество приборов. Для того чтобы задача могла выполняться, необходимо предоставить ей необходимое ей оборудование, т. е. необходимо управлять распределением оборудования между задачами. Для этого в программе имеется модуль, который ведет учет вновь подключаемых приборов, а также учет запросов на приборы, которые создаются задачами и другими приборами. Для этого он поддерживает две таблицы: таблицу приборов и табобъектно-ориентированном лицу запросов. Формат записей в таблице приборов и таблице запросов показан на рисунке 3.1.4. Записи в этих двух таблицах могут ссылаться друг на друга.
Некоторые приборы могут состоять из других приборов, например, в состав лазерного источника входят четыре шаговых двигателя (по одному на каждую из трех осей перемещения предметного столика и один для ослабителя), а также видеокамера и лазер (рисунок 3.1.3а). Таким образом, приборы, как и задачи, могут создавать запросы на другие приборы, а деление модулей программы на приборы и задачи носит условный характер. Структура основных приборов и задач, поддерживаемых программой, показана на рисунке 3.1.3.
Апробация методики локального лазерного воздействия при воздействии лазерного излучения со стороны подложки
Автором был испытан ряд ИС при воздействии со стороны подложки. Все испытания проводились с использованием источника импульсного лазерного излучения «ПИКО-3» с длиной волны 1064 нм.
Результаты оценок пороговых ЛПЭ ОЭ по методике локального лазерного воздействия и по результатам испытаний на ускорителях ионов и протонов представлены в таблице 4.2.1.
Во всех случаях за исключением CY62256 результаты испытаний на лазере не противоречили результатам, полученным на ускорителе ионов.
Учет неоднородности распределения коэффициента потерь лазерного излучения по площади кристалла ИС при совместном использовании источников импульсного лазерного и гамма-излучения
При оценке пороговых ЛПЭ тиристорного эффекта в ПЛИС семейства Virtex 6 ф. Xilinx совместно использовались источник лазерного излучения «ПИКО-3» и источник импульсного гамма-излучения «АРСА». Пороговое значение ЛПЭ в этом случае оценивается по формуле [20]: где Da - суммарная доза за импульс гамма-излучения; Аа - площадь кристалла БИС, находящаяся под облучением; Лиы - амплитуда импульса ионизационной реакции при лазерном облучении с энергией Ju, AUa - амплитуда импульса ИР при импульсном воздействии гамма-излучения; J0 - пороговая энергия возникновения ОЭ; К - коэффициент потерь ЛИ для области облучения ИС в режиме фотодиода; Кт - коэффициент потерь ЛИ для области облучения ИС при определении пороговой энергии возникновения ОЭ J0. Энергия Jo была оценена по методике локального лазерного воздействия в 2.7 нДж.
Облучению гамма-излучением подвергалась вся площадь ПЛИС. Лазерному облучению подвергалась область возникновения ОЭ при диаметре лазерного пятна 20 мкм. При использовании в формуле (4.3.1) в качестве величины Аа площади всей ИС были получены оценки пороговых ЛПЭ 160 МэВсм2/мг, что при пороговой энергии ОЭ 2.7 нДж давало, согласно [31], коэффициент потерь меньше 1, что говорит о завышении оценки пороговых ЛПЭ. Полученная карта распределения амплитуды ионизационной реакции обнаружила значительную неоднородность (рисунок 4.3.1) несмотря на воздействие со стороны подложки. Отсюда был сделан вывод о том, что вклад в импульс ионизационной реакции дает только часть площади кристалла ИС при воздействии как лазерного так и гамма-излучения.
Карта амплитуды импульса ионизационной реакции ПЛИС семейства Virtex 6 ф. Xilinx. Желтые прямоугольники – области кристалла предположительно занятые КМОП структурами. Зеленые прямоугольники – области, выбранные для получения более подробной карты амплитуды импульса ионизационной реакции. Рисунок 4.3.2– Карта амплитуды ионизационной реакции для полосы 1.
Для точного определения площади ИС, дающей вклад в импульс ионизационной реакции, были сняты более подробные карты распределения амплитуды импульса ионизационной реакции областей, выделенных на рисунке 4.3.1 зелеными прямоугольниками, показанные на рисунках 4.3.2–4.3.5.
Определенная таким образом площадь области кристалла ИС, дающая вклад в импульс ионизационной реакции, составила 13% от всей площади ИС. Оценка по формуле (4.3.1) пороговых ЛПЭ с использованием площади (4.3.2) дала значение 20 МэВсм2/мг.
С помощью описанного в главе 2 метода «нож Фуко» автором были получены значения диаметров лазерного пятна при различных смещениях объекта из области фокусировки. Результаты измерений представлены в таблице 4.4.1.
Таблица 4.4.1 – Значения диаметров лазерного пятна при различных смещениях объекта из плоскости фокусировки, полученные с помощью метода «нож Фу ко». Объектив микроскопа – x100.
