CN107907813A - 一种集成式激光电离效应模拟*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成式激光电离效应模拟***，该***将调整底座、光源、衰减与光束调整模块、显微观察模块及测试与存储模块一体化集成，光源可选择输出266nm、532nm和1064nm三个波段的激光，可满足不同半导体器件辐射电离效应模拟的需求，整个***具有方便、快捷、准确、安全性高等特点，可有效降低半导体器件的试验成本，提高试验效率，缩短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，特别是一种集成式激光电离效应模拟***。
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***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***大多为单粒子效应激光模拟***，且多为单波长试验***，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***的现状，以及其它地面模拟装置的固有限制。本发明提供了一种集成式激光电离效应模拟***。该***可输出266nm、532nm和1064nm三个波段的激光，适应于不同半导体器件辐射电离效应模拟的需求，整个***操作方便、快捷、测试结果准确、安全性高，可作为大型地面辐照装置的有力补充，对于降低试验成本，提高试验效率，缩短抗辐射加固的设计周期具有重要意义。
本发明的技术方案如下：
一种集成式激光电离效应模拟***，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、测试与存储模块；
所述调整底座，用于稳定支撑整个模拟***；
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半导体器件测试样品上形成的光斑进行观察；
所述测试与存储模块，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***的高度。
所述光源包含脉冲激光器和光路提升器，采用的脉冲激光器可自由切换266nm、532nm或1064nm三种波段的脉冲激光，所述衰减与光束调整模块包括衰减镜片模组、反射镜和遮光罩，脉冲激光器、衰减镜片模组、反射镜均安装于遮光罩内。所述脉冲激光器用于产生波长266nm或者532nm或者1064nm的单路脉冲激光，在空间位置上依次经过衰减镜片模组、反射镜。
优选的，遮光罩的内部表面粗糙，不发生镜面反射，且易拆卸。
所述衰减与光束调整模块，用于对激光进行调整处理，具体结构包括：沿激光水平射入方向上的第一级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波片的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。
所述显微观察模块包括CCD摄像头、指引光源、激光能量计探头二、分光棱镜二、调焦机构、物镜转盘、物镜、支架；支架包括底板、竖直支撑杆和顶部的水平杆，所述CCD摄像头、指引光源、激光能量计探头二、分光棱镜二安装于支架顶部的水平杆上，调焦机构安装于水平杆末端的下面，物镜转盘安装于调焦机构的下面，物镜安装于物镜转盘的下面。在空间位置上，从衰减与光束调整模块出射的激光，经过反射镜后到达分光棱镜二；经分光棱镜二分成两束，一束为水平方向，另一束为竖直方向，水平方向的脉冲激光经过分光棱镜二分别到达CCD摄像头和激光能量计探头二，分光棱镜二对应的位置上设置指引光源，竖直方向的脉冲激光依次经过调焦机构、物镜转盘、物镜后到达半导体器件测试样品表面。
所述指引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；指引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，指引光源与脉冲激光的光斑中心重合。
优选的，指引光源为波长为532nm的连续激光，功率不大于1mW。
所述显微观察模块的具体结构中，沿激光方向设置有反射镜一，沿反射镜一反射光方向上（即竖直方向）设置有反射镜二，经过反射镜二的反射光方向上设置有分光棱镜二，分光棱镜二上端设置有显微镜筒与指引光源、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上设置有物镜及物镜转盘。激光经过反射镜一和反射镜二两次反射后，光轴被降低到与分光棱镜二的光轴平行，保证激光可水平入射到分光棱镜二；经过分光棱镜二后透射光到达激光能量计探头二，反射光进入到物镜及物镜转盘，物镜及物镜转盘中的物镜可聚焦或者扩束，达到光斑面积可调的目的。
所述测试与控制***包括精密位移平台和示波器，半导体器件测试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***是一种可用于实验室研究的模拟***，可输出266nm或者532nm或者1064nm波段的激光进行辐射电离效应。该模拟***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，***光路和结构具有较好集成性，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-调整底座，Ⅱ-光源，Ⅲ-衰减与光束调整模块，Ⅳ-显微观察模块，Ⅴ-测试与存储模块，1-调平螺丝，2-导轨，3-脉冲激光器，4-光路提升器，5-第一级1/2λ波片，6-第一级偏振分光棱镜，7-第二级1/2λ波片，8-第二级偏振分光棱镜，9-光束收集器一，10-分光棱镜一，11-激光能量计探头一，12-光束收集器二，13-反射镜一，14-反射镜二，15-CCD摄像头，16-指引光源，17-分光棱镜二，18-激光能量计探头二，19-物镜转盘，20半导体器件测试样品，21-六自由度位移平台，22-示波器，23-数据采集与控制卡，24-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1，一种集成式激光电离效应模拟***，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和测试与存储模块Ⅴ。
参见图2，所述调整底座Ⅰ，用于稳定支撑整个模拟***；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1用于调节调整底座的水平位置，导轨2用于调整***的高度。
参见图1，所述光源Ⅱ，其中光源安装于调整底座Ⅰ上部，用于产生波长为266nm或者532nm或者1064nm的单路激光，该单路激光沿水平方向进入到衰减与光束调整模块Ⅲ；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进入双光路衰减模块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。所述光路提升器4的作用是：进行光路折叠；通过调节光路提升器4提升光路到1/2λ波片和偏振分光棱镜的光轴高度。经过光束提升器4后，脉冲激光经过两级1/2λ波片和偏振分光棱镜组合衰减后射出，其中，经过第一级偏振分光棱镜6后的反射光入射到分光棱镜一10，经过分光棱镜一10后的透射光由激光能量计探头一11采集，经过分光棱镜一10后的反射光由光束收集器二12收集。激光能量计探头一11用于采集第一级衰减后的激光能量。经过第二级偏振分光棱镜8后的反射光由光束收集器一9收集，经过第二级偏振分光棱镜8后的透射光入射到后续光路。光束收集器一9、光束收集器二12的作用是避免激光泄露，使整个光路更加安全可靠。
参见图3，所述衰减与光束调整模块Ⅲ，用于对激光进行调整处理，具体结构包括：沿激光水平射入方向上的第一级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的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。
参见图1，所述显微观察模块Ⅳ，用于对透射出的激光照射到半导体器件测试样品上形成的光斑进行观察；所述显微观察模块Ⅳ，沿激光方向设置有反射镜一13，沿反射镜一13反射光方向上（即竖直方向）设置有反射镜二14，经过反射镜二14的反射光方向上设置有分光棱镜二17，分光棱镜二17上端设置有显微镜筒与指引光源16、CCD摄像头15，分光棱镜二17的透射光方向上设置有激光能量计探头二18，分光棱镜二17的反射光方向上设置有物镜及物镜转盘19。激光经过反射镜一13和反射镜二14两次反射后，光轴被降低到与分光棱镜二17的光轴平行，保证激光可水平入射到分光棱镜二17；经过分光棱镜二17后透射光到达激光能量计探头二18，反射光进入到物镜及物镜转盘19，物镜及物镜转盘19中的物镜可聚焦或者扩束，达到光斑面积可调的目的。
参见图1，所述测试与存储模块Ⅴ，用于放置半导体器件测试样品20，并设置有用于进行对焦和光斑大小调节的装置，同时可采集并测量激光照射到待测样品20上后的电学响应信号。所述测试与存储模块Ⅴ，包括：待测样品20、用于放置待测样品20的六自由度位移平台21、用于测试待测样品20信号的示波器22、与六自由度位移平台21、示波器22信号连接的数据采集与控制卡23、用于控制***和数据采集与控制卡23连接的计算机24。该模块，通过调整六自由度位移平台21可进行对焦和光斑大小调节，激光照射到半导体器件测试样品20上后的电学响应信号由示波器22触发采集，数据采集与控制卡23用于采集CCD摄像头15的图像数据以及示波器22的波形数据，并控制六自由度位移平台21的位置，由计算机24存储和显示。
Claims (9)
1.一种集成式激光电离效应模拟***，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）、测试与存储模块（V）；其中：调整底座（I）用于稳定支撑整个模拟***；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；显微观察模块（IV）用于对半导体器件测试样品（20）进行成像，并对作用于半导体器件测试样品（20）的脉冲激光进行能量测量；测试与存储模块（V）用于采集并记录半导体器件测试样品（20）辐射电离效应的响应电信号，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（20）上的位置。
2.根据权利要求1所述的一种集成式激光电离效应模拟***，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***的高度。
3.根据权利要求1所述的一种集成式激光电离效应模拟***，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），采用的脉冲激光器（3）可自由切换266nm、532nm或1064nm三种波段的脉冲激光；所述衰减与光束调整模块（III）包括衰减镜片模组、反射镜和遮光罩，脉冲激光器（3）、衰减镜片模组、反射镜均安装于遮光罩内；所述脉冲激光器（3）用于产生波长266nm或者532nm或者1064nm的单路脉冲激光，在空间位置上依次经过衰减镜片模组、反射镜。
4.根据权利要求1或3所述的一种集成式激光电离效应模拟***，其特征在于：所述衰减与光束调整模块（III），用于对激光进行调整处理，具体结构包括：沿激光水平射入方向上的第一级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）的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）。
5.根据权利要求1所述的一种集成式激光电离效应模拟***，其特征在于：所述显微观察模块（IV）包括CCD摄像头（15）、指引光源（16）、激光能量计探头二（18）、分光棱镜二（17）、调焦机构、物镜转盘（19）、物镜、支架；支架包括底板、竖直支撑杆和顶部的水平杆，所述CCD摄像头（15）、指引光源（16）、激光能量计探头二（18）、分光棱镜二（17）安装于支架顶部的水平杆上，调焦机构安装于水平杆末端的下面，物镜转盘（19）安装于调焦机构的下面，物镜安装于物镜转盘（19）的下面；在空间位置上，从衰减与光束调整模块出射的激光，经过反射镜后到达分光棱镜二（17）；经分光棱镜二（17）分成两束，一束为水平方向，另一束为竖直方向，水平方向的脉冲激光经过分光棱镜二（17）分别到达CCD摄像头（15）和激光能量计探头二（18），分光棱镜二（17）对应的位置上设置指引光源（16），竖直方向的脉冲激光依次经过调焦机构、物镜转盘（19）、物镜后到达半导体器件测试样品（20）表面。
6.根据权利要求5所述的一种集成式激光电离效应模拟***，其特征在于：所述指引光源（16）在空间位置上依次经过分光棱镜二（17）、调焦机构、物镜转盘（19）、物镜后到达半导体器件测试样品（20）表面；指引光源（16）在分光棱镜二（17）上与脉冲激光合束后，到达半导体器件测试样品（20）表面上时，指引光源（16）与脉冲激光的光斑中心重合。
7.根据权利要求5或6所述的一种集成式激光电离效应模拟***，其特征在于：所述显微观察模块（IV）的具体结构中，沿激光方向设置有反射镜一，沿反射镜一反射光方向上设置有反射镜二，经过反射镜二的反射光方向上设置有分光棱镜二（17），分光棱镜二（17）上端设置有显微镜筒与指引光源（16）、CCD摄像头（15），分光棱镜二（17）的透射光方向上设置有激光能量计探头二（18），分光棱镜二（17）的反射光方向上设置有物镜及物镜转盘（19）；激光经过反射镜一和反射镜二两次反射后，光轴被降低到与分光棱镜二（17）的光轴平行，保证激光可水平入射到分光棱镜二（17）；经过分光棱镜二（17）后透射光到达激光能量计探头二（18），反射光进入到物镜及物镜转盘（19），物镜及物镜转盘（19）中的物镜可聚焦或者扩束，达到光斑面积可调的目的。
8.根据权利要求1所述的一种集成式激光电离效应模拟***，其特征在于：所述测试与控制***（V）包括精密位移平台和示波器，半导体器件测试样品（20）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（20）上的位置。
9.根据权利要求7所述的一种集成式激光电离效应模拟***，其特征在于：所述精密位移平台为六自由度位移平台（21），所述六自由度位移平台可调节角度来改变激光辐照器件的位置和入射角度，并以精确***件的敏感区。
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