王惠等

【摘 要】為進(jìn)一步豐富芯片微觀區(qū)域單粒子效應(yīng)敏感度研究方法，開展IPEM裝置建設(shè)前期研究。針對新型裝置入射離子位置測量這一關(guān)鍵問題，在串列加速器單粒子效應(yīng)專用輻照終端上，搭建光學(xué)位置測量裝置，對單個離子在閃爍體材料上誘發(fā)產(chǎn)生的光子進(jìn)行位置測量。通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確認(rèn)CCD測量到代表單個入射離子的二次光子圖像，為下一步IPEM輻照裝置的建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】IPEM；二次光子；位置測量； CCD

【Abstract】To increase methods of finding single event effect sensitivity in semiconductor circuits micro areas， IPEM is first developed in China. To solve the key technology of how to measure the ions position， a optics imaging system was built on the irradiation facility dedicated for single event effects in tandem accelerator. The imaging of secondary photons produced by every ion striking scintillator materials was taken by the optics system. After analyzing experimental data， the secondary photon image taken by CCD represents an ion. This is very useful for IPEM next development.

【Key words】IPEM；Secondary photon；Position measurement；CCD

0 引言

單粒子效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)研究中，微束裝置可以將束斑限制在微米量級，考察芯片不同微觀區(qū)域的敏感度，促進(jìn)了單粒子效應(yīng)機(jī)理研究的發(fā)展 [1]。隨著芯片生產(chǎn)工藝進(jìn)步，芯片特征尺寸已由微米量級降至納米量級，現(xiàn)有重離子微束裝置最小束斑尺寸約為1μm，且由于技術(shù)因素的限制，很難進(jìn)一步減小[2]。面對上述問題，美國桑迪亞實(shí)驗(yàn)室提出建設(shè)IPEM裝置的新思路。與現(xiàn)有微束相比，IPEM具有較高的實(shí)驗(yàn)效率，目前分辨率已達(dá)微米量級[4]，未來可能會得到進(jìn)一步減小。本文針對IPEM研制需求，為探索入射離子位置測量這一關(guān)鍵技術(shù)，率先開展二次光子位置測量技術(shù)研究。

1 IPEM原理簡介

IPEM（Ion Photon Emission Microscopy）需在樣品表面覆蓋一層發(fā)光薄膜，實(shí)驗(yàn)時利用非聚焦束流照射，薄膜沉積少量能量并產(chǎn)生二次光子，收集和測量二次光子獲得入射離子位置信息，待測樣品沉積大部分能量并產(chǎn)生單粒子效應(yīng)，將樣品單粒子效應(yīng)信息與入射離子位置信息相結(jié)合，從而得到相應(yīng)的二維圖譜。

IPEM裝置與現(xiàn)有微束裝置“先確定入射離子位置再輻照”的工作過程明顯不同，因此如何利用二次光子確定入射離子位置是裝置關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國外裝置大都使用單光子位置靈敏探測器，這種探測器性能優(yōu)異，但訂貨周期較長 [5]。為盡快開展相關(guān)研究，研究組決定暫時采用CCD，對二次光子位置測量技術(shù)進(jìn)行探索。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與流程

實(shí)驗(yàn)是在北京HI-13串列加速器單粒子效輻照裝置上進(jìn)行，利用158MeV的Cl離子入射ZnS（Ag）材料，搭建基于顯微鏡的CCD成像裝置對二次光子進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)裝置整體布局如圖2所示，ZnS（Ag）屏傾斜30°安裝在樣品架上，屏上緊貼直徑200μm的限束光闌；顯微鏡放置在限束光闌垂直方向，顯微鏡后安裝CCD用于采集圖像。

實(shí)驗(yàn)流程包括激光對中、顯微鏡對焦、束斑調(diào)整和CCD觀察等。通過激光對中將限束光闌移動到束流位置，隨后顯微鏡對焦，直到清晰看到ZnS（Ag）表層。調(diào)整束斑位置，使其覆蓋整個限束光闌。最終在不同注量率下， CCD觀察材料發(fā)光情況。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)選用三種不同注量率105ions/cm2/s、3×106ions/cm2/s、2×107 ions/cm2/s，圖3為不同注量率下CCD觀察到的典型ZnS（Ag）圖像。在注量率為105 ions/cm2/s時，CCD視野中光點(diǎn)逐個出現(xiàn)，其圖像如圖3左圖所示；在注量率為3×106 ions/cm2/s時，CCD視野中光斑呈現(xiàn)團(tuán)狀，能夠勉強(qiáng)分辨單個光點(diǎn)形狀，其圖像如圖3中圖所示；在注量率為2×107 ions/cm2/s時，CCD視野呈現(xiàn)為整個亮光斑，無法再分辨單個光點(diǎn)形狀，其圖像如圖3右圖所示。

首先對二次光子在CCD處的照度進(jìn)行估算。根據(jù)文獻(xiàn)和理論估算，一個Cl離子在ZnS（Ag）中產(chǎn)生的光子數(shù)約為1.1×104，實(shí)驗(yàn)所用光學(xué)系統(tǒng)總效率約為0.0128。所以CCD收集到的光子數(shù)N約為132個。故CCD處平均輻射通量P=N·hν/t=2.9×10-10W。CCD對應(yīng)照度約為P·Km·V/S=0.96lx。因此，單個離子產(chǎn)生的光點(diǎn)照度超過了CCD最低照度（3×10-4lx）要求，CCD具有測量單個離子在ZnS（Ag）處產(chǎn)生的二次光子的能力。

實(shí)驗(yàn)中入射離子數(shù)量的分布滿足泊松分布P（n）=mn×e-m/n！。利用泊松公式計(jì)算在CCD單幀時間內(nèi)入射離子數(shù)的概率分布。根據(jù)泊松公式可知，在不同注量率下，入射離子數(shù)的最大概率出現(xiàn)在入射離子為1個、12個、80時，這與圖3中CCD圖像的光點(diǎn)數(shù)在量級上是一致的。

通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，實(shí)驗(yàn)所用CCD具備測量二次光子的能力，在幾種不同注量率下，實(shí)際觀察光點(diǎn)符合入射離子數(shù)量概率分布，故圖3左圖單個光點(diǎn)代表確代表單個入射離子。

4 結(jié)論

本文針對IPEM入射離子位置測量這一關(guān)鍵問題，開展了離子誘發(fā)二次光子位置測量研究。通過搭建光學(xué)系統(tǒng)，使用CCD對Cl離子打在ZnS（Ag）后的發(fā)光現(xiàn)象進(jìn)行觀測。通過數(shù)據(jù)分析，確認(rèn)注量率為105ions/cm2/s時CCD觀察到的光點(diǎn)代表著單個入射離子。研究組據(jù)此將建立CCD二次光子測量系統(tǒng)，推進(jìn)IPEM進(jìn)一步建設(shè)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]F.W.Sexton. Microbeam Studies of Sigle-Event Effects[J].IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE，1996（43）NO.2：687-695.

[2]D.F.Heidel，U.H.Bapst，et al.Ion Microbeam Radiation System[J].IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE， 1993（40）NO.2：127-134.

[3]B.L.Doyle， D.S.Walsh， et al. Nuclear emission microscopies[J].NIMB，2001：199-210.

[4]J.V. Branson， B.L.Doyle， et al. The ion photon emission microscope on SNLs nuclear microprobe and in LBNLs cyclotron facility[J].NIMB 267，2009：2085-2089.

[5]Quantar Technology INC.， 2620A Mission Street， Santa Cruz， CA 95060[Z].

[責(zé)任編輯：謝慶云]

【摘 要】為進(jìn)一步豐富芯片微觀區(qū)域單粒子效應(yīng)敏感度研究方法，開展IPEM裝置建設(shè)前期研究。針對新型裝置入射離子位置測量這一關(guān)鍵問題，在串列加速器單粒子效應(yīng)專用輻照終端上，搭建光學(xué)位置測量裝置，對單個離子在閃爍體材料上誘發(fā)產(chǎn)生的光子進(jìn)行位置測量。通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確認(rèn)CCD測量到代表單個入射離子的二次光子圖像，為下一步IPEM輻照裝置的建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】IPEM；二次光子；位置測量； CCD

【Abstract】To increase methods of finding single event effect sensitivity in semiconductor circuits micro areas， IPEM is first developed in China. To solve the key technology of how to measure the ions position， a optics imaging system was built on the irradiation facility dedicated for single event effects in tandem accelerator. The imaging of secondary photons produced by every ion striking scintillator materials was taken by the optics system. After analyzing experimental data， the secondary photon image taken by CCD represents an ion. This is very useful for IPEM next development.

【Key words】IPEM；Secondary photon；Position measurement；CCD

0 引言

單粒子效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)研究中，微束裝置可以將束斑限制在微米量級，考察芯片不同微觀區(qū)域的敏感度，促進(jìn)了單粒子效應(yīng)機(jī)理研究的發(fā)展 [1]。隨著芯片生產(chǎn)工藝進(jìn)步，芯片特征尺寸已由微米量級降至納米量級，現(xiàn)有重離子微束裝置最小束斑尺寸約為1μm，且由于技術(shù)因素的限制，很難進(jìn)一步減小[2]。面對上述問題，美國桑迪亞實(shí)驗(yàn)室提出建設(shè)IPEM裝置的新思路。與現(xiàn)有微束相比，IPEM具有較高的實(shí)驗(yàn)效率，目前分辨率已達(dá)微米量級[4]，未來可能會得到進(jìn)一步減小。本文針對IPEM研制需求，為探索入射離子位置測量這一關(guān)鍵技術(shù)，率先開展二次光子位置測量技術(shù)研究。

1 IPEM原理簡介

IPEM（Ion Photon Emission Microscopy）需在樣品表面覆蓋一層發(fā)光薄膜，實(shí)驗(yàn)時利用非聚焦束流照射，薄膜沉積少量能量并產(chǎn)生二次光子，收集和測量二次光子獲得入射離子位置信息，待測樣品沉積大部分能量并產(chǎn)生單粒子效應(yīng)，將樣品單粒子效應(yīng)信息與入射離子位置信息相結(jié)合，從而得到相應(yīng)的二維圖譜。

IPEM裝置與現(xiàn)有微束裝置“先確定入射離子位置再輻照”的工作過程明顯不同，因此如何利用二次光子確定入射離子位置是裝置關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國外裝置大都使用單光子位置靈敏探測器，這種探測器性能優(yōu)異，但訂貨周期較長 [5]。為盡快開展相關(guān)研究，研究組決定暫時采用CCD，對二次光子位置測量技術(shù)進(jìn)行探索。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與流程

實(shí)驗(yàn)是在北京HI-13串列加速器單粒子效輻照裝置上進(jìn)行，利用158MeV的Cl離子入射ZnS（Ag）材料，搭建基于顯微鏡的CCD成像裝置對二次光子進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)裝置整體布局如圖2所示，ZnS（Ag）屏傾斜30°安裝在樣品架上，屏上緊貼直徑200μm的限束光闌；顯微鏡放置在限束光闌垂直方向，顯微鏡后安裝CCD用于采集圖像。

實(shí)驗(yàn)流程包括激光對中、顯微鏡對焦、束斑調(diào)整和CCD觀察等。通過激光對中將限束光闌移動到束流位置，隨后顯微鏡對焦，直到清晰看到ZnS（Ag）表層。調(diào)整束斑位置，使其覆蓋整個限束光闌。最終在不同注量率下， CCD觀察材料發(fā)光情況。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)選用三種不同注量率105ions/cm2/s、3×106ions/cm2/s、2×107 ions/cm2/s，圖3為不同注量率下CCD觀察到的典型ZnS（Ag）圖像。在注量率為105 ions/cm2/s時，CCD視野中光點(diǎn)逐個出現(xiàn)，其圖像如圖3左圖所示；在注量率為3×106 ions/cm2/s時，CCD視野中光斑呈現(xiàn)團(tuán)狀，能夠勉強(qiáng)分辨單個光點(diǎn)形狀，其圖像如圖3中圖所示；在注量率為2×107 ions/cm2/s時，CCD視野呈現(xiàn)為整個亮光斑，無法再分辨單個光點(diǎn)形狀，其圖像如圖3右圖所示。

首先對二次光子在CCD處的照度進(jìn)行估算。根據(jù)文獻(xiàn)和理論估算，一個Cl離子在ZnS（Ag）中產(chǎn)生的光子數(shù)約為1.1×104，實(shí)驗(yàn)所用光學(xué)系統(tǒng)總效率約為0.0128。所以CCD收集到的光子數(shù)N約為132個。故CCD處平均輻射通量P=N·hν/t=2.9×10-10W。CCD對應(yīng)照度約為P·Km·V/S=0.96lx。因此，單個離子產(chǎn)生的光點(diǎn)照度超過了CCD最低照度（3×10-4lx）要求，CCD具有測量單個離子在ZnS（Ag）處產(chǎn)生的二次光子的能力。

實(shí)驗(yàn)中入射離子數(shù)量的分布滿足泊松分布P（n）=mn×e-m/n！。利用泊松公式計(jì)算在CCD單幀時間內(nèi)入射離子數(shù)的概率分布。根據(jù)泊松公式可知，在不同注量率下，入射離子數(shù)的最大概率出現(xiàn)在入射離子為1個、12個、80時，這與圖3中CCD圖像的光點(diǎn)數(shù)在量級上是一致的。

通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，實(shí)驗(yàn)所用CCD具備測量二次光子的能力，在幾種不同注量率下，實(shí)際觀察光點(diǎn)符合入射離子數(shù)量概率分布，故圖3左圖單個光點(diǎn)代表確代表單個入射離子。

4 結(jié)論

本文針對IPEM入射離子位置測量這一關(guān)鍵問題，開展了離子誘發(fā)二次光子位置測量研究。通過搭建光學(xué)系統(tǒng)，使用CCD對Cl離子打在ZnS（Ag）后的發(fā)光現(xiàn)象進(jìn)行觀測。通過數(shù)據(jù)分析，確認(rèn)注量率為105ions/cm2/s時CCD觀察到的光點(diǎn)代表著單個入射離子。研究組據(jù)此將建立CCD二次光子測量系統(tǒng)，推進(jìn)IPEM進(jìn)一步建設(shè)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]F.W.Sexton. Microbeam Studies of Sigle-Event Effects[J].IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE，1996（43）NO.2：687-695.

[2]D.F.Heidel，U.H.Bapst，et al.Ion Microbeam Radiation System[J].IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE， 1993（40）NO.2：127-134.

[3]B.L.Doyle， D.S.Walsh， et al. Nuclear emission microscopies[J].NIMB，2001：199-210.

[4]J.V. Branson， B.L.Doyle， et al. The ion photon emission microscope on SNLs nuclear microprobe and in LBNLs cyclotron facility[J].NIMB 267，2009：2085-2089.

[5]Quantar Technology INC.， 2620A Mission Street， Santa Cruz， CA 95060[Z].

[責(zé)任編輯：謝慶云]

【摘 要】為進(jìn)一步豐富芯片微觀區(qū)域單粒子效應(yīng)敏感度研究方法，開展IPEM裝置建設(shè)前期研究。針對新型裝置入射離子位置測量這一關(guān)鍵問題，在串列加速器單粒子效應(yīng)專用輻照終端上，搭建光學(xué)位置測量裝置，對單個離子在閃爍體材料上誘發(fā)產(chǎn)生的光子進(jìn)行位置測量。通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確認(rèn)CCD測量到代表單個入射離子的二次光子圖像，為下一步IPEM輻照裝置的建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】IPEM；二次光子；位置測量； CCD

【Abstract】To increase methods of finding single event effect sensitivity in semiconductor circuits micro areas， IPEM is first developed in China. To solve the key technology of how to measure the ions position， a optics imaging system was built on the irradiation facility dedicated for single event effects in tandem accelerator. The imaging of secondary photons produced by every ion striking scintillator materials was taken by the optics system. After analyzing experimental data， the secondary photon image taken by CCD represents an ion. This is very useful for IPEM next development.

【Key words】IPEM；Secondary photon；Position measurement；CCD

0 引言

單粒子效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)研究中，微束裝置可以將束斑限制在微米量級，考察芯片不同微觀區(qū)域的敏感度，促進(jìn)了單粒子效應(yīng)機(jī)理研究的發(fā)展 [1]。隨著芯片生產(chǎn)工藝進(jìn)步，芯片特征尺寸已由微米量級降至納米量級，現(xiàn)有重離子微束裝置最小束斑尺寸約為1μm，且由于技術(shù)因素的限制，很難進(jìn)一步減小[2]。面對上述問題，美國桑迪亞實(shí)驗(yàn)室提出建設(shè)IPEM裝置的新思路。與現(xiàn)有微束相比，IPEM具有較高的實(shí)驗(yàn)效率，目前分辨率已達(dá)微米量級[4]，未來可能會得到進(jìn)一步減小。本文針對IPEM研制需求，為探索入射離子位置測量這一關(guān)鍵技術(shù)，率先開展二次光子位置測量技術(shù)研究。

1 IPEM原理簡介

IPEM（Ion Photon Emission Microscopy）需在樣品表面覆蓋一層發(fā)光薄膜，實(shí)驗(yàn)時利用非聚焦束流照射，薄膜沉積少量能量并產(chǎn)生二次光子，收集和測量二次光子獲得入射離子位置信息，待測樣品沉積大部分能量并產(chǎn)生單粒子效應(yīng)，將樣品單粒子效應(yīng)信息與入射離子位置信息相結(jié)合，從而得到相應(yīng)的二維圖譜。

IPEM裝置與現(xiàn)有微束裝置“先確定入射離子位置再輻照”的工作過程明顯不同，因此如何利用二次光子確定入射離子位置是裝置關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國外裝置大都使用單光子位置靈敏探測器，這種探測器性能優(yōu)異，但訂貨周期較長 [5]。為盡快開展相關(guān)研究，研究組決定暫時采用CCD，對二次光子位置測量技術(shù)進(jìn)行探索。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與流程

實(shí)驗(yàn)是在北京HI-13串列加速器單粒子效輻照裝置上進(jìn)行，利用158MeV的Cl離子入射ZnS（Ag）材料，搭建基于顯微鏡的CCD成像裝置對二次光子進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)裝置整體布局如圖2所示，ZnS（Ag）屏傾斜30°安裝在樣品架上，屏上緊貼直徑200μm的限束光闌；顯微鏡放置在限束光闌垂直方向，顯微鏡后安裝CCD用于采集圖像。

實(shí)驗(yàn)流程包括激光對中、顯微鏡對焦、束斑調(diào)整和CCD觀察等。通過激光對中將限束光闌移動到束流位置，隨后顯微鏡對焦，直到清晰看到ZnS（Ag）表層。調(diào)整束斑位置，使其覆蓋整個限束光闌。最終在不同注量率下， CCD觀察材料發(fā)光情況。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)選用三種不同注量率105ions/cm2/s、3×106ions/cm2/s、2×107 ions/cm2/s，圖3為不同注量率下CCD觀察到的典型ZnS（Ag）圖像。在注量率為105 ions/cm2/s時，CCD視野中光點(diǎn)逐個出現(xiàn)，其圖像如圖3左圖所示；在注量率為3×106 ions/cm2/s時，CCD視野中光斑呈現(xiàn)團(tuán)狀，能夠勉強(qiáng)分辨單個光點(diǎn)形狀，其圖像如圖3中圖所示；在注量率為2×107 ions/cm2/s時，CCD視野呈現(xiàn)為整個亮光斑，無法再分辨單個光點(diǎn)形狀，其圖像如圖3右圖所示。

首先對二次光子在CCD處的照度進(jìn)行估算。根據(jù)文獻(xiàn)和理論估算，一個Cl離子在ZnS（Ag）中產(chǎn)生的光子數(shù)約為1.1×104，實(shí)驗(yàn)所用光學(xué)系統(tǒng)總效率約為0.0128。所以CCD收集到的光子數(shù)N約為132個。故CCD處平均輻射通量P=N·hν/t=2.9×10-10W。CCD對應(yīng)照度約為P·Km·V/S=0.96lx。因此，單個離子產(chǎn)生的光點(diǎn)照度超過了CCD最低照度（3×10-4lx）要求，CCD具有測量單個離子在ZnS（Ag）處產(chǎn)生的二次光子的能力。

實(shí)驗(yàn)中入射離子數(shù)量的分布滿足泊松分布P（n）=mn×e-m/n！。利用泊松公式計(jì)算在CCD單幀時間內(nèi)入射離子數(shù)的概率分布。根據(jù)泊松公式可知，在不同注量率下，入射離子數(shù)的最大概率出現(xiàn)在入射離子為1個、12個、80時，這與圖3中CCD圖像的光點(diǎn)數(shù)在量級上是一致的。

通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，實(shí)驗(yàn)所用CCD具備測量二次光子的能力，在幾種不同注量率下，實(shí)際觀察光點(diǎn)符合入射離子數(shù)量概率分布，故圖3左圖單個光點(diǎn)代表確代表單個入射離子。

4 結(jié)論

本文針對IPEM入射離子位置測量這一關(guān)鍵問題，開展了離子誘發(fā)二次光子位置測量研究。通過搭建光學(xué)系統(tǒng)，使用CCD對Cl離子打在ZnS（Ag）后的發(fā)光現(xiàn)象進(jìn)行觀測。通過數(shù)據(jù)分析，確認(rèn)注量率為105ions/cm2/s時CCD觀察到的光點(diǎn)代表著單個入射離子。研究組據(jù)此將建立CCD二次光子測量系統(tǒng)，推進(jìn)IPEM進(jìn)一步建設(shè)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]F.W.Sexton. Microbeam Studies of Sigle-Event Effects[J].IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE，1996（43）NO.2：687-695.

[2]D.F.Heidel，U.H.Bapst，et al.Ion Microbeam Radiation System[J].IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE， 1993（40）NO.2：127-134.

[3]B.L.Doyle， D.S.Walsh， et al. Nuclear emission microscopies[J].NIMB，2001：199-210.

[4]J.V. Branson， B.L.Doyle， et al. The ion photon emission microscope on SNLs nuclear microprobe and in LBNLs cyclotron facility[J].NIMB 267，2009：2085-2089.

[5]Quantar Technology INC.， 2620A Mission Street， Santa Cruz， CA 95060[Z].

[責(zé)任編輯：謝慶云]