Кафедра физики твердого тела и наносистем №70
НИЯУ МИФИ
Взаимодействие лазерных ультракоротких импульсов с веществом
Научный руководитель:
к.т.н., доцент Маврицкий Олег Борисович
Лаборатория Э-203
подробнее о руководителе и сотрудниках
Основные направления научных исследований |
|||||
|
В лаборатории проводятся фундаментальные исследования процессов, возникающих при распространении ультракоротких импульсов (УКИ) пико- и фемтосекундного диапазона длительности лазерного излучения и механизмов их взаимодействия в основном с конденсированными средами (прозрачными диэлектриками и полупроводниками) и не только. В течении двух последних десятилетий здесь проектируются, разрабатываются оптические схемы, конструируются и создаются уникальные установки, сердцем которых являются различные лазерные источники ультракоротких световых импульсов, наименьшая длительность tимп. которых менее сотни фемтосекунд (напомним, фемто = 10-15). Только представьте себе, что работать приходится со сгустком электромагнитной энергии, который, двигаясь со скоростью света, занимает в пространстве длину, Воздействие таким импульсом на исследуемый объект в преобладающем большинстве случаев может практически рассматриваться как мгновенное, т. е. появляется возможность изучать сверхбыстрые процессы, происходящие после мгновенного воздействия, а сам инициирующий импульс уже не мешает регистрации наблюдаемой реакции изучаемого объекта. Реакция на возбуждение может быть различной природы: электрической, оптической, тепловой, магнитной, биологической, химической и прочей. Величина, а значит и достоверность (отношение сигнал/шум) регистрируемого сигнала определяется используемой методикой измерений, подбираемой в зависимости от решаемой задачи. Успех исследования в значительной степени определяется правильным сочетанием характеристик исследуемого образца (таких как спектр поглощения или отражения, однородность свойств по объему, качество обработки поверхностей и многое другое) и параметров лазерного возбуждающего импульса излучения (длины волны, ширины спектра излучения, длительности и энергии импульса, пространственных параметров лазерного пучка и т.д.). |
|||||
Уникальное оборудование и измерительные приборы |
|||||
| Пикосекундный автоматизированный лазерный комплекс ПИКО-4 представляет собой микроскоп высокого разрешения с лазерным портом для ввода непосредственно в канал наблюдения ультракоротких лазерных импульсов (длительностью 25 пс) с регулируемой энергией и варьируемой с помощью параметрического усилителя длиной волны в видимой и ближней инфракрасной области спектра. Остросфокусированное лазерное излучение позволяет бесконтактно инициировать в исследуемом образце, установленном на платформе прицезионной 3х-осевой системы позиционирования, рождение неравновесных носителей заряда, способных вызывать те или иные электрические эффекты при достижении их критической концентрации. |  |
||||
 |
Фемтосекундный лазерный комплекс имеет схожий набор интеллектуальных модулей, и может выполнять большинство задач, характерных для ПИКО-4. Однако, примерно в 300 раз меньшая длительность импульсов излучения (70 фс), дает уникальную дополнительную возможность наблюдать многофотонные процессы, вероятность воникновения которых значительно возрастает по мере сокращения длительности импульса. | ||||
|
Для настройки оптической схемы установок используются дополнительные приборы:
|
 |
||||
Базовые методики исследования микроэлектронных структур |
|||||
|
Методика сфокусированного лазерного облучения построена на классическом принципе сканирования кристалла исследуемой структуры (например, интегральной схемы (ИС)) остросфокусированным на её поверхности пучком лазера ультракоротких импульсов варьируемой энергии (рисунок слева). В лаборатории также применяется внефокусное ("локальное") облучение объекта, т.е. объект располагается не в фокусе, а в расходящемся или сходящемся пучке (рисунок справа), где площадь его сечения значительно больше, чем в фокусе. При таком способе облучения вносимые наличием металлизации ограничения частично снимаются. Если в случае острой фокусировки излучение может совсем не проходить под металлизацию, то в случае локального облучения часть излучения попадает в активный объем исследуемой структуры. В дополнение к возможному прямому прохождению через имеющиеся «отверстия» в металлизации (левый рисунок), лазерное излучение может частично проникать в чувствительный объем благодаря расходимости лазерного луча и таким эффектам, как одиночные и множественные отражения, рассеяние, дифракция, вторичные отражения от границ раздела, интерференция, частичное поглощение в n+/p+ слоях в поликремнии и отражение от основания подложки. Обе методики могут применяться при облучении с приборной стороны (сверху) и со стороны подложки (снизу). |
Сфокусированное
|
Локальное лазерное облучение  |
|||
 |
 |
||||
Локализация чувствительной области и график зависимости сечения ОРЭ от энергии лазерного излучения J для одной из КМОП интегральных схем |
Сканирование – процедура последовательного перехода от одной точки исследуемой структуры к другой с определенным шагом по заданной координатной сетке или квазислучайно, при которой в каждой точке производится воздействие лазерным импульсом с заданной энергией и регистрируется та или иная электрическая реакция. Сканирование может производиться как по всему кристаллу ИС, так и в отдельной его области. При сканировании по заданным координатам устанавливается привязка точек инициирования одиночного радиационного эффекта (ОРЭ) к топологии исследуемой структуры. Одним из наиболее наглядных методов локализации наиболее чувствительных к ОРЭ областей является построение карт ОРЭ. На картах эффектов отмечают только точки, в которых при данной энергии сканирования возникает одиночный эффект. Места, где плотность эффекта велика, и представляют собой чувствительные области. |
||||
|
Актуальность решаемых в лаборатории задач обусловлена тем, что тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ), являясь неотъемлемой частью ионизирующего излучения, в последние годы привлекают к себе повышенное внимание специалистов, занимающихся проблемами радиационной стойкости элементной базы устройств, предназначенных для космических применений и эксплуатируемых непосредственно в бортовой электронике космических аппаратов. Долгое время космические аппараты отличались высочайшей степенью качества и надежности работы бортовых систем в условиях воздействия различных факторов КП. В последние десятилетия участились случаи нештатного функционирования электронной бортовой аппаратуры, анализ которых привел к выводам, что подобное поведение в основном обусловлено эффектами воздействия ТЗЧ, которые стали проявляться в изделиях полупроводниковой электроники, выполненных по современным субмикронным и меньшим проектным нормам. Поэтому задача оценки уровней и обеспечения радиационной стойкости электронных компонент, особенно микросхем повышенной степени интеграции, предназначенных для эксплуатации в условиях космического пространства, сегодня особенно актуальна. Классическим средством для оценки стойкости отдельных элементов и модулей электронных устройств к воздействию ТЗЧ являются ускорители ионов и протонов. Однако количество изделий, для которых необходимы комплексные испытания, выросло настолько, что имеющихся мощностей ускорителей ионов и протонов уже недостаточно для удовлетворения возрастающих потребностей в проведении соответствующих измерений в силу их трудоемкости, растянутости по срокам и высокой стоимости. К тому же, при отработке технических решений по повышению устойчивости к сбоям и отказам электронной аппаратуры эти средства оказываются малоэффективными, а в ряде случаев – и неприменимыми. Накопленный практический опыт использования лазерных ультракоротких импульсов для моделирования эффектов в интегральных схемах, возникающих при пролете ТЗЧ, позволяет рассматривать специализированные лазерные стенды как мощное самостоятельное техническое средство оценки радиационной стойкости изделий полупроводниковой электроники, способное взять на себя значительную часть нагрузки по испытаниям. Более того, методы, основанные на применении сфокусированного лазерного излучения ультракороткой длительности, благодаря высокому пространственному и временному разрешению, позволяют получить принципиально новые возможности:
|
|||||
Наши студенты представляют свои квалификационные работы |
|
 |
Холина Марта Сергеевна- защищает диплом бакалавра 2022 Моделирование одиночных радиационных эффектов в кремниевых микроэлектронных приборах с помощью двухфотонного поглощения фемтосекундного лазерного излученияРуководитель: Маврицкий О.Б.
Научный консультант: Егоров А.Н.
|
Юшкевич Всеволод Владиславович- защищает диплом бакалавра 2019 Фемтосекундный оптический параметрический усилитель для лазерной диагностики кремниевых полупроводниковых структур при локальном облучении сквозь подложкуНаучный руководитель: Маврицкий О.Б.
Консультант: Егоров А.Н.
|
 |
 |
Настулявичус Алена- защищает диплом бакалавра 2015 Применение метода статической эмиссионной микроскопии для исследования тиристорного эффекта в ПЛИС, инициируемого сфокусированным излучением пикосекундного лазераНаучный руководитель: Шеляков А.В.
Консультант: Егоров А.Н.
|
Гордиенко Александра Владимировна- защищает дипломный проект 2014 Ультракороткие лазерные импульсы для испытаний изделий микроэлектроники на стойкость к воздействию тяжёлых заряженных частицНаучный руководитель: Маврицкий О.Б.
Консультант: Егоров А.Н.
|
 |
744
