重離子誘發二次光子位置測量技術研究

王惠等

【摘 要】為進一步豐富芯片微觀區域單粒子效應敏感度研究方法，開展IPEM裝置建設前期研究。針對新型裝置入射離子位置測量這一關鍵問題，在串列加速器單粒子效應專用輻照終端上，搭建光學位置測量裝置，對單個離子在閃爍體材料上誘發產生的光子進行位置測量。通過分析實驗數據，確認CCD測量到代表單個入射離子的二次光子圖像，為下一步IPEM輻照裝置的建設積累了經驗。

【關鍵詞】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

單粒子效應地面模擬試驗研究中，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域的敏感度，促進了單粒子效應機理研究的發展 [1]。隨著芯片生產工藝進步，芯片特征尺寸已由微米量級降至納米量級，現有重離子微束裝置最小束斑尺寸約為1μm，且由于技術因素的限制，很難進一步減小[2]。面對上述問題，美國桑迪亞實驗室提出建設IPEM裝置的新思路。與現有微束相比，IPEM具有較高的實驗效率，目前分辨率已達微米量級[4]，未來可能會得到進一步減小。本文針對IPEM研制需求，為探索入射離子位置測量這一關鍵技術，率先開展二次光子位置測量技術研究。

1 IPEM原理簡介

IPEM（Ion Photon Emission Microscopy）需在樣品表面覆蓋一層發光薄膜，實驗時利用非聚焦束流照射，薄膜沉積少量能量并產生二次光子，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生單粒子效應，將樣品單粒子效應信息與入射離子位置信息相結合，從而得到相應的二維圖譜。

IPEM裝置與現有微束裝置“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鍵技術之一。目前國外裝置大都使用單光子位置靈敏探測器，這種探測器性能優異，但訂貨周期較長 [5]。為盡快開展相關研究，研究組決定暫時采用CCD，對二次光子位置測量技術進行探索。

2 實驗設置與流程

實驗是在北京HI-13串列加速器單粒子效輻照裝置上進行，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行測量。實驗裝置整體布局如圖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。

實驗流程包括激光對中、顯微鏡對焦、束斑調整和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觀察材料發光情況。

3 實驗結果與分析

實驗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視野中光點逐個出現，其圖像如圖3左圖所示；在注量率為3×106 ions/cm2/s時，CCD視野中光斑呈現團狀，能夠勉強分辨單個光點形狀，其圖像如圖3中圖所示；在注量率為2×107 ions/cm2/s時，CCD視野呈現為整個亮光斑，無法再分辨單個光點形狀，其圖像如圖3右圖所示。

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

實驗中入射離子數量的分布滿足泊松分布P（n）=mn×e-m/n！。利用泊松公式計算在CCD單幀時間內入射離子數的概率分布。根據泊松公式可知，在不同注量率下，入射離子數的最大概率出現在入射離子為1個、12個、80時，這與圖3中CCD圖像的光點數在量級上是一致的。

通過對實驗結果分析，實驗所用CCD具備測量二次光子的能力，在幾種不同注量率下，實際觀察光點符合入射離子數量概率分布，故圖3左圖單個光點代表確代表單個入射離子。

4 結論

本文針對IPEM入射離子位置測量這一關鍵問題，開展了離子誘發二次光子位置測量研究。通過搭建光學系統，使用CCD對Cl離子打在ZnS（Ag）后的發光現象進行觀測。通過數據分析，確認注量率為105ions/cm2/s時CCD觀察到的光點代表著單個入射離子。研究組據此將建立CCD二次光子測量系統，推進IPEM進一步建設。

【參考文獻】

[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].

[責任編輯：謝慶云]

【摘 要】為進一步豐富芯片微觀區域單粒子效應敏感度研究方法，開展IPEM裝置建設前期研究。針對新型裝置入射離子位置測量這一關鍵問題，在串列加速器單粒子效應專用輻照終端上，搭建光學位置測量裝置，對單個離子在閃爍體材料上誘發產生的光子進行位置測量。通過分析實驗數據，確認CCD測量到代表單個入射離子的二次光子圖像，為下一步IPEM輻照裝置的建設積累了經驗。

【關鍵詞】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

單粒子效應地面模擬試驗研究中，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域的敏感度，促進了單粒子效應機理研究的發展 [1]。隨著芯片生產工藝進步，芯片特征尺寸已由微米量級降至納米量級，現有重離子微束裝置最小束斑尺寸約為1μm，且由于技術因素的限制，很難進一步減小[2]。面對上述問題，美國桑迪亞實驗室提出建設IPEM裝置的新思路。與現有微束相比，IPEM具有較高的實驗效率，目前分辨率已達微米量級[4]，未來可能會得到進一步減小。本文針對IPEM研制需求，為探索入射離子位置測量這一關鍵技術，率先開展二次光子位置測量技術研究。

1 IPEM原理簡介

IPEM（Ion Photon Emission Microscopy）需在樣品表面覆蓋一層發光薄膜，實驗時利用非聚焦束流照射，薄膜沉積少量能量并產生二次光子，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生單粒子效應，將樣品單粒子效應信息與入射離子位置信息相結合，從而得到相應的二維圖譜。

IPEM裝置與現有微束裝置“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鍵技術之一。目前國外裝置大都使用單光子位置靈敏探測器，這種探測器性能優異，但訂貨周期較長 [5]。為盡快開展相關研究，研究組決定暫時采用CCD，對二次光子位置測量技術進行探索。

2 實驗設置與流程

實驗是在北京HI-13串列加速器單粒子效輻照裝置上進行，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行測量。實驗裝置整體布局如圖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。

實驗流程包括激光對中、顯微鏡對焦、束斑調整和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觀察材料發光情況。

3 實驗結果與分析

實驗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視野中光點逐個出現，其圖像如圖3左圖所示；在注量率為3×106 ions/cm2/s時，CCD視野中光斑呈現團狀，能夠勉強分辨單個光點形狀，其圖像如圖3中圖所示；在注量率為2×107 ions/cm2/s時，CCD視野呈現為整個亮光斑，無法再分辨單個光點形狀，其圖像如圖3右圖所示。

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

實驗中入射離子數量的分布滿足泊松分布P（n）=mn×e-m/n！。利用泊松公式計算在CCD單幀時間內入射離子數的概率分布。根據泊松公式可知，在不同注量率下，入射離子數的最大概率出現在入射離子為1個、12個、80時，這與圖3中CCD圖像的光點數在量級上是一致的。

通過對實驗結果分析，實驗所用CCD具備測量二次光子的能力，在幾種不同注量率下，實際觀察光點符合入射離子數量概率分布，故圖3左圖單個光點代表確代表單個入射離子。

4 結論

本文針對IPEM入射離子位置測量這一關鍵問題，開展了離子誘發二次光子位置測量研究。通過搭建光學系統，使用CCD對Cl離子打在ZnS（Ag）后的發光現象進行觀測。通過數據分析，確認注量率為105ions/cm2/s時CCD觀察到的光點代表著單個入射離子。研究組據此將建立CCD二次光子測量系統，推進IPEM進一步建設。

【參考文獻】

[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].

[責任編輯：謝慶云]

【摘 要】為進一步豐富芯片微觀區域單粒子效應敏感度研究方法，開展IPEM裝置建設前期研究。針對新型裝置入射離子位置測量這一關鍵問題，在串列加速器單粒子效應專用輻照終端上，搭建光學位置測量裝置，對單個離子在閃爍體材料上誘發產生的光子進行位置測量。通過分析實驗數據，確認CCD測量到代表單個入射離子的二次光子圖像，為下一步IPEM輻照裝置的建設積累了經驗。

【關鍵詞】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

單粒子效應地面模擬試驗研究中，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域的敏感度，促進了單粒子效應機理研究的發展 [1]。隨著芯片生產工藝進步，芯片特征尺寸已由微米量級降至納米量級，現有重離子微束裝置最小束斑尺寸約為1μm，且由于技術因素的限制，很難進一步減小[2]。面對上述問題，美國桑迪亞實驗室提出建設IPEM裝置的新思路。與現有微束相比，IPEM具有較高的實驗效率，目前分辨率已達微米量級[4]，未來可能會得到進一步減小。本文針對IPEM研制需求，為探索入射離子位置測量這一關鍵技術，率先開展二次光子位置測量技術研究。

1 IPEM原理簡介

IPEM（Ion Photon Emission Microscopy）需在樣品表面覆蓋一層發光薄膜，實驗時利用非聚焦束流照射，薄膜沉積少量能量并產生二次光子，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生單粒子效應，將樣品單粒子效應信息與入射離子位置信息相結合，從而得到相應的二維圖譜。

IPEM裝置與現有微束裝置“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鍵技術之一。目前國外裝置大都使用單光子位置靈敏探測器，這種探測器性能優異，但訂貨周期較長 [5]。為盡快開展相關研究，研究組決定暫時采用CCD，對二次光子位置測量技術進行探索。

2 實驗設置與流程

實驗是在北京HI-13串列加速器單粒子效輻照裝置上進行，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行測量。實驗裝置整體布局如圖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。

實驗流程包括激光對中、顯微鏡對焦、束斑調整和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觀察材料發光情況。

3 實驗結果與分析

實驗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視野中光點逐個出現，其圖像如圖3左圖所示；在注量率為3×106 ions/cm2/s時，CCD視野中光斑呈現團狀，能夠勉強分辨單個光點形狀，其圖像如圖3中圖所示；在注量率為2×107 ions/cm2/s時，CCD視野呈現為整個亮光斑，無法再分辨單個光點形狀，其圖像如圖3右圖所示。

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

實驗中入射離子數量的分布滿足泊松分布P（n）=mn×e-m/n！。利用泊松公式計算在CCD單幀時間內入射離子數的概率分布。根據泊松公式可知，在不同注量率下，入射離子數的最大概率出現在入射離子為1個、12個、80時，這與圖3中CCD圖像的光點數在量級上是一致的。

通過對實驗結果分析，實驗所用CCD具備測量二次光子的能力，在幾種不同注量率下，實際觀察光點符合入射離子數量概率分布，故圖3左圖單個光點代表確代表單個入射離子。

4 結論

本文針對IPEM入射離子位置測量這一關鍵問題，開展了離子誘發二次光子位置測量研究。通過搭建光學系統，使用CCD對Cl離子打在ZnS（Ag）后的發光現象進行觀測。通過數據分析，確認注量率為105ions/cm2/s時CCD觀察到的光點代表著單個入射離子。研究組據此將建立CCD二次光子測量系統，推進IPEM進一步建設。

【參考文獻】

[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].

[責任編輯：謝慶云]