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IEEM Ion Electron Emission Microscope Lecce 24/09/2003 Draft 11/09 responsabile nazionale: Jeff Wyss INFN/Pisa e e e Secondary electrons bulkactive volumes.

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1 IEEM Ion Electron Emission Microscope Lecce 24/09/2003 Draft 11/09 responsabile nazionale: Jeff Wyss INFN/Pisa e e e Secondary electrons bulkactive volumes ion electrostatic lenses  microscope Live chip 2D electron sensor Gruppo V “1 picture = 1k words” e

2 IEEM IEEM Microscopio ASSIALE ad emissione di elettroni per impatto ionico Sezioni INFN: Pisa, Padova, Roma2 Linea di ricerca: Single Event Effects (SEE) indotti da ioni energetici in dispositivi e sistemi microelettronici per applicazioni spaziali, di fisica delle alte energie, ed industriali. Laboratorio e facility: Legnaro, Tandem XTU da 15MV, linea di irraggiamento con ioni SIRAD (Li-Au). Processo fisico: correlazione su scala micrometrica tra i punti di impatto ionico e SEE indotti in vari dispositivi (ASIC, commerciali, strutture di test) mediante l’uso di un microscopio assiale ad emissione di elettroni secondari da impatto ionico normale. Durata e preventivo globale: due anni, 130 kEuro 2004: costruzione, installazione IEEM con sistema di test SDRAM sulla linea SIRAD, risultati preliminari; Preventivo 2004 (kEuro): 25 (PI) + 48 (PD) + 20 (RM2) = 93 2005: messa a punto e presa dati.

3 SIRAD is the acronym for SIlicon and RADiation. The purpose of the SIRAD facility is: "investigate radiation effects on silicon detectors, micro-electronic devices and systems in radiation hostile environments". What is SIRAD - Total Dose Effects: cumulative effects due to ionization (dose). - Bulk Effects: cumulative effects due to displacement damage (fluence). - Single Event Effects: instantaneous effects resulting from the strike of a single energetic particle (probability, cross-section). - High Energy Physics experiments (CDF, CMS,...). - Space missions of scientific satellites (GLAST, AGILE, PAMELA,...) silicon detectors (CDF, CMS, SMART) ASIC microelectronics (CMS, GLAST, AGILE) commercial off the shelf microelectronics (FPGA, FLASH, SDRAM, power devices) test structures (physics of ultra-thin oxide rupture)

4 NOTE: The AXIAL IEEM will be installed downstream of SIRAD chamber to COEXIST with the intense and successful SIRAD program. Accelerator: - Tandem Van de Graaff; - 15 MV maximum voltage; - two strippers. The SIRAD beam line (protons and ions)  ions from H (30 MeV) to Au (300 MeV)

5 Ion species from 1 H (23-30 MeV) up to 197 Au (1.4 MeV/a.m.u.) LET from 0.02 MeV  cm 2 /mg ( 1 H) up to 81.7 MeV  cm 2 /mg ( 197 Au) Ion beams available at SIRAD

6 A SIRAD 5 anni di attivita` piu` di 30 pubblicazioni nel 2002-2003 (IEEE, NIM A ann B, Microelectronics Reliability, conferenze NREC, RADCES, ICNMTA IBA,...). Circa 15 articoli sottomessi nel 2003. The experiments are performed in collaboration with more than 80 scientists and researchers from 26 Italian and foreign institutions and industrial partners [1] INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro [2] INFN, Sezione di Padova [3] INFN, Sezione di Perugia [4] INFN, Sezione di Pisa [5] INFN, Sezione di Trieste [6] Dipartimento di Fisica, Università di Padova [7] Dipartimento di Fisica, Università di Perugia [8] Dipartimento di Fisica, Università di Trieste [9] Dipartimento di Automatica e Informatica, Politecnico di Torino [10] Dipartimento di Elettronica ed Informatica, Università di Padova [11] Dipartimento di Ingegneria, Università di Ferrara [12] Dipartimento di Meccanica, Struttura, Ambiente e Territorio, Università di Cassino [13] Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica (IASF), Sezione di Roma. [14] Istituto di Astrofisicia Spaziale e Fisica Cosmica (IASF), Sezione di Bologna [15] Dipartimento di Ingegneria Elettronica, Università Autonoma di Barcellona, Spagna [16] ENSERG-INPG, Grenoble (France) [17] GSI, Darmstadt (Germany) [18] Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB), CNM-CSIC, Barcelona, Spain [19] Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL), Berkeley, USA [20] LETI-CEA, Grenoble (France) [21] Institute of Physics, Academia Sinica, Taiwan [22] SCIPP-University of California at Santa Cruz (UCSC), Santa Cruz, USA [23] Aurelia Microelettronica, Navacchio Cascina (PI) [24] Center for Advanced Research in Space Optics (CARSO), Area Science Park, Trieste [25] Istituto di Ricerca Trentino (IRST), Trento [26] ST Microelectronics, Agrate Brianza (MI) Institutions and industrial partners participating to SIRAD  INFN

7 Beam time allocation at SIRAD in 2002 Single Event Effects: 71% An IEEM would be COOL! (26 days)

8 A single incident particle may produce directly or indirectly enough energy in the form of ionization to cause a single macroscopic (anomalous) effect in a polarized device. Single Event Effects (SEE) SEE effects are induced in a live electronic device if the ionization induced in the sensitive volume of the device by a primary ionizing particle or by secondary particles or by a recoiling nucleus is higher than some characteristic SEE threshold value. A nuclear spallation reaction induced by protons and neutrons. Top: cascade stage in which fast secondaries emerge in the forward direction. Middle: evaporation stage in which secondary protons, neutrons, deuterons and alphas particles emerge isotropically. Bottom: recoil stage in which the residual fragment of the target nucleus emerges with the momentum gained in the earlier stage. or NEUTRON e.g.

9 For a given radiation environment (HEP experimental hall, orbit in outer space mission, solar activity) the mechanisms of an SEE and the PROBABILITY of it occurring are device and technology dependent. -destructive events: Single Event Burnout (SEB) in power DMOS transistor Single Event Snapback (SES) in MOSFET Single Event Gate Rupture (SEGR) in DMOS transistor Single Event Latch-up (SEL) in CMOS technologies -non destructive events: Single Event Drain Current Collapse (SEDC 2 ) Single Event Upset (SEU) Single Event Disturb (SED) Single Event Transient (SET) Single Event Functional Interrupt (SEFI) SEE-OLOGY

10 GLAST Collaboration Meeting - Rome 15-18 September, 2003 Expected rates are low Importance of SEE: SEU: data corruption data stored in register cells are altered by induced charge SEU hardened registers SEL: potentially destructive inherent p-n-p-n parasitic structures in CMOS can be activated by injected charge: short-circuit polyswitches in LAT, but… SEL sensitive parasite structure (SIRAD) Radiation Effects: SEE (SEU+SEL)

11 The cross section (  ) for Single Event Effects is  = R SEE /  R SEE : Rate (counts/s) of SEE observed  : uniform flux 10 2  10 5 ions cm -2 s -1 (fiducial area 2cm-by-2cm) typical measured and ideal SEU cross section curves per bit, device, etc. WEIBULL FIT  =  sat  {1-exp[-(L-L th )/W] S }  sat : saturation value L th : threshold LET value W and s are fitting parameters (  ) In silicon a LET of 97 MeV- cm 2 /mg corresponds to charge deposition per unit path length of 1pC/  m. NOTE factor ~100: it is handy for conversion. ()() SEE cross-sections SIRAD broad beam experiments  SAT L threshold

12 Single Event Upset (SEU) cross section for the pipeline of the APV25 chip for CMS. Solid line is a multiple Weibull prediction based on simulations, but direct microscopic evidence would be more compelling. SIRAD data: SEE effects in Application Specific-ICs broad beam on chip

13 unit cell SEU simulation Davinci 3D-simulation, P.E.Dodd et al., IEEE Trans.Nucl.Sci. Vol 48 pp1893- 1903, Dec. 2001 Evolution of the SEU sensitive area as a function of the ion LET, including initially only the reverse biased NMOS drain and then also the reverse biased PMOS drain. Simulations were performed for ion strikes incident every 0.5  m throughout the unit cell. sensitivity micro-map sensitivity micro-map CMOS 256K SRAM New sensitive area for LET > 30 MeV-cm 2 /mg

14 simulazioni VS microscopia Le simulazioni dei dispositivi sono cruciali per: la comprensione dei meccanismi alla base di SEE; individuazione di tecniche di sopravvivenza. La microscopia serve a: generare dati utili per validare modelli dei dispositivi; diagnosticare problemi residui difficilmente simulabili (e.g. a livello di sistema); certificare le prestazioni di un dispositivo in un ambiente radioattivo.

15 Traditionally micro-maps are performed at micro-beam facilities. In the nuclear microprobe technique a micro-beam spot is systematically moved with micro-precision across a device to build up a sensitivity map. Lateral resolution: 0.3  1  m. In the IEEM technique (B.L.Doyle, SANDIA, 1999), instead of micro-focusing the beam, one reconstructs the impact point of the ion! Lateral resolution: 0.6  1  m. With an IEEM the SIRAD beam-line would acquire SEE micro-mapping capabilities with a non-invasive upgrade that would not interfere with the normal successful SIRAD activity. NOTE: The AXIAL IEEM will be installed downstream of the SIRAD chamber. allows for upgrades of the sensors; operational flexibility. microbeams and IEEMs The IEEM of SIRAD would be the first of its type with its opto-electronic approach

16 (X beam,Y beam ) target analysis of signal Ion beam Nuclear Microprobe Analysis 2D electron detector at focal plane of electron optics target (X hit,Y hit ) secondary electrons electron optics Ion beam coating Ion Electron Emission Microscopy analysis of signal nuclear microprobe VS IEEM analysis : SEE mapping, Ion Beam Induced Charge Collection, Time Resolved IBICC,... Resolution on target: lateral size of field of view divided by linear line pair resolution of sensor. rastering pattern object slit Resolution on target determined by beam optics: spot size and positioning. Difficult to micro-focus all SIRAD ions; e.g. rigidity of a 300 MeV Au +25 ion is 1.40 T-m, 1.7 times more than 95 MeV C +6 ion. Would require disruptive and expensive upgrade of SIRAD and of controls of Tandem Optics!  channeltron hit confirmation by secondary electrons Nuclear Microprobe: focusing (e.g. triplet) and scanning system

17 Schematic of the axial (  = 0 o ) IEEM of SIRAD SIRAD I I contrast diaphragm photon lens UV lamp (PEEM) The ion impact position on the target is determined by “imaging” the position from which secondary electrons are emitted. A contrast diaphragm with a 300  m diameter aperture controls the aberrations: the intrinsic resolution of the IEEM on the target is of the order of 0.6  m over a 250  m field of view. This startup resolution must be degraded as little as possible by the sensors. sensor

18 Nella configurazione assiale il fascio di ioni incide normalmente sul bersaglio e gli elettroni secondari emessi dagli impatti ionici sono trasportati dal microscopio verso un Micro Channel Plate anulare posto nel piano focale. Il segnale elettronico viene quindi convertito in uno luminoso da un fosforo veloce. Il segnale luminoso viene quindi messo a fuoco su di un intensificatore di immagine accoppiato ad un PSD che ricostruisce il punto d’impatto degli ioni con risoluzioni laterali efficaci di almeno 400 punti lineari e sostiene un massino ion impact rate di 10 4 Hz. Gli impatti vanno quindi correlati con gli SEE nel dispositivo sotto test per costruire mappe di sensibilita`. progetto: IEEM assiale Opto-elettronico per SIRAD and phosphor Based on commercial electrostatic lenses for photon electron emission microscopy (PEEM).

19 lavoro svolto, situazione attuale, richieste al GrpV Photon-EEM con fondi UNIVERSITA`; sviluppo e realizzazione di sensori opto-elettronici per applicazioni IEEM (conferenze ICNMTA 2002, IBA 2003); studio di emissione di elettroni secondari da metalli e diamante CVD drogato con B (ICNMTA 2002). Finanziamento INFN richiesto per montare lo IEEM assialmente. Si richiede: (1) una nuova camera, (2) un supporto anti-vibrante con adeguata rigidita` tra microscopio, portacampioni, e (3) un sistema di accoppiamento meccanico specchio-lenti-sensore ottico; (4) un portacampioni e (5) della movimentazione micrometrica da vuoto commerciale con 5 gradi di liberta`: X,Y,Z e due di tilt per assicurare coplanarita` del campione con la lente di immersione dello IEEM; (6) un MCP anulare ad alta risoluzione con fosforo; per l’allineamento del fascio lungo l’asse dello IEEM: (7) due alimentatori +/- 10 kV DC per alimentare sistema di deflessione di SIRAD; (8) un sistema di sensori di fascio (faraday cup segmentate; diodi PIN). In programma autunno-inverno 2003: Installazione del microscopio su SIRAD in modo NON-assiale; misure di risoluzione superficiale con griglie TEM; misure di efficienza usando diodi PIN con sottili strati di metallizzazione (oro, aluminio,...) e materiali speciali.

20 Photon-EEM CHAMBER at Univ. Padova commercial PEEM to be recycled as an IEEM UV lamp shock absorbers This PEEM chamber does NOT satisfy experimental and mechanical requirements for SEE studies at SIRAD. Will be recycled only for startup tests. A new optimized chamber will be needed for axial installation!

21 slow CCD camera fast PSD Image intensifier is needed by PSD to ensure large signal and hence good lateral resolution. Photon-EEM IMAGES with SIRAD PSD sensor The first SIRAD IEEM opto-electronic sensor is a PSD (Position Sensitive Device): the charge produced by impacting photons is split by a thin resistive layer into four charges. Measuring the four charges allows the determination of the photon impact position. In ideal conditions the resolution is better than 400 linear points; i.e. better than 1  m on the target. The rise time of 1.5  s puts the maximum ion handling rate at ~3×10 4 Hz (Poisson). annular MCP and phosphor two optical paths 250  m field of view 40  m TEM grid AXIAL IEEM Project

22 Un beam splitter sdoppia il segnale luminoso su due percorsi ottici ortogonali. Due lenti cilindriche, una per percorso ottico ed ortogonali tra loro, trasformano gli spot luminosi circolari in spot di forma laminare. Le lamine luminose incidono quindi ortogonalmente su due CCD lineari che restituiscono le coordinate trasverse del segnale primario. Un prototipo di questo sensore e` stato sviluppato recentemente dal gruppo SIRAD. Si ottengono risoluzioni di 1000 punti lineari e massimi ion impact rates di 10 4 Hz. Questo sensore digitale presenta importanti vantaggi rispetto al sensore PSD analogico: easy multiple hit rejection, hot channel masking, l’intensificatore di immagine non e` necessario. linear CCD array (1024 pixels) linear CCD array (1024 pixels) beam splitter cylindrical lens Note: no image intensifier! AXIAL IEEM Project NOVEL fast 2D opto-electronic sensor for the SIRAD IEEM

23 phosphor MCP Sample UV Lamp Ion beam preliminare IEEM non-assiale (  0 o ) mechanical constraints of immersion lens of IEEM  >65 o  SEE active volume in depth (  1 micron) SIRAD chamber recycled PEEM chamber  ion Installazione temporanea camera PEEM su SIRAD nell’autunno 2003 per prime prove con IONI. ee e +++++++ ------- Errore di parallasse  d’ordine della risoluzione del microscopio. BAD!

24 IEEM assiale GOALS 2004 Inverno: progetto e costruzione della nuova camera di irraggiamento; costruzione del sistema antivibrante e del sistema di misurazione delle vibrazioni; progetto e costruzione della meccanica dello specchio anulare; acquisto MCP anulare; acquisto alimentatori DC per l’allineamento del fascio con lo IEEM; disegno del sistema dei sensori di fascio; acquisto movimentazione del porta-campioni. Primavera/Estate: test ed installazione della camera su SIRAD; test di inserimento del fascio lungo lo IEEM; misure di efficienza e risoluzione dello IEEM assiale; Autunno/Inverno: installazione di un sistema di test basato su SDRAM; risultati preliminari.

25 10 4 Bits in field of view IEEM DAQ (X 1,Y 1 ) (X 2,Y 2 ) SDRA M DAQ Post Processing IEEM Map 300 µm DataBase 1X 1,Y 1 R 1,C 1 2X 1,Y 1 R 1,C 1.. NX N,Y N R N,C N effective SEE resolution (in depth) IEEM test: SDRAM SEU mapping

26 Struttura, FTE, tasks, … INFN PISA/Univ. Cassino Ricercatori: Wyss J. R.U. 50%, Res. Nazionale Tecnologi: Di Stefano R., R.U. 50% INFN PADOVA Ricercatori: Nigro M., P.O. 50%, Res. Locale Giubilato P., Dott. 50% Khomenkov V., Borsista 40% Rando R., Dott. 20% Tecnologi: Cester A., R.U. 40% Tecnici: Pantano D., Univ. 20% INFN ROMA2 Tecnologi: Bertazzoni S., R.U. 70%, Res. Locale DiGiovenale D., Dott. 70% Salmeri M., R.U. 70% Tasks 2004: Progetto e realizzazione: nuova camera di scattering per IEEM per la configurazione assiale (vedi figura); supporto anti-vibrante della camera di scattering; sistema per misurare vibrazioni; accoppiamento dello specchio anulare ad inclinazione variabile (vedi figura). Acquisto finestra di quarzo. Tasks 2004: Costruzione sistema di allineamento e diagnostica per l’allineamento del fascio con lo IEEM; acquisto e messa in opera del porta-campioni di precisione (5 gradi di liberta`); acquisto di un rivelatore di elettroni secondari: un MCP di 4 cm anulare (vedi figura); messa in opera dello IEEM assiale sulla linea SIRAD. Tasks 2004: Realizzazione di uno speciale sistema di test dello IEEM basato su SDRAM curando: compatibilita` con operazione dello IEEM e la camera di scattering; controllo, sincronizzazione e gestione dello IEEM e del front-end dello SDRAM (rivelazione di single event upsets nello SDRAM, di impatti ionici con lo IEEM e loro correlazione).

27 PisaPadovaRoma2 Preventivi 2004 (kEuro) Viaggi Nazionali: Cassino-LNL 2Nazionali: PD-LNL 2Nazionali: RM-LNL 3 Esteri: congressi2 2 2 Cons. Meccanica specchio, specchio, finestra di quarzo 2Sistema e diagnostica per centatura del fascio nello IEEM 4Materiale elettronico3 Meccanica varia5Produzione PCB3 Metabolismo4Software progettazione elettronica (FPGA) 2 Metabolismo2 totale consumo4 13 Metabolismo3 totale consumo11 Invent. Camera scattering15Portacampioni (5 assi)18PC dedicato ai test2 Sistemi di sviluppo (TCP-IP) 1 2 alimentatori centratura fascio (+/- 10kV) 8 supporto antivibraz.2 Stazione saldatura SMD 1 totale invent.17MCP forato5 totale invent.31totale invent.4 TOT 254820

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