高能重离子单粒子效应微纳成像技术研究

The resolution of the present techniques for single event effect imaging using high energy heavy ion cannot meet the demand of radiation hardening technique and single event effect study because of the fast development of the semiconductor technology. This proposal targets the key issues in the development of the micro/nanoscopic imaging techniques for single event effet using high energy heavy ions. Based on the high energy heavy ion microbeam facility at HIRFL, we will study the single ion detection and single ion control techniques, heavy ion scintillation emission and single ion scintillation localization. The effects of ion parameters, device properties, and scintillation imaging parameters on the resolution of heavy ion imaging of single event effect will be investigated systematically. Analysis techniques combined with micro/Nanoscopic SEE imaging and the device-preprocessing knowhow will be studied. SEE imaging using scanning microbeam with single ion localization compensation will be developed. The project will make breakthrough in the study of micro/Nanoscopic SEE imaging techniques using high energy heavy ions. Through this project, new experimental technique for SEE study will be developed at HIRFL, The study results will advance the development of radiation hardening technique and single event effect studies, which is important to the space science, national defense security and information security in China.

随着半导体器件技术的发展，现有高能重离子单粒子效应成像技术已经无法满足抗辐射加固技术和基础研究对单粒子效应成像的分辨率要求。本项目将瞄准高能重离子单粒子效应微纳成像技术中的关键问题，提出基于HIRFL微束实验平台开展单离子探测和控制技术研究，重离子荧光发射和单离子荧光定位技术研究，模拟计算和实验测量离子参数、器件参数、荧光显微成像技术对高能重离子成像分辨率的影响，研究适用于离子荧光微纳成像的单粒子效应分析方法和器件预处理关键技术，研究具有离子精确位置修正的微束扫描单粒子效应成像方法，突破高能重离子单粒子效应微纳成像技术中的关键点。项目的开展将发展HIRFL的实验新技术，促进我国抗辐射加固技术研究与单粒子效应机理研究进展，对我国的空间科学、国防安全和信息安全具有重要的意义。

现有高能重离子单粒子效应成像技术已经无法满足抗辐射加固技术和单粒子效应机理研究对新型半导体器件的单粒子效应成像的分辨率要求。本项目提出基于HIRFL微束实验平台开展高能重离子单粒子效应微纳成像技术研究。项目结合HIRFL微束装置和束流参数特点开展了微束束流光学模拟和束流净化技术研究，大幅提高了单离子束流的控制准确度，成功实现了高磁刚度（2.65 T·m）、长射程（硅中射程10 mm）的高能C单离子微秒开关技术。利用建成的单离子显微荧光成像系统测试了多种能量的C、Ne和Kr离子在晶体、薄膜、液体荧光材料中的荧光发射与光子收集效率，实现了不同能量和LET的单离子荧光的高效高速显微成像。结合离子激发荧光及离子在固体中能损理论，独立提出了新的单离子荧光光子分布模型和超分辨定位算法，实验得到的单离子荧光定位成像精度达到300 nm。建立了一套芯片底部减薄、上部开盖、去封、组装荧光靶、焊接子板芯片、功能测试的工艺流程。通过将微束扫描辐照系统、数据获取系统与单粒子效应测试系统的信号结合，建成了适用于多种微电子器件的单粒子效应成像系统。发展了多种芯片不同单粒子效应类型（IBIC、SEU、MBU）的检测方法，结合存储器单粒子效应优化错误检测定位并实现自纠错算法。原创性提出单离子定位微纳成像概念并实现技术应用，通过透射离子荧光显微定位与离子在探测器中的电荷收集映射关联，成功获得了离子感生电荷亚微米分布及辐照退变特征。通过高能重离子单粒子效应微纳成像技术研究以及研究目标的实现，HIRFL微束装置建成的单离子辐照、器件微区和大区域单粒子效应成像和单离子定位微纳成像实验系统为我国的重离子辐照效应成像提供了强有力的综合实验平台，保障了航天和国防领域中单粒子效应机理研究和抗辐射加固应用研究。