一種用加速器高能質(zhì)子進行器件質(zhì)子單粒子試驗的方法
【專利摘要】一種用加速器產(chǎn)生的高能質(zhì)子進行器件單粒子翻轉(zhuǎn)試驗的方法，包括試驗樣品加工、單粒子試驗板的要求，高能質(zhì)子能量、注量率、注量的選擇要求。隨著集成度提高、特征尺寸減少，大規(guī)模電路的單粒子翻轉(zhuǎn)趨向敏感，質(zhì)子通過核反應或直接電離可引起單粒子翻轉(zhuǎn)。在軌衛(wèi)星發(fā)生了疑似質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)引起的電子系統(tǒng)故障。本方法為在地面開展器件質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)試驗提供了方法。根據(jù)本方法，可以對衛(wèi)星用關鍵器件的質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性進行評估，獲得器件質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)敏感參數(shù)，為衛(wèi)星抗輻射加固設計提供依據(jù)，對保證新一代衛(wèi)星的可靠性有重要意義。
【專利說明】一種用加速器高能質(zhì)子進行器件質(zhì)子單粒子試驗的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用加速器高能質(zhì)子進行器件質(zhì)子單粒子試驗方法，可用于指導對大規(guī)模集成電路質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)敏感性進行評估，為衛(wèi)星設計師選用超大規(guī)模集成電路和進行抗輻射加固設計提供參考數(shù)據(jù)，也為器件研制抗輻照加固器件提供參考數(shù)據(jù)。
【背景技術】
[0002]衛(wèi)星工作在空間輻射環(huán)境中，單粒子效應會引起衛(wèi)星電子系統(tǒng)故障。隨著衛(wèi)星應用發(fā)展，對衛(wèi)星可靠性要求不斷提高。但是，隨著集成度提高、特征尺寸減少，大規(guī)模電路的單粒子翻轉(zhuǎn)趨向敏感，質(zhì)子通過核反應或直接電離可引起單粒子翻轉(zhuǎn)，在軌衛(wèi)星發(fā)生了疑似質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)引起的電子系統(tǒng)故障。
[0003]國內(nèi)外愈來愈重視質(zhì)子引起的單粒子效應。大規(guī)模集成電路空間應用前，需要在地面用加速器產(chǎn)生的高能質(zhì)子進行質(zhì)子單粒子效應輻照試驗，獲得質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，為元器件選用和抗輻射加固設計提供依據(jù)。
[0004]目前已制定了重離子單粒子試驗標準方法，如航天行業(yè)標準QJ10005，該標準適用于采用加速器重離子評估器件因空間重離子引起的單粒子翻轉(zhuǎn)，不適用于評估質(zhì)子引起的單粒子翻轉(zhuǎn)。而空間輻射環(huán)境中，除有重離子，還有質(zhì)子，隨著微電子技術的發(fā)展，器件的單粒子敏感度增加，質(zhì)子引起的單粒子翻轉(zhuǎn)愈來愈顯著，需要建立評估空間質(zhì)子引起的單粒子效應的試驗方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的技術解決問題是:克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種用加速器高能質(zhì)子進行器件質(zhì)子單粒子試驗的方法。實現(xiàn)了衛(wèi)星用大規(guī)模器件質(zhì)子單粒子效應的評估，最大程度滿足衛(wèi)星抗輻射加固設計的需求。
[0006]本發(fā)明的技術解決方案是:
一種用加速器產(chǎn)生的高能質(zhì)子進行器件質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)試驗的方法，其特征在于步驟如下:
(1)被試樣品加工
被測器件單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值低于15MeV.cm2/mg，輻照前，樣品必需開帽，使芯片裸露， 被測器件單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值大于15MeV.cm2/mg，輻照前，樣品可不開帽；
(2)單粒子試驗板開發(fā)
被測器件放置在單粒子試驗板上。單粒子試驗板上被測器件周圍不準許放置單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值低于15MeV.cm2/mg的器件，
若試驗板上需要放置單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值低于15MeV.cm2/mg的器件，其與被試器件的距離應足夠遠，大于5cm;
(3)質(zhì)子能量種類選擇
選擇不少于5種能量的質(zhì)子進行試驗；(4)質(zhì)子能量選擇
對于單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值低于〈IMeV.cm2/mg的被試器件，應根據(jù)被試器件芯片表明的鈍化層厚度和金屬化層厚度，采用軟件計算，如TRIM，計算質(zhì)子到達芯片敏感區(qū)后的能量，要求有一種能量的質(zhì)子達到芯片敏感區(qū)的能量在0.7MeV左右，
對于單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值低于>lMeV.cm2/mg的被試器件，選擇至少5種能量的質(zhì)子進行試驗，使得獲得的最大翻轉(zhuǎn)截面與最小翻轉(zhuǎn)截面相差至少I個數(shù)量級以上，建議選擇的質(zhì)子能量范圍覆蓋5~190MeV ；
(5)質(zhì)子注量率選擇
根據(jù)被測器件的單粒子翻轉(zhuǎn)發(fā)生頻度選擇合適的注量率，以便實現(xiàn)檢測系統(tǒng)對發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)有充足的檢測并完成數(shù)據(jù)處理的時間，要求:t^iox t2
其中，tl為器件發(fā)生兩次單粒子翻轉(zhuǎn)的時間間隔，t2為檢測系統(tǒng)完成I次單粒子翻轉(zhuǎn)檢測和數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)記錄所需的時間；
(6)質(zhì)子注量選擇
根據(jù)被測器件的單粒子翻轉(zhuǎn)發(fā)生數(shù)和抗總劑量能力選擇累積注量，質(zhì)子的注量選擇應滿足以下三點:
a.發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)不少于100個，或質(zhì)子總注量達到IO12質(zhì)子/cm2，
b.器件受到的累積總劑量不超過器件的抗總劑量能力；
c.假若器件受的累積總劑量超過器件的抗總`劑量能力，但未達到a的要求，則應更換新的樣品，接著進行輻照，
(7)質(zhì)子單粒子試驗；
對安裝在試驗板上的被試器件，采用選定能量的質(zhì)子進行輻照，記錄每個能量下檢測到的單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)。
[0007]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果是:
(I)本發(fā)明給出了不同器件根據(jù)單粒子敏感程度進行試驗樣品加工的要求，對于單粒子翻轉(zhuǎn)敏感器件，低能質(zhì)子可以引起單粒子翻轉(zhuǎn)，需要采用低能質(zhì)子進行輻照，考慮器件屏蔽材料對質(zhì)子能量有降低作用，對單粒子翻轉(zhuǎn)敏感器件，要求對試驗樣品進行開帽處理。對于采用高能質(zhì)子進行輻照，試驗樣品不需要開帽。
[0008](2)本發(fā)明對試驗板上的非被試器件的單粒子敏感性及布局提出了要求。由于質(zhì)子存在核反應生成的次級產(chǎn)物，和重離子只在輻照面積內(nèi)引起單粒子翻轉(zhuǎn)不同，次級產(chǎn)物射向四周，對四周的器件產(chǎn)生單粒子效應，若周圍的器件單粒子翻轉(zhuǎn)敏感，則周圍器件可因質(zhì)子次級產(chǎn)物引起單粒子翻轉(zhuǎn)，周圍器件的單粒子翻轉(zhuǎn)對被測器件的單粒子翻轉(zhuǎn)的測試產(chǎn)生干擾，因而，要求試驗板上的非被試器件的單粒子不敏感或離被試器件具有足夠的距離。
[0009](3)與現(xiàn)有技術中采用重離子評估器件因重離子引起的單粒子翻轉(zhuǎn)，本發(fā)明是針對空間存在大量高能質(zhì)子而制定采用加速器質(zhì)子進行質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)敏感度評估的方法，為衛(wèi)星抗輻射加固設計提供了重要技術支持。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明流程圖?！揪唧w實施方式】
[0011]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行進一步的詳細描述。
[0012]如圖1所示，本發(fā)明提出了一種用加速器產(chǎn)生的高能質(zhì)子進行器件單粒子翻轉(zhuǎn)試驗的方法，步驟如下:
(1)試驗樣品加工。
[0013]a.如果被試樣品重離子單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值低于15MeV.cm2/mg,福照前,樣品必需開帽，使芯片裸露。
[0014]對于金屬封裝或陶瓷封裝，采用機械法開帽。
[0015]對于塑封器件，采用化學法開帽。
[0016]b.如果被試樣品重離子單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值大于15MeV.cm2/mg,輻照前，樣品不需開帽，直接照射被試器件即可。
[0017](2)試驗板開發(fā)
試驗板含有被測器件及測試電路。要求: a.單粒子試驗板上被測器件周圍不準許放置單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值低于15MeV.cm2/mg的器件。
[0018]b.若試驗板上需要放置單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值低于15MeV.cm2/mg的器件，其與被試器件的距離應足夠遠，至少大于5cm。
[0019](3)質(zhì)子能量種類選擇
選擇不少于5種能量的質(zhì)子進行試驗。
[0020](4)質(zhì)子能量選擇
對于單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值低于〈IMeV.cm2/mg的被試器件，應根據(jù)被試器件芯片表明的鈍化層厚度和金屬化層厚度，采用軟件，如TRIM，計算質(zhì)子到達芯片敏感區(qū)后的能量，要求有一種能量的質(zhì)子達到芯片敏感區(qū)的能量在0.7MeV左右。
[0021]對于單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值低于>lMeV.cm2/mg的被試器件,選擇至少5種能量的質(zhì)子進行試驗，使得獲得的最大翻轉(zhuǎn)截面與最小翻轉(zhuǎn)截面相差至少I個數(shù)量級以上，建議選擇的質(zhì)子能量范圍覆蓋5~190MeV。
[0022]( 5)質(zhì)子注量率選擇
根據(jù)被測器件的單粒子翻轉(zhuǎn)發(fā)生頻度選擇合適的注量率，以便實現(xiàn)檢測系統(tǒng)對發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)有充足的檢測并完成數(shù)據(jù)處理的時間，要求:t^iox t2
其中，tl為器件發(fā)生兩次單粒子翻轉(zhuǎn)的時間間隔，t2為檢測系統(tǒng)完成I次單粒子翻轉(zhuǎn)檢測和數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)記錄所需的時間。
[0023](6)質(zhì)子注量選擇
根據(jù)被測器件的單粒子翻轉(zhuǎn)發(fā)生數(shù)和抗總劑量能力選擇累積注量，質(zhì)子的注量選擇應滿足以下三點:
a.發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)不少于100個，或質(zhì)子總注量達到IO12質(zhì)子/cm2。
[0024]b.器件受到的累積總劑量不超過器件的抗總劑量能力 采用下式計算器件受到的總劑量:D=L 6 X 10_5 X LET X O
D為總劑量，單位為(rad) Si
LET為質(zhì)子的LET,單位為MeV.cm2/mg
O為質(zhì)子注量，單位為/cm2, s
c.假若器件受的累積總劑量超過器件的抗總劑量能力，但未達到a的要求，則應更換新的樣品，接著進行輻照。
[0025]( 7 )質(zhì)子單粒子試驗
對安裝在試驗板上的被試器件，采用選定能量的質(zhì)子進行輻照。記錄每個能量下檢測到的單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)。
[0026]上述說明書、 實施例和數(shù)據(jù)資料提供了對本發(fā)明的可以實現(xiàn)的實施例的結構和作用的完整描述。在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本發(fā)明還可具有多個實施例，因此本發(fā)明的保護范圍不僅僅局限于上述實施例和權利要求之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種用加速器產(chǎn)生的高能質(zhì)子進行器件質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)試驗的方法，其特征在于步驟如下: (1)被試樣品加工 被測器件單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值低于15MeV.cm2/mg,輻照前，樣品必需開帽，使芯片裸露， 被測器件單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值大于15MeV.cm2/mg，輻照前，樣品可不開帽； (2)單粒子試驗板開發(fā) 被測器件放置在單粒子試驗板上，單粒子試驗板上被測器件周圍不準許放置單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值低于15MeV.cm2/mg的器件， 若試驗板上需要放置單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值低于15MeV.cm2/mg的器件，其與被試器件的距離應足夠遠，大于5cm; (3)質(zhì)子能量種類選擇 選擇不少于5種能量的質(zhì)子進行試驗； (4)質(zhì)子能量選擇 對于單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值低于〈IMeV.cm2/mg的被試器件，應根據(jù)被試器件芯片表明的鈍化層厚度和金屬化層厚度，采用軟件計算，如TRIM，計算質(zhì)子到達芯片敏感區(qū)后的能量，要求有一種能量的質(zhì)子達到芯片敏感區(qū)的能量在0.7MeV左右， 對于單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值低于>lMeV.cm2/mg的被試器件，選擇至少5種能量的質(zhì)子進行試驗，使得獲得的最大翻轉(zhuǎn)截面與最小翻轉(zhuǎn)截面相差至少I個數(shù)量級以上，建議選擇的質(zhì)子能量范圍覆蓋5~190MeV ； (5)質(zhì)子注量率選擇 根據(jù)被測器件的單粒子翻轉(zhuǎn)發(fā)生頻度選擇合適的注量率，以便實現(xiàn)檢測系統(tǒng)對發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)有充足的檢測并完成數(shù)據(jù)處理的時間，要求:t^iox t2 其中，tl為器件發(fā)生兩次單粒子翻轉(zhuǎn)的時間間隔，t2為檢測系統(tǒng)完成I次單粒子翻轉(zhuǎn)檢測和數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)記錄所需的時間； (6)質(zhì)子注量選擇 根據(jù)被測器件的單粒子翻轉(zhuǎn)發(fā)生數(shù)和抗總劑量能力選擇累積注量，質(zhì)子的注量選擇應滿足以下三點: a.發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)不少于100個，或質(zhì)子總注量達到IO12質(zhì)子/cm2， b.器件受到的累積總劑量不超過器件的抗總劑量能力； c.假若器件受的累積總劑量超過器件的抗總劑量能力，但未達到a的要求，則應更換新的樣品，接著進行輻照， (7)質(zhì)子單粒子試驗； 對安裝在試驗板上的被試器件，采用選定能量的質(zhì)子進行輻照，記錄每個能量下檢測到的單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)。
【文檔編號】G01R31/28GK103616631SQ201310570956
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月15日 優(yōu)先權日:2013年11月15日
【發(fā)明者】于慶奎, 羅磊, 唐民, 孫毅 申請人:中國空間技術研究院