用于测量纳米器件低能质子单粒子翻转敏感性的试验方法

文档序号:9786078阅读:288来源:国知局
用于测量纳米器件低能质子单粒子翻转敏感性的试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于测量纳米器件低能质子单粒子翻转试验敏感性的方法,属于 空间用元器件抗辐射技术领域。
【背景技术】
[0002] 航天器运行在空间辐射环境,空间单个高能粒子与航天器电子系统用元器件发生 相互作用,可能导致元器件产生单粒子效应,是诱发航天器故障的重要因素之一。
[0003] 随着微电子技术发展,器件特征尺寸发展至纳米级,器件单粒子效应更加敏感。质 子直接电离的LET值最高可达0.45MeV- Cm2/mg,理论上,在重离子加速器辐照试验中,对LET 小于lMeV-cm2/mg的粒子仍能检测到单粒子现象的器件,则质子直接电离可引起单粒子翻 转。国外已有相关试验数据表明低能质子直接电离引起的单粒子翻转截面比高能质子核反 应产物引起的单粒子翻转截面高2个数量级。因此应对纳米器件低能质子单粒子效应进行 地面加速器试验评估。
[0004] 低能质子直接电离效应的试验需LET Bragg峰值附近能量质子,质子加速器不能 直接提供低能质子,需经过降能;目前工程上通常使用金属降能片方法进行降能。如图1所 示为现有技术中质子在硅中LET值和射程随能量变化曲线,在峰值附近,质子能量随入射材 料厚度变化率较大,LET随能量变化率较大,且工程使用的降能片厚度精度工程很难实现 lOOum以下。通过现在常用的金属降能片方法,很难使入射质子在器件有源区(电荷收集有 效区)能量准确达到LET峰值能量。
[0005] 器件单粒子翻转敏感性还与入射质子的角度和方向有关。通常认为平行于沟道宽 度的方向为最劣方向;质子以倾角入射到芯片表面,质子单粒子翻转数可能增加。地面加速 器若要实现模拟空间质子全向入射的环境,需要在低能质子单粒子效应最劣的入射角度和 方向下进行试验。
[0006] 目前已制定了重离子单粒子试验标准方法,如航天行业标准QJ10005《宇航用半导 体器件重离子单粒子效应试验指南》,该标准适用于采用加速器重离子评估器件因空间重 离子引起的单粒子翻转,不适用于评估质子引起的单粒子翻转。已申请受理的专利《一种用 加速器高能质子进行器件质子单粒子试验方法》对评估空间高能质子引起的单粒子试验程 序和方法进行了详细规定,但对能量选择与获得方法、入射方向和角度的选取方法等低能 质子单粒子试验方法要素未有具体描述。空间辐射环境中有大量低能质子,随着微电子技 术的发展到纳米级,器件的单粒子敏感度增加,低能质子引起的单粒子翻转愈来愈显著,需 要建立评估空间低能质子引起的单粒子效应的试验方法。

【发明内容】

[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的上述不足,提供一种用于测量纳米器件低能质 子单粒子翻转试验敏感性的方法,给出了低能质子能量选择与获取、入射角度和方向的选 取的具体实现方法,实现宇航用元器件,尤其是高集成度、小特征尺寸的深亚微米、纳米器 件的低能质子单粒子效应评估,最大程度满足卫星抗辐射加固设计的需求。
[0008] 本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
[0009] 用于测量纳米器件低能质子单粒子翻转敏感性的试验方法,包括如下步骤:
[0010] (1)、选择单粒子试验质子入射方向,具体方法为:
[0011 ]使质子以入射角度α入射器件表面,且质子入射方向在器件表面的投影与器件表 面的一个边平行,获得单粒子翻转截面Α1;仍使质子以入射角度α入射器件表面,改变质子 入射方向,使质子在器件表面的投影与所述器件表面的一个边垂直,获得单粒子翻转截面 Α2,比较Α1与Α2,以单粒子翻转截面高的入射方向,确定为最劣入射方向,即单粒子试验各 能量质子的入射方向;所述单粒子翻转截面为单粒子翻转数与入射质子注量的比值;所述 入射角度α取值在设定值Β1和Β2之间;
[0012] (2)、选择单粒子试验质子入射角度,具体方法为:
[0013] 以步骤(1)确定的单粒子试验质子入射方向,在设定值Β1和Β2之间变化入射角度 α,角度变化步进为S,获得质子在不同入射角度α入射下的单粒子翻转截面,比较所述单粒 子翻转截面,以单粒子翻转截面最高的入射角度作为单粒子试验质子入射角度;
[0014] (3)、选择纳米器件低能质子单粒子试验质子能量范围为〇 · 01~〇 · IMeV;
[0015] (4)、确定获得纳米器件低能质子单粒子试验质子能量范围内的峰值能量Μ所需的 金属降能膜厚度L1和降能空气层厚度L2、L3,具体方法如下:
[0016] (a)、得到使福射源初始质子通过金属降能膜降能至2~3MeV时金属降能膜的厚度 L1,并使辐射源初始质子降能至2~3MeV;
[0017] (b)、得到使能量为2~3MeV质子通过空气层降能至0.2~0.3MeV时空气层的厚度 L2,并使质子能量从2~3MeV降能至0.2~0.3MeV;
[0018] (c)、以逐步增加或减少空气层厚度,同时检测比较单粒子翻转截面的方法获得降 能空气层厚度L3,具体为:空气层厚度步进小于300um,调整过程中空气层厚度变化不小于 3.5mm,在各空气层厚度步进下检测单粒子翻转,获得单粒子翻转截面,以单粒子翻转截面 最大时对应的空气层厚度,为质子到达峰值能量Μ所需的降能空气层厚度L3;
[0019] (5)、在步骤(3)确定的单粒子试验质子能量范围内,除峰值能量Μ外选择不少于四 种能量的质子,根据步骤(4)中确定的峰值能量Μ对应的金属降能膜厚度L1和降能空气层厚 度L2、L3,获得上述不少于四种能量的质子分别对应的金属降能膜厚度L1'和降能空气层厚 度L2,、L3,;
[0020] (6)、选择单粒子试验的质子注量率为5 X 107~5 X 108个质子数/cm2. S;
[0021] (7)、根据步骤(1)~(6)确定的质子入射方向、入射角度α、质子能量范围、峰值能 量Μ及对应的金属降能膜厚度L1和降能空气层厚度L2、L3;不少于四种能量及对应的金属降 能膜厚度L1'和降能空气层厚度L2 '、L3 '以及质子注量率进行纳米器件低能质子单粒子翻 转试验。
[0022] 在上述用于测量纳米器件低能质子单粒子翻转敏感性的试验方法中,步骤(2)中 角度变化步进S不大于5°。
[0023] 在上述用于测量纳米器件低能质子单粒子翻转敏感性的试验方法中,步骤(1)、 (2)中试验质子能量范围为10~50MeV。
[0024] 在上述用于测量纳米器件低能质子单粒子翻转敏感性的试验方法中,步骤(1)中 入射角度α取值为45° -65°间的任一角度;所述步骤(2)中入射角度α在45° -65°之间变化。
[0025] 在上述用于测量纳米器件低能质子单粒子翻转敏感性的试验方法中,步骤(4)中 金属降能I吴为错月旲。
[0026] 在上述用于测量纳米器件低能质子单粒子翻转敏感性的试验方法中,步骤(4)中 质子峰值能量Μ为0.06~0.07MeV。
[0027] 在上述用于测量纳米器件低能质子单粒子翻转敏感性的试验方法中,步骤(5)中 不少于四种能量的质子对应的金属降能膜厚度L1'取值与峰值能量Μ对应的金属降能膜厚 度L1相同;降能空气层厚度L2 '取值与峰值能量Μ对应的降能空气层厚度L2相同;降能空气 层厚度L3'的确定方法如下:
[0028] 在空气层厚度L3的基础上调整空气层厚度,获得不少于四个不同质子能量下的单 粒子翻转截面,满足:其中至少2个质子能量下的单粒子翻转截面与质子峰值能量Μ下测量 的单粒子翻转截面相差不大于50%,至少2个质子能量下的单粒子翻转截面与质子峰值能 量Μ下测量的单粒子翻转截面相差大于50%,此时不少于四个不同质子能量分别对应的空 气层厚度即为降能空气层厚度L3'。
[0029] 在上述用于测量纳米器件低能质子单粒子翻转敏感性的试验方法中,步骤(4)的 (c)中,空气层厚度步进为100~200um,空气层厚度变化为3.5~4.0mm。
[0030] 本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
[0031] (1)、本发明提出的纳米器件低能质子单粒子翻转试验方法,与现有技术中采用加 速器高能质子进行器件质子单粒子试验方法相比,给出了低能质子能量选择与获取、入射 角度和方向的选取等的具体实现方法,实现宇航用元器件,尤其是高集成度、小特征尺寸的 深亚微米、纳米器件的低能质子单粒子效应评估,最大程度满足卫星抗辐射加固设计的需 求;
[0032] (2)、本发明考虑入射质子方向与器件沟道宽度的方向的相关性,给出了进行低能 质子单粒子试验时的质子入射方向、入射角度的选取方法和确定原则;同时给出了金属膜 粗调降能和空气层精调降能结合的质子能量选择和获取方法,通过获取金属膜层厚度和降 能空气层厚度,从而获得低能质子单粒子试验所需能量,为后续开展单粒子试验提供了准 确的依据;
[0033] (3)、本发明合理选取单粒子试验质子能量范围,峰值能量以及其余的能量数值, 在获取质子能量的过程中,合理优化设计空气层厚度步进以及空气层厚度变化范围,精确 获取低能质子单粒子试验所需能量对应的金属降能膜厚度和降能空气层厚度,为后续单粒 子试验的开展提供进一步保证,最大程度满足卫星抗辐射加固设计的需求。可用于对纳米 级器件的低能质
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