CN103884926B - 一种脉冲激光等效let计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉冲激光等效LET值的计算方法，该方法由脉冲激光等效LET值定义式及激光强度随入射深度x的衰减规律可知，在线性吸收机制下，每个光子产生一个电子空穴对，对于脉冲激光背部辐照试验方法，考虑芯片背部衬底外表面对脉冲激光能量的反射及芯片衬底的吸收衰减，再考虑正面金属布线和衬底内表面对激光能量的多次振荡反射，则由芯片灵敏区域内累积激光能量最终得到器件灵敏区域内ELET为：本发明准确计算了灵敏区域内部对单粒子效应有贡献的所有脉冲激光能量值，对实现脉冲激光模拟单粒子效应等效LET值的定量计算，及其试验装置和方法的推广具有重要的价值。

Description

一种脉冲激光等效LET计算方法

技术领域

本发明主要涉及脉冲激光模拟单粒子效应试验的等效LET值计算方法，尤其涉及一种主要适用于利用脉冲激光从器件背部辐照进行单粒子效应试验时的脉冲激光等效LET值计算方法，可用于航天、航空及地面电子系统中器件开展脉冲激光单粒子效应试验时使用。

背景技术

单粒子效应的准确、快速测试，是开展抗单粒子效应器件研制及其在空间任务中安全可靠应用的不可或缺的流程。然而，利用高能重离子加速器和质子加速器评估航天用元器件的抗单粒子效应水平时，由于大型试验装置的操作及运行的问题，往往会导致试验的周期和成本均大幅提高，严重时甚至会阻碍器件的正常研制与空间任务的顺利交付。因此，从上世纪90年代后期开始，国际上出现了采用脉冲激光模拟单粒子效应的新技术，能快速、低成本的评估元器件的单粒子效应敏感度。

脉冲激光模拟单粒子效应装置相对大型粒子加速器而言，小巧、便捷，具有快速评估元器件单粒子效应的巨大潜力。研究利用脉冲激光评估航天元器件单粒子效应的关键试验技术和理论方法，能为我国航天工程提供准确、高效和廉价的单粒子效应评价技术，促进国产航天元器件的研制，保障我国航天器长寿命，高可靠的运行。

但是，由于脉冲激光本身与半导体材料的相互作用和重离子的机制不完全相同，且聚焦良好的激光微束在半导体材料中的电离径迹也较重离子大，再加上器件表面的钝化层和金属布线层对激光的衰减和阻隔效应，使得准确计算诱发单粒子效应的脉冲激光能量对应的等效线性能量转移(LET)值，成为制约脉冲激光试验方法在工程中应用的主要技术问题。

虽然，近年来从器件背部进行激光辐照的单粒子效应试验方法已得到了广泛的应用，能够有效规避正面金属布线层的影响。但由于器件硅衬底层对激光的衰减的作用，给直接利用传统方法定量计算等效LET值带来了极大的困难。

在已有的专利申请和文献中，只涉及到了脉冲激光模拟单粒子效应基本的测试系统构成及等效LET值计算原理，如专利号为6967491的美国专利的实施例、专利号为RM2002A000382的意大利专利的实施例及专利申请号为201010162010.7的中国专利等均描述了不同的脉冲激光模拟单粒子效应实施装置，对脉冲激光定量评估模拟单粒子效应方法及等效LET值计算均未给出明晰的说明。国内外关于脉冲激光单粒子效应等效LET值计算方法方面的文章诸如《脉冲激光模拟单粒子效应的等效LET计算》、《器件表面钝化层对脉冲激光等效重离子LET值的影响》及《TheoreticalInvestigation of an Equivalent Laser LET》等虽然给出了等效LET值的基本计算原理方法，同时考虑了非线性吸收机制以及器件正面钝化层的反射和折射等因素影响，但均未给出背部辐照器件方式准确计算脉冲激光等效LET值的方法。

发明内容

本发明要解决的问题在于：针对目前脉冲激光单粒子效应试验过程中，缺乏准确等效LET值计算方法的不足之处，提出了一种能够适用于背部辐照器件方式的脉冲激光等效LET值的计算方法。本发明针对上述问题，提出了针对器件背部辐照进行单粒子效应试验的一种新的脉冲激光等效LET值计算方法。

为解决上述方法问题，本发明提供了一种新的脉冲激光等效LET值的计算方法，该计算方法的步骤包括：

(1)根据脉冲激光等效LET值定义式及激光强度随入射深度x的衰减规律，在线性吸收机制下，每个光子产生一个电子空穴对，则脉冲激光等效重离子ELET值为：

$ELET\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\λ\αE}}_{ion}}{hc\mathrm{\ρ}}{E}_{las}{e}^{-\mathrm{\α}x}=\frac{e_f}{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\αE}}_{las}{e}^{-\mathrm{\α}x}---\left(1\right)$

因此，芯片单粒子效应灵敏区内脉冲激光等效重离子ELET值大小为：

$ELET=\frac{e_f}{\mathrm{\ρ}}\·\frac{\mathrm{\Δ}E}{\mathrm{\Δ}x}=\frac{e_f}{\mathrm{\ρ}l}(1-e^{-\mathrm{\α}l})E_{las}---\left(2\right)$

式中，E_ion为重离子激发一个电子空穴对所需要的能量，λ为脉冲激光波长，h为普朗克常量，c为光速，α为激光在半导体中的吸收系数，E_las为进入芯片单粒子效应灵敏区的有效脉冲激光能量，ρ为入射半导体材料的密度，l为芯片单粒子效应灵敏区厚度，e_f是重离子和脉冲激光产生一个电子空穴对所需能量的比值，

(2)对于脉冲激光背部辐照试验方法，根据芯片背部衬底外表面对脉冲激光能量的反射及芯片衬底的吸收衰减，设定E₀为激光初始入射到芯片表面的能量，R为激光入射芯片背部衬底表面的反射率，α_s为激光在芯片单粒子效应灵敏区中的吸收系数，d为芯片衬底厚度，则进入芯片单粒子效应灵敏区内部的脉冲激光能量为

(3)再根据正面金属布线和衬底内表面对激光能量的多次振荡反射，设定M为激光入射到芯片正面金属布线内表面的反射率，则脉冲激光单次往返经过灵敏区域能量损失为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔE}}_1+{\mathrm{\ΔE}}_2=(1-R)(1-e^{-\mathrm{\α}l})e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{E}_0+(1-R)(1-e^{-\mathrm{\α}l})e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{e}^{-\mathrm{\α}l}{\mathrm{ME}}_0\\ =(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{E}_0\end{array}---\left(3\right)$

则芯片单粒子效应灵敏区内累积激光能量：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}E={\mathrm{\ΔE}}_1+{\mathrm{\ΔE}}_2+......+{\mathrm{\ΔE}}_{2n-1}+{\mathrm{\ΔE}}_{2n}\\ =(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{E}_0+\\ \[(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{E}_0\]{\mathrm{RMe}}^{-2({\mathrm{\α}}_{s}d+\mathrm{\α}l)}+......\\ +\[(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{E}_0\]{\mathrm{\[}{\mathrm{RMe}}^{-2({\mathrm{\α}}_{s}d+\mathrm{\α}l)}\mathrm{\]}}^n\\ =\frac{(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}}{1-{\mathrm{RMe}}^{-2({\mathrm{\α}}_{s}d+\mathrm{\α}l)}}{E}_0\end{array}---\left(4\right)$

(4)最终，得到芯片单粒子效应灵敏区内ELET值大小为：

$ELET=\frac{e_f}{\mathrm{\ρ}}\·\frac{\mathrm{\Δ}E}{\mathrm{\Δ}x}=\frac{e_f}{\mathrm{\ρ}l}\frac{(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}}{1-{\mathrm{RMe}}^{-2({\mathrm{\α}}_{s}d+\mathrm{\α}l)}}{E}_0---\left(5\right)$

式(4)中，n的实际取值大小由芯片响应速度及l+d的大小决定。

所述的脉冲激光的波长λ的取值范围为200nm～2600nm。

所述的芯片衬底材料为半导体芯片材料，包括：硅、砷化镓、碳化硅或氮化镓。

所述的芯片单粒子效应灵敏区厚度取值在0～20μm之间。激光在芯片单粒子效应灵敏区中的吸收系数α_s依据不同的半导体芯片材料选用不同的数值。所述的正面金属布线内表面的反射率M取值在0～1之间。

与现有方法相比，本发明的优点在于：

本发明定量给出了背部辐照试验方式下相对准确的脉冲激光等效LET值计算方法，考虑了脉冲激光在芯片衬底材料中传输过程的能量衰减及累积，分析了器件正面金属布线和衬底内表面对激光多次振荡反射造成的影响，准确计算了灵敏区域内部对单粒子效应有贡献的所有脉冲激光能量值。总之，本发明在等效LET值基本计算原理方法基础上，提出了一种新的适用于背部辐照器件方式的脉冲激光等效LET值的计算方法，对实现脉冲激光模拟单粒子效应等效LET值的定量计算，及其试验装置和方法的推广具有重要的价值。

附图说明

图1是本发明的脉冲激光等效LET值计算方法的实施例的示意图。

具体实施方式

以下结合1064nm皮秒脉冲激光背部辐照三款不同工艺SRAM器件的单粒子翻转效应试验，对本发明的实际等效LET计算方法进行说明。

本发明采用以下计算方法，具体如下：

由脉冲激光等效LET值定义式及激光强度随入射深度x的衰减规律可知，在线性吸收机制下，每个光子产生一个电子空穴对，脉冲激光等效重离子LET(ELET)值为：

$ELET\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\λ\αE}}_{ion}}{hc\mathrm{\ρ}}{E}_{las}{e}^{-\mathrm{\α}x}=\frac{e_f}{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\αE}}_{las}{e}^{-\mathrm{\α}x}---\left(1\right)$

则芯片单粒子效应灵敏区内ELET值大小为：

$ELET=\frac{e_f}{\mathrm{\ρ}}\·\frac{\mathrm{\Δ}E}{\mathrm{\Δ}x}=\frac{e_f}{\mathrm{\ρ}l}(1-e^{-\mathrm{\α}l})E_{las}---\left(2\right)$

式中，E_ion为重离子激发一个电子空穴对所需要的能量，λ为脉冲激光波长，h为普朗克常量，c为光速，α为激光在半导体中的吸收系数，E_las为进入芯片单粒子效应灵敏区的有效脉冲激光能量，ρ为入射半导体材料的密度，l为芯片单粒子效应灵敏区厚度，e_f是重离子和脉冲激光产生一个电子空穴对所需能量的比值，

对于脉冲激光背部辐照试验方法，考虑芯片背部衬底外表面对脉冲激光能量的反射及芯片衬底的吸收衰减，设定E₀为激光初始入射到芯片表面的能量，R为激光入射芯片背部衬底表面的反射率，α_s为激光在芯片单粒子效应灵敏区中的吸收系数，d为芯片衬底厚度，则此时进入芯片单粒子效应灵敏区内部的脉冲激光能量为

再考虑正面金属布线和衬底内表面对激光能量的多次振荡反射，设定M为激光入射到芯片正面金属布线内表面的反射率，则脉冲激光单次往返经过芯片单粒子效应灵敏区能量损失为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔE}}_1+{\mathrm{\ΔE}}_2=(1-R)(1-e^{-\mathrm{\α}l})e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{E}_0+(1-R)(1-e^{-\mathrm{\α}l})e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{e}^{-\mathrm{\α}l}{\mathrm{ME}}_0\\ =(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{E}_0\end{array}---\left(3\right)$

则芯片单粒子效应灵敏区内累积激光能量：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}E={\mathrm{\ΔE}}_1+{\mathrm{\ΔE}}_2+......+{\mathrm{\ΔE}}_{2n-1}+{\mathrm{\ΔE}}_{2n}\\ =(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{E}_0+\\ \[(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{E}_0\]{\mathrm{RMe}}^{-2({\mathrm{\α}}_{s}d+\mathrm{\α}l)}+......\\ +\[(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{E}_0\]{\mathrm{\[}{\mathrm{RMe}}^{-2({\mathrm{\α}}_{s}d+\mathrm{\α}l)}\mathrm{\]}}^n\\ =\frac{(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}}{1-{\mathrm{RMe}}^{-2({\mathrm{\α}}_{s}d+\mathrm{\α}l)}}{E}_0\end{array}---\left(4\right)$

则芯片单粒子效应灵敏区内ELET值大小可计算为：

$ELET=\frac{e_f}{\mathrm{\ρ}}\·\frac{\mathrm{\Δ}E}{\mathrm{\Δ}x}=\frac{e_f}{\mathrm{\ρ}l}\frac{(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}}{1-{\mathrm{RMe}}^{-2({\mathrm{\α}}_{s}d+\mathrm{\α}l)}}{E}_0---\left(5\right)$

其中，式(4)中n的实际取值大小由芯片响应速度及l+d的大小决定。

如图1所示，经过测试，芯片背部衬底表面反射率取值为R＝0.35，衬底硅材料吸收系数α取值为11.6cm^-1。对于波长为1064nm的脉冲激光而言，e_f＝3.6eV/1.17eV＝3.08；ρ为硅衬底的质量密度取为2.33g/cm³。芯片单粒子效应灵敏区厚度l取值为1.2μm，激光在芯片单粒子效应灵敏区中的吸收系数α_s取值为15cm^-1，正面金属布线内表面的反射率M取平均值0.75，代入式(5)计算，得出脉冲激光模拟单粒子翻转效应的能量等效LET值计算结果如表1所示：

表1.具体实施例的结果对比表

从表1中可以看出，采用本发明提出的脉冲激光等效LET值计算方法，得到的ELET阈值与重离子LET阈值基本一致，特别对于工艺尺寸最小的0.13μm器件两者的误差仅不到10％，从单粒子效应试验的不确定度考虑，数据是完全吻合的。

而如果直接从测试得到的翻转阈值能量E₀，依据传统的计算方法，仅仅考虑器件硅衬底表面的反射因素(反射率取值为R＝0.35)，得到的激光等效LET阈值与重离子LET阈值的误差均在20倍以上。主要是没有考虑到器件硅衬底的衰减和激光在器件内部的反射作用，导致计算结果严重偏大的情况。

本发明提到的一种脉冲激光等效LET值计算方法，相对于已有文献和专利报道方法的优点主要体现在，适用于激光从器件硅衬底背部进行辐照试验，综合考虑了器件硅衬底材料对激光能量的衰减作用和多层金属布线对激光的反射作用。在必须使用背部激光辐照试验方法进行单粒子效应测试的场合，利用该计算方法得到的激光等效LET值与重离子LET阈值更趋向于一致。

需要说明的是，脉冲宽度、光斑大小及非线性光学吸收效应等试验影响因素被控制调节到不足以影响以上试验结果。

综上所述，本发明所涉及脉冲激光等效LET值计算方法在准确确定各个计算参数的前提下，能够实现脉冲激光与重离子模拟单粒子效应的等效测试计算。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种脉冲激光等效LET值的计算方法，该计算方法的步骤包括：

(1)根据脉冲激光等效LET值定义式及激光强度随入射深度x的衰减规律，在线性吸收机制下，每个光子产生一个电子空穴对，则脉冲激光等效重离子ELET值为：

$ELET\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\λ\αE}}_{ion}}{hc\mathrm{\ρ}}{E}_{las}{e}^{-\mathrm{\α}x}=\frac{e_f}{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\αE}}_{las}}^{-\mathrm{\α}x}---\left(1\right)$

因此，芯片单粒子效应灵敏区内脉冲激光等效重离子ELET值大小为：

$ELET=\frac{e_f}{\mathrm{\ρ}}\·\frac{\mathrm{\Δ}E}{\mathrm{\Δ}x}=\frac{e_f}{\mathrm{\ρ}l}(1-e^{-\mathrm{\α}l})E_{las}---\left(2\right)$

式中，E_ion为重离子激发一个电子空穴对所需要的能量，λ为脉冲激光波长，h为普朗克常量，c为光速，α为激光在半导体中的吸收系数，E_las为进入芯片单粒子效应灵敏区的有效脉冲激光能量，ρ为入射半导体材料的密度，l为芯片单粒子效应灵敏区厚度，e_f是重离子和脉冲激光产生一个电子空穴对所需能量的比值，

(2)对于脉冲激光背部辐照试验方法，根据芯片背部衬底外表面对脉冲激光能量的反射及芯片衬底的吸收衰减，设定E₀为激光初始入射到芯片表面的能量，R为激光入射芯片背部衬底表面的反射率，α_s为激光在芯片单粒子效应灵敏区中的吸收系数，d为芯片衬底厚度，则进入芯片单粒子效应灵敏区内部的脉冲激光能量为

(3)再根据正面金属布线和衬底内表面对激光能量的多次振荡反射，设定M为激光入射到芯片正面金属布线内表面的反射率，则脉冲激光单次往返经过芯片单粒子效应灵敏区能量损失为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔE}}_1+{\mathrm{\ΔE}}_2=(1-R)(1-e^{-\mathrm{\α}l})e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{E}_0+(1-R)(1-e^{-\mathrm{\α}l})e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{e}^{-\mathrm{\α}l}{\mathrm{ME}}_0\\ =(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{E}_0\end{array}---\left(3\right)$

则芯片单粒子效应灵敏区内累积激光能量：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}E={\mathrm{\ΔE}}_1+{\mathrm{\ΔE}}_2+\mathrm{......}+{\mathrm{\ΔE}}_{2n-1}+{\mathrm{\ΔE}}_{2n}\\ =(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{E}_0+\\ \[(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{E}_0\]{\mathrm{RMe}}^{-2({\mathrm{\α}}_{s}d+\mathrm{\α}l)}+\mathrm{......}\\ +\[(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}{E}_0\]{\[{\mathrm{RMe}}^{-2({\mathrm{\α}}_{s}d+\mathrm{\α}l)}\]}^n\\ =\frac{(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}}{1-{\mathrm{RMe}}^{-2({\mathrm{\α}}_{s}d+\mathrm{\α}l)}}{E}_0\end{array}---\left(4\right)$

(4)最终，得到芯片单粒子效应灵敏区内ELET值大小为：

$ELET=\frac{e_f}{\mathrm{\ρ}}\·\frac{\mathrm{\Δ}E}{\mathrm{\Δ}x}=\frac{e_f}{\mathrm{\ρ}l}\frac{(1-e^{-\mathrm{\α}l})(1+{\mathrm{Me}}^{-\mathrm{\α}l})(1-R)e^{-{\mathrm{\α}}_{s}d}}{1-{\mathrm{RMe}}^{-2({\mathrm{\α}}_{s}d+\mathrm{\α}l)}}{E}_0---\left(5\right)$

式(4)中，n的实际取值大小由芯片响应速度及l+d的大小决定。

2.根据权利要求1所述的脉冲激光等效LET值的计算方法，其特征在于，所述的脉冲激光的波长λ的取值范围为200nm～2600nm。

3.根据权利要求1所述的脉冲激光等效LET值的计算方法，其特征在于，所述的芯片衬底材料为半导体芯片材料。

4.根据权利要求3所述的脉冲激光等效LET值的计算方法，其特征在于，所述的半导体芯片材料，包括：硅、砷化镓、碳化硅或氮化镓。

5.根据权利要求1所述的脉冲激光等效LET值的计算方法，其特征在于，所述的芯片单粒子效应灵敏区厚度取值在0～20μm之间。

6.根据权利要求1所述的脉冲激光等效LET值的计算方法，其特征在于，所述的正面金属布线内表面的反射率M取值在0～1之间。