CN107976594A - 改变重离子布拉格峰深度测试器件单粒子效应截面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过改变重离子布拉格峰深度测试器件单粒子效应截面的方法，包括：计算相同能损时每单位深度降能片材料在硅中的等效深度；依据一定的步长移去放置在器件前的降能片，使布拉格峰逐渐向器件灵敏区移动，LET值和单粒子效应截面达到最大值；依据步长设定继续移去降能片，基于重离子在硅中的LET值随穿透深度的变化曲线，读取器件灵敏区处相应的LET值；绘制在该重离子时的单粒子效应截面与LET值的关系曲线。该方法实现对倒封器件、背面减薄等新型器件单粒子效应截面的获取，弥补了低能重离子加速器能量低、射程不足带来的影响，并可通过试验准确获取器件单粒子效应阈值，为准确评价器件抗单粒子能力提供了一种有效的试验方法。

Description

改变重离子布拉格峰深度测试器件单粒子效应截面的方法

技术领域

本发明涉及一种改变重离子布拉格峰深度测试器件单粒子效应截面的方法,属于空间单粒子效应模拟试验技术及加固技术研究领域。

背景技术

空间辐射环境下，重离子、质子导致航天器电子系统中的半导体器件发生单粒子效应，严重影响航天器在轨可靠性。地面模拟单粒子效应最常用的手段是利用加速器产生的重离子辐照半导体器件，获取器件单粒子效应截面与LET值的关系曲线并进行拟合，提取单粒子效应阈值、饱和截面等重要参数，从而进行器件抗单粒子能力的评价。

地面重离子单粒子效应辐照装置中，回旋和同步加速器具有能量高、射程长的优点，但更换离子种类耗时，通常一次试验周期只能测试一个重离子LET值点的单粒子效应截面，难以获取器件单粒子效应阈值，准确评价器件抗单粒子能力。

重离子单粒子效应截面曲线的获取通常依赖于低能重离子加速器，实验中需选择5个以上重离子LET值点测试器件重离子单粒子效应截面，然后对数据进行威布尔拟合，提取相关参数。由于低能重离子加速器离子能量低，射程有限，因此试验时必须对器件进行开封处理，增大了器件的损伤概率，对一些数量少、价格高的抗辐照器件来说极大增加了成本。同时，由于离子射程有限，在器件灵敏区上方多层金属布线层的影响下，入射器件表面的离子LET值和到达器件灵敏区的LET值通常并不一致，还需在掌握多层金属布线层材料和厚度信息的基础上对灵敏区LET值进行计算，而这种信息通常难以获取，因此对测试结果的精度带来了较大影响。另一方面，随着器件集成度的提高，封装时采用了倒封工艺，这样难以从正面对器件开封测试，还有一些类型器件正面有大量金属线的阻挡，试验时离子难以从正面穿透进行效应测试。替代的方法是对器件从背面开封，然后对硅衬底进行减薄，在保证不破坏器件性能的前提下，通常将硅衬底减薄到厚度50微米左右开展单粒子效应试验。但由于低能重离子射程有限，特别是对于高LET值高原子序数的重离子，仅能刚刚达到在硅中30微米的射程要求，难以满足背面开封器件的单粒子效应试验需求。

申请号为201010624396.9，名称为“一种脉冲激光单粒子翻转截面的实验方法”的专利，给出了一种利用脉冲激光获取单粒子翻转截面的方法，申请号为200710177960.5，名称为“获取单粒子现象截面与重离子线性能量转移关系的方法”的专利，给出一种至少选择5种以上LET值重离子获取单粒子效应截面与重离子LET值关系的方法。这两个专利均未涉及利用单一种类高能重离子获取多个LET值的器件单粒子效应截面的方法。

因此，随着器件技术的发展，充分利用高能重离子加速器，针对倒封、未开封或背面减薄等器件有效获取器件单粒子效应截面，准确获取单粒子效应阈值，对于科学评价器件抗单粒子能力尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过改变重离子布拉格峰深度测试器件单粒子效应截面的方法，在单一离子种类和能量条件下，获取器件在多个LET值点的单粒子效应截面，实现对器件抗重离子单粒子能力的准确评价，弥补了现有技术的不足。

本发明的技术解决方案是提供一种改变重离子布拉格峰深度测试器件单粒子效应截面的方法，包括以下步骤：

步骤一：结合重离子在硅中的LET值随穿透深度的变化曲线与重离子穿过降能片后在硅中的LET值随穿透深度的变化曲线，计算相同能损时每单位厚度降能片在硅中的等效深度；

步骤二：通过改变待测器件前降能片的厚度，调整重离子布拉格峰在器件中的深度，改变器件灵敏区处的重离子LET值，结合步骤一中的等效深度及重离子在硅中的LET值随穿透深度的变化曲线，获取在单一离子种类和能量条件下，待测器件在多个LET值点的单粒子效应截面。

优选地，上述步骤一具体为：

1.1、选择入射重离子种类和能量，考虑能散，计算该重离子在硅中的LET值随穿透深度的变化曲线，记下此时布拉格峰的深度位置d1；

1.2、在硅前插入一定厚度d的降能片，计算重离子穿过降能片后在硅中的LET值随穿透深度的变化曲线，记下此时布拉格峰的深度位置d2；

1.3、计算相同能损时每单位厚度降能片在硅中的等效深度β＝(d1-d2)/d。

优选地，上述步骤二具体为：

2.1、将待测器件放置在束线上，待测器件前放置足够厚度的降能片，阻止重离子到达器件引起单粒子效应；

2.2、依据设定的步长Δt逐渐移去降能片，使步骤1.1中重离子在硅中的LET值随穿透深度的变化曲线中的布拉格峰逐渐从待测器件表面向内部灵敏区移动，检测单粒子效应，当单粒子效应达到最大值时，计算此时待测器件的单粒子效应截面，此时对应的LET值为布拉格峰处的LET值，也为该重离子能量条件下LET值的最大值；

2.3、依据步长设定，继续移去Δt厚度的降能片材料，使重离子布拉格峰超过器件灵敏区向器件深处移动，此时器件灵敏区处的LET值减小，单粒子效应截面开始降低；根据移去降能片的厚度及步骤1.3计算得到的相同能损时每单位厚度降能片在硅中的等效深度β，计算当移去Δt厚度的降能片时，重离子布拉格峰在器件硅中移动的等效深度βΔt，即布拉格峰距离器件灵敏区的距离；基于步骤1.1重离子在硅中的LET值随穿透深度的变化曲线，读取距布拉格峰位置βΔt处时的重离子LET值，即为此时器件灵敏区处的重离子LET值；

2.4、重复步骤2.3，随着重离子布拉格峰不断向器件深处移动，器件灵敏区处的LET值不断减小，单粒子效应截面逐渐降低；此时灵敏区处重离子LET值参照前一个获取的LET值点，依据步骤2.3中的方法依次类推，直到待测器件不出现单粒子效应或效应截面到达最小值则停止该重离子条件下的辐照测试；

2.5、绘制在该重离子时的单粒子效应截面与LET值的关系曲线。

优选地，如该重离子条件下不足以覆盖完整的器件单粒子效应截面曲线，选择其它离子种类，重复上述1.1-2.5步骤。

优选地，根据加速器能量的高低，可选择铝、铜、高密度聚乙烯等材料作为降能片。

本发明的有益效果是：

1、解决了高能重离子加速器一次实验周期只能获取一个LET值下器件单粒子效应截面数据的局限性，可在一定LET值范围内获取器件单粒子效应截面曲线，极大提高了高能重离子加速器在单粒子效应试验中的利用效率；

2、当加速器能量足够高时，可对器件不开封即能完成测试，减少对器件的损伤；

3、对实现对倒封器件、背面减薄等新型器件单粒子效应截面的获取，弥补了低能重离子加速器能量低、射程不足带来的影响；

4、无需掌握器件多层金属布线层的信息就能获取准确的器件灵敏区LET值，可通过试验准确获取器件单粒子效应阈值。

附图说明

图1是本发明一种改变重离子布拉格峰深度获取器件单粒子效应截面的测试方法流程图；

图2本发明实施例中改变重离子布拉格峰深度测试器件单粒子效应截面的试验布局图；图中：1-支架，2-束线，3-样品，4-辐照板；

图3是本发明实施例中改变重离子布拉格峰深度测试器件单粒子效应截面的原理图；

图4是本发明实施例中获取的单粒子效应截面曲线。

具体实施方式

下面以某静态存储器电路为例，结合附图对本发明具体实施方式进行阐述，以下示例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明一种改变重离子布拉格峰深度测试器件单粒子效应截面的方法的流程图，结合图1，对本方法进行详细描述。

S1】基于兰州重离子回旋加速器选取Kr离子，能量2100MeV，每核子能量25MeV，计算Kr离子在硅中LET值随穿透深度的变化曲线，记录布拉格峰值的深度位置d1为312微米。

S2】在硅前插入一定厚度降能片，根据加速器能量的高低，可选择铝、铜、高密度聚乙烯等材料作为降能片，这里选择插入铝降能片，厚度d为20微米，重新计算Kr离子穿过铝降能片后在硅中LET值随穿透深度的变化曲线，记录布拉格峰的深度位置d2为307微米。

S3】计算相同能损时每单位深度降能片在硅中的等效深度β＝(d1-d2)/d＝(312-307)/20＝0.25，即当添加或移除每微米的铝降能片时，Kr离子布拉格峰在硅中的深度将减小或增加0.25微米。

S4】图2为通过改变重离子布拉格峰深度测试器件单粒子效应截面的试验布局图。将开封去盖器件放置在束线上，器件前放置足够厚度的铝降能片阻挡重离子到达器件引起单粒子效应。由于能量为2100MeV的Kr离子在铝中的射程为295微米，因此这里放置厚度300微米的降能片。为便于试验，设计两个可旋转的圆盘形支架1，每个支架由10个卡槽，可放置不同厚度的铝箔，通过组合，实现0到300微米不同降能片厚度的获取，步长20微米。需要说明的是，当重离子加速器能量足够高时，在硅中射程可达几个毫米，器件可不开封直接进行辐照测试。

S5】图3为通过改变重离子布拉格峰深度测试器件单粒子效应截面的原理图。选择步长20微米，依次按步长移去降能片，使步骤S1】中Kr离子在硅中LET值随穿透深度的变化曲线中的布拉格峰逐渐到达器件表面并向器件内部灵敏区移动，出现单粒子效应，并迅速达到最大值，记录此时单粒子效应数和离子注量，计算器件第一个单粒子效应截面，此时器件灵敏区处对应的LET值为布拉格峰处的LET值。

S6】依据步长继续移去降能片，此时Kr离子布拉格峰将超过器件灵敏区自左向右向器件深处移动，见图3，器件灵敏区处的LET值降低，器件单粒子效应截面开始减小。根据移去降能片的厚度及步骤S3】计算的相同能损时每单位厚度降能片在硅中的等效深度0.25，当移去20微米的降能片时，此时等效于布拉格峰深度在器件硅中向右移动了5微米，即布拉格峰距离器件灵敏区5微米。基于步骤S1】中Kr离子在硅中LET值随穿透深度的变化曲线中，读取距布拉格峰5微米处时的LET值，即为此时器件灵敏区的重离子LET值。

S7】重复步骤S6】，重离子布拉格峰不断向器件深处移动，器件灵敏区处的LET值不断减小，单粒子效应截面逐渐降低。此时灵敏区处重离子LET值参照前一个获取的LET值点，依据步骤S6】中的方法依次类推，直到待测器件不出现单粒子效应或效应截面到达最小值则停止该重离子条件下的辐照测试。绘制在该重离子时的单粒子效应截面与LET值的关系曲线，见图4，Kr离子LET值范围从18.8-40.8MeV.cm²/mg。

S8】如该重离子条件下不足以覆盖器件单粒子效应整个截面曲线，可选择其它离子种类，重复步骤S1】到S7】。对于加固器件，通常1-2种重离子就可绘制一条完整曲线，对于非加固器件，通常需要3种不同重离子绘制完整的单粒子效应截面曲线，见图4。

Claims (5)

1.一种改变重离子布拉格峰深度测试器件单粒子效应截面的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：结合重离子在硅中的LET值随穿透深度的变化曲线与重离子穿过降能片后在硅中的LET值随穿透深度的变化曲线，计算相同能损时每单位厚度降能片在硅中的等效深度；

步骤二：通过改变待测器件前降能片的厚度，调整重离子布拉格峰在器件中的深度，改变器件灵敏区处的重离子LET值，结合步骤一中的等效深度及重离子在硅中的LET值随穿透深度的变化曲线，获取在单一离子种类和能量条件下，待测器件在多个LET值点的单粒子效应截面。

2.根据权利要求1所述的改变重离子布拉格峰深度测试器件单粒子效应截面的方法，其特征在于：

所述步骤一具体为：

1.1、选择入射重离子种类和能量，考虑能散，计算该重离子在硅中的LET值随穿透深度的变化曲线，记下此时布拉格峰的深度位置d1；

1.2、在硅前插入一定厚度d的降能片，计算重离子穿过降能片后在硅中的LET值随穿透深度的变化曲线，记下此时布拉格峰的深度位置d2；

1.3、计算相同能损时每单位厚度降能片在硅中的等效深度β＝(d1-d2)/d。

3.根据权利要求2所述的改变重离子布拉格峰深度测试器件单粒子效应截面的方法，其特征在于：

所述步骤二具体为：

2.1、将待测器件放置在束线上，待测器件前放置足够厚度的降能片，阻止重离子到达器件引起单粒子效应；

2.2、依据设定的步长Δt逐渐移去降能片，使步骤1.1中重离子在硅中的LET值随穿透深度的变化曲线中的布拉格峰逐渐从待测器件表面向内部灵敏区移动，检测单粒子效应，当单粒子效应达到最大值时，计算此时待测器件的单粒子效应截面，此时对应的LET值为布拉格峰处的LET值，也为该重离子能量条件下LET值的最大值；

2.3、依据步长设定，继续移去Δt厚度的降能片材料，使重离子布拉格峰超过器件灵敏区向器件深处移动，此时器件灵敏区处的LET值减小，单粒子效应截面开始降低；根据移去降能片的厚度及步骤1.3计算得到的相同能损时每单位厚度降能片在硅中的等效深度β，计算当移去Δt厚度的降能片时，重离子布拉格峰在器件硅中移动的等效深度βΔt，即布拉格峰距离器件灵敏区的距离；基于步骤1.1重离子在硅中的LET值随穿透深度的变化曲线，读取距布拉格峰位置βΔt处时的重离子LET值，即为此时器件灵敏区处的重离子LET值；

2.4、重复步骤2.3，随着重离子布拉格峰不断向器件深处移动，器件灵敏区处的LET值不断减小，单粒子效应截面逐渐降低；此时灵敏区处重离子LET值参照前一个获取的LET值点，依据步骤2.3中的方法依次类推，直到待测器件不出现单粒子效应或效应截面到达最小值则停止该重离子条件下的辐照测试；

2.5、绘制在该重离子时的单粒子效应截面与LET值的关系曲线。

4.根据权利要求3所述的改变重离子布拉格峰深度测试器件单粒子效应截面的方法，其特征在于：

如该重离子条件下不足以覆盖完整的器件单粒子效应截面曲线，选择其它离子种类，重复上述1.1-2.5步骤。

5.根据权利要求1-4任一所述的改变重离子布拉格峰深度测试器件单粒子效应截面的方法，其特征在于：所述降能片为铝、铜或高密度聚乙烯材料。