CN108008289B - 一种器件质子单粒子效应截面的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种器件质子单粒子效应截面的获取方法，所述方法包括：对器件进行重离子单粒子效应实验，获取重离子单粒子效应截面实验数据；对实验数据利用威布尔函数进行拟合，得到拟合后的重离子单粒子效应截面函数；构建包含多层金属布线层的器件结构，利用蒙特卡洛粒子输运模拟计算能量为E的质子与材料发生核反应，在器件硅区处产生LET为L的次级粒子概率p(E_P，L)，进一步计算积分概率函数P(E_P，L)；对重离子单粒子效应截面函数和质子积分概率函数的乘积积分，计算器件质子单粒子效应截面。本发明能够实现对器件抗质子单粒子能力的评价，具有物理概念清晰，数据结果精度高的特点。

Description

一种器件质子单粒子效应截面的获取方法

技术领域

本发明涉及一种器件质子单粒子效应截面的获取方法，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

航天器运行的空间天然辐射环境主要由质子、重离子和电子等组成。这些辐射作用于航天器电子系统，会引起器件性能的退化或损伤，从而导致航天器出现故障甚至失效，严重影响在轨航天器的可靠性和寿命。其中单个高能粒子入射与器件灵敏区相互作用产生的瞬时扰动或永久性损伤称为单粒子效应，单粒子效应是当今空间卫星电子系统面临的最主要的威胁之一。

空间辐射环境中，质子和重离子是产生单粒子效应的两个主要来源，其中重离子通过直接电离在器件的灵敏体积内沉积能量，质子主要通过核反应产生次级粒子的电离沉积能量。基于地面重离子、质子加速器开展器件单粒子效应实验，获取器件单粒子效应截面与重离子LET值、质子能量的变化曲线，是目前国际上考核评估器件抗单粒子能力的主要手段。国内目前具备两台可用于单粒子效应实验的重离子加速器，能够满足我国器件重离子单粒子实验研究和考核评估的需求。在质子单粒子效应研究和考核评价方面，申请号为2013105709560，发明名称为“一种用加速器高能质子进行器件质子单粒子效应试验的方法”，及申请号为2012103595734，发明名称为“一种测验器件抗质子单粒子效应能力的方法”的两篇发明专利均给出了利用中高能质子加速器开展器件质子单粒子效应试验，获取质子单粒子效应截面的方法。但由于我国长期缺乏可用于质子单粒子效应研究的中高能质子加速器，在中高能质子单粒子效应物理机理和抗辐射能力评价方面与国际相比严重滞后，基于质子加速器开展星用器件抗质子单粒子考核评价目前存在很大的局限性。申请号为2009100855422，发明名称为“一种卫星用器件抗辐射能力的评估方法及其系统”的发明专利，通过对器件重离子单粒子效应截面曲线进行拟合，基于拟合参数获取质子单粒子效应截面与质子能量的表达式，该表达式为一个简单的经验公式，且假设质子与器件材料的反应产物都是硅离子，部分参数需要人为设定，导致获取的质子单粒子效应截面与实际结果存在较大误差，约低估质子单粒子截面约1个量级。

发明内容

本发明的目的是提供一种获取器件质子单粒子效应截面的方法，在器件重离子单粒子效应实验数据获取的基础上，结合模拟计算的质子核反应产生的次级粒子概率函数，在无需开展质子单粒子效应实验的情况下，实现对器件质子单粒子效应截面的获取，为评价器件抗质子单粒子能力提供了支撑，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器件质子单粒子效应截面的获取方法，包括以下步骤：

步骤一：对待测器件进行重离子单粒子效应实验，获取重离子单粒子效应截面函数；

步骤二：构建器件结构，模拟计算质子与构建器件材料在不同能量下发生核反应产生的次级粒子概率函数；

步骤三：对步骤一获取的重离子单粒子效应截面函数与步骤二得到的次级粒子概率函数的乘积积分，得到待测器件质子单粒子效应截面。

优选地，上述步骤一具体为：

1.1】对待测器件进行重离子单粒子效应实验，获取至少5个LET值下的重离子单粒子效应截面实验数据；

1.2】对步骤1.1】获取的实验数据利用威布尔函数进行拟合，得到拟合后的重离子单粒子效应截面函数σ_ion(L)；

σ_ion(L)＝σ_sat(1-exp{-[(L-L₀)/W]^S}) (1-1)

式中σ_sat为重离子单粒子效应饱和截面；L₀为重离子单粒子效应LET阈值；W为尺度参数；S为形状参数；L为重离子有效LET值。

优选地，上述步骤二具体为：

2.1】构建包含多层金属布线层的器件结构，利用蒙特卡洛粒子输运模拟，计算能量为E_P的质子与构建器件的材料发生核反应后，在构建器件硅区产生LET值为L的次级粒子概率，获取概率函数p(E_P，L)与LET值的关系曲线；

2.2】进一步计算积分概率函数P(E_P，L)，其表达式为：

式中L′是能量为E_P的质子核反应产生的次级粒子LET值。

优选地，上述步骤三中待测器件质子单粒子效应截面的表达式为：

式中：E_P为质子能量，σ_P(E_P)为能量为E_P的质子单粒子效应截面。

本发明的有益效果是：

1、本发明能够在无需开展质子单粒子实验的情况下，得到器件质子单粒子效应截面，实现对器件抗质子单粒子能力的评价，极大节约了实验成本；

2、本发明从质子与器件材料核反应产生次级粒子引发单粒子效应的根本机制出发，结合重离子单粒子效应实验数据获取器件质子单粒子效应截面，物理概念清晰，计算结果与实验数据符合好，具有数据结果精度高的优点；

3、本发明同样适用于对中子单粒子效应截面的获取。

附图说明

图1是本发明一种器件质子单粒子效应截面的获取方法的流程图；

图2是本发明实施例中器件重离子单粒子效应截面；

图3是包含多层金属布线层的器件结构；

图4是本发明实施例中积分概率函数与次级粒子LET值的关系曲线；

图5是本发明实施例中获取的质子单粒子效应截面。

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是本发明一种器件的质子单粒子效应截面获取方法的流程图，结合图1，对本方法进行详细描述。

S1】开展SRAM即静态存储器重离子单粒子效应实验，获取至少5个LET值点的静态存储器重离子单粒子效应截面实验数据；

S2】对静态存储器重离子单粒子效应截面实验数据进行威布尔函数拟合，获取拟合后的重离子单粒子效应截面函数σ_ion(L)，见图2，横坐标为重离子有效LET值L；

其表达式为：

σ_ion(L)＝1.5×10^-7(1-exp{-[(L-3)/65]^1.4}) (1-4)

其中重离子单粒子效应饱和截面σ_sat＝1.5×10^-7，重离子单粒子效应LET阈值L₀＝3，W＝65，S＝1.4。

S3】依据待测静态存储器纵向材料的工艺信息，构建包含多层金属布线层(如未知，可用二氧化硅层代替)的器件结构，见图3。开展蒙卡粒子输运模拟，计算能量为E_P的质子与构建器件的材料发生核反应，在硅区产生LET值为L的次级粒子的概率，获取概率函数(E_P，L)与LET值的关系曲线。

S4】对概率函数p(E_P，L)与LET值的关系曲线进行反向积分，获取次级粒子积分概率函数P(E_P，L)与LET值的关系。

S5】重复S3】、S4】，可获取不同能量下质子核反应产生的次级粒子积分概率函数与LET的关系曲线，见图4。

S6】将重离子单粒子效应截面函数(公式1-4)和质子次级粒子概率函数的乘积依据公式(公式1-6)进行积分，获取能量为E_P的质子单粒子效应截面，最终获取不同能量的质子单粒子效应截面，见图5。

Claims (3)

1.一种器件质子单粒子效应截面的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：对待测器件进行重离子单粒子效应实验，获取重离子单粒子效应截面函数；

步骤二：构建器件结构，模拟计算质子与构建器件材料在不同能量下发生核反应产生的次级粒子概率函数；

步骤三：对步骤一获取的重离子单粒子效应截面函数与步骤二得到的次级粒子概率函数的乘积积分，得到待测器件质子单粒子效应截面；

所述步骤一具体为：

1.1】对待测器件进行重离子单粒子效应实验，获取至少5个LET值下的重离子单粒子效应截面实验数据；

1.2】对步骤1.1】获取的实验数据利用威布尔函数进行拟合，得到拟合后的重离子单粒子效应截面函数σ_ion(L)；

σ_ion(L)＝σ_sat(1-exp{-[(L-L₀)/W]^S}) (1-1)

式中σ_sat为重离子单粒子效应饱和截面；L₀为重离子单粒子效应LET阈值；W为尺度参数；S为形状参数；L为重离子有效LET值。

2.根据权利要求1所述的一种器件质子单粒子效应截面的获取方法，其特征在于：

所述步骤二具体为：

2.1】构建包含多层金属布线层的器件结构，利用蒙特卡洛粒子输运模拟，计算能量为E_P的质子与构建器件的材料发生核反应后，在构建器件硅区产生LET值为L的次级粒子概率，获取概率函数p(E_P，L)与LET值的关系曲线；

2.2】进一步计算积分概率函数P(E_P，L)，其表达式为：

式中L′是能量为E_P的质子核反应产生的次级粒子LET值。

3.根据权利要求2所述的一种器件质子单粒子效应截面的获取方法，其特征在于：

所述步骤三中待测器件质子单粒子效应截面的表达式为：

式中：E_P为质子能量，σ_P(E_P)为能量为E_P的质子单粒子效应截面。