重离子单粒子效应实验研究.docx

重离子单粒子效应实验研究路秀琴符长波张新郭继宇赵葵(中国原子能科学研究院 北京102413)林云龙蔡金荣韩建伟（中国科学院空间科学与应用研究中心黄建国北京 100080）摘要 在 hi-13 串列加速器上建立了对微电子器件进行单粒子效应模拟实验的辐照和检测技术。利用该 q3d磁谱仪获得种类和能量单一、强度分布均匀且足够弱的重离子辐照源，利用散射室内的半导体探测器和焦面 上的位置灵敏半导体探测器监测辐照离子。用该装置和技术测量了在 8 个传能线密度(let) 值的重离子辐照 下引起的几个存储器器件的单粒子翻转(seu)截面o(l)。从测得的o(l)let 曲线，结合空间重离子和质子辐 照环境模型以及离子与微电子器件相互作用模型计算，预言了器件在空间的单粒子翻转率。关键词 串列加速器，单粒子效应，传能线密度中图分类号 o571.33空间辐射环境引起的微电子器件单粒子效应（see）是航天器工作异常和故障的重要原因之一。 利用人工辐射源进行地面 see 实验研究是空间抗 辐射加固的重要组成部分。用加速器提供的重离子 束模拟空间辐射环境，辐照微电子器件，测量其单 粒子翻转（seu）或单粒子锁定(sel)截面随传能线 密度(let)变化关系曲线(o(l)l)，是单粒子效应 (see)各项研究的基础。尤其在预估空间 see 率等 参数中它是必不可少的因素。这是由于在带电粒子 进入器件后所产生的电荷总数以及在器件灵敏体积 内收集的电荷总数与入射离子在该体积内损失的能 量成正比，而损失的能量与该离子在其穿过的介质 中的传能线密度(let)直接相关。实验上测量器件翻 转几率随辐照重离子的 let 变化的关系曲线，可以 从中提取器件的 seu 临界电荷和饱和 seu 截面, 进而预言器件在空间的 seu 率。o(l)l 曲线测量 的精度直接影响空间 seu 率预估的精度，也就影响 到器件的设计。过高的估计 see 率会造成不必要的 浪费，而过低的估计又会使抗辐射设计失败以致造 成严重后果。地面模拟实验测量 o(l)l 曲线要求的辐照 条件： 模拟辐照离子有足以穿过灵敏体积的能 量，并能被准确测定； let 值覆盖 2 100mev/mgcm-2 的范围，并能被准确测定； 准确测定辐照离子数。为了开展 see 研究，美国在brookhaven 的串列静电加速器上建立了专门供 see研究的实验设备。为了检验该设备的能量和 let 值 的准确性，zajic 等1还专门设计了诊断设备并进行 了实验。国内目前尚无供 see 加速器模拟实验研究 的专用设备。中国原子能科学研究院的 hi-13 串列 加速器提供的束流，基本上符合上述条件，束流品 质与 brookhaven 的串列静电加速器相当，只是能量 比它稍低，是目前国内最适于用作重离子 seu 的 o(l)l 曲线测量的一台加速器。在该加速器上已 经作过几个 see 方面的实验。本文介绍利用 hi-13 串列加速器上的 q3d 磁谱仪获得单一种类具有 高的能量分辨率且强度分布均匀的辐照重离子的技 术和准确地监测辐照离子的各参数以精确地获得翻 转截面的方法。1辐照技术在 hi-13 串列加速器实验室的 q3d 磁谱仪上建 立的单粒子效应模拟实验装置的示意图如图 1 所 示。重离子束通过薄 197au 靶散射后，经过 q3d 磁 谱仪的动量分析，再辐照样品。将受照样品置于 q3d 磁谱仪探测器室的焦面上，与焦面呈 45 角， 使离子垂直入射。样品前面放置由铝箔制成的光栏， 从探测器室外操纵样品的移动，使样品逐一受照。国家自然科学基金(19975076)资助项目第一作者：路秀琴，女，1943 年 12 月出生，1967 年毕业于北京大学核物理专业，研究员 收稿日期：2002-05-08，修回日期：2002-12-11272核技术第 26 卷图 1 单粒子效应辐照装置示意图fig.1 schematic diagram of the experimental arrangement for see test在散射室中的半导体探测器和在 q3d 谱仪探测器室内的焦面上的位置灵敏半导体探测器用来监测辐 照离子的能量、注量和注量率及均匀性。记录器件 单粒子翻转的测量仪器也置于探测器室中。在 see 模拟实验中，为模拟空间辐射环境，一般要求辐照粒子有低的注量率。国外供 see 研究的 专用设备都是将加速器束流经过一定的电磁扫描及 散焦，以得到注量率低,而且强度分布均匀的辐照离 子2。在没有这样设备的情况下，我们用离子束在197au 靶上的二次散射来降低流强。为了获得尽量高 的辐照能量，一般利用前角区(30)的散射离子辐照 样品。但在前角区反冲金离子也包括在散射粒子中， 尤其是中重以上的离子，金离子的反冲不容忽视。而且，散射角越靠前，反冲金离子的截面越大。这 就使辐照离子的种类和能量均不单一，即 let 值不 单一。为了避免此问题，我们采用 q3d 磁谱仪的磁 偏转将反冲金离子及其它杂散粒子偏掉，获得单一种类的辐照离子。q3d 磁谱仪高分辨特性及较高的 运动学修正能力，辐照离子能量的单色性大大提高。对 q3d 磁谱仪多极磁场进行散焦，使辐照离子流强度足够弱并且分布均匀。通过转动谱仪的角度或控 制多极磁场的散焦参数获得需要的辐照强度。对于 cu 以及更重的离子，将谱仪角度减小到 15 。采用 更前角区的散射离子，是为了提高辐照离子的能量，使辐照离子穿透器件的灵敏层。表 1 给出用上述方法获得的八种辐照离子的能 量、let 值和在 si 中的射程。其中辐照能量是从两 体反应的运动学计算得来的。let 值是 trim 程序 的计算结果3。zajic 等的实验结果表明，trim 程 序的计算结果与测量值相差 2% 6%。我们用它作 为用 trim 程序计算得到 let 值的误差参考。图 2 中给出了 170mev 的 br 离子在 15处从au 靶散射的能谱，其中(a)在散射室内的探测器测 得的典型能谱，1 号峰对应的是散射离子 br， 2 号 峰是反冲离子 au。(b)是在 q3d 磁谱仪焦面上的位 置灵敏半导体探测器测得的能谱。可见只有散射 br 离子的峰，反冲 au 已被偏掉。使离子纯度达到100%。表 1 hi-13 重离子辐照参数parameters of heavy ions from hi-13 tandemtable 1离子ions束流能量energy of beam / mev散射角度angle /（）辐照能量irradiation energy / mev传能线密度l / mevcm2mg-1射程range / mc o f si clcubri505060112100130170230303030303015151549.248.958.5107.895.4127.2165.4220.12.34.65.510.015.433.540.061.26236363825202324第 4 期路秀琴等：重离子单粒子效应实验研究273等样品。芯片样品经过开帽处理。辐照离子的各参数如表 1 所示。用上述辐照装置和监测技术测量了 这些芯片在 8 个 let 值的重离子辐照下的单粒子翻 转截面。对测得的单粒子翻转截面随辐照重离子的 let 值变化关系曲线，用 weibull 函数进行了拟合， 图 3 表示 hm6264 等三个器件的 seu 截面的实验测 量值和用 weibull 函数拟合情况。图中实验误差主 要来源于统计误差。weibull 函数拟合参数列于表 2 中。利用这些参数，结合空间重离子和质子辐照环 境模型以及离子与微电子器件相互作用模型进行了 计算，得到了器件的空间单粒子翻转率的预言值， 也列于表 2 中。为便于比较，计算中我们采用了与 文献 4 相同的空间轨道环境。 文献中 对芯片 hm6264 作的 seu 率的预估值，重离子为 7.610-7（bitd）-1, 质子为 4.710-7（bitd）-1。重离子的结 果我们与文献中的相近。质子的结果我们比文献中高出一个量级之多。根据经验，卫星在经过南大西洋异常区时，所受到的质子辐照效应高于重离子， 所以应该是质子引起的翻转率大于重离子引起的翻转率。因此，我们认为我们的结果比较合理。图 2 散射 br 离子谱(a) 散射室内的探测器能谱，(b) q3d 焦面上能谱，(c) q3d 焦面上的位置谱fig.2 spectra of scattered br(a) energy spectrum from detector in scattering chamber, (b) energy spectrum at focal plane of q3d,(c) position spectrum at focal plane of q3d2监测技术在检测器件的抗辐照性能的实验中，辐照离子 注量的准确测量是精确地测定翻转截面进而准确得 知器件的抗辐照性能的关键。我们利用两个探测器 以及跟在其后面的电子学和计算机在线获取系统记 录辐照离子的能谱。在位置灵敏探测器前的中心部 位用两根直径 $ 1 mm，相距 10 mm 的金属丝作位 置标度，以便定位测得辐照离子的注量。图 2(c)是 位置灵敏半导体探测器测得的 170 mev 的 br 离子 在 15 处从 au 靶散射的典型位置谱。两个凹坑对 应着该探测器前面的两个金属丝的位置。从该谱可 以看到，在至少 30 mm 的范围内辐照强度不均匀性 小于 10%。两个凹坑之间的总计数即为 10mm 4mm 内的辐照粒子数。样品辐照前和后两次同步记录两 个探测器谱的计数之比, 在样品辐照时同时记录散 射室内探测器的能谱。再将它的记数乘以前面测得 的比率得到器件受照注量。根据计算机记录的辐照 时间，可算出注量率。图 3 器件 seu 截面随 let 值变化曲线fig.3 seu cross section versus let curves在理论计算中，仿照前人做法，对所有的器件的灵敏体积厚度均取 d = 2 m 。这与实际情况有一 定偏差。inguimbert 等5 对器件灵敏体积的实验测 试结果说明了这一点。为了得到比较精确的空间 seu 率的预估值，应该对器件的灵敏体积厚度和它 上面的死层厚度进行实验测定。我们计划下一步开 展这方面课题的研究。3应用与讨论用重离子辐照静态存储器 mh6264 和 hy62256274核技术第 26 卷表 2 weibull 函数拟合参数和 seu 率table 2 parameters of weibull fit and seu ratesseu 率seu rate /（bitd）-1 / cm2bit-1l / mevcm2mg-1w / mevcm2mg-1器件 devices0质子 proton重离子 heavy ion2.2010-69.7910-76.7110-71.710-51.710-52.210-56.610-75.710-77.210-7hm6264hy62256ahy622565.002.302.30111.045.515.10.801.121.58参考文献in solids. new york: pergamon,1985harboe-sorensen r, daly e j, adams l, et al. ieee transnucl sci, 1993, 40(6):14981504inguimbert c, duzellier s, ecoffet r, et al. ieee transnucl sci, 2000, 47(3):55155841zajic v, thieberger p.5969ieee trans nucl sci, 1999, 46:52thieberger p, stassinopoulos e g , van gunten i, et al.nucl instr meth, 1991, b56/57:12511255ziegler j f, biersack j p. the stopping and range of ions3experimental study of single event effects induced by heavy ionslu xiuqinfu changbozhang xin guo jiyuzhao kui(china institute of atomic energy, beijing 102413 )lin yunlongcai jinronghan jianweihuang jianguo(center for space and applied research, chinese academy of sciences, beijing 100080 )abstract experimental testing technique of heavy ion induced single event upset (seu) has been developed athi-13 tandem accelerator. monoenergetic heavy ions, well-distributed and with weak enough intensity, were obtained by using q3d magnetic spect