【高清版】GBT 42969-2023 元器件位移損傷試驗(yàn)方法

元器件位移損傷試驗(yàn)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)I本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部提出。本文件由全國(guó)半導(dǎo)體器件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC78)歸口。本文件起草單位：中國(guó)空間技術(shù)研究院、中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所、西北核技術(shù)研究院、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所、中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所、揚(yáng)州大學(xué)。薛玉雄。1元器件位移損傷試驗(yàn)方法1范圍本文件描述了元器件位移損傷的試驗(yàn)方法。本文件適用于光電集成電路和分立器件，如電荷耦合器件(CCD)、光電耦合器、圖像敏感器(APS)、光敏管等，用質(zhì)子、中子進(jìn)行位移損傷輻照試驗(yàn)。其他元器件的位移損傷輻照試驗(yàn)參照進(jìn)行。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB18871電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)GB/T19022—2003測(cè)量管理體系測(cè)量過(guò)程和測(cè)量設(shè)備的要求GB/T27418—2017測(cè)量不確定度評(píng)定和表示3術(shù)語(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。位移損傷displacementdamage粒子在材料中通過(guò)彈性或非彈性碰撞導(dǎo)致材料晶格結(jié)構(gòu)損傷。位移損傷劑量displacementdamagedose;DDD單位質(zhì)量材料吸收的產(chǎn)生位移損傷的能量。注：位移損傷劑量常用某種能量粒子的位移損傷等效注量來(lái)表征，如10MeV質(zhì)子、1MeV中子等效注量來(lái)描述器件的位移損傷。入射粒子通過(guò)非電離方式在單位距離內(nèi)傳遞給晶格的能量。注：非電離能損的常用單位為兆電子伏平方厘米每克(MeV·cm2/g)。不移動(dòng)器件，在輻照位置對(duì)器件進(jìn)行電參數(shù)或功能性測(cè)試。移位測(cè)試remotetest將器件從輻照位置移開(kāi)后進(jìn)行電參數(shù)或功能性測(cè)試。24試驗(yàn)條件4.1試驗(yàn)環(huán)境試驗(yàn)環(huán)境要求如下：a)環(huán)境溫度：15℃~35℃;b)相對(duì)濕度：20%～80%;c)靜電防護(hù)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。4.2輻射安全和輻射防護(hù)4.2.1位移損傷試驗(yàn)的放射衛(wèi)生防護(hù)應(yīng)執(zhí)行GB18871的規(guī)定。4.2.2經(jīng)質(zhì)子、中子輻射的部件具有放射性。經(jīng)歷過(guò)輻射環(huán)境的試驗(yàn)樣品或設(shè)備應(yīng)按GB18871或輻射源單位要求進(jìn)行處理和貯存。5試驗(yàn)儀器與設(shè)備5.1采用閃爍探測(cè)器、位置靈敏探測(cè)器、電離室或次級(jí)粒子探測(cè)器等適用的儀器，測(cè)量質(zhì)子的注量。5.2采用快中子活化箔，例如32S、^Fe或??Ni,或其他適用的測(cè)試儀器，測(cè)量中子的注量。5.3束流測(cè)量系統(tǒng)(包括束流強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)、束流均勻性測(cè)量系統(tǒng)和束流能量測(cè)量系統(tǒng))測(cè)量不確定度應(yīng)不大于10%。5.4所使用的儀器和設(shè)備應(yīng)按照GB/T19022—2003中第4章的要求進(jìn)行校準(zhǔn)，并處于計(jì)量有效期內(nèi)。5.5重復(fù)應(yīng)用于輻照?qǐng)鰞?nèi)的儀器、設(shè)備、線纜，試驗(yàn)前應(yīng)檢查其物理性能和電性能，以確保其性能的有效性。5.6試驗(yàn)線路板的幾何設(shè)計(jì)及元器件的布局應(yīng)保證待測(cè)器件接受到均勻的輻照。6輻射源6.1輻射源選擇位移損傷試驗(yàn)中，輻射源的選擇需要符合下列規(guī)則：a)選擇加速器產(chǎn)生的高能質(zhì)子，或者中子輻射源；b)選擇質(zhì)子時(shí)，應(yīng)確認(rèn)質(zhì)子的射程是否足夠，需要時(shí)，試驗(yàn)樣品應(yīng)開(kāi)帽；c)若試驗(yàn)樣品無(wú)法開(kāi)帽，或質(zhì)子能量不滿足試驗(yàn)要求，應(yīng)選擇中子輻射源；d)試驗(yàn)用質(zhì)子產(chǎn)生的電離總劑量不應(yīng)超過(guò)或接近器件的抗電離總劑量輻射能力。如果試驗(yàn)用質(zhì)子產(chǎn)生的電離總劑量超過(guò)或接近器件的抗電離總劑量輻射能力，則應(yīng)選擇中子輻射源；e)輻照到待測(cè)器件處束流能量和注量的非均勻性應(yīng)小于10%。6.2質(zhì)子產(chǎn)生的電離總劑量根據(jù)質(zhì)子能量和注量計(jì)算質(zhì)子產(chǎn)生的電離總劑量(TID),如公式(1)所示：TID=φ(E)×LET(E)×1.6×10- (1)式中：TID——質(zhì)子產(chǎn)生的電離總劑量，單位為拉德(硅)[rad(Si)];3φ(E)——質(zhì)子注量，單位為質(zhì)子數(shù)每平方厘米(p/cm2);LET(E)—-用于描述在質(zhì)子軌跡上電離的密度，表示每單位徑跡中心軸上長(zhǎng)度介質(zhì)吸收的質(zhì)子能量，單位為兆電子伏平方厘米每克(MeV·cm2/g)。質(zhì)子與物質(zhì)原子發(fā)生作用時(shí)，電離能損是主要的，非電離能損是次要的，兩者都與能量密切相關(guān)，具體關(guān)系見(jiàn)附錄A。6.3質(zhì)子輻射源6.3.1不同能量的質(zhì)子，非電離能損不同。質(zhì)子在硅和砷化鎵中的非電離能損見(jiàn)附錄B。6.3.2質(zhì)子能量選擇應(yīng)以預(yù)期應(yīng)用的空間輻射環(huán)境為依據(jù)，根據(jù)應(yīng)用要求，選擇合適的覆蓋航天器內(nèi)部質(zhì)子能量范圍的質(zhì)子。需要獲得更準(zhǔn)確數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)航天器內(nèi)部的質(zhì)子譜，選擇兩種以上能量質(zhì)子進(jìn)行位移損傷評(píng)估。6.3.3質(zhì)子能量應(yīng)為10MeV～100MeV。宜選擇質(zhì)子能量為40MeV～70MeV,單次輻照時(shí)間宜不短于0.5h。6.3.4質(zhì)子的注量率在10?個(gè)/cm2·s～10?個(gè)/cm2·s范圍內(nèi)可調(diào)，質(zhì)子注量等效計(jì)算方法見(jiàn)附錄C。6.4中子輻射源6.4.1中子輻射源應(yīng)能輸出等效1MeV能量的中子。6.4.2中子的注量率在10?個(gè)/cm2·s～1010個(gè)/cm2·s范圍內(nèi)可調(diào)，試驗(yàn)單次輻照時(shí)間宜不短于6.4.3中子注量和γ射線總劑量的比值(中子/γ比)應(yīng)不低于1×10?個(gè)/cm2·rad。7輻照偏置鑒定檢驗(yàn)中的位移損傷試驗(yàn)，通常采用將元器件所有管腳短接到一起的最劣偏置狀態(tài)進(jìn)行，也可采用特定應(yīng)用電路進(jìn)行元器件的位移損傷試驗(yàn)，以判斷該器件在此種偏置條件下，抗位移損傷能力是否滿足應(yīng)用需求。試驗(yàn)方案中若規(guī)定了偏置電壓，則整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中該偏置電壓變化應(yīng)不超過(guò)10%,否則試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效。8試驗(yàn)樣品8.1除非另有規(guī)定，每批試驗(yàn)樣品數(shù)至少為每晶圓2只，或每晶圓批5只，或每檢驗(yàn)批10只。另有1只對(duì)比測(cè)試樣品，對(duì)比測(cè)試樣品不輻照，每次和試驗(yàn)樣品一起測(cè)試并保留測(cè)試數(shù)據(jù)。試驗(yàn)樣品應(yīng)為同批次電測(cè)合格器件。8.2試驗(yàn)樣品應(yīng)隨機(jī)抽取并進(jìn)行編號(hào)。9試驗(yàn)方案制定數(shù)測(cè)試、判據(jù)等給出詳細(xì)的要求。試驗(yàn)方案至少應(yīng)包括以下內(nèi)容：b)采用質(zhì)子進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需確認(rèn)樣品是否開(kāi)帽；4c)根據(jù)試驗(yàn)的具體目的，確定試驗(yàn)樣品偏置條件；d)試驗(yàn)用輻射源種類、能量、注量率、注量及相關(guān)試驗(yàn)輔助設(shè)施要求；e)試驗(yàn)樣品測(cè)試要求，包括參數(shù)測(cè)試項(xiàng)目和條件、判據(jù)；f)輻照后樣品測(cè)試方式，說(shuō)明是移位測(cè)試還是原位測(cè)試；g)結(jié)合具體輻射源單位要求，制定試驗(yàn)中輻射安全防護(hù)計(jì)劃；h)特殊說(shuō)明。10試驗(yàn)程序10.1輻照前測(cè)試按試驗(yàn)方案規(guī)定的內(nèi)容，在輻照前對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行電參數(shù)測(cè)試，并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。10.2輻照后測(cè)試10.2.1采用試驗(yàn)方案規(guī)定能量的質(zhì)子/中子垂直輻照被試樣品，至規(guī)定的注量后進(jìn)行電參數(shù)測(cè)試，并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。需要時(shí)，分析數(shù)據(jù)并畫出主要電參數(shù)與輻照注量的關(guān)系曲線。10.2.2按試驗(yàn)方案的規(guī)定選擇電參數(shù)測(cè)試方式為移位測(cè)試或原位測(cè)試，移位測(cè)試應(yīng)按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。原位測(cè)試通常只對(duì)器件的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。10.2.3若試驗(yàn)方案規(guī)定多步輻照，應(yīng)在每步輻照后進(jìn)行電參數(shù)測(cè)試。10.2.4輻照后，首先進(jìn)行感生放射性測(cè)量和污染監(jiān)測(cè)，若符合4.2的規(guī)定，電參數(shù)測(cè)試應(yīng)在輻照后24h內(nèi)完成；若不符合安全操作規(guī)定，可延長(zhǎng)放置一定時(shí)間，符合放射安全規(guī)定后開(kāi)展電參數(shù)測(cè)試。10.3異?，F(xiàn)象分析如果試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)樣品出現(xiàn)預(yù)料不到的異常現(xiàn)象，如雙極型器件的直流增益倒數(shù)△(1/hrE)與中子注量的非線性關(guān)系或器件直接發(fā)生了功能失效等，應(yīng)按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行分析，以判斷是位移損傷效應(yīng)造成的，還是其他異常電應(yīng)力造成的損傷，并作記錄。11試驗(yàn)數(shù)據(jù)判讀11.1按GB/T27418—2017中第5章的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定度分析。11.2根據(jù)下列規(guī)定確定器件的抗位移輻照能力：a)輻照至規(guī)定注量后被輻照樣品所有的電參數(shù)合格，則判定該樣品的抗位移輻照能力達(dá)到該注量；b)所有樣品達(dá)到規(guī)定的注量后判定器件位移損傷試驗(yàn)合格。12試驗(yàn)報(bào)告試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)至少包括以下信息：a)被試器件相關(guān)信息，包括器件型號(hào)、序列號(hào)、生產(chǎn)廠商、詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)、日期和生產(chǎn)廠給定的其他識(shí)別號(hào)。c)試驗(yàn)中發(fā)生的任何異?，F(xiàn)象。5(資料性)不同能量質(zhì)子在硅材料中電離能損和非電離能損與能量的關(guān)系不同能量質(zhì)子在硅材料中電離能損和非電離能損與能量的關(guān)系見(jiàn)圖質(zhì)子能量(MeV)圖A.1不同能量質(zhì)子在硅材料中電離能損和非電離能損與能量的關(guān)系6GB/T42969—2023(資料性)不同能量粒子在硅或砷化鎵中的非電離能損不同能量粒子在硅中的非電離能損見(jiàn)圖B.1。圖B.1不同能量粒子在硅中的非電離能損質(zhì)子在砷化鎵中的非電離能損見(jiàn)圖質(zhì)子在砷化鎵中的非電離能損見(jiàn)圖B.2。歸化序命損傷因質(zhì)了能量(MeV)圖B.2質(zhì)子在砷化鎵LED中的非電離能損注：LED(Light-EmittingDiodes)是利用半導(dǎo)體PN結(jié)或類似結(jié)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)換為光能的器件。兩種LED的區(qū)別：同質(zhì)結(jié)LED有源區(qū)對(duì)載流子和光子的限制作用很弱，異質(zhì)結(jié)LED帶隙差形成的勢(shì)壘將電子和空穴限制在有源區(qū)復(fù)合發(fā)光。(資料性)不同能量質(zhì)子位移損傷注量換算方法C.1連續(xù)譜質(zhì)子位移損傷劑量計(jì)算連續(xù)譜質(zhì)子位移損傷劑量由公式(C.1)計(jì)算得出：式中：DDD——位移損傷劑量；NIEL(E)——能量為E的質(zhì)子非電離能損；f(E)——質(zhì)子微分能譜；Emax——空間質(zhì)子最大能量；Emin——空間質(zhì)子最小能量。C.2單能粒子注量的等效計(jì)算若換算成63MeV質(zhì)子的注量，計(jì)算如公式(C.2)所示：式中：NIEL(63MeV)—-63MeV質(zhì)子的非電離能損。C.3不同能量粒子注量的換算根據(jù)中子和質(zhì)子的非電離能損，可以將以“等效1MeV中子”為單位給出的注量換算成其它粒子或其它能量粒子的注量，不同粒子注量換算關(guān)系如