热中子单粒子效应敏感性试验方法和系统与流程

本发明涉及辐射效应评估技术领域，特别是涉及一种热中子单粒子效应敏感性试验方法和系统。

背景技术：

大气中子来源于高能宇宙射线与地球大气的相互作用，穿透性极强且广泛分布于地面和整个大气空间。大气中子轰击半导体器件和集成电路会引发单粒子效应，造成器件出现数据翻转、功能出错、死机甚至灾难性烧毁等现象。大气中子能谱连续分布，覆盖mev到gev范围。当中子能量小于1ev时，热中子在造成器件软错误率(ser)中占据主导地位，由于热中子的反射作用，飞机舱内、地面等环境热中子通量较高，其影响较为显著。高可靠集成电路应用领域需要对器件进行热中子辐照试验，以判断器件受到热中子的影响程度。然而，现有的辐照试验只能考察宽能谱中子对集成电路的影响，不能单独评估热中子的影响。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有的辐照试验无法单独评估热中子对集成电路的影响的问题，提供一种热中子单粒子效应敏感性试验方法和系统。

一种热中子单粒子效应敏感性试验方法，包括使用中子束流对待测样品进行辐照试验，获取所述待测样品的第一单粒子效应平均截面；对所述待测样品进行辐照试验且滤除所述中子束流中的热中子成分，获取所述待测样品的第二单粒子效应平均截面；根据所述第一单粒子效应平均截面和所述第二单粒子效应平均截面，计算获取所述待测样品的热中子单粒子效应截面；对所述待测样品进行b-10同位素分析，获取所述待测样品中的b-10同位素含量；综合所述热中子单粒子效应截面和所述待测样品中b-10同位素含量，评估所述待测样品的热中子单粒子效应敏感性。

上述热中子单粒子效应敏感性试验方法，通过使用中子束流对待测样品进行辐照，获取在全能谱的中子束流作用下待测样品的第一单粒子效应平均截面。将中子束流中的热中子过滤掉后再对待测样品进行辐照，获取热中子过滤掉后待测样品的第二单粒子效应平均截面。根据先后两个截面的数据，计算待测样品的热中子单粒子效应截面。同时，通过所述待测样品进行b-10同位素分析，获取待测样品内的b-10同位素含量，用于待测样品对热中子的敏感度。综合热中子单粒子效应截面和b-10同位素含量，明确待测样品对热中子的敏感度。本发明通过对比滤除热中子前后待测器件的单粒子效应平均截面，从而获得待测器件的热中子单粒子效应截面。通过针对热中子单粒子效应截面和b-10同位素含量进行敏感性分析，可以实现单独评估热中子对待测器件出现单粒子效应的影响的目的。同时，对待测器件进行热中子单粒子效应敏感性试验获取的评判结果，可以用于支撑待测器件的软错误评估，促进其在高可靠技术领域的应用。

在其中一个实施例中，利用散裂中子源产生中子束流。

在其中一个实施例中，所述使用中子束流对待测样品进行辐照试验，获取所述待测样品的第一单粒子效应平均截面，包括将所述待测样品放置于所述中子束流的辐照环境中进行辐照；获取所述待测样品的第一单粒子翻转数据；根据所述中子束流的第一辐照总注量和所述第一单粒子翻转数据，计算所述待测样品的第一单粒子效应平均截面。

在其中一个实施例中，所述对所述待测样品进行辐照试验且滤除所述中子束流中的热中子成分，获取所述待测样品的第二单粒子效应平均截面，包括将所述待测样品放置于所述中子束流的辐照环境中；在所述待测样品接受辐照的一侧放置热中子滤除器件，滤除所述中子束流中的热中子成分；获取所述待测样品的第二单粒子翻转数据；根据所述中子束流的第二辐照总注量和所述第二单粒子翻转数据，计算所述待测样品的第二单粒子效应平均截面。

在其中一个实施例中，所述热中子滤除器件包括镉板。

在其中一个实施例中，所述对所述待测样品进行b-10同位素分析，获取所述待测样品中的b-10同位素含量，包括将所述待测样品的有源区暴露出来；对所述有源区进行二次离子质谱分析，获取所述待测样品的b-10同位素含量。

在其中一个实施例中，通过对所述待测样品进行研磨剖切，将所述待测样品的有源区暴露出来。

在其中一个实施例中，所述待测样品包括集成电路。

一种热中子单粒子效应敏感性试验系统，包括辐照装置，用于产生中子束流对待测样品进行辐照试验；热中子滤除装置，用于滤除所述中子束流中的热中子成分；数据采集装置，用于在使用中子束流对所述待测样品进行辐照试验时，获取所述待测样品的第一单粒子效应平均截面，并在滤除所述中子束流中的热中子成分后，获取所述待测样品第二单粒子效应平均截面；数据处理装置，与所述数据采集装置连接，用于根据所述第一单粒子效应平均截面和所述第二单粒子效应平均截面，计算获取所述待测样品的热中子单粒子效应截面；同位素试验装置，与所述数据处理装置相连接，用于对所述待测样品进行b-10同位素分析，获取所述待测样品中的b-10同位素含量；所述数据处理装置还用于综合所述热中子单粒子效应截面和所述b-10同位素含量，判断所述待测样品的热中子单粒子效应敏感性。

在其中一个实施例中，所述同位素试验装置包括二次离子质谱仪。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明其中一实施例的热中子单粒子效应敏感性试验方法的方法流程图；

图2为本发明其中一实施例的第一单粒子效应平均截面的获取方法流程图；

图3为本发明其中一实施例的第二单粒子效应平均截面的获取方法流程图；

图4为本发明其中一实施例的b-10同位素含量的获取方法流程图；

图5为本发明其中一实施例的热中子单粒子效应敏感性试验系统的结构框图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的优选实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本发明的公开内容理解得更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在我们日常生活的环境中存在一种看不见、摸不着的危险粒子——大气中子，它来源于高能宇宙射线与地球大气的相互作用。大气中子穿透性极强，且广泛分布于地面和整个大气空间。大气中子能谱连续分布，覆盖mev到gev范围。当中子能量小于1ev时，热中子在造成器件软错误率(ser)的影响因素中占据主导地位，由于热中子的反射作用，飞机舱内、地面等环境中的热中子通量较高，其影响较为显著。因此，高可靠集成电路在应用时，需要对器件进行热中子辐照试验，以判断器件受到热中子的影响程度。

目前针对集成电路的热中子试验是在反应堆上开展的或者利用散裂中子源的宽能谱中子束流开展中子辐照试验。然而，在反应堆上开展热中子试验时，其包含了热中子和快中子对单粒子效应的共同作用和贡献。而利用散裂中子源的宽能谱中子束流开展中子辐照试验时，散裂源的中子能谱又包括了热中子和中高能中子能谱范围，试验只能评估出宽能谱中子对集成电路的总体影响。可见，目前利用反应堆或散裂中子源对集成电路开展的辐照试验中，只能考察宽能谱中子对集成电路的总体贡献和影响，不能单独评估热中子的影响。

单粒子效应(singleeventeffects，see)指具有一定能量的单个粒子(包括重离子、质子、中子等)在半导体器件中沉积能量，产生的电子-空穴对被收集后产生的效应，包括单粒子翻转、多位翻转、单粒子闩锁、单粒子功能中断、单粒子烧毁、单粒子栅穿、单粒子瞬态脉冲等。

图1为本发明其中一实施例的热中子单粒子效应敏感性试验方法的方法流程图，在其中一个实施例中，热中子单粒子效应敏感性试验方法包括如下步骤s100至s500。

s100：使用中子束流对待测样品进行辐照试验，获取待测样品的第一单粒子效应平均截面。

s200：对待测样品进行辐照试验且滤除中子束流中的热中子成分，获取待测样品的第二单粒子效应平均截面。

s300：根据第一单粒子效应平均截面和第二单粒子效应平均截面，计算获取待测样品的热中子单粒子效应截面。

s400：对待测样品进行b-10同位素分析，获取待测样品中的b-10同位素含量。

s500：综合热中子单粒子效应截面和b-10同位素含量，评估待测样品的热中子单粒子效应敏感性。

在其中一个实施例中，主要针对集成电路的热中子单粒子效应进行敏感性试验，待测样品为集成电路。

在对集成电路进行热中子单粒子效应敏感性试验方法时，首先需要准备针对集成电路的单粒子效应试验装置或定制的测试电路板。单粒子效应试验装置或定制的测试电路板具备对集成电路的典型应用进行在线试验的功能，同时可以监测集成电路的存储或寄存器数据，获取器件在辐照条件下出现的错误信息。单粒子效应试验装置主要包括电源模块、驱动模块、数据处理模块和通信模块。电源模块用于为集成电路提供工作所需的电压电流。驱动模块用于使集成电路处于必要的工作状态。数据处理模块用于接收集成电路的输出数据并进行必要的处理。通信模块用于与主控计算机进行通信，获取主控计算机发送的测试指令或将集成电路的输出数据上传至主控计算机。

将集成电路连接至单粒子效应试验装置或定制的测试电路板后，使用中子束流辐照集成电路，获取集成电路在全能谱的中子束流作用下的第一单粒子效应平均截面σ1。将中子束流中的热中子过滤掉后再对集成电路进行辐照，获取热中子过滤掉后集成电路的第二单粒子效应平均截面σ2。计算先后两个截面的差，即σ3＝σ1-σ2，即得到集成电路的热中子单粒子效应截面。

由于地面工作环境的高可靠电子系统在受到地面环境热中子的影响时，主要是其核心集成电路受到了热中子的作用，导致出现数据翻转等错误。而热中子导致半导体器件中出现单粒子效应现象的主要机理是半导体电路中的b-10同位素对热中子进行复俘获，从而释放出的次级阿尔法粒子会导致电路出现单粒子翻转等现象。单粒子翻转(singleeventupset，seu)指由于单粒子辐射引起电路的逻辑状态发生变化，即逻辑“1”变成逻辑“0”，或逻辑“0”变成逻辑“1”，造成电路逻辑功能混乱。由于热中子单粒子效应主要由有源区中的b-10同位素导致，因此，集成电路中的b-10越多则集成电路的热中子单粒子效应敏感性越高。

对集成电路进行b-10同位素分析，以获取集成电路内的b-10同位素含量。综合热中子单粒子效应截面和b-10同位素含量，来评价集成电路对热中子的敏感度。本发明通过对比滤除热中子前后集成电路的单粒子效应平均截面，从而获得集成电路的热中子单粒子效应截面。另外，通过综合集成电路的热中子单粒子效应截面和b-10同位素含量，从而实现单独评估热中子对集成电路出现单粒子效应的影响的目的。同时，对集成电路进行热中子单粒子效应敏感性试验后获取的评判结果，可以用于支持对集成电路的软错误评估，促进其在高可靠技术领域的应用。

在其中一个实施例中，利用散裂中子源产生中子束流，即选用散裂中子源制造中子辐照环境。当一个中等能量的质子打到重核(钨、汞等元素)之后会导致重核的不稳定而“蒸发”出20-30个中子，这样重核“裂开”并向各个方向“发散”出相当多的中子，大大提高了中子的产生效率，按这种原理工作的装置称为散裂中子源。散裂中子源提供的中子束流的主要特征包括：a)能谱宽，且覆盖高能中子，这样保证提供的中子辐照环境与真实环境中大气中子分布的相似性；b)注量率高，通常在1*10⁶个/cm²/s以上，保证能够短时间内快速实现对待测样品的辐照试验。总注量是在一定时间内累积的中子数量，单位通常为个/cm²。散裂源在产生中子束流可以对总注量进行调节，基于现场实时测量可以获得总注量数据。

图2为本发明其中一实施例的第一单粒子效应平均截面的获取方法流程图，在其中一个实施例中，使用中子束流对待测样品进行辐照试验，获取待测样品的第一单粒子效应平均截面，包括如下步骤s110至s130。

s110：将待测样品放置于中子束流的辐照环境中进行辐照。

s120：获取待测样品的第一单粒子翻转数据。

s130：根据中子束流的第一辐照总注量和第一单粒子翻转数据，计算待测样品的第一单粒子效应平均截面。

令待测样品进入必要的工作状态后，利用散裂中子源产生的宽能谱的中子束流辐照待测样品。散裂中子源产生的中子束流时的总注量可以预先设定，基于现场辐照测试的试验情况，将中子束流的总注量设定为一预设阈值k，使其具有统计性，获取待测样品的第一辐照总注量k。数据处理模块接收待测样品的输出数据并对输出数据进行处理，以统计该待测样品中的第一单粒子翻转数据x1。将待测样品在宽能谱的中子束流辐照下的第一辐照总注量k和第一单粒子翻转数据x1代入单粒子效应平均截面的计算式，计算待测样品的第一单粒子效应平均截面σ1。单粒子效应平均截面的计算式为：

其中，σ为单粒子效应平均截面，x为单粒子翻转数据，k为辐照总注量。即，第一单粒子效应平均截面σ1＝第一单粒子翻转数据x1/第一辐照总注量k

图3为本发明其中一实施例的第二单粒子效应平均截面的获取方法流程图，在其中一个实施例中，对待测样品进行辐照试验且滤除中子束流中的热中子成分，获取待测样品的第二单粒子效应平均截面，包括如下步骤s210至s230。

s210：将待测样品放置于中子束流的辐照环境中。

s220：在待测样品接受辐照的一侧放置热中子滤除器件，滤除中子束流中的热中子成分。

s2:30：获取待测样品的第二单粒子翻转数据。

s240：根据中子束流的第二辐照总注量和第二单粒子翻转数据，计算待测样品的第二单粒子效应平均截面。

令待测样品进入必要的工作状态后，仍然利用散裂中子源产生的宽能谱的中子束流辐照待测样品。同时，需要保证散裂中子源产生的中子束流时的总注量不变，令中子束流的总注量仍为预设阈值k，获取待测样品的第二辐照总注量k。在待测样品接受辐照的一侧放置一热中子滤除器件，利用热中子滤除器件将热中子成分滤除，从而令待测样品接受热中子成分被滤除后的中子束流的辐照。数据处理模块接收待测样品的输出数据并对输出数据进行处理，以统计该待测样品中的第二单粒子翻转数据x2。将待测样品在滤除热中子后的中子束流辐照下的第二辐照总注量k和第二单粒子翻转数据x2代入上述单粒子效应平均截面的计算式，计算待测样品的第二单粒子效应平均截面σ2，第二单粒子效应平均截面σ2＝第二单粒子翻转数据x2/第二辐照总注量k。

计算先后两个截面的差即可获得待测样品的热中子单粒子效应截面σ3，即σ3＝σ1-σ2。使用计算获取的热中子单粒子效应截面σ3来评价待测样品对于热中子单粒子效应的敏感性。待测样品的热中子单粒子效应截面σ3的值越大时，表明该待测样品对于热中子单粒子效应的敏感性越高。

在其中一个实施例中，热中子滤除器件包括镉板。在被辐照的待测样品前端放置一镉板，利用镉板吸收连续谱中子束流中的热中子成分。由于镉具有较大的热中子俘获截面，因此含镉(5％)的金属板可用于对中子束流中的热中子成分进行吸收，以达到滤除热中子的目的。

图4为本发明其中一实施例的b-10同位素含量的获取方法流程图，在其中一个实施例中，对待测样品进行b-10同位素分析，获取待测样品中的b-10同位素含量，包括如下步骤s410至s420。

s410：将待测样品的有源区暴露出来。

s420：对有源区进行二次离子质谱分析，获取待测样品的b-10同位素含量。

研究表明半导体器件出现热中子单粒子效应的主要是由有源区中包含的b-10同位素导致的，b-10同位素对热中子的复俘获释放出次级阿尔法粒子，从而导致电路出现单粒子翻转等现象。可见，半导体器件中的b-10同位素含量越多，则该器件对于热中子单粒子效应的敏感性越高。因此，在对待测样品进行b-10同位素分析时，需要将待测样品的有源区暴露出来。对有源区进行二次离子质谱分析，以获取待测样品的b-10同位素含量。二次离子质谱(secondaryionmassspectrometry，sims)是通过高能量的一次离子束轰击样品表面，使样品表面的原子或原子团吸收能量而从表面发生溅射产生二次粒子。这些二次离子随后被提取到质量分析器中，从而呈现可以用于分析样品表面特征的质谱图，同时产生元素、同位素及分子的信息，其灵敏度范围可达ppm至ppb量级。

应该理解的是，虽然图1-图4的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1-图4中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在其中一个实施例中，通过对待测样品进行研磨剖切，将待测样品的有源区暴露出来。对待测样品的封装表面进行研磨剖切，去除有源区的封装并暴露出有源区。将待测样品的有源区暴露出来后，使用二次离子质谱仪对待测样品的有源区进行分析，以获取待测样品有源区的b-10同位素含量。由于b-10同位素电路出现单粒子翻转现象主要出现在有源区，因此，待测样品有源区的b-10同位素含量可用于验证中子辐照试验结果的正确性。

在其中一个实施例中，综合热中子单粒子效应截面和b-10同位素含量，评估待测样品的热中子单粒子效应敏感性时，主要通过比较各待测样品的热中子单粒子效应截面。热中子单粒子效应截面的值越大，则表明该待测样品的热中子单粒子效应敏感性越高。同时，b-10同位素含量越高，表明该待测样品的热中子单粒子效应敏感性越高。利用各待测样品的b-10同位素含量，可以对辐照试验获取的热中子单粒子效应截面进行验证，判断两种评估方式是否匹配，保证热中子单粒子效应敏感性试验评估的准确度。

本发明还提供一种热中子单粒子效应敏感性试验系统，图5为本发明其中一实施例的热中子单粒子效应敏感性试验系统的结构框图，热中子单粒子效应敏感性试验系统包括辐照装置100、热中子滤除装置200、数据采集装置300、数据处理装置400和同位素试验装置500。

辐照装置100，用于产生中子束流对待测样品进行辐照试验。热中子滤除装置200，用于滤除中子束流中的热中子成分。数据采集装置300，用于在使用中子束流对待测样品进行辐照试验时，获取待测样品的第一单粒子效应平均截面，并在滤除中子束流中的热中子成分后，获取待测样品第二单粒子效应平均截面。数据处理装置400，与数据采集装置300连接，用于根据第一单粒子效应平均截面和第二单粒子效应平均截面，计算获取待测样品的热中子单粒子效应截面。同位素试验装置500，与数据处理装置400相连接，用于对待测样品进行b-10同位素分析，获取待测样品中的b-10同位素含量。数据处理装置400还用于综合热中子单粒子效应截面和b-10同位素含量，判断待测样品的热中子单粒子效应敏感性。

将待测样品连接至单粒子效应试验装置或定制的测试电路板后，使用辐照装置100产生的中子束流对待测样品进行辐照试验。数据采集装置300对待测样品的存储或寄存器数据进行监测，并统计其第一单粒子翻转数据。数据处理装置300还可以根据第一辐照总注量和第一单粒子翻转数据，计算获取待测样品的第一单粒子效应平均截面σ1。第一单粒子效应平均截面σ1为待测样品在全能谱中子下的单粒子效应截面。

在中子束流被辐照的待测样品前端放置一热中子滤除装置200，利用热中子滤除装置200吸收连续谱中子束流中的热中子成分。利用滤除掉热中子成分后的中子束流继续对待测样品进行辐照并在线测试。数据采集装置300对待测样品的存储或寄存器数据进行监测，并统计其第二单粒子翻转数据。数据处理装置300还可以根据第二辐照总注量和第二单粒子翻转数据，计算获取待测样品的第二单粒子效应平均截面σ2。第二单粒子效应平均截面σ2为待测样品在过滤掉热中子后的单粒子效应截面。

数据处理装置400实时获取数据采集装置300采集到的第一单粒子效应平均截面σ1和第二单粒子效应平均截面σ2，根据第一单粒子效应平均截面σ1和第二单粒子效应平均截面σ2计算热中子单粒子效应截面σ3。数据处理装置400对先后两个截面作差，即σ3＝σ1-σ2，以获取待测样品的热中子单粒子效应截面σ3。热中子单粒子效应截面σ3能够用于评估热中子对待测样品出现单粒子效应的贡献和影响，热中子单粒子效应截面σ3的值越大，热中子对待测样品出现单粒子效应的影响越大，即待测样品对热中子单粒子效应的敏感度越高。

对待测样品进行研磨剖切，将待测样品的有源区暴露出来，使用同位素试验装置500对有源区进行二次离子质谱分析，测量待测样品b-10同位素的含量。待测样品中b-10同位素含量越高，表明该待测样品的热中子单粒子效应敏感性越高。利用各待测样品的b-10同位素含量，可以对辐照试验获取的热中子单粒子效应截面进行验证，判断两种评估方式是否匹配，从而保证热中子单粒子效应敏感性试验评估的准确性。

本发明通过对比滤除热中子前后集成电路的单粒子效应平均截面，从而获得集成电路的热中子单粒子效应截面。另外，通过综合集成电路的热中子单粒子效应截面和b-10同位素含量，从而实现单独评估热中子对集成电路出现单粒子效应的影响的目的。同时，对集成电路进行热中子单粒子效应敏感性试验后获取的评判结果，可以用于支持对集成电路的软错误评估，促进其在高可靠技术领域的应用。

在其中一个实施例中，辐照装置100为散裂中子源，热中子滤除装置200为镉板，数据处理模块400为主控计算机，同位素试验装置500为二次离子质谱仪。另外，热中子单粒子效应敏感性试验系统中还包括电源模块、驱动模块和通信模块。电源模块用于为待测样品10提供工作所需的电压电流。驱动模块用于使待测样品10处于必要的工作状态。通信模块用于与主控计算机进行通信，获取主控计算机发送的测试指令或将待测样品10的输出数据上传至主控计算机。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。