一种基于CMOS图像传感器暗电流来定量质子位移损伤的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于CMOS图像传感器暗电流来定量质子位移损伤的方法，其特征在于，包括第一步，选取偶数只同晶圆批的CMOS图像传感器，分为两组，计算A组、B组暗电流初值的平均值；第二步，对A组CMOS图像传感器分别进行70MeV质子辐照试验；第三步，取A组中一只器件对其进行结构分析；第四步，采用粒子输运软件Geant4计算电离能损；第五步，对B组的CMOS图像传感器分别进行

【技术实现步骤摘要】
一种基于CMOS图像传感器暗电流来定量质子位移损伤的方法


[0001]本专利技术涉及空间辐射环境探测
，特别是涉及基于CMOS图像传感器暗电流来定量质子位移损伤的方法。

技术介绍

[0002]空间天然辐射环境主要指地球辐射带、太阳粒子事件及银河宇宙射线等，这些天然辐射环境中大部分为高能电子、质子和少部分氦到铀的各种重离子。由于空间辐射环境中带电粒子成分、能量和通量多样性，空间带电粒子与航天器上的电子元器件相互作用，产生各种辐射效应，引起电子元器件参数退化、功能突变等，从而影响航天器在轨正常工作甚至威胁其在轨安全。由于质子穿透力强、体积更大、数量多，其对电子元器件影响较大的空间辐射效应有：电离总剂量效应、位移损伤效应、单粒子效应等。其中电离总剂量效应和位移损伤效应统称为累积剂量效应，即辐射剂量对电子元器件和材料的损伤并非是瞬时产生的，而必须经过长时间的积累而逐渐加重。
[0003]元器件是单机的基础，在航天器元器件保证大纲中对元器件的抗辐射性能保证均有明确要求。试验是评价器件辐射损伤最直接的依据。由于成本、时间、难度以及不确定度的原因，使得在空间中试验可行度不高。由于模拟试验较难采用飞行方式进行，目前一般采用地面模拟试验方式进行。
[0004]随着军用航天器精细化定量设计要求的不断提升，抗辐射设计从定性到定量、从粗放到精准、从经验到科学方向发展，元器件辐射效应学科的研究深入以及国内对试验方法的正确性、试验实施操作的符合性、测量数据和试验结果的有效性有了更深认识，需要精确的知道器件抗电离总剂量能力、位移损伤能力和单粒子能力。仅仅给出元器件的质子辐照指标和数据，设计师无法进行精细化设计并给出准确的抗质子位移加固措施。电离总剂量效应及单粒子效应已建立了相应的地面模拟试验标准，但尚未建立质子位移损伤效应地面模拟试验标准，原因之一是质子是带电粒子，入射器件后同时产生电离总剂量效应和位移损伤效应，尚未建立有效的分离方法定量评价质子位移损伤效应对器件的影响。

技术实现思路

[0005]为了解决质子在产生位移损伤的同时还伴随着电离损伤无法准确评估的问题，本专利技术提供了一种基于CMOS图像传感器暗电流来定量质子位移损伤的方法，其特征在于，包括下述步骤：
[0006]第一步，选取偶数只同晶圆批的CMOS图像传感器，分为数量相同的A组B组这两组，测试每只所述CMOS图像传感器暗电流值作为暗电流初值，并计算A组、B组暗电流初值的平均值，分别记为μ
A0
、μ
B0
，单位为e/s/pixel；
[0007]第二步，对A组CMOS图像传感器分别进行70MeV质子辐照试验，辐照时器件加电方式与空间工作方式一致，当辐照注量累积到F
i
(单位为p/cm2)时，停止辐照，取出3只CMOS图像传感器分别测试暗电流并计算平均值，记为μ
Ai
，其中i＝1，2
……
m，m＝5，重复m次直至F
i
达到预设累积注量F，停止质子辐照试验；
[0008]第三步，取A组中一只器件对其进行结构分析，获取器件工艺、版图结构信息；
[0009]第四步，根据结构分析结果构建三维仿真模型，采用粒子输运软件Geant4计算注量为F
i
的70MeV质子入射器件后在CMOS图像传感器中沉积的电离能损，记为T
i
，单位为rad(Si)；
[0010]第五步，对B组的CMOS图像传感器分别进行
60
Co
‑
γ射线辐照试验，辐照时器件加电方式与上述质子辐照时保持一致，当辐照累积电离总剂量达到T
i
时，停止辐照，取出CMOS图像传感器分别测试暗电流并计算平均值，记为μ
Bi
，重复m次直至T
i
达到预设累积电离总剂量T，停止
60
Co
‑
γ射线辐照试验；
[0011]第六步，计算空间质子位移损伤
△
μ
i
，计算方法为公式(1)
[0012]△
μ
i
＝μ
Ai
‑
μ
Bi
ꢀꢀꢀ
(1)
[0013]第七步，以质子辐照注量F
i
为横坐标，空间质子位移损伤
△
μ
i
为纵坐标，绘制二维坐标图，并拟合
△
μ
i
‑
F
i
的变化曲线；
[0014]第八步，将目标空间质子注量统一折算成70MeV等效质子注量，结合
△
μ
i
‑
F
i
曲线图，得到定量的空间质子位移损伤。
[0015]进一步的是，所述CMOS图像传感器为线阵CMOS图像传感器、面阵CMOS图像传感器、电荷耦合器件中的任意一种。
[0016]进一步的是，在第一步中，选取6只同晶圆批的CMOS图像传感器，每组3只。
[0017]进一步的是，其特征在于，m为5。
[0018]进一步的是，在第八步中，根据卫星型号轨道高度、倾角、发射年份，采用空间环境仿真软件预估在轨期间可能遭受的质子注量，从而得到所述目标空间质子注量。
[0019]进一步的是，在第八步中，得到定量的空间质子位移损伤后，判断任务周期内器件抗质子位移损伤能力是否满足要求，若不满足要求则采取精准的加固措施和防护方法。
[0020]进一步的是，所述CMOS图像传感器为GSENSE2020BSI
‑
M型CMOS图像传感器。
[0021]进一步的是，所述暗电流测试的测试方法参照国际通用标准EMVA1288R3.1版；用版本为EVM
‑
V3.0的测试评估板测试器件的暗电流。
[0022]进一步的是，所述结构分析包括内部芯片各层尺寸。
[0023]进一步的是，所述结构分析包括对钝化层、氧化层、金属化层、金属层连接通道、衬底的分析。
[0024]本专利技术解决了空间质子入射器件后在产生位移损伤的同时还伴随着电离损伤，无法定量化评价质子位移损伤的问题，弥补了现有质子辐照试验后未区分电离损伤与位移损伤、仅仅给出器件数据导致设计师无法进行精细化设计和抗辐射加固的不足。本专利技术的提出充分考虑了质子辐照后同时产生电离损伤和位移损伤，并针对这种情况提出了消除电离损伤的影响、定量评价质子位移损伤的方法，结合航天器轨道、倾角、发射年份预估器件抗质子位移损伤能力是否满足要求，对航天器在轨安全运行具有重要意义。
附图说明
[0025]图1为本专利技术基于CMOS图像传感器暗电流来定量质子位移损伤的方法流程图。
[0026]图2为本专利技术实施例的GSENSE2020BSI
‑
M型CMOS图像传感器内部芯片各层尺寸示
意图。
[0027]图3为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于CMOS图像传感器暗电流来定量质子位移损伤的方法，其特征在于，包括下述步骤：第一步，选取偶数只同晶圆批的CMOS图像传感器，分为数量相同的A组B组这两组，测试每只所述CMOS图像传感器暗电流值作为暗电流初值，并计算A组、B组暗电流初值的平均值，分别记为μ
A0
、μ
B0
，单位为e/s/pixel；第二步，对A组CMOS图像传感器分别进行70MeV质子辐照试验，辐照时器件加电方式与空间工作方式一致，当辐照注量累积到F
i
(单位为p/cm2)时，停止辐照，取出3只CMOS图像传感器分别测试暗电流并计算平均值，记为μ
Ai
，其中i＝1，2
……
m，m＝5，重复m次直至F
i
达到预设累积注量F，停止质子辐照试验；第三步，取A组中一只器件对其进行结构分析，获取器件工艺、版图结构信息；第四步，根据结构分析结果构建三维仿真模型，采用粒子输运软件Geant4计算注量为F
i
的70MeV质子入射器件后在CMOS图像传感器中沉积的电离能损，记为T
i
，单位为rad(Si)；第五步，对B组的CMOS图像传感器分别进行
60
Co
‑
γ射线辐照试验，辐照时器件加电方式与上述质子辐照时保持一致，当辐照累积电离总剂量达到T
i
时，停止辐照，取出CMOS图像传感器分别测试暗电流并计算平均值，记为μ
Bi
，重复m次直至T
i
达到预设累积电离总剂量T，停止
60
Co
‑
γ射线辐照试验；第六步，计算空间质子位移损伤
△
μ
i
，计算方法为公式(1)
△
μ
i＝
μ
Ai
‑
μ
Bi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)第七步，以质子辐照注量F
i
为横坐标，空间质子位移损伤
△
μ
i...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪波，秦林生，马林东，刘伟鑫，江芸，孔泽斌，祝伟明，楼建设，王昆黍，
申请(专利权)人：上海精密计量测试研究所，
类型：发明
国别省市：