Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2018. Вып. 3. С. 38-40. УДК 621.38:539.12.04 ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРИВОДЯЩИХ К САМОВОССТАНОВЛЕНИЮ ЭЛЕКТРОНИКИ В ПОЛЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ, ОБРАЗОВАННОМ КОСМИЧЕСКИМИ ЛУЧАМИ М.В. Анохин1,6, В.А. Арефьев6, В.И. Галкин2, В.А. Дитлов4, А.Е. Дубов3, Л.М. Зелёный6, М.И. Панасюк1, Б.П. Руткевич3, В.М. Чабанов5, И.В. Чулков6 1Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ, г. Москва, Россия e-mail: [email protected] 2Физический Факультет МГУ, г. Москва, Россия 3Специальное Конструкторское Бюро Космического Приборостроения ИКИ РАН, г. Таруса, Россия 4ФГБУ "Институт теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова НИЦ КИ, г. Москва, Россия 5Институт тонких экологичных технологий, г. Таруса, Россия 6Институт космических исследований РАН, г. Москва, Россия Проведено экспериментальное исследование удельной энергии поля ионизирующих частиц с применением техники полупроводниковой ионизационной камеры. Использованный метод пригоден для проведения прямых измерений коэффициента качества поля ионизирующих частиц в штатных условиях эксплуатации. Обнаружено явление самовосстановления функционирования чувствительного элемента. Предлагается способ оперативной оценки качества космической «погоды в доме» в космическом аппарате и его эволюция во времени. Ключевые слова: поле ионизирующих частиц, космические лучи, радиационная стойкость, чувствительный объём электронного элемента, трек ионизирующей частицы. Research of Physical Processes Leading to Self-Recovery of Electronics in Ionizing Particles Field Generated by Cosmic Rays M.V. Anokhin1,6, V.A. Arefiev6, V.I. Galkin2, V.A. Ditlov4, A.E. Dubov3, L.M. Zelenyj6, M.I. Panasyuk1, B.P. Rutkevich3, V.M. Chabanov5, I.V. Chulkov6 1Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia e-mail: [email protected] 2Physical Faculty of Moscow State University, Moscow, Russia 3Special Design Bureau of Space Instrument Engineering IKI RAS, Tarusa, Russia 4Institute of Theoretical and Experimental Physics named after A.I. Alikhanov NRC KI, Moscow, Russia 5Institute of Fine Eco-friendly technologies, Tarusa, Russia 6Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia The specific energy of ionizing particles field using a semiconductor ionization chamber technique is experimental researches. The applied technique is suitable for direct measurements of the quality coefficient of ionizing particles field under normal operating conditions. A phenomenon of self-recovery of sensitive element functioning is discovered. A method for rapid assessment of space quality in the spacecraft and its evolution over time is proposed. Keywords: ionizing particles field, cosmic rays, radiation hardness, sensitive volume of electronic element, ionizing particle track. При интерпретации результатов исследования сложного многокомпонентного поля ионизирующих частиц с использованием интегрального параметра «доза» и прогнозе соотношения дей- ствие/эффект дозиметрические методики, отражённые в ряде нормативных документов, используют определённое количество фитируемых поправок. При решении проблем воздействия ионизирующих частиц на чувствительные объёмы, соответствующие топологии современной электроники, это вызывает проблемы, приводящие к серьёзным погрешностям в определении сроков активного функционирования. Для преодоления подобных затруднений в РД 50-25645.217-90 при размере чувствительных объёмов в диапазоне хорды от 0,1 до 20 мкм рекомендовано использовать дифференциальные параметры, в частности частотный и дозовый спектр удельной энергии исследования на космических аппаратах SERVIS 1 и SERVIS 2 [2]. На рис. 1 приведены результаты сравнительных испытаний микроэлектронных элементов на устойчивость к одиночным событиям, проведённых на пучке тяжёлых ионов, протонов и на круговой орбите, на высоте 1000 км. Репродукция из [2]. z m ( Гр), где ε – фактически поглощённая в микрообъёме энергия при прохождении через него одиночной частицы Дж; m – масса содержащегося в нём вещества, кг. Успешное развитие теории нанотермодинамики (Хилла) для физики трека ионизирующих частиц в конденсированной среде позволяет, при оценке частоты образования разного рода дефектов и дислокаций, использовать систему уравнений, отражающих представление о существовании двух подсистем: а именно электронов и решетки ионов, которые связаны электрон-фононным взаимодействием: СeTe t eTe g Te Ti Ae ze , t ; СiTi t iTi g Te Ti Ai zi , t , где 𝐶𝛾, 𝜆𝛾, 𝐴𝛾; 𝛾 = 𝑒, 𝑖 – соответственно теплоёмкости, теплопроводности и функции источников для электронного газа и кристаллической решётки; g – константа взаимодействия электронной подсистемы с решёткой; zγ – удельная энергия, полученная электронным и ионным континуумом при прохождении одиночной частицы. Функции источников (сила осцилляторов) могут быть в принципе определены при известном дозовом спектре удельной энергии, переданной электронной подсистеме ze и дозовом спектре удельной энергии, переданной решётке zi. Для частных случаев решения этих уравнений находят аналитически, в других случаях они решаются методом численного моделирования. Результаты таких расчётов [1] показали, что в зоне трека одиночной ионизирующей частицы поглощённая доза в кремнии может достигать для протонов 104 Гр, а для тяжелых заряженных частиц 56Fe – 107 Гр. Однако в любом случае для сложных полей ионизирующих частиц, создаваемых космическими лучами в космических аппаратах, неизбежно требуется проведение экспериментальных исследований в конкретных штатных условиях эксплуатации, хотя бы для уверенности в точности применяемых теоретических моделей. Значимой мотивацией данной работы послужило явление, наблюдавшееся на многих космических аппаратах и более всего продемонстрированное во время фундаментального технического Рис. 1. Результат сравнительных испытаний микроэлектронных элементов на устойчивость к одиночным событиям, проведённых на пучке тяжёлых ионов, протонов и на круговой орбите, на высоте 1000 км Легко видеть, что большинство электронных элементов в этой таблице имеют реальный срок активного функционирования гораздо больший, чем это предсказано применяемыми моделями и данными испытаний на протонном и ионном пучках. В ряде случаев отличие составляет более чем в тысячу раз. Это обстоятельство заставляет сделать предположение о существовании в данном случае физических процессов, не учитываемых в этом анализе ранее. С этой целью мы воспользовались техникой полупроводниковой ионизационной камеры (ППИК). Схема камеры показана на рис. 2. Основу составляет подложка из низкоомного р-кремния (1018-1019 акцептор/см3) толщиной около 300 мкм с эпитаксиальным слоем (1014 акцептор/см3) около 25 мкм. В эпитаксиальном слое с помощью имплантации образован n-канал (1016 донор/см3) толщиной около 1 мкм. Поверх окисленной поверхности SiO2 сформированы прямоугольные электроды. Каждая тройка электродов образует ячейку (пиксель) размером 8,6×8,3 мкм. К n-каналу, имеющему омический контакт, прикладывается положительный потенциал и, таким образом, в эпитаксиальном слое создается обедненная зарядами область. Таким образом, формируется чувствительный элемент (воксель) дозиметра объёмом около 10-6 мм3. Для минимально ионизирующих частиц заряд, образованный в процессе ионизации в такой ионизационной камере, составляет около 600 электронов (0,1 фКл), что позволяет проводить текущую калибровку дозиметра при длительных сроках эксперимента. Малая электрическая ёмкость чувствительного элемента (около 0,2 пФ) позволяет проводить съём заряда с частотой до 10 МГц. Основными функциями системы считывания информации с ППИК являются: усиление сигналов с возможно минимальным шумом перед преобразованием и фильтрацией аналогового сигнала (оптимизация соотношения сигнал/шум); запоминание и мультиплексирование; аналого-цифровое преобразование. Существенный вопрос электронного обеспечения ППИК – это мощностные ограничения, возникающие из-за малой пространственной области размещения первичной детекторной электроники (см. рис. 2). Рис. 2. Схема полупроводниковой камеры (масштаб не сохранён) ионизационной получили пространственное отображение величины удельной энергии поля ионизирующих частиц при экспозиции в несколько минут (рис. 4). Цветовая шкала представлена в Грэях и откалибрована по треку минимально ионизирующей частицы (она пересекает рисунок в верхней его части). Анализ экспериментальных и теоретических данных по физике образования дислокаций, дефектов структуры и эмиссии электрического заряда из треков ионизирующих частиц в материалах, составляющих чувствительный объём типичного элемента современной электроники, позволяет выделить несколько основных моментов, которые необходимо учитывать при оценке частоты отказа в сложных условиях космических аппаратов: электронные свойства материала мишени (наличие поверхности Ферми, ширина запрещенной зоны и время электрон-фононной релаксации); структурное состояние мишени, наличие и типы дефектов структуры, границ, примесей, время электрон-фононной релаксации, температуру вблизи от траектории иона; композиционная и структурная сложность элементарной ячейки чувствительного объёма; аморфизуемость кристаллов, зависящая от величины ионной связи; исходное пространственное распределение энергии, выделенной в электронную и ядерную подсистемы, а также эволюция энергетического спектра электронных возбуждений определяют температуру локальной области вблизи траектории иона и, как следствие, дальнейшую плотность дислокаций, дефектов структуры и эмиссии электрического заряда. На рис. 3 показан результат численного моделирования, проведённого при помощи кодов GEANT4 остановки одиночного иона кремния в блоке из 361 ППИК. Цветовая шкала отградуирована в Греях. Рис. 4. Отображение величины удельной энергии поля ионизирующих частиц в блоке из 2500 ППИК в космическом аппарате SOHO во время солнечной вспышки Рис. 3. Отображение результата моделирования остановки иона в блоке из 361 ППИК Используя блок из 2500 ППИК, расположенный в коронографе LASCO аппарата SOHO, Для определения плотности возникающих структурных дефектов в данной работе использованы ППИК, позволившие провести наблюдение известных эффектов экзоэлектронной эмиссии (ЭЭЭ) и дислокационной люминесценции (ДЛ). Такая техника эксперимента основана на представлении, что процессы ЭЭЭ и ДЛ в полупроводнике инициируются структурными дефектами и активацией дефектных образований. Механизм эмиссии определяется конкретными условиями возбуждения, активации и исчезновения дефектных образований. Иначе, в отсутствие внешнего воздействия, это является попыткой наблюдения явления самоорганизации конденсированной среды, архитектура которой нарушена ионизирующей частицей. Блок ППИК был помещён в поле ионизирующих частиц, образуемом изотопным источником Pu239Be активностью 2,5∙109 Бк. Такой источник был выбран из-за сходства его дозового спектра удельной энергии с аналогичным спектром на космических аппаратах. Измерения заряда проводились с частотой 10 Гц. Время отдельной экспозиции 90 мсек. Результат получен с использованием кодов ImageJ и макроса DAE2 и представлен на рис. 5. Рис. 5. Отображение эволюции во времени заряда в вокселе ППИК, образованного в поле ионизирующих частиц, изотопного источника PuBe Таким образом, видимо, удаётся наблюдать явление, предсказанное Хакеном, Пригожином и Николисом [3-6] – процесс самовосстановления и самоорганизации атомных структур, нарушенных при внесении в структурированную конденсированную среду плотности мощности, достаточной для осуществления локальных фазовых переходов. Возникающие при этом нарушения равновесия в системе примесных и собственных дефектов, прежде всего точечных, составляют открытые системы со значительной концентрацией бистабильных состояний, переходы между которыми аналогичны фазовым переходам первого и второго рода. При этом кинетика реакций дефектов может приводить к ситуации, когда динамические параметры системы достигают критического (бифуркационного) значения. При наличии большой избыточной концентрации междоузельных атомов кремния в области, подверженной воздействию ионизирующей частицы, наряду с обычными тепловыми скачками атомов кремния из междоузельных положений, возможно осуществление индуцированного процесса высвобождения атомов кремния из узельных положений за счет взаимодействия его с междоузельным атомом с переходом их в междоузельные состояния и образования вакансии за счет взаимодействия с собственными атомами кремния, описываемого квазихимической реакцией с автокатали- тической стадией. Аттрактором – ключевым понятием в теории самоорганизации, характеризующим поведение точки в фазовом пространстве по прошествии некоторого (достаточно длительного) времени, в данном случае является фазовое пространство окружающей среды вне нарушенной зоны трека. Траектории в фазовом объёме, отвечающем состоянию вещества в треке, выйдя из начальных состояний, в конце концов приближаются к аттракторам. Аттракторы – понятие, обозначающее активные устойчивые центры потенциальных путей эволюции системы, способные притягивать и организовывать окружающую среду. Таким образом, ненарушенная кристаллическая структура катализует формирование архитектуры кристалла, существовавшей до воздействия ионизирующей частицы. Что мы и видим на рис. 5. Таким образом, получен определённый экспериментальный результат, который удовлетворительно согласуется с имеющимися теоретческими представлениями о физике трека ионизирующей частицы. Применённая техника пригодна для проведения прямых измерений коэффициента качества поля ионизирующих частиц непосредственно в штатных условиях эксплуатации на космических аппаратах. Методика применения такой техники продемонстрирована ранее [7-9]. Литература 1. Barak J., Akkerman A. Straggling and extreme cases in the energy deposition by ions in submicron silicon volumes // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2005. Vol. 52. P. 2175-2581. 2. Space Environment Reliability Verification Integrated System Servis-1,2 [Электронный ресурс]. URL: de.academic.ru>. nsf/dewiki/2568726 (дата обращения 20.05.2018). 3. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. Введение. М.: Мир, 1990. 342 с. 4. Пригожин И. От существующего к возникающему. М.: Мир, 1985. 342 с. 5. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979. 517с. 6. Хакен Г. Синергетика. М.: Мир, 1980. 404 с. 7. Особенности ядерно-физического эксперимента на космических аппаратах с длительным сроком активного функционирования / М.В. Анохин, В.И. Галкин, М.Б. Добриян [и др.] // Известия РАН. Серия физическая. 2008. Т. 72, № 7. С. 1031-1034. 8. Разработка микромонитора для испытаний микроэлектроники на стойкость при воздействии ТЗЧ / М.В. Анохин, В.И. Галкин, В.А. Дитлов [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2013. Вып. 2. С. 87-92. 9. К вопросу о роли пика Брэгга при оценке воздействия поля ионизирующих частиц на микроэлектронику космических аппаратов / М.В. Анохин, В.И. Галкин, В.А. Дитлов [и др.] // 18-я Всероссийская научно-техническая конференция «Радиационная стойкость электронных систем» – «Стойкость-2015»: тезисы докладов. Лыткарино, 2015, 2-3 июня. С. 27-29. References 1. Barak J., Akkerman A. Straggling and extreme cases in the energy deposition by ions in submicron silicon volumes. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2005, vol. 52, pp. 21752581. 2. Space Environment Reliability Verification Integrated System Servis-1,2. Available at: de.academic.ru>.nsf/dewiki/ 2568726 (accessed 20.05.2018). 3. Nikolis G., Prigozhin I. Poznanie slozhnogo. Vvedenie [Knowledge of difficult. Introduction]. Moscow, Mir Publ., 1990, 342 p. 4. Prigozhin I. Ot sushchestvuyushchego k voznikayushchemu [From existing to arising]. Moscow, Mir Publ., 1985, 342 p. 5. Nikolis G., Prigozhin I. Samoorganizatsiya v neravnovesnyh sistemah [Self-organization in nonequilibrium systems]. Moscow, Mir Publ., 1979, 517 p. 6. Haken G. Sinergetika [Synergetics]. Moscow, Mir Publ., 1980, 404 p. 7. Anohin M.V., Galkin V.I., Dobriyan M.B., et al. Osobennosti yaderno-fizicheskogo eksperimenta na kosmicheskih apparatah s dlitel'nym srokom aktivnogo funktsionirovaniya [Features of nuclear and physical experiment on spacecrafts with the long term of active functioning]. Izvestiya RAN. Seriya fizicheskaya, 2008, vol. 72, no. 7, pp. 1031-1034. 8. Anohin M.V., Galkin V.I., Ditlov V.A., et al. Razrabotka mikromonitora dlya ispytaniy mikroelektroniki na stoykost' pri vozdeystvii TZCH [Micromonitor development for resistance tests of microelectronics at influence of heavy charged particles]. Voprosy atomnoy nauki i tekhniki. Seriya: Fizika radiatsionnogo vozdeystviya na radioelektronnuyu apparaturu, 2013, vol. 2, pp. 87-92. 9. Anohin M.V., Galkin V.I., Ditlov V.A., et al. K voprosu o roli pika Bregga pri otsenke vozdeystviya polya ioniziruyushchih chastits na mikroelektroniku kosmicheskih apparatov [To a question about role of Bragg peak at assessment of ionizing particles field impact on spacecrafts microelectronics]. Tezisy dokladov 18 Vserossiyskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii ‟Radiatsionnaya stoykost' elektronnyh sistem” – ‟Stoykost'2015” [Proc. The 18th All-Russian Scientific and Technical Conference ‟Radiation Hardness of Electronic Sistems” – ‟Hardness-2015”]. Lytkarino, 2015, June 2-3, pp. 27-29.
