微電子機械系統(tǒng)加速度計輻照效應(yīng)與輻照機理國內(nèi)外現(xiàn)狀

摘要：本文綜述了微電子機械系統(tǒng)（MEMS）加速度計輻照效應(yīng)與輻照機理國內(nèi)外現(xiàn)狀，闡釋了MEMS加速度計輻射效應(yīng)及加固技術(shù)研究的必要性。介紹了不同類型MEMS加速度計的輻射敏感性，以及材料的輻射退化機理、不同材料的輻射損傷表現(xiàn)及硅材料的輻射效應(yīng)；重點分析了MEMS加速度計國內(nèi)外輻照試驗研究，最后給出了MEMS加速度計輻射加固研究方向的建議。

隨著微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的不斷成熟，以及電子學系統(tǒng)發(fā)展對器件小型化的要求，作為MEMS技術(shù)的重要分支，MEMS加速度計已成為慣性器件小型化的主要方向之一。當MEMS加速計在空間惡劣輻射環(huán)境工作時，常出現(xiàn)加速度計性能劣化、甚至故障（失效）現(xiàn)象，通常認為電子學系統(tǒng)對輻射敏感，實際上那些由電場控制機械運動的器件和材料受輻照易改性的器件對輻射也很敏感。因此，為確保MEMS加速度計的安全、可靠和有效，有必要開展MEMS加速度計的輻射效應(yīng)和損傷機理研究。國外在MEMS加速度計的輻射效應(yīng)和輻射機理方面開展了大量的工作，美國Sandia國家實驗室于2014年開展了一項為期三年的MEMS微加速度計抗輻照加固研究，結(jié)果表明，“現(xiàn)在商用MEMS加速度計無法滿足抗輻照加固的需求，而器件在輻照條件下失效的根本原因現(xiàn)在還不太明確，想要從本質(zhì)上來提升微加速度計的抗輻照能力，必須深入理解MEMS加速度計的內(nèi)部材料級效應(yīng)，包括絕緣層充電效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上，最終設(shè)計出一款具有抗輻射性能的MEMS加速度計”。國內(nèi)MEMS器件的抗輻射加固研究仍處于輻射效應(yīng)和損傷機理階段，對其在輻射環(huán)境下工作的可靠性，亟需進行MEMS加速度計輻射損傷機理和加固技術(shù)系統(tǒng)研究，以滿足工程應(yīng)用迫切需求。

本文首先總結(jié)了不同類型MEMS加速度計的輻射敏感性，然后介紹了材料的輻射損傷機理與輻射對MEMS制備材料Si的影響，最后對MEMS加速度計國內(nèi)外輻照試驗結(jié)果進行了總結(jié)，著重對MEMS加速度計ADXL150的損傷機理進行了分析，并給出MEMS加速度計表頭抗輻射加固建議。

1 MEMS加速度計的應(yīng)用及輻射敏感性

由于驅(qū)動原理（靜電電容、電磁、壓阻/壓電、電熱、光學敏感）和制備材料（硅、陶瓷/玻璃、金屬、光刻膠、橡膠硅）的選擇很多，MEMS加速度計多種多樣，調(diào)研總結(jié)了不同MEMS加速度計的輻射敏感性，如表1所示。

表1 MEMS加速度計分類及其輻射效應(yīng)敏感性（+：輻射抗性，-：輻射敏感性）

2材料的輻射損傷機理

2.1材料的輻射退化過程

材料在高能粒子的照射下會引起損傷，高能粒子的能量損傷機制非常復雜，高能粒子和光子將能量傳遞給入射的材料會引起損傷，能量損失的機制非常復雜，但從結(jié)果上進行分類，分可為：原子位移（由于碰撞，材料原子發(fā)生移動）和電離（產(chǎn)生電子-空穴對）。圖1闡釋了不同粒子輻射導致電子元器件損傷類型，大多數(shù)粒子既產(chǎn)生非電離能損（Non-Ionizing Energy Loss，NIEL），又產(chǎn)生電離（Ionization）能損。

圖1 材料的輻射效應(yīng)

非電離能損（NIEL）：高能粒子（或能量足夠高的光子）與原子碰撞，將能量傳遞給原子，致使在晶格中處于平衡態(tài)的原子發(fā)生位移，產(chǎn)生空位或缺陷（又稱位移損傷），如圖2。

電離（Ionization）：粒子與物質(zhì)相互作用，將能量傳遞給原子核外電子，使其擺脫原子核的束縛，產(chǎn)生電子-空穴對。電子和空穴都可以增加介質(zhì)的導電性（甚至是絕緣體），但由于電子與空穴的遷移率不同，空穴在絕緣體中被俘獲，致使電子元器件退化，且此過程存在累積效應(yīng)。此外，需注意偏壓的不同，最終的輻射效應(yīng)會有區(qū)別。

圖2 位移損傷示意圖

2.2不同材料的輻射損傷效應(yīng)

根據(jù)材料的導電性能不同，可以將材料分為金屬、半導體和絕緣體，這些材料的輻射損傷表現(xiàn)不同：a)金屬在太空環(huán)境中可以被認為具有耐輻射性，而在核反應(yīng)堆的堆芯，足夠高的中子通量顯著減小金屬的機械強度，使金屬變得易碎；b)位移損傷會使半導體的電參數(shù)和機械性能發(fā)生變化，電參數(shù)的變化具體表現(xiàn)在少數(shù)載流子壽命的減少，純摻雜濃度n變小和載流子遷移率降低；c)位移損傷會使光學絕緣體材料產(chǎn)生損傷，對電學或結(jié)構(gòu)絕緣體材料影響很小，電離效應(yīng)會急劇減小絕緣體電阻、累計陷阱電荷。

2.3硅材料的輻射效應(yīng)

2003年，Clark L. Alfred的研究成果表明：輻照后硅的密度沒有明顯變化。此外，由于硅的彈性模量是對MEMS加速度計有重要影響的參數(shù)，Alfred采用模擬分析的方法，針對一種尺寸為800 μm × 40 μm × 10 μm的共振梁器件研究了中子輻照對硅彈性模量的影響，結(jié)果如表2。從表2中可以看出，γ射線的輻照對硅材料彈性系數(shù)沒有影響，而中子輻照會對硅材料彈性系數(shù)造成一定的影響，但這種影響很小，在百萬分之一量級左右。

表2 輻射對硅材料力學性能的影響

3 MEMS加速度計的輻照試驗研究

3.1輻射效應(yīng)試驗

國外公開MEMS器件輻射測試結(jié)果總結(jié)如表3所示：鈷源輻照的MEMS加速度計其失效機理均為絕緣層充電效應(yīng)，失效劑量閾值均在200 Gy（Si）以上；65 MeV質(zhì)子輻照失效的機理為絕緣層充電效應(yīng)，但155 MeV質(zhì)子的輻照失效機理為基準電路的質(zhì)子位移損傷。

表3 國外MEMS器件的輻射測試數(shù)據(jù)

國內(nèi)對梳齒式微加速度計實驗室樣品進行過質(zhì)子輻照試驗：試驗時用厚金箔擋住ASIC電路，只照射MEMS部分，輻照采用3 MeV的質(zhì)子，輻照注量率為1.39 × 109 p·cm-2?s-1。記錄結(jié)果如圖3所示，加速度計1（左側(cè)）在注量達到2.9× 1012 p/cm2時發(fā)生跳變，而加速度計2（右側(cè)）在注量達到1.08 × 1012 p/cm2時就開始發(fā)生漂移。分析的結(jié)論為：加速度計性能劣化源于表頭中的絕緣層充電效應(yīng)，加速度計中硅梳齒電容的電荷累積改變介質(zhì)的介電常數(shù)，甚至影響到梳齒電容的電場分布，而加速度計基于電荷放大器原理進行檢測，因此介電常數(shù)或電場分布的改變都會致使零偏發(fā)生突變或漸變。

圖3 梳齒式微加速度計質(zhì)子輻照試驗結(jié)果

對樣品梳齒式加速度計、蹺蹺板加速度計進行過整表鈷源輻照試驗，輻照劑量率為0.04 Gy(Si)/s，輻照全程加電，記錄結(jié)果如圖4所示。蹺蹺板式加速度計在88 Gy左右開始急劇跳變，梳齒式加速度計在96 Gy左右開始急劇跳變，分析結(jié)論為：加速度計急劇跳變主要由體硅CMOS檢測電路性能劣化甚至失效引起；急劇跳變前，兩種結(jié)構(gòu)的加速度計的零位漂移主要由表頭結(jié)構(gòu)的絕緣層充電效應(yīng)引起。

圖4 蹺蹺板式與梳齒式微加速度計輻照試驗結(jié)果

圖5 梳齒式微加速度計輻照退化原理

3.2輻射效應(yīng)機理分析

1996年 ~ 1998年，美國ADI公司對其表面梳齒式微加速度計進行了一系列的輻照試驗，并分析認為其退化機理為多晶硅梳齒下面的絕緣層存在充電效應(yīng)，如圖5所示：輻射在絕緣體中產(chǎn)生電子空穴對，形成正電荷累積，絕緣層電荷在可移動質(zhì)量塊（ME）的兩側(cè)分別感應(yīng)出負電荷，導致質(zhì)量塊與兩端固定極板之間的電場發(fā)生改變，引起質(zhì)量塊移動，最終導致傳感器的輸出電壓發(fā)生偏移。A.R.Knudson等人證明，質(zhì)子輻照ADXL50微加速度計時，輸出電壓將產(chǎn)生一個漂移誤差，并且指出是絕緣層充電效應(yīng)導致輸出電壓漂移。絕緣層中的俘獲電荷改變了微加速度計敏感芯片內(nèi)部的電場，若已知絕緣層俘獲電荷面密度，敏感芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)已知，則可以利用ANSYS計算出附加的靜電力，從而得到輻射效應(yīng)引起的加速度變化。

3.3輻射效應(yīng)加固的建議

由于MEMS加速度計存在絕緣層的充電效應(yīng)，其絕緣層中的電荷累積會生成感生電場，進而影響梳齒電容的電場分布，從而引起輻射加速度（輻射引入的加速度變量），致使MEMS加速度計輸出發(fā)生漂移，所以抑制MEMS加速度計的輻射加速度可以從以下幾方面考慮：a)從結(jié)構(gòu)上說，可以改變幾何設(shè)計，移除可移動極板附近的絕緣體或加大絕緣體與極板之間的距離；b)從電荷導出角度說，可以在絕緣體上接入導體，從而達到絕緣體累積電荷消除的效果；c)從材料特性角度說，可以改用正電荷俘獲密度更低的絕緣體材料。

4結(jié)論

通過上文分析，得出以下認識：MEMS加速度計表頭在鈷源或質(zhì)子等輻照下失效機理為絕緣層存在充電效應(yīng)，產(chǎn)生的正電荷積累影響了加速度計內(nèi)部電場，隨著正電荷的不斷積累，最終完全失效；MEMS加速度計總劑量輻照薄弱環(huán)節(jié)在于體硅CMOS工藝檢測電路；現(xiàn)階段的研究成果表明：中子輻照對硅材料的彈性系數(shù)影響極小，即MEMS加速度耐中子輻照；針對MEMS加速度計的絕緣層充電效應(yīng)，加固建議為：改變幾何設(shè)計、導出絕緣層氧化物中電荷或采用低電荷俘獲密度絕緣體材料。