Радиационная стойкость материалов

1. Радиационная стойкость материалов

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Подготовили студенты группы ИТС-35:
Дусанюк Валерий,
Сорокина Антонина
Руководитель: Лазаренко Пётр Иванович
Зеленоград, 2017

2. Общие сведения

1/20
Радиационная стойкость – способность материалов сохранять
исходный химический состав, структуру и свойства в процессе
или после воздействия ионизирующих излучений.
Ядро атома
испускает
гамма-квант.

3. Источники ионизирующего излучения

2/20

4. Единицы измерения

3/20
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОАКТИВНОСТИ
Беккерель (Бк, Вq);
Кюри (Ки, Сu)
1 Бк = 1 распад в сек.
1 Ки = 3,7 х 1010 Бк
Единицы активности радионуклида.
Представляют собой число распадов в единицу времени.
Грей (Гр, Gу);
Рад (рад, rad)
1 Гр = 1 Дж/кг
1 рад = 0,01 Гр
Единицы поглощённой дозы.
Представляют собой количество энергии ионизирующего
излучения, поглощенное единицей массы какого-либо
физического тела, например тканями организма.
Зиверт (Зв, Sv)
Бэр (бер, rem) "биологический
эквивалент
рентгена"
1 Зв = 1 Гр = 1 Дж/кг (для бета и
гамма)
1 мкЗв = 1/1000000 Зв
1 бер = 0.01 Зв = 10 мЗв
Единицы эквивалентной дозы.
Представляют собой единицу поглощенной дозы,
умноженную на коэффициент, учитывающий неодинаковую
опасность разных видов ионизирующего излучения.
Грей в час (Гр/ч);
Зиверт в час (Зв/ч);
Рентген в час (Р/ч)
1 Гр/ч = 1 Зв/ч = 100 Р/ч (для бета и
гамма)
1 мк Зв/ч = 1 мкГр/ч = 100 мкР/ч
1 мкР/ч = 1/1000000 Р/ч
Единицы мощности дозы.
Представляют собой дозу полученную организмом за
единицу времени.

5. Действие ионизирующего излучения

Схемы радиационных нарушений:
а - ионизация атома;
б - кристаллическая решетка до облучения;
в - образование радиационного дефекта в
кристалле;
1 - нормальное положение атома;
2 - атом смещен в междоузлие;
3 - образовавшаяся вакансия;
4 - бомбардирующая частица
4/20

6. Испытания на радиационную стойкость

Ускорители заряженных частиц
Линейные
Циклические
5/20
Ядерные реакторы
1
4
2
5
3
Устройство циклотрона:
1 — место поступления частиц,
2 — траектория их движения,
3 — электроды,
4 — источник переменного
напряжения.
Магнитное поле направлено
перпендикулярно плоскости
рисунка
6
Схематическое устройство гетерогенного
реактора на тепловых нейтронах:
1 — Управляющий стержень;
2 — Радиационная защита;
3 — Теплоизоляция;
4 — Замедлитель;
5 — Ядерное топливо;
6 — Теплоноситель.

7. Компании, проводящие испытания на радиационную стойкость

АО «РНИИ
«Электронстандарт»
(г. Санкт – Петербург)
6/20
ОИЯИ (г. Дубна)
ФГУП НИИР
(г. Лыткарино)
(г. Санкт – Петербург)
ПИЯФ РАН
(г. Гатчина)
АО «ЭНПО СПЭЛС»
(г. Москва)
ФГУП ВНИИА (г. Москва)

8. Испытания изделий полупроводниковой электроники на радиационную стойкость

7/20
Способы определения показателей
радиационной стойкости
Натурный
Теоретический
Экспериментальный

9.

Вид воздействия
Установки
Воздействие короткого гаммаимпульса
Импульсные рентгеновские установки;
линейные сильноточные ускорители электронов
Воздействие вторичного и
осколочного гамма-излучения
Гамма-установки
Воздействие импульса нейтронов
Импульсные ядерные реакторы на быстрых
нейтронах
Воздействие электронной
составляющей излучения
Ускорители электронов;
бета-установки
Воздействие протонной
составляющей излучения
Ускорители протонов
Воздействие тяжелых
заряженных частиц
Ускорители тяжелых ионов
Воздействие короткого импульса
гамма-излучения
Импульсное лазерное облучение
Воздействие ионизирующего
излучения
Рентгеновские установки с ускоряющим
напряжением на трубке
Воздействие нейтронов,
электронов и протонов
α-излучение закрытых радионуклидных
источников
Химические элементы
8/20
Изотопы кобальт-60 или
цезий-137
Изотопы стронций-90
иттрий-90
Калифорний-252
Плутоний-238

10. Воздействие на конструкционные материалы

9/20
Наиболее значимыми типами радиационных
повреждений является:
разрушение кристаллической решетки вследствие
выбивания атомов из узлов;
ионизация диэлектриков;
изменение химического состава веществ вследствие
ядерных реакций.
Минимальные уровни облучения, вызывающие заметные (20—30%) изменения
свойств неорганических материалов.
Минимальные уровни облучения, вызывающие
заметные изменения свойств органических материалов

11. Воздействие на полупроводники

10/20
Вакансии, образованные прошедшим пучком частиц
Образование лавины электронов
Схематичное отображение воздействия
радиации на кремний, легированный фосфором

12. Воздействие радиации на интегральные схемы

Механизм “защелкивания”
11/20

13.

12/20
Рис. 3. Возникновение сбоя переключения
ион
Рис. 1. Влияние ионизирующего излучения
на КМОП-транзистор n-типа
Рис. 2. Пример воздействия иона
на n-канальный транзистор

14. Повышение радиационной стойкости

Методы повышения радиационной стойкости микросхем
Аппаратнопрограммные
Резервирование
Кодирование
информации
Конструктивно
технологические
Реконфигурация
Модульное
Коды
обнаружения
ошибки (EDC)
Временное
Коды
исправления
ошибок (ECC)
Пространственное
Экранирование
Улучшение
технологии
производства
ИС
Повышение
радиационной
стойкости
13/20

15. Кремний на изоляторе

14/20
Способ, получивший наибольшее
распространение, — технология «кремний на
диэлектрике».
Рис. 4. КМОП-технология кремний на диэлектрике
Рис. 5. Паразитные емкости в технологиях
монолитного кремния и КНИ

16.

Ионное внедрение
SIMOX (англ. Separation by
IMplantation of OXygen)
Рис. 6. Схема ионного внедрения
15/20

17. Сращивание пластин

а)
б)
в)
г)
16/20
Рис.7. Общая технологическая схема сращивания
пластин:
а - исходные пластины;
б - сращивание приборной и опорной пластин;
в - удаление излишней части приборной пластины;
г - готовая продукция;
А – приборная пластина (полированная окисленная
пластина из монокристаллического кремния или
кремниевая структура);
Б – опорная пластина (монокристаллическая или
аморфная пластина из полупроводника (кремния),
стекла, керамики, металла, либо аморфная
структура);
1 – приборный слой;
2 – слой оксида кремния.

18. Управляемый скол

17/20
Технология управляемого скола,
или Smart Cut, объединяет в себе
черты технологий ионного
внедрения и сращивание пластин.
Рис.8. Технологическая схема smart-cut:
А – приборная пластина (полированная
окисленная пластина кремния);
B – опорная пластина (полированная пластина
кремния).

19. Эпитаксия

18/20
Ионы кремния
а)
б)
в)
Рис. 9. Этапы технологии UltraCMOS выращивания структур КНС.
а) Эпитаксия кремния на сапфире; переходной слой содержит дефекты двойникования.
б) Облучение ионами кремния и аморфизация дефектного слоя.
в) Твердофазная эпитаксия аморфного слоя и последующее окисление поверхности.

20. Заключение

19/20
В связи с активным развитием ядерной промышленности,
космонавтики, степени сложности и количества летательных
аппаратов, проблема радиационной стойкости электронных
компонентов не может остаться без внимания. Несмотря на то,
что современные методы защиты электроники от ионизирующего
излучения на данном этапе позволяют эффективно справляться с
этой проблемой, экономическая составляющая реализации этих
методов во многом сдерживает развитие космической
программы.
Возможно, массовый переход на другие типы носителей памяти
и оптоэлектронику в будущем поможет избежать негативных
последствий воздействия радиации на электронно-компонентную
базу летательных аппаратов и ядерных реакторов.

21.

20/20