飞秒脉冲激光辐照FRAM诱发的毁伤效应及热演化

乔相信，成艺光，唐恩凌，韩雅菲

(沈阳理工大学装备工程学院，辽宁沈阳 110159)

1 引 言

目前，空间辐射效应及其衍生问题严重影响航天器的在轨安全运行，单粒子效应(SEE)已成为空间高能粒子辐射下电子设备故障的主要原因，而激光辐射的热效应及其带来的热演化问题是单粒子效应中的关键问题［1-2］。目前，铁电存储器的信息存储单元已加工至深微米尺度，在空间电离辐射环境下铁电存储器表现出易受电荷和温度改变的敏感特性的影响［3-4］。2008 年，Zanata等［5］对Ramtron公司的铁电存储器FM18L08进行了X射线作用下的总剂量效应研究，结果表明，在X射线辐照试验中，当对上电条件下的芯片进行辐照时，在280 krad(Si)时该存储器的功能出现了错误;2010年，NASA在发射的FASTSAT卫星上搭载了 Ramtron公司的512 kbit铁电存储器FM24C512，开展了通用铁电存储器在近地轨道的可靠性和耐辐照性能研究［5］。国内关于铁电存储器辐照效应研究起步较晚，多数研究主要围绕器件辐射效应和铁电薄膜电容的辐照效应展开［5-11］，针对铁电器件的辐照效应及热演化研究的文献较少。张兴尧等［8-9］曾开展了针对FM24V10型铁电存储器的总剂量效应和退火试验研究，结果表明，芯片在辐照剂量为180 krad(Si)时发生读写功能失效，常温退火10 min可使芯片读写功能恢复［9］。但由于热演化过程带来的单粒子效应分析与温度特征记录较为少见，本文拟采用具有较强耐辐照性能的铁电存储器作为辐照对象［12］，利用相同输出功率、不同分频的飞秒脉冲激光模拟空间高能粒子辐射电子器件，利用红外热像仪记录器件表面的二维温度场，获得了飞秒脉冲激光辐照铁电存储器诱发的单粒子效应和热演化特征，为航天器及星载电子设备的辐射防护和激光毁伤效应研究提供数据支撑。

2 激光加载及测试系统

2．1 激光器系统

实验在沈阳理工大学强动载研究中心完成。该中心具有法国Amplitude公司生产的TRIDENT·M型飞秒脉冲激光器，该激光器可输出重复频率为10～1 000 Hz、脉冲持续时间为100 fs、平均功率为3．5 W的飞秒脉冲激光;同时，可通过分频器对输出激光进行最大100分频的调节，满足实验的分频需求。以满功率3．5 W运行时，激光焦斑的峰值功率密度为446 TW/cm2，实验室环境下输出能量的稳定度为5%，输出激光由两块平面镜反射至光学平台中线上，焦距为100 mm的凸透镜为其聚焦。图1为飞秒脉冲激光器的原理框图。

图1 飞秒脉冲激光器的原理框图Fig．1 Block diagram of femtosecond pulsed laser

利用以色列OPHIR公司生产的Vega型功率计对激光器的输出功率进行标定与测量;光斑几何尺寸通过CCD光斑分析仪调节，同时焦斑位置通过四自由度位移平台与CCD分析仪确定。实验中，激光辐照启动时间通过主控MCU控制的舵机快门实现，并在上位机的串口监视器上完成计时功能，舵机快门产生的误差小于1 ms。焊接和固定铁电存储器的玻璃纤维板由四自由度位移平台结合夹具固定，激光经聚焦使焦斑平面作用在铁电存储器上，焦斑直径通过光斑分析仪测量获取，焦斑直径约为100μm。温度场的测量通过美国FLIR公司生产的SC7700BB型红外热像仪实现，该红外热像仪的波长范围为1．5～5．1μm，红外测温范围不大于2 500 K，红外热像仪采集图像数据的更新频率为25 Hz。

2．2 铁电存储器

实验所采用的的铁电存储器为美国RAMTRON公司生产的FM24CL64B_G型非易失性铁电存储器，具有8个引脚，封装类型为SOIC，工作电压介于2．7～3．6 V之间。该型FRAM铁电存储器的存储容量为64 kbit，以高速串行IIC总线进行半双工读写，其中SDA与SDL分别为IIC总线的数据线与时钟线，具备8 192个字节地址，具备支持100 kHz＆400 kHz频率总线通信的能力，工作温度为－40～85℃。图2为铁电存储器FM24CL64B_G的引脚分布示意图。

图2 铁电存储器FM24CL64B的引脚分布示意图Fig．2 PinoutofFM24CL64B

2．3 存储器数据读写系统

读写铁电存储器FRAM的主控MCU采用美国ATMEL公司生产的AVR系列的Atmega328型单片机，AVR系列单片机采用精简指令集(RISC)，片内所有指令运行周期相同，采用流水线结构编译，具有效率高的特点。主频最高可达20 MHz，具备主/从SPI串行接口和IIC二线串行总线接口，完全胜任铁电存储器的读写工作，读写系统采用Atmel Studio集成开发环境。铁电存储器通过IIC总线与MCU进行通信，MCU通过USB转串行接口模块与计算机上位机相连，将读写数据实时反馈到上位机显示出来。通过编程设置，存储器存储的8位二进制数据以每秒10次的速度进行刷新并显示于上位机。图3为铁电存储器读写系统原理框图。

图3 铁电存储器读写系统原理框图Fig．3 FRAM write and read system block diagram

3 辐照实验

利用飞秒脉冲激光辐照模拟空间高能粒子辐射环境诱发铁电存储器的单粒子效应、电输出特性及激光辐照区的热演化，开展了脉冲激光重复频率分别为 1 000，500，333，200，100，50 Hz下垂直辐照铁电存储器诱发单粒子效应的实验测量;并利用红外热像仪对铁电存储器辐照面的温度场进行了实时测量。在实验中，将每两个存储器设为一组，对1 000 Hz的脉冲激光源进行分频，在6种重复频率的输出激光下分别进行辐照，实验前对每一个铁电存储器以相同的程序写入数据，实验分成6组，共进行12次。

写数据时，器件地址设为000，采用单字节写入(Single byte write)的方式将数据存储于铁电存储器中，高有效字节地址取0x01，低有效字节地址取0x10，数据字节取0x95，与上位机交互时串行接口的波特率采用115 200 Bd。在实验中进行数据读取时，采用二进制格式输出，并采用一个读周期结束延时100 ms的方法，达到每秒10次实时测试存储器中数据的变化情况，并通过判断语句来检测数据字节的错误。

实验开始时，由上位机打开串口监视器的同时，串口变量发生变化，控制单片机打开舵机控制的激光快门，使激光垂直辐照于铁电存储器上，舵机快门产生的时间误差已做处理。通过改变脉冲激光的输出重复频率与功率密度、调整光斑直径等，记录首次出现暂态毁伤的时刻、无数据输出的时刻、永久毁伤的时刻以及无错误累积时间等典型时间点，在铁电存储器出现永久性毁伤时，结束实验。

飞秒脉冲激光器以不同的辐照能量作用于待测铁电存储器，红外热像仪经过在实验环境下校正后，置于铁电存储器受辐照表面前方与法线方向夹角为30°，用于采集半导体器件正面的辐照温度，单片机数据读写系统用于判断铁电存储器的读写功能是否出现异常，当读写功能出现异常时，将异常信号传输到数据采集分析系统并对不同的毁伤类型进行归类记录。图4为实验测试系统布局示意图。

图4 测试系统布局示意图Fig．4 Test system layout diagram

4 实验结果及分析

4．1 500 Hz激光输出重复频率下的毁伤效应与热演化

图5为脉冲激光辐照铁电存储器的辐照区域。其中，红颜色圈定范围为激光辐照区域。

以脉冲激光输出重复频率为500 Hz时所采集的实验数据作为典型，分析其辐照温度场。在脉冲激光辐照区域1时，高能量密度的激光将以非线性热传导的方式作用于铁电存储器的表面，热通量大致呈正态分布，中心温度场在0．4 s内达到温度平缓区。随着实验的进行，单片机以每秒10次的频率对铁电存储器进行单字节读操作，在0．61 s时，上位机的串口数据监视器出现了第一次存储数据失真。

图5 脉冲激光辐照铁电存储器的辐照区域。(a)辐照区域1;(b)辐照区域2。Fig．5 Irradiation areas of FRAM irradiated by pulsed laser．(a)Irradiation area 1．(b)Irradiation area 2．

随着实验的持续进行，辐照时间为1．71 s时，铁电存储器的读出数据出现了持续性的错误，并在5个单字节读周期后，串口监视器停止刷新，此后经脉冲激光继续辐照5 s后，确认该铁电存储器试件出现了永久性毁伤。

实验中对铁电存储器首次出现错误和永久毁伤出现时刻的串口监视器分别截图。图6为500 Hz的脉冲激光辐照区域1过程中实验首次出现错误与永久毁伤出现时刻串口监视器的截图。

根据首次暂态毁伤时刻串口数据，发生的数据错误并没有持续进行，并且在一次产生错误的读周期后数据维持正常，所以可将该错误归结为单粒子扰动(Single event disturb，SED)［13-15］，由辐射效应诱导的单粒子效应与热效应同时作用产生，存储单元的逻辑状态发生瞬时改变，并在下一个读周期恢复正常，实际应用中也可通过对存储器重新上电复位恢复。在1．71 s时刻，存储器数据出现第二次错误，可以初步判定为单个位硬错误(Single hard error，SHE)或单粒子功能中断(Single event function interrupt，SEFI)［13-15］，由于本文实验没有采用带电粒子源作为单粒子效应的诱发载体，仅通过飞秒脉冲激光源的辐射效应作用于试件，所以作用FRAM的物理量以激光的热效应与热应力为主，故下文主要采用温度场数据来量化辐射效应的作用。

图6 脉冲激光以500 Hz的输出重复频率辐照区域1时FRAM首次错误与永久毁伤出现时刻串口监视器的截图。(a)首次错误;(b)永久毁伤。Fig．6 Screenshot of the serial portmonitor at the time of the firsterror and permanent damage of the FRAM when the pulsed laser is irradiated with the output recurrence frequency of500 Hz．(a)First error．(b)Permanent damage．

图7 脉冲激光以500 Hz的输出重复频率分别辐照区域1和区域2时首次出现暂态毁伤时刻的三维温度场分布图。(a)辐照区域1;(b)辐照区域2。Fig．7 Distribution image of three-dimensional temperature field at the instant of transient damage when the pulsed laser is irradiated with the output recurrence frequency of 500 Hz for the first and second regions respectively．(a)Irradiation area 1．(b)Irradiation area 2．

图8 脉冲激光以500 Hz的输出重复频率分别辐照区域1和区域2过程中首次出现暂态毁伤时刻的二维温度场的等温线图。(a)辐照区域1;(b)辐照区域2。Fig．8 Isotherm plot of the two-dimensional temperature field at the instant of transient damage when the pulsed laser is irradiated with the output recurrence frequency of500 Hz for the area1 and area 2 respectively．(a)Irradiation area 1．(b)Irradiation area 2．

在500 Hz脉冲激光辐照下，对红外热像仪镜头表面建立直角坐标系，分别截取两次实验中首次出现暂态毁伤时刻温度场的二维数据，通过MATLAB与Origin处理，绘制出三维温度场的分布与二维温度场的等温线图。图7为脉冲激光分别辐照区域1和区域2过程中首次出现暂态毁伤时刻的三维温度场分布图。

图8为脉冲激光分别辐照区域1和区域2过程中首次出现暂态毁伤时刻的二维温度场等温线图。

基于实验观察和实验数据处理，可知铁电存储器的表面温度场的红外温度基本呈正态分布。由图7和图8可以直观地看出温度的分布，由于铁电存储器结构的原因出现了辐照区域2实验中所示的高温区延伸，该物理过程可通过T=f(x，y，t)进行描述［16］，某一时刻的温度梯度可基于实验数据通过grad梯度关系式进行计算。在首次暂态毁伤出现的时刻，记录区域1与区域2的最高温度363℃与336℃的水平方向与竖直方向的温度分布，并绘制出两者在两个方向的温度分布对比图，如图9所示。

图9 脉冲激光以500 Hz的输出重复频率分别辐照区域1和区域2过程中首次出现暂态毁伤时刻最高温度点的水平与竖直分布。(a)辐照区域1;(b)辐照区域2。Fig．9 Horizontaland vertical distribution of the highest temperature point of transient damage moment when the pulsed laser is irradiated with the output recurrence frequency of 500 Hz for the area 1 and area 2 respectively．(a)Irradiation area 1．(b)Irradiation area 2．

在500 Hz典型脉冲激光辐照下，首次暂态毁伤时刻温度最高点的水平方向与竖直方向温度基本遵循正态分布规律。

4．2 不同脉冲激光输出重复频率下辐照FRAM诱发的毁伤效应与热演化

在存储器底层应用中，通过施加电场来读取铁电电容器的存储值。将存储单元翻转到相反状态所需的电荷量，并显示单元的先前状态，意味着读取操作破坏了存储单元状态，并且必须随后进行相应的写入操作，等待总线的应答标志位，以便将该位二进制值写回。这个读取数据的过程被破坏，譬如因存储器宏观上体现的便是读写数据的变化或IIC总线通信中失去应答或存储单元失效而不能进行下个时序操作，上位机便会显示异常。铁电存储器由于其加工精度达到深微米数量级，所以并不能控制激光焦斑精确照射至器件内部结构所在的某一确定的位置，只能依据存储器表面1号与8号引脚的中线将存储器划分为区域1和区域2。在同一频率辐照实验中，1、2、3、4号引脚所在区域定义为区域1，5、6、7、8号引脚所在的区域定义为区域2。表1为不同脉冲激光输出频率下辐照铁电存储器出现首次暂态毁伤和永久毁伤的时间节点。

表1中，X表示存储器时钟损坏，无法继续刷新;首次暂态毁伤时刻表示铁电存储器读数据时第一次出现数据错误的时刻;无数据输出时刻表示上位机串口监视器无正确数据刷新开始的时刻，换言之，上位机仍在刷新读出铁电存储器数据，但数据已出现持续失真;永久毁伤时刻表示上位机停止显示数据的时刻。从表中可以看出，随着重频的降低，出现毁伤的时间大致呈现递减的趋势，但也有部分特例，由于器件结构工艺，内部存在钝化层、金属层、有源区等吸收系数不同的介质层，器件灵敏区分布不均［17］，辐照区域存在误差，导致了激光作用于非灵敏区域，例如500 Hz重频条件下，出现毁伤的时间明显低于1 000 Hz条件下区域2的毁伤出现时间。图10为铁电存储器在辐照环境下串口在刷新读出数据时的几种典型状态。

由图10获得的数据截图提取部分辐射效应对存储器数据读取的造成典型影响的例子可以看出，串口数据截图10(a)显示了由于辐射效应诱导的单粒子扰动造成串口数据出现了瞬时的改变;图10(b)显示了存储器的数据读取在辐射效应诱导的单粒子效应下的持续性的数据紊乱;图10(c)则体现了在存储器读取时，IIC总线已经失去了应答能力，读取的存储器数据皆为0;图10(d)体现了当存储器时钟没有受到损坏时，数据已无法读出，MCU在读操作过程中仅能实现时钟信号的交互。结合表中数据，部分实验是在没有暂态毁伤出现时出现永久毁伤的。实验中出现的短暂的可恢复性的数据失真通常是由单粒子扰动造成;而无数据输出现象出现时，当时钟信号仍然存在时说明存储器数据地址出现了不可逆转的损坏，当时钟信号中断时，此时的毁伤可以界定为单粒子功能中断(Single event function interrupt，SEFI)［14-15］。所以可得出结论，图10(a)现象的暂态毁伤具有可恢复性，其余情况往往具有不可逆转性。

表1 不同脉冲激光输出重复频率下辐照FM 24CL64B_G铁电存储器出现首次暂态毁伤和永久毁伤的时间节点Tab．1 First transient damage and permanent damage of the FM24CL64B_G at different pulsed laser output recurrence frequencies

图10 FRAM数据读取时4种典型错误状态。(a)单粒子翻转;(b)单粒子闩锁;(c)单粒子闩锁;(d)单粒子闩锁。Fig．10 Four typical error conditionswhen reading FRAM data．(a)Single event reversal．(b)Single event latch-up．(c)Single event latch-up．(d)Single event latch-up．

通过实验数据采集可以看出，在辐照实验中，区域2首次出现暂态毁伤和永久毁伤的时刻均晚于区域1。由此可得出结论:对于FM24CL64B_G型铁电存储器，在相同空间辐照环境下，辐照区域1比区域2有更大的毁伤概率。由于激光器的内部光路中功率的损耗使激光重复频率与平均输出功率并不是线性关系，故无法得出重复频率与辐射剂量率或温度场最高温度的精准对应关系来解释重复频率与辐照时的极端作用条件的关系，只能根据激光功率计进行测量。表2为不同激光输出重复频率对应的激光平均输出功率及最高红外辐射温度。

根据不同重复频率实验条件下测量得到的铁电存储器表面在辐照区域1、区域2的中心温度场的最高辐射温度数据，根据黑体辐射理论中能量通量与辐射频率的关系，提出并建立非线性回归模型用以描述最高温度与激光输出重复频率的关系:

表2 不同激光输出重复频率与对应激光平均输出功率、最高红外辐射温度Tab．2 Different laser output frequency and corresponding average laser output power，highest infrared radiation temperature

其中，Tn(x)为不同激光输出重复频率下对应的作用目标位置处的辐射温度，n=1，2分别代表辐照区域，其中x为自变量，表示激光输出频率;an、bn和cn分别为回归参数，且an、bn和cn均大于0。基于对两个激光辐照区域的温度场的数据采集和处理，通过非线性最小二乘法进行数据拟合。图11为不同辐照区域下中心温度场的最高辐射温度与激光输出频率的拟合关系曲线。

图11 不同辐照区域下中心温度场的最高温度与激光输出重复频率的拟合关系曲线Fig．11 Curve of the fitting relationship between the maximum temperature of the central temperature field and the laser output recurrence frequency under different irradiation areas

通过对回归参数的计算和假设检验，在置信度1－α为95%的条件下，激光辐照区域1与区域2的最高辐射温度与激光输出频率满足如下关系式:

根据激光辐照区域温度场的数据采集，在温度最高的10%中、焦斑中心区域内任意选取一点，由于铁电存储器在不同激光输出频率下出现永久失效的时间不同，另外，由于数据维度的限制，所以只选取了0～6．5 s内铁电存储器在飞秒脉冲激光辐照下的热演化过程。图12为不同辐照区域下中心温度场的最高温度与激光输出重复频率的时程曲线。

图12 不同辐照区域下中心温度场的最高温度与激光输出频率的时程曲线。(a)辐照区域1;(b)辐照区域2。Fig．12 Time-history plots of themaximum temperature and the laser output frequency of the central temperature field under different irradiation areas．(a)Irradiation area 1．(b)Irradiation area 2．

由图12可以看出:当激光输出重复频率较高时，焦斑中心区域的温度以非常快的速度上升，而后进入一个温度变化平缓的区域，这个过程基本不超过1 s，而实验中大部分铁电存储器首次出现暂态毁伤的时刻发生在小于1 s的时间内，主要归因于飞秒脉冲激光模拟空间辐照时的热辐射与激光支持爆轰波(Laser-supported detonation wave)带来的毁伤，并伴有高能带电粒子对底层存储单元的破坏。随着激光输出重复频率的降低，温度场的中心温度进入温度平缓区的耗时逐渐变长［18］。在激光输出频率低于200 Hz时，热辐射与热应力的作用减弱，烧蚀痕迹也逐渐减弱，此时激光辐照诱导的单粒子效应对铁电存储器存储单元中铁电体自发极化［19］带来的影响是造成铁电存储器读出数据出现错误的主要原因，故可以看出永久毁伤出现的时间远长于激光输出频率大于200 Hz的情况。当激光频率低于100 Hz时，由于该型铁电存储器工作温度为－40～85℃，实验中存储器表面温度始终维持在最高工作温度附近，此时激光使介质与器件电离产生的带电粒子诱导的单粒子效应所衍生的总剂量效应或许为铁电存储器失效的主要原因。图13为不同辐照区域下边缘温度场的最高温度与激光输出频率的时程曲线(边缘温度场采样点为温度最低的10%区域内任意定点)。

图13 不同辐照区域下边缘温度场的温度与激光输出频率的时程曲线。(a)辐照区域1;(b)辐照区域2。Fig．13 Time-history plots of temperature and laser output frequency of the lower edge temperature field in different irradiation regions．(a)Irradiation area 1．(b)Irradiation area 2．

由图13可以看出，边缘温度场在小于1 s的辐照时间内达到稳定变化的状态，与中心温度场温度演化规律基本一致，没有温度突变现象，故未来铁电存储器抗辐射效应衍生的热效应防护加固应以中心温度场最高温度作为参考阈值。由于实验条件所限并没有对电荷量进行实验测量，所以在频率相对较低的激光辐照实验条件下，铁电存储器工作温度上限为出现永久失效的临界条件，但实验数据显示温度上限工作条件并不能使存储器正常工作很久。

5 结 论

利用飞秒脉冲激光模拟空间高能粒子辐照铁电存储器(FRAM)，主要针对不同激光输出功率、铁电存储器不同辐照区域，开展了飞秒脉冲激光辐照铁电存储器诱导的单粒子效应和热演化特征实验，进而为铁电存储器在空间辐照环境中产生的单粒子效应和热演化特征提供数据支撑，得出如下结论:

(1)随着飞秒脉冲激光脉冲重复频率的逐渐降低，使存储器出现永久毁伤所需要的时间也越长;随着激光输出重复频率的增大，激光对铁电存储器的作用由激光电离存储器介质产生的高能带电粒子诱导的单粒子效应对铁电体自发极化的破坏为主，逐步转变为以热辐射与热应力诱发的毁伤;当激光在器件表面产生的最高温度接近存储器最高工作温度时，永久毁伤的发生时间将显著延长。

(2)通过对回归参数的计算和假设检验，给出了回归参数的置信度1－α为95%的条件下激光辐照区域1与区域2的最高辐射温度与激光输出频率的关系式。

(3)实验所得到的飞秒脉冲激光辐照铁电存储器诱发的单粒子效应、辐照区域的热演化特征以及电输出特性，将为激光辐照铁电存储器诱发的热应力提供技术支持。