MEMS电容式加速度计的敏感结构的电离辐照退化机理及其加固技术研究

Radiation tolerant MEMS accelerometers are widely used in the application of aerospace navigation and strategic weapons. The reported researches are mostly concentrated on study of radiation degradation effects and radiation hardness of integrated circuit (IC), while MEMS sensing part is normally believed to be insensitive to radiation. However, when the failure criterion is defined by high measuring accuracy in practice, the radiation failure threshold of MEMS accelerometer will be largely reduced, thus bringing forward the requirement of understanding the radiation failure mechanism and acquiring radiation hardness techniques of MEMS sensing part. In order to solve this problem, this project will focus on ionizing radiation damage. We propose to investigate the ionizing damage effect of MEMS materials by using semiconductor parameter analyzer and cross-section micro & nano characterization techniques. A modeling platform bridging the gap between Monte-Carlo calculation and MEMS field-circuit co-simulation will be established to analyze the relationship between radiation dose and MEMS device output drift. Furthermore, radiation hardness techniques based on the understanding of degradation mechanisms, including dielectric layer isolation designs and interface passivation processes, will be proposed and validated to obtain a final radiation tolerant MEMS sensing chip. The potential results of this proposal will play an important supporting role for MEMS accelerometers’ usage in future space and military tasks.

抗辐射的MEMS加速度计在航天导航和战略武器中上有着广泛的应用。当前的科学研究主要集中在集成电路的辐照退化效应和抗辐加固技术上，并普遍的认为MEMS敏感结构是抗辐射的。但是以实际应用中的高测量精度要求作为失效判断，将会大大的降低MEMS加速度计的辐照失效阈值，从而牵引出更一步深入认识MEMS敏感结构的辐照退化机理并掌握其加固技术的需求。针对该问题，本项目拟先聚焦于电离辐照损伤：采用半导体参数检测和截面微纳表征技术来研究MEMS材料的电离损伤效应；搭建蒙特卡罗计算和MEMS场路耦合仿真之间的桥梁，建立起辐照剂量-MEMS器件输出漂移的仿真评估平台；提出并验证基于退化机理认识的抗辐照加固技术（包含介电层屏蔽的结构设计和界面钝化工艺），最终获得具有抗辐照性能的MEMS敏感芯片。其研究成果将会对MEMS加速度计未来圆满的完成空间任务和军事任务提供重要支撑。

抗辐射的MEMS加速度计在航天飞行器和战略武器中上有着广泛的应用。当前的抗辐射加固技术研究主要集中在MEMS器件的测控电路上，对于MEMS敏感结构的辐照退化机理还缺乏深入的认识。由于MEMS器件的敏感结构和测控电路必须要配合在一起工作，目前研究的难点在于如何准确的辨别出MEMS敏感结构在整表中所贡献的辐照退化量占比，明确其辐照退化机理，并掌握有效的抗辐照加固技术。针对该问题，本论文首先开发出了一种针对MEMS器件分部件的辐照退化测量技术，成功的提取出MEMS敏感结构所产生的辐照退化量，其贡献的漂移量占整表辐照漂移量的9.1%左右，经线性拟合得到其辐照退化速率为5.59mg/1000Gy。然后采用专门制备的对照MEMS芯片和微纳表征测量的方法来分析其退化机理，发现MEMS敏感结构的辐照退化效应并不是来自于寄生电容，而是来自于可动极板界面的薄氧化层的充电效应。这些薄氧化层俘获的电荷会对MEMS可动质量块产生一个附加的静电力，从而导致MEMS加速度计的输出漂移。接下来，基于仿真分析的手段对MEMS敏感结构的辐照退化效应认识进行了验证，得出了电离辐照注入陷阱电荷导致的加速度计零位漂移仿真值，和实测值具有较好的吻合性，证明了仿真分析的有效性。最后针对该辐照退化机理，提出了一个改进型的硅-硅键合工艺，能够将界面氧化层的厚度由初始的10nm降低到3.5nm。经过对比辐照试验，发现能将MEMS敏感结构的辐照退化量降低到原有退化量的37.7%，证明了良好的改进效果。综上所述，本项目深入、系统的研究了MEMS敏感结构的电离辐照退化机理和抗辐照加固技术，获得的成果可以直接应用于后续的军用MEMS器件抗辐射加固改进工作。