基于激光不同加载方式下CCD损伤特性的时间演化规律

韩 敏，聂劲松，豆贤安，王 玺，孙 可

(脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽合肥 230037)

1 引 言

电荷耦合器件(Charge-coupled device，简称CCD)是一种半导体成像器件，被广泛运用于光学成像系统和探测系统中。激光的干扰和破坏易使它不能正常工作，因此，开展激光对CCD探测器的干扰及损伤机理研究具有十分重要的意义。

研究表明，强激光对CCD的损伤有3个阶段:点损伤、线损伤和完全损伤，对于实验现象和损伤机理已经有了大量的研究［1-12］。2011年，毕娟建立了1．06μm脉冲激光辐照光敏单元的有限元模型，解释了光敏层硬破坏的机理［2］;2013年，聂劲松利用有限元法对1．06μm激光辐照CCD探测器的温度场和应力场进行了数值模拟，进一步阐述了CCD的损伤机理［5］。2015 年，Li［8］通过三维仿真毫秒级Nd∶YAG激光辐照CCD探测器多层结构，发现CCD损伤的主要原因是热损伤和热应力损伤，铝膜层的剥落产生漏电流，硅基板的塑性变形使暗电流大量增加，CCD功能性损伤是由于铝膜的熔融和硅绝缘层的断裂。2016年，Li［9］实验研究了脉冲激光照射CCD探测器的损伤机理，结果表明，熔融现象是热损伤，温度梯度变化使得探测器的边缘产生隆起，硅基底层的损伤造成CCD探测器功能损失。2017年，Chen研究了长脉冲激光硅材料的模型，通过对其温度和热应力分布的求解，结果显示，硅材料表面的温度和压应力是最高的，随着深度的增加，都逐渐下降［10］。

然而上述模型主要是激光对硅结构的损伤，而忽略了微透镜聚光、遮光铝膜开口率对损伤进程的影响，认为激光直接作用于金属遮光层和平行入射在感光层［2，11］，更没有分析CCD多层结构的层层损伤进程。本文总结前人经验，结合文献［12］前期实验的结论，根据CCD的实际结构和工作原理，综合考虑了微透镜的聚焦、遮光铝膜的开口率、Al膜对光的低吸收率和硅材料相变等因素对激光辐照CCD探测器的影响，理论分析了CCD多层结构的层层损伤机理，并得到了层层损伤时间阈值。仿真与实验相互印证，且误差较小。

2 理论模型

典型CCD探测器由一系列排列紧密的MOS结构的电容器组成，其MOS结构的移位寄存器上覆盖有一层遮光铝膜，像元表面一般都覆有微透镜阵列，如图1(a)所示。微透镜一般由聚酯亚胺(PI)制成，对1．06μm激光透过率几乎达到100%，当激光照射CCD表面时，微透镜阵列将光束汇聚，使绝大部分激光直接辐照于硅光电二极管上。由于SiO2绝缘层很薄，且对1．06μm激光高透，而硅基底对 1．06μm的激光吸收率为67%［13］，因此，近似认为激光直接辐照到Si基底上，只被基底硅材料吸收。选取的CCD探测器型号是 SONY—ICX405AL(对角线6 mm，类型1/3)，通过合理的简化，建立模型，自上而下分别为:微透镜阵列层3μm、遮光铝膜层1μm、SiO2层0．5 μm、硅电极层 0．5 μm、SiO2绝缘层 0．2 μm、硅基底层150μm，如图1(b)所示。取入射到CCD表面的激光功率密度为I=5×104W·cm－2，入射激光光斑半径ω0=100μm。

图1 (a)CCD基本结构示意图;(b)CCD仿真模型示意图。Fig．1 (a)Structure of typical CCD．(b)Model of CCD detector irradiated by laser．

激光辐照过程中，模型满足傅里叶热传导方程［14］:

激光加载边界条件:

设入射激光为高斯分布，t=0时刻正入射到芯片表面，则入射到Si基底材料表面的激光功率密度I为:

其中，I0为光斑中心的功率密度。由公式(3)在光斑内进行积分，推导得:

P为激光作用时光斑内的平均功率。硅材料对1．06μm激光的反射率R=0．33，吸收系数为α=800 cm－1，材料对激光的吸收为体吸收，则公式表达为［8］:

综合考虑传热过程中芯片上表面和空气之间的热辐射和对流，取对流换热系数h=5W/(m2·K)，模型其他边界为绝热条件。模型的初始条件为:

激光辐照CCD芯片时产生空间非均匀的温度场，芯片不同区域受热膨胀的大小不同，从而引发热应力。根据热弹性理论、应力平衡方程、应力应变几何方程及广义胡克定律，可解得各热应力分量为［14］:

其中，σr、σθ、σz分别为径向、环向和轴向热应力，β为热膨胀系数，E为杨氏模量，γ为泊松比，R0为芯片径长。r是径向方向，z是激光入射方向。将温度场代入表达式即得热应力分布。各层材料均匀且各向同性，材料的各项热学和力学参数取为常数，则材料的性能参数如表 1 所示［11］。

表1 各层材料的属性Tab．1 Performance parameters of thematerial

3 数值模拟

在CCD层层损伤的进程中，随着损伤时间的推移，CCD多层结构逐渐被破坏，由于CCD各层结构的材料不同且微结构复杂，因此CCD的不同损伤程度对激光的吸收方式和吸收程度也在不断地变化。根据其多层结构的损伤情况，将激光的加载方式分为3个阶段:(1)当连续激光辐照在CCD芯片表面时，微透镜聚焦光束于感光层，激光的能量被感光单元吸收，为微透镜聚焦阶段;(2)微透镜损伤后失去聚焦能力，入射激光直接辐照在遮光Al膜层，大部分能量被Al膜反射，小部分能量穿过周期性开孔入射到感光层被吸收，为微透镜的熔融阶段;(3)激光持续作用，当Al膜熔融损伤后，大部分激光将透过SiO2层辐照在硅电极上，小部分激光透过周期性开孔入射到感光层被吸收，为遮光铝膜熔融剥落阶段。在该过程中，CCD经历点损伤、纵向亮线损伤、横向暗线损伤和完全损伤4个过程。

3．1 微透镜聚焦阶段

激光辐照CCD探测器时，成像镜头将光束汇聚到CCD表面微透镜上，微透镜聚焦光束至感光层。当CCD表面的激光功率密度I=5×104W·cm－2、辐照时间为0．40 s时，其轴线温度分布如图2所示。感光单元中SiO2层极薄，对1．06μm激光高透，且硅材料对1．06μm激光的吸收率为67%［13］，也就是说，硅基底上表面直接吸收光源，因此其温度最高。随着热量的传导，从硅基底到微透镜层温度呈现出阶跃式下降，因材料导热系数的差异，递减幅度不同。

微透镜PI层是一种高分子材料，对1．06μm激光高透，可以长期工作在温度470 K左右的环境中。当温度升高到710 K左右，微透镜就会出现玻璃化熔融，并发生化学分解。微透镜PI层由于熔点较低最先达到熔点，开始熔融损伤。可以认为激光辐照0．40 s时，CCD发生点损伤。

图2 轴线温度分布(t=0．40 s)Fig．2 Thermal distribution along themodel axis(t=0．40 s)

微透镜熔融损伤，逐渐失去聚焦光束的能力，随着损伤时间的推移，熔融面积不断扩大。当辐照时间为0．45 s时，微透镜上表面的温度分布如图3所示。微透镜上表面的温度分布近似为高斯型，此时微透镜大面积熔解，熔融半径已经达到了100μm(激光光斑半径为100μm)。因此，此后微透镜将失去对入射光束的汇聚作用。

图3 微透镜上表面的温度分布图(t=0．45 s)Fig．3 Temperature distribution on the surface of the microlens when the irradiation time is 0．45 s

3．2 微透镜熔融阶段

微透镜熔融损伤，失去聚焦作用后，激光直接辐照在遮光铝膜上，铝膜开口率为30%［13］，且对光的反射率为92%，这使得CCD吸收激光的能量减少。激光持续作用，铝膜层的温度缓慢升高，当辐照时间为4．50 s时，铝膜中心处的温度达到其熔点932 K，铝膜熔融，其与SiO2周期结构层接触面的温度、应力分布情况如图4所示。

图4 (a)铝膜上表面压应力分布(t=4．50 s);(b)铝膜与SiO2层接触面的温度和应力分布(t=4．50 s)。Fig．4(a)Surface compressive stress distribution on the aluminum film．(b)Stress distribution along the interface between the shading aluminum film and SiO2 layer(t=4．50 s)．

由图4可知，遮光铝膜与SiO2层交界面边缘处的最大拉伸应力达到400 MPa，已经与Al-SiO2层间附着力的量级相当［5］。此时，虽然遮光铝膜边缘的温度值未达到其熔点932 K，但边缘处的铝膜在应力的作用下开始脱离SiO2周期结构层。在激光辐照区域( －0．1 mm ＜y＜0．1 mm)，拉伸应力稳定在50 MPa左右，在接近激光辐照区域边缘处有明显的突变情况。Al-SiO2接触面的温度场分布近似呈高斯形，在遮光铝膜的中心区域温度值超过其熔点，此时，熔融的铝膜在拉伸应力的作用下不断隆起，未熔融的铝膜在应力的作用下拉伸撕裂。在热应力和热熔融的共同作用下，铝膜层开始大面积熔融剥落，并伴随着大量裂纹的产生。铝膜熔融蜷曲，与SiO2分离，激光通过铝膜边缘反射、衍射进入垂直移位寄存器，造成漏光现象，在不同的驱动电压下，产生电极间的漏电流。漏光现象和漏电流使载流子明显增加，在CCD的竖直方向拉出线状，表现为实验中观察到的纵向亮线［12］。因此可以认为4．50 s是CCD发生纵向亮线损伤的时间阈值。

3．3 遮光铝膜熔融剥落阶段

随着铝膜不断熔解剥落，当激光辐照4．65 s时，铝膜的熔融半径达到了100μm，也就是说，辐照区内的铝膜已经完全熔融脱落。此时，失去了铝膜的保护，绝大多数的激光将直接辐照在硅电极上表面。硅材料对1．06μm激光吸收较强，短时间内，硅电极上表面温度急剧升高。图5为硅电极上表面中心处温度随时间的变化，其变化趋势主要分为3个阶段:微透镜聚焦阶段、微透镜熔融阶段和铝膜熔融剥落阶段。微透镜熔融失去聚光能力，且铝膜对激光高反，使得CCD温升速率降低，当铝膜熔融剥落后，温升速率有所提高。图5中，当激光辐照时间为5．88 s时，硅电极上表面的温度达到硅的熔点1 685 K。此时，内层原本分立的多晶硅电极因激光辐照而熔融，造成布线电路的损伤，产生暗电流，导致部分像元中的电荷无法转移，从而形成横向暗线［12］。因此可以认为激光辐照5．88 s时CCD发生横向暗线损伤。

图5 硅电极上表面中心处温度分布随时间的变化关系Fig．5 Temperature distribution on the surface center of the silicon electrode with time

激光继续作用，硅电极温度急剧升高，而SiO2导热系数较小，使得上层硅电极和下层硅基底的温差变化较大，进而造成热应力的急剧变化。激光辐照6．02 s时，SiO2绝缘层的上表面的剪切应力的分布情况如图6所示。

SiO2绝缘层上下表面剪切应力随y轴的分布如图6所示。在激光辐照区域，SiO2绝缘层上下表面出现了一对剪切应力，由中心向边缘逐渐递减，呈旋转对称分布，但在模型边缘处急剧增大。硅材料的力学性能主要表现为两个方面:脆性断裂和塑性变形。按照CCD的工作原理，一旦SiO2绝缘层被击穿，驱动电极和半导体之间便会短路，则CCD将彻底失效［15］。仿真表明，随着作用时间的推移，剪切应力逐渐增大，当辐照时间为6．02 s时，SiO2绝缘层上下表面的剪切应力稳定在60 MPa。由于SiO2的脆性较大，塑性很弱，此时厚度仅为0．2μm的SiO2绝缘层因受剪切而出现裂纹。由于SiO2绝缘层因剪切力的作用已撕裂受损，这样便使得熔融的硅电极与硅基底导通，造成CCD短路，输出图像为全黑屏［12］，即CCD彻底失效。因此，可以认为CCD完全损伤的时间阈值为6．02 s。

图6 (a)SiO2绝缘层上表面剪切应力分布示意图;(b)SiO2绝缘层上下表面剪切应力分布(t=6．02 s)。Fig．6 (a)Shear stress distribution on the surface of SiO2．(b)Shearing force distribution on upper surface and lower surface of SiO2 when time is 6．02 s．

4 实验与仿真对比

综上所述，微透镜聚焦光束阶段，激光直接入射感光层，整个CCD探测器温度逐渐升高，但微透镜由于熔点较低，最先开始损伤，即微透镜的熔融分解，CCD表现为点损伤;微透镜熔融阶段，失去聚光能力，CCD吸收入射激光的能量降低，温升速率减慢，在应力损伤和熔融损伤共同作用下，铝膜层熔融剥落，表现为纵向亮线损伤;铝膜层熔融剥落阶段，激光直接辐照在硅电极上，硅电极上表面熔融，造成布线电路的损伤，导致部分像元中的电荷无法转移，从而形成实验中的横向暗线损伤;最后，SiO2绝缘层受剪切应力而断裂，使得硅电极和硅基底相互导通，造成CCD的完全损伤。损伤情况与实验结果基本一致，证明了所建模型的有效性。

依据上述分析结果，汇总得到实验与仿真中CCD的层层损伤时间阈值，如表2和图7所示。

表2 1．06μm连续激光损伤 CCD探测器(SONYICX405AL)的时间阈值Tab．2 Time threshold of CCD detector irradiated by 1．06 μm continuous laser

图7 CCD各个损伤阶段时间阈值的实验与仿真对比Fig．7 Comparison of the time threshold between experiment and simulation

根据数值仿真和实验测量的数据，CCD多层结构层层损伤进程的趋势是一致的。由图7可知，数值仿真中各个阶段的损伤时间比实验中实际损伤时间短，但各个阶段的损伤时间误差较小，这很好地证明了所建模型的准确性。在CCD探测器的损伤实验中，CCD多层结构从点损伤到纵向亮线损伤的时间相对较长，主要原因是微透镜熔融损伤，失去聚焦功能后，绝大多数激光能量被遮光铝膜反射，使得探测器温升速率降低，能量累积较慢。数值仿真中，CCD从纵向亮线损伤阶段到达横向暗线损伤阶段的时间非常相近，实验结果也恰好体现了这一点。

CCD多层结构损伤时间阈值的实验与仿真相互印证，其趋势较为一致，但是也存在一定的误差。现分析原因总结如下:一是激光分段加载仍具有一定的局限性。多层结构的损伤过程中，实际情况下微透镜的损伤区域是一个逐渐变大的过程，仿真中以损伤半径到达光斑半径时作为更换激光入射CCD探测器的一个依据，缺乏考虑损伤半径随时间的动态变化。二是实际损伤进程中多层结构受损的残留物会阻碍激光的入射。CCD多层结构受激光辐照时表现为损伤半径的不断扩大，实际损伤进程中，受热熔融和热应力共同作用，会有大量的熔融物、沉积物产生，阻碍激光的吸收。

5 结 论

本文以热传导方程和热弹性力学方程为基础，建立了1．06μm连续激光辐照CCD六层结构的热力耦合数学物理模型。综合考虑了微透镜的聚焦、遮光铝膜的开口率、Al膜对光的低吸收率和硅材料相变等因素的影响，通过对激光不同加载阶段进行有限元数值求解，以及与实验的对比分析，研究了多层结构的损伤顺序和损伤机理，得到了层层损伤时间阈值。

结果表明，连续激光损伤CCD的过程主要以热熔融损伤和热应力损伤为主。微透镜聚焦光束阶段，激光直接入射感光层，CCD多层结构中微透镜由于熔点较低，最先开始熔融分解，CCD表现为点损伤;微透镜熔融阶段，失去聚光能力，激光入射受阻，CCD温升速率减慢，在应力损伤和熔融损伤共同作用下，铝膜层熔融剥落，表现为纵向亮线损伤;铝膜层熔融剥落阶段，激光直接辐照在硅电极上，硅电极上表面熔融，造成布线电路的损伤，导致部分像元中的电荷无法转移，从而形成实验中的横向暗线损伤;最后，SiO2绝缘层受剪切应力而断裂，使得熔融的硅电极和硅基底相互导通，此时CCD完全损伤。