基于激光不同加載方式下CCD損傷特性的時(shí)間演化規(guī)律

韓 敏，聶勁松，豆賢安，王 璽，孫 可

(脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230037)

1 引 言

電荷耦合器件(Charge-coupled device，簡(jiǎn)稱CCD)是一種半導(dǎo)體成像器件，被廣泛運(yùn)用于光學(xué)成像系統(tǒng)和探測(cè)系統(tǒng)中。激光的干擾和破壞易使它不能正常工作，因此，開(kāi)展激光對(duì)CCD探測(cè)器的干擾及損傷機(jī)理研究具有十分重要的意義。

研究表明，強(qiáng)激光對(duì)CCD的損傷有3個(gè)階段:點(diǎn)損傷、線損傷和完全損傷，對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和損傷機(jī)理已經(jīng)有了大量的研究［1-12］。2011年，畢娟建立了1．06μm脈沖激光輻照光敏單元的有限元模型，解釋了光敏層硬破壞的機(jī)理［2］;2013年，聶勁松利用有限元法對(duì)1．06μm激光輻照CCD探測(cè)器的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，進(jìn)一步闡述了CCD的損傷機(jī)理［5］。2015 年，Li［8］通過(guò)三維仿真毫秒級(jí)Nd∶YAG激光輻照CCD探測(cè)器多層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)CCD損傷的主要原因是熱損傷和熱應(yīng)力損傷，鋁膜層的剝落產(chǎn)生漏電流，硅基板的塑性變形使暗電流大量增加，CCD功能性損傷是由于鋁膜的熔融和硅絕緣層的斷裂。2016年，Li［9］實(shí)驗(yàn)研究了脈沖激光照射CCD探測(cè)器的損傷機(jī)理，結(jié)果表明，熔融現(xiàn)象是熱損傷，溫度梯度變化使得探測(cè)器的邊緣產(chǎn)生隆起，硅基底層的損傷造成CCD探測(cè)器功能損失。2017年，Chen研究了長(zhǎng)脈沖激光硅材料的模型，通過(guò)對(duì)其溫度和熱應(yīng)力分布的求解，結(jié)果顯示，硅材料表面的溫度和壓應(yīng)力是最高的，隨著深度的增加，都逐漸下降［10］。

然而上述模型主要是激光對(duì)硅結(jié)構(gòu)的損傷，而忽略了微透鏡聚光、遮光鋁膜開(kāi)口率對(duì)損傷進(jìn)程的影響，認(rèn)為激光直接作用于金屬遮光層和平行入射在感光層［2，11］，更沒(méi)有分析CCD多層結(jié)構(gòu)的層層損傷進(jìn)程。本文總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合文獻(xiàn)［12］前期實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，根據(jù)CCD的實(shí)際結(jié)構(gòu)和工作原理，綜合考慮了微透鏡的聚焦、遮光鋁膜的開(kāi)口率、Al膜對(duì)光的低吸收率和硅材料相變等因素對(duì)激光輻照CCD探測(cè)器的影響，理論分析了CCD多層結(jié)構(gòu)的層層損傷機(jī)理，并得到了層層損傷時(shí)間閾值。仿真與實(shí)驗(yàn)相互印證，且誤差較小。

2 理論模型

典型CCD探測(cè)器由一系列排列緊密的MOS結(jié)構(gòu)的電容器組成，其MOS結(jié)構(gòu)的移位寄存器上覆蓋有一層遮光鋁膜，像元表面一般都覆有微透鏡陣列，如圖1(a)所示。微透鏡一般由聚酯亞胺(PI)制成，對(duì)1．06μm激光透過(guò)率幾乎達(dá)到100%，當(dāng)激光照射CCD表面時(shí)，微透鏡陣列將光束匯聚，使絕大部分激光直接輻照于硅光電二極管上。由于SiO2絕緣層很薄，且對(duì)1．06μm激光高透，而硅基底對(duì) 1．06μm的激光吸收率為67%［13］，因此，近似認(rèn)為激光直接輻照到Si基底上，只被基底硅材料吸收。選取的CCD探測(cè)器型號(hào)是 SONY—ICX405AL(對(duì)角線6 mm，類(lèi)型1/3)，通過(guò)合理的簡(jiǎn)化，建立模型，自上而下分別為:微透鏡陣列層3μm、遮光鋁膜層1μm、SiO2層0．5 μm、硅電極層 0．5 μm、SiO2絕緣層 0．2 μm、硅基底層150μm，如圖1(b)所示。取入射到CCD表面的激光功率密度為I=5×104W·cm－2，入射激光光斑半徑ω0=100μm。

圖1 (a)CCD基本結(jié)構(gòu)示意圖;(b)CCD仿真模型示意圖。Fig．1 (a)Structure of typical CCD．(b)Model of CCD detector irradiated by laser．

激光輻照過(guò)程中，模型滿足傅里葉熱傳導(dǎo)方程［14］:

激光加載邊界條件:

設(shè)入射激光為高斯分布，t=0時(shí)刻正入射到芯片表面，則入射到Si基底材料表面的激光功率密度I為:

其中，I0為光斑中心的功率密度。由公式(3)在光斑內(nèi)進(jìn)行積分，推導(dǎo)得:

P為激光作用時(shí)光斑內(nèi)的平均功率。硅材料對(duì)1．06μm激光的反射率R=0．33，吸收系數(shù)為α=800 cm－1，材料對(duì)激光的吸收為體吸收，則公式表達(dá)為［8］:

綜合考慮傳熱過(guò)程中芯片上表面和空氣之間的熱輻射和對(duì)流，取對(duì)流換熱系數(shù)h=5W/(m2·K)，模型其他邊界為絕熱條件。模型的初始條件為:

激光輻照CCD芯片時(shí)產(chǎn)生空間非均勻的溫度場(chǎng)，芯片不同區(qū)域受熱膨脹的大小不同，從而引發(fā)熱應(yīng)力。根據(jù)熱彈性理論、應(yīng)力平衡方程、應(yīng)力應(yīng)變幾何方程及廣義胡克定律，可解得各熱應(yīng)力分量為［14］:

其中，σr、σθ、σz分別為徑向、環(huán)向和軸向熱應(yīng)力，β為熱膨脹系數(shù)，E為楊氏模量，γ為泊松比，R0為芯片徑長(zhǎng)。r是徑向方向，z是激光入射方向。將溫度場(chǎng)代入表達(dá)式即得熱應(yīng)力分布。各層材料均勻且各向同性，材料的各項(xiàng)熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)取為常數(shù)，則材料的性能參數(shù)如表 1 所示［11］。

表1 各層材料的屬性Tab．1 Performance parameters of thematerial

3 數(shù)值模擬

在CCD層層損傷的進(jìn)程中，隨著損傷時(shí)間的推移，CCD多層結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，由于CCD各層結(jié)構(gòu)的材料不同且微結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此CCD的不同損傷程度對(duì)激光的吸收方式和吸收程度也在不斷地變化。根據(jù)其多層結(jié)構(gòu)的損傷情況，將激光的加載方式分為3個(gè)階段:(1)當(dāng)連續(xù)激光輻照在CCD芯片表面時(shí)，微透鏡聚焦光束于感光層，激光的能量被感光單元吸收，為微透鏡聚焦階段;(2)微透鏡損傷后失去聚焦能力，入射激光直接輻照在遮光Al膜層，大部分能量被Al膜反射，小部分能量穿過(guò)周期性開(kāi)孔入射到感光層被吸收，為微透鏡的熔融階段;(3)激光持續(xù)作用，當(dāng)Al膜熔融損傷后，大部分激光將透過(guò)SiO2層輻照在硅電極上，小部分激光透過(guò)周期性開(kāi)孔入射到感光層被吸收，為遮光鋁膜熔融剝落階段。在該過(guò)程中，CCD經(jīng)歷點(diǎn)損傷、縱向亮線損傷、橫向暗線損傷和完全損傷4個(gè)過(guò)程。

3．1 微透鏡聚焦階段

激光輻照CCD探測(cè)器時(shí)，成像鏡頭將光束匯聚到CCD表面微透鏡上，微透鏡聚焦光束至感光層。當(dāng)CCD表面的激光功率密度I=5×104W·cm－2、輻照時(shí)間為0．40 s時(shí)，其軸線溫度分布如圖2所示。感光單元中SiO2層極薄，對(duì)1．06μm激光高透，且硅材料對(duì)1．06μm激光的吸收率為67%［13］，也就是說(shuō)，硅基底上表面直接吸收光源，因此其溫度最高。隨著熱量的傳導(dǎo)，從硅基底到微透鏡層溫度呈現(xiàn)出階躍式下降，因材料導(dǎo)熱系數(shù)的差異，遞減幅度不同。

微透鏡PI層是一種高分子材料，對(duì)1．06μm激光高透，可以長(zhǎng)期工作在溫度470 K左右的環(huán)境中。當(dāng)溫度升高到710 K左右，微透鏡就會(huì)出現(xiàn)玻璃化熔融，并發(fā)生化學(xué)分解。微透鏡PI層由于熔點(diǎn)較低最先達(dá)到熔點(diǎn)，開(kāi)始熔融損傷。可以認(rèn)為激光輻照0．40 s時(shí)，CCD發(fā)生點(diǎn)損傷。

圖2 軸線溫度分布(t=0．40 s)Fig．2 Thermal distribution along themodel axis(t=0．40 s)

微透鏡熔融損傷，逐漸失去聚焦光束的能力，隨著損傷時(shí)間的推移，熔融面積不斷擴(kuò)大。當(dāng)輻照時(shí)間為0．45 s時(shí)，微透鏡上表面的溫度分布如圖3所示。微透鏡上表面的溫度分布近似為高斯型，此時(shí)微透鏡大面積熔解，熔融半徑已經(jīng)達(dá)到了100μm(激光光斑半徑為100μm)。因此，此后微透鏡將失去對(duì)入射光束的匯聚作用。

圖3 微透鏡上表面的溫度分布圖(t=0．45 s)Fig．3 Temperature distribution on the surface of the microlens when the irradiation time is 0．45 s

3．2 微透鏡熔融階段

微透鏡熔融損傷，失去聚焦作用后，激光直接輻照在遮光鋁膜上，鋁膜開(kāi)口率為30%［13］，且對(duì)光的反射率為92%，這使得CCD吸收激光的能量減少。激光持續(xù)作用，鋁膜層的溫度緩慢升高，當(dāng)輻照時(shí)間為4．50 s時(shí)，鋁膜中心處的溫度達(dá)到其熔點(diǎn)932 K，鋁膜熔融，其與SiO2周期結(jié)構(gòu)層接觸面的溫度、應(yīng)力分布情況如圖4所示。

圖4 (a)鋁膜上表面壓應(yīng)力分布(t=4．50 s);(b)鋁膜與SiO2層接觸面的溫度和應(yīng)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)．

由圖4可知，遮光鋁膜與SiO2層交界面邊緣處的最大拉伸應(yīng)力達(dá)到400 MPa，已經(jīng)與Al-SiO2層間附著力的量級(jí)相當(dāng)［5］。此時(shí)，雖然遮光鋁膜邊緣的溫度值未達(dá)到其熔點(diǎn)932 K，但邊緣處的鋁膜在應(yīng)力的作用下開(kāi)始脫離SiO2周期結(jié)構(gòu)層。在激光輻照區(qū)域( －0．1 mm ＜y＜0．1 mm)，拉伸應(yīng)力穩(wěn)定在50 MPa左右，在接近激光輻照區(qū)域邊緣處有明顯的突變情況。Al-SiO2接觸面的溫度場(chǎng)分布近似呈高斯形，在遮光鋁膜的中心區(qū)域溫度值超過(guò)其熔點(diǎn)，此時(shí)，熔融的鋁膜在拉伸應(yīng)力的作用下不斷隆起，未熔融的鋁膜在應(yīng)力的作用下拉伸撕裂。在熱應(yīng)力和熱熔融的共同作用下，鋁膜層開(kāi)始大面積熔融剝落，并伴隨著大量裂紋的產(chǎn)生。鋁膜熔融蜷曲，與SiO2分離，激光通過(guò)鋁膜邊緣反射、衍射進(jìn)入垂直移位寄存器，造成漏光現(xiàn)象，在不同的驅(qū)動(dòng)電壓下，產(chǎn)生電極間的漏電流。漏光現(xiàn)象和漏電流使載流子明顯增加，在CCD的豎直方向拉出線狀，表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)中觀察到的縱向亮線［12］。因此可以認(rèn)為4．50 s是CCD發(fā)生縱向亮線損傷的時(shí)間閾值。

3．3 遮光鋁膜熔融剝落階段

隨著鋁膜不斷熔解剝落，當(dāng)激光輻照4．65 s時(shí)，鋁膜的熔融半徑達(dá)到了100μm，也就是說(shuō)，輻照區(qū)內(nèi)的鋁膜已經(jīng)完全熔融脫落。此時(shí)，失去了鋁膜的保護(hù)，絕大多數(shù)的激光將直接輻照在硅電極上表面。硅材料對(duì)1．06μm激光吸收較強(qiáng)，短時(shí)間內(nèi)，硅電極上表面溫度急劇升高。圖5為硅電極上表面中心處溫度隨時(shí)間的變化，其變化趨勢(shì)主要分為3個(gè)階段:微透鏡聚焦階段、微透鏡熔融階段和鋁膜熔融剝落階段。微透鏡熔融失去聚光能力，且鋁膜對(duì)激光高反，使得CCD溫升速率降低，當(dāng)鋁膜熔融剝落后，溫升速率有所提高。圖5中，當(dāng)激光輻照時(shí)間為5．88 s時(shí)，硅電極上表面的溫度達(dá)到硅的熔點(diǎn)1 685 K。此時(shí)，內(nèi)層原本分立的多晶硅電極因激光輻照而熔融，造成布線電路的損傷，產(chǎn)生暗電流，導(dǎo)致部分像元中的電荷無(wú)法轉(zhuǎn)移，從而形成橫向暗線［12］。因此可以認(rèn)為激光輻照5．88 s時(shí)CCD發(fā)生橫向暗線損傷。

圖5 硅電極上表面中心處溫度分布隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig．5 Temperature distribution on the surface center of the silicon electrode with time

激光繼續(xù)作用，硅電極溫度急劇升高，而SiO2導(dǎo)熱系數(shù)較小，使得上層硅電極和下層硅基底的溫差變化較大，進(jìn)而造成熱應(yīng)力的急劇變化。激光輻照6．02 s時(shí)，SiO2絕緣層的上表面的剪切應(yīng)力的分布情況如圖6所示。

SiO2絕緣層上下表面剪切應(yīng)力隨y軸的分布如圖6所示。在激光輻照區(qū)域，SiO2絕緣層上下表面出現(xiàn)了一對(duì)剪切應(yīng)力，由中心向邊緣逐漸遞減，呈旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布，但在模型邊緣處急劇增大。硅材料的力學(xué)性能主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面:脆性斷裂和塑性變形。按照CCD的工作原理，一旦SiO2絕緣層被擊穿，驅(qū)動(dòng)電極和半導(dǎo)體之間便會(huì)短路，則CCD將徹底失效［15］。仿真表明，隨著作用時(shí)間的推移，剪切應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)輻照時(shí)間為6．02 s時(shí)，SiO2絕緣層上下表面的剪切應(yīng)力穩(wěn)定在60 MPa。由于SiO2的脆性較大，塑性很弱，此時(shí)厚度僅為0．2μm的SiO2絕緣層因受剪切而出現(xiàn)裂紋。由于SiO2絕緣層因剪切力的作用已撕裂受損，這樣便使得熔融的硅電極與硅基底導(dǎo)通，造成CCD短路，輸出圖像為全黑屏［12］，即CCD徹底失效。因此，可以認(rèn)為CCD完全損傷的時(shí)間閾值為6．02 s。

圖6 (a)SiO2絕緣層上表面剪切應(yīng)力分布示意圖;(b)SiO2絕緣層上下表面剪切應(yīng)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 實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比

綜上所述，微透鏡聚焦光束階段，激光直接入射感光層，整個(gè)CCD探測(cè)器溫度逐漸升高，但微透鏡由于熔點(diǎn)較低，最先開(kāi)始損傷，即微透鏡的熔融分解，CCD表現(xiàn)為點(diǎn)損傷;微透鏡熔融階段，失去聚光能力，CCD吸收入射激光的能量降低，溫升速率減慢，在應(yīng)力損傷和熔融損傷共同作用下，鋁膜層熔融剝落，表現(xiàn)為縱向亮線損傷;鋁膜層熔融剝落階段，激光直接輻照在硅電極上，硅電極上表面熔融，造成布線電路的損傷，導(dǎo)致部分像元中的電荷無(wú)法轉(zhuǎn)移，從而形成實(shí)驗(yàn)中的橫向暗線損傷;最后，SiO2絕緣層受剪切應(yīng)力而斷裂，使得硅電極和硅基底相互導(dǎo)通，造成CCD的完全損傷。損傷情況與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，證明了所建模型的有效性。

依據(jù)上述分析結(jié)果，匯總得到實(shí)驗(yàn)與仿真中CCD的層層損傷時(shí)間閾值，如表2和圖7所示。

表2 1．06μm連續(xù)激光損傷 CCD探測(cè)器(SONYICX405AL)的時(shí)間閾值Tab．2 Time threshold of CCD detector irradiated by 1．06 μm continuous laser

圖7 CCD各個(gè)損傷階段時(shí)間閾值的實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比Fig．7 Comparison of the time threshold between experiment and simulation

根據(jù)數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)，CCD多層結(jié)構(gòu)層層損傷進(jìn)程的趨勢(shì)是一致的。由圖7可知，數(shù)值仿真中各個(gè)階段的損傷時(shí)間比實(shí)驗(yàn)中實(shí)際損傷時(shí)間短，但各個(gè)階段的損傷時(shí)間誤差較小，這很好地證明了所建模型的準(zhǔn)確性。在CCD探測(cè)器的損傷實(shí)驗(yàn)中，CCD多層結(jié)構(gòu)從點(diǎn)損傷到縱向亮線損傷的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，主要原因是微透鏡熔融損傷，失去聚焦功能后，絕大多數(shù)激光能量被遮光鋁膜反射，使得探測(cè)器溫升速率降低，能量累積較慢。數(shù)值仿真中，CCD從縱向亮線損傷階段到達(dá)橫向暗線損傷階段的時(shí)間非常相近，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也恰好體現(xiàn)了這一點(diǎn)。

CCD多層結(jié)構(gòu)損傷時(shí)間閾值的實(shí)驗(yàn)與仿真相互印證，其趨勢(shì)較為一致，但是也存在一定的誤差。現(xiàn)分析原因總結(jié)如下:一是激光分段加載仍具有一定的局限性。多層結(jié)構(gòu)的損傷過(guò)程中，實(shí)際情況下微透鏡的損傷區(qū)域是一個(gè)逐漸變大的過(guò)程，仿真中以損傷半徑到達(dá)光斑半徑時(shí)作為更換激光入射CCD探測(cè)器的一個(gè)依據(jù)，缺乏考慮損傷半徑隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。二是實(shí)際損傷進(jìn)程中多層結(jié)構(gòu)受損的殘留物會(huì)阻礙激光的入射。CCD多層結(jié)構(gòu)受激光輻照時(shí)表現(xiàn)為損傷半徑的不斷擴(kuò)大，實(shí)際損傷進(jìn)程中，受熱熔融和熱應(yīng)力共同作用，會(huì)有大量的熔融物、沉積物產(chǎn)生，阻礙激光的吸收。

5 結(jié) 論

本文以熱傳導(dǎo)方程和熱彈性力學(xué)方程為基礎(chǔ)，建立了1．06μm連續(xù)激光輻照CCD六層結(jié)構(gòu)的熱力耦合數(shù)學(xué)物理模型。綜合考慮了微透鏡的聚焦、遮光鋁膜的開(kāi)口率、Al膜對(duì)光的低吸收率和硅材料相變等因素的影響，通過(guò)對(duì)激光不同加載階段進(jìn)行有限元數(shù)值求解，以及與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析，研究了多層結(jié)構(gòu)的損傷順序和損傷機(jī)理，得到了層層損傷時(shí)間閾值。

結(jié)果表明，連續(xù)激光損傷CCD的過(guò)程主要以熱熔融損傷和熱應(yīng)力損傷為主。微透鏡聚焦光束階段，激光直接入射感光層，CCD多層結(jié)構(gòu)中微透鏡由于熔點(diǎn)較低，最先開(kāi)始熔融分解，CCD表現(xiàn)為點(diǎn)損傷;微透鏡熔融階段，失去聚光能力，激光入射受阻，CCD溫升速率減慢，在應(yīng)力損傷和熔融損傷共同作用下，鋁膜層熔融剝落，表現(xiàn)為縱向亮線損傷;鋁膜層熔融剝落階段，激光直接輻照在硅電極上，硅電極上表面熔融，造成布線電路的損傷，導(dǎo)致部分像元中的電荷無(wú)法轉(zhuǎn)移，從而形成實(shí)驗(yàn)中的橫向暗線損傷;最后，SiO2絕緣層受剪切應(yīng)力而斷裂，使得熔融的硅電極和硅基底相互導(dǎo)通，此時(shí)CCD完全損傷。