416nm納秒脈沖激光對(duì)CCD損傷機(jī)理研究

歐 淵，石根柱，李點(diǎn)點(diǎn)，呂 勇，牛春暉

（1.軍事科學(xué)院 系統(tǒng)工程研究院，北京 100081；2.北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

引言

電荷耦合器件（charge-coupled device，CCD）是一種半導(dǎo)體固體成像器件，隨著21世紀(jì)信息化時(shí)代的到來(lái)，CCD憑借其數(shù)字化、高感光度、高靈敏度、體積小等優(yōu)點(diǎn)，迅速在光電成像系統(tǒng)中得到應(yīng)用。由于光電成像系統(tǒng)對(duì)于入射光束有光學(xué)增益（可達(dá)到百萬(wàn)量級(jí)）作用，使得處于光電成像系統(tǒng)焦平面處的CCD很容易被強(qiáng)激光損傷。當(dāng)高強(qiáng)度激光尤其是波段內(nèi)激光輻照到CCD器件時(shí)，會(huì)降低CCD的成像質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)完全損傷CCD使之失去成像能力。研究激光作用下CCD的損傷機(jī)理不但有利于擴(kuò)展光電對(duì)抗手段，而且有利于探究CCD抗光照加固方法。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多研究者對(duì)激光損傷CCD機(jī)理展開(kāi)了研究，有從理論仿真上探索激光輻照CCD產(chǎn)生溫升和熱應(yīng)力損傷機(jī)理的[1-6]，有采用連續(xù)強(qiáng)激光和脈沖強(qiáng)激光進(jìn)行CCD損傷研究[7-11]，還有采用不同波長(zhǎng)激光進(jìn)行CCD損傷研究[12-14]。從損傷效果來(lái)看，采用單脈沖高能量激光損傷CCD是最有效的手段，單脈沖峰值功率越高，越能夠用較少能量產(chǎn)生更大損傷。

目前大多數(shù)激光損傷CCD研究采用的激光為1 064 nm、532 nm和633 nm等波長(zhǎng)，而對(duì)于處于藍(lán)光波段的激光損傷CCD研究較少。416 nm納秒單脈沖激光用于損傷激光器有以下優(yōu)勢(shì)：1）在CCD通帶范圍內(nèi)，波長(zhǎng)越短單個(gè)光子的能量越大，也越容易對(duì)分子鍵實(shí)現(xiàn)斷裂；2）納秒脈沖可以通過(guò)調(diào)Q方式在單個(gè)脈沖中注入更多能量，使得單脈沖損傷概率更大；3）大多數(shù)材料對(duì)于藍(lán)紫光波段都有較強(qiáng)吸收，這樣很容易把激光能量轉(zhuǎn)換為溫升和熱應(yīng)力，從而引起CCD損傷。

本文開(kāi)展了波長(zhǎng)為416 nm的納秒脈沖激光器對(duì)CCD損傷實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中觀察到了CCD從點(diǎn)損傷到線損傷，再到面損傷的各個(gè)階段，并通過(guò)顯微鏡觀察損傷后的CCD表面形貌，推斷出CCD損傷的基本機(jī)理。最后，通過(guò)COMSOL有限元軟件仿真了CCD在416 nm激光輻照下的溫升規(guī)律，計(jì)算得到的損傷能量閾值與實(shí)驗(yàn)值相吻合，證實(shí)了所推斷的損傷機(jī)理是正確的。

1 CCD工作原理及損傷機(jī)理

CCD圖像傳感器工作方式是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，圖1（a）為CCD層級(jí)結(jié)構(gòu)，依次為“微透鏡層”、“分色濾光層”、“感光層”。微透鏡層用以擴(kuò)展每個(gè)像素的感光面積，提高采光率；分色濾光層實(shí)現(xiàn)色彩信息的形成；感光層將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。CCD工作區(qū)域主要利用感光半導(dǎo)體材料的內(nèi)光電效應(yīng)，在感光層中CCD基本像元MOS結(jié)構(gòu)以陣列方式緊密排布，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移。CCD的基本像元MOS結(jié)構(gòu)主要包括：金屬、氧化物和半導(dǎo)體，如圖1（b）所示。在硅襯底上生長(zhǎng)一層 SiO2作為絕緣層，其上再鍍一層薄鋁作為柵電極，從而形成MOS電容。MOS電容以陣列方式排布在硅襯底上，所有像素共用一個(gè) Si襯底，CCD通過(guò)MOS電容器的非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)工作。

圖1 CCD結(jié)構(gòu)Fig.1 CCD structure

CCD的工作過(guò)程主要包括：電荷產(chǎn)生、存儲(chǔ)以及轉(zhuǎn)移。行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD構(gòu)造圖如圖2所示。大致由4部分組成：光敏區(qū)（光電二極管）、垂直移位寄存器、水平移位寄存器和信號(hào)讀出檢測(cè)電路。行間轉(zhuǎn)移型CCD的工作原理是，當(dāng)光信號(hào)匯聚到不同像元的光敏區(qū)時(shí)，根據(jù)光強(qiáng)差異轉(zhuǎn)換成不同濃度的載流子電荷，這些電荷一次性同時(shí)讀出至各像素的存儲(chǔ)區(qū)，即垂直移位寄存器，在垂直驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，依次向下傳至水平移位寄存器中，進(jìn)一步在水平驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的作用下傳輸至電荷檢測(cè)端，經(jīng)由檢測(cè)電路處理后，將電荷包信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。

圖2 行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD構(gòu)造圖Fig.2 Structure diagram of inter-line transfer array CCD

激光作用于CCD后，依次經(jīng)過(guò)微透鏡層、分色濾光層，然后到達(dá)感光層，感光層由硅基底和其表面的金屬遮光層組成。波長(zhǎng)不同CCD各層材料吸收系數(shù)不同，一般硅基底層和金屬層吸收激光能量最多，產(chǎn)生較多熱量。產(chǎn)生的熱量除了引起自身溫度升高，還會(huì)通過(guò)熱傳導(dǎo)擴(kuò)散到周?chē)鷧^(qū)域，使各層材料都有不同的溫升效應(yīng)。隨著溫度的升高，材料狀態(tài)會(huì)發(fā)生一系列改變，從而對(duì)CCD性能產(chǎn)生影響。當(dāng)溫度升高但還沒(méi)有達(dá)到材料熔點(diǎn)時(shí)，有可能引起材料的相變，使材料的電導(dǎo)率增大（特別是 SiO2絕緣層），從而引起MOS結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)微弱電流，產(chǎn)生點(diǎn)損傷。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，達(dá)到絕緣層材料熔點(diǎn)時(shí)，絕緣層中將摻入部分金屬或硅原子，MOS結(jié)構(gòu)被破壞，損傷點(diǎn)處將有明顯電流，形成一個(gè)電流源，經(jīng)過(guò)垂直移位，使得整個(gè)列都有電荷產(chǎn)生，此時(shí)形成線損傷。當(dāng)熔融區(qū)域向周?chē)鷶U(kuò)散，使得更多MOS結(jié)構(gòu)被破壞，使各轉(zhuǎn)移電極之間產(chǎn)生電連接，從而使整個(gè)CCD失去電荷轉(zhuǎn)移能力，產(chǎn)生面損傷，此時(shí)CCD完全失去成像能力。

2 416 nm納秒脈沖激光損傷CCD實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖3所示。采用波長(zhǎng)為416 nm、脈寬為5 ns的脈沖激光作為損傷激光，波長(zhǎng)為632 nm的氦氖激光器作為指示光源，用于輔助光路調(diào)節(jié)。圖3中，光闌用于控制416 nm激光出射光斑大小，電子快門(mén)用于選取單個(gè)416 nm激光脈沖；分光鏡把416 nm激光分為2束，一束用能量計(jì)探測(cè)單脈沖能量，另一束入射到成像鏡頭，并聚焦于CCD表面實(shí)現(xiàn)損傷。首先記錄416 nm遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的位置，然后調(diào)整氦氖激光束與416 nm激光束平行，在實(shí)驗(yàn)階段，通過(guò)觀察氦氖激光光斑位置判斷416 nm激光光束方位。CCD放置于二維調(diào)整臺(tái)上，可以在x和y方向進(jìn)行微調(diào)，從而調(diào)整416 nm激光對(duì)CCD的不同點(diǎn)進(jìn)行損傷。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖Fig.3 Schematic diagram of experimental device

能量計(jì)探頭采用Thorlabs的ES111C型號(hào)，輸入孔徑尺寸為11 mm，可測(cè)波長(zhǎng)范圍0.185 μm～25 μm，分辨率為100 nJ，可測(cè)能量范圍10 μJ～150 mJ，配套表頭采用Thorlabs生產(chǎn)的PM100D。

激光損傷的CCD是Sony公司生產(chǎn)的型號(hào)為ICX633BKA的行間轉(zhuǎn)移型固態(tài)圖像傳感器，采用Ye、Cy、Mg和G的互補(bǔ)彩色馬賽克濾光片，總像素?cái)?shù)為537（H）×597（V），有效像素?cái)?shù)為500（H）×582（V），每個(gè)像素的尺寸為9.8 μm（H）×6.3 μm（V）。

2.2 損傷過(guò)程

實(shí)驗(yàn)中，416 nm納秒激光單個(gè)脈沖能量是逐漸增加的，并在單脈沖能量增加過(guò)程中觀察到了點(diǎn)損傷、線損傷和面損傷現(xiàn)象。

416 nm激光致CCD不同位置產(chǎn)生點(diǎn)損傷時(shí)CCD記錄的圖像如圖4所示。圖4（a）、4（b）和4（c）可以觀察到不同的單脈沖引起不同位置的點(diǎn)損傷，損傷點(diǎn)皆為白點(diǎn)，且白點(diǎn)的外側(cè)包圍著一圈暗黑點(diǎn)，損傷處基本呈橢圓狀。

圖4 CCD不同位置點(diǎn)損傷圖像Fig.4 Point damage images of CCD in different positions

416 nm激光致CCD不同位置出現(xiàn)線損傷時(shí)的圖像如圖5所示。從圖5（a）、5（b）和5（c）中可觀察到，線損傷是由激光作用處的橢圓形白點(diǎn)加縱向貫穿整個(gè)幅面的白線組成，各白線線寬基本一致，只是亮度有差異，說(shuō)明損傷程度不同。

圖5 CCD不同位置線損傷圖像Fig.5 Line damage images of CCD in different positions

圖6所示為CCD面損傷圖像，此時(shí)屏幕呈現(xiàn)中間一條黑線，其他部分都為白屏。當(dāng)把面損傷后的CCD放置2個(gè)小時(shí)再工作，畫(huà)面仍顯示圖6所示圖像，說(shuō)明此時(shí)CCD被完全硬損傷，失去了對(duì)景物的成像能力。

圖6 CCD面損傷圖像Fig.6 Surface damage image of CCD

通過(guò)對(duì)5個(gè)CCD中每個(gè)CCD點(diǎn)損傷和線損傷采集不少于10組數(shù)據(jù)，得出了CCD各損傷狀態(tài)下?lián)p傷能量閾值的范圍，如表1所示。由表1可以看出，416 nm單脈沖納秒激光作用于CCD時(shí)，不同的能量密度可以產(chǎn)生不同的損傷狀態(tài)。其中，點(diǎn)損傷對(duì)應(yīng)于能量密度16.7 mJ/cm2～71.9 mJ/cm2，線損傷對(duì)應(yīng)于能量密度61 mJ/cm2～207.8 mJ/cm2，面損傷對(duì)應(yīng)平均能量密度為352.6 mJ/cm2。由表1可知，各損傷狀態(tài)對(duì)應(yīng)的損傷能量閾值范圍較大，并且點(diǎn)損傷和線損傷的損傷能量閾值有所重疊，這與CCD各個(gè)像素單元特性的不均勻以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中激光點(diǎn)作用區(qū)域的隨機(jī)性有關(guān)。從激光損傷CCD需求來(lái)看，需要使CCD完全不能成像才能達(dá)到目的，因此，應(yīng)該把面損傷能量閾值作為設(shè)計(jì)光電對(duì)抗裝置的參考指標(biāo)。

表1 各損傷狀態(tài)損傷能量閾值Table 1 Damage energy thresholds for various damage states

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖7所示為點(diǎn)損傷CCD表面的顯微圖像，其中圖7（a）為微透鏡層顯微圖像，圖7（b）為去除微透鏡層后看到的二氧化硅層顯微圖像。從圖7（a）可以看出，點(diǎn)損傷時(shí)微透鏡層被輕微漂白（方框內(nèi)），與周?chē)磽p傷區(qū)域相比顏色變淺。由ICX633BKA型CCD的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，微透鏡層的下方是二氧化硅加厚層，從圖7（b）中去除微透鏡層后看到的二氧化硅層顯微圖像也可以看到，CCD損傷點(diǎn)處有輕微的顏色改變，表明在點(diǎn)損傷時(shí)，損傷主要產(chǎn)生于內(nèi)層材料，引起了內(nèi)層材料的物理特性發(fā)生變化。

圖7 點(diǎn)損傷CCD顯微圖像Fig.7 Microscopic image of point damaged CCD

為了進(jìn)一步研究點(diǎn)損傷機(jī)理，測(cè)量了CCD各引腳之間的電阻值，未損傷CCD各引腳之間的電阻值如表2所示。V1、V2、V3、V4分別代表4個(gè)垂直移位寄存器驅(qū)動(dòng)電極上的電壓，SUB為基底電壓，H1代表水平移位寄存器其中一個(gè)電極上的電壓。從表2可以看出，在CCD未損傷時(shí)，各引腳之間的電阻值基本都趨于無(wú)窮大，較低電阻值也在20 MΩ以上。

表2 未損傷CCD各引腳之間電阻值Table 2 Resistance values between undamaged CCD pins MΩ

產(chǎn)生點(diǎn)損傷之后CCD各引腳之間的電阻值如表3所示。與表2中值相比較可以看出，各引腳之間的電阻值基本沒(méi)有明顯變化，只是與未損傷時(shí)相比H1-V2和SUB-V4之間的電阻值下降了近0.2 MΩ，而H1-SUB之間的電阻值下降了0.8 MΩ，可認(rèn)為引腳H1-V2、引腳SUB-V4和引腳H1-SUB之間的絕緣層受到輕微損傷，這和圖7中只看到輕微顏色變化相吻合，說(shuō)明CCD出現(xiàn)點(diǎn)損傷時(shí)只輕微破壞了CCD水平驅(qū)動(dòng)電極與垂直驅(qū)動(dòng)電極間的絕緣層，引起電阻值下降，從而產(chǎn)生漏電流，在未有光照時(shí)還會(huì)有電荷產(chǎn)生，形成白點(diǎn)損傷。

表3 點(diǎn)損傷CCD各引腳之間電阻值Table 3 Resistance values of CCD pins under point damage MΩ

產(chǎn)生線損傷時(shí)損傷點(diǎn)處CCD微透鏡層顯微圖像如圖8所示。從圖8可以看出，此時(shí)CCD芯片的微透鏡層有肉眼可見(jiàn)的明顯顏色變化，顏色變淺，說(shuō)明此時(shí)損傷不只發(fā)生在內(nèi)層材料，在最表面的微透鏡層也發(fā)生了化學(xué)變性。

圖8 線損傷CCD微透鏡層顯微圖像Fig.8 Microscopic image of CCD microlens layer under line damage

表4為產(chǎn)生線損傷時(shí)CCD各引腳之間電阻值。比較表4和表3可知，引腳V2-SUB、H1-V2、V4-SUB、H1-V4、H1-SUB和H2-SUB之間電阻值都有不同程度下降，其中H1-V2之間電阻值降幅將近4 MΩ。該結(jié)果表明激光進(jìn)一步損傷了CCD水平-垂直驅(qū)動(dòng)電極間的絕緣層，這樣會(huì)使得損傷點(diǎn)處漏電流進(jìn)一步增大，從而形成電流源，經(jīng)垂直移位電極的電荷轉(zhuǎn)移，在同一列中的所有像素上都產(chǎn)生了電荷，對(duì)外表現(xiàn)為線損傷。

表4 線損傷CCD各引腳之間電阻值Table 4 Resistance values of CCD pins under line damage MΩ

面損傷時(shí)CCD微透鏡層顯微圖像如圖9所示。從圖9可以看出，在損傷處微透鏡層被熔融破壞，熔融處周?chē)慕饘倬W(wǎng)層清晰可見(jiàn)，說(shuō)明周?chē)鷧^(qū)域也發(fā)生較輕微損傷；另外，從圖9還可以看出，硅基底也產(chǎn)生了熔融損傷，其溢出物十分明顯，說(shuō)明損傷深度達(dá)到了十幾個(gè)μm，把基本MOS結(jié)構(gòu)徹底破壞。

圖9 面損傷CCD微透鏡層顯微圖像Fig.9 Microscopic image of CCD microlens layer under surface damage

面損傷時(shí)CCD各引腳之間電阻值如表5所示。與表4比較可以明顯看出，各引腳之間的電阻值均有大幅度下降，特別是垂直移位電極間的電阻值直接由無(wú)窮大下降到kΩ量級(jí)，水平移位電極H2與各垂直移位電極間的電阻值由無(wú)窮大下降至MΩ量級(jí)。說(shuō)明垂直移位電極和水平移位電極都連接到一起，徹底失去了電荷轉(zhuǎn)移能力，此時(shí)CCD徹底失去成像功能，為完全失效狀態(tài)。

表5 面損傷CCD各引腳之間電阻值Table 5 Resistance values of CCD pins under surface damage Ω

4 仿真分析

當(dāng)激光照射到材料表面時(shí)，主要以光熱模型為主，一部分激光能量被反射，另一部分能量被激光作用區(qū)材料吸收，可以把激光等效為一個(gè)二維熱源。材料吸收的功率密度根據(jù)玻-耳定律可以表示為

式中：Q（z）表示距離材料表面z處單位體積介質(zhì)吸收的輻射功率；Q0表示介質(zhì)表面接收的光功率；Rλ為材料反射率；α為材料的吸收系數(shù)（cm?1）。

CCD吸收熱量后在不同材料間進(jìn)行傳導(dǎo)，假設(shè)CCD的構(gòu)成材料是各向同性且均勻的，其二維軸對(duì)稱(chēng)模型的熱傳導(dǎo)方程為

式中：ρ是材料的密度；cp是材料的比熱容；T是熱力學(xué)溫度；u是速度矢量，代表COMSOL Multiphysics模型部分模型在材料框架中移動(dòng)時(shí)由平移運(yùn)動(dòng)子節(jié)點(diǎn)定義的速度場(chǎng)；Δ為幾何梯度算子；k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；Q（z）為激光熱源；等號(hào)左邊第一部分為熱量積累，第二部分為對(duì)流項(xiàng)；等號(hào)右邊第一部分為熱傳導(dǎo)項(xiàng)。

方程（2）屬于偏微分方程，對(duì)于較復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以給出解析解，需要采用有限元仿真軟件進(jìn)行數(shù)值求解。

為了進(jìn)一步對(duì)416 nm納秒脈沖激光對(duì)CCD損傷實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋?zhuān)ㄟ^(guò)COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件對(duì)416 nm納秒脈沖激光對(duì)CCD溫升過(guò)程進(jìn)行仿真。

采用如圖10所示的CCD像元幾何模型。該模型中金屬鎢的寬度和高度均為1 μm；多晶硅電極的寬度為1 μm，高度為0.5 μm；硅基底的寬度為5 μm，高度為10 μm；多晶硅電極與金屬鎢之間的二氧化硅層的寬度與高度和多晶硅電極的寬度和高度相同，多晶硅電極與硅基底之間的二氧化硅絕緣層的高度為0.2 μm。

圖10 CCD像元模型Fig.10 CCD pixel model

本模型中未對(duì)微透鏡層和位于微透鏡層和遮光層之間的濾色片的材料進(jìn)行設(shè)置，是因?yàn)檫@兩種材料位于遮光層之上，對(duì)CCD產(chǎn)生硬損傷的主要部分二氧化硅層影響較小。

采用能量密度為420 mJ/cm2、脈寬為5 ns的單個(gè)脈沖作用于CCD模型，得出5 ns時(shí)溫度場(chǎng)分布如圖11所示。從圖11中可以看出，溫度最高區(qū)域是金屬遮光層，其次是硅基底。圖12所示為此時(shí)縱向溫度分布值。從圖12可以看出，遮光鎢的溫度高達(dá)1 800 ℃，硅電極的溫度在100 ℃以下，遮光層下硅基底的溫度也在600 ℃以下，可見(jiàn)遮光鎢未達(dá)到其熔點(diǎn)3 410 ℃，且遮光層起到了保護(hù)硅電極的作用。因此，遮光鎢層和硅基底的形貌幾乎不會(huì)變化，而形貌最可能變化的是與溫度最高區(qū)域鎢相鄰的二氧化硅絕緣層。從圖12可知，金屬鎢遮光層相鄰的二氧化硅層的溫度已經(jīng)達(dá)到了1 800 ℃，這一溫度值已經(jīng)超過(guò)了二氧化硅的熔點(diǎn)1 723 ℃，從而導(dǎo)致二氧化硅出現(xiàn)了熔融。二氧化硅的熔融將會(huì)導(dǎo)致各電極之間的絕緣層損壞，從而把各電極連接到一起，使垂直移位電極和水平移位電極徹底失去轉(zhuǎn)移電荷能力，引起CCD完全失效。此時(shí)的完全損傷能量密度為420 mJ/cm2，與表1所示的面損傷平均能量密度352.6 mJ/cm2接近，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果相一致。

圖11 CCD像元溫度場(chǎng)Fig.11 CCD pixel temperature field

圖12 縱向溫度變化Fig.12 Longitudinal temperature change

5 結(jié)論

綜上所述，本文開(kāi)展了416 nm納秒脈沖激光對(duì)CCD的損傷實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中觀察到了隨著激光能量密度增加，CCD出現(xiàn)了從點(diǎn)損傷到線損傷，再到面損傷的過(guò)程，并計(jì)算出了點(diǎn)損傷、線損傷和面損傷所對(duì)應(yīng)的損傷能量密度閾值，分別為16.7 mJ/cm2～71.9 mJ/cm2、61.0 mJ/cm2～207.8 mJ/cm2和352.6 mJ/cm2。通過(guò)對(duì)不同損傷狀態(tài)CCD的損傷點(diǎn)表面顯微圖像分析，并測(cè)量不同損傷狀態(tài)對(duì)應(yīng)的CCD各電極之間電阻值，得出不同損傷狀態(tài)主要由SiO2絕緣層材料相變引起電阻值不同改變量所產(chǎn)生的。最后，通過(guò)COMSOL有限元軟件仿真得出CCD各層最先產(chǎn)生熔融的是SiO2絕緣層，計(jì)算得出SiO2熔融時(shí)的能量密度為420 mJ/cm2，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相接近，說(shuō)明了本文對(duì)CCD損傷機(jī)理的分析是正確的。