416nm纳秒脉冲激光对CCD损伤机理研究

欧 渊，石根柱，李点点，吕 勇，牛春晖

（1.军事科学院 系统工程研究院，北京 100081；2.北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100192）

引言

电荷耦合器件（charge-coupled device，CCD）是一种半导体固体成像器件，随着21世纪信息化时代的到来，CCD凭借其数字化、高感光度、高灵敏度、体积小等优点，迅速在光电成像系统中得到应用。由于光电成像系统对于入射光束有光学增益（可达到百万量级）作用，使得处于光电成像系统焦平面处的CCD很容易被强激光损伤。当高强度激光尤其是波段内激光辐照到CCD器件时，会降低CCD的成像质量，严重时会完全损伤CCD使之失去成像能力。研究激光作用下CCD的损伤机理不但有利于扩展光电对抗手段，而且有利于探究CCD抗光照加固方法。

国内外已经有许多研究者对激光损伤CCD机理展开了研究，有从理论仿真上探索激光辐照CCD产生温升和热应力损伤机理的[1-6]，有采用连续强激光和脉冲强激光进行CCD损伤研究[7-11]，还有采用不同波长激光进行CCD损伤研究[12-14]。从损伤效果来看，采用单脉冲高能量激光损伤CCD是最有效的手段，单脉冲峰值功率越高，越能够用较少能量产生更大损伤。

目前大多数激光损伤CCD研究采用的激光为1 064 nm、532 nm和633 nm等波长，而对于处于蓝光波段的激光损伤CCD研究较少。416 nm纳秒单脉冲激光用于损伤激光器有以下优势：1）在CCD通带范围内，波长越短单个光子的能量越大，也越容易对分子键实现断裂；2）纳秒脉冲可以通过调Q方式在单个脉冲中注入更多能量，使得单脉冲损伤概率更大；3）大多数材料对于蓝紫光波段都有较强吸收，这样很容易把激光能量转换为温升和热应力，从而引起CCD损伤。

本文开展了波长为416 nm的纳秒脉冲激光器对CCD损伤实验，在实验中观察到了CCD从点损伤到线损伤，再到面损伤的各个阶段，并通过显微镜观察损伤后的CCD表面形貌，推断出CCD损伤的基本机理。最后，通过COMSOL有限元软件仿真了CCD在416 nm激光辐照下的温升规律，计算得到的损伤能量阈值与实验值相吻合，证实了所推断的损伤机理是正确的。

1 CCD工作原理及损伤机理

CCD图像传感器工作方式是将光信号转化为电信号，图1（a）为CCD层级结构，依次为“微透镜层”、“分色滤光层”、“感光层”。微透镜层用以扩展每个像素的感光面积，提高采光率；分色滤光层实现色彩信息的形成；感光层将光信号转化为电信号。CCD工作区域主要利用感光半导体材料的内光电效应，在感光层中CCD基本像元MOS结构以阵列方式紧密排布，实现信号电荷的产生、存储和转移。CCD的基本像元MOS结构主要包括：金属、氧化物和半导体，如图1（b）所示。在硅衬底上生长一层 SiO2作为绝缘层，其上再镀一层薄铝作为栅电极，从而形成MOS电容。MOS电容以阵列方式排布在硅衬底上，所有像素共用一个 Si衬底，CCD通过MOS电容器的非稳态状态工作。

图1 CCD结构Fig.1 CCD structure

CCD的工作过程主要包括：电荷产生、存储以及转移。行间转移型面阵CCD构造图如图2所示。大致由4部分组成：光敏区（光电二极管）、垂直移位寄存器、水平移位寄存器和信号读出检测电路。行间转移型CCD的工作原理是，当光信号汇聚到不同像元的光敏区时，根据光强差异转换成不同浓度的载流子电荷，这些电荷一次性同时读出至各像素的存储区，即垂直移位寄存器，在垂直驱动脉冲的作用下，依次向下传至水平移位寄存器中，进一步在水平驱动脉冲信号的作用下传输至电荷检测端，经由检测电路处理后，将电荷包信号转换成电压信号输出。

图2 行间转移型面阵CCD构造图Fig.2 Structure diagram of inter-line transfer array CCD

激光作用于CCD后，依次经过微透镜层、分色滤光层，然后到达感光层，感光层由硅基底和其表面的金属遮光层组成。波长不同CCD各层材料吸收系数不同，一般硅基底层和金属层吸收激光能量最多，产生较多热量。产生的热量除了引起自身温度升高，还会通过热传导扩散到周围区域，使各层材料都有不同的温升效应。随着温度的升高，材料状态会发生一系列改变，从而对CCD性能产生影响。当温度升高但还没有达到材料熔点时，有可能引起材料的相变，使材料的电导率增大（特别是 SiO2绝缘层），从而引起MOS结构中出现微弱电流，产生点损伤。当温度继续升高，达到绝缘层材料熔点时，绝缘层中将掺入部分金属或硅原子，MOS结构被破坏，损伤点处将有明显电流，形成一个电流源，经过垂直移位，使得整个列都有电荷产生，此时形成线损伤。当熔融区域向周围扩散，使得更多MOS结构被破坏，使各转移电极之间产生电连接，从而使整个CCD失去电荷转移能力，产生面损伤，此时CCD完全失去成像能力。

2 416 nm纳秒脉冲激光损伤CCD实验

2.1 实验

实验装置原理图如图3所示。采用波长为416 nm、脉宽为5 ns的脉冲激光作为损伤激光，波长为632 nm的氦氖激光器作为指示光源，用于辅助光路调节。图3中，光阑用于控制416 nm激光出射光斑大小，电子快门用于选取单个416 nm激光脉冲；分光镜把416 nm激光分为2束，一束用能量计探测单脉冲能量，另一束入射到成像镜头，并聚焦于CCD表面实现损伤。首先记录416 nm远场光斑的位置，然后调整氦氖激光束与416 nm激光束平行，在实验阶段，通过观察氦氖激光光斑位置判断416 nm激光光束方位。CCD放置于二维调整台上，可以在x和y方向进行微调，从而调整416 nm激光对CCD的不同点进行损伤。

图3 实验装置原理图Fig.3 Schematic diagram of experimental device

能量计探头采用Thorlabs的ES111C型号，输入孔径尺寸为11 mm，可测波长范围0.185 μm～25 μm，分辨率为100 nJ，可测能量范围10 μJ～150 mJ，配套表头采用Thorlabs生产的PM100D。

激光损伤的CCD是Sony公司生产的型号为ICX633BKA的行间转移型固态图像传感器，采用Ye、Cy、Mg和G的互补彩色马赛克滤光片，总像素数为537（H）×597（V），有效像素数为500（H）×582（V），每个像素的尺寸为9.8 μm（H）×6.3 μm（V）。

2.2 损伤过程

实验中，416 nm纳秒激光单个脉冲能量是逐渐增加的，并在单脉冲能量增加过程中观察到了点损伤、线损伤和面损伤现象。

416 nm激光致CCD不同位置产生点损伤时CCD记录的图像如图4所示。图4（a）、4（b）和4（c）可以观察到不同的单脉冲引起不同位置的点损伤，损伤点皆为白点，且白点的外侧包围着一圈暗黑点，损伤处基本呈椭圆状。

图4 CCD不同位置点损伤图像Fig.4 Point damage images of CCD in different positions

416 nm激光致CCD不同位置出现线损伤时的图像如图5所示。从图5（a）、5（b）和5（c）中可观察到，线损伤是由激光作用处的椭圆形白点加纵向贯穿整个幅面的白线组成，各白线线宽基本一致，只是亮度有差异，说明损伤程度不同。

图5 CCD不同位置线损伤图像Fig.5 Line damage images of CCD in different positions

图6所示为CCD面损伤图像，此时屏幕呈现中间一条黑线，其他部分都为白屏。当把面损伤后的CCD放置2个小时再工作，画面仍显示图6所示图像，说明此时CCD被完全硬损伤，失去了对景物的成像能力。

图6 CCD面损伤图像Fig.6 Surface damage image of CCD

通过对5个CCD中每个CCD点损伤和线损伤采集不少于10组数据，得出了CCD各损伤状态下损伤能量阈值的范围，如表1所示。由表1可以看出，416 nm单脉冲纳秒激光作用于CCD时，不同的能量密度可以产生不同的损伤状态。其中，点损伤对应于能量密度16.7 mJ/cm2～71.9 mJ/cm2，线损伤对应于能量密度61 mJ/cm2～207.8 mJ/cm2，面损伤对应平均能量密度为352.6 mJ/cm2。由表1可知，各损伤状态对应的损伤能量阈值范围较大，并且点损伤和线损伤的损伤能量阈值有所重叠，这与CCD各个像素单元特性的不均匀以及实验过程中激光点作用区域的随机性有关。从激光损伤CCD需求来看，需要使CCD完全不能成像才能达到目的，因此，应该把面损伤能量阈值作为设计光电对抗装置的参考指标。

表1 各损伤状态损伤能量阈值Table 1 Damage energy thresholds for various damage states

3 实验结果分析

图7所示为点损伤CCD表面的显微图像，其中图7（a）为微透镜层显微图像，图7（b）为去除微透镜层后看到的二氧化硅层显微图像。从图7（a）可以看出，点损伤时微透镜层被轻微漂白（方框内），与周围未损伤区域相比颜色变浅。由ICX633BKA型CCD的数据手册可知，微透镜层的下方是二氧化硅加厚层，从图7（b）中去除微透镜层后看到的二氧化硅层显微图像也可以看到，CCD损伤点处有轻微的颜色改变，表明在点损伤时，损伤主要产生于内层材料，引起了内层材料的物理特性发生变化。

图7 点损伤CCD显微图像Fig.7 Microscopic image of point damaged CCD

为了进一步研究点损伤机理，测量了CCD各引脚之间的电阻值，未损伤CCD各引脚之间的电阻值如表2所示。V1、V2、V3、V4分别代表4个垂直移位寄存器驱动电极上的电压，SUB为基底电压，H1代表水平移位寄存器其中一个电极上的电压。从表2可以看出，在CCD未损伤时，各引脚之间的电阻值基本都趋于无穷大，较低电阻值也在20 MΩ以上。

表2 未损伤CCD各引脚之间电阻值Table 2 Resistance values between undamaged CCD pins MΩ

产生点损伤之后CCD各引脚之间的电阻值如表3所示。与表2中值相比较可以看出，各引脚之间的电阻值基本没有明显变化，只是与未损伤时相比H1-V2和SUB-V4之间的电阻值下降了近0.2 MΩ，而H1-SUB之间的电阻值下降了0.8 MΩ，可认为引脚H1-V2、引脚SUB-V4和引脚H1-SUB之间的绝缘层受到轻微损伤，这和图7中只看到轻微颜色变化相吻合，说明CCD出现点损伤时只轻微破坏了CCD水平驱动电极与垂直驱动电极间的绝缘层，引起电阻值下降，从而产生漏电流，在未有光照时还会有电荷产生，形成白点损伤。

表3 点损伤CCD各引脚之间电阻值Table 3 Resistance values of CCD pins under point damage MΩ

产生线损伤时损伤点处CCD微透镜层显微图像如图8所示。从图8可以看出，此时CCD芯片的微透镜层有肉眼可见的明显颜色变化，颜色变浅，说明此时损伤不只发生在内层材料，在最表面的微透镜层也发生了化学变性。

图8 线损伤CCD微透镜层显微图像Fig.8 Microscopic image of CCD microlens layer under line damage

表4为产生线损伤时CCD各引脚之间电阻值。比较表4和表3可知，引脚V2-SUB、H1-V2、V4-SUB、H1-V4、H1-SUB和H2-SUB之间电阻值都有不同程度下降，其中H1-V2之间电阻值降幅将近4 MΩ。该结果表明激光进一步损伤了CCD水平-垂直驱动电极间的绝缘层，这样会使得损伤点处漏电流进一步增大，从而形成电流源，经垂直移位电极的电荷转移，在同一列中的所有像素上都产生了电荷，对外表现为线损伤。

表4 线损伤CCD各引脚之间电阻值Table 4 Resistance values of CCD pins under line damage MΩ

面损伤时CCD微透镜层显微图像如图9所示。从图9可以看出，在损伤处微透镜层被熔融破坏，熔融处周围的金属网层清晰可见，说明周围区域也发生较轻微损伤；另外，从图9还可以看出，硅基底也产生了熔融损伤，其溢出物十分明显，说明损伤深度达到了十几个μm，把基本MOS结构彻底破坏。

图9 面损伤CCD微透镜层显微图像Fig.9 Microscopic image of CCD microlens layer under surface damage

面损伤时CCD各引脚之间电阻值如表5所示。与表4比较可以明显看出，各引脚之间的电阻值均有大幅度下降，特别是垂直移位电极间的电阻值直接由无穷大下降到kΩ量级，水平移位电极H2与各垂直移位电极间的电阻值由无穷大下降至MΩ量级。说明垂直移位电极和水平移位电极都连接到一起，彻底失去了电荷转移能力，此时CCD彻底失去成像功能，为完全失效状态。

表5 面损伤CCD各引脚之间电阻值Table 5 Resistance values of CCD pins under surface damage Ω

4 仿真分析

当激光照射到材料表面时，主要以光热模型为主，一部分激光能量被反射，另一部分能量被激光作用区材料吸收，可以把激光等效为一个二维热源。材料吸收的功率密度根据玻-耳定律可以表示为

式中：Q（z）表示距离材料表面z处单位体积介质吸收的辐射功率；Q0表示介质表面接收的光功率；Rλ为材料反射率；α为材料的吸收系数（cm−1）。

CCD吸收热量后在不同材料间进行传导，假设CCD的构成材料是各向同性且均匀的，其二维轴对称模型的热传导方程为

式中：ρ是材料的密度；cp是材料的比热容；T是热力学温度；u是速度矢量，代表COMSOL Multiphysics模型部分模型在材料框架中移动时由平移运动子节点定义的速度场；Δ为几何梯度算子；k为材料的导热系数；Q（z）为激光热源；等号左边第一部分为热量积累，第二部分为对流项；等号右边第一部分为热传导项。

方程（2）属于偏微分方程，对于较复杂结构难以给出解析解，需要采用有限元仿真软件进行数值求解。

为了进一步对416 nm纳秒脉冲激光对CCD损伤实验现象进行解释，通过COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对416 nm纳秒脉冲激光对CCD温升过程进行仿真。

采用如图10所示的CCD像元几何模型。该模型中金属钨的宽度和高度均为1 μm；多晶硅电极的宽度为1 μm，高度为0.5 μm；硅基底的宽度为5 μm，高度为10 μm；多晶硅电极与金属钨之间的二氧化硅层的宽度与高度和多晶硅电极的宽度和高度相同，多晶硅电极与硅基底之间的二氧化硅绝缘层的高度为0.2 μm。

图10 CCD像元模型Fig.10 CCD pixel model

本模型中未对微透镜层和位于微透镜层和遮光层之间的滤色片的材料进行设置，是因为这两种材料位于遮光层之上，对CCD产生硬损伤的主要部分二氧化硅层影响较小。

采用能量密度为420 mJ/cm2、脉宽为5 ns的单个脉冲作用于CCD模型，得出5 ns时温度场分布如图11所示。从图11中可以看出，温度最高区域是金属遮光层，其次是硅基底。图12所示为此时纵向温度分布值。从图12可以看出，遮光钨的温度高达1 800 ℃，硅电极的温度在100 ℃以下，遮光层下硅基底的温度也在600 ℃以下，可见遮光钨未达到其熔点3 410 ℃，且遮光层起到了保护硅电极的作用。因此，遮光钨层和硅基底的形貌几乎不会变化，而形貌最可能变化的是与温度最高区域钨相邻的二氧化硅绝缘层。从图12可知，金属钨遮光层相邻的二氧化硅层的温度已经达到了1 800 ℃，这一温度值已经超过了二氧化硅的熔点1 723 ℃，从而导致二氧化硅出现了熔融。二氧化硅的熔融将会导致各电极之间的绝缘层损坏，从而把各电极连接到一起，使垂直移位电极和水平移位电极彻底失去转移电荷能力，引起CCD完全失效。此时的完全损伤能量密度为420 mJ/cm2，与表1所示的面损伤平均能量密度352.6 mJ/cm2接近，说明实验和仿真结果相一致。

图11 CCD像元温度场Fig.11 CCD pixel temperature field

图12 纵向温度变化Fig.12 Longitudinal temperature change

5 结论

综上所述，本文开展了416 nm纳秒脉冲激光对CCD的损伤实验，实验中观察到了随着激光能量密度增加，CCD出现了从点损伤到线损伤，再到面损伤的过程，并计算出了点损伤、线损伤和面损伤所对应的损伤能量密度阈值，分别为16.7 mJ/cm2～71.9 mJ/cm2、61.0 mJ/cm2～207.8 mJ/cm2和352.6 mJ/cm2。通过对不同损伤状态CCD的损伤点表面显微图像分析，并测量不同损伤状态对应的CCD各电极之间电阻值，得出不同损伤状态主要由SiO2绝缘层材料相变引起电阻值不同改变量所产生的。最后，通过COMSOL有限元软件仿真得出CCD各层最先产生熔融的是SiO2绝缘层，计算得出SiO2熔融时的能量密度为420 mJ/cm2，与实验结果相接近，说明了本文对CCD损伤机理的分析是正确的。