毫秒激光对CCD的热与热应力损伤的研究(2)
激光对CCD的破坏可分为软破坏和硬破坏。软破坏是指器件或光电材料的暂时失效或功能性退化（电学性能[2]、光学性能），减弱光照后，软破坏造成的影响可能恢复正常。硬破坏指的是激光辐照CCD表面所引起的关键部分热熔融、龟裂、或击穿等，引起各栅极或传输极短路或断路；当由于短路而引起某些电极错误连通时，驱动信号发生混乱，使CCD无信号输出；而断路时，整个器件无输出；这是一种永久性的破坏[3]。此外，随着CCD和激光技术不断发展，在现代光学检测系统中，两者经常需要配合使用，因此研究激光与CCD相互作用机理具有重要意义，近二十多年，国内外的学者在此领域取得了大量研究成果。
1.1激光与CCD相互作用的研究现状
1.1.1国外研究现状
1.1.2国内研究现状
1.2本文研究的主要工作
前人的研究大多集中在连续激光，ns激光，fs激光，而毫秒激光辐照CCD的相关报道很少，由于毫秒激光作用时间长，能量高，同时CCD特殊的层状结构，不同位置材料物性参数存在巨大差异，吸收的激光能量的非均匀性，作用过程产生的很大温度梯度，进而产生巨大的热应力。温度和热应力达到一定程度时，会使CCD关键部位发生熔融破坏，应力破坏。这些关键部位的破坏，会致使CCD的电学性能发生不可逆转的退化。
本课题将研究毫秒激光对CCD产生上述热及热应力损伤机理。课题采用数值模拟的方法（采用Comsol有限元辅助分析软件）模拟长脉冲激光辐照CCD的瞬态温度应力场，进而得到了毫秒激光与CCD层状器件材料相互作用时，关键位置的温度随时间变化以及辐照结束时温度分布，在温度的基础上，进一步分析计算得到应力场，分析不同部件发生熔融损伤，应力损伤先后顺序，损伤机理；因此，研究毫秒激光对CCD产生上述热及热应力损伤机理，将为CCD的激光防护提供技术支持。
2 数值模拟
2.1 MOS型CCD结构
目前CCD器件的品种和型号很多，其结构和原理基本相同，均由若干个电荷耦合单元组成。基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器，以P型或N型单晶硅为衬底，在上面生长一层厚度约为50nm的SiO2层，然后是一层50nm的氧化氮层，然后按照一定次序沉积多个多晶硅电极作为栅极，在其上形成阵列式互相绝缘的电极，在多晶硅电极层上是遮光铝层。在衬底和电极之间加上输入和输出结构即形成了一个MOS电容器，一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。CCD器件由若干个电荷耦合单元组成，主要分为线阵CCD和面阵CCD。为了提高CCD的量子效率，通常采用微透镜阵列，尽量使更多的信号光入射到受光面，图2.1为一典型的N型CCD结构示意图，最上面覆盖的是微透镜阵列。
图2.1 N型CCD结构示意图
2.2 数值计算模型
由于CCD器件多层结构以及阵列排布，并不具有简单的二文对称性，所以我们建立了毫秒激光辐照CCD的三文有限元模型，如图2.2所示，微透镜阵列材料本身对1064nm激光几乎不吸收，经过微透镜大部分信号光被聚焦到感光面上，仍有少部分透过微透镜阵列的缝隙辐照到Al电极上，因此如果考虑覆盖在像元表面的微透镜阵列的聚焦作用，我们假设激光垂直入射到光敏面上，其中O为激光辐照中心点，位于某个感光面的中心，x，y和z分别表示沿水平方向，垂直方向和深度方向，多晶硅电极厚度为500nm, SiO2层厚度为100nm，Al栅极膜厚度为1000nm，每个像素单元尺寸为10 ，电极宽度和感光面宽度均为5 ，硅基底厚度为0.5mm。入射激光为平顶分布，光斑半径为100 ，一部分激光与表面的金属Al膜直接作用，一部分辐照到SiO2层。对于波长为1064nm的激光，Al的吸收深度为10nm，SiO2的吸收深度大于1cm，因此我们认为辐照到Al膜的激光被Al膜吸收掉，辐照到SiO2部分的激光透过SiO2层与Si基底作用。为了使问题求解方便， 做了以下假设：1）各层材料都是均匀和各向同性； 2）模型足够大，因而在激光照射过程热能不会传导到边界；3）各边界绝热；4）忽略边界热对流和热辐射的影响。