硅基CCD不均勻性測試

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心 張雄娥

硅基CCD不均勻性測試

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心 張雄娥

【摘要】本文從理論上分析了硅基CCD（電荷耦合器件）不均勻性的原因，并給出了一種硅基CCD不均勻性的測試方法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法可行。實(shí)驗(yàn)中的硅基CCD光電響應(yīng)偏差率在±1%以內(nèi)。

【關(guān)鍵詞】硅基；CCD；不均勻性；光電特性；測試

0 引言

CCD作為一種光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體器件，在工業(yè)控制、工業(yè)檢測、計(jì)量檢測等精密測量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著測量的精度要求不斷提高，CCD的非均勻性成了不可忽視的問題。CCD的非均勻性是指在相同照度下，CCD的各個感光單元的輸出信號不一致，不均勻性表現(xiàn)為CCD暗電流的非均勻性和光電轉(zhuǎn)換的非均勻性。不均勻性產(chǎn)生的原因很多，首先，光電材料光吸收系數(shù)、反射系數(shù)存在差異，另外，受工藝、加工制造的影響，溝道摻雜度不一致，再者，光刻精度有限導(dǎo)致感光面積、柵氧化物厚度等尺寸不相同。在幾何量測量中，這種非均勻性會對關(guān)鍵的脈沖邊緣信號產(chǎn)生影響，從而影響邊界位置的定位。如果能對CCD的不均勻性給出定量描述，則可還原出較為準(zhǔn)確的邊緣信號。

1 CCD不均勻性的產(chǎn)生

硅基CCD采用MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)，MOS結(jié)構(gòu)的形成過程如下：在p型Si襯底表面上通過氧化生成一層厚度約為1000?～1500?的SiO2，再在SiO2表面蒸鍍一金屬層。光子進(jìn)入p型Si襯底時產(chǎn)生的電子躍遷形成電子-空穴對，電子-空穴對在外加電場的作用下分別向電極的兩端移動，從而形成信號電荷。

硅基CCD存在暗電流，暗電流的產(chǎn)生有很多原因，可由載流子擴(kuò)散產(chǎn)生，硅晶表面或內(nèi)部缺憾產(chǎn)生。如果硅襯底存在晶格缺陷或者金屬離子污染，造成襯底發(fā)熱，產(chǎn)生暗電流。另外CCD的柵介質(zhì)為SiO2/Si3N4復(fù)合柵介質(zhì)，在Si-SiO2界面，由于晶格周期性排列的失配，形成了硅的懸掛鍵，形成復(fù)合-產(chǎn)生中心，即界面態(tài)，界面態(tài)產(chǎn)生的電子被勢阱收集并成為暗電流。

因此，沒有光照情況下，暗電流依然存在，暗電流的大小隨材料、尺寸、溫度的不同而產(chǎn)生差異。

CCD光電響應(yīng)率不一致也是導(dǎo)致CCD不均勻性的重要因素，即在相同照度下，CCD的各個感光單元的輸出信號不一致。CCD感光單元的光電轉(zhuǎn)換關(guān)系可用下式表示。

量子效率和感光面積的不均勻直接影響CCD各個感光單元的的光電響應(yīng)的一致性。量子效率受多方面因素影響，包括材料厚度、感光面光反射率等，受生產(chǎn)工藝的限制，這些參數(shù)難以保持一致。

2 CCD不均勻性測試原理

在測試硅基CCD不均勻性的過程中，必須保證CCD驅(qū)動頻率、環(huán)境溫度、積分時間不變。

測試采用遠(yuǎn)心平行光源以及雙遠(yuǎn)心鏡頭，遠(yuǎn)心平行光源提供均勻的平行光源，雙遠(yuǎn)心鏡頭與遠(yuǎn)心光源平行放置，CCD置于雙遠(yuǎn)心鏡頭的焦平面上，雙遠(yuǎn)心鏡頭接收平行光并將光聚集投射在CCD靶面上。遠(yuǎn)心平行光源光照均勻，雙遠(yuǎn)心鏡頭的特點(diǎn)是，平行進(jìn)入鏡頭的光線，最終也會平行射出，景深大，無視差，幾乎零畸變，因此最終投射到CCD上的光仍是平行光，且光源均勻性幾乎不變。

通過遠(yuǎn)心平行光源和雙遠(yuǎn)心鏡頭配合使用，可保證各個CCD感光單元的受到同等入射光照射，采集CCD輸出即可獲取不均勻性數(shù)據(jù)。另外，通過在光源與鏡頭上添加不同工作頻率的濾波片，即可測試CCD在不同光頻率下的光電響應(yīng)率。遠(yuǎn)心平行光源由精密可調(diào)直流電源供電，通過調(diào)整遠(yuǎn)心平行光源光強(qiáng)，可測試CCD在不同光強(qiáng)下的光電響應(yīng)率。

3 測量實(shí)驗(yàn)

選用遠(yuǎn)心平行光源、雙遠(yuǎn)心鏡頭搭建實(shí)驗(yàn)平臺，濾光片綠色：525nm±10nm，檢測線陣硅基CCD東芝TCD2964，CCD驅(qū)動電路將CCD信號輸出。測試環(huán)境溫度25℃，曝光時間10ms，驅(qū)動頻率1MHz，調(diào)節(jié)光源強(qiáng)度，記錄CCD輸出信號數(shù)據(jù)。測試在暗室進(jìn)行，排除外界雜光干擾。定義CCD各像元的響應(yīng)率偏差Ki如式（3）。

CCD的光電響應(yīng)率偏差測試結(jié)果如下各表所示，各表分別給出三個光強(qiáng)下局部21個單元的響應(yīng)率偏差。

表1 40%光強(qiáng)，局部21個感光單元光電響應(yīng)率偏差

表2 50%光強(qiáng)，局部21個感光單元光電響應(yīng)率偏差

表3 60%光強(qiáng)，局部21個感光單元光電響應(yīng)率偏差

由測試數(shù)據(jù)可以看出，被測硅基CCD光電響應(yīng)偏差率在±1%以內(nèi)。

4 結(jié)論

本文從理論上分析了硅基CCD不均勻性的原因，并給出了一種有效的硅基CCD不均勻性測試方法，通過進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測試了硅基CCD光電效率不均勻性。實(shí)驗(yàn)中的硅基CCD光電響應(yīng)偏差率在±1%以內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

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