硅基CCD不均匀性测试

国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心 张雄娥

硅基CCD不均匀性测试

国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心 张雄娥

【摘要】本文从理论上分析了硅基CCD（电荷耦合器件）不均匀性的原因，并给出了一种硅基CCD不均匀性的测试方法，实验验证该方法可行。实验中的硅基CCD光电响应偏差率在±1%以内。

【关键词】硅基；CCD；不均匀性；光电特性；测试

0 引言

CCD作为一种光电转换半导体器件，在工业控制、工业检测、计量检测等精密测量领域有着广泛的应用。随着测量的精度要求不断提高，CCD的非均匀性成了不可忽视的问题。CCD的非均匀性是指在相同照度下，CCD的各个感光单元的输出信号不一致，不均匀性表现为CCD暗电流的非均匀性和光电转换的非均匀性。不均匀性产生的原因很多，首先，光电材料光吸收系数、反射系数存在差异，另外，受工艺、加工制造的影响，沟道掺杂度不一致，再者，光刻精度有限导致感光面积、栅氧化物厚度等尺寸不相同。在几何量测量中，这种非均匀性会对关键的脉冲边缘信号产生影响，从而影响边界位置的定位。如果能对CCD的不均匀性给出定量描述，则可还原出较为准确的边缘信号。

1 CCD不均匀性的产生

硅基CCD采用MOS（金属-氧化物-半导体）结构，MOS结构的形成过程如下：在p型Si衬底表面上通过氧化生成一层厚度约为1000Å～1500Å的SiO2，再在SiO2表面蒸镀一金属层。光子进入p型Si衬底时产生的电子跃迁形成电子-空穴对，电子-空穴对在外加电场的作用下分别向电极的两端移动，从而形成信号电荷。

硅基CCD存在暗电流，暗电流的产生有很多原因，可由载流子扩散产生，硅晶表面或内部缺憾产生。如果硅衬底存在晶格缺陷或者金属离子污染，造成衬底发热，产生暗电流。另外CCD的栅介质为SiO2/Si3N4复合栅介质，在Si-SiO2界面，由于晶格周期性排列的失配，形成了硅的悬挂键，形成复合-产生中心，即界面态，界面态产生的电子被势阱收集并成为暗电流。

因此，没有光照情况下，暗电流依然存在，暗电流的大小随材料、尺寸、温度的不同而产生差异。

CCD光电响应率不一致也是导致CCD不均匀性的重要因素，即在相同照度下，CCD的各个感光单元的输出信号不一致。CCD感光单元的光电转换关系可用下式表示。

量子效率和感光面积的不均匀直接影响CCD各个感光单元的的光电响应的一致性。量子效率受多方面因素影响，包括材料厚度、感光面光反射率等，受生产工艺的限制，这些参数难以保持一致。

2 CCD不均匀性测试原理

在测试硅基CCD不均匀性的过程中，必须保证CCD驱动频率、环境温度、积分时间不变。

测试采用远心平行光源以及双远心镜头，远心平行光源提供均匀的平行光源，双远心镜头与远心光源平行放置，CCD置于双远心镜头的焦平面上，双远心镜头接收平行光并将光聚集投射在CCD靶面上。远心平行光源光照均匀，双远心镜头的特点是，平行进入镜头的光线，最终也会平行射出，景深大，无视差，几乎零畸变，因此最终投射到CCD上的光仍是平行光，且光源均匀性几乎不变。

通过远心平行光源和双远心镜头配合使用，可保证各个CCD感光单元的受到同等入射光照射，采集CCD输出即可获取不均匀性数据。另外，通过在光源与镜头上添加不同工作频率的滤波片，即可测试CCD在不同光频率下的光电响应率。远心平行光源由精密可调直流电源供电，通过调整远心平行光源光强，可测试CCD在不同光强下的光电响应率。

3 测量实验

选用远心平行光源、双远心镜头搭建实验平台，滤光片绿色：525nm±10nm，检测线阵硅基CCD东芝TCD2964，CCD驱动电路将CCD信号输出。测试环境温度25℃，曝光时间10ms，驱动频率1MHz，调节光源强度，记录CCD输出信号数据。测试在暗室进行，排除外界杂光干扰。定义CCD各像元的响应率偏差Ki如式（3）。

CCD的光电响应率偏差测试结果如下各表所示，各表分别给出三个光强下局部21个单元的响应率偏差。

表1 40%光强，局部21个感光单元光电响应率偏差

表2 50%光强，局部21个感光单元光电响应率偏差

表3 60%光强，局部21个感光单元光电响应率偏差

由测试数据可以看出，被测硅基CCD光电响应偏差率在±1%以内。

4 结论

本文从理论上分析了硅基CCD不均匀性的原因，并给出了一种有效的硅基CCD不均匀性测试方法，通过进行实验，测试了硅基CCD光电效率不均匀性。实验中的硅基CCD光电响应偏差率在±1%以内。

参考文献

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