快速獲取矽片光致發光影像的Si-CCD照相的製造方法

2023-05-02 07:39:16 2

快速獲取矽片光致發光影像的Si-CCD照相的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種快速獲取矽片光致發光影像的Si-CCD照相機，通過帕爾帖製冷元件將Si-CCD感光器件降溫到至少低於-20攝氏度，降低其本底噪聲的強度，從而縮短了最短有效曝光時間，同時根據Si-CCD的每個像素點亮度和曝光時間的線性關係，可以從一個時間段的電荷累積量推算出更長時間段的電荷累積量，達到快速獲取光致發光影像的目的。
【專利說明】快速獲取矽片光致發光影像的S1-CCD照相機
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及半導體【技術領域】，特別涉及一種快速獲取矽片光致發光影像的S1-CCD照相機。
【背景技術】
[0002]為了判斷矽片或電池片是否存在缺陷，常用的方法是採用CXD (Charge CoupledDevice,電荷耦合器件)照相機拍攝矽片或電池片的光致發光影像，通過觀察其光致發光影像，可直接判斷出矽片或電池片是否存在缺陷及缺陷的位置。CCD照相機是根據光致發光效應原理來進行工作的。所謂光致發光效應是指:當指價帶的電子受到入射光子的激發後，會躍過禁帶進入導帶。如果導帶上的這些被激發的電子又躍遷回到價帶時，會以放出光子的形式來釋放能量。光致發光效應也稱突光效應，其英文術語為:Photoluminescence,簡稱PL0 CXD照相機的工作原理如下:
[0003]首先利用雷射作為激發光源，提供一定能量的入射光子，矽片中處於基態的電子在吸收這些光子後而進入激發態，處於激發態的電子屬於亞穩態，在短時間內會回到基態，並發出以1150 nm的紅外光為波峰的突光。CCD照相機即可對所述發出的突光進行感光成像，獲取光致發光影像；
[0004]從矽片中發出光致發光效應的光的強度與本位置的非平衡少數載流子的密度成正比，而矽片中存有缺陷的地方會成為少數載流子的強複合中心，因此該區域的少數載流子密度變小導致螢光效應減弱，在圖像上表現出來就成為暗色的點、線，或一定的區域，而在電池片內複合較少的區域則表現為比較亮的區域。因此，通過觀察光致發光成像能夠判斷矽片或電池片是否存在缺陷。
[0005]CXD照相機的成像時間取決於CXD的種類和質量，且CXD照相機的成像時間和進入相機的光線強度成正比。同時，CCD照相機得到的影像亮度在光線足夠的情況下是和曝光成像時間成線性(正比)關係。曝光時間越長，影像越亮。但是在光線非常微弱的情況下，影像的亮度和曝光成像時間就不一定是線性關係。
[0006]現有的CXD照相機包括以InGaAs (砷化銦鎵)為CXD感光器件的InGaAs-CXD照相機，以及以Si (矽)為感光元器件的S1-CCD照相機。
[0007]InGaAs-CCD照相機的優點在於其所需的最短有效曝光時間較短，所以其獲取光致發光影像的速度較快，在等效一個太陽光強激發下，得到一幅清晰的光致發光影像，如果採用InGaAs-C⑶照相機需要5 - 10秒。但是，其缺陷在於:1、受到單個CXD合格率和性能一致性的限制，超過IK X IK高解析度的InGaAs相機價格非常昂貴，因此，其不適用於大部分的使用者。2、InGaAs-C⑶的本體噪聲很高，得到的PL影像有很高的背景噪聲。(依據半導體材料的物理特性，任何電子元器件都存在有本底噪聲:熱噪聲，熱噪聲的強度和溫度成正比。當微弱的光產生的電信號低於傳感器本身的熱噪聲時，常規的CCD就沒有辦法從較大的熱噪聲中分辨出信號。所以CCD本身的熱噪聲是限制了它對於微弱發光物體的拍攝能力。)[0008]S1-C⑶照相機的優點在於成本相對比較便宜，且性能非常穩定，解析度也能達到非常高。它常用的光譜響應範圍是400nm至800nm。但是，其缺點在於:1、它對IOOOnm之後的光譜產生的感光電流非常微弱，可能低於它本身的熱噪聲，因此，對上述1150 nm的光譜獲取的光致發光影像的效果較差；2、其最短有效曝光時間較長，在等效一個太陽光強激發下，得到一幅光致發光影像，採用S1-CXD照相機就需要5 - 10分鐘的曝光時間。因此，如何使S1-CCD照相機快速獲取清晰的矽片或電池產生的1150 nm的光譜的光致發光影像是目前所需克服的難題。
實用新型內容
[0009]本實用新型針對現有技術存在的上述不足，提供了一種快速獲取矽片光致發光影像的S1-CXD照相機，採用低價格的S1-CXD照相機，將S1-CXD感光元件冷卻至-20攝氏度，並在不提高入射光功率，不犧牲CCD解析度的前提條件下，縮短S1-CCD相機的曝光時間。
[0010]本實用新型通過以下技術方案實現:
[0011]一種快速獲取矽片光致發光影像的S1-CXD照相機，包括:
[0012]S1-CXD感光器件，用以拍攝光致發光影像；
[0013]電子線路板，電性連接S1-C⑶感光器件，用以向S1-C⑶感光器件提供電源，驅動，數模轉換及接口電路；
[0014]帕爾帖製冷元件，設置在S1-CXD感光器件和電子線路板下側，用以將S1-CXD感光器件的溫度降低到至少低於-20攝氏度；
[0015]導熱的真空密封模塊，用以導熱和散熱，導熱的真空密封模塊的內部真空，S1-CCD感光器件、電子線路板以及帕爾帖製冷元件設置在導熱的真空密封模塊的內部，光線可透過導熱的真空密封模塊照射在S1-CXD感光器件上；
[0016]散熱片，設置在導熱的真空密封模塊外側，用以散發帕爾帖製冷元件在製冷過程中所產生的熱量。
[0017]較佳的，導熱的真空密封模塊包括:
[0018]窗口密封玻璃，設置在S1-CXD感光器件上側，外部光線透過窗口密封玻璃照射在S1-CXD感光器件上；
[0019]散熱真空密封體，設置在帕爾帖製冷元件下側，並與窗口密封玻璃密封連接，窗口密封玻璃與散熱真空密封體之間真空。
[0020]較佳的，導熱的真空密封模塊還包括:絕緣絕熱密封圈，設置在窗口密封玻璃和散熱真空密封體之間，起密封作用。
[0021]較佳的，散熱片採用風冷散熱或水冷散熱。
[0022]較佳的，帕爾帖製冷元件包括一片帕爾帖製冷元件或者多片帕爾帖製冷元件疊加
在一起。
[0023]本實用新型另提供一種快速獲取矽片光致發光影像的S1-CCD照相機，採用低價格的S1-CCD感光器件，將S1-CCD感光元件冷卻至-20攝氏度，並在不提高入射光功率，不犧牲CCD解析度的前提條件下，縮短S1-CCD照相機的曝光時間，同時對S1-CCD照相機外圍進行去溼，防止水冷凝在S1-CXD照相機上而影響拍攝。
[0024]一種快速獲取矽片光致發光影像的S1-CXD照相機，包括:[0025]S1-CXD感光器件，用以拍攝光致發光影像；
[0026]電子線路板，電性連接S1-CCD感光器件，用以向S1-CCD感光器件提供電源，驅動，數模轉換及接口電路；
[0027]第一帕爾帖製冷元件，設置在S1-CCD感光器件和電子線路板下側，用以將S1-CCD感光器件的溫度降低到至少低於-20攝氏度；
[0028]導熱的真空密封模塊，用以導熱和散熱，導熱的真空密封模塊的內部真空，S1-CCD感光器件、電子線路板以及第一帕爾帖製冷元件設置在導熱的真空密封模塊的內部，光線可透過導熱的真空密封模塊照射在S1-CXD感光器件上；
[0029]冷凝去溼塊，設置在導熱的真空密封模塊下方，用以冷凝空氣中的水分，起去溼作用；
[0030]導熱絕緣層，設置在冷凝去溼塊與導熱的真空密封模塊之間，用以導熱和絕緣；
[0031]第二帕爾帖製冷元件，設置在冷凝去溼塊下側，用以維持冷凝去溼塊在一預設溫度，以增加去溼效果；
[0032]空氣加熱器，設置在第二帕爾帖製冷元件下側，用以加熱經冷凝去溼後的空氣；
[0033]真空風扇，用以將未經冷凝去溼的空氣送入冷凝去溼塊，將冷凝去溼後的空氣送入S1-CXD感光器件周圍，形成循環。
[0034]較佳的，導熱的真空密封模塊包括:
[0035]窗口密封玻璃，設置在S1-CXD感光器件上側，外部光線透過窗口密封玻璃照射在S1-CXD感光器件上；
[0036]散熱真空密封體，設置在帕爾帖製冷元件下側，並與窗口密封玻璃密封連接，窗口密封玻璃與散熱真空密封體之間真空。
[0037]較佳的，導熱的真空密封模塊還包括:絕緣絕熱密封圈，設置在窗口密封玻璃和散熱真空密封體之間，起密封作用。
[0038]較佳的，第一帕爾帖製冷元件或第二帕爾帖製冷元件包括一片帕爾帖製冷元件或者多片帕爾帖製冷元件疊加在一起。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1所示的是本實用新型第一實施例的結構爆炸圖；
[0040]圖2所示的是未冷卻的S1-CCD照相機的曝光時間與輸出電壓示意圖；
[0041]圖3所示的是冷卻後的S1-CCD照相機的曝光時間與輸出電壓示意圖；
[0042]圖4所示的是S1-CXD照相機的曝光時間與圖像亮度示意圖；
[0043]圖5所示的是本實用新型快速獲取矽片光致發光影像的原理圖；
[0044]圖6所示的是本實用新型的第二實施例的結構爆炸圖。
【具體實施方式】
[0045]以下將結合本實用新型的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述和討論，顯然，這裡所描述的僅僅是本實用新型的一部分實例，並不是全部的實例，基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型的保護範圍。[0046]為了便於對本實用新型實施例的理解，下面將結合附圖以具體實施例為例作進一步的解釋說明，且各個實施例不構成對本實用新型實施例的限定。
[0047]請參考圖1，本實用新型的第一實施例所提供的一種快速獲取矽片光致發光影像的S1-CXD照相機，包括=S1-CXD感光器件2 ;電子線路板3 ;帕爾帖製冷元件(Peltier) 4 ；導熱的真空密封模塊；散熱片7。
[0048]S1-CXD感光器件2設置在電子線路板3上，電子線路板3給S1-CXD感光器件2提供電源，驅動，數模轉換及接口電路；帕爾帖製冷元件4將S1-CCD感光器件2降溫到至少低於-20攝氏度，其目的會在本文後續的原理部分說明；散熱片7設置在導熱的真空密封模塊外側，用以散發帕爾帖製冷元件4在製冷過程中所產生的熱量；導熱的真空密封模塊的內部真空，S1-CCD感光器件2、電子線路板3以及帕爾帖製冷元件4設置在導熱的真空密封模塊的內部，其本身同時帶有導熱和散熱的作用，光線可透過導熱的真空密封模塊照射在S1-CXD感光器件2上，完成拍攝光致發光影像的功能。
[0049]當S1-C⑶感光器件2的溫度低過10-15攝氏度以下，空氣中的水分會凝結在S1-CXD感光器件表面，產生結露現象。所以S1-C⑶感光器件2必須安裝在高度真空的密封體裡面。S1-CXD感光器件2安裝進密封體之後，裡面需要高度抽真空。
[0050]在本實施例中，導熱的真空密封模塊包括:窗口密封玻璃I，設置在S1-CXD感光器件2上側，外部光線透過窗口密封玻璃照射在S1-CXD感光器件2上；散熱真空密封體6，設置在帕爾帖製冷元件4下側，並與窗口密封玻璃I密封連接，窗口密封玻璃I與散熱真空密封體6之間真空；絕緣絕熱密封圈5，設置在所述窗口密封玻璃I和所述散熱真空密封體6之間，起密封作用。這裡只是對導熱的真空密封模塊舉一例說明，本實用新型在此對導熱的真空密封模塊的結構不做限制。
[0051]散熱片7採用風冷散熱或水冷散熱，技術人員可以根據實際情況做出選擇。
[0052]以下提供本實用新型的工作方法和原理，以便技術人員理解本實用新型。
[0053]請參考圖2，S1-CXD感光器件的本底噪聲b是一種白噪聲，它的強度限制了 s1-CXD照相機能夠獲取有用的光致發光影像最短的曝光時間。只有當CCD表面電荷累積超過CCD本身的熱噪聲，即圖2中的Tl時刻，CCD才能探測出發光物體的影像。Tl的長短取決於被測量的物體屬性和激發光強度，正常獲取一幅高解析度(IKxlK)矽片的光致發光圖像大約需要5-10分鐘，正常獲取一幅高解析度(IKxlK)電池片的光致發光圖像大約需要5-10秒鐘。
[0054]請參考圖3，S1-CXD感光器件本身的熱噪聲和溫度有對應關係。當把S1-CXD感光器件的體溫降到-20攝氏度以下，S1-CCD感光器件本身的熱噪聲就會大幅度地降低。當把S1-CXD感光器件的溫度降到-20攝氏度以下，器件本身的熱噪聲就幾乎為零，S1-CXD感光器件的光譜響應範圍就可以延伸到1200nm。它就可以用來測量從矽片激發出來的1150nm的光致發光影像，且降溫了的S1-CXD感光器件最短的有效曝光時間T2可以大大地縮短。
[0055]請參考圖4，高質量的S1-CCD照相機即使在非常微弱的光照條件下，由入射光產生的S1-CCD感光器件表面電荷累積量和時間成線性關係。也即影像的亮度和照射的時間成線性關係。請參考圖5，所以高質量的S1-CCD產生的影像的亮度與曝光時間用數學公式可以表達為:Y=aXt+b。Y是S1-CXD感光器件每個像素點代表的亮度，X是從矽片或者電池片中激發出來的光致發光影像的光強，a是光學轉換係數，t是曝光時間，b是S1-CCD的本底噪聲。因為冷卻的S1-CCD感光器件的每個像素點亮度和曝光時間有這樣的線性關係，因此可以從一個時間段的電荷累積量推算出更長時間段的電荷累積量。比如我們可以從一秒的曝光時間得到的圖像亮度Y(I)推算出它在10秒曝光時間的圖像亮度:Y(10)= IOxY⑴-9b。
[0056]根據上述原理，本實用新型在此提供一種基於本實用新型的快速獲取光致發光影像的方法，以便技術人員理解本實用新型的用途:
[0057]S1、將快速獲取矽片光致發光影像的S1-CXD感光器件降溫到至少低於-20攝氏度；
[0058]S2、在沒有激發光源的狀態下，S1-CXD照相機採集一第一二維數據fQ (Xi ; Yj);
[0059]S3、設定激發光源和S1-CXD照相機的曝光時間為T3，S1-CXD照相機採集一第二二維數據 (Xi;Yj)；
[0060]S4、計算在T4曝光時間條件下的光致發光影像:f2 (Xi ;Yj) = If1 (Xi ;Yj) - f0(Xi;Yj) ] XT4/T3 ；
[0061]其中，i=0到M，j=0到N，M和N的值為S1-CXD感光器件的橫向及縱向最大像素點，比如CCD的像素是:1024 X 1024 ；M, N的值就是1024 ；
[0062]f0 (Xi;Yj)是S1-CXD感光器件每個像素點輸出的電壓值，代表S1-CXD感光器件的本體噪聲和環境光線產生的綜合誤差信號；f\ (Xi ; Yj)是S1-CCD感光器件在T3時刻每個像素點輸出的電壓值；f2 (Xi；Yj)是S1-CXD感光器件在T4時刻每個像素點可能輸出的電壓值；
[0063]f2 (Xi;Yj)是S1-CXD感光器件每個像素點輸出的電壓值，代表了 S1-CXD感光器件的本體噪聲和環境光線產生的綜合誤差信號，M和N的值為S1-CCD感光器件的橫向及縱向最大像素點；
[0064]T3的取值為未製冷的S1-CCD感光器件能夠採集到光致發光影像的最短曝光時間的十分之一至五十分之一，T4所需計算的光致發光影像所在的時刻。為了便於比較矽片和矽片之間的質量，通常採用設定時間參數T4，比較各矽片光致發光影像的亮度。光致發光影像越亮，矽片的少數載流子壽命越長，質量越好。
[0065]請參考圖6，本實用新型在第一實施例的基礎上做出改進所提供的第二實施例。由於本實用新型的S1-CXD感光器件的工作溫度在-20攝氏度以下，考慮到外部高溫、高溼氣的空氣可能會在窗口密封玻璃上產生冷凝現象(即第一實施例的工作環境需要在低溫、低溼度的環境中進行)，因此，在本實施例中增加了對周圍環境去溼的功能，以適應其他的工作環境。
[0066]本實施例的快速獲取矽片光致發光影像的S1-CXD照相機，包括:
[0067]S1-CXD感光器件12 ；電子線路板13 ;第一帕爾帖製冷元件14 ;導熱的真空密封模塊；冷凝去溼塊18 ;導熱絕緣層17 ;第二帕爾帖製冷元件19 ;空氣加熱器20 ;真空風扇21。
[0068]S1-CXD感光器件12設置在電子線路板13上，電子線路板13向S1-CXD感光器件12提供電源，驅動，數模轉換及接口電路；第一帕爾帖製冷元件14設置在電子線路板13下側，用以將S1-CCD感光器件12的溫度降低到至少低於-20攝氏度；冷凝去溼塊18設置在導熱的真空密封模塊下方，用以冷凝空氣中的水分，起去溼作用；導熱絕緣層17設置在冷凝去溼塊18與導熱的真空密封模塊之間，用以導熱和絕緣；第二帕爾帖製冷元件19設置在冷凝去溼塊18下側，用以維持冷凝去溼塊18在一預設溫度，以增加去溼效果；空氣加熱器20設置在第二帕爾帖製冷元件19下側，用以加熱經冷凝去溼後的空氣；真空風扇21設置在空氣加熱器20的下側，用以將未經冷凝去溼的空氣送入冷凝去溼塊18，將冷凝去溼後的空氣送入S1-CXD感光器件12周圍，形成循環。
[0069]導熱的真空密封模塊的內部真空，S1-C⑶感光器件12、電子線路板13以及第一帕爾帖製冷元件14設置在導熱的真空密封模塊的內部，光線可透過導熱的真空密封模塊照射在S1-C⑶感光器件12上，完成拍攝光之發光影像的目的。導熱的真空密封模塊的結構可以與第一實施例相同，包括窗口密封玻璃11，散熱真空密封體16以及絕緣絕熱密封圈15 ;本實用新型在此不做限制。
[0070]由於溼熱空氣中的水分子和冷凝去溼塊18接觸時，在冷凝去溼塊18表面比較容易冷凝成水。所以經過冷凝去溼塊18的冷空氣需要再加熱，然後送回S1-CCD感光器件12周圍的環境中，經過循環再次和冷凝去溼塊18接觸，去溼。周而復始，不斷循環，同時達到了冷卻S1-CXD照相機以及去溼的作用。
[0071]經過試驗，本實用新型可以將光致發光影像的曝光時間縮短至正常獲取光致發光影像的所需曝光時間的十分之一至五十分之一內。
[0072]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本實用新型揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。因此，本實用新型的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
【權利要求】
1.一種快速獲取矽片光致發光影像的S1-CXD照相機，其特徵在於，包括: S1-CCD感光器件，用以拍攝光致發光影像； 電子線路板，電性連接所述S1-CCD感光器件，用以向所述S1-CCD感光器件提供電源，驅動，數模轉換及接口電路； 帕爾帖製冷元件，設置在所述S1-CCD感光器件和電子線路板下側，用以將所述S1-CCD感光器件的溫度降低到至少低於-20攝氏度； 導熱的真空密封模塊，用以導熱和散熱，所述導熱的真空密封模塊的內部真空，所述S1-CCD感光器件、所述電子線路板以及所述帕爾帖製冷元件設置在所述導熱的真空密封模塊的內部，光線可透過所述導熱的真空密封模塊照射在所述S1-CCD感光器件上； 散熱片，設置在所述導熱的真空密封模塊外側，用以散發所述帕爾帖製冷元件在製冷過程中所產生的熱量。
2.根據權利要求1所述的快速獲取矽片光致發光影像的S1-CCD照相機，其特徵在於，所述導熱的真空密封模塊包括: 窗口密封玻璃，設置在所述S1-CCD感光器件上側，外部光線透過所述窗口密封玻璃照射在所述S1-CXD感光器件上； 散熱真空密封體，設置在所述帕爾帖製冷元件下側，並與所述窗口密封玻璃密封連接，所述窗口密封玻璃與所述散熱真空密封體之間真空。
3.根據權利要求2所述的快速獲取矽片光致發光影像的S1-CCD照相機，其特徵在於，所述導熱的真空密封模塊還包括:絕緣絕熱密封圈，設置在所述窗口密封玻璃和所述散熱真空密封體之間，起密封作用。`
4.根據權利要求1所述的快速獲取矽片光致發光影像的S1-CCD照相機，其特徵在於，所述散熱片採用風冷散熱或水冷散熱。
5.根據權利要求1所述的快速獲取矽片光致發光影像的S1-CCD照相機，其特徵在於，所述帕爾帖製冷元件包括一片帕爾帖製冷元件或者多片帕爾帖製冷元件疊加在一起。
6.一種快速獲取矽片光致發光影像的S1-CXD照相機，其特徵在於，包括: S1-CCD感光器件，用以拍攝光致發光影像； 電子線路板，電性連接所述S1-CCD感光器件，用以向所述S1-CCD感光器件提供電源，驅動，數模轉換及接口電路； 第一帕爾帖製冷元件，設置在所述S1-CCD感光器件和電子線路板下側，用以將所述S1-CXD感光器件的溫度降低到至少低於-20攝氏度； 導熱的真空密封模塊，用以導熱和散熱，所述導熱的真空密封模塊的內部真空，所述S1-CCD感光器件、所述電子線路板以及所述第一帕爾帖製冷元件設置在所述導熱的真空密封模塊的內部，光線可透過所述導熱的真空密封模塊照射在所述S1-CCD感光器件上； 冷凝去溼塊，設置在所述導熱的真空密封模塊下方，用以冷凝空氣中的水分，起去溼作用； 導熱絕緣層，設置在所述冷凝去溼塊與所述導熱的真空密封模塊之間，用以導熱和絕緣； 第二帕爾帖製冷元件，設置在所述冷凝去溼塊下側，用以維持所述冷凝去溼塊在一預設溫度，以增加去溼效果；空氣加熱器，設置在所述第二帕爾帖製冷元件下側，用以加熱經冷凝去溼後的空氣； 真空風扇，用以將未經冷凝去溼的空氣送入所述冷凝去溼塊，將冷凝去溼後的空氣送入S1-CXD感光器件周圍，形成循環。
7.根據權利要求6所述的快速獲取矽片光致發光影像的S1-CCD照相機，其特徵在於，所述導熱的真空密封模塊包括: 窗口密封玻璃，設置在所述S1-CCD感光器件上側，外部光線透過所述窗口密封玻璃照射在所述S1-CXD感光器件上； 散熱真空密封體，設置在所述第一帕爾帖製冷元件下側，並與所述窗口密封玻璃密封連接，所述窗口密封玻璃與所述散熱真空密封體之間真空。
8.根據權利要求7所述的快速獲取矽片光致發光影像的S1-CCD照相機，其特徵在於，所述導熱的真空密封模塊還包括:絕緣絕熱密封圈，設置在所述窗口密封玻璃和所述散熱真空密封體之間，起密封作用。
9.根據權利要求6所述的快速獲取矽片光致發光影像的S1-CCD照相機，其特徵在於，所述第一帕爾帖製冷元件或所述第二帕爾帖製冷元件包括一片帕爾帖製冷元件或者多片帕爾帖製冷元件疊加在一起。`
【文檔編號】H04N5/235GK203596857SQ201320648063
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年10月21日 優先權日:2013年10月21日
【發明者】王宇昶 申請人:維信科技（新加坡）有限公司