快速获取硅片光致发光影像的Si-CCD照相的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种快速获取硅片光致发光影像的Si-CCD照相机，通过帕尔帖制冷元件将Si-CCD感光器件降温到至少低于-20摄氏度，降低其本底噪声的强度，从而缩短了最短有效曝光时间，同时根据Si-CCD的每个像素点亮度和曝光时间的线性关系，可以从一个时间段的电荷累积量推算出更长时间段的电荷累积量，达到快速获取光致发光影像的目的。
【专利说明】快速获取硅片光致发光影像的S1-CCD照相机
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及半导体【技术领域】，特别涉及一种快速获取硅片光致发光影像的S1-CCD照相机。
【背景技术】
[0002]为了判断硅片或电池片是否存在缺陷，常用的方法是采用CXD (Charge CoupledDevice,电荷耦合器件)照相机拍摄硅片或电池片的光致发光影像，通过观察其光致发光影像，可直接判断出硅片或电池片是否存在缺陷及缺陷的位置。CCD照相机是根据光致发光效应原理来进行工作的。所谓光致发光效应是指:当指价带的电子受到入射光子的激发后，会跃过禁带进入导带。如果导带上的这些被激发的电子又跃迁回到价带时，会以放出光子的形式来释放能量。光致发光效应也称突光效应，其英文术语为:Photoluminescence,简称PL0 CXD照相机的工作原理如下:
[0003]首先利用激光作为激发光源，提供一定能量的入射光子，硅片中处于基态的电子在吸收这些光子后而进入激发态，处于激发态的电子属于亚稳态，在短时间内会回到基态，并发出以1150 nm的红外光为波峰的突光。CCD照相机即可对所述发出的突光进行感光成像，获取光致发光影像；
[0004]从硅片中发出光致发光效应的光的强度与本位置的非平衡少数载流子的密度成正比，而硅片中存有缺陷的地方会成为少数载流子的强复合中心，因此该区域的少数载流子密度变小导致荧光效应减弱，在图像上表现出来就成为暗色的点、线，或一定的区域，而在电池片内复合较少的区域则表现为比较亮的区域。因此，通过观察光致发光成像能够判断硅片或电池片是否存在缺陷。
[0005]CXD照相机的成像时间取决于CXD的种类和质量，且CXD照相机的成像时间和进入相机的光线强度成正比。同时，CCD照相机得到的影像亮度在光线足够的情况下是和曝光成像时间成线性(正比)关系。曝光时间越长，影像越亮。但是在光线非常微弱的情况下，影像的亮度和曝光成像时间就不一定是线性关系。
[0006]现有的CXD照相机包括以InGaAs (砷化铟镓)为CXD感光器件的InGaAs-CXD照相机，以及以Si (硅)为感光元器件的S1-CCD照相机。
[0007]InGaAs-CCD照相机的优点在于其所需的最短有效曝光时间较短，所以其获取光致发光影像的速度较快，在等效一个太阳光强激发下，得到一幅清晰的光致发光影像，如果采用InGaAs-C⑶照相机需要5 - 10秒。但是，其缺陷在于:1、受到单个CXD合格率和性能一致性的限制，超过IK X IK高分辨率的InGaAs相机价格非常昂贵，因此，其不适用于大部分的使用者。2、InGaAs-C⑶的本体噪声很高，得到的PL影像有很高的背景噪声。(依据半导体材料的物理特性，任何电子元器件都存在有本底噪声:热噪声，热噪声的强度和温度成正比。当微弱的光产生的电信号低于传感器本身的热噪声时，常规的CCD就没有办法从较大的热噪声中分辨出信号。所以CCD本身的热噪声是限制了它对于微弱发光物体的拍摄能力。)[0008]S1-C⑶照相机的优点在于成本相对比较便宜，且性能非常稳定，分辨率也能达到非常高。它常用的光谱响应范围是400nm至800nm。但是，其缺点在于:1、它对IOOOnm之后的光谱产生的感光电流非常微弱，可能低于它本身的热噪声，因此，对上述1150 nm的光谱获取的光致发光影像的效果较差；2、其最短有效曝光时间较长，在等效一个太阳光强激发下，得到一幅光致发光影像，采用S1-CXD照相机就需要5 - 10分钟的曝光时间。因此，如何使S1-CCD照相机快速获取清晰的硅片或电池产生的1150 nm的光谱的光致发光影像是目前所需克服的难题。
实用新型内容
[0009]本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提供了一种快速获取硅片光致发光影像的S1-CXD照相机，采用低价格的S1-CXD照相机，将S1-CXD感光元件冷却至-20摄氏度，并在不提高入射光功率，不牺牲CCD分辨率的前提条件下，缩短S1-CCD相机的曝光时间。
[0010]本实用新型通过以下技术方案实现:
[0011]一种快速获取硅片光致发光影像的S1-CXD照相机，包括:
[0012]S1-CXD感光器件，用以拍摄光致发光影像；
[0013]电子线路板，电性连接S1-C⑶感光器件，用以向S1-C⑶感光器件提供电源，驱动，数模转换及接口电路；
[0014]帕尔帖制冷元件，设置在S1-CXD感光器件和电子线路板下侧，用以将S1-CXD感光器件的温度降低到至少低于-20摄氏度；
[0015]导热的真空密封模块，用以导热和散热，导热的真空密封模块的内部真空，S1-CCD感光器件、电子线路板以及帕尔帖制冷元件设置在导热的真空密封模块的内部，光线可透过导热的真空密封模块照射在S1-CXD感光器件上；
[0016]散热片，设置在导热的真空密封模块外侧，用以散发帕尔帖制冷元件在制冷过程中所产生的热量。
[0017]较佳的，导热的真空密封模块包括:
[0018]窗口密封玻璃，设置在S1-CXD感光器件上侧，外部光线透过窗口密封玻璃照射在S1-CXD感光器件上；
[0019]散热真空密封体，设置在帕尔帖制冷元件下侧，并与窗口密封玻璃密封连接，窗口密封玻璃与散热真空密封体之间真空。
[0020]较佳的，导热的真空密封模块还包括:绝缘绝热密封圈，设置在窗口密封玻璃和散热真空密封体之间，起密封作用。
[0021]较佳的，散热片采用风冷散热或水冷散热。
[0022]较佳的，帕尔帖制冷元件包括一片帕尔帖制冷元件或者多片帕尔帖制冷元件叠加
在一起。
[0023]本实用新型另提供一种快速获取硅片光致发光影像的S1-CCD照相机，采用低价格的S1-CCD感光器件，将S1-CCD感光元件冷却至-20摄氏度，并在不提高入射光功率，不牺牲CCD分辨率的前提条件下，缩短S1-CCD照相机的曝光时间，同时对S1-CCD照相机外围进行去湿，防止水冷凝在S1-CXD照相机上而影响拍摄。
[0024]一种快速获取硅片光致发光影像的S1-CXD照相机，包括:[0025]S1-CXD感光器件，用以拍摄光致发光影像；
[0026]电子线路板，电性连接S1-CCD感光器件，用以向S1-CCD感光器件提供电源，驱动，数模转换及接口电路；
[0027]第一帕尔帖制冷元件，设置在S1-CCD感光器件和电子线路板下侧，用以将S1-CCD感光器件的温度降低到至少低于-20摄氏度；
[0028]导热的真空密封模块，用以导热和散热，导热的真空密封模块的内部真空，S1-CCD感光器件、电子线路板以及第一帕尔帖制冷元件设置在导热的真空密封模块的内部，光线可透过导热的真空密封模块照射在S1-CXD感光器件上；
[0029]冷凝去湿块，设置在导热的真空密封模块下方，用以冷凝空气中的水分，起去湿作用；
[0030]导热绝缘层，设置在冷凝去湿块与导热的真空密封模块之间，用以导热和绝缘；
[0031]第二帕尔帖制冷元件，设置在冷凝去湿块下侧，用以维持冷凝去湿块在一预设温度，以增加去湿效果；
[0032]空气加热器，设置在第二帕尔帖制冷元件下侧，用以加热经冷凝去湿后的空气；
[0033]真空风扇，用以将未经冷凝去湿的空气送入冷凝去湿块，将冷凝去湿后的空气送入S1-CXD感光器件周围，形成循环。
[0034]较佳的，导热的真空密封模块包括:
[0035]窗口密封玻璃，设置在S1-CXD感光器件上侧，外部光线透过窗口密封玻璃照射在S1-CXD感光器件上；
[0036]散热真空密封体，设置在帕尔帖制冷元件下侧，并与窗口密封玻璃密封连接，窗口密封玻璃与散热真空密封体之间真空。
[0037]较佳的，导热的真空密封模块还包括:绝缘绝热密封圈，设置在窗口密封玻璃和散热真空密封体之间，起密封作用。
[0038]较佳的，第一帕尔帖制冷元件或第二帕尔帖制冷元件包括一片帕尔帖制冷元件或者多片帕尔帖制冷元件叠加在一起。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1所示的是本实用新型第一实施例的结构爆炸图；
[0040]图2所示的是未冷却的S1-CCD照相机的曝光时间与输出电压示意图；
[0041]图3所示的是冷却后的S1-CCD照相机的曝光时间与输出电压示意图；
[0042]图4所示的是S1-CXD照相机的曝光时间与图像亮度示意图；
[0043]图5所示的是本实用新型快速获取硅片光致发光影像的原理图；
[0044]图6所示的是本实用新型的第二实施例的结构爆炸图。
【具体实施方式】
[0045]以下将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本实用新型的一部分实例，并不是全部的实例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。[0046]为了便于对本实用新型实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本实用新型实施例的限定。
[0047]请参考图1，本实用新型的第一实施例所提供的一种快速获取硅片光致发光影像的S1-CXD照相机，包括=S1-CXD感光器件2 ;电子线路板3 ;帕尔帖制冷元件(Peltier) 4 ；导热的真空密封模块；散热片7。
[0048]S1-CXD感光器件2设置在电子线路板3上，电子线路板3给S1-CXD感光器件2提供电源，驱动，数模转换及接口电路；帕尔帖制冷元件4将S1-CCD感光器件2降温到至少低于-20摄氏度，其目的会在本文后续的原理部分说明；散热片7设置在导热的真空密封模块外侧，用以散发帕尔帖制冷元件4在制冷过程中所产生的热量；导热的真空密封模块的内部真空，S1-CCD感光器件2、电子线路板3以及帕尔帖制冷元件4设置在导热的真空密封模块的内部，其本身同时带有导热和散热的作用，光线可透过导热的真空密封模块照射在S1-CXD感光器件2上，完成拍摄光致发光影像的功能。
[0049]当S1-C⑶感光器件2的温度低过10-15摄氏度以下，空气中的水分会凝结在S1-CXD感光器件表面，产生结露现象。所以S1-C⑶感光器件2必须安装在高度真空的密封体里面。S1-CXD感光器件2安装进密封体之后，里面需要高度抽真空。
[0050]在本实施例中，导热的真空密封模块包括:窗口密封玻璃I，设置在S1-CXD感光器件2上侧，外部光线透过窗口密封玻璃照射在S1-CXD感光器件2上；散热真空密封体6，设置在帕尔帖制冷元件4下侧，并与窗口密封玻璃I密封连接，窗口密封玻璃I与散热真空密封体6之间真空；绝缘绝热密封圈5，设置在所述窗口密封玻璃I和所述散热真空密封体6之间，起密封作用。这里只是对导热的真空密封模块举一例说明，本实用新型在此对导热的真空密封模块的结构不做限制。
[0051]散热片7采用风冷散热或水冷散热，技术人员可以根据实际情况做出选择。
[0052]以下提供本实用新型的工作方法和原理，以便技术人员理解本实用新型。
[0053]请参考图2，S1-CXD感光器件的本底噪声b是一种白噪声，它的强度限制了 s1-CXD照相机能够获取有用的光致发光影像最短的曝光时间。只有当CCD表面电荷累积超过CCD本身的热噪声，即图2中的Tl时刻，CCD才能探测出发光物体的影像。Tl的长短取决于被测量的物体属性和激发光强度，正常获取一幅高分辨率(IKxlK)硅片的光致发光图像大约需要5-10分钟，正常获取一幅高分辨率(IKxlK)电池片的光致发光图像大约需要5-10秒钟。
[0054]请参考图3，S1-CXD感光器件本身的热噪声和温度有对应关系。当把S1-CXD感光器件的体温降到-20摄氏度以下，S1-CCD感光器件本身的热噪声就会大幅度地降低。当把S1-CXD感光器件的温度降到-20摄氏度以下，器件本身的热噪声就几乎为零，S1-CXD感光器件的光谱响应范围就可以延伸到1200nm。它就可以用来测量从硅片激发出来的1150nm的光致发光影像，且降温了的S1-CXD感光器件最短的有效曝光时间T2可以大大地缩短。
[0055]请参考图4，高质量的S1-CCD照相机即使在非常微弱的光照条件下，由入射光产生的S1-CCD感光器件表面电荷累积量和时间成线性关系。也即影像的亮度和照射的时间成线性关系。请参考图5，所以高质量的S1-CCD产生的影像的亮度与曝光时间用数学公式可以表达为:Y=aXt+b。Y是S1-CXD感光器件每个像素点代表的亮度，X是从硅片或者电池片中激发出来的光致发光影像的光强，a是光学转换系数，t是曝光时间，b是S1-CCD的本底噪声。因为冷却的S1-CCD感光器件的每个像素点亮度和曝光时间有这样的线性关系，因此可以从一个时间段的电荷累积量推算出更长时间段的电荷累积量。比如我们可以从一秒的曝光时间得到的图像亮度Y(I)推算出它在10秒曝光时间的图像亮度:Y(10)= IOxY⑴-9b。
[0056]根据上述原理，本实用新型在此提供一种基于本实用新型的快速获取光致发光影像的方法，以便技术人员理解本实用新型的用途:
[0057]S1、将快速获取硅片光致发光影像的S1-CXD感光器件降温到至少低于-20摄氏度；
[0058]S2、在没有激发光源的状态下，S1-CXD照相机采集一第一二维数据fQ (Xi ; Yj);
[0059]S3、设定激发光源和S1-CXD照相机的曝光时间为T3，S1-CXD照相机采集一第二二维数据 (Xi;Yj)；
[0060]S4、计算在T4曝光时间条件下的光致发光影像: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的值为S1-CXD感光器件的横向及纵向最大像素点，比如CCD的像素是:1024 X 1024 ；M, N的值就是1024 ；
[0062]f0 (Xi;Yj)是S1-CXD感光器件每个像素点输出的电压值，代表S1-CXD感光器件的本体噪声和环境光线产生的综合误差信号；f\ (Xi ; Yj)是S1-CCD感光器件在T3时刻每个像素点输出的电压值；f2 (Xi；Yj)是S1-CXD感光器件在T4时刻每个像素点可能输出的电压值；
[0063]f2 (Xi;Yj)是S1-CXD感光器件每个像素点输出的电压值，代表了 S1-CXD感光器件的本体噪声和环境光线产生的综合误差信号，M和N的值为S1-CCD感光器件的横向及纵向最大像素点；
[0064]T3的取值为未制冷的S1-CCD感光器件能够采集到光致发光影像的最短曝光时间的十分之一至五十分之一，T4所需计算的光致发光影像所在的时刻。为了便于比较硅片和硅片之间的质量，通常采用设定时间参数T4，比较各硅片光致发光影像的亮度。光致发光影像越亮，硅片的少数载流子寿命越长，质量越好。
[0065]请参考图6，本实用新型在第一实施例的基础上做出改进所提供的第二实施例。由于本实用新型的S1-CXD感光器件的工作温度在-20摄氏度以下，考虑到外部高温、高湿气的空气可能会在窗口密封玻璃上产生冷凝现象(即第一实施例的工作环境需要在低温、低湿度的环境中进行)，因此，在本实施例中增加了对周围环境去湿的功能，以适应其他的工作环境。
[0066]本实施例的快速获取硅片光致发光影像的S1-CXD照相机，包括:
[0067]S1-CXD感光器件12 ；电子线路板13 ;第一帕尔帖制冷元件14 ;导热的真空密封模块；冷凝去湿块18 ;导热绝缘层17 ;第二帕尔帖制冷元件19 ;空气加热器20 ;真空风扇21。
[0068]S1-CXD感光器件12设置在电子线路板13上，电子线路板13向S1-CXD感光器件12提供电源，驱动，数模转换及接口电路；第一帕尔帖制冷元件14设置在电子线路板13下侧，用以将S1-CCD感光器件12的温度降低到至少低于-20摄氏度；冷凝去湿块18设置在导热的真空密封模块下方，用以冷凝空气中的水分，起去湿作用；导热绝缘层17设置在冷凝去湿块18与导热的真空密封模块之间，用以导热和绝缘；第二帕尔帖制冷元件19设置在冷凝去湿块18下侧，用以维持冷凝去湿块18在一预设温度，以增加去湿效果；空气加热器20设置在第二帕尔帖制冷元件19下侧，用以加热经冷凝去湿后的空气；真空风扇21设置在空气加热器20的下侧，用以将未经冷凝去湿的空气送入冷凝去湿块18，将冷凝去湿后的空气送入S1-CXD感光器件12周围，形成循环。
[0069]导热的真空密封模块的内部真空，S1-C⑶感光器件12、电子线路板13以及第一帕尔帖制冷元件14设置在导热的真空密封模块的内部，光线可透过导热的真空密封模块照射在S1-C⑶感光器件12上，完成拍摄光之发光影像的目的。导热的真空密封模块的结构可以与第一实施例相同，包括窗口密封玻璃11，散热真空密封体16以及绝缘绝热密封圈15 ;本实用新型在此不做限制。
[0070]由于湿热空气中的水分子和冷凝去湿块18接触时，在冷凝去湿块18表面比较容易冷凝成水。所以经过冷凝去湿块18的冷空气需要再加热，然后送回S1-CCD感光器件12周围的环境中，经过循环再次和冷凝去湿块18接触，去湿。周而复始，不断循环，同时达到了冷却S1-CXD照相机以及去湿的作用。
[0071]经过试验，本实用新型可以将光致发光影像的曝光时间缩短至正常获取光致发光影像的所需曝光时间的十分之一至五十分之一内。
[0072]以上所述，仅为本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种快速获取硅片光致发光影像的S1-CXD照相机，其特征在于，包括: S1-CCD感光器件，用以拍摄光致发光影像； 电子线路板，电性连接所述S1-CCD感光器件，用以向所述S1-CCD感光器件提供电源，驱动，数模转换及接口电路； 帕尔帖制冷元件，设置在所述S1-CCD感光器件和电子线路板下侧，用以将所述S1-CCD感光器件的温度降低到至少低于-20摄氏度； 导热的真空密封模块，用以导热和散热，所述导热的真空密封模块的内部真空，所述S1-CCD感光器件、所述电子线路板以及所述帕尔帖制冷元件设置在所述导热的真空密封模块的内部，光线可透过所述导热的真空密封模块照射在所述S1-CCD感光器件上； 散热片，设置在所述导热的真空密封模块外侧，用以散发所述帕尔帖制冷元件在制冷过程中所产生的热量。
2.根据权利要求1所述的快速获取硅片光致发光影像的S1-CCD照相机，其特征在于，所述导热的真空密封模块包括: 窗口密封玻璃，设置在所述S1-CCD感光器件上侧，外部光线透过所述窗口密封玻璃照射在所述S1-CXD感光器件上； 散热真空密封体，设置在所述帕尔帖制冷元件下侧，并与所述窗口密封玻璃密封连接，所述窗口密封玻璃与所述散热真空密封体之间真空。
3.根据权利要求2所述的快速获取硅片光致发光影像的S1-CCD照相机，其特征在于，所述导热的真空密封模块还包括:绝缘绝热密封圈，设置在所述窗口密封玻璃和所述散热真空密封体之间，起密封作用。`
4.根据权利要求1所述的快速获取硅片光致发光影像的S1-CCD照相机，其特征在于，所述散热片采用风冷散热或水冷散热。
5.根据权利要求1所述的快速获取硅片光致发光影像的S1-CCD照相机，其特征在于，所述帕尔帖制冷元件包括一片帕尔帖制冷元件或者多片帕尔帖制冷元件叠加在一起。
6.一种快速获取硅片光致发光影像的S1-CXD照相机，其特征在于，包括: S1-CCD感光器件，用以拍摄光致发光影像； 电子线路板，电性连接所述S1-CCD感光器件，用以向所述S1-CCD感光器件提供电源，驱动，数模转换及接口电路； 第一帕尔帖制冷元件，设置在所述S1-CCD感光器件和电子线路板下侧，用以将所述S1-CXD感光器件的温度降低到至少低于-20摄氏度； 导热的真空密封模块，用以导热和散热，所述导热的真空密封模块的内部真空，所述S1-CCD感光器件、所述电子线路板以及所述第一帕尔帖制冷元件设置在所述导热的真空密封模块的内部，光线可透过所述导热的真空密封模块照射在所述S1-CCD感光器件上； 冷凝去湿块，设置在所述导热的真空密封模块下方，用以冷凝空气中的水分，起去湿作用； 导热绝缘层，设置在所述冷凝去湿块与所述导热的真空密封模块之间，用以导热和绝缘； 第二帕尔帖制冷元件，设置在所述冷凝去湿块下侧，用以维持所述冷凝去湿块在一预设温度，以增加去湿效果；空气加热器，设置在所述第二帕尔帖制冷元件下侧，用以加热经冷凝去湿后的空气； 真空风扇，用以将未经冷凝去湿的空气送入所述冷凝去湿块，将冷凝去湿后的空气送入S1-CXD感光器件周围，形成循环。
7.根据权利要求6所述的快速获取硅片光致发光影像的S1-CCD照相机，其特征在于，所述导热的真空密封模块包括: 窗口密封玻璃，设置在所述S1-CCD感光器件上侧，外部光线透过所述窗口密封玻璃照射在所述S1-CXD感光器件上； 散热真空密封体，设置在所述第一帕尔帖制冷元件下侧，并与所述窗口密封玻璃密封连接，所述窗口密封玻璃与所述散热真空密封体之间真空。
8.根据权利要求7所述的快速获取硅片光致发光影像的S1-CCD照相机，其特征在于，所述导热的真空密封模块还包括:绝缘绝热密封圈，设置在所述窗口密封玻璃和所述散热真空密封体之间，起密封作用。
9.根据权利要求6所述的快速获取硅片光致发光影像的S1-CCD照相机，其特征在于，所述第一帕尔帖制冷元件或所述第二帕尔帖制冷元件包括一片帕尔帖制冷元件或者多片帕尔帖制冷元件叠加在一起。`
【文档编号】H04N5/235GK203596857SQ201320648063
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】王宇昶 申请人:维信科技（新加坡）有限公司