Slikovni senzorji so lahko izvedeni v različnih vrstah tehnologij. Od leta 1980 obstaja tekmovanje med CCD vezji (ang. charge-coupled devices) in CMOS (ang. complementary metal-oxide-semiconductor) senzorji. Oboji imajo svoje prednosti in slabosti že zaradi tehnologije same, poleg tega pa različne oblike struktur fotodiod lahko povzročijo velike razlike v učinkovitosti, tudi znotraj iste tehnologije.
Uporaba CCD in CMOS senzorjev je v elektroniki zelo razširjena, vendar načela in merilna oprema, potrebna za njihovo karakterizacijo, niso tako znana. Medtem ko so opisi ključnih parametrov in rezultati meritev bili poročani v literaturi, splošni standardi, ki jih je mogoče uporabiti, še ne obstajajo. Zato je zaradi hitrega razvoja slikovnih senzorjev v zadnjih desetletjih veliko povpraševanje po natančni določitvi njihovih parametrov učinkovitosti.
Predmet te naloge je izvedba merilnega sistema, ki bi skeniral slikovni senzor in meril njegove ključne parametre. Tukaj predstavljen prototip merilne naprave za lasersko skeniranje se lahko uporablja za merjenje senzorjev z različnimi dimenzijami in oblikami. Le-ti so lahko izvedeni kot posamezni fotodetektorji ali kot fotodetektorski nizi. Ključni merjeni parametri so odzivnost, občutljivost, linearnost in kvantni izkoristek. V primeru fotodetektorskih nizov so možne tudi dodatne meritve presluha in modularne prenosne funkcije (ang. modular transfer function - MTF). Glavna prednost predstavljenega sistema je v tem, da so meritve hitre in se lahko izvedejo samodejno, saj je merilna naprava za skeniranje nadzorovana s pomočjo LabView aplikacije. Posebna pozornost je bila posvečena izbiri delov merilne naprave, tako da so meritve lahko čimbolj točne.
Vendar je glavni problem karakterizacije fotodetektorjev predstavljalo dejstvo, da definicije ključnih parametrov, ki jih je treba izmeriti, niso zajete v nobenem standardu, zato se lahko za vsako variacijo fotodetektorja ti parametri merijo drugače. V magistrski nalogi so parametri definirani tako, da so čimbolj primerni za specifično aplikacijo merjenih fotodetektorjev.
Celoten projekt je bil podprt in ustvarjen znotraj podjetja Renishaw d.o.o. Slovenija. Podjetje je del skupine Renishaw Group, ki je eno vodilnih svetovnih inženirskih in znanstvenih tehnoloških podjetij, s strokovnim znanjem na področju natančnih meritev in zdravstva. Renishaw d.o.o. je osredotočen na dizajn namenskih integriranih vezij za specifične aplikacije (ang. application specific integrated circuit - ASIC). CMOS naprave in fotodiode, ki so obravnavane v tej magistrski nalogi, so bile načrtovane znotraj podjetja.
Pri oblikovanju novega slikovnega senzorja je pomembno preveriti, ali se senzor odziva, kot je bilo pričakovano. Fizično merjenje kakovosti slike je obvezno za končni izdelek in prihodnje nadgradnje. Kakovost slike je neposredno povezana s kakovostjo senzorja in je ni mogoče opazovati samo s končne slike. Obstaja cel sklop parametrov, ki določajo kakovost in funkcionalnost senzorja.
Krajše definicije parametrov, ki se uporabljajo za karakterizacijo senzorskih struktur, obravnavanih v tej nalogi, so:
• Odzivnost - merilo zmožnosti senzorja za pretvorbo vpadne optične moči v električni signal z vplivom presluha
• Občutljivost - merilo zmožnosti senzorja za pretvorbo vpadne optične moči v električni signal ne glede na presluh
• Linearnost - fototok naj bi rasel linearno z višanjem vpadne moči laserja
• Kvantni izkoristek - razmerje med številom elektronov, ustvarjenih v strukturi fotodiode, in številom vpadnih fotonov
• Presluh - relativna količina signala, ustvarjenega v eni fotodiodi, ki je zaznana v eni ali več sosednjih fotodiodah
• Modularna prenosna funkcija - zmožnost slikovnega senzorja za prenos kontrasta
Da bi ugotovili, kako posamezni parametri fotodiod vplivajo na delovanje fotodetektorskega niza, je bilo poleg senzorja z osnovno strukturo fotodiod izvedenih še nekaj različic, v katerih se je struktura fotodiod spremenila. Te različice so bile izvedene s spreminjanjem samo enega parametra osnovne strukture, nato pa so nastali različni seti, in pri vsakem se je spreminjal drugačen parameter. Spremenjeni so bili sledeči parametri: vrste plasti (otok tipa n (ang. n-well), otok tipa p (ang. p-well), poglobljeni otok tipa n, n difuzija, p difuzija…), njihove koncentracij primesi (ang. doping concetration), globine plasti, vrsta globinskega profila razporeditve primesi, karakteristična globina (točka, kjer je koncentracija primesi največja) in vrh razmerja širina/globina koncentracije primesi. Po začetnih meritvah fotodiod s temi strukturami smo prišli do številnih ugotovitev in hipotez, na podlagi katerih so nastale še druge različice fotodetektorjev, vendar tokrat z različnim položajem kontaktov, izvedbi v drugi tehnologiji, z dodanimi slepimi (ang. dummy) diodami in še več. Pri tem je pomembno je poudariti, da se je ves čas spreminjla le struktura fotodiode in da so vse druge komponente slikovnega senzorja (npr. ojačevalniki, generator krmilnih tokov, multipleksorji) ostale enake za vse različice.
Kot je bilo omenjeno zgoraj, je pomanjkanje standardiziranih postopkov merjenja nizov fotodiod in neobstoječih komercialnih merilnih sistemov vodilo k razvoju avtomatizirane merilne naprave za lasersko skeniranje. Predlagana metoda za izvedbo meritev je skeniranje tesno fokusiranega laserskega žarka skozi niz fotodiod in sočasno merjenje fototoka vsake fotodiode v nizu.
Prototip naprave je narejen za laboratorijsko uporabo, vsaka komponenta pa je optimizirana za hitrejše in natančnejše meritve. Glavne komponente sistema, ki bodo podrobno opisane v naslednjih poglavjih:
- Tri linearne translacijske stopnje (and. linear translation stage)
- Laserska dioda
- Sonda za optični multimeter
- Tiskano vezje za testiranje presluha fotodiod
- Kamera
Podoben prototip merilne naprave za lasersko skeniranje je bil izdelan tudi drugje v podjetju in z njim so bili pomerjeni identični vzorci, da bi potrdili merilno metodo, predstavljeno v tej magistrski nalogi. Zamisel je bila, imeti dve enaki napravi na različnih lokacijah, s čimer se izognemo postopku prepošiljanja vzorcev za pridobitev začetnih meritev, ko pridejo silicijeve rezine. Glavna pomanjkljivost drugega prototipa za lasersko skeniranje je ročno fokusiranje laserskega snopa na fotodetektor s pomočjo slikovne kamere in translacijskih stopenj v smeri y in z. Slikovni senzor je bondiran na majhen vmesnik, ki je preko daljšega kabla povezan na drugo tiskano vezje, kjer se izvaja zajem podatkov (ang. data acquisition - DAQ). Tako dolg kabel negativno vpliva na izmerjeno napetost. Poleg tega se v tem sistemu uporabljata le dve linearni stopnji, zaradi česar je treba slikovni senzor z vmesnikom ročno odstraniti z linearne stopnje, tako da se lahko priključi optična sonda in izmeri moč laserskega snopa. V pričujoči nalogi pa smo razvili sistem, ki meri moč laserja, skenira in fokusira laser ter zajema podatke popolnoma samodejno. Vsi ti postopki, ki se izvajajo na enem vzorcu s korakom skeniranja 1 µm, trajajo približno osem minut, medtem ko so za isto meritev na drugi merilni napravi potrebne vsaj tri ure.
Opravljena karakterizacija fotodetektorskih nizov slikovnega senzorja temelji na merjenju kratkostičnega foto-generiranega toka (fototoka) vsake osvetljene fotodiode v nizu.
Predstavljeni sistem je popolnoma primeren za karakterizacijo slikovnih senzorjev na osnovi nizov fotodiod. Z natančnim fokusiranjem laserskega žarka lahko merjenje odzivnosti, občutljivosti, linearnosti in kvantnega izkoristka dosežemo na nivoju ene same fotodiode ali celotnega niza. V primeru fotodiodnih nizov je mogoče izmeriti tudi presluh med fotodiodami in modularno prenosno funkcijo MTF (ang. modular transfer function). Z uporabo tega sistema smo izmerili več kot šestdeset različic fotodetektorjev z različnimi strukturami in velikostmi. Vsak fotodetektor je merjen pri različnih močeh vpadnega laserskega žarka in nekajkrat z isto močjo laserja, da se preveri ponovljivost merilnega postopka.
Avtomatizirana merilna naprava za lasersko skeniranje potrebuje manj kot osem minut, da izvede meritev fotodiodnega niza, širokega 200 µm, s korakom 1 µm. Z uporabo neavtomatizirane različice skenirne merilne naprave pa fokusiranje in gibanje s korakom 1 µm preko senzorja traja približno en dan, in to le za karakterizacijo enega fotodetektorja pri eni laserski moči s slabo natančnostjo. Ponovljivost meritev, natančnost in čas trajanja so veliko boljši z uporabo naprave za lasersko skeniranje, ki je predstavljena tukaj.
|
