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[导读]I.介绍需要大面积光电探测器阵列的应用通常使用基于无定形光电探测器(即无定型硅或无定型硒)的固体静态探测器,使设备的电子性能受到限制。最近几年来,这类传感器已在各种X射线应用中得到了广泛使用,如乳房X线照

I.介绍

需要大面积光电探测器阵列的应用通常使用基于无定形光电探测器(即无定型硅或无定型硒)的固体静态探测器,使设备的电子性能受到限制。最近几年来,这类传感器已在各种X射线应用中得到了广泛使用,如乳房X线照相术(mammography)、牙科X射线成像及通用放射线应用等。探测器阵列上部粘着的闪烁器将X射线转换成可视光线,此可视光线可被探测器阵列感知并读出。许多公司使用的高端X射线设备系统都以此类传感器为基础。虽然实践证明无定型传感器能够产生高质量图像,但传感器的性能仍受像素[1]和[2]读噪声的制约。无源像素的使用是产生这种制约的主要原因,但对于大面积阵列无定形硅处理技术来说,使用无源像素是为数不多的选择之一。本文对使用有源像素、标准及商业0.35μm CMOS技术的8″晶圆CMOS图像传感器的架构和性能进行了论述。这种传感器最近已作为通用X射线应用的原型技术而得到开发,其噪声水平与现行无定形阵列设备的工业标准相比约低一个数量级。本文论述的技术通过拼接方法提供了一种灵活的解决方案,其分辨率上限约为每40 x 40μm面积 4200 x 3384像素,所对应设备尺寸约为13.4x13.5 cm2。上述设备较小;3360x3348像素,直径为168mm。动态范围大于80dB,电能消耗为210mW,电压3.3V。传感器为三边可对接(buttable),允许2 x 2或2 x 3片化。全幅帧速率为8口模拟输出10fps,在外部真相关双取样(CDS)的情况下为5fps。

II.传感器架构

图1为XXL图像传感器的架构。这种传感器基本上由8个片化小型图像传感器次阵列组成,每一次阵列拥有一个420 x 3348像素阵列。每一次阵列与其相邻次阵列间都有电子连接,但都可独立于其相邻次阵列进行操作。利用这种方法,晶圆级测试在无需全画幅探针卡的情况下即可进行。一个次阵列包括x和y读出、控制逻辑、模拟偏差以及输出信道等。传感器只拥有模拟输出。芯片不包含ADC,取窗和二次取样可通过外部控制完成。模拟偏差位于外部,通过调整偏差值可以改变功率消耗与带宽的比值。在预设210mW、3.3V的电源供应下每秒产生10个全画幅。

图1. XXL传感器架构及晶圆图

III.像素架构

XXL传感器使用的像素架构以传统的3T有源像素架构为基础。其他使用不同架构的像素也曾被纳入考虑范围,但都因潜在的良品率(yield)问题,或因所选技术不能提供合适的架构而未能入选。在产品开发中还采取了特别方法保护光电二级管不受X射线幅射的损害。这些方法的主要特点在于对由幅射损害引起的场漏进行控制。像素大小为40 x 40μm2,在所需读出电子元件旁还含有若干伪金属图形以满足代工生产(foundry)的“最小金属密度”要求。

图2. XXL传感器像素布局和架构

由于以3T架构为基础,像素不支持片上真相关双取样以减少KTC噪声的功能。但是传感器允许通过使用恰当的读出序列完成离片CDS的实施:复位后不久即读出帧数据,在X射线曝光前曝光并读出第二幅帧数据。

图3. 传感器读出序列,用以完成离片CDS

IV.使用X射线照明的分析技术

XXL CMOS传感器也可使用X射线照明进行分析。为了达到这个目的,开发者在硅片上安装了CsI闪烁器。下列电子参数在X射线剂量达到175krad后又被重新评估。

放射线剂量达到175krad后,暗电流水平增加。可观察到电流增加14x,进而导致在30℃条件下暗电流水平>100ke/秒。在总读出时间为200ms(离片CDS)的条件下,这就意味着每获取一帧的暗电流为20ke或40mV。值得注意的是,这一测量是在持续X射线照射后进行的,在一段恢复时间过后,测量结果又有很大改善(三天后减少20%)。

此外,我们还利用人像幻影拍摄了照片,下图即为一例。很显然,这一过程中的MTF(模传函数)由闪烁器照射到硅片上的光线的耦合质量决定,因此使用正确连接在硅片上的闪烁器有望使MTF得到改善。

图4. 使用简化版XXL传感器拍摄的人类手腕照片。可以看出图像上存在一处坏列(bad column)。

V. 拼接

晶圆级2D拼接布局是XXL传感器的设计与制造面临的主要挑战之一,如图5所示。共有四个主要区块:

R:垂直刻线和密封圈

C:角落刻线和密封圈

Pix:420 x 414像素阵列

Sens:读出传感器+水平刻线

刻线                                                               晶圆

图5. XXL传感器拼接

边缘小区R和C为完全对称:它们包含有所需的传感器左边缘和右边缘。Sens小区也是如此:图中所示为设计的上部和下部。

表1. 区块维度

传感器的总分辨率为:x方向8*420=3360,y方向8*413+44=3348。传感器尺寸约为135 x 101 mm2,对角长度为168mm。可应用于芯片的最小传感器的分辨率为420 x 457像素,而适用于晶圆的最大传感器分辨率为4200 x 3348像素(SENS区块在x方向上10次重复)。也可进行其他设置,如:传感器可包括一组PIX区块2 x 2阵列。在这种情况下,传感器将拥有840×870像素的分辨率,一片8″晶圆可容纳9部这一类型的传感器。在制造过程中对次阵列进行拼接时,含有上述区块的不同大小/阵列重复的晶圆将接受加工。

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