Adimec Q-21A230相機滿阱容量在半導(dǎo)體量測和檢測應(yīng)用中的重要性
工業(yè)相機的滿阱容量在量測時是一個極其重要的參數(shù)。光源亮度和曝光時間決定了圖像的灰度值，通常簡稱為“曝光”。而決定達(dá)到某一灰度值所需曝光強度的指標(biāo)是相機的量子效率和滿阱容量。很多應(yīng)用中光強和曝光不是關(guān)鍵因素，因為“曝光”是可以通過調(diào)整來滿足。從這個角度來看，除了一些特殊應(yīng)用，滿阱容量并不是十分重要。
然而，另外一種物理現(xiàn)象-瞬態(tài)噪聲（Shot noise）使得滿阱容量比大部分人認(rèn)為的更重要。瞬態(tài)噪聲跟光的特性有關(guān)，它與進(jìn)入相機的電子數(shù)的平方根成正比。雖然隨著電子數(shù)增加，瞬態(tài)噪聲也會增加，但是其相對造成的影響卻變小。信噪比（SNR）是信號與瞬態(tài)噪聲的比值。由公式可以看出，更多的信號電子數(shù)意味著更好的信噪比。相機的滿阱容量限制了所能容納的最大電子數(shù)，更大滿阱的相機具有更好的信噪比。
本文中，將比較Adimec Q-12A180、Q-21A230和GMAX2509 三款相機和芯片。GMAX2509和GMAX0505有相似的像素設(shè)計和特性，GMAX0505也是經(jīng)常拿來與Q-21A230對比的一款芯片。這些相機和芯片最大的不同就是他們可用的最大滿阱容量。
對于Adimec Q-21A230，可以設(shè)置相機的參數(shù)以獲得7.0 k到33.6 k電子數(shù)的最大滿阱容量。這里我們僅關(guān)注最大滿阱容量和高靈敏度兩種設(shè)置，高靈敏度擁有最低的滿阱容量。對于GMAX2509，可以設(shè)置芯片參數(shù)以獲得2.5 k到6.7 k電子數(shù)的最大滿阱容量。這里我們只關(guān)注最大滿阱配置。對于Q-12A180，唯一的最大滿阱容量設(shè)置為10 k個電子。根據(jù)前面提到的方程和指定的最大滿阱容量，通過計算得到的理論上最大信噪比如下圖所示：
為了更好的理解可用滿阱容量之間為何存在如此大的差異，就需要關(guān)注像素的設(shè)計。雖然生產(chǎn)工藝對此存在一定的影響，但Adimec Q-21A230比GMAX2509具有更高滿阱容量的最主要原因是像素尺寸大小。滿阱容量是指填滿一個像素所需要的電子數(shù)，因此更大的像素面積將容納更多的電子數(shù)。Q-21的像素尺寸為4.5um，GMAX2509像素尺寸為2.5um，計算可得知，Q-21的像素面積是GMAX2509的3.24倍（4.5^2/2.5^2 = 3.24）。假定GMAX2509和Q-21有相同的像素面積，則GMAX2509的滿阱容量為6.7k*3.24=21.7k。仍遠(yuǎn)低于Q-21的33.6 k滿阱容量。這個差異產(chǎn)生的主要可能是生產(chǎn)工藝不同和像素間有效填充因子不同所引起的。
這只是Adimec在挑選滿足客戶特定應(yīng)用需求的芯片時考慮的因素之一。以上三個相機和芯片在相同的光源和光強下感光。由于像素尺寸、滿阱容量和靈敏度的不同，因此每達(dá)到75%灰度等級所需的曝光時間也不相同。下表總結(jié)了所需要的曝光時間：
從GMAX2509和Q-21得到兩張圖像，在相同大小的ROI區(qū)域進(jìn)行比對，由此可以發(fā)現(xiàn)明顯的噪聲差異：Q-21優(yōu)于GMAX2509。
在下面的Line Profile圖中可以看到，較低的最大滿阱容量具有更大的波動范圍。此外還可以發(fā)現(xiàn)GMAX2509存在輕微的不均勻性，本文暫不討論這點。
對比兩個以上的相機或者芯片，查看它們的直方圖是比較清晰的一種方式。對于每一個芯片，由于歸一化不會改變直方圖的分布情況，因此在進(jìn)行歸一化以便于比較不同的相機和芯片。歸一化后的直方圖如下圖所示：
每一個相機和芯片的灰度分布范圍是不同的。我們使用了相同的光源進(jìn)行測量，因此這一差異并不是由光源導(dǎo)致的。從Line Profile中可以發(fā)現(xiàn)，相機和芯片圖像的均勻性對該差異的影響非常小。差異主要是由瞬態(tài)噪聲造成的，直方圖和Line Profile的結(jié)果是一致的，直方圖只是另一種表現(xiàn)形式。在75%的灰度等級，瞬態(tài)噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于讀出噪聲（Read noise）。例如，Q21高靈敏度模式時的瞬態(tài)噪聲是73e-，而讀出噪聲為3e-。
在均勻的光源環(huán)境下，直方圖的寬度是信噪比的直接度量。直方圖的寬度越大，說明信噪比越差。Adimec Q-21憑借最大滿阱容量得到最小的寬度，具備最佳的信噪比。其次是Q-12，Q-21的高靈敏度模式，最后是GMAX2509。
本文的目的不是論述某幾款相機和芯片之間的優(yōu)劣。瞬態(tài)噪聲不是由相機或者芯片的品質(zhì)決定的，而是由滿阱容量決定的，而這只是眾多設(shè)計參數(shù)之一。通常擁有更低滿阱容量的相機有更高的靈敏度。Adimec Q-21A230通過提供高滿阱容量和高靈敏度兩種操作模式，在同一款相機實現(xiàn)兩個功能，這使得相機具有更廣的適用范圍和更豐富的應(yīng)用場景，滿足半導(dǎo)體在線量測和檢測的對高性能工業(yè)相機的需求。Adimec相機具備解決上述問題的能力以及將產(chǎn)品更好的集成到客戶的系統(tǒng)中。
Adimec Q-21A230相機不僅可以輕松應(yīng)對從高亮區(qū)域到非常暗的區(qū)域的圖像采集，而且Q-21A230具有的高滿阱和高信噪比可以獲得非常好的對比度，這對于色差非常小，或者檢測精度非常高的應(yīng)用非常有用。例如，在半導(dǎo)體的量測相關(guān)的應(yīng)用中，相機經(jīng)常要配合高倍率物鏡和高亮光源成像，具有高滿阱和高信噪比的相機可以獲得更好的對比度從而實現(xiàn)對細(xì)微瑕疵和高精度尺寸的檢測。
