介紹

CCD 已變得越來越專業化，以滿足商業和科學市場不斷變化的需求。在科學市場中，CCD 已通過多種方式進行改進和優化，以在從光譜學和半導體測試到生物成像和基因研究的廣泛應用中提供高性能。

對科學級 CCD 的設計修改最初是由對 X 射線天文學應用的興趣推動的，極大地擴展了同步加速器設施的 X 射線成像和 X 射線光譜學領域。設備經過精心設計，可檢測能量范圍從遠低于 100 eV 一直到 100 keV 及更高(整整三個數量級)的 X 射線，這使得它們對于將高靈敏度與兩個相結合的研究具有無價的價值。三維探測器。這些設備用于許多 X 射線技術，包括 X 射線顯微鏡、X 射線光刻、X 射線光譜、X 射線晶體學和 X 射線無損檢測。

在直接檢測相機中，CCD直接暴露于傳入的 X 射線光子，從而能夠直接吸收(即檢測)光子。根據 X 射線能量范圍，可以使用不帶增透膜 (AR) 的背照式 CCD，也可以使用前照式或背照式深耗盡 CCD。

基本原則

當暴露于可見光 (380-750 nm) 時，前照式和背照式 CCD 會在外延層中為每個吸收的光子生成單個電子空穴對。在這些器件中實現比較高量子效率 (QE)所需的比較好層厚度隨波長而變化。前照式和背照式 CCD 制造商已分別確定約 20 μm 和 15 μm的厚度。盡管這些標準厚度可以吸收大約 30 eV 到 20 keV 范圍內的 X 射線(圖 1)，但 CCD 內的其他組件有助于確定檢測低能和中能 X 射線所需的設備類型。

圖 1：不同能級下的 X 射線衰減長度。

例如，由于前照式 CCD 的電極結構和絕緣層都會吸收能量低于 700 eV 的 X 射線光子，因此需要背照式 CCD 架構來檢測低能量 X 射線(約 30 eV)至 3 keV)。背照式 CCD 的橫截面如圖 2 所示。

當涉及低能量 X 射線(大約 30 eV 至 500 eV)時，即使AR 涂層本身也可以吸收 X 射線光子。考慮到這一點，Teledyne Princeton Instruments 設計了不帶 AR 涂層的直接檢測相機。對于中等能量 X 射線(約 3 keV 至 20 keV)，可以使用帶或不帶 AR 涂層的背照式 CCD。

圖 2： A) 前照式深耗盡 CCD 的橫截面。 B) 背照式 CCD 的橫截面。C) 背照式深耗盡 CCD 的橫截面。

為了滿足中等能量 X 射線范圍內更高 QE的需求，CCD 制造商 Teledyne e2v幾年前開發了前照式深耗盡技術，作為提高靈敏度的一種方法。為了在 QE、空間分辨率和缺陷之間實現良好的平衡，Teledyne e2v 采用50 μm 厚的外延層。為了優化探測器 QE，Teledyne Princeton Instruments PIXIS-XB將這些傳感器與鈹窗結合使用，這種設計使研究人員可以自由使用相機，而無需將探測器連接到真空室。

對于要求 X 射線靈敏度跨越中低能量范圍(約 30 eV 至 20 keV)的極其苛刻的應用，Teledyne Princeton Instruments 還設計了SOPHIA-XO和PIXIS-XO相機，它們使用背照式、無增透膜的深耗盡型 CCD。這些型號具有可旋轉的 ConFlat 法蘭，但也可以配備帶鈹窗的可拆卸 ConFlat 法蘭。最后，為了在真空室內實現最終的操作靈活性，Teledyne Princeton Instruments 提供了PI-MTE3相機，它可以與任何上述 CCD 傳感器一起提供。

電荷產生機制

穿過 CCD 各層的 X 射線光子可能會因康普頓散射、熒光或光電效應而損失能量。對于低于 150 keV 的能量，光電效應占主導地位。因此，當硅吸收 30 eV 至 20 keV 能量范圍內的 X 射線光子時，其能量通過光電效應進行轉換，并根據初級 X 射線光子能量在 CCD 中生成電子空穴對。為了在硅中產生一對電子空穴，每對 X 射線光子平均需要 3.65 eV。因此，當吸收 8.0 keV 的 X 射線光子時，它會產生約 2192 e- (8000/3.65)。請注意，產生電子空穴對所需的平均能量的波動受以下因素控制：硅內 X 射線光子的相互作用。這些波動由稱為 Fano 因子(硅為 0.1)的數值因子來概括。

收費機制

對于高度重視定量測量的科學應用來說，重要的是，X 射線光子產生的電荷被收集在一個像素內，然后傳輸到輸出放大器，而不會因電荷轉移效率 (CTE) 不完美而造成損失。根據其生成地點，光電子電荷云有可能在兩個或多個像素之間分裂。為了確保最準確的數據，必須考慮這種程度的不確定性。

如果電荷在無場層中產生，則它通過擴散移動并重新組合或到達耗盡層場的邊緣。到達耗盡層(或在耗盡層內產生)的任何電荷都會以最小的徑向擴散迅速漂移到表面收集位點。靠近像素邊緣或基板深處產生的電荷可以在像素之間分裂。來自深度生成事件的一些電荷也可能重新組合，使得電荷不守恒。

信號電荷的測量并不總是表明真實的沉積能量，特別是對于 CCD 深處產生的事件(前照式設備中的高能 X 射線)。一些部分事件在單色 X 射線源生成的脈沖高度分布中也可能是明顯的。

在無場層被蝕刻掉的背照式器件中，電子直接在外延層中產生。因此，在這種情況下，產生的電子的遷移也可能發生在較低能量的 X 射線中，因為它們是在表面附近產生的。

當探測器用于光子計數模式時，應采取措施確保 (1) 與曝光時間相關的入射通量足夠弱，以防止多重射線光子到達同一像素，并且 (2)系統中實現了區分單像素事件和多像素事件的方法(圖 3)。通常，強度閾值方法用于區分單像素和多像素事件。要利用此方法，必須為單像素事件和多像素事件選擇精確的閾值水平，如下例所示。

圖 3：單像素和多像素事件的示例。

深色像素表示高于單像素閾值的計數，陰影像素表示單像素閾值和多像素閾值之間的計數。

輻射損傷

專為直接 X 射線檢測而設計的 CCD 所獲得的良好靈敏度和更高的 QE 伴隨著固有的權衡，即一旦大量(即劑量/通量)的 X 射線輻射轟擊 CCD，就會發生長久性損壞。特別是，觀察到性能參數的以下變化：

暗電流增加：當 X 射線光子撞擊硅時，它們會在硅和二氧化硅柵極氧化物之間產生額外的界面態。這些新狀態的能級位于硅帶隙內，導致暗電流增加。

平帶電壓偏移：當 X 射線被柵極氧化物吸收時，會生成電子空穴對。一些電子被檢測為信號，其中一些電子重新結合，其余電子從氧化物中逸出。然而，空穴的遷移率遠低于電子的遷移率;因此，一些空穴被困在氧化物中。這些捕獲的空穴導致正空間電荷的積累，從而改變柵極電勢并增加外延硅有源區的電勢。這種效應被稱為平帶電壓偏移。如果電荷積累變得太大，則可能必須調整 CCD 時鐘和偏置電壓以維持器件性能。

CTE降低： 如果輻射能量足夠高，硅晶格中就會發生位移損傷。反過來，CTE 也會降低。為了取代硅原子，需要大約 150 keV 的電子動能。在背照式 CCD 中，入射光子在遇到柵極結構之前到達外延層。因此，在低能 X 射線范圍內低于設備特定閾值的能量水平不會發生輻射損傷。即使在 X 射線到達電極結構的能量水平上，輻射損傷也會被延遲。

這些參數受到各種類型輻射的不同影響，即質子、中子和重離子(高能粒子)，以及電子、伽馬射線、β射線和 X 射線(電離輻射)。隨著電離輻射劑量的增加，性能會緩慢下降，但很少達到可能導致突然故障的災難性水平。因此，標志著使用壽命結束的具體輻射劑量可能會根據應用、X 射線能量和輻射通量的不同而有很大差異。其中一些效應是所有硅基器件所固有的，但其他效應則與 CCD 結構和制造工藝有關。

退火損傷

據報道，如果將因X射線照射而產生高暗電流的器件在約350℃的合成氣體(10%H 2 90%N 2 )中處理幾個小時，CCD的性能可以恢復到其預輻照水平。

另據報道，如果暴露在254 nm UV 波長光源(EPROM 擦除光源)下約 10 分鐘，可以減少各種電壓的變化。

請注意，這些處理可能會使 CCD 更容易受到未來 X 射線的損壞。然而，如果在350℃的合成氣體退火完成后，器件在空氣中在100℃下退火約15小時，那么這種效果可能會被抵消。

本節中列出的實驗均未在 Teledyne Princeton Instruments 實驗室中進行過，因此我們強烈建議在嘗試這些過程時要小心謹慎。根據特定 CCD 的損壞程度，可能需要調整溫度或曝光時間。

審核編輯 黃宇