JP2006093513A - 光学式変位測長器における受光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固定スケールと一体化した受光装置は、所定のピッチで配置した複数のフォトダイオードからなっており、高分解能の位置情報を得るため、配列ピッチを小さくすると、隣接するフォトダイオード間でリークするという問題があった。
【解決手段】メインスケールに配置したピッチＰの光学格子に対向し、ｎ型基板２０に形成した、フォトダイオードとして機能するｐウェル１０の上に、遮光部と金属配線開口部１９とをピッチＰで配置した、光学格子と同じパターン形状の金属配線１２を形成する。さらに、ｐウェル１０と金属配線１２とのコンタクト部１６を遮光部に設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学式変位測長器の受光装置に関するものであり、詳しくは、複数のフォトダイオードを配列形成したフォトダイオードアレイからなる受光装置に関する。特に、フォトダイオードからなる受光素子と、得られた信号を処理するための演算回路とを同一半導体基板上に設けた半導体装置とガラススケールと光源とからなる光学式エンコーダ方式を用いた高精度な相対位置測長器に関する。

従来から、レーザを用いたレーザ測長器、および光学式エンコーダを用いた光学式エンコーダ測長器が知られている。レーザ測長器は、レーザの波長を単位として測長するため、高い精度を得ることができる。また、レーザ測長器は、主に２点間の長さを測定する相対位置測長に用いられている。

光学式エンコーダ測長器は、一般に、位置検出用にガラス板、フィルムまたは金属薄板等から構成される移動可能なメインスケールと、このメインスケールに所定のピッチで設けられた光学格子と、このメインスケールに対して所定の距離をおいて対抗配置された固定スケールとに対して、その一方側に光源を、他方側に受光装置を配置して構成される。

光源からの光はコリメートされてメインスケールに照射される。メインスケールと固定スケールとにはそれぞれ光透過部と光不透過部とがあり、それらの重なり状態は両スケールの相対移動により変化する。その結果として得られる透過光量の変化を、受光装置を用いて電気信号として検出する。光学式エンコーダ測長器は、メインスケールの相対移動で検出する明暗の繰り返し数を数えることにより、２点間の長さを測定することができる。このような光学式エンコーダ測長器は多くの提案を見るところである（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に示した従来技術は、固定スケールと受光装置とを一体化して、小型化と低コスト化とを図る技術が記載されている。
図８は特許文献１に示した従来技術を示す図である。１はメインスケール、２は光源、３はコリメートレンズ、４は光学格子、４Ａは光透過部、４Ｂは光不透過部、３５は受光装置、３６はｐ型層、３７はｎ型基板である。Ｐはピッチである。
特許文献１に示した従来技術の光学式エンコーダ測長器は、メインスケール１と、メインスケール１に設けられた光透過部４Ａと光不透過部４Ｂとの幅がそれぞれＰ／２である、ピッチＰの光学格子４と、メインスケール１に平行光を照射するための光源２とコリメートレンズ３と、メインスケール１を透過した光を受光する受光装置３５とから構成されている。

受光装置３５は、メインスケール１の変位方向と垂直な方向に長手方向とする細長いストライプパターン形状としたｎ型基板３７に形成した複数のｐ型層３６を有している。このｐ型層３６とｎ型基板３７との間で構成するｐｎ接合がフォトダイオードであり、受光素子として機能する。ｐ型層３６の幅は光学格子４の光透過部４Ａの幅と同じＰ／２であり、メインスケール１の変位方向に沿ってＰ／４づつずらして配置するものである。

ｐ型層３６をピッチ３Ｐ／４で配置することで、メインスケール１のピッチＰとの関係で互いに９０°位相がすれた４相の出力信号が得られ、この出力信号を処理することにより、スケールの変位方向と変位量を検出することができる。

また、フォトダイオードアレイの応答性を向上させた提案も多くなされている（例えば、特許文献２参照。）。

特許文献２に示した従来技術は、メインスケール１を透過した光を受光する受光装置３５の高速応答性に関する技術が記載されている。図９は、図８における受光装置３５の平面図である。３６はｐ型層、１１２は金属配線、１１６はコンタクト部である。
受光装置３５は、ｎ型基板上に複数のフォトダイオードを形成するように、幅がＰ／２であるｐ型層３６と、幅がＰ／４である微細分離領域とを、ピッチ３Ｐ／４で複数配置して構成する。微細分離領域とは、ｐ型層３６同士が離間して配置する距離である。また、ｐ型層３６はメインスケールの変位方向と垂直な方向が長手方向とする細長いストライプパターン形状を有する。

受光素子の受光面積を大きくするため、ｐ型層３６の長手方向を長くするが、ｐ型層３６の端部だけに電極を設けると、長手方向の抵抗が大きくなるため応答性が低下する。しかし、図６に示すようなレイアウトは、このｐ型層３６の長手方向の複数箇所で金属配線１１２と接続するためのコンタクト部１１６を設けている。このような構成とすることにより、長手方向の抵抗が小さくなり、高速応答性が劣化しないようにしている。

特許第２６１０６２４号公報（第３頁、図１） 特許第２６９０６８１号公報（第２頁−３頁、図１）

特許文献１に示した従来技術における光学式エンコーダ測長器の受光装置においては、図８に示す受光装置３５は、メインスケール１に設けられた光学格子４のピッチＰが２０μｍと十分に大きい場合であり、ｐ型層３６の幅Ｐ／２と微細分離領域の幅Ｐ／４とを不純物の熱拡散により形成することが可能である。しかし、光学式エンコーダ測長器の分解能をより高くするには、光学格子４のピッチＰを小さくする必要がある。ただし、ｐ型拡散層３６の配列ピッチは固定スケールとして機能しているので、配列されたｐ型層３６の微細分離領域の幅はＰ／４でなければならない。つまり、微細分離領域の幅Ｐ／４は、ｐ型層３６間のリーク電流が増加するため、製造プロセスで決められる、隣接するｐ型層３６間の最小距離より小さい値をとることはできない。

また、フォトダイオードなどの受光素子と位置検出回路とアナログ回路調整回路とを同一のチップ内に配置される半導体装置においては、複数の演算回路を実行するために最適化された製造プロセスとデザインルールとに基づいて、受光装置を形成することが品質および信頼性の点においても重要である。したがって、このような複数の演算回路を有する半導体装置上に受光素子を形成する場合には、半導体装置を製造するデザインルールより狭いｐ型層３６の幅Ｐ／２と微細分離領域の幅Ｐ／４とを不純物の熱拡散で形成することは困難である。

また、特許文献２に示した従来技術における光学式エンコーダ測長器においては、図９に示すフォトダイオードとして機能するｐ型層３６と、その信号を取り出すための金属配線１１２とは、受光部であるｐ型層領域でコンタクト部１１６を設けている。そのため受光部を１００％有効に使うことができない。応答性を改善しようとコンタクト部１１６を増加すると、受光面積が減少することになる。

したがって、本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解消した固定スケールと受光素子とを一体化した受光装置であって、既存の半導体装置製造プロセスに適合するとともに、光学式変位測長器における受光装置の小型化と高速応答性とを図る技術を提供する
ものである。

本発明は上記した目的を達成するため、以下に記載するような技術構成を採用するものである。

本発明の光学式変位測長器における受光装置は、上記目的を達成するために、以下のような構造を採用する。

第１導電型の半導体基板と、半導体基板に設け、細長いパターン形状を有する第２導電型の拡散層と、拡散層と半導体基板とで形成するｐｎ接合は、受光素子として機能する受光装置において、
拡散層の表面に拡散層と同じ導電型であり不純物濃度の高い高濃度不純物層を設け、
受光素子は、高濃度不純物層および拡散層と半導体基板とのｐｎ接合を有し、
拡散層の上部に予め定められた所定のピッチで配置する遮光手段を備え、
遮光手段で覆われている箇所で拡散層と遮光手段とをコンタクトすることを特徴とする。

第１導電型の半導体基板と、半導体基板に設け、細長いパターン形状を有する第２導電型の拡散層と、拡散層と半導体基板とで形成するｐｎ接合は、受光素子として機能する受光装置において、
拡散層の表面に拡散層と同じ導電型であり不純物濃度の高い高濃度不純物層を設け、
受光素子は、高濃度不純物層および拡散層と半導体基板とのｐｎ接合を有し、
拡散層の上部に予め定められた所定のピッチの整数倍で配置する遮光手段を備え、
遮光手段で覆われている箇所で拡散層と遮光手段とをコンタクトすることを特徴とする。

遮光手段は、電極配線を形成する金属膜からなることを特徴とする。

遮光手段は、金属膜と、金属膜と層間絶縁膜とを挟んで形成する少なくとも１つの層の遮光膜とからなることを特徴とする。

受光装置を複数設け、
複数の受光装置を細長いパターン形状の長手方向と垂直方向に配置するとともに、長手方向と平行方向に所定の距離をずらして配置して受光装置列を形成し、
受光装置列から位相の異なる信号を検出することを特徴とする。

本発明は上記した構成によって、以下に記載するような特徴を有するものである。

本発明の技術では半導体装置製造プロセスにおいて、寸法精度が最も良くでる金属配線を、受光素子の上に設けた固定スケールとすることにより、従来の受光素子を形成する不純物の熱拡散層を所定のピッチで配置して、固定スケールとして定める技術より、微細ピッチのメインスケールの光学格子を用いることが可能となる。

つまり、メインスケールの光透過部と光不透過部と、固定スケールの光透過部と光不透過部との重なり状態が、両スケールの相対移動により変化する。その結果として得られる透過光量の変化を微細ピッチで検出することが可能である。すなわち、メインスケールの変位量をより高分解能で測定することができる。

さらに、固定スケールの光不透過部として、受光素子の上に形成する金属配線に覆われ
ている複数箇所で、受光素子とのコンタクト部を設けて、受光素子からの信号を得る。つまり、従来技術のように、応答性を改善するために、受光部に金属配線とのコンタクト部を設けて受光面積を減らすことはない。

このように、本発明の光学式変位測長器における受光装置（以下、単に受光装置と称する）は、上記したような技術構成を採用していることから、上記した従来技術の問題点を解消し、受光素子上に金属膜を用いてメインスケールに設けられた光学格子と同じピッチＰで遮光部を形成することで、デザインルールの最小拡散層幅と最小拡散層間隔とに制限されることなく、遮光膜に用いる金属膜のデザインルールにおける最小配線幅と最小配線間隔とで制限される寸法まで光学格子のピッチＰを小さくし、高分解能の位置検出が可能となる。
さらに、半導体製造プロセスを変更することなく受光素子を形成できるので、同一チップ内に信号処理回路等の複数の演算回路を搭載することが可能である。

本発明の受光装置は、固定スケールと受光素子とを一体化して、高分解能化と１チップ化による小型化とを、半導体製造プロセスを変更することなく実現することができる。
以下の説明においては、メインスケールには光透過部と光不透過部との幅が、それぞれ、Ｐ／２である、ピッチＰの光学格子が設けられているものとして説明する。

以下に、本発明の受光装置の構成を図面を参照して説明する。本発明の実施の形態では、受光素子としてはフォトダイオードを例にして説明する。このフォトダイオードは、ｎ型の半導体基板にｐ型の層を設け、このｐｎ接合が入射光に応じて光電変換を行うものである。本発明の実施の形態では、ｎ型を第1導電型としｐ型を第２導電型とする。

図１は本発明の第１の実施の形態を示す受光装置の平面図であり、図２（ａ）、図２（ｂ）はそれぞれ図１のＡ−Ａ’断面、Ｂ−Ｂ’断面の断面図である。
図１において、１０は第２導電型の拡散層であるｐウェル、１１は高濃度不純物層であるｐ^＋層、１２は金属配線、１４は基板拡散層であるｎ^＋層、１５は基板電極、１６はコンタクト部、１９は金属配線開口部である。図１には図示しないが、これらは第１導電型の半導体基板であるｎ型基板２０に設けている。ｌｙはｐウェル１０の幅、ｋｙは金属配線１２の幅、ｋｘは金属配線開口部１９の長さ、ｋｙはｌｙより広い幅を示す。Ｐはメインスケールに設けた光学格子のピッチである。
ｎ型基板２０には、図示しない電源装置から基板電極１５とｎ^＋層１４とを介して電源電圧が印加されている。これは、ｎ型基板２０の電位を固定するためのものである。このｎ型基板２０の表面にメインスケールの変位方向と平行な方向、すなわち、図１では左右の方向に細長いパターン形状のｐ⁻層であるｐウェル１０を形成する。ここで、ｐ^＋層１１およびｐウェル１０をアノードとし、ｎ型基板２０をカソードとするフォトダイオードを構成することができる。このフォトダイオードは、ｐｎ接合界面が入射光に応じて光電変換をする。なお、ｐ^＋層１１については後述する。

図１に示すように、金属配線１２は、ｐウェル１０の幅ｌｙより広い幅ｋｙで、ｐウェル１０の上部を覆うように形成する。この金属配線１２は、幅がＰ／２の金属配線開口部１９を有しており、この金属配線開口部１９をメインスケールに設けた光学格子のピッチＰで設けている。つまり、金属配線１２は、遮光手段として機能する。ｐウェル１０の金属配線１２で覆われている部分は遮光部であり、固定スケールの光不透過部と同じ機能となる。また、金属配線１２による遮光部は、ｐウェル１０と金属配線１２とのコンタクト部１６が形成されている。すなわち、ｐウェル１０と金属配線１２とにより、信号線と固
定スケールを一体化した受光装置を構成する。

図１には、コンタクト部１６は遮光部に１つ形成するように記載したが、これ限定はされずに、コンタクト部は１つの遮光部に複数設けてもよい。このように、ｐウェル１０と金属配線１２とのコンタクト部１６を各遮光部に形成することにより、各遮光部下のｐウェル１０が金属配線１２により接続されるから、ｐウェル１０の長手方向の抵抗を小さくすることができる。つまり、本発明の第１の実施の形態の構成を用いることで、受光素子の受光部の面積を減らすことなく、受光素子の応答性を改善することが可能である。

図１において、金属配線開口部１９の長さｋｘは、半導体製造プロセスにおける最小金属配線幅をｋｓとすると、ｋｘ＝ｋｙ−ｋｓ以下であればよい。ただし、ｐウェル１０の幅ｌｙより大きく、ｐウェル１０が全幅で受光できることが望ましい。ｐウェル１０の幅ｌｙは、メインスケールの光学格子のピッチＰに制限されること無く、自由に設計することができる。
つまり、図１のように、ｎ型基板２０にｐウェル１０をメインスケールの変位方向と平行な方向に長手方向とする細長いパターン形状とすることと、金属配線１２で固定スケールのパターンを形成することとにより、金属配線１２で遮光手段を兼ねることができ、固定スケールと受光素子とを一体化する受光装置が可能である。

詳しくは、ｐウェルの最小幅をｌｓとし、Ｐウェル−Ｐウェル間の最小距離をｒｓとし、最小金属配線幅をｋｓとし、最小金属配線間隔をｋｔとすると、ｌｓとｒｓとに制限はさないが、ｋｓとｋｔとのどちらか一方が、Ｐ／２と等しくなるピッチＰのメインスケールまで、固定スケールと受光素子とを一体化した半導体装置の設計が可能である。

一般的に、半導体装置製造プロセスにおいて、ｌｓとｒｓとに比べ、ｋｓとｋｔとの方が小さく、そして、より高精度の寸法制御が可能である。したがって、より小さいピッチＰのメインスケールを使えるので、メインスケールの変位量をより高分解能で測定することができる。

図２（ａ）、図２（ｂ）は本発明の受光装置のそれぞれ図１におけるＡ−Ａ’断面、Ｂ−Ｂ’断面の断面図である。１３はｎウェル、２０はｎ型基板、２１はフィールド酸化膜、２２は絶縁膜、２４は保護膜である。図２では、ｎ型基板２０においてｐウェル１０を設けていない部分にｎウェル１３を設けている場合を例にして説明する。図１と同一の構成要素には同一の番号を付与している。
受光装置と位置検出回路とアナログ回路調整回路とを同一のチップ内に配置する半導体装置製造プロセスで製作する。ｎ型基板２０にｐウェル１０とｎウェル１３とを形成する。フィールド酸化膜２１を形成した後、ｐウェル１０に同じ導電型の高濃度不純物層であるｐ^＋層１１とｎウェル１３に基板拡散層であるｎ^＋層１４を形成する。次に絶縁膜２２を形成後にコンタクト部１６を開口して、金属配線１２を形成する。最後に保護膜２４を形成する。

図２（ａ）に示す受光装置において、受光素子であるフォトダイオードとして機能するのは、ｎ型基板２０とｐウェル１０とのｐｎ接合部である。より正確には、先の説明の通り、ｎ型基板２０には基板拡散層であるｎ^＋層１４を介して電源電圧が印加されている。このため、ｎウェル１３とｐウェル１０とのｐｎ接合部もフォトダイオードとして機能するのである。
また、図２（ｂ）に示すように、金属配線１２を用いて遮光する領域に、ｐウェル１０と金属配線１２とのコンタクト部１６を設けているので、コンタクト部１６を設けるために、金属配線１２の開口部の面積を減らす必要は無い。

図２（ａ），図２（ｂ）において、ｐウェル１０の全面に形成するｐ^＋層１１は、ｐウェル１０より不純物濃度が高い。このため、そのシート抵抗は、ｐウェル１０のシート抵抗と比較すると、オーダーで２桁程度小さい。このことは、光の入射により、任意のｐｎ接合部で発生するキャリアがコンタクト部１６に到達する経路において、高抵抗領域を移動する距離は、ｐｎ接合部からｐ^＋層１１までの深さ方向の距離で済む。ｐ^＋層１１に到達したキャリアはコンタクト部１６まで低抵抗領域を移動する。このように、ｐウェル１０の全面にｐ^＋層１１を形成することで、フォトダイオードのシート抵抗を小さくする効果があり、従来技術に比して高速応答性を改善する。

本発明の受光装置の第１の実施の形態では、受光素子としてｎ型基板２０にｐウェル１０を形成してフォトダイオードを構成したが、これに限定されない。もちろん、ｐ型基板にｎウェルを形成してフォトダイオードを構成してもかまわない。この場合、フォトダイオードのアノードとカソードとは、すでに説明した例とは逆になる。
また、図１では、ｐウェル１０より小さくｐ^＋層１１を形成するように記載したが、これは、双方の位置関係を見やすくするためである。図１のような平面から見てｐウェル１０とｐ^＋層１１とは同じ大きさであってもかまわない。
さらにまた、ｎ型基板２０にはｎウェル１３を設ける場合を説明したが、これに限定はされず、ｎウェル１３を設けなくてもかまわないことは言うまでもない。なお、その際に、ｎ型基板２０の不純物濃度の調整を行ってもよい。

［受光装置列の説明：図５、図６］
次に、図１における受光装置を用いて位相のずれた出力信号を得る方法を以下に説明する。メインスケールの変位方向を求めるために、位相の異なる出力信号が少なくとも一つ必要である。また、メインスケールの変位方向と平行に、ピッチＰで配置された受光素子列を用いて、さらに高分解能で変位量を検出する方法が知られている。図５にその一例を示す。

図５は、受光素子を有する受光装置の配列を示したものである。３２９は非受光部、３３０は受光素子、３３１〜３３８は受光素子列である。受光素子３３０は、光を受けて光電変換を行う部分であるが、非受光部３２９は光電変換を行わない部分である。
図５に示すように、８つの受光素子列３３１〜３３８が、メインスケールの変位方向Ｌ−Ｒと垂直に並んで配置されている。
１つの受光素子列中には、横方向（メインスケールの変位方向Ｌ―Ｒと平行な方向）に、受光素子３３０が複数個並んでいる。その受光素子の配列ピッチはメインスケールに配置した光学格子のピッチＰと同じである。受光素子３３０の幅と非受光部３２９の幅とは、光学格子の光透過部の幅Ｐ／２と光不透過部の幅Ｐ／２と同じである。一方、縦方向（メインスケールの変位方向Ｌ―Ｒと垂直な方向）に並んで配置する隣の受光素子列とは横方向にｆ＝Ｐ／８ずらせて配置している。各受光素子列からの検出信号を２値化するだけで、分解能ｆの変位量を検出することができる。

図６は、図１における受光装置を、図５における８つの受光素子列に置き換えて配置し、受光装置列を構成したものである。１０−１はある１つの受光装置を構成するｐウェル、１０−２はそれと異なる受光装置を構成するｐウェルである。例えば、ｐウェル１０−１の金属配線開口部１９は、受光素子列３３１の受光素子３３０に相当し、ｐウェル１０−２の金属配線開口部１９は、受光素子列３３２の受光素子３３０に相当する。同様に、１２−１はある１つの受光装置の非受光部３２９に相当する金属配線、１２−２はそれと異なる受光装置の非受光部３２９に相当する金属配線である。

１つの受光素子を構成するｐウェル１０−１に設けた金属配線１２−１の金属配線開口部１９と異なる受光素子を構成するｐウェル１０−２に設けた金属配線１２−２の金属配
線開口部１９とは、横方向に距離ｆだけずらして形成する。金属配線開口部１９を横方向に距離ｆだけずらすことにより、ｐウェル１０−１とｐウェル１０−２とから得られる信号は、ｆ／Ｐ位相の異なる信号となる。図６に示す受光装置列は、図を見やすくするため、受光装置を列として２つしか図示していないが、ずらした位相量から求まるｎ＝Ｐ／ｆ個の受光装置を縦方向に配置する。各受光装置からの検出信号を２値化するだけで、分解能ｆの変位量を検出することができる。

本発明の受光装置の異なる実施の形態を図面を用いて説明する。図３は、本発明の第２の実施の形態の受光装置の平面図であり、図４は図３のＣ−Ｃ’断面の断面図である。図３および図４において、１８は遮光膜、２９は遮光膜開口部である。ｈｙは遮光膜１８の幅、ｌｙはｐウェル１０の幅、ｋｙは金属配線１２の幅、ｋｘは金属配線開口部１９の長さ、ｋｙはｌｙより広い幅を示す。Ｐはメインスケールに設けた光学格子のピッチである。既に説明した同じ構成には同じ番号を付与している。なお、図１で示したｎ型基板２０に電源電位を供給するための基板電極１５およびｎ^＋層１４は省略してある。
ｎ型基板２０の表面に、メインスケールの変位方向と平行な方向、すなわち、図３では左右の方向に細長いパターン形状のｐ⁻層であるｐウェル１０を形成する。ここで、ｎ型基板２０とｐウェル１０とのｐｎ接合界面が入射光に応じて光電変換をするフォトダイオードとして機能する。

本発明の第２の実施の形態の受光装置と第１の実施の形態の受光装置とが大きく異なる部分は、遮光膜１８である。遮光膜１８を金属配線１２の上部に設け、その開口部の位置を、メインスケールの変位方向と平行方向に、Ｐ／２ずらしている。

図３に示すように、金属配線１２と遮光膜１８とは、ｐウェル１０の幅ｌｙより広い幅ｋｙとｈｙとで、それぞれ、ｐウェル１０の上部に形成する。この金属配線１２には、幅がＰの金属配線開口部１９を、メインスケールに設けた光学格子のピッチＰを基準として、２倍のピッチ２Ｐで設けている。金属配線１２と同様に、遮光膜１８には幅がＰの遮光膜開口部２９をピッチ２Ｐで設けている。さらに、金属配線１２の金属配線開口部１９と遮光膜１８の遮光膜開口部２９とは、位置をＰ／２ずらして配置する。ｐウェル１０の金属配線１２と遮光膜１８とにより覆われている部分は遮光部であり、固定スケールの光不透過部と同じ機能となる。

したがって、ｐウェル１０には、遮光膜１８の幅がＰの遮光膜開口部２９と、遮光膜開口部２９の位置からＰ／２ずれた、金属配線１２の幅がＰの金属配線開口部１９とを通過した光が到達する。つまり、実質的な開口部の幅はＰ／２となり、メインスケールに設けた光学格子の光透過部の幅と一致する。一方、実質的な遮光部の幅は３Ｐ／２となる。ただし、実質的な開口部のピッチは２Ｐと、メインスケールに設けた光学格子のピッチＰの整数倍である。つまり、メインスケールを透過した同位相の光がｐウェル１０に入射する。

また、金属配線１２による遮光部には、ｐウェル１０と金属配線１２とのコンタクト部１６が形成されている。すなわち、ｐウェル１０と金属配線１２と遮光膜１８とにより、信号線と固定スケールを一体化した受光装置を構成する。

このような構成とすることによって、本発明の第１の実施の形態と同様に、受光素子の受光部の面積を減らすことなく、受光素子の応答性を改善することが可能である。
さらに、金属配線１２と遮光膜１８とを重ねることによって、金属配線１２あるいは遮光膜１８のどちらかの最小加工寸法にピッチＰが左右されることはない。したがって、これらの重なりを変えることによって、ピッチＰを任意に選択することができる。

図３において、金属配線１２の金属配線開口部１９の長さｋｘは、金属配線１２の幅ｋｙから半導体製造プロセスにおける最小金属配線幅ｋｓを引いた値、すなわち、ｋｙ−ｋｓ以下であればよい。同様に、遮光膜１８の遮光膜開口部２９の長さｈｘは、半導体製造プロセスにおける最小遮光膜幅をｈｓとすると、ｈｙ−ｈｓ以下であればよい。金属配線開口部１９と遮光膜開口部２９とは、ｐウェル１０の幅ｌｙより大きく、ｐウェル１０が全幅で受光できることが望ましい。ｐウェルの幅ｌｙは、メインスケールの光学格子のピッチＰに制限されること無く、自由に設計することができる。

つまり、図３のようにｎ型基板２０にｐウェル１０をメインスケールの変位方向と平行な方向に長手方向とする細長いパターン形状とすることと、金属配線１２と遮光膜１８とを遮光手段として利用し、固定スケールのパターンとして形成することとにより、固定スケールと受光素子とを一体化することが可能である。また、ｐウェルの最小幅ｌｓと、Ｐウェル−Ｐウェル間の最小距離ｒｓとに制限はされないので、最小金属配線間隔ｋｔと、最小遮光膜間隔ｈｔとのどちらか一方が、メインスケールの光学格子のピッチＰと等しくなるまで、固定スケールと受光素子とを一体化した半導体装置の設計が可能である。

一般的に、半導体装置製造プロセスにおいてｐウェルの最小幅ｌｓ、Ｐウェル−Ｐウェル間の最小距離ｒｓより最小金属配線幅ｋｓ、最小金属配線間隔ｋｔの方が小さく、そして、より高精度の寸法制御が可能である。したがって、より小さいピッチＰのメインスケールを使えるので、メインスケールの変位量をより高分解能で測定することができる。

図４は本発明の受光装置の図３におけるＣ−Ｃ’断面の断面図である。２３は層間絶縁膜である。既に説明した同一の構成には同一の番号を付与している。受光装置と位置検出回路とアナログ回路調整回路とを同一のチップ内に配置する半導体装置製造プロセスで製作する。
ｎ型基板２０にｐウェル１０と、ｐウェル１０の表面には高濃度不純物層であるｐ^＋層１１を形成する。次に絶縁膜２２を形成後にコンタクト部１６を開口して、幅Ｐの開口部をピッチ２Ｐで設けたパターンの金属配線１２を形成する。次に層間絶縁膜２３を介して、幅Ｐの開口部をピッチ２Ｐで設けたパターンの遮光膜１８を、金属配線膜１２の金属配線開口部１９からＰ／２ずらして形成する。最後に保護膜２４を形成する。

受光素子において、フォトダイオードとして機能するのは基板２０とｐウェル１０とのｐｎ接合部と、図示していないがｎウェルとｐウェル１０とのｐｎ接合部である。また、本発明の第1の実施の形態と同様に、金属配線１２を用いて遮光する領域に、ｐウェル１０と金属配線１２とのコンタクト部１６を設けているので、コンタクト部１６を設けるために、開口部の面積を減らす必要は無い。

本発明の第1の実施の形態と同様に、ｐウェル１０の全面にｐ^＋層１１を形成することで、フォトダイオードのシート抵抗を小さくする効果があり、高速応答性を改善する。

本発明の受光装置の第２の実施の形態は、受光素子としてｎ型基板２０にｐウェル１０を形成してフォトダイオードを構成する例を説明したが、第１の実施の形態と同様に、これに限定されない。
また、図３では、ｐウェル１０より小さくｐ^＋層１１を形成するように記載したが、これは図を見やすくするためであって、これも第１の実施の形態の場合と同様である。

[受光装置列の説明：図３、図５：図７]
次に、図３における受光装置を用いて位相のずれた出力信号を得る方法を以下に説明する。図５は、先に説明したとおり、幅Ｐ／２の受光素子がピッチＰで配列する受光素子列
が図示されているが、ピッチ２Ｐで配列する場合においても、同様である。

図７は図３における受光装置を、図５における８つの受光素子列に置き換えて配置し、受光装置列を構成したものである。本発明の受光装置の第１の実施の形態と同様に、１０−１はある１つの受光装置を構成するｐウェル、１０−２はそれと異なる受光装置を構成するｐウェルである。例えば、ｐウェル１０−１の金属配線開口部１９と遮光膜開口部２９とからなる開口部分は、受光素子列３３１の受光素子３３０に相当し、ｐウェル１０−２の金属配線開口部１９と遮光膜開口部２９とからなる開口部分は、受光素子列３３２の受光素子３３０に相当する。１２−１はある１つの金属配線、１２−２はそれと異なる金属配線である。１８−１はある１つの遮光膜、１８−２はそれと異なる遮光膜である。金属配線１２−１と遮光膜１８−１とで遮光される部分は、受光素子列３３１の非受光部３２９に相当し、金属配線１２−２と遮光膜１８−２とで遮光される部分は、受光素子列３３２の非受光部３２９に相当する。

１つの受光素子を構成するｐウェル１０−１に設けた金属配線１２−１の金属配線開口部１９と異なる受光素子を構成するｐウェル１０−２に設けた金属配線１２−２の金属配線開口部１９とは、横方向に距離ｆだけずらして形成する。同様に、遮光膜１８−１の遮光膜開口部２９と遮光膜１８−２の遮光膜開口部２９とは、横方向に距離ｆだけずらして形成する。
開口部を距離ｆだけずらすことによりｐウェル１０−１とｐウェル１０−２とから得られる信号は、ｆ／Ｐ位相の異なる信号となる。図９においては図を見やすくするため、受光装置を２つしか図示していないが、ずらした位相量から求まるｎ＝Ｐ／ｆ個の受光装置を配置する。各受光装置からの検出信号を２値化するだけで、分解能ｆの変位量を検出することができる。

本発明の第１の実施の形態では、ピッチＰの取りうる最小値は、金属配線１２の最小金属配線幅の２倍となるが、第２の実施の形態では、ピッチＰと最小金属配線幅は等しくなる。したがって、第２の実施の形態では、第１の実施の形態に比して、より高分解能で変位を検出することが可能となる。

本発明の受光装置は、半導体基板に設けたフォトダイオードの上に金属配線を用いて固定スケールを一体化したものであり、半導体装置製造プロセスにおける金属配線の加工精度で固定スケールを形成するのであるから、メインスケールの変位量をより高分解能で測定することができる。したがって、高分解能の光学式変位測長器用の受光装置として好適である。

本発明の第１の実施の形態の受光装置の構成を説明する平面図である。 本発明の第１の実施の形態の受光装置を説明する断面図である。 本発明の第２の実施の形態の受光装置の構成を説明する平面図である。 本発明の第２の実施の形態の受光装置を説明する断面図である。 互いに異なる位相の複数の受光素子列の配列を説明する平面図である。 本発明の第１の実施の形態の受光装置を用いて位相の異なる信号を得るように配置した平面図である。 本発明の第２の実施の形態の受光装置を用いて位相の異なる信号を得るように配置した平面図である。 従来の光電式エンコーダの構成例を示す。 従来の固定スケールと受光素子とを一体化したフォトダイオードアレイの平面図である。

符号の説明

１０ ｐウェル
１１ ｐ^＋層
１２ 金属配線
１３ ｍウェル
１４ ｎ^＋層
１５ 基板電極
１６ コンタクト部
１８ 遮光膜
１９ 金属配線開口部
２０ ｎ基板
２１ フィールド酸化膜
２２ 絶縁膜
２３ 層間絶縁膜
２４ 保護膜
２９ 遮光膜開口部

Claims (5)

1. 第１導電型の半導体基板と、
   前記半導体基板に設け、細長いパターン形状を有する第２導電型の拡散層と、
   前記拡散層と前記半導体基板とで形成するｐｎ接合は、受光素子として機能する受光装置において、
   前記拡散層の表面に前記拡散層と同じ導電型であり不純物濃度の高い高濃度不純物層を設け、
   前記受光素子は、前記高濃度不純物層および前記拡散層と前記半導体基板とのｐｎ接合を有し、
   前記拡散層の上部に予め定められた所定のピッチで配置する遮光手段を備え、
   前記遮光手段で覆われている箇所で前記拡散層と前記遮光手段とをコンタクトすることを特徴とする受光装置。
2. 第１導電型の半導体基板と、
   前記半導体基板に設け、細長いパターン形状を有する第２導電型の拡散層と、
   前記拡散層と前記半導体基板とで形成するｐｎ接合は、受光素子として機能する受光装置において、
   前記拡散層の表面に前記拡散層と同じ導電型であり不純物濃度の高い高濃度不純物層を設け、
   前記受光素子は、前記高濃度不純物層および前記拡散層と前記半導体基板とのｐｎ接合を有し、
   前記拡散層の上部に予め定められた所定のピッチの整数倍で配置する遮光手段を備え、
   前記遮光手段で覆われている箇所で前記拡散層と前記遮光手段とをコンタクトすることを特徴とする受光装置。
3. 前記遮光手段は、電極配線を形成する金属膜からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の受光装置。
4. 前記遮光手段は、前記金属膜と、前記金属膜と層間絶縁膜とを挟んで形成する少なくとも１つの層の遮光膜とからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の受光装置。
5. 前記受光装置を複数設け、
   複数の前記受光装置を前記細長いパターン形状の長手方向と垂直方向に配置するとともに、前記長手方向と平行方向に所定の距離をずらして配置して受光装置列を形成し、
   前記受光装置列から位相の異なる信号を検出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の受光装置。
   

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