JP2013165471A - Multiphase drive image signal integration element - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To generate a CCD driven by eight phase drive and four phase drive, or six phase drive and three phase drive by folding it into a pixel in an accordion type.SOLUTION: When a substantial change of a transfer direction of an electric charge in a CCD transfer path by 180 degrees is defined as "folding", and the CCD transfer path divided by two continuous foldings is defined as "divided transfer path", two wiring lines crossing the transfer direction are provided for one transfer electrode on the individual transfer electrode on each divided transfer path. One of the wiring lines is electrically bonded with the transfer electrode on the transfer path just before each folding. The other one of the wiring lines is electrically bonded with the electrode on the transfer path just after the folding, and the number of transfer electrodes on one divided transfer path is a multiple of K (K is integer of 3 or more).

Description

信号が微弱であるが、再現性のある高速現象の撮影に好適である。また荷電粒子の強度、到達位置、到達時間の情報を用いる高機能質量分析の装置として好適である。  Although the signal is weak, it is suitable for high speed imaging with reproducibility. Moreover, it is suitable as an apparatus for high-function mass spectrometry using information on the intensity, arrival position, and arrival time of charged particles.

各画素が、該画素の光電変換部で生成する画像信号を記録する画像信号メモリー要素を複数個備えるセンサーを「画素単位記録型撮像素子」と呼ぶことにする。  A sensor in which each pixel includes a plurality of image signal memory elements that record an image signal generated by the photoelectric conversion unit of the pixel is referred to as a “pixel unit recording type imaging device”.

画素単位記録型撮像素子においては、撮影時に各画素で生じる画像信号を、該画素が備える画像信号メモリー領域のメモリー要素の1つに記録する操作を、全画素で同時に行う。このとき各画素で生じた画像信号を各画素で集める時間と、集めた画像信号を該画素が備える画像信号メモリー要素の1つに移すために必要な時間の和で1枚の画像が撮影される。生成した画像信号を収集する時間は最小1ナノ秒程度まで短縮することができる。また集めた画像信号をメモリーの一つに移す時間は最小数ナノ秒まで短縮することができる。したがってこれらの時間の和は10ナノ秒程度まで短縮することができる。  In the pixel unit recording type image pickup device, an operation of recording an image signal generated in each pixel at the time of photographing in one of the memory elements of the image signal memory area included in the pixel is simultaneously performed in all the pixels. At this time, one image is captured by the sum of the time required to collect the image signal generated at each pixel at each pixel and the time required to transfer the collected image signal to one of the image signal memory elements included in the pixel. The The time for collecting the generated image signal can be shortened to a minimum of about 1 nanosecond. The time taken to transfer the collected image signals to one of the memories can be shortened to a minimum of a few nanoseconds. Therefore, the sum of these times can be shortened to about 10 nanoseconds.

連続撮影するには、各画素で記録する画像信号メモリー要素を順次変えながら、この過程を繰り返す。したがって画素単位記録型撮像素子では、フレームインタバルは10ナノ秒程度まで短縮することが可能である。撮影速度はフレームインタバルの逆数であるから、画素単位記録型撮像素子を備える撮影装置により、撮影速度を1億枚/秒程度まで上げることができる。  For continuous shooting, this process is repeated while sequentially changing the image signal memory elements recorded in each pixel. Therefore, the frame interval can be shortened to about 10 nanoseconds in the pixel unit recording type imaging device. Since the photographing speed is the reciprocal of the frame interval, the photographing speed can be increased to about 100 million frames / second by the photographing apparatus provided with the pixel unit recording type imaging device.

この技術により各画素が備える画像信号メモリーのメモリー要素の数と同じ数の画像を連続撮影できる。  With this technique, the same number of images as the number of memory elements of the image signal memory included in each pixel can be continuously photographed.

画素単位記録型撮像素子のうち、各画素内に多数の画像信号メモリーを備える素子を「画素内記録型撮像素子」と呼ぶことにする。画素内記録型撮像素子と、各画素の周辺に各画素で生成する画像信号を記録する素子を併せて「画素周辺記録型撮像素子」と呼ぶことにする。  Of the pixel-unit recording type imaging device, an element including a large number of image signal memories in each pixel is referred to as an “in-pixel recording type imaging device”. The in-pixel recording type image pickup device and the element for recording the image signal generated by each pixel around each pixel are collectively referred to as “pixel peripheral recording type image pickup device”.

画素単位記録型撮像素子には、画素周辺記録型の他に、撮像素子の同一チップ上の受光面外に各画素で生成する画像信号を記録する「素子周辺記録型」と、信号電荷の生成および電荷を収集するチップの下に、別のメモリーチップを接合する「積層型」がある。積層型画素単位記録型撮像素子は画素内記録型でもある。  In addition to the pixel peripheral recording type, the pixel unit recording type imaging element includes an “element peripheral recording type” that records the image signal generated by each pixel outside the light receiving surface on the same chip of the imaging element, and signal charge generation In addition, there is a “stacked type” in which another memory chip is bonded under a chip for collecting electric charges. The stacked pixel unit recording type imaging device is also an in-pixel recording type.

記録方式はアナログ型でもデジタル型でも良いが、信号のデジタル化が不要な分だけ、撮影速度と画素サイズのコンパクトさの点ではアナログ型が有利である。信号の保持時間や、信号のポストデジタルプロセスの容易さの点ではデジタル型が有利である。  The recording method may be either an analog type or a digital type, but the analog type is advantageous in terms of shooting speed and compactness of the pixel size as much as the digitization of the signal is unnecessary. The digital type is advantageous in terms of signal holding time and ease of post-digital processing of signals.

本発明の発明者らは図1に示すように、各画素のフォトダイオード(表面照射の場合)もしくは電荷収集ゲート(裏面照射の場合)100に接続し、画素グリッドに対して小さい角度ずれた方向に伸びる直線CCD101(以後「斜行直線CCD」と呼ぶ)をメモリーとする画素周辺記録型撮像素子102を発明した(特許文献1、非特許文献1参照)。  As shown in FIG. 1, the inventors of the present invention are connected to a photodiode (in the case of front-side illumination) or a charge collection gate (in the case of back-side illumination) 100 of each pixel, and are shifted by a small angle with respect to the pixel grid. Invented the pixel peripheral recording type image pickup element 102 using a linear CCD 101 extending in the direction (hereinafter referred to as “an oblique linear CCD”) as a memory (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

非特許文献1には、特許文献1で開示された斜行直線CCD画素周辺記録型撮像素子の実施例が示されている。この素子により、1600万枚/秒という超高速度が実現された。またこの素子は裏面照射型であるので(特許文献2参照)、超高感度も同時に達成した。  Non-Patent Document 1 shows an example of an oblique linear CCD pixel peripheral recording type imaging device disclosed in Patent Document 1. With this element, an extremely high speed of 16 million sheets / second was realized. Moreover, since this element is a back-illuminated type (see Patent Document 2), ultra-high sensitivity was achieved at the same time.

CCDにおいて、電荷の転送方向が実質的に180度変わることを「折りたたみ」と定義する。  In the CCD, the fact that the charge transfer direction changes substantially 180 degrees is defined as “folding”.

図2に示すように、直線CCDを2つに折りたたみ、始端と末端を接続すると循環型のCCD103を作ることができる。これがフォトダイオード104に接続しており、この組み合わせを1画素中に作り込む。  As shown in FIG. 2, a circular CCD 103 can be made by folding a linear CCD into two and connecting the start and end. This is connected to the photodiode 104, and this combination is formed in one pixel.

各画素内に循環CCDを作り込み、画像信号メモリーとして使うと、多数回の撮影実験で得られる連続画像信号を、撮像素子外に読み出すことなく、各画素内のCCDメモリー内で加算することができる(特許文献4参照)。  When a circulating CCD is built in each pixel and used as an image signal memory, continuous image signals obtained in a large number of shooting experiments can be added in the CCD memory in each pixel without being read out of the image sensor. Yes (see Patent Document 4).

特許文献3にはCCDを2つに折りたたみ、方向転換して、循環型にする技術が開示されている。  Patent Document 3 discloses a technique in which a CCD is folded in two and changed in direction to be a circulation type.

例えば図3には2個の循環型CCD105が示されている。各画素に1個の循環型CCDを作り込む。図3の例は4相駆動CCDであるので4個の電極106で1個のアナログメモリー107となり、1つの循環型CCDに5個の画像信号を蓄積することができる。したがって各画素内に連続5枚分の画像信号を記録することができる。  For example, two circulating CCDs 105 are shown in FIG. One circulating CCD is built in each pixel. Since the example of FIG. 3 is a four-phase drive CCD, the four electrodes 106 form one analog memory 107, and five image signals can be stored in one circulating CCD. Accordingly, five continuous image signals can be recorded in each pixel.

1回目の撮影でフォトダイオード104で生成した5枚分の連続画像を撮影した後、画像信号を撮像素子の外部に読み出すことなく、次の5枚の連続画像を撮影すれば、1回目の撮影で記録した画像信号に、2回目の撮影で撮影した画像信号が撮影順序通りに自動的に加算される。  After taking five consecutive images generated by the photodiode 104 in the first shooting, and then shooting the next five consecutive images without reading out the image signal to the outside of the image sensor, the first shooting is performed. The image signal shot in the second shooting is automatically added to the image signal recorded in the order of shooting.

これを繰り返すことにより、再現性の強い高速現象であれば、信号強度が微弱であっても、何度も撮影して信号を積算することによりSN比を改善し、必要な画像情報を抽出することができる。このようなセンサを「画像信号積算素子」と呼ぶことにする。  By repeating this, if the high-speed phenomenon has strong reproducibility, even if the signal intensity is weak, the S / N ratio is improved by extracting and integrating the signals, and necessary image information is extracted. be able to. Such a sensor is referred to as an “image signal integrating element”.

連続撮影枚数を増やすためには、長い1本のCCDを1度でなく何度も折りたたみ(以後「多重折りたたみCCD」と呼ぶ)、かつ末端と始端を結合してループ状にして循環多重折りたたみCCDとすれば良い。多重折りたたみCCDでは少なくとも3回の折りたたみが必要である。  In order to increase the number of continuous shots, a long single CCD is folded many times instead of once (hereinafter referred to as “multiple folding CCD”), and the end and the start are joined to form a loop to circulate multiple folding CCD What should I do? Multiple folding CCDs require at least three foldings.

画素という狭い面積の中に循環多重折りたたみCCDを作り込むためには、その電極構造および駆動電圧送付のための金属配線構造ができるだけ単純でなければならない。  In order to build a circular multi-folding CCD in a small area of pixels, the electrode structure and the metal wiring structure for sending drive voltage must be as simple as possible.

各画素内に多重折りたたみCCDを作り込み、高機能CCDを作るという提案は古くからあった。例えば非特許文献2には超高速撮影のために、画素内に図4の折りたたみCCDを備える撮像素子108が開示されている。同時期、他にもほぼ同様の画素構造が提示された(文献は示していない)。しかしこのような多重折りたたみCCDが実現された例はない。理由は発明当時の技術力では、多重折りたたみCCDのような複雑な画素構造(電極構造と配線構造)を持ち、画素という小さな面積中に納まり、かつ撮像素子に要求される低ノイズのCCDを実現するのが困難だったからである。  There has been a proposal for a long time to make a multi-function CCD in each pixel to make a high-performance CCD. For example, Non-Patent Document 2 discloses an image sensor 108 having a folding CCD shown in FIG. At the same time, other similar pixel structures were presented (documents not shown). However, there is no example in which such a multiple folding CCD is realized. The reason is that with the technical capabilities at the time of the invention, it has a complex pixel structure (electrode structure and wiring structure) like a multi-folding CCD, fits in a small area called a pixel, and realizes a low noise CCD required for an image sensor. Because it was difficult to do.

図3に提示されている構造は比較的単純な構造であるが多重折りたたみはできない。実用的な多重折りたたみを実現するにはさらなる単純化のための改善が必要である。  Although the structure presented in FIG. 3 is a relatively simple structure, it cannot be folded multiple times. Improvements for further simplification are necessary to achieve practical multiple folding.

CCDの多重折りたたみ技術がなかったので、実用的な画素単位記録型撮像素子を用いて超高速撮影を実現するには図1の斜行直線CCD画素周辺記録型撮像素子の発明を待たねばならなかった。この素子では、撮影中は、画像信号はやや斜めのCCDメモリー上を直線的に転送されるだけであるから、極めて単純な構造で超高速撮影を実現することができた。  Since there was no CCD multiple folding technology, in order to realize ultrahigh-speed shooting using a practical pixel unit recording type imaging device, the invention of the oblique linear CCD pixel peripheral recording type imaging device of FIG. It was. With this device, since image signals are only transferred linearly on a slightly oblique CCD memory during shooting, ultra-high-speed shooting can be realized with a very simple structure.

撮像素子外への信号の読み出しには工夫を必要とした。しかし画素単位記録型撮像素子では信号読み出しは撮影後に行うので、少し複雑な構造を使ってゆっくり読み出すことができる。  A device was required to read out the signal to the outside of the image sensor. However, in the pixel unit recording type image pickup device, signal readout is performed after photographing, so that it can be read out slowly using a slightly complicated structure.

それに対して本発明の発明者らは、図5に示すような、上辺のCCD119と下辺のCCD120が共に多重折りたたみCCDとなっており、かつ対向している「アコーディオン型CCD」を実現する技術を発明した。アコーディオン型となることで、多重折りたたみであるとともに、CCDの始端と末端が接合した循環多重折りたたみCCD602となり、実用的な画像信号積算素子となる。  On the other hand, the inventors of the present invention have a technique for realizing an “accordion type CCD” in which the upper CCD 119 and the lower CCD 120 are both multi-folded CCDs as shown in FIG. Invented. By becoming an accordion type, it becomes a multiple folding and a circulating multiple folding CCD 602 in which the start and end of the CCD are joined, and it becomes a practical image signal integrating element.

この折りたたみ技術が図6に示されている。すなわち互いに交差する2層のポリシリコン電極110/111、112/113の組を用いて4相駆動CCDを折りたたむ技術を発明した。(特許文献5)。  This folding technique is illustrated in FIG. That is, the inventors have invented a technique for folding a four-phase drive CCD using a set of two layers of polysilicon electrodes 110/111 and 112/113 intersecting each other. (Patent Document 5).

図7に、図6に示す交差電極を持つ折りたたみCCDの金属配線を示す。4相駆動では駆動電圧波形の異なる4種の金属配線を必要とするが、金属配線も、このような単純な平行配線となる。金属配線とポリシリコン電極とはコンタクトポイント118を介して電気的に接合している。  FIG. 7 shows the metal wiring of the folding CCD having the cross electrode shown in FIG. Four-phase driving requires four types of metal wirings having different driving voltage waveforms, and the metal wiring is also such a simple parallel wiring. The metal wiring and the polysilicon electrode are electrically joined via the contact point 118.

このように、交差電極を用いると、各電極上に1層の金属層だけで作られた平行な駆動電圧送付配線114−117を乗せるだけで折りたたみCCDを高速駆動できる。  As described above, when the crossing electrodes are used, the folding CCD can be driven at high speed only by placing the parallel driving voltage sending wirings 114 to 117 made of only one metal layer on each electrode.

またこの技術を用いると、図5に示すように上辺119も下辺120もともに折りたたまれたアコーディオン型CCDを容易に構成できる。  If this technique is used, an accordion-type CCD in which both the upper side 119 and the lower side 120 are folded as shown in FIG. 5 can be easily constructed.

これについて説明する。図5、図6に示すように、アコーディオン型CCDの折りたたみの対向する部分200では水平転送方向が逆になる。対向部では上下の転送路は水平チャンネルストップ121で隔絶されている。ポリシリコン電極が水平チャンネルストップを跨いで交差していることにより、水平チャンネルストップの上下の転送方向は自動的に逆方向になる。したがって、折りたたみの対向部の構造も通常の転送路部と同じになり、対向部の上下のCCDで転送方向を変えるための構造も不要になる。  This will be described. As shown in FIG. 5 and FIG. 6, the horizontal transfer direction is reversed in the facing portion 200 of the folding of the accordion CCD. In the facing part, the upper and lower transfer paths are isolated by a horizontal channel stop 121. Since the polysilicon electrodes intersect across the horizontal channel stop, the transfer direction above and below the horizontal channel stop is automatically reversed. Accordingly, the structure of the folding opposing portion is the same as that of the normal transfer path portion, and the structure for changing the transfer direction by the CCDs above and below the opposing portion is not required.

アコーディオン型にせず、図5の折りたたみCCDの下辺120のみを折りたたみ、上辺119は水平CCDでつないで循環型にすると、転送路の形状は見かけ上単純になる(図示していない)。しかし、水平CCDを駆動するために、水平CCD上に別途4本の駆動金属配線を乗せる必要が生じ、実際にはアコーディオン型よりも複雑な配線構造となる。  If only the lower side 120 of the folding CCD in FIG. 5 is folded and the upper side 119 is connected by a horizontal CCD to form a circulation type without using the accordion type, the shape of the transfer path is apparently simple (not shown). However, in order to drive the horizontal CCD, it is necessary to place four additional drive metal wirings on the horizontal CCD, and the wiring structure is actually more complicated than that of the accordion type.

図6に示す折りたたみCCDは4相駆動CCDであるが、3相駆動CCDも交差電極により無理なく折りたたむことができる(特許文献5に記載)。  Although the folding CCD shown in FIG. 6 is a four-phase driving CCD, the three-phase driving CCD can be folded easily by a crossing electrode (described in Patent Document 5).

しかしこの技術にも課題がある。  However, this technology also has problems.

第1層のポリシリコンで作る電極111と、第2層のポリシリコンで作る電極110の交差部分では、2層目のポリシリコンのエッチング時の取り残しが起こりやすい。この取り残しは第2ポリシリコンで作られる隣接する電極間でショートを起こす原因となる。電極113、112の関係も同様である。  At the intersection of the electrode 111 made of the first layer polysilicon and the electrode 110 made of the second layer polysilicon, the second layer polysilicon is easily left behind during etching. This leftover causes a short circuit between adjacent electrodes made of the second polysilicon. The relationship between the electrodes 113 and 112 is the same.

これを防ぐには電極サイズに多少の余裕を持たせる必要がある。この余裕分だけCCDメモリーサイズが大きくなる。  In order to prevent this, it is necessary to give a certain margin to the electrode size. The CCD memory size increases by this margin.

それに対して本発明の発明者らはさらに図8に示す折りたたみ技術123を発明した(特許文献6)。  In contrast, the inventors of the present invention further invented a folding technique 123 shown in FIG. 8 (Patent Document 6).

この技術はICプロセスの微細化にともなって可能になった。すなわち、CCDでは隣接する電極間のスペースが0.2ミクロン以上であると、転送方向にポテンシャルの溝が生じ、電荷の完全転送が難しくなる。一方、あまり狭くなると隣接する電極間の電界が高くなり、両電極間の電圧差を大きくすることができないために取扱い信号容量が下がる。したがって通常は電極間スペースを0.1ミクロン程度にする。  This technology has become possible with the miniaturization of IC processes. That is, in the CCD, if the space between adjacent electrodes is 0.2 microns or more, a potential groove is formed in the transfer direction, making it difficult to completely transfer charges. On the other hand, if it becomes too narrow, the electric field between the adjacent electrodes becomes high, and the voltage difference between the two electrodes cannot be increased, so that the handling signal capacity is reduced. Therefore, the space between the electrodes is usually set to about 0.1 microns.

従来は2層ポリシリコンを使い、1層目のポリシリコンをエッチングして電極を形成した後、その表面を0.1ミクロン程度の厚さで酸化して絶縁し、その上に2層目のポリシリコン層を乗せ、それをエッチングして、1層目のポリシリコン電極に隣接する2層目のポリシリコン電極を作ることにより、隣接する電極間のスペースを0.1ミクロン程度にしていた。  Conventionally, a two-layer polysilicon is used to form an electrode by etching the first polysilicon, and then the surface is oxidized and insulated to a thickness of about 0.1 micron, and the second layer is formed thereon. A polysilicon layer was placed and etched to form a second polysilicon electrode adjacent to the first polysilicon electrode, thereby reducing the space between adjacent electrodes to about 0.1 microns.

最近の先端ICプロセスでは、エッチングによりポリシリコン層に0.1ミクロン以下の溝を作り、絶縁スペースとすることが可能になった。特許文献6では、この技術を使って3相駆動CCDと4相駆動CCDを無理なく折りたたむ技術を開示した(図8−図11参照)。  In the latest advanced IC process, it has become possible to create an insulating space by forming a groove of 0.1 μm or less in the polysilicon layer by etching. Patent Document 6 discloses a technique for easily folding a three-phase driving CCD and a four-phase driving CCD using this technique (see FIGS. 8 to 11).

特許文献6の特徴は図8、図10に示すように、単層のポリシリコンから作る電極201がZ型になっていることである。Z型電極は加える駆動電圧波形の位相の違いにより、第1相電極204、第2層電極205、第3相電極206、第4相電極207に分かれている。  As shown in FIGS. 8 and 10, the feature of Patent Document 6 is that the electrode 201 made of single-layer polysilicon is Z-shaped. The Z-type electrode is divided into a first phase electrode 204, a second layer electrode 205, a third phase electrode 206, and a fourth phase electrode 207 according to the phase difference of the applied drive voltage waveform.

電極間スペース202は0.1ミクロン程度である。ただし電極形状がZ型であるため、電極間スペースは直角の屈曲点203を持つ。  The interelectrode space 202 is about 0.1 microns. However, since the electrode shape is Z-shaped, the inter-electrode space has a right-angled bending point 203.

図10のZ型電極を図9のチャンネル209とチャンネルストップ208が形成されたシリコン基板上に乗せると図8の循環型アコーディオンCCDとなる。各電極に4相駆動の標準駆動電圧波形を与えると、図中の転送方向に電荷が転送される。  When the Z-type electrode of FIG. 10 is placed on the silicon substrate on which the channel 209 and the channel stop 208 of FIG. 9 are formed, the circular accordion CCD of FIG. 8 is obtained. When a standard driving voltage waveform for four-phase driving is applied to each electrode, charge is transferred in the transfer direction in the figure.

各電極に駆動電圧波形を与えるには、図11に示すように、Z型電極の上辺と下辺の上に1層の金属配線からなる平行な第1位相210、第2位相211、第3位相212、第4位相213の駆動電圧送付配線を乗せ、コンタクトポイント214を介して電気的に接続するだけで良い。  In order to give a drive voltage waveform to each electrode, as shown in FIG. 11, parallel first phase 210, second phase 211, and third phase formed of a single layer of metal wiring on the upper and lower sides of the Z-shaped electrode. 212, the drive voltage transmission wiring of the fourth phase 213 may be placed and electrically connected via the contact point 214.

図8、図5の折りたたみの対向部200でも、Z型電極を他の部分と全く同じようにチャンネルストップ状に配置することにより、電荷の転送方向が自動的に変わる。  In the folding facing portion 200 of FIGS. 8 and 5, the charge transfer direction is automatically changed by arranging the Z-type electrode in a channel stop shape just like the other portions.

この構造にも課題がないわけではない。幅0.1ミクロンの狭いスペースの屈曲部203で、確率は低いがエッチング時の取り残しが生じやすい。  This structure is not without its challenges. The bent portion 203 having a narrow space of 0.1 μm in width is likely to be left behind during etching although the probability is low.

図8は4相駆動の場合を示したが3相駆動の場合も同様の技術で折りたたむことができる。  FIG. 8 shows the case of four-phase driving, but the case of three-phase driving can be folded by the same technique.

以上は3相、4相駆動のCCDを折りたたむための既存の技術と、課題を述べてきた。しかし、5相以上の駆動方式に対してはCCDを何度も無理なく折りたたむ技術は開示されていない。  The above has described the existing techniques and problems for folding a three-phase, four-phase drive CCD. However, there is no disclosure of a technique for easily folding a CCD many times for a driving method of five phases or more.

5相以上の多相駆動CCDの取り扱い信号容量は飛躍的に大きくなる。例えば、4相駆動CCDでは、信号電荷は2個の電極の下に保存され、その両側の2個の電極には低い電圧をかけてチャンネルの電位を下げ、隣接するCCD要素との間の信号の混合を防ぐためのバリアを作る。8相駆動では6個の電極の下に保存される。したがって8相駆動CCDでは4相駆動の場合に比べて、メモリーCCDの面積は2倍になるが、取扱い信号容量は少なくとも3倍になる。実際には電界フリンジ効果でポテンシャルは曲線となるので、取扱い信号容量は4倍程度になる。すなわちCCD単位長さあたりの取り扱い信号容量は、4相駆動に比べて8相駆動では約2倍になる。  The handling signal capacity of a multi-phase drive CCD having five or more phases is dramatically increased. For example, in a four-phase drive CCD, the signal charge is stored under two electrodes, and a low voltage is applied to the two electrodes on both sides to lower the channel potential, so that the signal between adjacent CCD elements is reduced. Create a barrier to prevent mixing. In 8-phase drive, it is stored under 6 electrodes. Therefore, in the 8-phase drive CCD, the area of the memory CCD is doubled as compared with the case of 4-phase drive, but the handling signal capacity is at least triple. Actually, since the potential becomes a curve due to the electric field fringe effect, the handling signal capacity is about four times. That is, the handling signal capacity per unit length of the CCD is approximately doubled in the 8-phase drive compared to the 4-phase drive.

8相駆動転送するには、連続する8個の転送電極を独立駆動できるようにする。4個づつの2組の電極を駆動することにより、4相駆動もできる。ただし折りたたみCCDにおいて4相駆動と8相駆動を併用するには、折りたたみ方に制限が生じる。  For eight-phase drive transfer, eight continuous transfer electrodes can be independently driven. Four-phase driving can be performed by driving two sets of four electrodes. However, in order to use 4-phase driving and 8-phase driving together in a folding CCD, the folding method is limited.

3相駆動と6相駆動の関係も同じである。6相駆動の取り扱い信号容量は3相駆動のそれの5倍以上になる。12相駆動にしておくと、3相、4相、6相、12相駆動ができる。  The relationship between 3-phase driving and 6-phase driving is the same. The handling signal capacity of 6-phase driving is more than five times that of 3-phase driving. If 12-phase driving is used, 3-phase, 4-phase, 6-phase, and 12-phase driving can be performed.

ただし5相駆動以上のCCDはCCDメモリー要素が相数に比例して長くなる。したがってチャンネル幅が同じであればCCDメモリーのサイズが大きくなる。これを同一面積の画素の中に作り込むと、作り込めるCCD要素の数が減り、連続撮影枚数が減る。逆に連続撮影枚数を同じにすると,多相駆動CCDでは画素サイズが大きくなり、同一の受光面積に対して画素数が小さくなる。  However, a CCD memory element is longer in proportion to the number of phases in a CCD with five-phase driving or more. Therefore, if the channel width is the same, the size of the CCD memory increases. If this is made in pixels of the same area, the number of CCD elements that can be made is reduced and the number of continuous shots is reduced. Conversely, if the number of continuous shots is the same, the pixel size of the multi-phase drive CCD increases, and the number of pixels decreases for the same light receiving area.

図18に多重周回飛行時間型質量分析イメージング装置の構成400を示す(非特許文献3参照)。  FIG. 18 shows a configuration 400 of a multi-turn time-of-flight mass spectrometry imaging apparatus (see Non-Patent Document 3).

レーザー403から射出されたレーザー光は試料405を照射する。これにより試料表面から多くの種類のイオン409が一斉に飛び出し、イオン多重周回装置に導かれる。  The laser beam emitted from the laser 403 irradiates the sample 405. As a result, many types of ions 409 jump out of the sample surface all at once, and are guided to the ion multiple circuit device.

イオン多重周回装置406の特徴について説明する。この装置は多重周回によりイオンの飛行距離を飛躍的に大きくする。多重周回中に電場により軽いイオンほど早く飛行する。多重周回により長距離飛行する間にイオン種間距離が引き伸ばされる。したがって質量の異なるイオンのセンサ411への到達時間差が大きくなる。  The features of the ion multiplex circuit 406 will be described. This device dramatically increases the flight distance of ions by multiple rounds. Lighter ions fly faster due to the electric field during multiple laps. The distance between the ion species is extended during the long-distance flight by multiple laps. Therefore, the arrival time difference of ions having different masses to the sensor 411 is increased.

従来の飛行時間型質量分析装置のセンサは、ナノ秒程度の時間分解能を必要とする。しかし多重周回により、100ナノ秒程度の時間分解能でも時間分解できるようになる。  Conventional sensors of time-of-flight mass spectrometers require time resolution on the order of nanoseconds. However, the multiple rounds enable time resolution with a time resolution of about 100 nanoseconds.

最近のイオン多重周回装置はもう一つの大きな特徴がある。それは周回中も、個々のイオンが試料表面中のどの位置から射出されたかを示す位置関係を保存していることである。  The recent ion multiplex circuit has another great feature. That is, the position relationship indicating the position from which the individual ions are ejected on the sample surface is preserved even during the orbit.

したがって裏面照射撮像素子をセンサとして使えば、個々のイオンのセンサへの到達位置と到達時間に加えて、信号電荷の大きさが計測でき、これらの情報から、個々のイオン種が、試料のどの位置にどの位存在しているかという存在量もわかる。  Therefore, if the back-illuminated image sensor is used as a sensor, the magnitude of the signal charge can be measured in addition to the arrival position and arrival time of each ion, and from this information, the individual ion species can be detected in the sample. You can also see how much is present at the location.

非特許文献1で開示した1600万枚/秒の撮像素子は裏面照射型である。時間分解能は100ナノ秒以下である。したがって多重周回飛行時間型質量分析イメージング装置のセンサとして好適である。  The image sensor of 16 million sheets / second disclosed in Non-Patent Document 1 is a back-illuminated type. The time resolution is 100 nanoseconds or less. Therefore, it is suitable as a sensor for a multi-turn time-of-flight mass spectrometry imaging apparatus.

しかし、1回のレーザー照射で生成するイオンの数は明瞭なイオン分布の像を得るには不十分である。また強すぎるレーザー光を照射すると、イオンが飛散し、もとの位置情報の推定精度が急激に下がる。  However, the number of ions generated by one laser irradiation is insufficient to obtain a clear ion distribution image. Moreover, when laser light that is too strong is irradiated, ions are scattered and the estimation accuracy of the original position information is drastically lowered.

したがってできるだけ弱いレーザー光でイオンを発生させ、これを繰り返すことでイオンの平面的な分布の像を得る。この場合、信号強度が下がる。  Therefore, ions are generated with the weakest possible laser beam, and this is repeated to obtain an image of the planar distribution of ions. In this case, the signal strength decreases.

一方、高い時間分解能を得るため高速撮影が必要である。通常の高速度ビデオカメラを用いて高速撮影すると、読み出し雑音が大きい。これを減らすには多数回のイオン照射で得られる像を加算することにより、SN比を上げる必要があった。  On the other hand, high-speed imaging is necessary to obtain high time resolution. When high-speed shooting is performed using a normal high-speed video camera, readout noise is large. In order to reduce this, it was necessary to increase the S / N ratio by adding images obtained by many ion irradiations.

信号の画素内積算ができる高速撮像素子、すなわち画像信号積算素子を適用すればこの問題を解決できる。  This problem can be solved by applying a high-speed imaging device capable of integrating signals within a pixel, that is, an image signal integrating device.

しかし、画像信号積算素子は、各画素に対して多数のメモリー要素を作り込むので、撮影枚数をある程度以上多くすることができない。これにより時間軸方向のダイナミックレンジが小さくなる。時間方向のダイナミックレンジを拡大するために、撮影枚数を増やすためにはメモリー要素のサイズを小さくする必要があり、最大取扱い信号容量が小さくなり、多数回の信号加算ができなくなる。逆に最大取扱い信号容量を大きくするためにメモリー要素のサイズを大きくすると、1画素あたりに作り込めるメモリー要素数が減り、時間方向のダイナミックレンジが小さくなる。  However, since the image signal integrating element creates a large number of memory elements for each pixel, the number of shots cannot be increased to some extent. This reduces the dynamic range in the time axis direction. In order to increase the dynamic range in the time direction, in order to increase the number of shots, it is necessary to reduce the size of the memory element, the maximum handling signal capacity is reduced, and signal addition cannot be performed many times. Conversely, if the size of the memory element is increased in order to increase the maximum handled signal capacity, the number of memory elements that can be created per pixel decreases, and the dynamic range in the time direction decreases.

特許第3704052号Japanese Patent No. 3704052 特許第4394437号Japanese Patent No. 4394437 USPatent P4897728US Patent P4897728 特許4265295号Japanese Patent No. 4265295 特開211−151797JP 211-151797 特開2011−258906JP 2011-258906 A

江藤剛治他:1600万枚/秒の裏面照射撮像素子、映像情報メディア学会誌、2011年3月号、349−353頁.Goji Eto et al .: Back-illuminated imaging device of 16 million pieces / second, Journal of the Institute of Image Information and Television Engineers, March 2011, pages 349-353. M. Elloumi, et al: The study of a photosite for snapshot video, SPIE, Vol.2513,pp.259−267,1994.M.M. Elloumi, et al: The study of a photoforsite snapshot video, SPIE, Vol. 2513, pp. 259-267, 1994. Michisato Toyoda, Masaru Nishiguchi, Journal of the Mass Spectrometry Society of Japan, Vol.55,pp.17−24,2007.Michisato Toyoda, Masaru Nishiguchi, Journal of the Mass Spectrometry Society of Japan, Vol. 55, pp. 17-24, 2007.

多重周回飛行時間型質量分析イメージング装置に好適な撮像素子を提供する。  An imaging device suitable for a multi-turn time-of-flight mass spectrometry imaging apparatus is provided.

この素子は以下の条件を満たすことが望まれる。イオンの直入による信号電荷を生成する裏面照射構造、画素内信号積算機能、100ナノ秒以下の時間分解能、画像信号が取得できる2次元(平面)センサ、できるだけ多い撮影枚数、できるだけ大きい取扱い信号容量。  This element is desired to satisfy the following conditions. Backside illumination structure that generates signal charge by direct ion input, signal integration function within pixel, time resolution of 100 nanoseconds or less, two-dimensional (planar) sensor that can acquire image signals, as many shots as possible, and as large a handling signal capacity as possible.

非特許文献1に開示された裏面照射画素単位画像信号記録型撮像素子により、「イオンの直入」、「100ナノ秒以下の時間分解能」、「2次元センサ」の3条件は満たされる。    The back-illuminated pixel unit image signal recording type imaging device disclosed in Non-Patent Document 1 satisfies the three conditions of “direct ion input”, “time resolution of 100 nanoseconds or less”, and “two-dimensional sensor”.

図5に示す各画素にアコーディオン型メモリーCCDを備える撮像素子により「画素内信号積算機能」も満たされる。  The “intra-pixel signal integration function” is also satisfied by the imaging device including the accordion memory CCD in each pixel shown in FIG.

しかしこれらの課題に加えて「多い撮影枚数」と「大きい取扱い信号容量」の課題を解決する必要がある。現在の技術では双方を同時に解決することはできないので、目的に応じて一方を選択できる技術の開発が望まれる。  However, in addition to these problems, it is necessary to solve the problems of “large number of shots” and “large handling signal capacity”. Since the current technology cannot solve both at the same time, development of a technology that can select one according to the purpose is desired.

図6に示す交差電極(特許文献5の技術)、もしくは図10に示すZ型電極(特許文献6の技術)を用いて3相駆動、4相駆動CCDをスペースの無駄を最小限に抑えてコンパクトに折りたたむことができる。  By using the cross electrode shown in FIG. 6 (the technique of Patent Document 5) or the Z-type electrode shown in FIG. 10 (the technique of Patent Document 6), the three-phase drive and the four-phase drive CCD are minimized. Can be folded compactly.

しかし「大きい取扱い信号容量」を達成するための5相以上の駆動方式のCCDをコンパクトに折りたたむ技術はこれまで開示されていない。  However, a technique for compactly folding a CCD with a driving system of five or more phases to achieve a “large handling signal capacity” has not been disclosed so far.

直線駆動CCDでは6相駆動CCDは3相駆動できる。8相駆動CCDは4相駆動できる。これにより、撮影目的や条件に応じて、転送電荷容量を犠牲にしてCCDメモリー数を増やす場合と、その逆にCCDメモリー数を犠牲にして転送電荷容量を増やす場合のように駆動方式を使い分けることができる。  With a linear drive CCD, a 6-phase drive CCD can be driven with 3 phases. The 8-phase drive CCD can drive 4 phases. In this way, depending on the shooting purpose and conditions, the drive method can be used differently, such as when increasing the number of CCD memories at the expense of the transfer charge capacity and vice versa. Can do.

しかし折りたたまれたCCDを3相駆動と6相駆動、あるいは4相駆動と8相駆動のような2種類以上の駆動方式で駆動する方法はこれまでに開示されていない。However, a method for driving the folded CCD by two or more types of driving methods such as three-phase driving and six-phase driving, or four-phase driving and eight-phase driving has not been disclosed so far.

さらに特許文献5の技術(交差電極)および特許文献6の技術(Z型電極)には製造上の課題がある。交差電極を用いる場合は、上層と下層のポリシリコン電極の交差する位置で、上層のポリシリコンのエッチング残りによるショートが起こりやすい。  Furthermore, the technique of Patent Document 5 (cross electrode) and the technique of Patent Document 6 (Z-type electrode) have manufacturing problems. In the case of using the intersecting electrode, a short circuit is likely to occur due to the etching residue of the upper polysilicon film at the position where the upper and lower polysilicon electrodes intersect.

またZ型電極を用いる場合は、1層のポリシリコン電極の分離のためのスペースが、直角の折れ曲がり部分を持っており、確率は低いがこの部分でエッチング残りが起こりやすい。  When a Z-type electrode is used, the space for separating one layer of the polysilicon electrode has a right-angled bent portion, and although the probability is low, an etching residue tends to occur at this portion.

課題を解決するための手段と効果Means and effects to solve the problem

連続する2つの折りたたみで区分されるCCD転送路を「区分転送路」と定義するとき、荷電粒子または電磁波の入射により電荷を発生する光電変換部と、該光電変換部に接続する少なくとも1本のCCDを備える2次元に配置された画素を備える半導体素子であって、該CCDが始端と終端が連結したループを形成し、かつ少なくとも3か所の折りたたみを備えるとともに、
各区分転送路上の個々の転送電極の上に、該転送電極1個につき少なくとも2本の、転送方向と交差する配線を備え、そのうちの1本の配線は各折りたたみの直前の転送路上の転送電極と電気的に接合しており、他の1本の配線は折りたたみの直後の転送路上の電極と電気的に接合しており、1つの区分転送路上の転送電極の数がK(ここにKは3以上の整数)の倍数であることを特徴とする半導体素子と、
該半導体素子の各画素の光電変化部に接続するCCDをK相駆動もしくは2K相駆動で選択的に駆動する駆動方法により、
全画素一斉に連続的に画像信号を記録することにより、超高速画像信号記録ができ、複数回の試行で得られる画像信号を、素子外に読み出すことなく積算することにより、SN比を飛躍的に改善でき、かつ用途に応じて、K相駆動により取扱い信号容量を犠牲にして連続撮影枚数を大きくする場合と、連続撮影枚数を1/2にして取扱い信号容量を飛躍的に大きくする場合を選択して駆動できる、コンパクトで、製造時の歩留まり率の高い撮像素子とその駆動方法を提供する。
When a CCD transfer path that is divided by two consecutive folds is defined as a “partition transfer path”, a photoelectric conversion unit that generates a charge by incidence of charged particles or electromagnetic waves, and at least one connected to the photoelectric conversion unit A semiconductor device comprising a two-dimensionally arranged pixel comprising a CCD, wherein the CCD forms a loop in which the start and end are connected, and has at least three folds,
On each transfer electrode on each divided transfer path, at least two lines crossing the transfer direction are provided for each transfer electrode, and one of the lines is a transfer electrode on the transfer path immediately before each folding. The other wire is electrically connected to the electrode on the transfer path immediately after folding, and the number of transfer electrodes on one section transfer path is K (where K is A semiconductor element characterized by being a multiple of 3)
By a driving method of selectively driving the CCD connected to the photoelectric change portion of each pixel of the semiconductor element by K-phase driving or 2K-phase driving,
By recording image signals continuously all at once, ultra-high-speed image signal recording is possible, and by integrating the image signals obtained by multiple trials without reading them out of the device, the signal-to-noise ratio is dramatically improved. Depending on the application, the number of continuous shots can be increased by sacrificing the handling signal capacity by K-phase driving, and the number of continuous shots can be reduced to 1/2 by increasing the handling signal capacity. Provided are an image sensor that can be selected and driven, is compact, and has a high yield rate at the time of manufacturing, and a driving method thereof.

さらに該半導体素子を備える撮影装置により、超高速で高いSN比で撮影できる撮影装置を提供する。  Furthermore, an imaging apparatus capable of imaging at a high speed and a high S / N ratio is provided by an imaging apparatus including the semiconductor element.

また該半導体素子を備える荷電粒子の分別装置により、種々の荷電粒子の該半導体素子への到達位置、到達時間、到達量の計測による高機能質量分析手段を提供する。  In addition, a charged particle sorting apparatus including the semiconductor element provides a high-functional mass analyzing means by measuring the arrival position, arrival time, and arrival amount of various charged particles to the semiconductor element.

斜行直線CCD画素周辺記録型撮像素子の平面図である。FIG. 3 is a plan view of an oblique linear CCD pixel peripheral recording type imaging device. 1重循環型CCDによる画像信号積算技術の説明図である。It is explanatory drawing of the image signal integration technique by single circulation type CCD. 1重循環4相駆動CCDを駆動するための配線の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the wiring for driving a single circulation 4 phase drive CCD. 折りたたみCCDをメモリーとする画素内記録型撮像素子の説明図である。It is explanatory drawing of the intra-pixel recording type image pick-up element which uses folding CCD as a memory. アコーディオン型(循環多重折りたたみ型)CCDを備える画像信号積算素子の説明図である。It is explanatory drawing of an image signal integrating | accumulating element provided with an accordion type (circular multiple folding type) CCD. 交差電極によるCCDのおりたたみ技術を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the folding technique of CCD by a crossing electrode. 交差電極による折りたたみCCDの駆動電圧送付配線の説明図である。It is explanatory drawing of the drive voltage sending wiring of folding CCD by a crossing electrode. Z型電極による4相駆動折りたたみCCDの説明図である。It is explanatory drawing of the 4-phase drive folding CCD by a Z-type electrode. Z型電極による4相駆動折りたたみCCDのチャンネルとチャンネルストップの図である。It is a figure of the channel and channel stop of 4 phase drive folding CCD by a Z-type electrode. 4相駆動折りたたみCCDのZ型電極とその配置図である。It is a Z-type electrode of a four-phase drive folding CCD and its layout. Z型電極による4相駆動折りたたみCCDの金属配線の説明図である。It is explanatory drawing of the metal wiring of the four-phase drive folding CCD by a Z-type electrode. 8相駆動と4相駆動併用折りたたみCCDのチャンネルとチャンネルストップの図である。It is a figure of the channel and channel stop of 8-phase drive and 4 phase drive combined folding CCD. 8相駆動と4相駆動併用折りたたみCCDの電極とコンタクトポイントの図である。It is a figure of the electrode and contact point of 8-phase drive and 4-phase drive combined folding CCD. 8相駆動と4相駆動併用折りたたみCCDの金属配線の説明図である。It is explanatory drawing of the metal wiring of folding CCD combined with 8-phase drive and 4-phase drive. 8相駆動と4相駆動併用折りたたみCCDをメモリーとする画像信号積算素子のメモリー部分の電極と信号の転送方向を示す図である。It is a figure which shows the transfer direction of the electrode of a memory part of an image signal integrating | accumulating element which uses folding CCD as a memory for 8-phase drive and 4-phase drive, and a signal. 6相駆動と3相駆動併用折りたたみCCDをメモリーとする画像信号積算素子のメモリー部分の電極、金属配線、信号の転送方向を示す図である。It is a figure which shows the transfer direction of the electrode of the memory part of an image signal integrating | accumulating element which uses a folding CCD as a memory for 6-phase driving and 3-phase driving, a metal wiring, and a signal. 8相駆動4相駆動併用CCDの折りたたみ方の自由度と制限を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the freedom degree and restriction | limiting of the folding method of 8-phase drive 4-phase drive combined use CCD. 多重周回飛行時間型質量分析イメージング装置の説明図である。It is explanatory drawing of a multi-turn time-of-flight mass spectrometry imaging apparatus.

第1実施例First embodiment

図18に本特許の第1実施例である多重周回飛行時間型質量分析イメージング装置の構成400を示す。  FIG. 18 shows a configuration 400 of a multi-turn time-of-flight mass spectrometry imaging apparatus that is the first embodiment of this patent.

これは荷電粒子であるイオンの分別装置の一種である。この装置はイオン分別部401と検出部402からなる。  This is a kind of sorting apparatus for ions that are charged particles. This apparatus includes an ion sorting unit 401 and a detection unit 402.

イオン検出部401は高強度超短パルスレーザー403、光学系404、イオン多重周回装置406、静電イオンレンズ407からなる。  The ion detector 401 includes a high-intensity ultrashort pulse laser 403, an optical system 404, an ion multiplex circuit 406, and an electrostatic ion lens 407.

検出部402は撮像素子411、制御部412、外部装置部413からなる。  The detection unit 402 includes an image sensor 411, a control unit 412, and an external device unit 413.

制御部は撮像素子駆動回路414、クロック発生回路415、画像信号読み出し回路416、バッファメモリー417、制御コンピュータ418からなる。  The control unit includes an image sensor driving circuit 414, a clock generation circuit 415, an image signal readout circuit 416, a buffer memory 417, and a control computer 418.

制御コンピュータ内には撮影制御ソフトウエア419と画像信号処理スフトウエア420が組み込まれている。  An imaging control software 419 and image signal processing software 420 are incorporated in the control computer.

外部装置はモニター421、外部記憶装置423、コンソール422からなる。  The external device includes a monitor 421, an external storage device 423, and a console 422.

レーザーから射出されたレーザー光は試料405を照射する。これにより試料表面から多くの種類のイオン409が一斉に飛び出し、イオン多重周回装置に導かれる。  Laser light emitted from the laser irradiates the sample 405. As a result, many types of ions 409 jump out of the sample surface all at once, and are guided to the ion multiple circuit device.

これまで多重周回飛行時間型質量分析装置のセンサとしては、個々のイオンの到達時刻と到達位置のみが検出できるセンサが使われてきた。  Until now, sensors that can detect only the arrival time and the arrival position of individual ions have been used as sensors for multi-round time-of-flight mass spectrometers.

本発明になる撮像素子をセンサとして用いると、位置と時間の他に、信号電荷の大きさの情報も得られる。したがって、個々のイオン種が、どの位置にどの位存在しているかという存在量もわかる。  When the image sensor according to the present invention is used as a sensor, information on the magnitude of signal charges can be obtained in addition to the position and time. Therefore, the abundance of how much each ion species is present at which position is also known.

ただし時間分解能が100ナノ秒程度なので、従来のリフレクション飛行型(イオンが往復するだけ)の質量分析装置では使うことができなかった。  However, since the time resolution is about 100 nanoseconds, it could not be used in a conventional reflection flight type (only ions reciprocate) mass spectrometer.

さらに、本発明になる撮像素子は、信号の画素内積算ができる。  Furthermore, the image sensor according to the present invention can integrate signals within a pixel.

本発明の効果は、検出部に備えられている撮像素子411の各画素が備える画像信号メモリーとして使われるCCD(以後「メモリーCCD」の備える特徴により発揮される。  The effect of the present invention is exhibited by the characteristics of a CCD (hereinafter referred to as “memory CCD”) used as an image signal memory provided in each pixel of the image sensor 411 provided in the detection unit.

本発明になる撮像素子も、図5に示すアコーディオン型メモリーCCDを備える撮像素子である。したがってこの図を用いて説明する。  The imaging device according to the present invention is also an imaging device including the accordion type memory CCD shown in FIG. Therefore, description will be made with reference to this figure.

図では2×2の4画素を示しているが、本実施例の撮像素素子は400×600の24万画素を備える撮像素子である。  In the figure, 4 pixels of 2 × 2 are shown, but the image pickup element of the present embodiment is an image pickup device having 240,000 pixels of 400 × 600.

図5のメモリーCCDはCCDメモリー要素を86個備え、連続86枚の連続画像を撮影できる。  The memory CCD of FIG. 5 includes 86 CCD memory elements and can capture 86 continuous images.

画像信号の取得と記録、画素内信号電荷の積算の方法については従来技術の説明の中で図5を用いて説明した。  The method of acquiring and recording the image signal and integrating the signal charge in the pixel has been described with reference to FIG. 5 in the description of the prior art.

したがって以下では本発明になる循環多重折りたたみ8相駆動・4相駆動併用のCCDについて説明する。  Therefore, a description will be given below of the CCD according to the present invention, which uses both the multi-fold folding 8-phase drive and the 4-phase drive.

わかりやすく説明するために図5のCCDのかわりに、図12から図15の6回の折りたたみを持つCCDを例にして説明する。簡略化されているが、本発明の説明に必要な機能は全て含まれている。  For the sake of easy understanding, instead of the CCD shown in FIG. 5, a CCD with six foldings shown in FIGS. 12 to 15 will be described as an example. Although simplified, all functions necessary to describe the present invention are included.

図12にメモリーCCDのチャンネル209とチャンネルストップ208を示す。図13にポリシリコン電極(501から508)、および金属配線とのコンタクトポイント500を示す。図14に金属配線(511から518)を示す。図15に信号電荷の転送方向を示す。  FIG. 12 shows the channel 209 and channel stop 208 of the memory CCD. FIG. 13 shows contact points 500 with polysilicon electrodes (501 to 508) and metal wiring. FIG. 14 shows metal wiring (511 to 518). FIG. 15 shows the signal charge transfer direction.

画素サイズは30μm×30μmで、面積は900平方ミクロンである。画素数は400×600画素である。したがって画素数は24万画素、受光面サイズは12.0mm×18.0mmである。周辺に読み出し回路とボンディングパッドがあるので(図示していない)、チップサイズは16mm×22mmである。  The pixel size is 30 μm × 30 μm and the area is 900 square microns. The number of pixels is 400 × 600 pixels. Therefore, the number of pixels is 240,000 pixels, and the light receiving surface size is 12.0 mm × 18.0 mm. Since there are readout circuits and bonding pads in the periphery (not shown), the chip size is 16 mm × 22 mm.

図13に示すポリシリコン電極の長さは0.9ミクロンである。電極間スペースは0.1ミクロンである。したがって転送方向の電極ピッチは1.0ミクロンである。  The length of the polysilicon electrode shown in FIG. 13 is 0.9 microns. The interelectrode space is 0.1 microns. Therefore, the electrode pitch in the transfer direction is 1.0 micron.

図14に示す金属配線の幅は0.3μm、スペースは0.2μmである。したがって金属線の配線ピッチは0.5μmである。したがって図13の電極1個当たり2本づつの金属配線が乗っている。  The metal wiring shown in FIG. 14 has a width of 0.3 μm and a space of 0.2 μm. Therefore, the wiring pitch of the metal wires is 0.5 μm. Therefore, two metal wirings are on each electrode in FIG.

CCDのチャンネルピッチは1.0ミクロンで、チャンネル幅は0.8ミクロン、チャンネルストップ幅は0.2ミクロンである。したがって1個の4相駆動CCDメモリー要素のサイズは、4.0ミクロン(=4×1.0ミクロン)×1ミクロン、すなわち4.0平方ミクロンである。8相駆動では8.0平方ミクロンである。  The CCD channel pitch is 1.0 microns, the channel width is 0.8 microns, and the channel stop width is 0.2 microns. Accordingly, the size of one 4-phase drive CCD memory element is 4.0 microns (= 4 × 1.0 microns) × 1 microns, ie, 4.0 square microns. In 8-phase drive, it is 8.0 square microns.

したがってCCDメモリーの面積は688(=86×8.0)平方ミクロンである。画素面積900平方ミクロンからCCDメモリーを除いた212平方ミクロンに電荷収集ゲート、読み出し回路等が作り込まれている。すなわち1画素に占めるメモリーCCDの面積は76.4%(=688/900)である。  Therefore, the area of the CCD memory is 688 (= 86 × 8.0) square microns. A charge collection gate, a readout circuit, and the like are built in 212 square microns excluding the CCD memory from the pixel area of 900 square microns. That is, the area of the memory CCD occupying one pixel is 76.4% (= 688/900).

図15に示すように8相駆動に対して1列のCCD転送路には、端部の列で8個、折りたたまれた内側の転送路で4個の電極が乗っている。  As shown in FIG. 15, eight electrodes are mounted on one row of CCD transfer paths for 8-phase driving, and four electrodes are mounted on the folded inner transfer path.

図14に示すように、各電極の上に、転送方向と直交する方向に、1層の金属層からなる各2本の配線が乗っている。2本のうち一方は折りたたみ点の前の転送路上の電極にコンタクトし、他方は折りたたみ後の転送路の電極にコンタクトしている。  As shown in FIG. 14, two wirings each made of a single metal layer are placed on each electrode in a direction orthogonal to the transfer direction. One of the two contacts the electrode on the transfer path before the folding point, and the other contacts the electrode on the transfer path after folding.

8相駆動であるので、電気的に接合していない8本の金属配線が一組になって8種類の異なる駆動電圧波形φ1−φ8を送付している。  Since eight-phase driving is used, eight metal wirings that are not electrically joined together form a set and send eight different driving voltage waveforms φ1 to φ8.

図13からわかるように、電極形状は長方形で、電極間スペース203には屈曲部分がない、単純なグリッドとなっている。したがってエッチングが容易で製造時の歩留まり率が上がる。  As can be seen from FIG. 13, the electrode shape is a rectangle, and the inter-electrode space 203 has a simple grid with no bent portions. Therefore, etching is easy and the yield rate at the time of manufacture increases.

受光面内の配線は2本一組の平行な配線のみであり、折りたたまれたCCDを8相もしくは4相で駆動するにもかかわらず、極めて単純な構造である。  The wiring in the light receiving surface is only a set of two parallel wirings, and has an extremely simple structure despite the fact that the folded CCD is driven with 8 or 4 phases.

単純な電極構造と配線構造は、画素サイズの縮小と製造時の歩留まり率の向上に大きく貢献する。  The simple electrode structure and wiring structure greatly contribute to the reduction of the pixel size and the improvement of the yield rate during manufacturing.

転送のための駆動電圧波形等については特許文献1やCCDに関する技術書等に詳述されているので説明を省略する。  The drive voltage waveform for transfer and the like are described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-228561 and a technical document relating to CCD, and thus description thereof is omitted.

以上より、本発明の第1実施例の質量分析装置により、イオンの到達時刻、位置、強度情報が検出でき、かつ画素内信号積算のできるこれまでにない高機能で、実用性の高い質量分析装置を提供できる。  As described above, the mass spectrometer of the first embodiment of the present invention can detect the arrival time, position, and intensity information of ions and can perform intra-pixel signal integration. Equipment can be provided.

第2実施例Second embodiment

図18において、検出部402を切り離し、それにレンズ(図示していない)をつけたものである。これは光等で撮像する超高速画像信号積算型ビデオカメラである。  In FIG. 18, the detection unit 402 is separated and a lens (not shown) is attached thereto. This is an ultra-high-speed image signal integration type video camera that captures images with light or the like.

第3実施例Third embodiment

図16に本発明になるCCD転送路の第2の実施例を示している。6相駆動と3相駆動併用のアコーディオン型画像信号積算CCDである。  FIG. 16 shows a second embodiment of the CCD transfer path according to the present invention. This is an accordion type image signal integrating CCD using both 6-phase driving and 3-phase driving.

電極と駆動電圧配線は6種類である。CCDは3個の電極を単位として折りたたまれている。  There are six types of electrodes and drive voltage wirings. The CCD is folded in units of three electrodes.

第4実施例Fourth embodiment

図17に本発明の第3実施例を概念的に示している。8相駆動と4相駆動の併用型のCCD転送路の1例である。  FIG. 17 conceptually shows a third embodiment of the present invention. This is an example of a combined CCD transfer path of 8-phase driving and 4-phase driving.

この図よりわかるように4個の連続する電極を単位として折りたためば、水平方向には常に2種類の同位相の電極が並ぶ。すなわち第1位相と第8位相、第2位相と第7位相(以下略)の組み合わせとなる。したがって、駆動電圧送付のための金属配線は、常に1電極当り2本の水平配線で良いことになる。  As can be seen from this figure, when four consecutive electrodes are folded as a unit, two types of electrodes having the same phase are always arranged in the horizontal direction. That is, a combination of the first phase and the eighth phase, and the second phase and the seventh phase (hereinafter abbreviated). Therefore, the metal wiring for sending the driving voltage may always be two horizontal wirings per electrode.

これにより、アコーディオン型に限らず、循環多重折りたたみCCDの形状を柔軟に選択できる。例えば図17の循環CCDの内部300や周辺の凹部301にフォトダイオード、ドレイン、CMOS型の画像信号転送回路等を作り込むことができる。その場合でも、各電極の上に2本の水平金属配線をするだけで、このCCDを駆動できる。  Thereby, not only an accordion type but the shape of a circulation multiple folding CCD can be selected flexibly. For example, a photodiode, a drain, a CMOS type image signal transfer circuit, and the like can be formed in the inside 300 of the circulating CCD shown in FIG. Even in such a case, the CCD can be driven only by providing two horizontal metal wires on each electrode.

その他の実施例Other examples

本発明の実施例は上記の3実施例に限らない。  Embodiments of the present invention are not limited to the above-described three embodiments.

5相駆動と10相駆動を併用する技術も、前記の実施例から容易に想定できるので説明を割愛する。  Since the technique using both 5-phase driving and 10-phase driving can be easily assumed from the above-described embodiment, the description thereof will be omitted.

1電極上に3本以上の水平金属配線を乗せて、3本目をさらなる高機能化のために使っても良い。  Three or more horizontal metal wires may be placed on one electrode, and the third wire may be used for further enhancement of functionality.

電極はシリサイド等の既存系でも良い。  The electrode may be an existing system such as silicide.

特徴と効果の具体的な説明Specific description of features and effects

実施例の説明により本発明になる撮像素子のメモリーCCDの特徴と効果がより具体的にわかる。以下、8相駆動と4相駆動の併用型を例として説明する。  The features and effects of the memory CCD of the image sensor according to the present invention can be more specifically understood from the description of the embodiments. Hereinafter, a combination type of 8-phase driving and 4-phase driving will be described as an example.

4個の電極が乗っているCCD転送路を単位として折れ曲がっている。  It is bent with a CCD transfer path on which four electrodes are mounted as a unit.

各電極上に乗った2本の金属配線だけで駆動電圧を送付できる。  A drive voltage can be sent by only two metal wirings on each electrode.

これらの金属線は平行である。  These metal lines are parallel.

電極形状が長方形であり、電極間スペースが単純なグリッドになっており、屈曲点がない。  The electrode shape is rectangular, the space between the electrodes is a simple grid, and there is no bending point.

これらの特徴により、以下の効果が生み出された。  These characteristics produced the following effects.

非常に速い撮影速度と、素子内画像信号積算機能を併せ持つ撮像素子を提供する。  Provided is an imaging device having both a very high imaging speed and an in-element image signal integration function.

目的に応じて4相駆動と8相駆動を併用できる。  Depending on the purpose, 4-phase driving and 8-phase driving can be used together.

単純な構造であるので、4相駆動と8相駆動を併用型としてはCCD要素を小さくでき、同一の画素面積に対して多くのメモリー要素を作り込み、連続撮影枚数を大きくできる。チップ面積と撮影枚数が同一の場合、画素数を増やすことができる。  Since it has a simple structure, the combination of 4-phase driving and 8-phase driving can reduce the CCD element, and many memory elements can be created for the same pixel area, so that the number of continuous shots can be increased. When the chip area is the same as the number of shots, the number of pixels can be increased.

本発明になる撮像素子を備える撮影装置や荷電粒子の分別装置により、これまで検出できなかった様々の現象を高性能に検出することができる。  Various phenomena that could not be detected so far can be detected with high performance by an imaging apparatus including an imaging element according to the present invention or a charged particle sorting apparatus.

ただし、特許文献5で開示した交差電極や特許文献6で開示したZ型電極を用いた循環多重折りたたみCCDで、単純に3相駆動もしくは4相駆動CCDを作る場合に比べれば、CCDのサイズは大きくなる。したがって用途に応じて、本発明になる8相4相(もしくは6相3相)駆動併用型か、単純4相(もしくは3相)駆動循環多重折りたたみCCDを選択して採用すれば良い。  However, the size of the CCD is smaller than that in the case of simply making a three-phase drive or a four-phase drive CCD with a circulating multiple folding CCD using the crossing electrode disclosed in Patent Document 5 and the Z-shaped electrode disclosed in Patent Document 6. growing. Therefore, the 8-phase 4-phase (or 6-phase 3-phase) drive combined type according to the present invention or the simple 4-phase (or 3-phase) drive circulating multiple folding CCD may be selected and used according to the application.

再現性の強い現象であれば信号強度が非常に弱い場合でも、超高速で高いSN比で撮影できる撮影装置を提供する。  Provided is an imaging device capable of imaging at a high speed and a high S / N ratio even when the signal strength is very weak if the phenomenon is highly reproducible.

またイオンのセンサへの到達位置、到達時間、到達量の計測による高機能質量分析手段を提供する。  In addition, a high-functional mass analyzing means by measuring the arrival position, arrival time, and arrival amount of ions to the sensor is provided.

100 フォトダイオード(表面照射の場合)もしくは電荷収集ゲート(裏面照射の場合
101 直線CCD(斜行直線CCD)
102 画素周辺記録型撮像素子
103、105、109 循環型CCD
104 フォトダイオード
106 電極
107 アナログメモリー
108 多重折りたたみCCDを備える撮像素子
109 2×2画素の画像信号積算素子
110、111、112、113 2層の電極
114、115、116、117 1層の金属層だけで作られた平行な駆動電圧送付配線
118 コンタクトポイント
119 折りたたみCCDの上辺
120 折りたたみCCDの下辺
121 水平チャンネルストップ
200 アコーディオン型CCDの折りたたみの対向する部分
201 単層のポリシリコンで作るZ型電極
202 電極間スペース
203 電極間スペースの直角の屈曲点
204 第1相電極
205 第2相電極
206 第3相電極
207 第4相電極
208 チャンネルストップ
209 チャンネル
210 第1位相駆動電圧配線
211 第2位相駆動電圧配線
212 第3位相駆動電圧配線
213 第4位相駆動電圧配線
214 コンタクトポイント
300 アコーデオン型CCDの内部
301 アコーデオン型CCDの凹部
400 多重周回飛行時間型質量分析イメージング装置
401 イオン分別部
402 検出部
403 高強度超短パルスレーザー
404 光学系
405 試料
406 イオン多重周回装置
407 静電イオンレンズ
408 レーザー光
409 射出直後のイオン群
410 多重周回後のイオン群
411 撮像素子
412 制御部
413 外部装置部
414 撮像素子駆動回路
415 クロック発生装置
416 画像信号読み出し回路
417 バッファメモリー
418 コンピュータ
419 撮影制御ソフトウエア
420 画像信号処理ソフトウエア
421 モニター
422 外部記憶装置
423 コンソール
500 コンタクトポイント
501−508 8相駆動の各電極
511−518 8相駆動の各配線
600 電荷収集ゲート
601 インプットゲート
602 アコーディオン型メモリーCCD
603 第1メモリーCCD要素(始端)
604 第2メモリーCCD要素
605 第86メモリーCCD要素(末端)
100 photodiode (in case of front side illumination) or charge collection gate (in case of back side illumination 101 linear CCD (skew straight CCD)
102 Peripheral recording image sensor 103, 105, 109 Circulating CCD
104 Photodiode 106 Electrode 107 Analog memory 108 Image sensor 109 having multiple folding CCDs 2 × 2 pixel image signal integration elements 110, 111, 112, 113 Two layers of electrodes 114, 115, 116, 117 Only one metal layer Parallel drive voltage transmission wiring 118 made in the above-mentioned manner 118 Contact point 119 Folding CCD upper side 120 Folding CCD lower side 121 Horizontal channel stop 200 Accordion type CCD folding opposing part 201 Z-type electrode 202 made of single layer polysilicon Interspace 203 Right-angled bending point 204 of interelectrode space 204 First phase electrode 205 Second phase electrode 206 Third phase electrode 207 Fourth phase electrode 208 Channel stop 209 Channel 210 First phase drive voltage wiring 211 Second phase drive voltage Voltage wiring 212 Third phase driving voltage wiring 213 Fourth phase driving voltage wiring 214 Contact point 300 Accordion CCD inside 301 Accordion CCD concave portion 400 Multi-turn time-of-flight mass spectrometry imaging device 401 Ion fractionation unit 402 Detection unit 403 High Intensity Ultrashort Pulse Laser 404 Optical System 405 Sample 406 Ion Multiple Circulation Device 407 Electrostatic Ion Lens 408 Laser Light 409 Ion Group 410 Immediately After Injection Ion Group 411 Imaging Device 412 Control Unit 413 External Device Unit 414 Imaging Device Drive Circuit 415 Clock generator 416 Image signal readout circuit 417 Buffer memory 418 Computer 419 Imaging control software 420 Image signal processing software 421 Monitor 422 External storage device 423 Console 5 0 Contact Point 501-508 8-phase driving of the wires 600 charge collection driving the electrodes 511-518 8-phase gate 601 input gate 602 accordion memory CCD
603 First memory CCD element (starting edge)
604 Second memory CCD element 605 86th memory CCD element (terminal)

Claims (3)

CCD転送路の電荷の転送方向が実質的に180度変わることを「折りたたみ」と定義し、連続する2つの折りたたみで区分されるCCD転送路を「区分転送路」と定義するとき、
2次元に配置された画素を備える半導体素子であって、各画素が荷電粒子または電磁波の入射により電荷を発生する光電変換部と、該光電変換部に接続する少なくとも1本のCCDを備え、該CCDが始端と終端が連結したループを形成し、かつ少なくとも3か所の折りたたみを備えるとともに、
各区分転送路上の個々の転送電極の上に、該転送電極1個につき少なくとも2本の、転送方向と交差する配線を備え、そのうちの1本の配線は各折りたたみの直前の転送路上の転送電極と電気的に接合しており、他の1本の配線は折りたたみの直後の転送路上の電極と電気的に接合しており、かつ1つの区分転送路上の転送電極の数がK(ここにKは3以上の整数)の倍数であることを特徴とする半導体素子。
When the charge transfer direction of the CCD transfer path is changed substantially by 180 degrees is defined as “folding”, and a CCD transfer path that is divided by two consecutive folds is defined as “partition transfer path”,
A semiconductor device comprising pixels arranged two-dimensionally, each pixel comprising a photoelectric conversion unit that generates a charge upon incidence of charged particles or electromagnetic waves, and at least one CCD connected to the photoelectric conversion unit, The CCD forms a loop in which the start and end are connected, and has at least three folds,
On each transfer electrode on each divided transfer path, at least two lines crossing the transfer direction are provided for each transfer electrode, and one of the lines is a transfer electrode on the transfer path immediately before each folding. The other wiring is electrically connected to the electrode on the transfer path immediately after folding, and the number of transfer electrodes on one sectioned transfer path is K (here K Is a multiple of 3).
請求項1の半導体素子の各画素の光電変化部に接続するCCDをK相駆動もしくは2K相駆動で選択的に駆動する駆動方法。  2. A driving method for selectively driving a CCD connected to a photoelectric change portion of each pixel of a semiconductor element according to claim 1 by K-phase driving or 2K-phase driving. 請求項1の半導体素子を備える撮影装置、または荷電粒子の分別装置。  An imaging device comprising the semiconductor element according to claim 1 or a charged particle sorting device.
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