JP4098852B2 - 電子管 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微弱な光を定量的に計測する高感度な電子管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、微弱な光を計測する光検出器として、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）素子をアノードに用いた電子管が知られている。特に、特公平７−９５４３４号公報などに開示されているような、光の入射によって光電面が放出した電子を、デバイス生成面の裏面から入射させて信号を検出する電子管は、高感度で画質が良いことから広く利用されている。
【０００３】
裏面照射型ＣＣＤ素子を用いた電子管は、通常、２つの開口部を有する側管と、入射した光に対応して電子を放出する光電面を持った入力面板と、ＣＣＤ素子を配置したステムから構成されている。入力面板とステムは、側管の２つの開口部を塞ぐようにそれぞれ接着されており、側管、入力面板、ステムで囲まれた電子管の内部は真空となっている。また、ステム上に配置されたＣＣＤ素子は、その裏面が入力面板に対向するように固定されている。
【０００４】
裏面照射型ＣＣＤ素子の表面には、半導体基板上に、主にＳｉＯ2層、蓄積電極層、転送電極層が形成されており、光電面からＣＣＤ素子の裏面に入射した電荷を蓄積、転送することが可能となっている。
【０００５】
また、電子管には、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓなどのアルカリ金属が導入され、光電面を形成している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術に示したように、光電面を有する電子管は、その製造プロセスにおいて、管内にＮａ、Ｋ、Ｃｓなどのアルカリ金属を導入することにより、光電面を形成している。
【０００７】
しかし、これらのアルカリ金属が、半導体素子であるＣＣＤ素子の基板上の電荷転送部内に混入し、ゲートＳｉＯ2膜に到達すると、その部分の固定電荷、界面準位を増加させ、ＣＣＤ素子の特性を著しく劣化させるという問題点がある。
【０００８】
上記問題点を解決するために、本願発明者らは、以下のような方法を検討した。まず、陽極接合によりＣＣＤ素子の表面にガラスを接合し、ＣＣＤ素子をアルカリ金属から保護することを試みた。しかし、ＣＣＤ素子を形成するシリコンの熱膨張係数とガラスの熱膨張係数との差が大きく、後工程の高温プロセスにおいて、ＣＣＤ素子に強いストレスが生じ、その結果、ＣＣＤ素子がダメージを受けてしまった。
【０００９】
また、ＣＣＤ素子表面を樹脂で覆い、ＣＣＤ素子をアルカリ金属から保護することを試みた。しかし、後工程の高温プロセスに樹脂が耐えられず、また、樹脂からのガス放出が電子管内部の真空状態に悪影響を及ぼしてしまった。
【００１０】
従って、本発明は上記問題点を解決し、内部に導入されたアルカリ金属によってＣＣＤ素子の特性が劣化することのない、高感度な電子管を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の電子管は、アルカリ金属を含む光電面を有する陰極と、裏面側を光電面に対向して設置されるとともに、表面側に電荷転送部が形成されている裏面照射型半導体素子を有する陽極とを真空容器内に封入した電子管において、その裏面照射型半導体素子は、裏面照射型半導体素子の表面側から電荷転送部を覆うように形成されたＰＳＧ膜と、ＰＳＧ膜上に形成されると共に、電荷転送部と電気的に接続された導電配線と、リフローにより表面が平坦化されたＰＳＧ膜および導電配線を覆うと共に、電荷転送部上のＰＳＧ膜に接触して形成されたＳｉＮ膜とを備えたことを特徴としている。
【００１２】
裏面照射型半導体素子の表面側は、デバイスを生成した結果、通常凹凸形状を有しており、ストレスの高い状態になっている。半導体素子の表面側、特に電荷転送部などのデバイス生成部上にＰＳＧ膜を形成することにより表面側が平坦化され、半導体素子を過度のストレスから保護することができる。さらに、半導体素子の表面側を平坦化することにより、ＳｉＮ膜の形成を容易にすることができ、また、ＳｉＮ膜と半導体素子の表面を形成するＳｉＯ 2 層との間にＰＳＧ膜を介在させることで、ＳｉＮ膜と半導体素子表面を形成するＳｉＯ2層との熱膨張係数の差によるストレスを緩和することが可能となる。
【００１３】
また、上記ＰＳＧ膜および導電配線を覆うように形成したＳｉＮ膜は、光電面の活性のために用いられるアルカリ金属が半導体素子内部に侵入することを妨げ、半導体素子の特性の劣化を防止している。
【００１４】
さらに、通常の電子管は管内が真空であり、かつ、光電面に負の高電圧をかけて作動させることにより、管内に存する絶縁物は非常に帯電しやすくなる。よって、ＣＣＤ素子の表面に存在する、絶縁性の非常に高いＳｉＯ2層や、管内の絶縁物は非常に強く帯電することになる。ここで、裏面照射型ＣＣＤ素子を用いた電子管は、数十個の電子の電荷程度の微弱な信号を検出するものであるため、ＣＣＤ素子の表面や、その周囲の絶縁物の帯電は、大きなノイズ源となり、計測精度が著しく低下するといった問題点がある。
【００１５】
しかし、本発明の電子管のように、半導体素子の最表面に、ＳｉＯ2と比較して電気伝導率が高いＳｉＮ膜を形成することにより、半導体素子表面や、その周囲の帯電を緩和することが可能となる。
【００１６】
また、本発明の電子管は、電荷転送部の端子部の上部に位置するＰＳＧ膜には、貫通穴が設けられており、導電配線は貫通穴を介して端子部と電気的に接続されていることを特徴としても良い。
【００１７】
上記構成にすることにより、電荷転送部における信号を、容易に導電配線に引き出すことが可能となる。
【００１８】
また、本発明の電子管は、導電配線の端子部の上部に位置するＳｉＮ膜には、貫通穴が設けられており、その貫通穴にはボンディングパッド用の電極が形成されていることを特徴としても良い。
【００１９】
上記構成にすることにより、外部と導電配線との信号の授受を容易に行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る電子管を図面を用いて説明する。図２は、本発明の実施形態に係る電子管の断面図である。電子管１０は、円筒状の側管１２の２つの開口部に、略円盤形状の入力面板１４と、同じく略円盤形状のステム１６がそれぞれ接合され、密封された構造になっており、その内部に真空領域を形成している。また、入力面板１４の真空領域側の表面には光電面１８が形成されているとともに、ステム１６の真空領域側には半導体素子であるＣＣＤ素子２０が固定されており、電子管として作用するようになっている。
【００２１】
側管１２は、外径４３ｍｍ程度の大きさの円筒形状を有するセラミックス製の側管上部２２と側管下部２４との間に、これらと同程度の外径を有する円環形状で金属製のフランジ２６を挟み、これらをろう付けで一体化した構造になっている。また、側管上部２２側の開口部（以下第１の開口部１２ａ）には円環状の上部電極２８が設けられ、側管下部２４側の開口部（以下第２の開口部１２ｂ）には円環状の下部電極３０が設けられており、光電面１８への印加電圧を供給できるようになっている。ここで、上部電極２８は、側管１２と入力面板１４との接着剤、および真空領域の形成のためのシール材として機能するＩｎ材３２を注入することができるように、樋形状になっている。さらに、フランジ２６と下部電極３０との間には、管内の残存ガスを吸着するためのゲッター３４が電気的に接続されている。
【００２２】
入力面板１４は、図２に示すように、略円盤形状を有するコバールガラス製の面板３６を主材として形成されている。面板３６の一方の主表面の中央部には凸部が形成されており、その凸部の表面にはアルカリ金属で形成された光電面１８が形成されている。また、光電面１８の縁辺部から面板３６の縁辺部に向かって、Ｃｒからなる金属薄膜３８が形成されている。入力面板１４は、上記凸部が側管１２の内側になるように側管１２の第１の開口部１２ａに固定され、面板３６の縁辺部と側管１２の上部電極２８は、樋形状を有する上部電極２８に注入されたＩｎ材３２によって接着、シールされている。また、面板３６の表面に形成された金属薄膜３８によって、光電面１８と上部電極２８が電気的に接続され、光電面１８に高電圧を印加することができるようになっている。
【００２３】
ステム１６は、図２に示すように、４枚の円盤状のセラミック板４０ａ〜４０ｄを重ねて肉厚化したベース板４０を基体としており、ベース板４０の周囲には、側管１２との電気的接続を確保すると共に、側管１２と接合されて真空領域を形成するための円環状の金属フランジ４２がろう付けによって固定されている。最上層のセラミック板４０ａの上部には、ＣＣＤ素子２０を固定するために、シリコンからなる支持基板４４が接着剤４３によって接合されており、最下層のセラミック板４０ｄには、ＣＣＤ素子２０から出力された信号を電子管１０の外部に出力するためのステムピン４６が複数本設置されている。ベース板４０の内部には、ＣＣＤ素子２０から出力される出力信号をステムピン４６に導くために、内部配線（図示せず）が施されており、この内部配線は、各セラミック板間における電気的接続が適切になされるように、徐々にピッチが変更されてステムピン４６に接続されている。ステム１６は、支持基板４４が側管１２の内側に配置されるように側管１２の第２の開口部１２ｂに固定され、金属フランジ４２と側管１２の下部電極３０とを溶接することにより接合、シールされている。
【００２４】
ＣＣＤ素子２０は、シリコン基板上に蓄積電極層、転送電極層などのデバイスを生成した半導体素子（図１参照）であって、図２に示すように、デバイス生成面（以下表面Ａという）が支持基板４４と、その裏面（以下裏面Ｂと言う）が光電面１８とそれぞれ対向するように支持基板４４上に固定されている。また、電子の入射する中央部２０ａは、裏面Ｂ側から基板の一部が削り取られており、周辺部２０ｂより薄板化されている。
【００２５】
ＣＣＤ素子２０と支持基板４４との接合部の断面は、図３に示すようになっている。ＣＣＤ素子２０の表面Ａの周辺部２０ｂには、Ａｕを主成分とした複数のバンプ４７が、アルミニウム製のボンディングパッド４８を介してが設けられており、また、支持基板４４の上部表面には、上記のバンプ４７が接合する位置に対応してＡｕ蒸着されたボンディングパッド４９が形成されている。上記ボンディングパッド４８、４９およびバンプ４７によってＣＣＤ素子２０と支持基板４４とが機械的かつ電気的に接続されている。
【００２６】
ここで、支持基板４４はＣＣＤ素子２０の基板と同様にシリコンから形成されているため、製造プロセスにおいてベーキングによる熱応力が発生しない構造になっている。しかし、バンプ４７の接着強度は温度上昇とともに低下するので、バンプ４７による接合部の周辺に絶縁性樹脂５０を注入し、ＣＣＤ素子２０と支持基板４４との接続を強固なものとしている。
【００２７】
また、支持基板４４上の、バンプ４７による接合部の内側には、溝５２が形成されている。これは、接合部に絶縁性樹脂５０を注入したときに、過剰な絶縁性樹脂５０が溝５２に流れ込むかもしくは表面張力によって溝５２の端部で止まり、絶縁性樹脂５０がＣＣＤ素子２０の中央部２０ａの表面に付着しないようにするためのものである。
【００２８】
ＣＣＤ素子２０と支持基板４４との接合部を上面から見ると、図４に示すようになっている。バンプ４７による接合部からステムピン４６までの電気的な接続は、支持基板４４上に形成されたアルミ配線５３、支持基板４４とベース板４０とを接続するワイヤ５４、および、ベース板４０内に施された内部配線によってなされている。ここで、ワイヤ５４の上部は、高電圧が印加されている光電面１８とＣＣＤ素子２０間の耐圧を向上させるために、抵抗溶接によってステム１６に取り付けられた遮蔽電極５６によって覆われている。
【００２９】
ＣＣＤ素子２０は、図５に示すように、中央部２０ａが周辺部２０ｂと比較して極めて薄い形状となっている。裏面Ｂの中央部には、電子入射部５９が形成されており、表面Ａには電子入射部５９に入射した電荷を読み出して外部回路に転送する水平電荷転送部６０、および、垂直電荷転送部６２が形成されている。
【００３０】
ここで、ＣＣＤ素子２０を図５中のＸで切断した断面を図１に示す。ＣＣＤ素子２０は、Ｐ型あるいはＮ型のシリコンから成り、表面側に不純物濃度の異なるエピタキシャル層６３を持った半導体基板６４上に形成されている。半導体基板６４は、周辺部に比較してその中央部が薄板化されている。半導体基板６４上には、半導体基板６４と逆導電型の埋め込み層６６が形成されており、埋め込み層６６の内部の所定の位置には、不純物を導入して埋め込み層６６と不純物濃度の異なるバリア領域６８が形成されている。埋め込み層６６上には、ＳｉＯ2層７０を介して、蓄積電極層７２、転送電極層７４、バリア電極層７６がそれぞれ所定の重なりを持って形成されている。
【００３１】
表面Ａに形成されたデバイス上には、表面Ａの全面を覆うように、ホスホシリケイトガラス（以下ＰＳＧ）からなるＰＳＧ膜７８が形成されており、ＣＣＤ素子２０の表面を平坦化している。
【００３２】
ここで、垂直電荷転送部６２、水平電荷転送部６０の電極８０、ＦＥＴ部８２などの端子部の上部に位置するＰＳＧ膜７８には、コンタクトホール８４が形成されており、これらの端子部は、コンタクトホール８４を介してＰＳＧ膜７８上に形成された導電性アルミ配線８６と電気的に接続されている。図６は、水平電荷転送部における、アルミ配線８６とコンタクトホール８４の様子を模式的に表した図である。アルミ配線８６は、コンタクトホール８４を覆うように形成され、電荷転送部の端子部とアルミ配線８６との間の電気的接続を確立している。ここでいう端子部は、コンタクトホール８４を通っているアルミ配線８６が、水平電荷転送部６０、垂直電荷転送部６２の一部を結んでいるところである。
【００３３】
ＰＳＧ膜７８上に形成されたアルミ配線８６は、水平電荷転送部６０、垂直電荷転送部６２、基板接続部９６、リセットゲート端子部９８、リセットドレイン端子部１００、アウトプットドレイン端子部１０２、アウトプットソース端子部１０４等を電気的に接続している。また、支持基板４４との接続端子部は、支持基板４４と電気的に接続するために、図７に示すように、アルミ配線８６と比較して面積が大きいボンディングパッド４８が形成されており、ボンディングパッド４８上には、Ａｕよりなる凸状のバンプ４７が形成されている。
【００３４】
さらに、ＰＳＧ膜７８、およびアルミ配線８６の上部には、ＳｉＮを主成分とするＳｉＮ膜１０６が表面Ａの全面に形成されている。ここで、上記各端子部の上部に位置するＳｉＮ膜１０６は、ＣＣＤ素子２０と支持基板４４との電気的接続を確保するために一部除去され、ボンディングパッド４８が露出して電極を形成している。
【００３５】
次に、本実施形態に係る電子管１０の製造方法について説明する。電子管１０を製造するには、まず、ＣＣＤ素子２０を製造する。図８〜１３は、ＣＣＤ素子２０の製造工程図である。なお、製造工程図は模式化したものであり、実際の寸法とは異なる。
【００３６】
第１の工程では、図８に示すように、Ｐ型あるいはＮ型の一導電性半導体であるシリコンから成り、表面側に不純物濃度の異なるエピタキシャル層６３を持った半導体基板６４上に、半導体基板６４と逆導電型の埋め込み層６６を形成し、その表面にＳｉＯ2層７０を形成する。また、ＳｉＯ2層７０の上部に、ポリシリコンより成る蓄積電極層７２を形成し、その表面に、再度ＳｉＯ2層７０を形成する。
【００３７】
第２の工程では、図９に示すように、埋め込み層６６内の、蓄積電極層７２の一方の側に隣接した部分に、ホトレジストを用いたイオン注入法により不純物を導入し、埋め込み層６６と不純物濃度の異なるバリア領域６８を形成する。バリア領域６８の形成後は、ホトレジストを除去し、その表面にＳｉＯ2層７０を形成する。
【００３８】
第３の工程では、図１０に示すように、バリア領域６８を覆い、一方の側で蓄積電極層７２に重なり、他方の側では蓄積電極層７２と隙間を持つように、転送電極層７４を形成し、その表面に、再度ＳｉＯ2層７０を形成する。また、蓄積電極層７２と転送電極層７４の隙間部分の埋め込み層６６内に、イオン注入法により不純物を導入し、埋め込み層６６と不純物濃度の異なるバリア領域６８を形成する。
【００３９】
第４の工程では、図１１に示すように、第３の工程で形成したバリア領域６８を覆い、隣接する蓄積電極層７２と転送電極層７４のそれぞれと重なりを生じるように、ポリシリコンから成るバリア電極層７６を形成し、その表面にＳｉＯ2層７０を形成する。
【００４０】
第５の工程では、図１２に示すように、ＣＣＤ素子２０の表面を平坦化するために、ＣＣＤ素子２０の表面全体に、ＰＳＧ膜７８を形成する。その後、ＰＳＧをリフローすることにより凹凸をならしてＰＳＧ膜７８を平坦化する。また、ＰＳＧ膜７８上に、アルミ配線８６を配置し、水平電荷転送部６０、垂直電荷転送部６２の読み出し部８０、ＦＥＴ部８２等の端子部上部のＰＳＧ膜７８には、コンタクトホール８４を形成することにより、蓄積電極層７２、転送電極層７４、バリア電極層７６などとアルミ配線８６とを電気的に接続する。また、外部回路と接続する各端子部にボンディングパッド４８を形成する。
【００４１】
第６の工程では、図１３に示すように、ＣＣＤ素子２０の表面全体、つまり、ＰＳＧ膜７８上に、ＣＶＤ法などにより、ＳｉＮ膜１０６を形成する。その後、端子部等必要箇所のＳｉＮを除去し、ボンディングパッド４８を露出させ、電極を形成する。
【００４２】
第７の工程（図示せず）では、ＣＣＤ素子２０の裏面Ｂの周辺部２０ｂをＳｉＮでマスクし、化学エッチングすることにより、中央部２０ａ、すなわち電子入射部５９を２０μｍ程度に薄板化する。化学エッチングには、ＫＯＨ溶液や、フッ酸：硝酸：酢酸の混合溶液が利用できる。その後、裏面Ｂの電子入射部５９に、イオン注入法により不純物をドープすることで、アキュムレーション層を形成し、裏面Ｂの界面付近で生じた信号電荷が、ＣＣＤ素子２０のポテンシャル井戸に流れやすい構造にしている。
【００４３】
上記工程により製造したＣＣＤ素子２０と支持基板４４を接合するには、ＣＣＤ素子２０の表面周辺部２０ｂに形成されたボンディングパッド４８上のバンプ４７と支持基板４４上に形成されたボンディングパッド４９を３００℃程度の熱により熱圧着する。この際、支持基板４４上にはあらかじめ、ボンディングパッド４９からワイヤ５４の接続部までの電気的接続を確保するアルミ配線５３と、溝５２を形成しておく。溝５２は、ＫＯＨ溶液などでエッチングすることにより形成できる。
【００４４】
その後、接合部に絶縁性樹脂５０を流し込み、硬化させる。このときに、溝５２が形成されている対向する２つの辺から絶縁性樹脂５０を充填すると、毛細管現象によりＣＣＤ素子２０と支持基板４４との間に絶縁性樹脂５０を良好に充填することが可能となる。また、溝５２が形成されていることにより、空気だまりを作らないようにすることができ、逃げ場のない空気の膨張による、ＣＣＤ素子２０の損傷を防止することができる。また、過剰な絶縁性樹脂５０は溝５２に流れ込むかもしくは表面張力によって溝５２の端部で止まり、ＣＣＤ素子２０の表面中央部２０ａに付着することがない。よって、絶縁性樹脂５０の硬化時に、ＣＣＤ素子２０の中央部２０ａが変形することを防止できる。
【００４５】
ＣＣＤ素子２０と支持基板４４を機械的に固定した後、支持基板４４とベース板４０とを接着剤４３を用いて接合し、ワイヤ５４により、支持基板４４上のアルミ配線５３とベース板４０とを電気的に接続する。その後に、遮蔽電極５６をベース板４０に抵抗溶接する。
【００４６】
続いて、真空側にＣｒを薄く蒸着させた入力面板１４、および、フランジ等を介して接続された側管１２とステム１６をトランスファー装置内に導入し、装置内を真空として３００℃程度の温度でベーキングする。
【００４７】
ベーキング後に、Ｋ、Ｃｓ、Ｎａを入力面板１４に作用させ、光電面１８を形成する。光電面１８は、あらかじめ入力面板１４にボンディングしたＧａＡｓもしくはＧａＡｓＰなどといったIII-V族の半導体結晶を、ＣｓおよびＯ2を導入することにより活性化させたものであっても良い。
【００４８】
ここで、ＣＣＤ素子２０の表面に形成されたＳｉＮ膜１０６は３００℃程度の熱にさらされても真空中でガス放出しないことから、電子管１０を極めて安定に製造することができる。
【００４９】
さらに、入力面板１４をＩｎ材３２を用いて側管１２に接続、密封して、電子管１０が完成する。このとき光電面１８とＣＣＤ素子２０との間隔は２ｍｍ程度となっている。また、電子管１０の完成後に、フランジ２６に電圧を印加し、適宜ゲッター３４を活性化することにより、管内の残存ガスを吸着することができる。
【００５０】
続いて、本実施形態に係る電子管の作用および効果について説明する。電子管１０の光電面１８には、−８ｋＶの高電圧が印加されており、ＣＣＤ素子２０の電子入射部５９は接地されている。従って、光電面１８に入射した光強度に応じて、光電面１８から電子管１０内の真空領域に放出された電子は、電界によって加速され、ＣＣＤ素子２０の電子入射部５９に打ち込まれる。加速された電子は、シリコンからなる半導体基板６４内でエネルギーを失う際に、多数の電子−正孔対を生成し、印加電圧が−８ｋＶである場合は、約２０００倍のゲインが得られる。その倍増された電子を読み出すことで、撮像画像が得られることになる。
【００５１】
ここで、通常の電子管では、光電面形成の際に、管内にＮａ、Ｋ、Ｃｓなどのアルカリ金属が導入されており、ＣＣＤ素子２０もこれらのアルカリ金属にさらされている。その結果、アルカリ金属が、半導体素子であるＣＣＤ素子２０の基板上の電荷転送部内に混入し、ゲートＳｉＯ2膜に到達すると、その部分の固定電荷、界面準位を増加させ、ＣＣＤ素子２０の特性は著しく劣化してしまう。しかし、本実施形態の電子管１０は、ＣＣＤ素子２０の最表面全面に、ＳｉＮ膜１０６を形成したことにより、管内に導入されたアルカリ金属が素子内に侵入することがなくなる。その結果、アルカリ金属が、ＳｉＯ2膜７０に到達し、ＣＣＤ素子２０の特性を劣化させることがなく、高感度な電子管が実現する。
【００５２】
また、ＳｉＮ膜１０６を形成するＳｉＮは、ＳｉＯ2と比較して電気伝導率が高いことが知られている。従って、浮遊電子等の影響により、ＣＣＤ素子２０の表面、あるいは、電子管１０の内部の絶縁物である、側管１２やステム１６が帯電することを防止する作用がある。その結果、ＣＣＤ素子２０の表面および周辺部の帯電による、電荷転送部や読み出し部などへの影響を緩和することが可能となり、高感度な電子管が実現する。
【００５３】
本実施形態に係る電子管１０は、上記に示すように高い感度が得られるので、画像の信号量がＣＣＤ素子２０のノイズ成分と比較して十分大きくなり、Ｓ／Ｎ比が大きく、シングルフォトンの撮像も可能となる。また、従来のＭＣＰを内蔵した電子管などと比較しても、開口率が向上し、蛍光面のむらが減少し、ファイバカップリングされたＦＯＰにおいて変換損失がない、といった利点がある。
【００５４】
さらに、ＳｉＮ膜１０６を形成することによって、ＣＣＤ素子２０の製造プロセスにおいても、アルカリや酸によるＣＣＤ素子２０へのダメージも軽減することが可能であり、また、アルカリエッチャント使用時の、ＣＣＤ素子２０内へのアルカリ金属の侵入を防ぐ効果もある。
【００５５】
また、ＳｉＮ膜１０６の下部に形成されたＰＳＧ膜７８は、ＣＣＤ素子２０の表面を平坦化することにより、ＳｉＮ膜１０６の形成を容易なものとし、かつ、ＳｉＮ膜１０６を剥離しにくくさせる効果がある。また、温度変化による接合面のストレスを緩和する効果も有している。
【００５６】
上記実施形態において、ＣＣＤ素子２０の最表面には、ＳｉＮ膜１０６を形成していたが、これはＳｉＯＮから形成される膜であっても良い。ここで、ＳｉＯＮとは、アルカリ金属を透過させず、かつ、ＳｉＯ2と比較して電気伝導率を高く保つことができるという条件の下に、ＳｉＮに所定の割合で酸素を結合させたものである。また、ＳｉＯＮ膜内で、酸素の割合が一様でなく、空間的に徐々に変化しているものであっても良い。
【００５７】
また、上記実施形態において、ＳｉＮ膜１０６の下部には、ＰＳＧ膜７８を形成していたが、これは、ボロホスホライトシリケイトガラス（ＢＰＳＧ）、スピンオンガラス（ＳＯＧ）、ポリイミド膜などであっても良い。
【００５８】
さらに、上記実施形態においては、導電配線としてアルミ配線８６を用いていたが、この導電配線はＡｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、その他高融点の金属などで形成された配線であっても良い。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の電子管は、アノードである、半導体素子の最表面にシリコン窒化物もしくはシリコン窒酸化物からなる膜を形成することにより、電子管内部に導入されたアルカリ金属が半導体素子内部に侵入することを防止でき、高い感度が得られるようになる。
【００６０】
また、半導体素子の最表面に、ＳｉＯ2よりも電気伝導率の高いシリコン窒酸化物からなる膜を形成することにより、ＣＣＤ素子の表面や、その周囲の絶縁物の帯電を防止することが可能となる。その結果、半導体素子が受ける、帯電電荷の影響を緩和でき、高い感度が得られるようになる。
【００６１】
さらに、シリコン窒化物もしくはシリコン窒酸化物からなる膜の下部に設けられた平坦化膜は、シリコン窒化物もしくはシリコン窒酸化物からなる膜が剥離するのを妨げ、同時に、接合面のストレスを緩和する効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電子管の断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電子管の、ＣＣＤ素子接合部の断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電子管の、ＣＣＤ素子接合部の平面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の平面図および側面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の拡大図である。
【図７】本発明の実施形態に係る電子管に用いるボンディングパッドの斜視図である。
【図８】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の製造工程図である。
【図９】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の製造工程図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の製造工程図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の製造工程図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の製造工程図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の製造工程図である。
【符号の説明】
１０…電子管、１２…側管、１２ａ…第１の開口部、１２ｂ…第２の開口部、１４…入力面板、１６…ステム、１８…光電面、２０…ＣＣＤ素子、２０ａ…中央部、２０ｂ…周辺部、２２…側管上部、２４…側管下部、２６…フランジ、２８…上部電極、３０…下部電極、３２…Ｉｎ材、３４…ゲッター、３６…面板、３８…金属薄膜、４０…ベース板、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ…セラミック板、４２…金属フランジ、４３…接着剤、４４…支持基板、４６…ステムピン、４７…バンプ、４８、４９…ボンディングパッド、５０…絶縁性樹脂、５２…溝、５３…アルミ配線、５４…ワイヤ、５６…遮蔽電極、５８…電荷転送部、５９…電子入射部、６０…水平電荷転送部、６２…垂直電荷転送部、６３…エピタキシャル層、６４…半導体基板、６６…埋め込み層、６８…バリア領域、７０…ＳｉＯ2層、７２…蓄積電極層、７４…転送電極層、７６…バリア電極層、７８…ＰＳＧ膜、８０…電極、８２…ＦＥＴ部、８４…コンタクトホール、８６…アルミ配線、９６…基板接続部、９８…リセットゲート端子部、１００…リセットドレイン端子部、１０２…アウトプットドレイン端子部、１０４…アウトプットソース端子部、１０６…ＳｉＮ膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、微弱な光を定量的に計測する高感度な電子管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、微弱な光を計測する光検出器として、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）素子をアノードに用いた電子管が知られている。特に、特公平７−９５４３４号公報などに開示されているような、光の入射によって光電面が放出した電子を、デバイス生成面の裏面から入射させて信号を検出する電子管は、高感度で画質が良いことから広く利用されている。
【０００３】
裏面照射型ＣＣＤ素子を用いた電子管は、通常、２つの開口部を有する側管と、入射した光に対応して電子を放出する光電面を持った入力面板と、ＣＣＤ素子を配置したステムから構成されている。入力面板とステムは、側管の２つの開口部を塞ぐようにそれぞれ接着されており、側管、入力面板、ステムで囲まれた電子管の内部は真空となっている。また、ステム上に配置されたＣＣＤ素子は、その裏面が入力面板に対向するように固定されている。
【０００４】
裏面照射型ＣＣＤ素子の表面には、半導体基板上に、主にＳｉＯ2層、蓄積電極層、転送電極層が形成されており、光電面からＣＣＤ素子の裏面に入射した電荷を蓄積、転送することが可能となっている。
【０００５】
また、電子管には、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓなどのアルカリ金属が導入され、光電面を形成している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術に示したように、光電面を有する電子管は、その製造プロセスにおいて、管内にＮａ、Ｋ、Ｃｓなどのアルカリ金属を導入することにより、光電面を形成している。
【０００７】
しかし、これらのアルカリ金属が、半導体素子であるＣＣＤ素子の基板上の電荷転送部内に混入し、ゲートＳｉＯ2膜に到達すると、その部分の固定電荷、界面準位を増加させ、ＣＣＤ素子の特性を著しく劣化させるという問題点がある。
【０００８】
上記問題点を解決するために、本願発明者らは、以下のような方法を検討した。まず、陽極接合によりＣＣＤ素子の表面にガラスを接合し、ＣＣＤ素子をアルカリ金属から保護することを試みた。しかし、ＣＣＤ素子を形成するシリコンの熱膨張係数とガラスの熱膨張係数との差が大きく、後工程の高温プロセスにおいて、ＣＣＤ素子に強いストレスが生じ、その結果、ＣＣＤ素子がダメージを受けてしまった。
【０００９】
また、ＣＣＤ素子表面を樹脂で覆い、ＣＣＤ素子をアルカリ金属から保護することを試みた。しかし、後工程の高温プロセスに樹脂が耐えられず、また、樹脂からのガス放出が電子管内部の真空状態に悪影響を及ぼしてしまった。
【００１０】
従って、本発明は上記問題点を解決し、内部に導入されたアルカリ金属によってＣＣＤ素子の特性が劣化することのない、高感度な電子管を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の電子管は、アルカリ金属を含む光電面を有する陰極と、裏面側を光電面に対向して設置されるとともに、表面側に電荷転送部が形成されている裏面照射型半導体素子を有する陽極とを真空容器内に封入した電子管において、その裏面照射型半導体素子は、裏面照射型半導体素子の表面側から電荷転送部を覆うように形成されたＰＳＧ膜と、ＰＳＧ膜上に形成されると共に、電荷転送部と電気的に接続された導電配線と、リフローにより表面が平坦化されたＰＳＧ膜および導電配線を覆うと共に、電荷転送部上のＰＳＧ膜に接触して形成されたＳｉＮ膜とを備えたことを特徴としている。
【００１２】
裏面照射型半導体素子の表面側は、デバイスを生成した結果、通常凹凸形状を有しており、ストレスの高い状態になっている。半導体素子の表面側、特に電荷転送部などのデバイス生成部上にＰＳＧ膜を形成することにより表面側が平坦化され、半導体素子を過度のストレスから保護することができる。さらに、半導体素子の表面側を平坦化することにより、ＳｉＮ膜の形成を容易にすることができ、また、ＳｉＮ膜と半導体素子の表面を形成するＳｉＯ 2 層との間にＰＳＧ膜を介在させることで、ＳｉＮ膜と半導体素子表面を形成するＳｉＯ2層との熱膨張係数の差によるストレスを緩和することが可能となる。
【００１３】
また、上記ＰＳＧ膜および導電配線を覆うように形成したＳｉＮ膜は、光電面の活性のために用いられるアルカリ金属が半導体素子内部に侵入することを妨げ、半導体素子の特性の劣化を防止している。
【００１４】
さらに、通常の電子管は管内が真空であり、かつ、光電面に負の高電圧をかけて作動させることにより、管内に存する絶縁物は非常に帯電しやすくなる。よって、ＣＣＤ素子の表面に存在する、絶縁性の非常に高いＳｉＯ2層や、管内の絶縁物は非常に強く帯電することになる。ここで、裏面照射型ＣＣＤ素子を用いた電子管は、数十個の電子の電荷程度の微弱な信号を検出するものであるため、ＣＣＤ素子の表面や、その周囲の絶縁物の帯電は、大きなノイズ源となり、計測精度が著しく低下するといった問題点がある。
【００１５】
しかし、本発明の電子管のように、半導体素子の最表面に、ＳｉＯ2と比較して電気伝導率が高いＳｉＮ膜を形成することにより、半導体素子表面や、その周囲の帯電を緩和することが可能となる。
【００１６】
また、本発明の電子管は、電荷転送部の端子部の上部に位置するＰＳＧ膜には、貫通穴が設けられており、導電配線は貫通穴を介して端子部と電気的に接続されていることを特徴としても良い。
【００１７】
上記構成にすることにより、電荷転送部における信号を、容易に導電配線に引き出すことが可能となる。
【００１８】
また、本発明の電子管は、導電配線の端子部の上部に位置するＳｉＮ膜には、貫通穴が設けられており、その貫通穴にはボンディングパッド用の電極が形成されていることを特徴としても良い。
【００１９】
上記構成にすることにより、外部と導電配線との信号の授受を容易に行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る電子管を図面を用いて説明する。図２は、本発明の実施形態に係る電子管の断面図である。電子管１０は、円筒状の側管１２の２つの開口部に、略円盤形状の入力面板１４と、同じく略円盤形状のステム１６がそれぞれ接合され、密封された構造になっており、その内部に真空領域を形成している。また、入力面板１４の真空領域側の表面には光電面１８が形成されているとともに、ステム１６の真空領域側には半導体素子であるＣＣＤ素子２０が固定されており、電子管として作用するようになっている。
【００２１】
側管１２は、外径４３ｍｍ程度の大きさの円筒形状を有するセラミックス製の側管上部２２と側管下部２４との間に、これらと同程度の外径を有する円環形状で金属製のフランジ２６を挟み、これらをろう付けで一体化した構造になっている。また、側管上部２２側の開口部（以下第１の開口部１２ａ）には円環状の上部電極２８が設けられ、側管下部２４側の開口部（以下第２の開口部１２ｂ）には円環状の下部電極３０が設けられており、光電面１８への印加電圧を供給できるようになっている。ここで、上部電極２８は、側管１２と入力面板１４との接着剤、および真空領域の形成のためのシール材として機能するＩｎ材３２を注入することができるように、樋形状になっている。さらに、フランジ２６と下部電極３０との間には、管内の残存ガスを吸着するためのゲッター３４が電気的に接続されている。
【００２２】
入力面板１４は、図２に示すように、略円盤形状を有するコバールガラス製の面板３６を主材として形成されている。面板３６の一方の主表面の中央部には凸部が形成されており、その凸部の表面にはアルカリ金属で形成された光電面１８が形成されている。また、光電面１８の縁辺部から面板３６の縁辺部に向かって、Ｃｒからなる金属薄膜３８が形成されている。入力面板１４は、上記凸部が側管１２の内側になるように側管１２の第１の開口部１２ａに固定され、面板３６の縁辺部と側管１２の上部電極２８は、樋形状を有する上部電極２８に注入されたＩｎ材３２によって接着、シールされている。また、面板３６の表面に形成された金属薄膜３８によって、光電面１８と上部電極２８が電気的に接続され、光電面１８に高電圧を印加することができるようになっている。
【００２３】
ステム１６は、図２に示すように、４枚の円盤状のセラミック板４０ａ〜４０ｄを重ねて肉厚化したベース板４０を基体としており、ベース板４０の周囲には、側管１２との電気的接続を確保すると共に、側管１２と接合されて真空領域を形成するための円環状の金属フランジ４２がろう付けによって固定されている。最上層のセラミック板４０ａの上部には、ＣＣＤ素子２０を固定するために、シリコンからなる支持基板４４が接着剤４３によって接合されており、最下層のセラミック板４０ｄには、ＣＣＤ素子２０から出力された信号を電子管１０の外部に出力するためのステムピン４６が複数本設置されている。ベース板４０の内部には、ＣＣＤ素子２０から出力される出力信号をステムピン４６に導くために、内部配線（図示せず）が施されており、この内部配線は、各セラミック板間における電気的接続が適切になされるように、徐々にピッチが変更されてステムピン４６に接続されている。ステム１６は、支持基板４４が側管１２の内側に配置されるように側管１２の第２の開口部１２ｂに固定され、金属フランジ４２と側管１２の下部電極３０とを溶接することにより接合、シールされている。
【００２４】
ＣＣＤ素子２０は、シリコン基板上に蓄積電極層、転送電極層などのデバイスを生成した半導体素子（図１参照）であって、図２に示すように、デバイス生成面（以下表面Ａという）が支持基板４４と、その裏面（以下裏面Ｂと言う）が光電面１８とそれぞれ対向するように支持基板４４上に固定されている。また、電子の入射する中央部２０ａは、裏面Ｂ側から基板の一部が削り取られており、周辺部２０ｂより薄板化されている。
【００２５】
ＣＣＤ素子２０と支持基板４４との接合部の断面は、図３に示すようになっている。ＣＣＤ素子２０の表面Ａの周辺部２０ｂには、Ａｕを主成分とした複数のバンプ４７が、アルミニウム製のボンディングパッド４８を介してが設けられており、また、支持基板４４の上部表面には、上記のバンプ４７が接合する位置に対応してＡｕ蒸着されたボンディングパッド４９が形成されている。上記ボンディングパッド４８、４９およびバンプ４７によってＣＣＤ素子２０と支持基板４４とが機械的かつ電気的に接続されている。
【００２６】
ここで、支持基板４４はＣＣＤ素子２０の基板と同様にシリコンから形成されているため、製造プロセスにおいてベーキングによる熱応力が発生しない構造になっている。しかし、バンプ４７の接着強度は温度上昇とともに低下するので、バンプ４７による接合部の周辺に絶縁性樹脂５０を注入し、ＣＣＤ素子２０と支持基板４４との接続を強固なものとしている。
【００２７】
また、支持基板４４上の、バンプ４７による接合部の内側には、溝５２が形成されている。これは、接合部に絶縁性樹脂５０を注入したときに、過剰な絶縁性樹脂５０が溝５２に流れ込むかもしくは表面張力によって溝５２の端部で止まり、絶縁性樹脂５０がＣＣＤ素子２０の中央部２０ａの表面に付着しないようにするためのものである。
【００２８】
ＣＣＤ素子２０と支持基板４４との接合部を上面から見ると、図４に示すようになっている。バンプ４７による接合部からステムピン４６までの電気的な接続は、支持基板４４上に形成されたアルミ配線５３、支持基板４４とベース板４０とを接続するワイヤ５４、および、ベース板４０内に施された内部配線によってなされている。ここで、ワイヤ５４の上部は、高電圧が印加されている光電面１８とＣＣＤ素子２０間の耐圧を向上させるために、抵抗溶接によってステム１６に取り付けられた遮蔽電極５６によって覆われている。
【００２９】
ＣＣＤ素子２０は、図５に示すように、中央部２０ａが周辺部２０ｂと比較して極めて薄い形状となっている。裏面Ｂの中央部には、電子入射部５９が形成されており、表面Ａには電子入射部５９に入射した電荷を読み出して外部回路に転送する水平電荷転送部６０、および、垂直電荷転送部６２が形成されている。
【００３０】
ここで、ＣＣＤ素子２０を図５中のＸで切断した断面を図１に示す。ＣＣＤ素子２０は、Ｐ型あるいはＮ型のシリコンから成り、表面側に不純物濃度の異なるエピタキシャル層６３を持った半導体基板６４上に形成されている。半導体基板６４は、周辺部に比較してその中央部が薄板化されている。半導体基板６４上には、半導体基板６４と逆導電型の埋め込み層６６が形成されており、埋め込み層６６の内部の所定の位置には、不純物を導入して埋め込み層６６と不純物濃度の異なるバリア領域６８が形成されている。埋め込み層６６上には、ＳｉＯ2層７０を介して、蓄積電極層７２、転送電極層７４、バリア電極層７６がそれぞれ所定の重なりを持って形成されている。
【００３１】
表面Ａに形成されたデバイス上には、表面Ａの全面を覆うように、ホスホシリケイトガラス（以下ＰＳＧ）からなるＰＳＧ膜７８が形成されており、ＣＣＤ素子２０の表面を平坦化している。
【００３２】
ここで、垂直電荷転送部６２、水平電荷転送部６０の電極８０、ＦＥＴ部８２などの端子部の上部に位置するＰＳＧ膜７８には、コンタクトホール８４が形成されており、これらの端子部は、コンタクトホール８４を介してＰＳＧ膜７８上に形成された導電性アルミ配線８６と電気的に接続されている。図６は、水平電荷転送部における、アルミ配線８６とコンタクトホール８４の様子を模式的に表した図である。アルミ配線８６は、コンタクトホール８４を覆うように形成され、電荷転送部の端子部とアルミ配線８６との間の電気的接続を確立している。ここでいう端子部は、コンタクトホール８４を通っているアルミ配線８６が、水平電荷転送部６０、垂直電荷転送部６２の一部を結んでいるところである。
【００３３】
ＰＳＧ膜７８上に形成されたアルミ配線８６は、水平電荷転送部６０、垂直電荷転送部６２、基板接続部９６、リセットゲート端子部９８、リセットドレイン端子部１００、アウトプットドレイン端子部１０２、アウトプットソース端子部１０４等を電気的に接続している。また、支持基板４４との接続端子部は、支持基板４４と電気的に接続するために、図７に示すように、アルミ配線８６と比較して面積が大きいボンディングパッド４８が形成されており、ボンディングパッド４８上には、Ａｕよりなる凸状のバンプ４７が形成されている。
【００３４】
さらに、ＰＳＧ膜７８、およびアルミ配線８６の上部には、ＳｉＮを主成分とするＳｉＮ膜１０６が表面Ａの全面に形成されている。ここで、上記各端子部の上部に位置するＳｉＮ膜１０６は、ＣＣＤ素子２０と支持基板４４との電気的接続を確保するために一部除去され、ボンディングパッド４８が露出して電極を形成している。
【００３５】
次に、本実施形態に係る電子管１０の製造方法について説明する。電子管１０を製造するには、まず、ＣＣＤ素子２０を製造する。図８〜１３は、ＣＣＤ素子２０の製造工程図である。なお、製造工程図は模式化したものであり、実際の寸法とは異なる。
【００３６】
第１の工程では、図８に示すように、Ｐ型あるいはＮ型の一導電性半導体であるシリコンから成り、表面側に不純物濃度の異なるエピタキシャル層６３を持った半導体基板６４上に、半導体基板６４と逆導電型の埋め込み層６６を形成し、その表面にＳｉＯ2層７０を形成する。また、ＳｉＯ2層７０の上部に、ポリシリコンより成る蓄積電極層７２を形成し、その表面に、再度ＳｉＯ2層７０を形成する。
【００３７】
第２の工程では、図９に示すように、埋め込み層６６内の、蓄積電極層７２の一方の側に隣接した部分に、ホトレジストを用いたイオン注入法により不純物を導入し、埋め込み層６６と不純物濃度の異なるバリア領域６８を形成する。バリア領域６８の形成後は、ホトレジストを除去し、その表面にＳｉＯ2層７０を形成する。
【００３８】
第３の工程では、図１０に示すように、バリア領域６８を覆い、一方の側で蓄積電極層７２に重なり、他方の側では蓄積電極層７２と隙間を持つように、転送電極層７４を形成し、その表面に、再度ＳｉＯ2層７０を形成する。また、蓄積電極層７２と転送電極層７４の隙間部分の埋め込み層６６内に、イオン注入法により不純物を導入し、埋め込み層６６と不純物濃度の異なるバリア領域６８を形成する。
【００３９】
第４の工程では、図１１に示すように、第３の工程で形成したバリア領域６８を覆い、隣接する蓄積電極層７２と転送電極層７４のそれぞれと重なりを生じるように、ポリシリコンから成るバリア電極層７６を形成し、その表面にＳｉＯ2層７０を形成する。
【００４０】
第５の工程では、図１２に示すように、ＣＣＤ素子２０の表面を平坦化するために、ＣＣＤ素子２０の表面全体に、ＰＳＧ膜７８を形成する。その後、ＰＳＧをリフローすることにより凹凸をならしてＰＳＧ膜７８を平坦化する。また、ＰＳＧ膜７８上に、アルミ配線８６を配置し、水平電荷転送部６０、垂直電荷転送部６２の読み出し部８０、ＦＥＴ部８２等の端子部上部のＰＳＧ膜７８には、コンタクトホール８４を形成することにより、蓄積電極層７２、転送電極層７４、バリア電極層７６などとアルミ配線８６とを電気的に接続する。また、外部回路と接続する各端子部にボンディングパッド４８を形成する。
【００４１】
第６の工程では、図１３に示すように、ＣＣＤ素子２０の表面全体、つまり、ＰＳＧ膜７８上に、ＣＶＤ法などにより、ＳｉＮ膜１０６を形成する。その後、端子部等必要箇所のＳｉＮを除去し、ボンディングパッド４８を露出させ、電極を形成する。
【００４２】
第７の工程（図示せず）では、ＣＣＤ素子２０の裏面Ｂの周辺部２０ｂをＳｉＮでマスクし、化学エッチングすることにより、中央部２０ａ、すなわち電子入射部５９を２０μｍ程度に薄板化する。化学エッチングには、ＫＯＨ溶液や、フッ酸：硝酸：酢酸の混合溶液が利用できる。その後、裏面Ｂの電子入射部５９に、イオン注入法により不純物をドープすることで、アキュムレーション層を形成し、裏面Ｂの界面付近で生じた信号電荷が、ＣＣＤ素子２０のポテンシャル井戸に流れやすい構造にしている。
【００４３】
上記工程により製造したＣＣＤ素子２０と支持基板４４を接合するには、ＣＣＤ素子２０の表面周辺部２０ｂに形成されたボンディングパッド４８上のバンプ４７と支持基板４４上に形成されたボンディングパッド４９を３００℃程度の熱により熱圧着する。この際、支持基板４４上にはあらかじめ、ボンディングパッド４９からワイヤ５４の接続部までの電気的接続を確保するアルミ配線５３と、溝５２を形成しておく。溝５２は、ＫＯＨ溶液などでエッチングすることにより形成できる。
【００４４】
その後、接合部に絶縁性樹脂５０を流し込み、硬化させる。このときに、溝５２が形成されている対向する２つの辺から絶縁性樹脂５０を充填すると、毛細管現象によりＣＣＤ素子２０と支持基板４４との間に絶縁性樹脂５０を良好に充填することが可能となる。また、溝５２が形成されていることにより、空気だまりを作らないようにすることができ、逃げ場のない空気の膨張による、ＣＣＤ素子２０の損傷を防止することができる。また、過剰な絶縁性樹脂５０は溝５２に流れ込むかもしくは表面張力によって溝５２の端部で止まり、ＣＣＤ素子２０の表面中央部２０ａに付着することがない。よって、絶縁性樹脂５０の硬化時に、ＣＣＤ素子２０の中央部２０ａが変形することを防止できる。
【００４５】
ＣＣＤ素子２０と支持基板４４を機械的に固定した後、支持基板４４とベース板４０とを接着剤４３を用いて接合し、ワイヤ５４により、支持基板４４上のアルミ配線５３とベース板４０とを電気的に接続する。その後に、遮蔽電極５６をベース板４０に抵抗溶接する。
【００４６】
続いて、真空側にＣｒを薄く蒸着させた入力面板１４、および、フランジ等を介して接続された側管１２とステム１６をトランスファー装置内に導入し、装置内を真空として３００℃程度の温度でベーキングする。
【００４７】
ベーキング後に、Ｋ、Ｃｓ、Ｎａを入力面板１４に作用させ、光電面１８を形成する。光電面１８は、あらかじめ入力面板１４にボンディングしたＧａＡｓもしくはＧａＡｓＰなどといったIII-V族の半導体結晶を、ＣｓおよびＯ2を導入することにより活性化させたものであっても良い。
【００４８】
ここで、ＣＣＤ素子２０の表面に形成されたＳｉＮ膜１０６は３００℃程度の熱にさらされても真空中でガス放出しないことから、電子管１０を極めて安定に製造することができる。
【００４９】
さらに、入力面板１４をＩｎ材３２を用いて側管１２に接続、密封して、電子管１０が完成する。このとき光電面１８とＣＣＤ素子２０との間隔は２ｍｍ程度となっている。また、電子管１０の完成後に、フランジ２６に電圧を印加し、適宜ゲッター３４を活性化することにより、管内の残存ガスを吸着することができる。
【００５０】
続いて、本実施形態に係る電子管の作用および効果について説明する。電子管１０の光電面１８には、−８ｋＶの高電圧が印加されており、ＣＣＤ素子２０の電子入射部５９は接地されている。従って、光電面１８に入射した光強度に応じて、光電面１８から電子管１０内の真空領域に放出された電子は、電界によって加速され、ＣＣＤ素子２０の電子入射部５９に打ち込まれる。加速された電子は、シリコンからなる半導体基板６４内でエネルギーを失う際に、多数の電子−正孔対を生成し、印加電圧が−８ｋＶである場合は、約２０００倍のゲインが得られる。その倍増された電子を読み出すことで、撮像画像が得られることになる。
【００５１】
ここで、通常の電子管では、光電面形成の際に、管内にＮａ、Ｋ、Ｃｓなどのアルカリ金属が導入されており、ＣＣＤ素子２０もこれらのアルカリ金属にさらされている。その結果、アルカリ金属が、半導体素子であるＣＣＤ素子２０の基板上の電荷転送部内に混入し、ゲートＳｉＯ2膜に到達すると、その部分の固定電荷、界面準位を増加させ、ＣＣＤ素子２０の特性は著しく劣化してしまう。しかし、本実施形態の電子管１０は、ＣＣＤ素子２０の最表面全面に、ＳｉＮ膜１０６を形成したことにより、管内に導入されたアルカリ金属が素子内に侵入することがなくなる。その結果、アルカリ金属が、ＳｉＯ2膜７０に到達し、ＣＣＤ素子２０の特性を劣化させることがなく、高感度な電子管が実現する。
【００５２】
また、ＳｉＮ膜１０６を形成するＳｉＮは、ＳｉＯ2と比較して電気伝導率が高いことが知られている。従って、浮遊電子等の影響により、ＣＣＤ素子２０の表面、あるいは、電子管１０の内部の絶縁物である、側管１２やステム１６が帯電することを防止する作用がある。その結果、ＣＣＤ素子２０の表面および周辺部の帯電による、電荷転送部や読み出し部などへの影響を緩和することが可能となり、高感度な電子管が実現する。
【００５３】
本実施形態に係る電子管１０は、上記に示すように高い感度が得られるので、画像の信号量がＣＣＤ素子２０のノイズ成分と比較して十分大きくなり、Ｓ／Ｎ比が大きく、シングルフォトンの撮像も可能となる。また、従来のＭＣＰを内蔵した電子管などと比較しても、開口率が向上し、蛍光面のむらが減少し、ファイバカップリングされたＦＯＰにおいて変換損失がない、といった利点がある。
【００５４】
さらに、ＳｉＮ膜１０６を形成することによって、ＣＣＤ素子２０の製造プロセスにおいても、アルカリや酸によるＣＣＤ素子２０へのダメージも軽減することが可能であり、また、アルカリエッチャント使用時の、ＣＣＤ素子２０内へのアルカリ金属の侵入を防ぐ効果もある。
【００５５】
また、ＳｉＮ膜１０６の下部に形成されたＰＳＧ膜７８は、ＣＣＤ素子２０の表面を平坦化することにより、ＳｉＮ膜１０６の形成を容易なものとし、かつ、ＳｉＮ膜１０６を剥離しにくくさせる効果がある。また、温度変化による接合面のストレスを緩和する効果も有している。
【００５６】
上記実施形態において、ＣＣＤ素子２０の最表面には、ＳｉＮ膜１０６を形成していたが、これはＳｉＯＮから形成される膜であっても良い。ここで、ＳｉＯＮとは、アルカリ金属を透過させず、かつ、ＳｉＯ2と比較して電気伝導率を高く保つことができるという条件の下に、ＳｉＮに所定の割合で酸素を結合させたものである。また、ＳｉＯＮ膜内で、酸素の割合が一様でなく、空間的に徐々に変化しているものであっても良い。
【００５７】
また、上記実施形態において、ＳｉＮ膜１０６の下部には、ＰＳＧ膜７８を形成していたが、これは、ボロホスホライトシリケイトガラス（ＢＰＳＧ）、スピンオンガラス（ＳＯＧ）、ポリイミド膜などであっても良い。
【００５８】
さらに、上記実施形態においては、導電配線としてアルミ配線８６を用いていたが、この導電配線はＡｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、その他高融点の金属などで形成された配線であっても良い。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の電子管は、アノードである、半導体素子の最表面にシリコン窒化物もしくはシリコン窒酸化物からなる膜を形成することにより、電子管内部に導入されたアルカリ金属が半導体素子内部に侵入することを防止でき、高い感度が得られるようになる。
【００６０】
また、半導体素子の最表面に、ＳｉＯ2よりも電気伝導率の高いシリコン窒酸化物からなる膜を形成することにより、ＣＣＤ素子の表面や、その周囲の絶縁物の帯電を防止することが可能となる。その結果、半導体素子が受ける、帯電電荷の影響を緩和でき、高い感度が得られるようになる。
【００６１】
さらに、シリコン窒化物もしくはシリコン窒酸化物からなる膜の下部に設けられた平坦化膜は、シリコン窒化物もしくはシリコン窒酸化物からなる膜が剥離するのを妨げ、同時に、接合面のストレスを緩和する効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電子管の断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電子管の、ＣＣＤ素子接合部の断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電子管の、ＣＣＤ素子接合部の平面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の平面図および側面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の拡大図である。
【図７】本発明の実施形態に係る電子管に用いるボンディングパッドの斜視図である。
【図８】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の製造工程図である。
【図９】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の製造工程図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の製造工程図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の製造工程図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の製造工程図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る電子管に用いるＣＣＤ素子の製造工程図である。
【符号の説明】
１０…電子管、１２…側管、１２ａ…第１の開口部、１２ｂ…第２の開口部、１４…入力面板、１６…ステム、１８…光電面、２０…ＣＣＤ素子、２０ａ…中央部、２０ｂ…周辺部、２２…側管上部、２４…側管下部、２６…フランジ、２８…上部電極、３０…下部電極、３２…Ｉｎ材、３４…ゲッター、３６…面板、３８…金属薄膜、４０…ベース板、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ…セラミック板、４２…金属フランジ、４３…接着剤、４４…支持基板、４６…ステムピン、４７…バンプ、４８、４９…ボンディングパッド、５０…絶縁性樹脂、５２…溝、５３…アルミ配線、５４…ワイヤ、５６…遮蔽電極、５８…電荷転送部、５９…電子入射部、６０…水平電荷転送部、６２…垂直電荷転送部、６３…エピタキシャル層、６４…半導体基板、６６…埋め込み層、６８…バリア領域、７０…ＳｉＯ2層、７２…蓄積電極層、７４…転送電極層、７６…バリア電極層、７８…ＰＳＧ膜、８０…電極、８２…ＦＥＴ部、８４…コンタクトホール、８６…アルミ配線、９６…基板接続部、９８…リセットゲート端子部、１００…リセットドレイン端子部、１０２…アウトプットドレイン端子部、１０４…アウトプットソース端子部、１０６…ＳｉＮ膜
Claims (3)
- アルカリ金属を含む光電面を有する陰極と、
裏面側を前記光電面に対向して設置されるとともに、表面側に電荷転送部が形成されている裏面照射型半導体素子を有する陽極と、
を真空容器内に封入した電子管において、
前記裏面照射型半導体素子は、
その表面側から前記電荷転送部を覆うように形成されたＰＳＧ膜と、
前記ＰＳＧ膜上に形成されると共に、前記電荷転送部と電気的に接続された導電配線と、
リフローにより表面が平坦化された前記ＰＳＧ膜および前記導電配線を覆うと共に、前記電荷転送部上の前記ＰＳＧ膜に接触して形成されたＳｉＮ膜と、
を備えたことを特徴とする電子管。 - 前記電荷転送部の端子部の上部に位置する前記ＰＳＧ膜には、貫通穴が設けられており、
前記導電配線は、前記貫通穴を介して前記端子部と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電子管。 - 前記導電配線の端子部の上部に位置する前記ＳｉＮ膜には、貫通穴が設けられており、
該貫通穴には、ボンディングパッド用の電極が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子管。
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