WO2000044027A1 - Tube electronique - Google Patents

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WO2000044027A1
WO2000044027A1 PCT/JP1999/000213 JP9900213W WO0044027A1 WO 2000044027 A1 WO2000044027 A1 WO 2000044027A1 JP 9900213 W JP9900213 W JP 9900213W WO 0044027 A1 WO0044027 A1 WO 0044027A1
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WO
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electron tube
film
ccd element
charge transfer
layer
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Application number
PCT/JP1999/000213
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English (en)
French (fr)
Inventor
Motohiro Suyama
Akihiro Kageyama
Masaharu Muramatsu
Original Assignee
Hamamatsu Photonics K. K.
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Publication date
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Priority to AU20738/99A priority patent/AU2073899A/en
Priority to PCT/JP1999/000213 priority patent/WO2000044027A1/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J31/00—Cathode ray tubes; Electron beam tubes
    • H01J31/08—Cathode ray tubes; Electron beam tubes having a screen on or from which an image or pattern is formed, picked up, converted, or stored
    • H01J31/26—Image pick-up tubes having an input of visible light and electric output
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J31/08—Cathode ray tubes; Electron beam tubes having a screen on or from which an image or pattern is formed, picked up, converted, or stored
    • H01J31/49—Pick-up adapted for an input of electromagnetic radiation other than visible light and having an electric output, e.g. for an input of X-rays, for an input of infrared radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J2231/00—Cathode ray tubes or electron beam tubes
    • H01J2231/50—Imaging and conversion tubes
    • H01J2231/50057—Imaging and conversion tubes characterised by form of output stage
    • H01J2231/50068—Electrical
    • H01J2231/50073—Charge coupled device [CCD]

Definitions

  • the present invention relates to a highly sensitive electron tube for quantitatively measuring weak light.
  • an electron tube using a CCD (Charge Coupled Device) element as an anode has been known as a photodetector for measuring weak light.
  • CCD Charge Coupled Device
  • the signal emitted from the photocathode by the incidence of light is incident on the back side of the device generation surface to detect the signal.
  • Electron tubes are widely used because of their high sensitivity and good image quality.
  • An electron tube using a back-illuminated CCD device usually has a side tube with two openings, an input surface plate with a photocathode that emits electrons in response to incident light, and a CCD device. It consists of a stem. The input faceplate and stem are bonded so as to cover the two openings of the side tube, and the inside of the electron tube surrounded by the side tube, input faceplate, and stem is evacuated. The CCD element arranged on the stem is fixed to the stem such that the back surface of the CCD element faces the input face plate, and the whole is arranged inside the electron tube.
  • the back-illuminated CCD element On the front side of the back-illuminated CCD element, there are mainly formed a Si i two- layer storage electrode layer and a transfer electrode layer on the semiconductor substrate, which accumulates the charge incident on the back surface of the CCD element from the photoelectric surface. It is possible to transfer.
  • a photocathode since the photocathode can only be manufactured in a vacuum, the electron tube manufacturing process In, a photocathode is formed by introducing an alkali metal such as Na, K, or Cs into an electron tube in a vacuum atmosphere and acting on an input face plate.
  • alkali metals such as Na, K, or Cs
  • these alkali metals are mixed into the charge transfer section on the substrate of the CCD element, which is a semiconductor element, and when they reach the gate Si ⁇ 2 film, the fixed charges and interface states in that part increase.
  • the characteristics of the CCD element are significantly deteriorated.
  • the present inventors have studied the following method. First, glass was bonded to the surface of the CCD element by anodic bonding to protect the CCD element from alkali metals. However, there is a large difference between the thermal expansion coefficient of silicon forming the CCD element and the thermal expansion coefficient of glass, causing strong stress on the CCD element in a high-temperature process in the subsequent process, resulting in damage to the CCD element. I have received.
  • an electron tube when the inside of the tube is usually vacuum and a negative high voltage is applied to the photocathode, the insulator in the tube becomes very easily charged. Therefore, the SiO 2 layer having a very high insulating property and the insulator in the tube existing on the surface of the CCD element are very strongly charged.
  • an electron tube using a back-illuminated CCD element detects a weak signal of about several tens of electrons, so that the surface of the CCD element and the surrounding insulators are charged. There is a problem that it becomes a large noise source and the measurement accuracy is significantly reduced.
  • An object of the present invention is to provide a high-sensitivity electron tube in which a CCD element is not subjected to a great deal of thermal stress during a fabrication process, does not emit gas, and is capable of reducing the charge on and around the semiconductor element. Disclosure of the invention
  • an electron tube includes a cathode having a photocathode containing metal and a back surface side facing the photocathode, and a charge transfer portion formed.
  • the backside illuminated semiconductor element is a flat surface having a flat surface formed so as to cover the charge transfer portion from the front side.
  • the front side of the backside illuminated semiconductor element usually has a concave-convex shape as a result of device formation, and is in a state of high stress.
  • a flattening film on the front side of the semiconductor element, particularly on a device generation section such as a charge transfer section, the front side is flattened, and the semiconductor element can be protected from excessive stress. Further, by flattening the surface side of the semiconductor element, it is possible to easily form a conductive wiring and a thin film containing silicon nitride as a main component.
  • the thin film containing silicon nitride as a main component and formed so as to cover the flattening film and the conductive wiring prevents the metal used for activating the photocathode from invading the inside of the semiconductor element. This prevents deterioration of the characteristics of the semiconductor device. If a film made of silicon nitride is formed on the outermost surface of the semiconductor element as the anode, it is possible to prevent alkali metal introduced into the electron tube from entering the inside of the semiconductor element, and to obtain high sensitivity. Become. Further, the flattening film provided below the silicon nitride film has an effect of preventing the silicon nitride film from peeling off and at the same time relieving the stress on the bonding surface.
  • a Si 2 layer is formed on the surface of the charge transfer section, and the planarizing film is made of phosphosilicate glass, and is formed between the Si 0 2 layer and the thin film. Is preferred.
  • a thin film of the conductive wire and the silicon nitride as a main component by interposing a planarizing film made of phosphosilicate glass between the S i ⁇ two layers to form the front surface of the semiconductor element, conductive wiring, silicon nitride It is possible to alleviate the stress caused by the difference in the thermal expansion coefficient between the thin film mainly composed of the material and the Si 2 layer.
  • a thin film containing silicon nitride as a main component, which has a higher electric conductivity than Si 2 on the outermost surface of the semiconductor element, the charge on the surface of the semiconductor element and the surrounding area can be reduced. It becomes possible. As a result, the influence of the charged charge on the semiconductor element can be reduced, and high sensitivity can be obtained.
  • a through hole is formed in the flattening film located above the terminal portion of the charge transfer portion, and the conductive wiring is electrically connected to the terminal portion through the through hole. Is preferred. With such a configuration, a signal in the charge transfer unit can be easily extracted to the conductive wiring.
  • FIG. 1 is a sectional view of a CCD element used for an electron tube according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the electron tube according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 (a) is a cross-sectional view of a CCD element junction of the electron tube according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 (b) is a cross-sectional view showing a terminal portion of the conductive wiring of the electron tube and a through hole of the thin film according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of a CCD element junction of the electron tube according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view and a side view of a CCD element used for the electron tube according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an enlarged view of a CCD element used for the electron tube according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view of a bonding pad used for the electron tube according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a first manufacturing process of the CCD element used for the electron tube according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a sectional view showing a second manufacturing process of the CCD element used for the electron tube according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows a CCD element used in an electron tube according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a third manufacturing step.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a fourth manufacturing step of the CCD element used for the electron tube according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a fifth manufacturing step of the CCD element used for the electron tube according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing a CCD element used in the electron tube according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of No. 6. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the electron tube according to the embodiment of the present invention.
  • the electron tube 10 has a substantially disk-shaped input face plate 14 at two openings of a cylindrical side tube 12.
  • the disk-shaped stems 16 are joined to each other to form a sealed structure, and a vacuum region is formed therein.
  • a photoelectric surface 18 is formed on the surface of the input face plate 14 on the vacuum region side, and a CCD device 20 which is a semiconductor device is fixed on the vacuum region side of the stem 16.
  • the side tube 12 is a circle having an outer diameter approximately the same between the upper side tube 22 and the lower side tube 24 made of ceramics having a cylindrical shape with an outer diameter of about 43 mm.
  • the ring-shaped metal flange 26 is sandwiched, and these are integrated by brazing.
  • An annular upper electrode 28 is provided in the opening on the side tube upper part 22 side (hereinafter, first opening part 12 a), and the opening on the side tube lower part 24 side (hereinafter, second opening part 12 a) is provided.
  • the portion 12 b) is provided with an annular lower electrode 30 so that a voltage applied to the photoelectric surface 18 can be supplied.
  • the upper electrode 28 can be filled with an adhesive between the side tube 12 and the input face plate 14 and an indium material (In material) 32 that functions as a sealing material for forming a vacuum region. It has a gutter shape. Further, between the flange 26 and the lower electrode 30, a gate 34 for adsorbing residual gas in the tube is electrically connected.
  • In material indium material
  • the input face plate 14 is formed mainly of a face plate 36 made of Kovar glass having a substantially disk shape.
  • a convex portion is formed at the center of one main surface of the face plate 36, and the surface of the convex portion has an A photoelectric surface 18 made of metal is formed. Further, a metal thin film 38 made of Cr is formed from the edge of the photocathode 18 to the edge of the face plate 36.
  • the input face plate 14 is fixed to the first opening 12 a of the side pipe 12 so that the above-mentioned projection is inside the side pipe 12, and the edge of the face plate 36 and the upper part of the side pipe 12
  • the electrode 28 is bonded and sealed by the In material 32 injected into the upper electrode 28 having a gutter shape.
  • the photocathode 18 and the upper electrode 28 are electrically connected by the metal thin film 38 formed on the surface of the face plate 36 so that a high voltage can be applied to the photocathode 18.
  • the stem 16 has a base plate 40 formed by stacking four disc-shaped ceramic plates 40 a to 40 d and having a large thickness, and a base plate 40.
  • An annular metal flange 42 for securing an electrical connection with the side tube 12 and forming a vacuum region by being joined to the side tube 12 is fixed by brazing around the periphery.
  • a support substrate 44 made of silicon is fixed by an adhesive 43 (FIG. 3) to fix the CCD element 20.
  • a plurality of stem pins 46 for outputting a signal output from the CCD element 20 to the outside of the electron tube 10 are provided on the ceramic plate 40d.
  • Internal wiring (not shown) is provided inside the base plate 40 to guide the output signal output from the CCD element 20 to the stem pin 46.
  • the internal wiring is formed by each ceramic plate. The pitch is gradually changed to connect to the stem pins 46 so that the electrical connection between them is properly made.
  • the stem 16 is fixed to the second opening 1 2b of the side tube 1 2 so that the support substrate 4 4 is arranged inside the side tube 12 and the metal flange 4 2 and the lower portion of the side tube 12
  • the electrodes 30 are joined and sealed by welding.
  • the CCD element 20 is a semiconductor element (see FIG. 1) that has formed devices such as a storage electrode layer and a transfer electrode layer on a silicon substrate, as shown in FIG.
  • the device generation surface (hereinafter referred to as “front surface A”) is fixed on the support substrate 44 such that the back surface (hereinafter referred to as “back surface B”) faces the photocathode 18, respectively.
  • front surface A the device generation surface
  • back surface B the back surface
  • a part of the substrate is scraped off from the back surface B side, and is thinner than the peripheral part 20b.
  • 1, 50 is a filling material having an insulating property
  • 52 is a groove formed in the support substrate 44
  • 54 is a wire connecting the support substrate 44 and the base plate 40
  • 56 Are shielding electrodes, which will be described in detail with reference to FIG. 3 (a).
  • FIG. 3 (a) shows a cross section of a joint between the CCD element 20 and the support substrate 44.
  • FIG. The peripheral portion 20 b of the surface A of the CCD element 20 is provided with a plurality of bumps 47 mainly composed of Au and bonding pads 48 made of aluminum via a support substrate 4.
  • a bonding pad 49 deposited with Au is formed corresponding to a position where the bump 47 is bonded.
  • the CCD elements 20 and the support substrate 44 are mechanically and electrically connected to each other by the bonding pads 48 and 49 and the bumps 47.
  • the supporting substrate 44 is formed of silicon similarly to the substrate of the CCD element 20, it has a structure in which thermal stress due to baking is not generated in the manufacturing process.
  • an insulative filling material 50 such as an insulating resin is injected around the joints of the bumps 47, and the CCD element 20 and the support substrate 44 are injected. The connection between and has been strengthened.
  • the groove 52 is formed inside the joint portion between the bumps 47 on the support substrate 44.
  • an excessive amount of the insulating filler material 50 flows into the groove 52 or stops at the end of the groove 52 due to surface tension, and the insulating filler material 50 is removed.
  • Center part of CCD element 20 0 a This is for preventing the particles from adhering to the surface of the substrate.
  • FIG. 4 shows the joint between the CCD element 20 and the support substrate 44 as viewed from above.
  • the electrical connection from the joints by the bumps 47 to the stem pins 46 is made of aluminum wiring 53 formed on the support substrate 44, wires 54 connecting the support substrate 44 and the base plate 40, and The internal wiring is provided in the base plate 40.
  • the shielding electrode 56 is attached to the stem 16 by resistance welding.
  • the upper part of the wire 54 is used to improve the withstand voltage between the photocathode 18 to which the high voltage is applied and the CCD element 20. In addition, it is covered by a shielding electrode 56.
  • the CCD element 20 has an extremely thin shape at the central portion 20a as compared with the peripheral portion 20b.
  • An electron incident portion 59 is formed at the center of the rear surface B, and a horizontal charge transfer portion 60 that reads out the electric charge incident on the electron incident portion 59 and transfers it to an external circuit on the front surface A, and A vertical charge transfer section 62 is formed.
  • reference numeral 82 denotes a FET portion
  • reference numeral 86 denotes a conductive aluminum wiring
  • reference numeral 96 denotes a substrate connection portion
  • reference numeral 98 denotes a reset gate terminal portion
  • reference numeral 100 denotes a reset drain terminal portion
  • reference numeral 102 denotes an output.
  • Reference numeral 104 denotes an output source terminal.
  • FIG. 1 shows a cross section of the CCD element 20 cut by X in FIG.
  • the CCD element 20 is formed on a semiconductor substrate 64.
  • the semiconductor substrate 64 is made of P-type or N-type silicon, and an epitaxial layer 63 having an impurity concentration different from that of the semiconductor substrate 64 is formed on the surface side thereof. Formed on three sides. The central portion of the semiconductor substrate 64 is thinner than the peripheral portion.
  • a buried layer 66 of a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate 64 is formed. At a predetermined position inside the buried layer 66, an impurity is introduced and the buried layer 6 is formed.
  • a barrier region 68 having an impurity concentration different from that of 6 is formed.
  • the storage electrode layer 7 2 the transfer electrode layer 7 4, barrier electrode layer 7 6 that are respectively formed with a predetermined overlap.
  • PSG phosphosilicate glass
  • contact holes 84 are formed in the PSG film 78 located above the terminal portions such as the electrode 80 of the vertical charge transfer portion 62 and the horizontal charge transfer portion 60 and the FET portion 82. These terminal portions are electrically connected to a conductive aluminum wiring 86 formed on the PSG film 78 via a contact hole 84. If described in detail with reference to FIG. 1, the electrodes forming the terminals of the charge transfer section
  • the PSG film 78 located above a part of 80 has a through-hole forming a contact hole 84, and the conductive aluminum wiring 86 is electrically connected to the terminal via the through-hole. It is connected. And? Above the 50 film 78, an SIN film (thin film) 106 described later is formed.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing the state of the aluminum wiring 86 and the contact hole 84 in the horizontal charge transfer section.
  • the aluminum wiring 86 is formed so as to cover the contact hole 84, and establishes an electrical connection between the terminal of the charge transfer section and the aluminum wiring 86.
  • the terminal section here is where the aluminum wiring 86 passing through the contact hole 84 connects a part of the horizontal charge transfer section 60 and a part of the vertical charge transfer section 62.
  • the aluminum wiring 86 formed on the PSG film 78 has a horizontal charge transfer section 60, a vertical charge transfer section 62, a substrate connection section 96, a reset gate terminal section 98, and a reset drain terminal section 100.
  • the output drain terminal section 102 and the output source terminal section 104 are electrically connected. Also support As shown in FIG. 7, the connection terminal portion between the substrate 44 and the CCD element 20 is electrically connected to the support substrate 44 and, as shown in FIG. 8 are formed, and a convex bump 47 made of Au is formed on the bonding pad 48.
  • the SiN film 106 has SiN as a main component, and is formed on the entire surface A above the PSG film 78 and the aluminum wiring 86.
  • the SiN film 106 located above each of the terminal portions is partially removed to secure electrical connection between the CCD element 20 and the support substrate 44, and the bonding pad 48 is formed.
  • the bonding pad 48 is formed.
  • a through-hole is formed in the SiN film 106 located above the bonding pad 48 forming the terminal of the conductive aluminum wiring 86.
  • the bonding pad 48 is formed in the through hole, and the bump 47 is arranged in the through hole and provided so as to be connectable to the bonding pad 48.
  • a semiconductor substrate 64 and a reverse conductivity type buried layer 66 are formed on 4, and a SiO 2 layer 70 is formed on the surface thereof.
  • a photoresist using photoresist is applied to a portion of the buried layer 66 adjacent to one side of the storage electrode layer 72.
  • An impurity is introduced by an ion implantation method to form a buried layer 66 and a barrier region 68 having a different impurity concentration.
  • the barrier region 68 is covered so as to overlap the storage electrode layer 72 on one side and to have a gap with the storage electrode layer 72 on the other side.
  • a transfer electrode layer 74 is formed, and a Si 2 layer 70 is formed again on the surface thereof.
  • an impurity is introduced by ion implantation into the buried layer 66 in the gap between the storage electrode layer 72 and the transfer electrode layer 74 to form a barrier region 68 having a different impurity concentration from that of the buried layer 66.
  • the barrier region 68 formed in the third step is covered and overlaps with the adjacent storage electrode layer 72 and transfer electrode layer 74, respectively. Is formed to form a barrier electrode layer 76 made of polysilicon, and a SiO 2 layer 70 is formed on the surface thereof.
  • the PSG film 78 is flattened by reflowing (heating and melting) the PSG to smooth out the unevenness.
  • the aluminum wiring 86 is arranged on the film 78, the electrodes 80 of the horizontal charge transfer section 60, the vertical charge transfer section 62, the PSG film 78 above the terminal section of the FET section 82, etc.
  • the contact hole 84, the storage electrode layer 72, the transfer electrode layer 74, the barrier electrode layer 76 and the like are electrically connected to the aluminum wiring 86.
  • a bonding pad 48 is formed on each terminal connected to the external circuit.
  • a SiN film 106 is formed on the entire surface of the CCD element 20, that is, on the PSG film 78 by the CVD method or the like. After that, the SiN at the necessary portion such as the terminal portion is removed, and the bonding pad 48 is exposed to form an electrode.
  • the peripheral portion 20 The central part 20a, ie, the electron incident part 59, is thinned to about 20 m by masking b with SIN and performing chemical etching.
  • chemical etching a K ⁇ H solution or a mixed solution of hydrofluoric acid: nitric acid: acetic acid can be used.
  • an impurity layer is doped into the electron incident portion 59 on the back surface B by ion implantation to form an accumulation layer, and the signal charge generated near the interface of the back surface B is transferred to the CCD element 20.
  • the structure is such that it easily flows into the potential well.
  • the bump 47 on the bonding pad 48 formed on the peripheral portion 20b of the CCD element 20 and the support substrate 44 are formed.
  • the bonding pad 49 is thermocompression-bonded with heat of about 300 ° C.
  • an aluminum wiring 53 for ensuring electrical connection from the bonding pad 49 to the connection portion of the wire 54 and a groove 52 are formed on the support substrate 44 in advance.
  • the groove 52 can be formed by etching with a KOH solution or the like.
  • an insulating filler material 50 is poured into the joint and cured.
  • the insulating filling material 50 is filled from two opposing sides where the groove 52 is formed, the insulating material 50 is interposed between the CCD element 20 and the support substrate 44 by capillary action. Good filling becomes possible.
  • the groove 52 since the groove 52 is formed, it is possible to prevent the formation of an air pocket, and to prevent the CCD element 20 from being damaged due to expansion of air without escape. Excessive insulating material 50 flows into groove 52 or stops at the end of groove 52 due to surface tension, and does not adhere to the center 20 a of the surface of CCD element 20. Accordingly, it is possible to prevent the central portion 20a of the CCD element 20 from being deformed when the insulating material 50 is cured.
  • the support substrate 44 and the base plate 40 are joined together using an adhesive 43, and The aluminum wiring 53 on the holding substrate 44 and the base plate 40 are electrically connected. Thereafter, the shield electrode 56 is resistance-welded to the base plate 40.
  • the input face plate 14 with a thin Cr layer deposited on the vacuum side, and the side tube 12 and the stem 16 connected via a flange or the like are introduced into the transfer device, and the inside of the device is evacuated. And baking at a temperature of about 300. After baking, K, Cs, and Na act on the input face plate 14 to form the photocathode 18.
  • the photocathode 18 activates III-V group semiconductor crystals such as GaAs or GaAsP bonded to the input faceplate 14 in advance by introducing Cs and ⁇ 2. May be used.
  • the SiN film 106 formed on the surface of the CCD element 20 does not release gas in a vacuum even when exposed to heat of about 300 ° C, the electron tube 10 is extremely stable. Can be manufactured.
  • the input face plate 14 is connected to the side tube 12 using the In material 32 and sealed, so that the electron tube 10 is completed.
  • the distance between the photocathode 18 and the CCD element 20 is about 2 mm.
  • a voltage is applied to the flange 26 to activate the gate 34 as appropriate, so that the residual gas in the tube can be adsorbed.
  • a high voltage of ⁇ 8 kV is applied to the photoelectric surface 18 of the electron tube 10, and the electron incident portion 59 of the CCD element 20 is grounded. Therefore, the electrons emitted from the photocathode 18 into the vacuum region in the electron tube 10 according to the light intensity incident on the photocathode 18 are accelerated by the electric field, and are accelerated by the electron incident portion 59 of the CCD element 20. Driven. The accelerated electrons generate a large number of electron-hole pairs when losing energy in the semiconductor substrate 64 made of silicon, and when the applied voltage is 18 kV, about 200 000 Double gain is obtained.
  • alkali metals such as Na, K, and Cs are introduced into the tube, and the CCD element 20 is also exposed to these alkali metals. I have. Consequently alkali metal, mixed in the charge transfer portion of the substrate of the C CD device 20 is a semiconductor device, and reaches the gate S I_ ⁇ 2 film, fixed charge of that portion increases the interface state, CCD element The characteristics of the child 20 are significantly deteriorated.
  • the SIN film 106 is formed on the entire outermost surface of the CCD element 20, the metal introduced into the tube may enter the element. Disappears.
  • the alkali metal reaches the S I_ ⁇ 2 film 70, without degrading the characteristics of the CCD element 20, for realizing highly sensitive electron tube.
  • S i N to form a S i N film 1 0 6 are known to have high electrical conductivity as compared with S i 0 2. Therefore, there is an effect of preventing the side tube 12 ⁇ stem 16, which is an insulator on the surface of the CCD element 20 or the inside of the electron tube 10, from being charged by the influence of stray electrons or the like. As a result, it is possible to reduce the influence of the charge on the surface and the peripheral portion of the CCD element 20 on the charge transfer section, the readout section, and the like, thereby realizing a highly sensitive electron tube.
  • the electron tube 10 since a high gain is obtained as described above, the signal amount of the image is sufficiently large as compared with the noise component of the CCD element 20, the SZN ratio is large, and the single tube Tons of imaging are also possible.
  • MCP Micro Channel Plate
  • the aperture ratio is improved, the unevenness of the phosphor screen is reduced, and conversion is performed in a fiber-coupled fiber optical plate (F0P). There are advantages such as no loss.
  • the formation of the SiN film 106 makes it possible to prevent the CCD element 20 from being damaged by an alkali or an acid in the manufacturing process of the CCD element 20. This also has the effect of preventing the penetration of metal into the CCD element 20 when an alkaline corrosive liquid is used.
  • the PSG film 78 formed below the SiN film 106 facilitates the formation of the SiN film 106 by flattening the surface of the CCD element 20, and furthermore, the SiN film 106 This has the effect of making the N film 106 difficult to peel off. It also has the effect of reducing the stress on the joint surface due to temperature changes.
  • the electron tube according to the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible.
  • the SiON film 106 is formed on the outermost surface of the CCD element 20, but this may be a film formed from SiON.
  • S i ON is a predetermined ratio of S i N under the condition that alkali metal is not permeated and electrical conductivity can be kept higher than S i O 2. Is a combination of oxygen. Further, the ratio of oxygen in the SiO 2 film may not be uniform, but may be gradually changing spatially. Note that, of course, SION also belongs to silicon nitride in concept.
  • the PSG film 78 is formed below the SiN film 106, but it is formed of a polyphosphorite silicate glass (BPSG), a spin-on glass (SOG), a polyimide film, or the like. May be.
  • BPSG polyphosphorite silicate glass
  • SOG spin-on glass
  • polyimide film or the like. May be.
  • the aluminum wiring 86 is used as the conductive wiring.
  • this conductive wiring is a wiring formed of A1-Si, Al-Si-Cu, or other metal having a high melting point. It may be. Industrial applicability
  • the electron tube according to the present invention is widely used for an imaging device in a low illuminance region, for example, a surveillance camera.

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Description

明細書 電子管 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。 背景技術
従来から、 微弱な光を計測する光検出器として、 C C D (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— 9 5 4 3 4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。
裏面照射型 C C D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、 C C D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 C C D素子は、 C C D素子の裏面が入力面板 に対向するようにステムに固定されて、 全体が電子管の内部に配置され ている。 そして裏面照射型 C C D素子の表面側には、 半導体基板上に、 主に S i 〇2層蓄積電極層、 転送電極層が形成されており、 光電面から C C D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。
ここで、 光電面は真空中でしか製造できないので、 電子管の製造過程 において、 真空雰囲気の電子管内に N a、 K、 C sなどのアルカリ金属 を導入して入力面板に作用させることにより光電面を形成している。 し かし、 これらのアルカリ金属が、 半導体素子である C CD素子の基板上 の電荷転送部内に混入し、 ゲート S i〇2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。
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 C CD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、 C CD素子に強いストレスが生 じ、 その結果、 C CD素子がダメージを受けてしまった。
また、 別の方法として CCD素子表面を樹脂で覆い、 CCD素子をァ 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。
更に、 通常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、 C CD素子の表面に存在する、 絶縁性の非常に高い S i 02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。
従って、 本発明は上記問題点に鑑み、 内部に導入されたアルカリ金属 によって C CD素子の特性が劣化することを防止すると共に、 電子管製 造過程で C C D素子が多大な熱応力を受けず、 ガス放出がなく、 また半 導体素子表面やその周囲の帯電を緩和することが可能な高感度な電子管 を提供することを目的とする。 発明の開示
上記課題を解決するために本発明の電子管は、 アル力リ金属を含む光 電面を有する陰極と、裏面側を該光電面に対向して設置されるとともに、 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、 該裏面照射型半導体素子は、 その 表面側から該電荷転送部を覆うようにかつ表面側が平坦に形成された平 坦化膜と、 該平坦化膜上に形成されると共に、 該電荷転送部と電気的に 接続された導電配線と、 該平坦化膜及び該導電配線を覆うように形成さ れたシリコン窒化物を主成分とする薄膜とを備えている。
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平坦化膜を形成する 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。 更に、 半導体素子の表面側を平坦化することにより、 導電配線、 シリコン窒化物を主成分とする薄膜の形成を容易にすること ができる。
また、 上記平坦化膜及び導電配線を覆うように形成したシリコン窒化 物を主成分とする薄膜は、 光電面の活性のために用いられるアル力リ金 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。 アノードである半導体素子の最表面に、 シリコン窒化物 からなる膜を形成すれば、 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。 更に、 シリコン窒化物膜の下部に設けられた平坦化膜は、 シリコン窒化 物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。
ここで、 該電荷転送部の表面には S i 〇2層が形成され、 該平坦化膜 は、 ホスホシリケ一トガラスからなり、 該 S i 0 2層と該薄膜との間に 形成されているのが好ましい。
導電配線及びシリコン窒化物を主成分とする薄膜と、 半導体素子の表 面を形成する S i 〇2層との間にホスホシリケートガラスからなる平坦 化膜を介在させることで、 導電配線、 シリコン窒化物を主成分とする薄 膜と S i〇2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。 また、 半導体素子の最表面に、 S i 〇2 と比較して電気伝導 率が高いシリコン窒化物を主成分とする薄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。 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。
また、 該電荷転送部の端子部の上部に位置する該平坦化膜には、 貫通 穴が形成されており、 該導電配線は、 該貫通穴を介して該端子部と電気 的に接続されているのが好ましい。 このような構成により、 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。
更に、 該導電配線のボンディングパッ ド部の上部に位置する該薄膜に は、 貫通穴が形成されて該ボンディングパッド部を露出させ、 該貫通穴 には、 該ボンディングパッド部と接続する導電体が配置されているのが 好ましい。 かかる構成により、 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。 図面の簡単な説明 第 1図は、 本発明の実施形態に係る電子管に用いる C CD素子の断面 図である。
第 2図は、 本発明の実施形態に係る電子管の断面図である。
第 3 (a) 図は、 本発明の実施形態に係る電子管の C CD素子接合部 の断面図である。
第 3 (b) 図は、 本発明の実施の形態に係る電子管の導電配線の端子 部と薄膜の貫通穴を示す断面図である。
第 4図は、 本発明の実施形態に係る電子管の C CD素子接合部の平面 図である。
第 5図は、 本発明の実施形態に係る電子管に用いる C CD素子の平面 図及び側面図である。
第 6図は、 本発明の実施形態に係る電子管に用いる C CD素子の拡大 図である。
第 7図は、 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。
第 8図は、 本発明の実施形態に係る電子管に用いる C CD素子の第 1 の製造工程を示す断面図である。
第 9図は、 本発明の実施形態に係る電子管に用いる C C D素子の第 2 の製造工程を示す断面図である。
第 1 0図は、 本発明の実施形態に係る電子管に用いる C CD素子の第
3の製造工程を示す断面図である。
第 1 1図は、 本発明の実施形態に係る電子管に用いる CCD素子の第 4の製造工程を示す断面図である。
第 1 2図は、 本発明の実施形態に係る電子管に用いる C CD素子の第 5の製造工程を示す断面図である。
第 1 3図は、 本発明の実施形態に係る電子管に用いる C CD素子の第 6の製造工程を示す断面図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明の実施形態に係る電子管を第 1図乃至第 7図に基づき説明する。 第 2図は、 本発明の実施形態に係る電子管の断面図であり、 電子管 1 0 は、 円筒状の側管 1 2の 2つの開口部に、 略円盤形状の入力面板 1 4と、 同じく略円盤形状のステム 1 6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 1 4 の真空領域側の表面には光電面 1 8が形成されていると共に、 ステム 1 6の真空領域側には半導体素子である C C D素子 2 0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。
側管 1 2は、 外径 4 3 mm程度の大きさの円筒形状を有するセラミツ クス製の側管上部 2 2と側管下部 2 4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 2 6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 2 2側の開口部 （以下第 1の開口部 1 2 a ) には円環状の上部電極 2 8が設けられ、 側管下部 2 4側の開口部 （以下第 2の開口部 1 2 b ) には円環状の下部電極 3 0が 設けられており、 光電面 1 8への印加電圧を供給できるようになつてい る。 ここで上部電極 2 8は、 側管 1 2と入力面板 1 4との接着剤、 及び 真空領域の形成のためのシール材として機能するインジウム材 （In材） 3 2を注入することができるように、 樋形状になっている。 更に、 フラ ンジ 2 6と下部電極 3 0との間には、 管内の残存ガスを吸着するための ゲッ夕一 3 4が電気的に接続されている。
入力面板 1 4は、 第 2図に示すように、 略円盤形状を有するコバール ガラス製の面板 3 6を主材として形成されている。 面板 3 6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力リ 金属で形成された光電面 1 8が形成されている。 また、 光電面 1 8の縁 辺部から面板 3 6の縁辺部に向かって、 C rからなる金属薄膜 3 8が形 成されている。 入力面板 1 4は、 上記凸部が側管 1 2の内側になるよう に側管 1 2の第 1の開口部 1 2 aに固定され、 面板 3 6の縁辺部と側管 1 2の上部電極 2 8は、 樋形状を有する上部電極 2 8に注入された I n 材 3 2によって接着、 シールされている。 また、 面板 3 6の表面に形成 された金属薄膜 3 8によって、 光電面 1 8と上部電極 2 8が電気的に接 続され、光電面 1 8に高電圧を印加することができるようになつている。 ステム 1 6は、 第 2図に示すように、 4枚の円盤状のセラミック板 4 0 a〜4 0 dを重ねて肉厚化したベース板 4 0を基体としており、 ベ一 ス板 4 0の周囲には、 側管 1 2との電気的接続を確保すると共に、 側管 1 2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 4 2 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 4 0 aの上 部には、 C C D素子 2 0を固定するために、 シリコンからなる支持基板 4 4が接着剤 4 3 (第 3図） によって接合されており、 最下層のセラミ ック板 4 0 dには、 C C D素子 2 0から出力された信号を電子管 1 0の 外部に出力するためのステムピン 4 6が複数本設置されている。 ベース 板 4 0の内部には、 C C D素子 2 0から出力される出力信号をステムピ ン 4 6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 4 6に接続されている。 ステム 1 6は、 支持基板 4 4が側管 1 2の内側に配置されるように側管 1 2の第 2の開口部 1 2 bに固定され、 金属フランジ 4 2と側管 1 2の下部電極 3 0とを溶接することにより接合、 シールされている。
C C D素子 2 0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 （第 1図参照） であって、 第 2図に示す ように、 デバイス生成面 （以下表面 Aという） が支持基板 4 4と、 その 裏面 （以下裏面 Bと言う） が光電面 1 8とそれぞれ対向するように支持 基板 4 4上に固定されている。 また、 電子の入射する中央部 2 0 aは、 裏面 B側から基板の一部が削り取られており、 周辺部 2 0 bより薄板化 されている。 なお、 第 1図において、 5 0は絶縁性を有する充填材料、 5 2は支持基板 4 4に形成された溝、 5 4は支持基板 4 4とベース板 4 0とを接続するワイヤ、 5 6は遮蔽電極であり、 これらは第 3図 （a ) に基づき詳述する。
第 3 ( a ) 図は、 C C D素子 2 0と支持基板 4 4との接合部の断面を 示す。 C C D素子 2 0の表面 Aの周辺部 2 0 bには、 A uを主成分とし た複数のバンプ 4 7 、 アルミニウム製のボンディングパッド 4 8を介 して設けられており、 また、 支持基板 4 4の上部表面には、 上記のバン プ 4 7が接合する位置に対応して A u蒸着されたボンディングパッド 4 9が形成されている。 上記ボンディングパッド 4 8 、 4 9及びバンプ 4 7によって C C D素子 2 0と支持基板 4 4とが機械的かつ電気的に接続 されている。
ここで、 支持基板 4 4は C C D素子 2 0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べ一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 4 7の接着強度は温度上 昇とともに低下するので、 バンプ 4 7による接合部の周辺に絶縁性樹脂 などの絶緣性充填材料 5 0を注入し、 C C D素子 2 0と支持基板 4 4と の接続を強固なものとしている。
溝 5 2は、 支持基板 4 4上のバンプ 4 7による接合部の内側に形成さ れている。 接合部に絶縁性充填材料 5 0を注入したときに、 過剰な絶縁 性充填材料 5 0が溝 5 2に流れ込むか若しくは表面張力によって溝 5 2 の端部で止まり、 絶縁性充填材料 5 0が C C D素子 2 0の中央部 2 0 a の表面に付着しないようにするためのものである。
C C D素子 2 0と支持基板 4 4との接合部を上面から見ると、 第 4図 に示すようになつている。 バンプ 4 7による接合部からステムピン 4 6 までの電気的な接続は、 支持基板 4 4上に形成されたアルミ配線 5 3 、 支持基板 4 4とベース板 4 0とを接続するワイヤ 5 4、 及び、 ベ一ス板 4 0内に施された内部配線によってなされている。 遮蔽電極 5 6は、 抵 抗溶接によってステム 1 6に取付けられており、 ワイヤ 5 4の上部は、 高電圧が印加されている光電面 1 8と C C D素子 2 0間の耐圧を向上さ せるために、 遮蔽電極 5 6によって覆われている。
C C D素子 2 0は、 第 5図に示すように、 中央部 2 0 aが周辺部 2 0 b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 5 9が形成されており、 表面 Aには電子入射部 5 9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 6 0、 及び、 垂直電 荷転送部 6 2が形成されている。なお第 5図において、 8 2は F E T部、 8 6は導電性アルミ配線、 9 6は基板接続部、 9 8はリセッ トゲート端 子部、 1 0 0はリセッ トドレイン端子部、 1 0 2はアウトプッ トドレイ ン端子部、 1 0 4はアウトプッ トソース端子部である。 これらは個別的 には半導体素子において公知であり、 説明は省略する。
ここで、 C C D素子 2 0を第 5図中の Xで切断した断面を第 1図に示 す。 C C D素子 2 0は半導体基板 6 4上に形成される。 半導体基板 6 4 は、 P型あるいは N型のシリコンから成り、 その表面側には半導体基板 6 4とは不純物濃度の異なるェピタキシャル層 6 3が形成され、 C C D 素子 2 0は、 ェピタキシャル層 6 3側に形成される。 半導体基板 6 4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 6 4上に は、 半導体基板 6 4と逆導電型の埋め込み層 6 6が形成されており、 埋 め込み層 6 6の内部の所定の位置には、 不純物を導入して埋め込み層 6 6とは不純物濃度の異なるバリァ領域 6 8が形成されている。 埋め込み 層 6 6上には、 S i 〇2層 7 0を介して、 蓄積電極層 7 2、 転送電極層 7 4、 バリア電極層 7 6がそれぞれ所定の重なりを持って形成されてい る。
C C D素子 2 0の表面 A側においては、 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 P S G ) からなる P S G膜 （平坦化膜）
7 8が形成されており、 C C D素子 2 0の表面を平坦化している。 ここ で、 垂直電荷転送部 6 2、 水平電荷転送部 6 0の電極 8 0 、 F E T部 8 2などの端子部の上部に位置する P S G膜 7 8には、 コンタク 卜ホール 8 4が形成されており、 これらの端子部は、 コンタクトホール 8 4を介 して P S G膜 7 8上に形成された導電性アルミ配線 8 6と電気的に接続 されている。 図 1に基づき詳述すれば、 電荷転送部の端子部をなす電極
8 0の一部の上部に位置する P S G膜 7 8には、 コンタクトホール 8 4 をなす貫通穴が形成されており、 導電性アルミ配線 8 6が貫通穴を介し て、 端子部と電気的に接続されている。 そして、 ？ 5 0膜7 8の上側に は、 後述する S i N膜 （薄膜） 1 0 6が形成されている。
第 6図は、 水平電荷転送部における、 アルミ配線 8 6とコンタクトホ ール 8 4の様子を模式的に表した図である。 アルミ配線 8 6は、 コン夕 クトホール 8 4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 8 6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 8 4を通っているアルミ配線 8 6が、水平電荷転送部 6 0 、 垂直電荷転送部 6 2の一部を結んでいるところである。
P S G膜 7 8上に形成されたアルミ配線 8 6は、水平電荷転送部 6 0 、 垂直電荷転送部 6 2、 基板接続部 9 6、 リセッ トゲート端子部 9 8、 リ セットドレイン端子部 1 0 0、 アウトプッ トドレイン端子部 1 0 2、 ァ ゥトプッ トソース端子部 1 0 4等を電気的に接続している。 また、 支持 基板 4 4と C C D素子 2 0との接続端子部は、 支持基板 4 4と電気的に 接続するために、 第 7図に示すように、 アルミ配線 8 6と比較して面積 が大きいボンディングパッド 4 8が形成されており、 ボンディングパッ ド 4 8上には、 A uよりなる凸状のバンプ 4 7が形成されている。
S i N膜 1 0 6は、 S i Nを主成分とし、 P S G膜 7 8、 及びアルミ 配線 8 6の上部において、 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 S i N膜 1 0 6は、 C C D素子 2 0と支持 基板 4 4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 4 8が露出して電極を形成している。 具体的には、 第 3 ( b ) 図 に示されるように、 導電性アルミ配線 8 6の端子部をなすボンディング パッド 4 8の上側に位置する S i N膜 1 0 6には、 貫通穴が形成され、 この貫通穴内でボンディングパッド 4 8が露出し、 バンプ 4 7が貫通穴 内に配置されて、ボンディングパッド 4 8と接続可能に設けられている。 次に、 本実施形態に係る電子管 1 0の製造方法について説明する。 電 子管 1 0を製造するには、 まず C C D素子 2 0を製造する。 第 8図〜 1 3は、 C C D素子 2 0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。
第 1の工程では、 第 8図に示されるように、 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、 不純物濃度の異なるェピタキシャ ル層 6 3を表面側に持った半導体基板 6 4上に、 半導体基板 6 4と逆導 電型の埋め込み層 6 6を形成し、 その表面に S i 02層 7 0を形成する。 また、 S i 02層 7 0の上部に、 ポリシリコンより成る蓄積電極層 7 2 を形成し、 その表面に、 再度 S i 02層 7 0を形成する。
第 2の工程では、 第 9図に示されるように、 埋め込み層 6 6内の、 蓄 積電極層 7 2の一方の側に隣接した部分に、 ホトレジストを用いたィォ ン注入法により不純物を導入し、 埋め込み層 6 6と不純物濃度の異なる バリァ領域 6 8を形成する。
第 3の工程では、 第 1 0図に示されるように、 バリァ領域 6 8を覆い、 一方の側で蓄積電極層 7 2に重なり、 他方の側では蓄積電極層 7 2と隙 間を持つように、 転送電極層 7 4を形成し、 その表面に、 再度 S i 〇2 層 7 0を形成する。 また、 蓄積電極層 7 2と転送電極層 7 4の隙間部分 の埋め込み層 6 6内に、 イオン注入法により不純物を導入し、 埋め込み 層 6 6と不純物濃度の異なるバリア領域 6 8を形成する。
第 4の工程では、 第 1 1図に示されるように、 第 3の工程で形成した バリア領域 6 8を覆い、 隣接する蓄積電極層 7 2と転送電極層 7 4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 7 6を形成し、 その表面に S i 02層 7 0を形成する。
第 5の工程では、 第 1 2図に示されるように、 C C D素子 2 0の表面 を平坦化するために、 C C D素子 2 0の表面全体に、 ？ 3 &膜7 8を形 成する。 その後、 P S Gをリフロー （加熱溶融） することにより凹凸を ならして P S G膜 7 8を平坦化する。 また、 ？ 0膜7 8上に、 アルミ 配線 8 6を配置し、 水平電荷転送部 6 0、 垂直電荷転送部 6 2の電極 8 0 、 F E T部 8 2等の端子部上部の P S G膜 7 8には、 コンタク トホー ル 8 4を形成することにより、 蓄積電極層 7 2、 転送電極層 7 4、 バリ ァ電極層 7 6などとアルミ配線 8 6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 4 8を形成する。
第 6の工程では、 第 1 3図に示されるように、 C C D素子 2 0の表面 全体、 つまり、 P S G膜 7 8上に、 C V D法などにより、 S i N膜 1 0 6を形成する。 その後、 端子部等必要箇所の S i Nを除去し、 ボンディ ングパッ ド 4 8を露出させて、 電極を形成する。
第 7の工程 （図示せず） では、 C C D素子 2 0の裏面 Bの周辺部 2 0 bを S i Nでマスクし、化学エッチングすることにより、 中央部 2 0 a、 すなわち電子入射部 5 9を 2 0 m程度に薄板化する。 化学エッチング には、 K〇H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 5 9に、 イオン注入法により不純物をドープ することで、 アキュムレ一シヨン層を形成し、 裏面 Bの界面付近で生じ た信号電荷が、 C CD素子 2 0のポテンシャル井戸に流れやすい構造に している。
上記工程により製造した CCD素子 2 0と支持基板 44を接合するに は、 C CD素子 2 0の表面周辺部 2 0 b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 4 9を 3 0 0°C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 4 9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 5 3と、 溝 5 2を形成しておく。 溝 5 2は、 KOH溶液などでエッチングすることにより形成できる。
その後、 接合部に絶縁性充填材料 5 0を流し込み、 硬化させる。 この ときに、 溝 5 2が形成されている対向する 2つの辺から絶縁性充填材料 5 0を充填すると、 毛細管現象により C CD素子 2 0と支持基板 44と の間に絶縁性材料 5 0を良好に充填することが可能となる。 また、 溝 5 2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、 C CD素子 2 0の損傷を防止 することができる。 また、 過剰な絶縁性材料 5 0は溝 5 2に流れ込むか もしくは表面張力によって溝 5 2の端部で止まり、 C CD素子 2 0の表 面中央部 2 0 aに付着することがない。 よって、 絶縁性材料 5 0の硬化 時に、 C CD素子 2 0の中央部 2 0 aが変形することを防止できる。
C CD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 4 4上のアルミ配線 5 3とべ一ス板 4 0とを電気的に接続する。 その後に、 遮蔽電極 5 6をベース板 4 0に抵抗溶接する。
続いて、 真空側に C rを薄く蒸着させた入力面板 1 4、 及び、 フラン ジ等を介して接続された側管 1 2とステム 1 6をトランスファ一装置内 に導入し、 装置内を真空として 3 0 0 程度の温度でベ一キングする。 ベーキング後に、 K、 C s、 N aを入力面板 1 4に作用させ、 光電面 1 8を形成する。 光電面 1 8は、 あらかじめ入力面板 1 4にボンディン グした G a A sもしくは G a A s Pなどといった I I I -V 族の半導体結 晶を、 C s及び〇2 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。 ここで、 C C D素子 2 0の表面に形成された S i N膜 1 0 6は 3 0 0 °C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 1 0を極めて安定に製造することができる。
更に、 入力面板 1 4を I n材 3 2を用いて側管 1 2に接続、 密封して、 電子管 1 0が完成する。 このとき光電面 1 8と C C D素子 2 0との間隔 は 2 mm程度となっている。 また、 電子管 1 0の完成後に、 フランジ 2 6に電圧を印加し、 適宜ゲッ夕一 3 4を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。
続いて、 本実施形態に係る電子管の作用及び効果について説明する。 電子管 1 0の光電面 1 8には、 — 8 k Vの高電圧が印加されており、 C C D素子 2 0の電子入射部 5 9は接地されている。 従って、 光電面 1 8 に入射した光強度に応じて、 光電面 1 8から電子管 1 0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、 C C D素子 2 0の電子入射 部 5 9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 6 4内でエネルギーを失う際に、 多数の電子一正孔対を生成し、 印加 電圧が一 8 k Vである場合は、 約 2 0 0 0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。 ここで、 通常の電子管では、 光電面形成の際に、 管内に N a、 K、 C sなどのアル力リ金属が導入されており、 C CD素子 20もこれらのァ 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 C CD素子 20の基板上の電荷転送部内に混入し、 ゲート S i〇2 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 1 0は、 C CD素子 20の最表面全面に、 S i N膜 1 06を形成したこと により、 管内に導入されたアル力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、 S i〇2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。 また、 S i N膜 1 0 6を形成する S i Nは、 S i 02 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 1 0の内部の絶縁物である、 側管 1 2ゃステム 1 6が帯電することを防止する作用がある。その結果、 C CD素子 20の表面及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。
本実施形態に係る電子管 1 0は、 上記に示すように高いゲインが得ら れるので、 画像の信号量が C CD素子 20のノイズ成分と比較して十分 大きくなり、 SZN比が大きく、 シングルフオ トンの撮像も可能となる。 また、 従来の MC P (Micro Channel Plate )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 F 0 P (Fiber Optical Plate)において変換損失がない、 といった利点がある。
更に、 S i N膜 1 06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 C CD素子 20へのダメ一 ジも軽減することが可能であり、 また、 アルカリ腐食液使用時の、 CC D素子 20内へのアル力リ金属の侵入を防ぐ効果もある。
また、 S i N膜 1 06の下部に形成された P S G膜 78は、 CCD素 子 20の表面を平坦化することにより、 S i N膜 1 06の形成を容易な ものとし、 かつ、 S i N膜 1 06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。 本発明による電子管は、 上述の実施の形態に限定されず、 種々の変更 が可能である。 例えば、 上記実施形態において、 CCD素子 20の最表 面には、 S i N膜 1 06を形成していたが、 これは S i ONから形成さ れる膜であっても良い。 ここで、 S i ONとは、 アルカリ金属を透過さ せず、 かつ、 S i 02 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、 S i Nに所定の割合で酸素を結合させたものである。 また、 S i ON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。 なお概念上、 S i ONもシリコン窒化物 に属することは勿論のことである。
また、 上記実施形態において、 S i N膜 1 06の下部には、 P SG膜 7 8を形成していたが、 これは、ポロホスホライ トシリケイ トガラス（B P S G) 、 スピンオンガラス （SOG) 、 ポリイミ ド膜などであっても 良い。
更に、 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 A 1— S i、 A l— S i— C u、 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。 産業上の利用可能性
本発明に係る電子管は、 低照度領域の撮像装置、 例えば監視カメラ等 に幅広く用いられる。

Claims

請求の範囲
1 . アルカリ金属を含む光電面を有する陰極と、
裏面側を該光電面に対向して設置されるとともに、 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、
該裏面照射型半導体素子は、 その表面側から該電荷転送部を覆うよう にかつ表面側が平坦に形成された平坦化膜と、
該平坦化膜上に形成されると共に、 該電荷転送部と電気的に接続され た導電配線と、
該平坦化膜及び該導電配線を覆うように形成されたシリコン窒化物を 主成分とする薄膜とを備えたことを特徴とする電子管。
2 . 該電荷転送部の表面には S i 0 2層が形成され、 該平坦化膜は、 ホスホシリケ一トガラスからなり、 該 S i 0 2層と該薄膜との間に形成 されていることを特徴とする請求項' 1記載の電子管。
3 . 該電荷転送部の端子部の上部に位置する該平坦化膜には、 貫通穴 が形成されており、 該導電配線は、 該貫通穴を介して該端子部と電気的 に接続されていることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の電子管。
4 .該導電配線のボンディングパッド部の上部に位置する該薄膜には、 貫通穴が形成されて該ボンディングパッド部を露出させ、該貫通穴には、 該ボンディングパッド部と接続する導電体が配置されていることを特徴 とする請求項 1乃至 3のいずれか一に記載の電子管。
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