JPH0476055B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光スポツトや粒子線の入射位置を計測
することにより、光または粒子を発散する被計測
物の動きや位置の計測、制御を行う場合の検出器
として、または発散される光や粒子が非常に微弱
であるような画像を計測する場合、ランダムに入
射する粒子線の位置と頻度を蓄積することにより
積分画像を得る場合に用いる粒子線等の入射位置
を検出するための半導体入射位置検出装置に関す
る。

（従来の技術） 従来の半導体を用いた粒子線用の位置検出装置
を第９図を参照して説明する。

２次元半導体位置検出装置として表面分割型の
半導体位置検出装置と両面分割型の半導体位置検
出装置が知られている。

第９図ａ，ｂおよびｃは、それぞれ表面分割型
の半導体位置検出装置の斜視図、断面図および平
面図である。

従来の表面分割型の半導体位置検出装置は各図
に示されているように、ある伝導型を示す半導体
基板１の片面に反対の伝導型の抵抗層２を形成し
てある。

抵抗層２の形状は正方形または長方形であり、
その抵抗層２の辺に沿つて辺の長さの一定の割合
の部分に電極３が形成されている。

第９図ｄ、ｅ、ｆは、それぞれ両面分割型の半
導体位置検出装置の斜視図、断面図および平面図
である。

半導体基板１上に形成された、基板とは反対の
伝導型を持つ正方形または長方形の抵抗層２の一
組の向かい合う辺に沿つて電極３が形成され、ま
た半導体基板１裏面には全面に基板と同じ伝導型
の抵抗層５が形成されている。

そして裏面には前記表面の電極３と直交する対
辺に沿つて電極４が形成されている。

入射粒子の位置を座標軸を第９図のｃおよびｆ
のように正方形または長方形の抵抗層の中心点を
通り、抵抗層の辺と平行になるように取り、電極
と交わる点を±１とする座標系により特定する。

表面分割型の半導体位置検出装置では電極３の
、３の、３の、３のを接地し、電極に
ｐ−ｎ接合が逆バイアスとなるように電圧をかけ
ておく。また両面分割型の半導体位置検出装置で
は電極３の、３のと、電極３の、３のと
の間にｐ−ｎ接合が逆バイアスとなるようにバイ
アスをかけておく。

抵抗層の上の任意の座標（ｘ、ｙ）の点に粒子
が入射すると内部効果によつて発生した励起キヤ
リアはｐ−ｎ接合で分離され、表面分割型ではそ
の一方のキヤリアが抵抗層２で分割され、電極３
の〜に流れ込む。電極３のの電流をI₁、３
のの電流をI₂、３のの電流をI₃、３のの電
流をI₄とすると Ｘ＝（I₃−I₁）／（I₃＋I₁） Ｙ＝（I₂−I₄）／（I₂＋I₄） の計算（演算）をすることにより（ｘ、ｙ）に対
応した位置出力を得ることができる。

両面分割型の半導体位置検出装置ではｐ−ｎ接
合で分離されたキヤリアのうち一方は表面に設け
られた抵抗層で分離され電極３のとに流れ込
む。他方は裏面の抵抗層５で分割され電極４の
とに流れる。

Ｘ＝（I₃−I₁）／（I₃＋I₁） Ｙ＝（I₂−I₄）／（I₂＋I₄） の計算（演算）をすることにより（ｘ、ｙ）に対
応した位置出力を得ることができる。

前記表面分割型と両面分割型の半導体位置検出
装置は互いに他方にはない長所と短所を備えてい
る。第１０図は半導体位置検出装置の位置出力特
性を示すグラフである。同図Ａは表面分割型の装
置の位置出力特性、同図Ｂは両面分割型の装置の
位置出力特性を示している。

いずれのものも13mm×13mmの抵抗層２内の10mm
×10mmの領域内をＸ軸、Ｙ軸にそれぞれ平行に一
定ピツチで粒子線の代わりに光スポツトを移動さ
せて得られた前述のＸ、Ｙの出力特性をグラフ化
したものである。

第１０図Ａに示す表面分割型の装置では、測定
のための光スポツトは碁盤の目を形成するように
一定ピツチで移動させているのに、出力図形のピ
ツチは一定ではなく周辺部においてピツチが狭く
なつている。

これに対して第１０図Ｂに示す両面分割型の装
置の出力特性はほぼ一定ピツチとなつていて歪が
少ない。

両面分割型の装置は、前述のように出力特性が
優れているが、基板１にある結晶欠陥をゲツタリ
ングするのが困難である。そのため、表面分割型
の装置に比較して接合もれ電流がはるかに大きく
なり、その値は表面分割型の装置の10倍〜100倍
に達することがある。

また位置検出装置の雑音特性は主に抵抗層のシ
ート抵抗で決定され、信号レベルが小さい場合に
は、シート抵抗を大きくして雑音を小さくする必
要がある。

しかしながら、粒子の入射によつて生ずる特性
の劣化はシート抵抗が大きい程顕著になる。

入射粒子が特に電子または荷電粒子のような場
合には照射によつてシリコン基板表面に損傷を発
生する。この損傷がｐ−ｎ接合の近傍の場合、通
常の粒子線検出装置では多少の暗電流の増加をま
ねくが致命的な劣化とはならない。

しかし位置検出装置の場合には、薄い不純物ド
ープにより抵抗層の抵抗値が変化すると共に暗電
流および変換感度の劣化等も通常の粒子線検出装
置に比較して大きなものとなる。さらに電子や荷
電粒子の入射に対する不感層を小さくするため
に、抵抗層を覆つている保護膜を取り除くと低キ
ヤリア濃度の抵抗層は、表面の汚染や表面の寄生
電荷などにより一層特性劣化が顕著となる。

以上を要約すると、表面分割型位置検出装置
は、もれ電流が小さくできるが位置出力誤差が大
きく、両面分割型位置検出装置は位置出力誤差は
小さいが、もれ電流が大きく、両位置検出装置と
も抵抗層側からの粒子の入射には、特に電子や荷
電粒子のような場合、特性の劣化が付随する。

（発明の目的） 本発明の目的は、もれ電流が小さく、位置出力
の歪が小さく、逆バイアス印加が容易で、粒子線
（特に電子または荷電粒子）の照射によつて位置
出力特性の変化や感度の劣化がなく、かつ高感度
な粒子線等の入射位置を検出するための半導体入
射位置検出装置を提供することにある。

（発明の構成） 前記目的を達成するために、本発明による粒子
線等の入射位置を検出するための半導体入射位置
検出装置は、第１の導電型を有する半導体基板に
第２の導電型から成る抵抗層を形成し、半導体基
板に入射した粒子線または光スポツト（以下「粒
子線等」）によつて生成された電流が前記抵抗層
の周辺に設けられた複数の電極に分割されて出力
される半導体位置検出素子であつて、粒子線等の
入射を第２の導電型から成る抵抗層が形成されて
いる面の反対側の半導体基板より入射させるよう
にし、 この入射面となる半導体基板の表面に充分薄く
かつ高濃度の第１の導電型の層を形成し、 前記抵抗層の形状が抵抗層を４つの円弧状の抵
抗線で、その抵抗線の接続点が正方形または矩形
の各角に位置するように囲み、前記抵抗線の接続
点から電流が取り出されるようにし、前記抵抗層
のシート抵抗値ｒと円弧状抵抗線の線抵抗率Ri
と円弧状抵抗線の曲率半径aiとの関係を Ri＝ｒ／ai（ｉは１〜４の整数）として構成さ
れている。

前記検出すべき粒子線は電子または荷電粒子で
ある。

（実施例） 以下、図面等を参照して本発明をさらに詳しく
説明する。

第１図は本発明による粒子線等の入射位置を検
出するための半導体入射位置検出装置の実施例を
示す平面図および縦断面図である。

この実施例は、特に電子および荷電粒子の入射
位置を検出対象とするものである。

半導体基板１１としてｎ型シリコンウエーハ、
比抵抗3kΩcm以上のものを使用する。

この半導体基板１１の両面とも鏡面研摩する。

この半導体基板１１を熱酸化し全面に次のホウ
素の拡散マスクとなる厚いSiO₂を成長させる。
次に半導体基板１上の一方の面のSiO₂に一辺の
長さ26mmの正方形の頂点を結ぶ半径ａcmの弧の部
分に沿つて幅300μｍの線状に、ホトリソグラフ
イーによつて孔あけする。

そしてこの部分にホウ素をイオン注入によつて
導入し熱処理によつて拡散させ、弧の部分の長さ
の方向の単位長さ（１cm）当たりの抵抗が全工程
終了後Ｒ（Ω／cm）となるように調節した。この
線状の弧の部分をボーダ抵抗部１３と呼ぶことに
する。

再び半導体基板１１を酸化し、ボーダ抵抗部１
３の上に5000ÅのSiO₂を成長させる。

次にホトリソグラフイーによりボーダ抵抗部１
３で囲まれている領域のSiO₂と、ボーダ抵抗部
１３が形成されているのと反対側の面の全面の
SiO₂を除去する。

この時ボーダ抵抗部１３にもオーバラツプして
SiO₂を取り除くようにする。オーバラツプの幅
は50μｍである。

この半導体基板１１を熱酸化し、前記SiO₂除
去部に1500ÅのSiO₂を成長させる。

次に、半導体基板の前記パターンの側に加速エ
ネルギー75kevでボロンイオンを、またパターン
と反対側の全面に150kevでリンイオンを注入し
た。注入後、基板をN₂雰囲気中でアニールする。
アニール後のパターン面（ボロンイオイ注入面）
のシート抵抗値ｒ（Ω／□）は、全工程終了後Ｒ
＝ｒ／ａとなるように調整された。またリンイオ
ン注入層のシート抵抗値は50（Ω／□）、注入層の
厚みは3000Åである。リンイオン注入層側の1500
Åの酸化膜はアニール後全面除去された。

ボーダ抵抗部１３によつて囲まれたボロンイオ
ン注入部を抵抗層部１４、反対側のリンイオン注
入部をn⁺部１２と呼ぶことにする。

ボーダ抵抗部１３の４隅の頂点の部分に、ボー
ダ抵抗部１３からはみ出さないようにして直径
600μｍのAL電極１５が同心円状に形成され、n⁺
部１２の周辺には金（Au）がマスク蒸着され、
半導体基板と合金して裏面の電極とした。

半導体基板は５ピンセラミツクケースにダイボ
ンデイング、ワイヤボンデイング接続する。

チツプの寸法は30mm×30mmであり、ボーダ抵抗
部１３の線抵抗率Ｒは8kΩ／cm、弧の部分の曲率
半径ａは５cm、抵抗層部のシート抵抗は40kΩ／
□である。

第２図は以上の工程で製作された半導体位置検
出装置を使つて位置検出をする演算回路のブロツ
ク図である。

C₁〜C₄は電荷−電圧変換器である。

C₁〜C₄の入力の電位は接地電位となつていて
粒子の入射により変換された電荷信号が流れ込
み、電圧に変換された信号V₁〜V₄をそれぞれ出
力する。

A₁〜A₅は加算器である。S₁とS₂は減算器であ
る。D₁とD₂除算器で送出されるＸ信号とＹ信号
は Ｘ＝〔（V₂＋V₃）−（V₁＋V₄）〕
／（V₁＋V₂＋V₃＋V₄） Ｙ＝〔（V₁＋V₂）−（V₃＋V₄）〕
／（V₁＋V₂＋V₃＋V₄） となつている。

粒子の入射の代わりに、スポツト状の光パルス
を、前記装置に取り付けた素子面上にn⁺部１２
の中央20mm×20mm内を一定ピツチで照射させなが
ら移動し位置演算をさせた結果を第３図に示す。
第３図から明らかなように位置演算出力のピツチ
はほぼ一定で直線の歪も小さい。

同一の基板の厚み方向構造を持つ従来の表面分
割型の位置検出装置と比べて、位置出力特性が改
善されていることは明らかである。

次に本発明により、位置出力特性が改善される
理由を説明する。

第４図に示すように無限大の長さに延びた２つ
の平行な電極６１，６２の間に均一な抵抗層が形
成されている場合を想定して図のようにＸ座標軸
を取る。

電極６１と電極６２を接地する。Ｘ＝X₁の点
に電流源Ｉが接続されれば電極６１と６２に流入
する電流I₁とI₂とX₁の関係は Ｘ＝（I₂−I₁）／（I₂＋I₁） となる。

したがつて、このような状態の電極を作れば、
位置の直線性は最良となり、位置誤差は零となる
はずである。

ところで第５図のように均一で無限の広さの抵
抗層７２の中に半径ａ（cm）の孔があいていて、
円弧に沿つて線抵抗７１が付けられているとす
る。線抵抗７１の抵抗率をＲ（Ω／cm）とし、抵
抗層７３のシート抵抗をｒ（Ω／□）とする。

円の中心０を通るようにＸ軸を取り、−Ｘ軸か
ら角度θを取る。

均一な電流ＪがＸ方向に流れていてその電流が
円形の孔によつて乱されないとするとθ＝０から
θ＝θ₁の間の線抵抗にはJasinθの電流が流入す
る。

この電流がθ＝θ₁とθ＝θ₁＋dθの線抵抗に起こ
す電位降下はdθのｘと直角方向の投影をdxとし、
その電位降下をdVxとすると dx＝asinθだからdVx＝Jasinθ・rdθとなる。線抵
抗７１上の電位降下と抵抗層上の電位降下が等し
い時、電流が乱されていないということであるか
ら Jasinθ・aR・dθ＝Jasinθ・ｒ・dθ ∴Ｒ＝ｒ／ａ となる。

さて第６図のように一辺の長さl₁とl₂の長方形
の頂点を通る半径a₁₂，a₂₃，a₃₄，a₁₄の円弧によ
つて囲まれた抵抗層８５があり、円弧に沿つて線
抵抗率R₁₂，R₂₃，R₃₄，R₁₄の線抵抗の抵抗線７
１，７２，７３，７４が付けられているとする。

抵抗層のシート抵抗をｒ（Ω／□）とすると R₁₂＝ｒ／a₁₂、R₂₃＝ｒ／a₂₃、 R₃₄＝ｒ／a₃₄、R₁₄＝ｒ／a₁₄となつている。

抵抗線７１と７４を接続し接地して、抵抗線７
２と７３を接続して接地する。

これを第４図と比べると、第５図のような関係
から第６図と第４図は等価であると考えられる。

このようにして第６図のような電極構造を使う
ことによつて位置誤差のない位置出力が得られ
る。

第７図は、前記実施例装置の使用状態を示す斜
視図および基板内の不純物濃度分布を示すグラフ
である。

以上のように構成され使用される本発明による
粒子線等の入射位置を検出するための半導体入射
位置検出装置の特徴を列記する。

前述のような電極形状を用いることによつて
位置誤差の小さな位置出力が得られる。

本発明の粒子線等の入射位置を検出するため
の半導体入射位置検出装置は、n⁺部のイオン
注入およびアニールによつて半導体基板内の結
晶欠陥のゲツタリングができ、暗電流が従来の
表面分割型の装置と同程度もしくはそれ以下と
なつた。

表面分割型の装置では信号の情報量として粒
子線入射による変換電流をＸ演算用、Ｙ演算用
に分けて使用していたのに対し、本発明の検出
装置では、Ｘ演算用、Ｙ演算用共に、全変換電
流を用いて演算されるためＳ／Ｎの点で有利で
ある。

本発明の粒子線等の入射位置を検出するため
の半導体入射位置検出装置は、粒子の入射を抵
抗層部側から行わないから、特に粒子が電子ま
たは荷電粒子である場合には、入射による抵抗
層部のシート抵抗変化や接合の暗電流の増加が
ない。

本発明の粒子線等の入射位置を検出するため
の半導体入射位置検出装置は、抵抗層側から粒
子が入射する検出装置と比べ、入射部（n⁺部）
の不純物濃度が高く、また、n⁺部は充分薄く
形成されているから、深さ方向の不純物濃度勾
配による加速電界を大きくできる。

そのため、電子または荷電粒子の入射により
表面近傍に発生したキヤリアを、再結合中心の
多く存在する半導体表面からすばやく内部に走
行させることができる。

したがつて、感度が高くでき、電子または電
荷粒子の入射による損傷が生じても感度が安定
である。また表面（粒子入射面）の汚染や表面
の寄生電荷の影響を受けにくい。

前記効果をさらに説明するために、第８図に
3kevのエネルギーを持つ電子の入射に対する検
出装置の感度変化（曲線Ｓ）を示す。

同図には、抵抗層上のSiO₂を除去し、抵抗層
側から入射する場合（曲線Ｊ）との結果も示して
ある。

（発明の効果） 以上説明したように本発明による半導体入射位
置検出装置は粒子線等の入射を第２の導電型から
成る抵抗層が形成されているのと反対側の半導体
基板より入射させるようにしてある。そして、こ
の入射面となる半導体基板の表面に、充分薄くか
つ高濃度の第１の導電型の層を形成してある。

そのためもれ電流が小さく、位置出力の歪が小
さく、逆バイアス印加が容易で、粒子線（特に電
子または荷電粒子）の照射によつて位置出力特性
の変化や感度の劣化がなく、かつ高感度で粒子線
等の入射位置を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による粒子線等の入射位置を検
出するための半導体入射位置検出装置の実施例を
示す平面図および縦断面図である。第２図は前記
半導体位置検出装置を使つて位置検出をする演算
回路のブロツク図である。第３図は本発明による
半導体位置検出装置の位置出力特性を示すグラフ
である。第４図、第５図、第６図は半導体位置検
出装置における位置検出の誤差の発生を防止する
構成を説明するためのモデルを示す図である。第
７図は、前記実施例装置の使用状態を示す斜視図
および、基板内の不純物濃度分布を示すグラフで
ある。第８図は、本発明による粒子線等の入射位
置を検出するための半導体入射位置検出装置の寿
命試験の結果を示すグラフである。第９図は従来
の半導体位置検出装置を示す図であつて、同図
ａ，ｂおよびｃは、それぞれ表面分割型の半導体
位置検出装置の斜視図、断面図および平面図であ
り、同図ｄ，ｅ，ｆは、それぞれ両面分割型の半
導体位置検出装置の斜視図、断面図および平面図
である。第１０図は前記従来の半導体位置検出装
置の位置出力特性を示すグラフであり、同図Ａは
表面分割型の半導体位置検出装置の位置出力特
性、同図Ｂは両面分割型の位置出力特性を示して
いる。 １１……半導体基板、１２……n⁺部、１３…
…ボーダ抵抗部、１４……抵抗層部、C₁〜C₄…
…電荷−電圧変換器、A₁〜A₅……加算器、S₁，
S₂……減算器、D₁，D₂……除算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の導電型を有する半導体基板に第２の導
   電型から成る抵抗層を形成し、半導体基板に入射
   した粒子線または光スポツト（以下「粒子線等」）
   によつて生成された電流が前記抵抗層の周辺に設
   けられた複数の電極に分割されて出力される半導
   体位置検出素子であつて、 粒子線等の入射を第２の導電型から成る抵抗層
   が形成されている面の反対側の半導体基板より入
   射させるようにし、 この入射面となる半導体基板の表面に充分薄く
   かつ高濃度の第１の導電型の層を形成し、 前記抵抗層の形状が抵抗層を４つの円弧状の抵
   抗線で、その抵抗線の接続点が正方形または矩形
   の各角に位置するように囲み、前記抵抗線の接続
   点から電流が取り出されるようにし、前記抵抗層
   のシート抵抗値ｒと円弧状抵抗線の線抵抗率Ri
   と円弧状抵抗線の曲率半径aiとの関係を Ri＝ｒ／ai（ｉは１〜４の整数）として構成し
   た粒子線等の入射位置を検出するための半導体入
   射位置検出装置。 ２ 前記検出すべき粒子線は電子または荷電粒子
   である特許請求の範囲第１項記載の粒子線等の入
   射位置を検出するための半導体入射位置検出装
   置。