(57)【要約】【課題】共焦点顕微鏡は、レーザが試料の表面を走査する時に個別の地点が標本抽出されるように、光のレベルを迅速に標本抽出する。【解決手段】入射放射線を電荷発生によって感知する型式のセンサ装置は、入射放射線によって内部で電荷が発生する基板を有している。複数の電極は、基板の撮像区域を覆う様に配置され、供給される直流電圧と選択的に接続させて、電場が前記撮像区域に亘って作り出され、多数の電極に亘る電荷を前記撮像区域から出力まで掃引することができるようになっている。電極の１つに印加される電圧は、前記撮像区域内に電荷に対する障壁を設けるようなレベルの電圧である。而して、センサは、障壁電圧レベルによって画定される可変試料区域を有している。【選択図】図２
2014013903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射放射線を電荷発生によって感知する型式のセンサ装置において、
入射放射線によって内部で電荷が発生する基板と、
前記基板の撮像区域を画定するために配置されている複数の電極であって、各後に続く電極が先の電極を実質的に取り囲むように配置されている、複数の電極と、を備えており、
前記電極は、印加される直流電圧に接続可能で、電場が前記撮像区域に亘って作り出され、多数の電極に亘る電荷を前記撮像区域から出力まで掃引することができるようになっており、前記電極の内少なくとも１つは、或るレベルの直流電圧に接続可能で、前記撮像区域内に電荷に対する障壁を設け、それによって、前記センサは可変試料区域を有するようになっている、センサ装置。
【請求項２】
前記電極は同心である、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記電極は、それぞれが環状リングであり、各後に続く電極が先の電極を実質的に取り囲んでおり、更に、中心の実質的に円形の電極を取り囲んでいる、請求項２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記電極は、実質的に等しい幅である、請求項３に記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記電極は電圧に接続可能で、電荷が、内側の電極である前記電極の内の１つに対して外側の電極となる選択可能な数の前記電極から掃引されるようになっている、上記請求項の何れかに記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記電極は電圧に接続可能で、電荷が、選択可能な数の電極から前記試料区域の周辺部にある電極へ掃引されるようになっている、請求項１から５までの何れかに記載のセンサ装置。
【請求項７】
前記電極は、前記試料区域が複数のセグメントに分割されるように配置されており、其々のセグメントは出力を有している、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項８】
前記電極は直流電圧に接続可能で、前記電極の内の１つが試料区域を画定する障壁を提供する電圧レベルを有し、前記試料区域の内側にあるそれらの電極が電荷を出力に掃引する電圧レベルを有するようになっている、上記請求項の何れかに記載のセンサ装置。
【請求項９】
前記電極は直流電圧に接続可能で、前記試料区域より外側にある電極が、電荷を前記障壁から遠くへ掃引する電圧レベルを有するようになっている、請求項８に記載のセンサ装置。
【請求項１０】
前記電極は直流電圧に接続可能で、前記試料区域より外側にある電極が、電荷をドレインに向けて掃引する電圧レベルを有するようになっている、請求項８又は９に記載のセンサ装置。
【請求項１１】
前記試料区域より外側にある前記電極は、前記試料区域より外側の前記基板から移動性電荷を完全に無くする、高い電圧レベルを有している、請求項９又は１０に記載のセンサ装置。
【請求項１２】
前記出力は、前記試料区域に連結されている出力チャネルを備えており、前記出力チャネルは、直流電圧に接続可能な電極を有しており、更に、前記チャネルに沿って上昇するチャネル電位を有しており、前記試料区域からの前記電荷は、前記試料区域から前記出力チャネルに沿って掃引される、上記請求項の何れかに記載のセンサ装置。
【請求項１３】
前記出力チャネルは、先細形状の幅と、狭い端部と、広い端部とを有しており、前記狭い端部で、電荷が前記試料区域から掃引されて向かう前記電極の領域に連結されており、前記先細形状の幅は、前記チャネル電位が前記チャネルに沿って上昇するようになっている、請求項１２に記載のセンサ装置。
【請求項１４】
前記出力チャネルは、前記試料区域内の電極の前記領域に連結されている、請求項１２又は１３に記載のセンサ装置。
【請求項１５】
電荷が掃引されて向かう前記電極は、前記試料区域の前記中心に位置し、前記出力チャネルは、電荷を前記試料区域の前記中心から前記試料区域の外側へ掃引する、請求項１４に記載のセンサ装置。
【請求項１６】
前記試料区域に連結され、前記試料区域からの電荷を増倍するように配置されている電荷増倍レジスタを更に備えている、上記請求項の何れかに記載のセンサ装置。
【請求項１７】
前記複数の電極と増倍レジスタは、埋め込みチャネル構造として一体に製作されている、請求項１６に記載のセンサ装置。
【請求項１８】
上記請求項の何れかに記載のセンサ装置を備えている、レーザ走査顕微鏡装置。
【請求項１９】
入射放射線を電荷発生によって感知する型式のセンサ装置を作動させるための方法であって、前記センサ装置は、入射放射線によって内部で電荷が発生する基板と、前記基板の撮像区域を画定するために配置されている複数の電極であって、各後に続く電極が先の電極を実質的に取り囲むように配置されている、複数の電極と、を備えている、センサ装置を作動させるための方法において、
前記電極を直流電圧に接続して、電場が前記撮像区域に亘って作り出され、多数の電極に亘る電荷が前記撮像区域から出力まで掃引されるようにする、前記電極を直流電圧に接続する段階と、
前記電極の内の少なくとも１つを或るレベルの直流電圧に接続して、前記撮像区域内に電荷に対する障壁を設け、それによって、前記センサが可変試料区域を有するようにする、前記電極の内の少なくとも１つを直流電圧に接続する段階と、から成る方法。
【請求項２０】
前記電極を電圧に接続して、電荷が、内側の電極である前記電極の内の１つに対して外側の電極となる選択可能な数の前記電極から掃引されるようにする段階を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記電極を電圧に接続して、電荷が、選択可能な数の電極から前記試料区域の周辺部にある電極へ掃引されるようにする段階を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記電極を直流電圧に接続して、前記電極の内の１つが試料区域を画定する障壁を提供する電圧レベルを有し、前記試料区域の内側にあるそれらの前記電極が電荷を出力に掃引する電圧レベルを有するようにする段階を含んでいる、請求項１９、２０、又は２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記電極を直流電圧に接続して、前記試料区域より外側にある電極が、電荷を前記障壁から遠くへ掃引する電圧レベルを有するようにする段階を含んでいる、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記電極を直流電圧に接続して、前記試料区域より外側にある電極が、電荷をドレインに向けて掃引する電圧レベルを有するようにする段階を含んでいる、請求項２２又は２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記電極を直流電圧に接続して、前記試料区域より外側にある前記電極が、前記試料区域より外側の前記基板から移動性電荷を完全に無くする、高い電圧レベルを有するようにする段階を含んでいる、請求項２３又は２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサに関し、より厳密には、顕微鏡で使用されるような、迅速感知を要求する用途で使用するためのセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
異なる種類の放射線用のセンサは、光センサ、Ｘ線センサなどの様な、異なる用途で知られている。感知すべき放射線の波長及び変化率次第で、異なる型式のセンサが適切になる。光感知に関する或る具体的な分野は、共焦点顕微鏡である。
【０００３】
蛍光顕微鏡で使用されるような共焦点顕微鏡の背後にある概念は、以下の様なものである。蛍光染料分子を、関心のある生物試料の特定の部分に付着させることができる。適した波長の光によって刺激されると、マーカーは蛍光を発し、それらの部分だけが、顕微鏡で観察することができるようになる。蛍光は、普通は、単一又は複数のレーザ光線によって刺激され、適したセンサ、普通は光電子増倍管によって検知される。試料は、照明／検知器によって走査され、試料全域に亘る蛍光性の画像が構築される。試料の目的としない領域からの光を検知しないように、光学経路内に極めて小さい孔（ピンホール）を設置する必要がある。代表的な共焦点顕微鏡システムの或る配置を図１に示している。
【０００４】
図１のレーザ走査顕微鏡装置は、ダイクロイックミラと２つの走査鏡１６、１８を介して試料１２を照射するように配置されているレーザ１０備えている。走査鏡によって、レーザ光線は、試料１２の表面を走査する。結像光学系２０は、試料の光の走査地点がピンホール２２上に結像するように配置されている。この配置は、共焦点配置と呼ばれ、確実に、走査されている特定の地点からの蛍光だけが検知器２４に達するようにしている。光学系の焦点上にない試料内の深部からの如何なる光も、ピンホール上に正確に結像しない（ピンホールより大きいパターンを形成する）ので、検知器２４まで達しない。共焦点配置では、この様に、試料の異なる部分を（光線走査の間に）長期に亘って標本抽出することができ、これが、時間分解顕微鏡の１つの形態である。
【０００５】
共焦点顕微鏡の実施例では、レーザが試料の表面を走査する時に個別の地点が標本抽出されるように、光のレベルを迅速に標本抽出できることが重要である。
【０００６】
Silicon Drift Detectorとして知られている或る型式のセンサは、顕微鏡の様な用途において或る種の速度に関する利点を有していることが知られている。シリコンドリフト検出器の概念は、１９８３年、E. GattiとP. Rehakにより「Semiconductor Drift Chamber-An application of Novel Cgarge Transport Scheme」, Nucl. Instr. And Meth. A 225, 1984, pp. 608-614で提案されている。それは、或る量の完全に減損した高抵抗シリコンで構成され、そこでは、表面と平行に強い成分を有する電場が、小型の集電陽極に向かう電離放射線の吸収によって発生した電子を駆動している。電場は、装置の一方の表面を覆っている（ｐ−ｎダイオードを作り出している）多くの次第に度を増してゆく逆に付勢された電場条片によって作り出される。この概念は、図１７に示されている。
【０００７】
感知ノードが装置の中心にある同心円配置を含め、様々な改良が提案されてきた。それらの装置は、Ｘ線分光法の分野において特殊な用途を見出している。構造は、殆どの場合、図１７に示す配置に関する改良に基づいており、そこでは、適切な電場が、ダイオード接点を介して加えられ、全ての電荷を装置の外に掃引する。
【０００８】
既知のSilicon Drift Detectorsのバリエーションは、以前に発表された様々な文献で知られている。
【０００９】
米国特許第４６８８０６７号は、シリコンドリフト検出器の作用を説明している。この特許は、ｐ+接点に加えられるバイアスを使用して感知ノードへの電荷を取り除く方法について示している。
【００１０】
ＷＯ２００６／０１２７６４号は、有効な「スリット」のサイズを変化させるために配置された平行な電極に基づく可変寸法の可変絞りセンサの１つの型式を開示している。
【００１１】
米国特許第４８３７６０７号は、電極配置に関して改良を加えている。
【００１２】
ＥＰ第０３８３３８９号は、ＳＳＤの修正を説明しており、ｐ+接点を通して作り出される信号が、入射光の到達時間を測定することによって位置情報を得るために使用されている。
【００１３】
米国特許第６２４９０３３Ｂ１号は、時間の測定をする必要無しに位置情報を得るための、基本のＳＤＤの複雑化について説明している。
【００１４】
米国特許第２００４／０１４９９１９Ａ１号は、応答の均一性等の改良のための、ＳＤＤに対する修正について説明している。
【００１５】
米国特許第６７９４６５４Ｂ１号は、ＳＤＤのモジュールについて説明している。
【００１６】
米国特許第２００５／０１７３７３３Ａ１号は、同心円配置の中央で感知ノードに接触する方法について説明している。
【００１７】
ＷＯ２００６／０５３９３８Ａ１号は、表面漏洩の影響を防ぐためにＳＤＤに加える極めて特殊な修正について説明している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許第４，６８８，０６７号
【特許文献２】ＷＯ２００６／０１２７６４号
【特許文献３】米国特許第４，８３７，６０７号
【特許文献４】ＥＰ第０３８３３８９号
【特許文献５】米国特許第６，２４９，０３３号
【特許文献６】特許第２００４／０１４９９１９Ａ１号
【特許文献７】米国特許第６７９４６５４Ｂ１号
【特許文献８】米国特許第２００５／０１７３７３３Ａ１号
【特許文献９】ＷＯ２００６／０５３９３８Ａ１号
【非特許文献１】E. Gatti、P. Rehak「Semiconductor Drift Chamber-An application of Novel Cgarge Transport Scheme」, Nucl. Instr. And Meth. A 225, 1984, pp. 608-614
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１９】
放射線用センサとして半導体装置を使用するのは、便益が認識されている一方で、刻時電荷連結装置における感知速度に或る限界が認識されている（刻時速度の限界）。
【００２０】
更に、共焦点システムにおけるピンホールの大きさは、分解能と、検知され而してノイズを発生する光学信号の量との兼ね合いで選択されることが認識されている。極めて小さいピンホールは、高いノイズという犠牲を払って高性能な分解能を提供することになる。
これは、極めて小さいピンホールは、試料区域を極めて小さい大きさに制限するため、検知される信号の量が低下することに起因する。大きいピンホールでは、ノイズは減るが、分解能は低下することになる。これは、大きいピンホールは、大きい試料区域からの光を検知し、大きい信号を提供することができる一方で、大きい試料区域は、低い分解能を提供することに起因する。更に、試料区域の大きさを調整することによって分解能とノイズの間の適切なバランスを提供することができるという便益も認識されている。
【００２１】
本発明は、これから参照する請求項において定義されている。
【００２２】
概括的には、本発明は、複数の電極に跨って電場の勾配を提供するように構成可能な複数の電極を有しており、入射放射線によって発生するセンサ内の電荷が電極の全域に亘る電場の勾配によって出力に掃引され、電極の内の少なくとも１つは、直流電圧に接続可能であるため、電荷に対する障壁を撮像区域内に提供し、そのためセンサは可変試料区域を有するようになっている、新規のセンサ配置を提供している。
【００２３】
電荷は、複数の電極に跨る電場勾配によって掃引されるため、ＣＣＤ装置の既知の刻時方式と比較して、信号電荷を迅速に動かすことができるようになる。試料区域は可変なので、センサの感度と分解能の必要性のバランスを保つように試料区域を選択することになる。本発明のこの態様は、適切な電圧が加えられると、選択された試料区域からだけ電荷が出力へ掃引されるように、センサ上に配置される電極の配置を提供する技法を使用している。
【００２４】
本発明の１つの実施形態は、上に述べた共焦点配置の光電子増倍管とピンホールの組み合わせを単一のセンサに置き換えることができる。遙かに頑強な配置を提供することに加えて、更に、使用者は、感知区域の大きさを迅速且つ正確に調整することができるようになる。倍増レジスタが、複数の電極と同じモノリシック基板上に含まれているため、試料区域から受け取った電荷が倍増され、必要な感度を提供することができる。
【００２５】
このセンサは、Ｘ線を含む放射線の様々な波長に使用することができるが、主要な用途は、光の可視スペクトルの感知である。他の波長を感知するバリエーションは、記載されている実施形態の構造に大きな変更を加えることなく可能であるが、使用される材料の寸法と種類は異なるであろう。基板は、埋め込みｎ型チャネルを備えているｐ型のシリコン基板が望ましい。埋め込みｐ型チャネルと、ｎ型又はｐ型何れかの表面チャネル配置とを備えているｎ型を含め、他の基板も可能である。
【００２６】
電極は、ｐ型電極を備えているｎ型基板の構造でのように、基板上に直接的に配置してもよい。しかしながら、電極は、導体／絶縁体／半導体配置における絶縁層によって隔てられた状態で、基板の表面に亘って配置するのが望ましい。
【００２７】
電極自体は、様々な形状及びパターンで配置することができ、大きさ可変の試料区域を画定する。好適な配置では、各電極が先の電極を実質的に囲んで、試料区域の大きさは、試料区域の外縁を画定する電極を選択することによって拡張及び縮小される。この配置の好適な具体例は、一連の同心電極リングである。電極が他のパターンの試料区域を画定することも、同じく可能である。
【００２８】
電極は、印加電圧によって、撮像区域に亘る電場が、複数の電極に亘る電荷を撮像区域から出力へ掃引するように、接続可能である。而して、センサは、単一の電極によって画定されている区域から、全ての電極によって画定されている最大の区域、並びに電極間の隣接する配置によって画定されているあらゆる区域まで、電荷を出力へ掃引するように構成されている。試料区域を画定する電極は、電極間の電圧差によって作り出される電位勾配の影響の下で、電荷が、或る電極の領域から別の電極の領域へ直接通過するのを感知することにおいて連続的でなければならない。
【００２９】
何れの電極も、或るレベルの直流電圧に接続されており、撮像区域内に電荷に対する障壁を提供している。障壁は、電荷が試料区域の外側から出力に到達するのを防ぎ、選択された試料区域内の電荷のみが標本抽出されるようにする電位勾配である。電極に印加される直流電圧は、全て、電極の１つが障壁を提供する電場を作り出し、他の電極に印加される電圧は電荷を試料区域から出力へ掃引するのに適切な電圧を有するように、調整されている。疑念を払拭するために、直流電圧は可変であり、固定されてはいない。
【００３０】
電極の大きさと数は、センサの意図する用途に適するように選択することができる。しかしながら、最大電極幅には限界があり、それは、電極下の電位勾配は、電極の幅が拡大するにつれ低下するからである。好適な大きさは、周辺の電場が適切な電圧勾配を提供するよう、幅５ミクロンの電極である。印加される電圧は、個々の電極又は電極のグループ毎に選択可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】既知のレーザ走査顕微鏡装置のブロック図である。
【図２】本発明を具現化しているセンサの概略図である。
【図３】埋め込みチャネルセンサの電位分布を示すグラフである。
【図４】図２のセンサのチャネル電位を示すグラフである。
【図５】５番リングにバイアスが印加された状態の図２のセンサのチャネル電位を示すグラフである。
【図６】電荷を装置の縁部へ掃き出すようにバイアスが印加された状態の図２のセンサのチャネル電位を示すグラフである。
【図７】チャネル幅に対するチャネル電位を示すグラフである。
【図８】図２のセンサの概略図であり、先細ゲート構造を示している。
【図９】出力信号が検知器の大きさに伴ってどの様に変化するかを示している。
【図１０】出力信号が標本抽出時間に伴ってどの様に変化するかを示している。
【図１１】七面同心センサの形態をした代替実施形態を示している。
【図１２】四面同心センサの形態をした代替実施形態を示している。
【図１３】非同心センサの形態をした代替実施形態を示している。
【図１４】出力が１つの側へ向かう非同心センサの形態をした代替実施形態を示している。
【図１５】図２のセンサ用の出力配置の概略図を示している。
【図１６】４つの出力ステージを有する本発明の代替実施形態を示している。
【図１７】既知のドリフト検知器を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
上に述べた様々な態様の本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明してゆく。
【００３３】
本発明の実施形態は、適切なバイアス電圧を印加することによって電荷を集積し大きさ可変の区域から感知することができるように、配置されている電極を有する装置を備えている。電極は、様々なパターンに配置することができるが、好適な実施形態は、各電極が最初の電極を連続して実質的に取り巻いている一連の電極を有している。説明している実施形態は、環状の同心電極の配置を有している。リングは、均一に間隔を空けてて配置されているのが望ましいが、他の配置及び形状も可能である。更に他の配置及び形状を有する様々な異なる実施形態については、後程説明する。基本的に、実施形態は、大きさ又は「開口」可変のセンサを提供している。センサは、その構造に電荷増倍レジスタが使用されているときは、高速信号捕捉を行うことができ、高感度である。電極に印加される電圧の制御は、制御バイアス回路によって行われる。
【００３４】
本発明の好適な実施形態を図２に示している。本発明の実施形態は、ＣＣＤに類似する構造に基づいており、同心電極３２の中で被覆されている円形形状の光学的感知区域３０を有するセンサを備えている。本構造は、電極配置が、半導体の表面上の絶縁体を覆う導電性の電極を有している型式（しばしば、金属／絶縁体／半導体の略称であるＭＩＳと呼ばれる）である点において、ＣＣＤ構造に類似している。装置の作動区域に寄与する中心からのリングの数は、ゲートに印加される適切な電位を選定することによって、使用者が選択することができる。而して、試料区域は、選択可能である。電極は、ゲート電極と呼ばれることもあるが、疑念を払拭するため、ライン毎に刻時される従来式区域配列ＣＣＤ装置におけるゲート電極とは異なり、装置から電荷を読み出すときにはゲート電極は刻時されないことに留意されたい。従って、構造において類似点が有るものの、本発明の実施形態の動作は、既知のＣＣＤ装置とは大きく異なっている。
【００３５】
本実施形態のゲート電極の配置は、埋め込み式ｎ型チャネルＣＣＤ装置の一部として、ｐ型シリコン基板上のゲート絶縁層に適用される。構造内で作り出された電子が受ける電位は、ゲートに印可される電位によって決まる。構造は、最初は信号電荷が空になっている。感知対象の光が感知区域３０に注がれると、放出された必要な信号電荷が、ゲートを横切る電位差によって装置の中心に向かって流れる。入射光子によって発生する電子は、最初に何処で発生しても、φｎを中心からｎ番目のゲートに印加される電位として、ゲートに印加される電位がφｎ＞φｎ＋１であれば、構造の中心に向かって迅速に流れる。
【００３６】
上記説明は、構造の中心に電荷が集められるｎチャネル装置に適用されることを留意されたい。代わりの配置には、信号が装置の外周部へ動かされる構造が含まれる。別の代替案は、ゲートに印加される電位がφｎ<φｎ＋１で、発生したホールが装置の中心に向かって流れる、ｐチャネルＣＣＤ装置である。
【００３７】
埋め込みチャネル装置に関する或る寸法的電位分布を図３に示す。図示のように、取り巻く電極からの影響が無いと、電極は最大電位点に集まる傾向がある。この最大電位は、チャネル電位として知られている。２つのゲートが互いに隣接するように配置されている場合、信号電子は、最高チャネル電位を有するゲートの下に流れる傾向にある。
【００３８】
図４は、信号電荷が空になり、電極に直流電圧が印加されて、感知区域全体から電荷を掃引するときの、図２に示す構造の直径に沿ったチャネル電位を示している。この場合、ｐ型シリコン基板は、２０Ｏｈｍ／ｃｍの抵抗率を有している。ｎ型埋め込みチャネルインプラントは、０．５４ミクロンの深さに亘って広がる２．５ｘ１０16/ｃｍ-3の均一なドーパント濃度を有している。ゲート酸化物は、厚さが１３０ｎｍである。各リング電極は、幅が４ミクロンである。中心電極の直径は、１０ミクロンである。直流電圧は、電極に印加され、或る電極から次の電極への電位差を提供する。電圧は、刻時されず、装置の縁部で発生する電子が約２０ｎｓ以内に中心に掃引されるような電場を提供する。連続するゲート電位間の差異が増大すると、より高速な移動が起こる。電位分布は、或る電極から別の電極へ急激な階段にはなっていないことに留意されたい。これは、縁部の電場が、其々の電極の下で電位勾配を発生させるためである。
【００３９】
図４に示すチャネル電位では、装置区域全体に亘って発生する信号が、装置の中心に集められることになる。ゲートの１つが、低電位になると、中心に近接して発生する信号のみが集められることになる。使用者は、どのゲートを低電位にして作動区域の有効寸法をどうするか、を選択することができる。５番リングを低レベルにした場合のチャネル電位を図５に示している。装置の縁部に近接して発生する何れの電荷も、低バイアスリングの下で作られた電位障壁によって、中心に達するのを妨げられることになる。この不要な信号は、蓄積され、最終的には作動区域の外側のドレイン構造に溢れ出して、除去される。
【００４０】
この不要信号を高速で除去する必要がある場合は、縁部のゲートに印加されるバイアスを増やして、電場が信号を直接ドレインに導くようにすることができる。このような事例のチャネル電位分布の具体例を図６に示している。図示のように、低電圧にバイアスを掛けられたリングの内側で発生する電荷（端部から約２８ミクロン以内）は、センサの中心へ掃引され、低電圧にバイアスを掛けられたリングの外側で発生する電荷は、高まる電圧によってセンサの端へ掃引される。
【００４１】
電荷は、作動区域の中心部に到達すると、除去されて測定される必要がある。最も単純な方法は、直接増幅器に接続されている従来式の出力ノードを有することである。しかしながら、このセンサは、低い光レベルでの用途に有益であり、そのため、出力ノードの前に電荷増倍を施すのが望ましいことが分かっている。これには、電荷を増幅のため装置から取り除くことが必要なことも分かっている。本発明の実施形態は、装置の中心部へ伸長し、センサから放出される電荷を刻時するために設置されているＣＣＤレジスタを使用することができる。或いは、信号電荷を、装置の中心から、ゲートを刻時する必要無しにチャネルを通して縁部へ動かすのに適した電場を作り出す他の配置を使用することもできる。この配置は、適切な直流レベルにバイアスが掛けられている複数のゲート、又は装置内に適した電場を作り出すように構造が修正された単一のゲートで構成されている。その様な修正には、チャネルに沿ったゲート絶縁体の厚さの変化、チャネルに沿った埋め込みチャネルインプラント濃度の変化、又はチャネルに沿ったゲート電極／チャネルの幅の変化が、含まれる。
【００４２】
チャネル幅の変化は好適な実施形態であり、以下に説明する。単一ゲート構造を使用すると、複数のゲート電極の必要性が排除され、結果的に設計が簡素化される。更に、チャネルに沿った電位変化が十分に高い場合、刻時レジスタより高速で信号を抽出できる。埋め込みチャネル装置内のチャネル電位は、ゲート電位によって決まる。しかしながら、ゲートの下のチャネル電位は、縁部の電場のため、隣接する構造によっても左右される。取り巻く構造の影響は、ゲートの幅によって決まる。上記埋め込みチャネル装置におけるゲート幅に対するチャネル電位を図７に示す。ここでは、この場合表面チャネル領域であるが、ｐ+チャネルストッパでもよい絶縁構造、又は例えば低電位にバイアスされている他のゲート電極によって、ゲートは取り巻かれている。一定の電位が、一方の端部が他方の端部より狭く形成されているゲートに印加されると、電圧は、狭い端部から広い端部へ向かって増大し、狭い端部に導入されている全ての電子は、電場の影響によって迅速に広い端部に移動することを示している。而して、単純なゲート構造を、図２の構造に導入して、信号電荷を抽出することができる。
【００４３】
好適な出力ゲート構造を図８に示している。構造３４は、チャネルの両側にチャネル絶縁体３８を有する出力チャネルを形成しているゲート電極３６を備えている。狭い端部Ａは構造の中心に位置し、広い端部Ｂは構造の縁部に位置している。このゲートに１ボルト印加され、ゲート幅が装置の中心Ａの４ミクロンから外周部Ｂの８ミクロンに変化する場合、チャネル電位は、９．２ボルトから１０．２ボルトに変化する。この電位変化は、ゲート長が５０ミクロンであれば、約２０ｎｓの信号電子を抽出するのに十分である。ゲート自体は、長さに沿って幅が変化する必要は無いことに留意されたい。ゲートの幅を一定にする代わりに、ゲート下のチャネルの幅を変化させてもよく、その場合、チャネル幅の変化が電位変化を引き起こすことになる。
【００４４】
センサの分解能は、理想的でない検知器の挙動によって低下する可能性のあることが分かっている。最初に、放出された光を検知することで試料全体を走査している様な理想的な検知器について検討する。この架空の検知器は、無限小の区域に亘って対象からの光を標本抽出し、光が検知器に当たると直ぐに信号を測定する。対象区域がその様な検知器によって走査された場合、測定された信号は、放出された光と一致し、構築された撮像は理想的な分解能を示す。しかしながら、２つの主要なことが分解能を低下させる。第１は、検知器が無限小にはできず、光が、走査される際に検知器の領域に亘って収集されることである。この結果を説明するために、一次元の対象と一次元の検知器の事例を考察する。
対象は、期間Ｗのバーパターンで構成されている。対象全体を走査したときの、幅Ｗ／２、Ｗ／４、及びＷ／８の検知器からの信号を、図９に示している。
【００４５】
分解能を低下させる第２のことは、検知器からの信号全体を抽出するためにかかる有限な時間である。最初の瞬間的な刺激の後に、信号全体を抽出するために時間Ｔがかかり、この時間の間の信号抽出率は、最初の刺激の後は一定である様な、仮想の検知器の場合を考察する。期間Ｗのバーパターンを走査した後のこの検知器からの結果を図１０に示している。検知器はＷ／２の幅を有している。瞬間的な信号収集の理想的な事例と比較して、様々なＴの値の結果を曲線で表している。Ｔは、距離Ｗ／２及びＷ／４を走査するのにかかる時間となるように選定されている。
【００４６】
図１０から明らかな様に、Ｔは、距離Ｗ／４を走査する時間よりかなり短くなければならず、さもなくば最高の分解能でのコントラストは劣化することになる。Ｔの最大値として有用な値は、Ｗ／１０の距離を走査する時間である。実際には、距離Ｗを走査する代表的な時間は、Ｔの最大値が１００ｎｓとなる１μｓ程度である。図８に示す新しい出力チャネル配置は、その様に迅速な移動時間を達成することができるが、信号をこの比率で撮像区域の外側に掃引するのにＣＣＤクロックを使用するのは、実現可能な提案ではない。
【００４７】
信号電荷が作動区域から抽出されると直ぐに、測定可能な電位に変換されなければならない。代表的なＣＣＤ出力回路は、出力チャネルの出力に取り付けられている。しかしながら、出力チャネルの出力にＣＣＤゲートを備えているのは望ましいことであり、これにより、このゲートが高レベルまで脈動するか、又は出力チャネルゲートが低レベルまで脈動するまで、信号が出力回路に入るのを防ぐ。
【００４８】
先に指摘したように、電荷は、感知され、出力増幅器によって変換される前に、増倍レジスタで増倍されるのが望ましい。これは、図１５と図１６に示され、後で説明するが、随意的に、電荷を出力チャネルから増倍レジスタまで移動させるために移動ゲートを含んでいてもよい。移動ゲートは、増倍レジスタの入力にあるＣＣＤゲートであり、信号電荷が増倍レジスタに入るようを要求されるときに脈動する。これは、厳密には必要ではないが、使用者に追加的柔軟性を提供する。例えば、信号を増倍レジスタまで１μｓで送るよう要求されることもある。増倍レジスタが１ＭＨｚで刻時することができれば、信号は、移動ゲートを使用せずに１μｓ毎に入ることになる。しかしながら、増倍レジスタを高速で走らせ、暗信号の立ち上がりを抑えるのが好都合である。移動ゲートを採用すると、増倍レジスタを、例えば約１０ＭＨｚで走らせ、移動ゲートを１μｓ毎に脈動させることができる。この場合、１０番目の倍増要素毎に、信号電荷を含有することになる。
【００４９】
幾つかの代替的な撮像区域配置を図１１から図１４に示している。それらの図は先細出力チャネルを示していることに留意されたい。撮像区域の中心から信号を抽出するのに、ＣＣＤ刻時方式の使用を含め、他の配置も存在し得る。図１１と図１２で示すように同心ゲートを画定することの利点は、光学軸と理想的に整列させるために検出器を動かさなくても、検出器区域を変更できることである。しかしながら、これは重要な点ではなく、他の非同心配置も、図１３と図１４に示すように可能である。
【００５０】
共焦点顕微鏡を含め、多くの用途で、単一の光子を検出する必要がある。これは、当技術では既知であり、図１５に示す電子増倍レジスタの使用を必要とする。電極の様々な異なる形状及び配置が可能である。１つのその様な実施例が、図１６に示されており、異なる出力回路の中に抽出される各セグメントからの信号を備えた分割された配置である。例えば、検知器は、四分区間に分けられ、４つの出力回路を有している。各四分区間からの信号は、監視され、光学システムの整列に役立てられる。
【００５１】
電極に印加される電圧の制御は、どの様な適した制御バイアス回路で行ってもよい。制御バイアス回路は、様々な形態をとる。１つの単純な例では、其々の電極から出る制御ラインには一列のスイッチが設けられ、装置を使用するときに、操作者が適切な電圧を設定するようになっている。しかしながら、電極からの制御ラインは、ソフトウエア制御によって切り替え可能な制御バイアス回路に接続されるのが望ましい。こうすると、操作者の制御で又は自動的にの何れかで、装置又は他の入力から受信した信号に基づいて撮像区域を選定できるようになる。
【００５２】
新しいセンサ装置の好適な構造は、埋め込みチャネル導電体／絶縁体／半導体型式の構造であり、電荷増大レジスタも同じ型式の構造であるため、これらは、単一のシリコン基板上に都合良く形成することができ、好都合である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  レーザ
１２  試料
１６、１８  走査鏡
２０  結像光学系
２２  ピンホール
２４  検知器
３０  感知区域
３２  同心電極
３６  ゲート電極
３８  チャネル絶縁体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年8月29日(2013.8.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射放射線を電荷発生によって感知する型式のセンサ装置において、
入射放射線によって内部で電荷が発生する基板と、
前記基板の撮像区域を画定するために前記基板上に配置されている複数の電極であって、第１の電極及び各後に続く電極が先の電極を取り囲むように配置されている、複数の電極と、を備えており、
前記電極は、直流電圧に接続可能で、電場が前記撮像区域に亘って作り出され、前記基板の多数の電極に亘る電荷を前記撮像区域から出力まで掃引することができるように配置されており、前記電極の内少なくとも１つは、前記撮像区域内に電荷に対する障壁を設けるように、直流電圧に接続可能で、それによって、前記センサは可変試料区域を有するようになっており、電荷が掃引されて向かう前記電極は、前記試料区域の中心に位置し、
前記出力は、出力チャネルを備えており、前記出力チャネルは、該チャネルの両側にチャネル絶縁体を有すると共に前記出力チャネルを形成するように直流電圧に接続可能なゲート電極を有し、
前記出力チャネルは、電荷が掃引されて向かう前記試料区域内の電極の下の基板の領域に連結されており、
前記出力チャネルは、先細形状の幅と、狭い端部と、広い端部とを有しており、前記狭い端部で、電荷が前記試料区域から掃引されて向かう電極の下の基板の領域に連結されており、
前記先細形状の幅は、前記チャネル電位が前記チャネルに沿って上昇し、前記出力チャネルが電荷を前記試料区域の前記中心の領域から前記試料区域の外側の前記撮像区域の縁部へ掃引するように、なっている、
センサ装置。
【請求項２】
前記電極は同心である、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記電極は、それぞれが環状リングであり、各後に続く電極が先の電極を取り囲んでおり、更に、電荷が掃引されて向かう電極である中心の円形の電極を取り囲んでいる、請求項２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記電極は、等しい幅である、請求項３に記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記電極は直流電圧に接続可能で、前記試料区域より外側にある電極が、電荷を前記障壁から遠くへ掃引する電圧レベルを有するようになっている、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記電極は直流電圧に接続可能で、前記試料区域より外側にある電極が、電荷を前記試料区域より外側にあるドレインに向けて掃引する電圧レベルを有するようになっている、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項７】
前記出力チャネルによって前記試料区域に連結され、前記試料区域からの電荷を増倍するように配置されている電荷増倍レジスタを更に備えている、上記請求項の１〜６の何れか１項に記載のセンサ装置。
【請求項８】
上記請求項１〜７の何れか１項に記載のセンサ装置を備えている、レーザ走査顕微鏡装置。
【請求項９】
入射放射線を電荷発生によって感知する型式のセンサ装置を作動させるための方法であって、前記センサ装置は、入射放射線によって内部で電荷が発生する基板と、前記基板の撮像区域を画定するために前記基板上に配置されている複数の電極であって、各後に続く電極が先の電極を取り囲むように配置されている、複数の電極と、を備えており、前記センサ装置は、更に、出力チャネルを有する出力を備え、前記出力チャネルは、該チャネルの両側にチャネル絶縁体を有すると共に前記出力チャネルを形成するように直流電圧に接続可能なゲート電極を有し、前記出力チャネルは、電荷が掃引されて向かう試料区域内の電極の下の基板の領域に連結されており、前記電荷が掃引されて向かう電極は、前記試料区域の中心の領域に位置する、センサ装置を作動させるための方法において、
電場が前記撮像区域に亘って作り出され、多数の電極に亘る電荷が前記撮像区域から出力まで掃引されるように、前記電極を直流電圧に接続する段階と、
前記撮像区域内に電荷に対する障壁を設けるように、前記電極の内の少なくとも１つを直流電圧に接続する段階であって、それによって、前記センサが可変試料区域を有するようにする、段階と、
前記出力チャネルを形成するように前記ゲート電極を直流電圧に接続する段階であって、前記出力チャネルが、先細形状の幅と、狭い端部と、広い端部とを有しており、前記狭い端部で、電荷が前記試料区域から掃引されて向かう電極の下の基板の領域に連結されており、それにより、前記チャネル電位が前記狭い端部から前記広い端部へ前記チャネルに沿って上昇して、前記出力チャネルが電荷を前記試料区域の前記中心の領域から前記試料区域の外側の前記撮像区域の縁部へ掃引する段階と、
から成る方法。
【請求項１０】
前記電極を直流電圧に接続して、前記試料区域より外側にある電極が、電荷を前記障壁から遠くへ掃引する電圧レベルを有するようにする段階を含んでいる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記電極を直流電圧に接続して、前記試料区域より外側にある電極が、電荷を前記試料区域より外側にあるドレインに向けて掃引する電圧レベルを有するようにする段階を含んでいる、請求項９に記載の方法。