(57)【要約】【課題】  画素内に８相駆動と４相駆動、もしくは６相駆動と３相駆動のどちらでも駆動できるＣＣＤをアコーディオン型に折りたたんで作り込む。【解決手段】  ＣＣＤ転送路の電荷の転送方向が実質的に１８０度変わることを「折りたたみ」と定義し、連続する２つの折りたたみで区分されるＣＣＤ転送路を「区分転送路」と定義するとき各区分転送路上の個々の転送電極の上に、転送電極１個につき２本の、転送方向と交差する配線を備え、そのうちの１本の配線は各折りたたみの直前の転送路上の転送電極と電気的に接合しており、他の１本の配線は折りたたみの直後の転送路上の電極と電気的に接合しており、１つの区分転送路上の転送電極の数がＫ（ここにＫは３以上の整数）の倍数である。【選択図】図１６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＣＤ転送路の電荷の転送方向が実質的に１８０度変わることを「折りたたみ」と定義し、連続する２つの折りたたみで区分されるＣＣＤ転送路を「区分転送路」と定義するとき、
２次元に配置された画素を備える半導体素子であって、各画素が荷電粒子または電磁波の入射により電荷を発生する光電変換部と、該光電変換部に接続する少なくとも１本のＣＣＤを備え、該ＣＣＤが始端と終端が連結したループを形成し、かつ少なくとも３か所の折りたたみを備えるとともに、
各区分転送路上の個々の転送電極の上に、該転送電極１個につき少なくとも２本の、転送方向と交差する配線を備え、そのうちの１本の配線は各折りたたみの直前の転送路上の転送電極と電気的に接合しており、他の１本の配線は折りたたみの直後の転送路上の電極と電気的に接合しており、かつ１つの区分転送路上の転送電極の数がＫ（ここにＫは３以上の整数）の倍数であることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
請求項１の半導体素子の各画素の光電変化部に接続するＣＣＤをＫ相駆動もしくは２Ｋ相駆動で選択的に駆動する駆動方法。
【請求項３】
請求項１の半導体素子を備える撮影装置、または荷電粒子の分別装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  信号が微弱であるが、再現性のある高速現象の撮影に好適である。また荷電粒子の強度、到達位置、到達時間の情報を用いる高機能質量分析の装置として好適である。
【背景技術】
【０００２】  各画素が、該画素の光電変換部で生成する画像信号を記録する画像信号メモリー要素を複数個備えるセンサーを「画素単位記録型撮像素子」と呼ぶことにする。【０００３】  画素単位記録型撮像素子においては、撮影時に各画素で生じる画像信号を、該画素が備える画像信号メモリー領域のメモリー要素の１つに記録する操作を、全画素で同時に行う。このとき各画素で生じた画像信号を各画素で集める時間と、集めた画像信号を該画素が備える画像信号メモリー要素の１つに移すために必要な時間の和で１枚の画像が撮影される。生成した画像信号を収集する時間は最小１ナノ秒程度まで短縮することができる。また集めた画像信号をメモリーの一つに移す時間は最小数ナノ秒まで短縮することができる。したがってこれらの時間の和は１０ナノ秒程度まで短縮することができる。【０００４】  連続撮影するには、各画素で記録する画像信号メモリー要素を順次変えながら、この過程を繰り返す。したがって画素単位記録型撮像素子では、フレームインタバルは１０ナノ秒程度まで短縮することが可能である。撮影速度はフレームインタバルの逆数であるから、画素単位記録型撮像素子を備える撮影装置により、撮影速度を１億枚／秒程度まで上げることができる。【０００５】  この技術により各画素が備える画像信号メモリーのメモリー要素の数と同じ数の画像を連続撮影できる。【０００６】  画素単位記録型撮像素子のうち、各画素内に多数の画像信号メモリーを備える素子を「画素内記録型撮像素子」と呼ぶことにする。画素内記録型撮像素子と、各画素の周辺に各画素で生成する画像信号を記録する素子を併せて「画素周辺記録型撮像素子」と呼ぶことにする。【０００７】  画素単位記録型撮像素子には、画素周辺記録型の他に、撮像素子の同一チップ上の受光面外に各画素で生成する画像信号を記録する「素子周辺記録型」と、信号電荷の生成および電荷を収集するチップの下に、別のメモリーチップを接合する「積層型」がある。積層型画素単位記録型撮像素子は画素内記録型でもある。【０００８】  記録方式はアナログ型でもデジタル型でも良いが、信号のデジタル化が不要な分だけ、撮影速度と画素サイズのコンパクトさの点ではアナログ型が有利である。信号の保持時間や、信号のポストデジタルプロセスの容易さの点ではデジタル型が有利である。【０００９】  本発明の発明者らは図１に示すように、各画素のフォトダイオード（表面照射の場合）もしくは電荷収集ゲート（裏面照射の場合）１００に接続し、画素グリッドに対して小さい角度ずれた方向に伸びる直線ＣＣＤ１０１（以後「斜行直線ＣＣＤ」と呼ぶ）をメモリーとする画素周辺記録型撮像素子１０２を発明した（特許文献１、非特許文献１参照）。【００１０】  非特許文献１には、特許文献１で開示された斜行直線ＣＣＤ画素周辺記録型撮像素子の実施例が示されている。この素子により、１６００万枚／秒という超高速度が実現された。またこの素子は裏面照射型であるので（特許文献２参照）、超高感度も同時に達成した。【００１１】  ＣＣＤにおいて、電荷の転送方向が実質的に１８０度変わることを「折りたたみ」と定義する。【００１２】  図２に示すように、直線ＣＣＤを２つに折りたたみ、始端と末��を接続すると循環型のＣＣＤ１０３を作ることができる。これがフォトダイオード１０４に接続しており、この組み合わせを１画素中に作り込む。【００１３】  各画素内に循環ＣＣＤを作り込み、画像信号メモリーとして使うと、多数回の撮影実験で得られる連続画像信号を、撮像素子外に読み出すことなく、各画素内のＣＣＤメモリー内で加算することができる（特許文献４参照）。【００１４】  特許文献３にはＣＣＤを２つに折りたたみ、方向転換して、循環型にする技術が開示されている。【００１５】  例えば図３には２個の循環型ＣＣＤ１０５が示されている。各画素に１個の循環型ＣＣＤを作り込む。図３の例は４相駆動ＣＣＤであるので４個の電極１０６で１個のアナログメモリー１０７となり、１つの循環型ＣＣＤに５個の画像信号を蓄積することができる。したがって各画素内に連続５枚分の画像信号を記録することができる。【００１６】  １回目の撮影でフォトダイオード１０４で生成した５枚分の連続画像を撮影した後、画像信号を撮像素子の外部に読み出すことなく、次の５枚の連続画像を撮影すれば、１回目の撮影で記録した画像信号に、２回目の撮影で撮影した画像信号が撮影順序通りに自動的に加算される。【００１７】  これを繰り返すことにより、再現性の強い高速現象であれば、信号強度が微弱であっても、何度も撮影して信号を積算することによりＳＮ比を改善し、必要な画像情報を抽出することができる。このようなセンサを「画像信号積算素子」と呼ぶことにする。【００１８】  連続撮影枚数を増やすためには、長い１本のＣＣＤを１度でなく何度も折りたたみ（以後「多重折りたたみＣＣＤ」と呼ぶ）、かつ末端と始端を結合してループ状にして循環多重折りたたみＣＣＤとすれば良い。多重折りたたみＣＣＤでは少なくとも３回の折りたたみが必要である。【００１９】  画素という狭い面積の中に循環多重折りたたみＣＣＤを作り込むためには、その電極構造および駆動電圧送付のための金属配線構造ができるだけ単純でなければならない。【００２０】  各画素内に多重折りたたみＣＣＤを作り込み、高機能ＣＣＤを作るという提案は古くからあった。例えば非特許文献２には超高速撮影のために、画素内に図４の折りたたみＣＣＤを備える撮像素子１０８が開示されている。同時期、他にもほぼ同様の画素構造が提示された（文献は示していない）。しかしこのような多重折りたたみＣＣＤが実現された例はない。理由は発明当時の技術力では、多重折りたたみＣＣＤのような複雑な画素構造（電極構造と配線構造）を持ち、画素という小さな面積中に納まり、かつ撮像素子に要求される低ノイズのＣＣＤを実現するのが困難だったからである。【００２１】  図３に提示されている構造は比較的単純な構造であるが多重折りたたみはできない。実用的な多重折りたたみを実現するにはさらなる単純化のための改善が必要である。【００２２】  ＣＣＤの多重折りたたみ技術がなかったので、実用的な画素単位記録型撮像素子を用いて超高速撮影を実現するには図１の斜行直線ＣＣＤ画素周辺記録型撮像素子の発明を待たねばならなかった。この素子では、撮影中は、画像信号はやや斜めのＣＣＤメモリー上を直線的に転送されるだけであるから、極めて単純な構造で超高速撮影を実現することができた。【００２３】  撮像素子外への信号の読み出しには工夫を必要とした。しかし画素単位記録型撮像素子では信号読み出しは撮影後に行うので、少し複雑な構造を使ってゆっくり読み出すことができる。【００２４】  それに対して本発明の発明者らは、図５に示すような、上辺のＣＣＤ１１９と下辺のＣＣＤ１２０が共に多重折りたたみＣＣＤとなっており、かつ対向している「アコーディオン型ＣＣＤ」を実現する技術を発明した。アコーディオン型となることで、多重折りたたみであるとともに、ＣＣＤの始端と末端が接合した循環多重折りたたみＣＣＤ６０２となり、実用的な画像信号積算素子となる。【００２５】  この折りたたみ技術が図６に示されている。すなわち互いに交差する２層のポリシリコン電極１１０／１１１、１１２／１１３の組を用いて４相駆動ＣＣＤを折りたたむ技術を発明した。（特許文献５）。【００２６】  図７に、図６に示す交差電極を持つ折りたたみＣＣＤの金属配線を示す。４相駆動では駆動電圧波形の異なる４種の金属配線を必要とするが、金属配線も、このような単純な平行配線となる。金属配線とポリシリコン電極とはコンタクトポイント１１８を介して電気的に接合している。【００２７】  このように、交差電極を用いると、各電極上に１層の金属層だけで作られた平行な駆動電圧送付配線１１４−１１７を乗せるだけで折りたたみＣＣＤを高速駆動できる。【００２８】  またこの技術を用いると、図５に示すように上辺１１９も下辺１２０もともに折りたたまれたアコーディオン型ＣＣＤを容易に構成できる。【００２９】  これについて説明する。図５、図６に示すように、アコーディオン型ＣＣＤの折りたたみの対向する部分２００では水平転送方向が逆になる。対向部では上下の転送路は水平チャンネルストップ１２１で隔絶されている。ポリシリコン電極が水平チャンネルストップを跨いで交差していることにより、水平チャンネルストップの上下の転送方向は自動的に逆方向になる。したがって、折りたたみの対向部の構造も通常の転送路部と同じになり、対向部の上下のＣＣＤで転送方向を変えるための構造も不要になる。【００３０】  アコーディオン型にせず、図５の折りたたみＣＣＤの下辺１２０のみを折りたたみ、上辺１１９は水平ＣＣＤでつないで循環型にすると、転送路の形状は見かけ上単純になる（図示していない）。しかし、水平ＣＣＤを駆動するために、水平ＣＣＤ上に別途４本の駆動金属配線を乗せる必要が生じ、実際にはアコーディオン型よりも複雑な配線構造となる。【００３１】  図６に示す折りたたみＣＣＤは４相駆動ＣＣＤであるが、３相駆動ＣＣＤも交差電極により無理なく折りたたむことができる（特許文献５に記載）。【００３２】  しかしこの技術にも課題がある。【００３３】  第１層のポリシリコンで作る電極１１１と、第２層のポリシリコンで作る電極１１０の交差部分では、２層目のポリシリコンのエッチング時の取り残しが起こりやすい。この取り残しは第２ポリシリコンで作られる隣接する電極間でショートを起こす原因となる。電極１１３、１１２の関係も同様である。【００３４】  これを防ぐには電極サイズに多少の余裕を持たせる必要がある。この余裕分だけＣＣＤメモリーサイズが大きくなる。【００３５】  それに対して本発明の発明者らはさらに図８に示す折りたたみ技術１２３を発明した（特許文献６）。【００３６】  この技術はＩＣプロセスの微細化にともなって可能になった。すなわち、ＣＣＤでは隣接する電極間のスペースが０．２ミクロン以上であると、転送方向にポテンシャルの溝が生じ、電荷の完全転送が難しくなる。一方、あまり狭くなると隣接する電極間の電界が高くなり、両電極間の電圧差を大きくすることができないために取扱い信号容量が下がる。したがって通常は電極間スペースを０．１ミクロン程度にする。【００３７】  従来は２層ポリシリコンを使い、１層目のポリシリコンをエッチングして電極を形成した後、その表面を０．１ミクロン程度の厚さで酸化して絶縁し、その上に２層目のポリシリコン層を乗せ、それをエッチングして、１層目のポリシリコン電極に隣接する２層目のポリシリコン電極を作ることにより、隣接する電極間のスペースを０．１ミクロン程度にしていた。【００３８】  最近の先端ＩＣプロセスでは、エッチングによりポリシリコン層に０．１ミクロン以下の溝を作り、絶縁スペースとすることが可能になった。特許文献６では、この技術を使って３相駆動ＣＣＤと４相駆動ＣＣＤを無理なく折りたたむ技術を開示した（図８−図１１参照）。【００３９】  特許文献６の特徴は図８、図１０に示すように、単層のポリシリコンから作る電極２０１がＺ型になっていることである。Ｚ型電極は加える駆動電圧波形の位相の違いにより、第１相電極２０４、第２層電極２０５、第３相電極２０６、第４相電極２０７に分かれている。【００４０】  電極間スペース２０２は０．１ミクロン程度である。ただし電極形状がＺ型であるため、電極間スペースは直角の屈曲点２０３を持つ。【００４１】  図１０のＺ型電極を図９のチャンネル２０９とチャンネルストップ２０８が形成されたシリコン基板上に乗せると図８の循環型アコーディオンＣＣＤとなる。各電極に４相駆動の標準駆動電圧波形を与えると、図中の転送方向に電荷が転送される。【００４２】  各電極に駆動電圧波形を与えるには、図１１に示すように、Ｚ型電極の上辺と下辺の上に１層の金属配線からなる平行な第１位相２１０、第２位相２１１、第３位相２１２、第４位相２１３の駆動電圧送付配線を乗せ、コンタクトポイント２１４を介して電気的に接続するだけで良い。【００４３】  図８、図５の折りたたみの対向部２００でも、Ｚ型電極を他の部分と全く同じようにチャンネルストップ状に配置することにより、電荷の転送方向が自動的に変わる。【００４４】  この構造にも課題がないわけではない。幅０．１ミクロンの狭いスペースの屈曲部２０３で、確率は低いがエッチング時の取り残しが生じやすい。【００４５】  図８は４相駆動の場合を示したが３相駆動の場合も同様の技術で折りたたむことができる。【００４６】  以上は３相、４相駆動のＣＣＤを折りたたむための既存の技術と、課題を述べてきた。しかし、５相以上の駆動方式に対してはＣＣＤを何度も無理なく折りたたむ技術は開示されていない。【００４７】  ５相以上の多相駆動ＣＣＤの取り扱い信号容量は飛躍的に大きくなる。例えば、４相駆動ＣＣＤでは、信号電荷は２個の電極の下���保存され、その両側の２個の電極には低い電圧をかけてチャンネルの電位を下げ、隣接するＣＣＤ要素との間の信号の混合を防ぐためのバリアを作る。８相駆動では６個の電極の下に保存される。したがって８相駆動ＣＣＤでは４相駆動の場合に比べて、メモリーＣＣＤの面積は２倍になるが、取扱い信号容量は少なくとも３倍になる。実際には電界フリンジ効果でポテンシャルは曲線となるので、取扱い信号容量は４倍程度になる。すなわちＣＣＤ単位長さあたりの取り扱い信号容量は、４相駆動に比べて８相駆動では約２倍になる。【００４８】  ８相駆動転送するには、連続する８個の転送電極を独立駆動できるようにする。４個づつの２組の電極を駆動することにより、４相駆動もできる。ただし折りたたみＣＣＤにおいて４相駆動と８相駆動を併用するには、折りたたみ方に制限が生じる。【００４９】  ３相駆動と６相駆動の関係も同じである。６相駆動の取り扱い信号容量は３相駆動のそれの５倍以上になる。１２相駆動にしておくと、３相、４相、６相、１２相駆動ができる。【００５０】  ただし５相駆動以上のＣＣＤはＣＣＤメモリー要素が相数に比例して長くなる。したがってチャンネル幅が同じであればＣＣＤメモリーのサイズが大きくなる。これを同一面積の画素の中に作り込むと、作り込めるＣＣＤ要素の数が減り、連続撮影枚数が減る。逆に連続撮影枚数を同じにすると，多相駆動ＣＣＤでは画素サイズが大きくなり、同一の受光面積に対して画素数が小さくなる。【００５１】  図１８に多重周回飛行時間型質量分析イメージング装置の構成４００を示す（非特許文献３参照）。【００５２】  レーザー４０３から射出されたレーザー光は試料４０５を照射する。これにより試料表面から多くの種類のイオン４０９が一斉に飛び出し、イオン多重周回装置に導かれる。【００５３】  イオン多重周回装置４０６の特徴について説明する。この装置は多重周回によりイオンの飛行距離を飛躍的に大きくする。多重周回中に電場により軽いイオンほど早く飛行する。多重周回により長距離飛行する間にイオン種間距離が引き伸ばされる。したがって質量の異なるイオンのセンサ４１１への到達時間差が大きくなる。【００５４】  従来の飛行時間型質量分析装置のセンサは、ナノ秒程度の時間分解能を必要とする。しかし多重周回により、１００ナノ秒程度の時間分解能でも時間分解できるようになる。【００５５】  最近のイオン多重周回装置はもう一つの大きな特徴がある。それは周回中も、個々のイオンが試料表面中のどの位置から射出されたかを示す位置関係を保存していることである。【００５６】  したがって裏面照射撮像素子をセンサとして使えば、個々のイオンのセンサへの到達位置と到達時間に加えて、信号電荷の大きさが計測でき、これらの情報から、個々のイオン種が、試料のどの位置にどの位存在しているかという存在量もわかる。【００５７】  非特許文献１で開示した１６００万枚／秒の撮像素子は裏面照射型である。時間分解能は１００ナノ秒以下である。したがって多重周回飛行時間型質量分析イメージング装置のセンサとして好適である。【００５８】  しかし、１回のレーザー照射で生成するイオンの数は明瞭なイオン分布の像を得るには不十分である。また強すぎるレーザー光を照射すると、イオンが飛散し、もとの位置情報の推定精度が急激に下がる。【００５９】  したがってできるだけ弱いレーザー光でイオンを発生させ、これを繰り返すことでイオンの平面的な分布の像を得る。この場合、信号強度が下がる。【００６０】  一方、高い時間分解能を得るため高速撮影が必要である。通常の高速度ビデオカメラを用いて高速撮影すると、読み出し雑音が大きい。これを減らすには多数回のイオン照射で得られる像を加算することにより、ＳＮ比を上げる必要があった。【００６１】  信号の画素内積算ができる高速撮像素子、すなわち画像信号積算素子を適用すればこの問題を解決できる。【００６２】  しかし、画像信号積算素子は、各画素に対して多数のメモリー要素を作り込むので、撮影枚数をある程度以上多くすることができない。これにより時間軸方向のダイナミックレンジが小さくなる。時間方向のダイナミックレンジを拡大するために、撮影枚数を増やすためにはメモリー要素のサイズを小さくする必要があり、最大取扱い信号容量が小さくなり、多数回の信号加算ができなくなる。逆に最大取扱い信号容量を大きくするためにメモリー要素のサイズを大きくすると、１画素あたりに作り込めるメモリー要素数が減り、時間方向のダイナミックレンジが小さくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６３】
【特許文献１】特許第３７０４０５２号
【特許文献２】特許第４３９４４３７号
【特許文献３】ＵＳＰａｔｅｎｔ  Ｐ４８９７７２８
【特許文献４】特許４２６５２９５号
【特許文献５】特開２１１−１５１７９７
【特許文献６】特開２０１１−２５８９０６
【非特許文献】
【００６４】
【非特許文献１】江藤剛治他：１６００万枚／秒の裏面照射撮像素子、映像情報メディア学会誌、２０１１年３月号、３４９−３５３頁．
【非特許文献２】Ｍ．  Ｅｌｌｏｕｍｉ，  ｅｔ  ａｌ：  Ｔｈｅ  ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ａ  ｐｈｏｔｏｓｉｔｅ  ｆｏｒ  ｓｎａｐｓｈｏｔ  ｖｉｄｅｏ，  ＳＰＩＥ，  Ｖｏｌ．２５１３，ｐｐ．２５９−２６７，１９９４．
【非特許文献３】Ｍｉｃｈｉｓａｔｏ  Ｔｏｙｏｄａ，  Ｍａｓａｒｕ  Ｎｉｓｈｉｇｕｃｈｉ，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｊａｐａｎ，  Ｖｏｌ．５５，ｐｐ．１７−２４，２００７．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００６５】  多重周回飛行時間型質量分析イメージング装置に好適な撮像素子を提供する。【００６６】  この素子は以下の条件を満たすことが望まれる。イオンの直入による信号電荷を生成する裏面照射構造、画素内信号積算機能、１００ナノ秒以下の時間分解能、画像信号が取得できる２次元（平面）センサ、できるだけ多い撮影枚数、できるだけ大きい取扱い信号容量。【００６７】    非特許文献１に開示された裏面照射画素単位画像信号記録型撮像素子により、「イオンの直入」、「１００ナノ秒以下の時間分解能」、「２次元センサ」の３条件は満たされる。【００６８】  図５に示す各画素にアコーディオン型メモリーＣＣＤを備える撮像素子により「画素内信号積算機能」も満たされる。【００６９】  しかしこれらの課題に加えて「多い撮影枚数」と「大きい取扱い信号容量」の課題を解決する必要がある。現在の技術では双方を同時に解決することはできないので、目的に応じて一方を選択できる技術の開発が望まれる。【００７０】  図６に示す交差電極（特許文献５の技術）、もしくは図１０に示すＺ型電極（特許文献６の技術）を用いて３相駆動、４相駆動ＣＣＤをスペースの無駄を最小限に抑えてコンパクトに折りたたむことができる。【００７１】  しかし「大きい取扱い信号容量」を達成するための５相以上の駆動方式のＣＣＤをコンパクトに折りたたむ技術はこれまで開示されていない。【００７２】  直線駆動ＣＣＤでは６相駆動ＣＣＤは３相駆動できる。８相駆動ＣＣＤは４相駆動できる。これにより、撮影目的や条件に応じて、転送電荷容量を犠牲にしてＣＣＤメモリー数を増やす場合と、その逆にＣＣＤメモリー数を犠牲にして転送電荷容量を増やす場合のように駆動方式を使い分けることができる。【００７３】しかし折りたたまれたＣＣＤを３相駆動と６相駆動、あるいは４相駆動と８相駆動のような２種類以上の駆動方式で駆動する方法はこれまでに開示されていない。【００７４】  さらに特許文献５の技術（交差電極）および特許文献６の技術（Ｚ型電極）には製造上の課題がある。交差電極を用いる場合は、上層と下層のポリシリコン電極の交差する位置で、上層のポリシリコンのエッチング残りによるショートが起こりやすい。【００７５】  またＺ型電極を用いる場合は、１層のポリシリコン電極の分離のためのスペースが、直角の折れ曲がり部分を持っており、確率は低いがこの部分でエッチング残りが起こりやすい。
【課題を解決するための手段と効果】
【００７６】  連続する２つの折りたたみで区分されるＣＣＤ転送路を「区分転送路」と定義するとき、荷電粒子または電磁波の入射により電荷を発生する光電変換部と、該光電変換部に接続する少なくとも１本のＣＣＤを備える２次元に配置された画素を備える半導体素子であって、該ＣＣＤが始端と終端が連結したループを形成し、かつ少なくとも３か所の折りたたみを備えるとともに、
各区分転送路上の個々の転送電極の上に、該転送電極１個につき少なくとも２本の、転送方向と交差する配線を備え、そのうちの１本の配線は各折りたたみの直前の転送路上の転送電極と電気的に接合しており、他の１本の配線は折りたたみの直後の転送路上の電極と電気的に接合しており、１つの区分転送路上の転送電極の数がＫ（ここにＫは３以上の整数）の倍数であることを特徴とする半導体素子と、
該半導体素子の各画素の光電変化部に接続するＣＣＤをＫ相駆動もしくは２Ｋ相駆動で選択的に駆動する駆動方法により、
全画素一斉に連続的に画像信号を記録することにより、超高速画像信号記録ができ、複数回の試行で得られる画像信号を、素子外に読み出すことなく積算することにより、ＳＮ比を飛躍的に改善でき、かつ用途に応じて、Ｋ相駆動により取扱い信号容量を犠牲にして連続撮影枚数を大きくする場合と、連続撮影枚数を１／２にして取扱い信号容量を飛躍的に大きくする場合を選択して駆動できる、コンパクトで、製造時の歩留まり率の高い撮像素子とその駆動方法を提供する。
【００７７】  さらに該半導体素子を備える撮影装置により、超高速で高いＳＮ比で撮影できる撮影装置を提供する。
【００７８】  また該半導体素子を備える荷電粒子の分別装置により、種々の荷電粒子の該半導体素子への到達位置、到達時間、到達量の計測による高機能質量分析手段を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】斜行直線ＣＣＤ画素周辺記録型撮像素子の平面図である。
【図２】１重循環型ＣＣＤによる画像信号積算技術の説明図である。
【図３】１重循環４相駆動ＣＣＤを駆動するための配線の例を示す図である。
【図４】折りたたみＣＣＤをメモリーとする画素内記録型撮像素子の説明図である。
【図５】アコーディオン型（循環多重折りたたみ型）ＣＣＤを備える画像信号積算素子の説明図である。
【図６】交差電極によるＣＣＤのおりたたみ技術を示す説明図である。
【図７】交差電極による折りたたみＣＣＤの駆動電圧送付配線の説明図である。
【図８】Ｚ型電極による４相駆動折りたたみＣＣＤの説明図である。
【図９】Ｚ型電極による４相駆動折りたたみＣＣＤのチャンネルとチャンネルストップの図である。
【図１０】４相駆動折りたたみＣＣＤのＺ型電極とその配置図である。
【図１１】Ｚ型電極による４相駆動折りたたみＣＣＤの金属配線の説明図である。
【図１２】８相駆動と４相駆動併用折りたたみＣＣＤのチャンネルとチャンネルストップの図である。
【図１３】８相駆動と４相駆動併用折りたたみＣＣＤの電極とコンタクトポイントの図である。
【図１４】８相駆動と４相駆動併用折りたたみＣＣＤの金属配線の説明図である。
【図１５】８相駆動と４相駆動併用折りたたみＣＣＤをメモリーとする画像信号積算素子のメモリー部分の電極と信号の転送方向を示す図である。
【図１６】６相駆動と３相駆動併用折りたたみＣＣＤをメモリーとする画像信号積算素子のメモリー部分の電極、金属配線、信号の転送方向を示す図である。
【図１７】８相駆動４相駆動併用ＣＣＤの折りたたみ方の自由度と制限を示す説明図である。
【図１８】多重周回飛行時間型質量分析イメージング装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００８０】
【実施例】
【第１実施例】
【００８１】  図１８に本特許の第１実施例である多重周回飛行時間型質量分析イメージング装置の構成４００を示す。
【００８２】  これは荷電粒子であるイオンの分別装置の一種である。この装置はイオン分別部４０１と検出部４０２からなる。
【００８３】  イオン検出部４０１は高強度超短パルスレーザー４０３、光学系４０４、イオン多重周回装置４０６、静電イオンレンズ４０７からなる。
【００８４】  検出部４０２は撮像素子４１１、制御部４１２、外部装置部４１３からなる。
【００８５】  制御部は撮像素子駆動回路４１４、クロック発生回路４１５、画像信号読み出し回路４１６、バッファメモリー４１７、制御コンピュータ４１８からなる。
【００８６】  制御コンピュータ内には撮影制御ソフトウエア４１９と画像信号処理スフトウエア４２０が組み込まれている。
【００８７】  外部装置はモニター４２１、外部記憶装置４２３、コンソール４２２からなる。
【００８８】  レーザーから射出されたレーザー光は試料４０５を照射する。これにより試料表面から多くの種類のイオン４０９が一斉に飛び出し、イオン多重周回装置に導かれる。
【００８９】  これまで多重周回飛行時間型質量分析装置のセンサとしては、個々のイオンの到達時刻と到達位置のみが検出できるセンサが使われてきた。
【００９０】  本発明になる撮像素子をセンサとして用いると、位置と時間の他に、信号電荷の大きさの情報も得られる。したがって、個々のイオン種が、どの位置にどの位存在しているかという存在量もわかる。
【００９１】  ただし時間分解能が１００ナノ秒程度なので、従来のリフレクション飛行型（イオンが往復するだけ）の質量分析装置では使うことができなかった。
【００９２】  さらに、本発明になる撮像素子は、信号の画素内積算ができる。
【００９３】  本発明の効果は、検出部に備えられている撮像素子４１１の各画素が備える画像信号メモリーとして使われるＣＣＤ（以後「メモリーＣＣＤ」の備える特徴により発揮される。
【００９４】  本発明になる撮像素子も、図５に示すアコーディオン型メモリーＣＣＤを備える撮像素子である。したがってこの図を用いて説明する。
【００９５】  図では２×２の４画素を示しているが、本実施例の撮像素素子は４００×６００の２４万画素を備える撮像素子である。
【００９６】  図５のメモリーＣＣＤはＣＣＤメモリー要素を８６個備え、連続８６枚の連続画像を撮影できる。
【００９７】  画像信号の取得と記録、画素内信号電荷の積算の方法については従来技術の説明の中で図５を用いて説明した。
【００９８】  したがって以下では本発明になる循環多重折りたたみ８相駆動・４相駆動併用のＣＣＤについて説明する。
【００９９】  わかりやすく説明するために図５のＣＣＤのかわりに、図１２から図１５の６回の折りたたみを持つＣＣＤを例にして説明する。簡略化されているが、本発明の説明に必要な機能は全て含まれている。
【０１００】  図１２にメモリーＣＣＤのチャンネル２０９とチャンネルストップ２０８を示す。図１３にポリシリコン電極（５０１から５０８）、および金属配線とのコンタクトポイント５００を示す。図１４に金属配線（５１１から５１８）を示す。図１５に信号電荷の転送方向を示す。
【０１０１】  画素サイズは３０μｍ×３０μｍで、面積は９００平方ミクロンである。画素数は４００×６００画素である。したがって画素数は２４万画素、受光面サイズは１２．０ｍｍ×１８．０ｍｍである。周辺に読み出し回路とボンディングパッドがあるので（図示していない）、チップサイズは１６ｍｍ×２２ｍｍである。
【０１０２】  図１３に示すポリシリコン電極の長さは０．９ミクロンである。電極間スペースは０．１ミクロンである。したがって転送方向の電極ピッチは１．０ミクロンである。
【０１０３】  図１４に示す金属配線の幅は０．３μｍ、スペースは０．２μｍである。したがって金属線の配線ピッチは０．５μｍである。したがって図１３の電極１個当たり２本づつの金属配線が乗っている。
【０１０４】  ＣＣＤのチャンネルピッチは１．０ミクロンで、チャンネル幅は０．８ミクロン、チャンネルストップ幅は０．２ミクロンである。したがって１個の４相駆動ＣＣＤメモリー要素のサイズは、４．０ミクロン（＝４×１．０ミクロン）×１ミクロン、すなわち４．０平方ミクロンである。８相駆動では８．０平方ミクロンである。
【０１０５】  したがってＣＣＤメモリーの面積は６８８（＝８６×８．０）平方ミクロンである。画素面積９００平方ミクロンからＣＣＤメモリーを除いた２１２平方ミクロンに電荷収集ゲート、読み出し回路等が作り込まれている。すなわち１画素に占めるメモリーＣＣＤの面積は７６．４％（＝６８８／９００）である。
【０１０６】  図１５に示すように８相駆動に対して１列のＣＣＤ転送路には、端部の列で８個、折りたたまれた内側の転送路で４個の電極が乗っている。
【０１０７】  図１４に示すように、各電極の上に、転送方向と直交する方向に、１層の金属層からなる各２本の配線が乗っている。２本のうち一方は折りたたみ点の前の転送路上の電極にコンタクトし、他方は折りたたみ後の転送路の電極にコンタクトしている。
【０１０８】  ８相駆動であるので、電気的に接合していない８本の金属配線が一組になって８種類の異なる駆動電圧波形φ１−φ８を送付している。
【０１０９】  図１３からわかるように、電極形状は長方形で、電極間スペース２０３には屈曲部分がない、単純なグリッドとなっている。したがってエッチングが容易で製造時の歩留まり率が上がる。
【０１１０】  受光面内の配線は２本一組の平行な配線のみであり、折りたたまれたＣＣＤを８相もしくは４相で駆動するにもかかわらず、極めて単純な構造である。
【０１１１】  単純な電極構造と配線構造は、画素サイズの縮小と製造時の歩留まり率の向上に大きく貢献する。
【０１１２】  転送のための駆動電圧波形等については特許文献１やＣＣＤに関する技術書等に詳述されているので説明を省略する。
【０１１３】  以上より、本発明の第１実施例の質量分析装置により、イオンの到達時刻、位置、強度情報が検出でき、かつ画素内信号積算のできるこれまでにない高機能で、実用性の高い質量分析装置を提供できる。
【第２実施例】
【０１１４】  図１８において、検出部４０２を切り離し、それにレンズ（図示していない）をつけたものである。これは光等で撮像する超高速画像信号積算型ビデオカメラである。
【第３実施例】
【０１１５】  図１６に本発明になるＣＣＤ転送路の第２の実施例を示している。６相駆動と３相駆動併用のアコーディオン型画像信号積算ＣＣＤである。
【０１１６】  電極と駆動電圧配線は６種類である。ＣＣＤは３個の電極を単位として折りたたまれている。
【第４実施例】
【０１１７】  図１７に本発明の第３実施例を概念的に示している。８相駆動と４相駆動の併用型のＣＣＤ転送路の１例である。
【０１１８】  この図よりわかるように４個の連続する電極を単位として折りたためば、水平方向には常に２種類の同位相の電極が並ぶ。すなわち第１位相と第８位相、第２位相と第７位相（以下略）の組み合わせとなる。したがって、駆動電圧送付のための金属配線は、常に１電極当り２本の水平配線で良いことになる。
【０１１９】  これにより、アコーディオン型に限らず、循環多重折りたたみＣＣＤの形状を柔軟に選択できる。例えば図１７の循環ＣＣＤの内部３００や周辺の凹部３０１にフォトダイオード、ドレイン、ＣＭＯＳ型の画像信号転送回路等を作り込むことができる。その場合でも、各電極の上に２本の水平金属配線をするだけで、このＣＣＤを駆動できる。
【その他の実施例】
【０１２０】  本発明の実施例は上記の３実施例に限らない。
【０１２１】  ５相駆動と１０相駆動を併用する技術も、前記の実施例から容易に想定できるので説明を割愛する。
【０１２２】  １電極上に３本以上の水平金属配線を乗せて、３本目をさらなる高機能化のために使っても良い。
【０１２３】  電極はシリサイド等の既存系でも良い。
【特徴と効果の具体的な説明】
【０１２４】  実施例の説明により本発明になる撮像素子のメモリーＣＣＤの特徴と効果がより具体的にわかる。以下、８相駆動と４相駆動の併用型を例として説明する。
【０１２５】  ４個の電極が乗っているＣＣＤ転送路を単位として折れ曲がっている。
【０１２６】  各電極上に乗った２本の金属配線だけで駆動電圧を送付できる。
【０１２７】  これらの金属線は平行である。
【０１２８】  電極形状が長方形であり、電極間スペースが単純なグリッドになっており、屈曲点がない。
【０１２９】  これらの特徴により、以下の効果が生み出された。
【０１３０】  非常に速い撮影速度と、素子内画像信号積算機能を併せ持つ撮像素子を提供する。
【０１３１】  目的に応じて４相駆動と８相駆動を併用できる。
【０１３２】  単純な構造であるので、４相駆動と８相駆動を併用型としてはＣＣＤ要素を小さくでき、同一の画素面積に対して多くのメモリー要素を作り込み、連続撮影枚数を大きくできる。チップ面積と撮影枚数が同一の場合、画素数を増やすことができる。
【０１３３】  本発明になる撮像素子を備える撮影装置や荷電粒子の分別装置により、これまで検出できなかった様々の現象を高性能に検出することができる。
【０１３４】  ただし、特許文献５で開示した交差電極や特許文献６で開示したＺ型電極を用いた循環多重折りたたみＣＣＤで、単純に３相駆動もしくは４相駆動ＣＣＤを作る場合に比べれば、ＣＣＤのサイズは大きくなる。したがって用途に応じて、本発明になる８相４相（もしくは６相３相）駆動併用型か、単純４相（もしくは３相）駆動循環多重折りたたみＣＣＤを選択して採用すれば良い。
【産業上の利用可能性】
【０１３５】  再現性の強い現象であれば信号強度が非常に弱い場合でも、超高速で高いＳＮ比で撮影できる撮影装置を提供する。【０１３６】  またイオンのセンサへの到達位置、到達時間、到達量の計測による高機能質量分析手段を提供する。
【符号の説明】
【０１３７】１００  フォトダイオード（表面照射の場合）もしくは電荷収集ゲート（裏面照射の場合
１０１  直線ＣＣＤ（斜行直線ＣＣＤ）
１０２  画素周辺記録型撮像素子
１０３、１０５、１０９  循環型ＣＣＤ
１０４  フォトダイオード
１０６  電極
１０７  アナログメモリー
１０８  多重折りたたみＣＣＤを備える撮像素子
１０９  ２×２画素の画像信号積算素子
１１０、１１１、１１２、１１３  ２層の電極
１１４、１１５、１１６、１１７  １層の金属層だけで作られた平行な駆動電圧送付配線
１１８  コンタクトポイント
１１９  折りたたみＣＣＤの上辺
１２０  折りたたみＣＣＤの下辺
１２１  水平チャンネルストップ
２００  アコーディオン型ＣＣＤの折りたたみの対向する部分
２０１  単層のポリシリコンで作るＺ型電極
２０２  電極間スペース
２０３  電極間スペースの直角の屈曲点
２０４  第１相電極
２０５  第２相電極
２０６  第３相電極
２０７  第４相電極
２０８  チャンネルストップ
２０９  チャンネル
２１０  第１位相駆動電圧配線
２１１  第２位相駆動電圧配線
２１２  第３位相駆動電圧配線
２１３  第４位相駆動電圧配線
２１４  コンタクトポイント
３００  アコーデオン型ＣＣＤの内部
３０１  アコーデオン型ＣＣＤの凹部
４００  多重周回飛行時間型質量分析イメージング装置
４０１  イオン分別部
４０２  検出部
４０３  高強度超短パルスレーザー
４０４  光学系
４０５  試料
４０６  イオン多重周回装置
４０７  静電イオンレンズ
４０８  レーザー光
４０９  射出直後のイオン群
４１０  多重周回後のイオン群
４１１  撮像素子
４１２  制御部
４１３  外部装置部
４１４  撮像素子駆動回路
４１５  クロック発生装置
４１６  画像信号読み出し回路
４１７  バッファメモリー
４１８  コンピュータ
４１９  撮影制御ソフトウエア
４２０  画像信号処理ソフトウエア
４２１  モニター
４２２  外部記憶装置
４２３  コンソール
５００  コンタクトポイント
５０１−５０８  ８相駆動の各電極
５１１−５１８  ８相駆動の各配線
６００  電荷収集ゲート
６０１  インプットゲート
６０２  アコーディオン型メモリーＣＣＤ
６０３  第１メモリーＣＣＤ要素（始端）
６０４  第２メモリーＣＣＤ要素
６０５  第８６メモリーＣＣＤ要素（末端）
【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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【図１８】
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