(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上のMOS形デバイスのゲート膜上にセンサの感応部、参照電極、対極を設け、これらを電解質材料で被覆して成る化学センサにおいて、裏面照射による表面光電圧法（surface photo voltage: SPV）を用いた化学イメージセンサを構成するのに、多角形板状または円板状の半導体基板を用い、この半導体基板の一方の面上に化学種の感応部、参照電極、対極を設けさらにこれらを電解質材料で被覆してセンシング領域を設け、且つ上記基板の反対面を光遮蔽し規則的に光透過窓を多数設けて直流光で連続して順次照射することにより得られる局在的なケミカル信号から半導体基板上のケミカルイメージ像を得ることを特徴とする化学イメージセンサシステム。
【請求項２】
上記基板を回転させて直流光を順次センサ部に照射すると同時に、光源を移動させて上記直流光が回転軸と回転盤最外周との間の一定の範囲を往復することにより、上記基板上のセンサ全面の化学種の二次元分布像を得ることを特徴とする請求項１の化学イメージセンサシステム。
【請求項３】
化学イメージセンサシステムの平面的に配置されたセンサ部と参照電極と対極とにおいて、板状センサからのセンサ信号の取り出しと参照電極と対極の外部電気回路との接続を、上記回転機構に組み込まれた電気配線を通してそれぞれ取り出すことを特徴とする請求項１又は請求項２の化学イメージセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【  発明の属する分野の説明】
本発明は化学イメージセンサシステムに関するものである。
【０００２】
従来の技術
半導体の表面又は裏面よりその禁制帯幅よりエネルギーのおおきな交流光を照射し、このとき生じる光電流を測定してセンサに応用する方法は表面光電圧（ＳＰＶ）法と呼ばれている。図９にその構成図を示す。この計測方法は、ガスやイオンや生物活性などの生物化学検査や半導体製造プロセスにおける結晶欠陥測定など物理・化学センサとしての応用が考えられている。さらにこのセンサは微小領域のセンサ信号が検出できるとともに、スキャニングすることによりセンサ信号を順次収集して化学種の二次元分布像を得ることができるので、ケミカルイメージセンサと期待されていた。
【０００３】
しかし、従来は裏面に交流光を照射するための光変調装置が必要なので、システム全体が大きくなり、結果として高価な装置になっていた。また、そのレーザー光の変調方法には変調による高調波を含まないような工夫が必要であり、そのためセンサの出力信号の処理に時間を要していたのでケミカルイメージ信号の高速処理も切望されていた。
【０００４】
【発明が解決すべき課題】
本発明は上記の欠点を解決し、ケミカルイメージ信号の高速処理と装置の小型化し、安価なケミカルイメージセンサを実現することである。
【０００５】
【発明が解決する手段】
上記課題を解決するための請求項１の発明は、半導体基板上のMOS形デバイスのゲート膜上にセンサの感応部、参照電極、対極を設け、これらを電解質材料で被覆して成る化学センサにおいて、裏面照射による表面光電圧法（surface photo voltage: SPV）を用いた化学イメージセンサを構成するのに、多角形板状または円板状の半導体基板を用い、この半導体基板の一方の面上に化学種の感応部、参照電極、対極を設けさらにこれらを電解質材料で被覆してセンシング領域を設け、且つ上記基板の反対面を光遮蔽し規則的に光透過窓を多数設けて直流光で連続して順次照射することにより得られる局在的なケミカル信号から半導体基板上のケミカルイメージ像を得ることを特徴とする。
【０００６】
【実施の態様】
本発明は、MOS形構造で半導体の一方の面を交流光を照射することにより半導体表面の局所状態を検知できる表面光電圧法を用いたケミカルセンサに於いて、照射されるセンサ基板面上に微細な照射窓を多数設けビーム光で走査するのに交流光を用いないで直流光を用いるのが本発明の趣旨である。
【０００７】
図１は本発明のｐＨイメージセンサの基本構成を示している。センサ基板１の一方の面に絶縁膜２／ケミカル感応膜３／電解溶液４／参照電極５・対極６／の構成でケミカルセンサを構成し、上記基板と反対面上に微少な光照射窓と光遮蔽膜を交互に多数設け、これを直流光で順次照射することにより照射された微少領域の表面光電圧が順次生ずるという事実に基づいている。
【０００８】
図２(a)(b)(c)は図１の動作説明図で先ず図２(a)のように裏面において規則的に光照射窓が開けられているので、センサ基板又はビーム光が図２(b)のように移動すると、ビーム光が開口窓の一部を照らしはじめて、次に全部照らし、更に一部を照らした後に遮蔽されるという工程を次々と繰り返すことにより、図２(c)に示すようにピークを持った半波の光電流が次々と発生する。この光電流はゲートバイアス電圧と感応層の表面電位によって変化するのでセンサ基板全面を順次照射することによりケミカルセンサを構成できる。また、光ビームが照射箇所と遮蔽箇所を交互にアクセスすることで光励起波形間に一定の無励起時間が生じセンサ上の各測定点の励起波形が重なり合うことがないので、空間分解能の向上には好都合である。
【０００９】
さらに、本発明の照射法は上記の説明のように光ビームは増加してピークを持ち徐々に減少するハーバーサイン波形に近い励起波形となるので、光励起電流は高調波を多く含まないのでフィルター回路が軽減できる。測定はセンシング部と対極部と参照電極部がサンプル溶液で被われることで実現でき、ゲル状材料を電解質に用いた場合はゲル状電解質膜上に測定サンプル溶液を滴下することで化学種がゲルに浸透しセンサ応答膜上で局在的にセンサ信号の面内分布に変化をもたらすことにより化学イメージセンサを実現できる。
【００１０】
図３は本発明の他の実施例で、バルク半導体基板１に対して石英やサファイアなどの透明基板１a上に薄膜半導体層を形成したセンサを示し、裏面の照射ピットを微細にしてビーム光も微細径に集光することにより空間分解能を向上させることが出来る。
【００１１】
図４は本発明の他の実施例であり、上記例のようにX-Yステージを移動させる方法ではなく、センサ基板にディスク状の半導体基板１を用い上記センサ基板を回転させる例である。本例の構成はディスク状の半導体基板上に化学種のセンサ部と参照電極と対極を設けたセンサ基板の中心部を回転軸のスピンドルにハブで圧着させて上記基板を回転させて同心円状に直流ビーム光を照射すると共にディスク状基板の直径方向にそのビーム光源の位置を移動させることにより、局部信号をセンサ基板全面に渡り順次読み取ることによりケミカル二次元像を得るものである。
【００１２】
本発明のディスク状センサ基板の直径方向へ移動を正確に行うために、レーザー光源、ビームスプリッター、対物レンズなどから成る交流光の照射機能はCDROMと同様な機構つまり位置決め機構に固定させたアーム上に取り付けられる。さらに直流ビーム光は対物レンズでセンサ基板の半導体層に焦点を合わされことにより高い空間分解能を達成できる。
【００１３】
図５は  本発明のｐＨイメージセンサの他の実施例で、上記センサを回転させるのに上記の板状半導体基板をケース内に収納し一体にして回転する場合で、プラスッチックなどで成型された収納ケース７の裏面に光の透過窓と遮蔽窓を交互に多数設けることにより、センサ基板の方の裏面に特別に微細な光照射用のピットを設けなくとも、上記のように裏面を加工したケースにセンサ基板を収納し一体で回転させることにより、直流光で順次照射することによりケミカルイメージが得られる。
【００１４】
図６は本発明の他の実施例で板状センサ基板からのセンサ信号の取り出し及び参照電極５と対極６の外部の電気回路との接続法の例を示している。上記回転軸８のスピンドルと上部のハブにディスク状基板が圧着されることによりモーターの回転によりセンサ基板が回転子、上記のスピンドルに圧着された回転センサ板はハブにより圧着または解除することにより着脱可能な構成となる。上記回転軸のスピンドルと上部のハブにディスク状基板が圧着される場合、上記板状のセンサ基板を回転させると同時に上記板状センサ基板からのセンサ信号電極及び参照電極と対極の電気配線をスピンドル部かハブかの回転機構に一体に組み込む。センサ信号の取り出し及び参照電極と対極の各々はセンサ基板の上面に配置され上方からハブで押さえられている構成なので、外部電気回路とを接続させるには本例のようにハブの一部に電気配線と接続部を設けて接触子で接触させるのが適している。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、裏面にアレー状の光照射窓が形成されこれを回転させることで順次直線光で照射するので、従来用いていた交流光のための光変調装置が不要になり小型化と同時に安価な装置が実現でき、またケミカルイメージ信号の高速計測が切望されていたが、本発明によれば光変調のための付帯回路が無いこととセンサ基板の高速回転により飛躍的に高速化することができるようになりその効果は大である。
【図面の簡単な説明】
図１    本発明の実施例
図２、図１の動作説明図
図３、本発明の他の実施例
図４、本発明の他の実施例
図５ 本発明の他の実施例
図６ 本発明の他の実施例
図７ 従来例
【  符号の説明】
１：シリコン基板
１a：透明基板
１b：薄膜半導体層
２：絶縁膜
３：感応膜
４：ゲル電解質
５：参照電極
６：対極
７：ケース
８：回転軸
【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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