JPS6262075B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ある伝導型の半導体基板の一方の面
にそれとは逆の伝導型の抵抗層を設け、前記抵抗
層に入射した粒子線等によつて生成された変換電
流を前記抵抗層により分割し複数の電極から取り
出し粒子線等の入射位置を検出する粒子線等の入
射位置検出用半導体装置に関する。

光スポツトや粒子線の入射位置を計測する装置
としてテレビジヨン技術を用いた走査型のものが
広く知られている。

近時、前記走査によらないで粒子線等の入射位
置を検出できる粒子線等の入射位置検出用半導体
装置が開発され、使用されるに至つている。

まずこの粒子線等の入射位置検出用半導体装置
の基本的な構成と動作を簡単に説明する。

第１図は従来の入射位置検出用半導体装置の構
成を説明するための略図である。

第１図ａ，ｂ、およびｃは、それぞれ表面分割
型の入射位置検出用半導体装置の斜視図、断面
図、および平面図である。従来の表面分割型の入
射位置検出用半導体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。

また第１図ｄ，ｅ，ｆは、それぞれ両面分割型
の入射位置検出用半導体装置の斜視図、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。

座標軸を第１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。

表面分割型入射位置検出用半導体装置の電極３
の、３の、３の、３のを接地し、電極５
のにｐ−ｎ接合が逆バイアスとなるように電圧
をかけておく。

また両面分割型入射位置検出用半導体装置の電
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）の点に光ス
ポツトや粒子線が照射され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、
表面分割型の入射位置検出用半導体装置ではその
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。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。

両面分割型の入射位置検出用半導体装置では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２で分割された電極３のと
に流れ込み、他方は裏面の抵抗層５で分割され
た電極４のとに流れる。

Ｘ＝（I₃−I₁）／（I₃＋I₁） Ｙ＝（I₂−I₄）／（I₂＋I₄） の計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。

表面分割型の入射位置検出用半導体装置と両面
分割型の入射位置検出用半導体装置は互いに他方
にはない長所と短所を持つている。

次に両入射位置検出用半導体装置の位置出力特
性を説明する。第２図は両入射位置検出用半導体
装置の位置出力特性を示すグラフであつて同図Ａ
は表面分割型の入射位置検出用半導体装置の位置
出力特性、同図Ｂは両面分割型の入射位置検出用
半導体装置の位置出力特性を示している。いずれ
の型のものも、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２図Ａに示す表面分割型の入射位置検出用半
導体装置では、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
２図Ｂに示す両面分割型の入射位置検出用半導体
装置の出力特性はピツチはほぼ一定となつていて
歪が少ない。

両面分割型の入射位置検出用半導体装置は、前
述のように出力特性が優れているが、基板１の裏
面に抵抗層５を形成する必要があるため、基板１
内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、表面分割型の入射位置検出用半
導体装置に比較して接合もれ電流がはるかに大き
くなり、接合もれ電流は10倍〜100倍に達する。
また、この種の入射位置検出用半導体装置におい
て入力（光パルス、粒子など）の位置変動が速い
場合、もしくは入力がパルスである時には出力波
形の応答を速くするためｐ−ｎ接合の逆バイアス
電圧を大きくする必要がある。表面分割型の入射
位置検出用半導体装置ではバイアスを基板の裏面
電極（第１図ａ図）から加えているため、抵抗
層側の電極に接続された増幅器と無関係に任意に
大きなバイアス電圧の印加が可能である。

これに対し、両面分割型の入射位置検出用半導
体装置は表と裏の信号電極間にバイアス電圧を加
えるために信号電極から得られる出力は信号＋バ
イアス電圧が重なつたものとなる。この出力から
信号分だけを抜き出す第１の方法として、増幅器
でバイアス電圧分だけ引算する方法がある。この
とき、バイアス電圧と出力信号の振幅との和が増
幅器の動作電圧よりも低くなければならないの
で、バイアス電圧の設定可能な範囲は制限され
る。

例えばオペアンプを用いているときにバイアス
電圧は15V以下に制限され、出力信号の振幅も同
様に制限される。

第２の方法として、入射位置検出用半導体装置
の信号電極と増幅器をコンデンサ結合としてバイ
アス電圧の直流分をカツトし、信号のパルス成分
だけを抜き出す方法がある。バイアス電圧を自由
に高く設定できるという利点があるがパルスの繰
返し周期または信号強度の変動（信号の入力位置
によつても出力信号の強度は変動する）により、
取り出された信号の平均レベルが変動し、位置の
演算を行う場合の精度を損なう虞がある。位置の
精度を犠牲にしても応答速度を上げる必要がある
場合にはこの方式が適している。

以上を要約すると、位置出力の歪は両面分割型
の入射位置検出用半導体装置の方が少ないが、両
面分割型の入射位置検出用半導体装置はもれ電流
が大きくｐ−ｎ接合の逆バイアスの印加方式が複
雑であると言うことになる。

本発明は前述の問題点を解決するためになされ
たものであつて、その目的は、もれ電流が小さく
逆バイアス電圧の印加が容易でかつ位置出力の歪
の小さい粒子線等の入射位置検出用半導体装置を
提供することにある。

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入射位置検出用半導体装
置は、ある伝導型の半導体基板の一方の面にそれ
とは逆の伝導型の抵抗層を設け、前記抵抗層に入
射した粒子線等によつて生成された変換電流を前
記抵抗層により分割し複数の電極から取り出し粒
子線等の入射位置を検出する粒子線等の入射位置
検出用半導体装置において、前記抵抗層を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
の接続点から電流を取り出し、取り出した電流を
演算して粒子線等の入射位置に関する出力を得る
演算回路を有し、前記抵抗層のシート抵抗値と円
弧状の抵抗線との間に Ri＝ｒ□／ri（ｉ＝１、……４） ただし Riは円弧状抵抗線の線抵抗率 ｒ□は抵抗層のシート抵抗値 riは円弧状抵抗線の曲率半径 の関係を与えて構成されている。

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３図は本発明による装置の実施例を示す平面
図および縦断面図である。

この実施例装置は光スポツトの位置を検出対象
とするものである。

半導体基板１１としてｎ型シリコン（Si）ウエ
ーハ、比抵抗３〜5kΩcm、厚さ200μｍのものを
使用する。この半導体基板１１の一方の面は鏡面
研摩、他方の面はサンドブラストする。

半導体基板１１のサンドブラストしてある方の
面にリンを拡散をして、深さ30μｍのｎ型拡散層
１２を形成する。

次に、半導体基板１１を熱酸化し、全面に次の
ホウ素拡散のマスクとなる厚いSiO₂を成長させ
る。次に鏡面研摩側の半導体基板１上の１辺の長
さ14mmの正方形の頂点を結ぶ半径ａcmの弧の部分
に沿つて幅150μｍの線状のSiO₂をフオトリソグ
ラフイーによつて除去する。そしてこの部分にホ
ウ素を熱拡散により拡散し、弧の部分の長さの方
向の単位長さ（１cm）当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
弧の部分の抵抗をボーダー抵抗部１３と言うこと
にする。再び半導体基板１１を酸化し、ボーダー
抵抗部１３の上にSiO₂を5000Å成長させる。次
にホトリソグラフイーによりボーダー抵抗１３で
囲まれている領域のSiO₂を孔明けする。この
時、ボーダー抵抗部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、孔明け部の上
にSiO₂を1500Å成長させた。

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。
アニール後のイオン注入部（前記ボーダー抵抗１
３によつて囲まれた内側部分）のシート抵抗値ｒ
□（Ω／□）はＲ＝ｒ□／ａとなるように調整さ
れた。

ボーダー抵抗部１３によつて囲まれたイオン注
入部を受光部１４と言うことにする。ボーダー抵
抗部１３の四隅の頂点の部分にボーダー抵抗部１
３からはみ出さないようにして100μｍφのSiO₂
をフオトリソグラフイーによつて穴あけし、さら
に150μｍφのAl電極１５が同心円状に形成され
た。半導体基板１１の裏面（パターンの無い側）
には金（Au）が蒸着され、半導体基板と合金し
て裏面の電極とした。半導体基板はダイシングに
よつてチツプとされ、５ピンセラミツクケースに
ダイボンデイングとワイヤーボンデイング接続す
る。チツプの寸法は15mm×15mmであり、ボーダー
抵抗部１３の抵抗率Ｒは12kΩ／cm、弧の半径ａ
は2.5cm、受光部のシート抵抗は30kΩ／□であつ
た。

第４図は以上のごとき方法で製作された素子を
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は電流−電圧変換器である。この電流
−電圧変換器入力の電位は接地電位となつてい
て、光電変換された光電流信号が流れ込み、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。加算器A₁には前記電
流−電圧変換器の出力V₂とV₃が接続されその和
の信号V₂＋V₃が出力される。加算器A₂には前記
電流−電圧変換器の出力V₁とV₄が接続されその
和の信号V₁＋V₄が出力される。加算器A₃には前
記電流−電圧変換器の出力V₁とV₂が接続されそ
の和の信号V₁＋V₂を出力する。加算器A₄には前
記電流−電圧変換器の出力V₃とV₄が接続されそ
の和の信号V₃＋V₄が出力される。

加算器A₅には前記加算器A₃とA₄の出力が接続
されその和の信号（V₁＋V₂＋V₃＋V₄）が出力され
ている。

減算器S₁には前記加算器A₁とA₂の出力が接続
され、（V₂＋V₃）−（V₁＋V₄）を出力している。同
様に減算器S₂には前記加算器A₃とA₄の出力が接
続され、（V₁＋V₂）−（V₃＋V₄）を出力している。

除算器D₁は前記減算器S₁と加算器A₅の出力か
ら、入射点のＸ座標に対応する下記のＸ信号出力
を送出する。

Ｘ＝〔（V₂＋V₃）−（V₁＋V₄）〕／（V₁ ＋V₂＋V₃＋V₄） 除算器D₂は前記減算器S₂と加算器A₅の出力か
ら、入射点のＹ座標に対応する下記のＹ信号出力
を送出する。

Ｙ＝〔（V₁＋V₂）−（V₃＋V₄）〕／（V₁ ＋V₂＋V₃＋V₄） 前記装置の素子面上受光部１４の中央10mm×10
mm内を一定ピツチで光スポツトを照射させながら
移動し、前述した第４図の構成の回路を用いて位
置演算をさせた結果を第５図に示す。

第５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
割型の入射位置検出用半導体装置と比べて、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、表面分割型の入射位置検出
用半導体装置の位置出力特性が改善される理由を
説明する。

第６図に示すように無限大の長さに延びた２つ
の平行な電極の間に均一な抵抗層６３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
る電極I₁とI₂とx₁との関係は x₁＝（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７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、
円周に沿つて線抵抗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７２のシート抵抗をｒ（Ω／□）とする。円
の中心Ｏ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（Ａ／cm）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＝θ_１の間の線抵抗には
Ja sinθの電流が流れ込む。

この電流がθ＝θ_１とθ＝θ_１＋ｄθの間の線
抵抗に起こす電位降下はJa sinθ・Ｒ・adθであ
る。またｄθの円周の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＝ａ sin
θｄθだからdVx＝Ja sinθ・ｒ・ｄθとなる。

線抵抗７１上の電位降下と抵抗層上の電位降下
が、電流が乱されていないという仮定を満足する
ためには Ja sinθ・aR・ｄθ＝Ja sinθ・ｒ・ｄθ ∴ Ｒ＝ｒ／ａ が導き出される。

さて第８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，ａ１
４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，Ｒ
１４の線抵抗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。電極とを接続し、接地して、
電極とを接続して接地する。これを第６図と
比べると、第７図のような関係から第８図と第６
図は等価であると考えられる。

このようにして、第８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
ることになる。

本発明による装置は以上のように構成され動作
するものであるから、以下の効果がある。

両面分割型の入射位置検出用半導体装置は基板
の結晶欠陥のゲツタリングが困難であり暗電流が
大きかつたのに対し、本発明の装置は、基板の厚
さ方向の構造が表面分割型位置検出器と同一であ
るため、暗電流も同一接合面を持つ表面分割型検
出器と同程度となつた。

さらに、信号の情報量として、表面分割型位置
検出器では光電流をＸ演算用、Ｙ演算用に分けて
使用していたのに対し、本発明の装置では、Ｘ演
算、Ｙ演算共に、全光電流を用いて演算されるた
め表面分割型位置検出器に比べＳ／Ｎの点で有利
である。

また、両面分割型位置検出器と比べ、裏面に抵
抗層を形成しないため全工程一面のみに半導体プ
レーナプロセスを用いて製作できるため量産性お
よび歩留りが良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の入射位置検出用半導体装置の構
成を説明するための概略図である。第２図は入射
位置検出用半導体装置の位置出力特性を示すグラ
フであつて同図Ａは表面分割型の入射位置検出用
半導体装置の位置出力特性、同図Ｂは両面分割型
の入射位置検出用半導体装置の位置出力特性を示
している。第３図は本発明による粒子線等の入射
位置検出用半導体装置の実施例装置を示す平面図
および縦断面図である。第４図は前記実施例装置
の出力を演算する回路の実施例を示す回路図であ
る。第５図は前記実施例装置の出力特性を示すグ
ラフである。第６図、第７図および第８図は本発
明の原理を説明するための説明図である。 １１……半導体基板、１２……ｎ＋拡散層、１
３……ボーダー抵抗部、１４……受光部、１５…
…アルミニユーム電極、１６……反射防止用酸化
珪素（SiO₂）層、１７……酸化珪素（SiO₂）層、
C₁〜C₄……電流−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 ある伝導型の半導体基板を一方の面にそれと
   は逆の伝導型の抵抗層を設け、前記抵抗層に入射
   した粒子線等によつて生成された変換電流を前記
   抵抗層により分割し複数の電極から取り出し粒子
   線等の入射位置を検出する粒子線等の入射位置検
   出用半導体装置において、前記抵抗層を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
   の接続点から電流を取り出し、取り出した電流を
   演算して粒子線等の入射位置に関する出力を得る
   演算回路を有し、前記抵抗層シート抵抗値と円弧
   状の抵抗線との間に以下の関係を与えて構成した
   ことを特徴とする粒子線等の入射位置検出用半導
   体装置。 記 Ri＝ｒ□／ri（ｉ＝１、……４） ただし Riは円弧状抵抗線の線抵抗率 ｒ□は抵抗層のシート抵抗値 riは円弧状抵抗線の曲率半径 以上 ２ 前記半導体基板はｎ型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検出用半導体装
   置。 ３ 前記粒子線等の入射位置検出用半導体装置は
   プレーナ工程で製造された特許請求の範囲第１項
   記載の粒子線等の入射位置検出用半導体装置。 ４ 前記演算回路は粒子線の入射位置を前記接続
   点の対角線の交点を原点とする座標の点のデータ
   として出力する特許請求の範囲第１項記載の粒子
   線等の入射位置検出用半導体装置。