JP2721476B2

JP2721476B2 - 放射線検出素子及びその製造方法

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Publication number: JP2721476B2
Application number: JP19289993A
Authority: JP
Inventors: 敏雄高林; 卓也本目; 忠守黄
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1993-07-07
Filing date: 1993-07-07
Publication date: 1998-03-04
Anticipated expiration: 2013-03-04
Also published as: JPH0727863A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は放射線検出素子に関
し、特に、その構造及び製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、放射線検出素子としては、シンチ
レータと光検出素子を組み合わせて構成され、例えば二
次元光センサの全面にこのシンチレータを形成させたも
のがある（第１の従来例）。これは、放射線が入射され
たシンチレータが蛍光を発生し、この蛍光を二次元光セ
ンサで検出するように動作する。

【０００３】また、放射線検出素子の第２の従来例とし
ては、光ファイバプレートの上部にシンチレータを形成
し、光ファイバプレートを通った光（このシンチレータ
で発生した蛍光）を二次元光センサで受光するものがあ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、第１の
従来例では光検出素子上に形成したシンチレータのクロ
ストークにより解像度が低下し、また、二次元光センサ
にダメージを与えやすいという欠点があった。また、第
２の従来例では光ファイバプレートは高価で、かつ光フ
ァイバプレート自体の大型化が困難であるため、放射線
検出素子自体の大型化は困難であり、さらに、シンチレ
ータで発光した光が光ファイバプレートを通過する際、
反射・吸収が起こり、光検出素子に入射する光量が低下
することから、検出効率を上げるためにシンチレータを
厚くすると解像度が低下しやすくなるという欠点があっ
た。

【０００５】このため、上記技術の欠点を解決するもの
として、光ファイバプレートの表面にエッチングで多数
の凹凸を形成し、突出したコアにシンチレータを成長さ
せた技術が、例えば特開昭６１−１８５８４４号公報及
び同６１−２２５６８４号公報に提案されている。

【０００６】しかし、これら公報の技術によると、画素
分離を図るため、光ファイバプレートにおけるコアの配
設ピッチをセンサにおける画素のピッチと同程度にする
とともに、画素とコアを正確に位置合わせして光結合し
なければならないが、これは極めて困難であり、実用性
に欠け、また、生産コストを高くするなどの課題があっ
た。

【０００７】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、Ｘ線感度及び解像度ともに優れた
大面積の放射線検出素子を提供するとともに、その簡単
な製造方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る放射線検
出素子は、基板上に複数の画素とともに、この各画素に
対応したピッチで形成された凹状又は凸状パターンを有
する１次元又は２次元の光センサと、この１次元又は２
次元光センサ上に成長させ、凹状又は凸状パターンに沿
って選択的に生じさせた亀裂によって区切られた各シン
チレータが、各画素にそれぞれ位置的に対応したシンチ
レータ部を備えた構成であって、特に、この凹状又は凸
状パターンはシンチレータの生成過程で選択的に亀裂を
生じさせるための所定の断面形状を有することを特徴と
している。

【０００９】

【作用】この発明における放射線検出素子は、シンチレ
ータ部の生成過程で選択的に亀裂を生じさせるため、こ
のシンチレータ部を成長させる基板上に予め所定の断面
形状を有する凹状又は凸状パターンを形成しておくよう
にしたもので、この凹状又は凸状パターンが存在するこ
とにより、基板上に成長したシンチレータ部はその冷却
過程で応力を生じ、これら凹状又は凸状パターンに沿っ
て選択的に亀裂を生じる。

【００１０】これは、シンチレータ部が冷却過程で収縮
することによりその表面に応力集中が生じるとともに、
このシンチレータ部と基板との収縮率の違いによりこれ
らの界面でも応力集中が生じ、かつ、基板上に成長した
シンチレータ部が柱状構造を有することから、基板に対
して垂直方向の亀裂が凹状又は凸状パターンに沿って生
じるものと考えられる。

【００１１】また、この選択的に生じさせた亀裂によ
り、シンチレータ部は基板上に形成されている１次元又
は２次元の光センサの画素ごとに整然と分離される。

【００１２】また、凸状パターンは各画素間の配線上に
形成されるので、亀裂により区切られた各シンチレータ
は、それぞれ位置的に対応している画素部分をＸ線被爆
から保護する。

【００１３】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図１乃至１３を
用いて説明する。なお、図中同一部分には同一符号を付
して説明を省略する。

【００１４】まず、実施例の放射線検出素子が用いられ
る放射線検出装置の全体構成を説明する。図１は放射線
検出装置の全体構成を示す斜視図であり、鉛製の放射線
遮断板１を浮上させて描いてある。図において、ガラス
基板２の中央部にはホトダイオード（ＰＤ）や薄膜トラ
ンジスタ（ＴＦＴ）などからなる二次元光センサ３が形
成され、この上に多数のシンチレータ４０の柱状結晶か
らなるシンチレータ部４が形成されている。

【００１５】また、この二次元光センサ３の一方の辺に
沿うように垂直シフトレジスタ５がガラス基板２上に設
けられ、他方の辺に沿うようにガラス基板２上に水平シ
フトレジスタ６が設けられており、この垂直シフトレジ
スタ５は画素のスキャン用で、水平レジスタ６はデータ
の出力用として設置されている。そして、この水平レジ
スタ６から取り出された出力データはガラス基板２上に
設けたアンプ７から映像信号として外部に取り出され
る。

【００１６】このような放射線検出素子では、図１の上
方からＸ線やガンマ（γ）線などの放射線が入射する
と、シンチレータ４０で発光が生じ、この光子が画素３
０に検出される。この出力は、垂直レジスタ５及び水平
レジスタ６によって読み出され、アンプ７で増幅されて
出力される。

【００１７】この実施例における二次元光センサ３は、
ガラス基板２上に二次元のアレイとして形成した複数の
画素を有しており、図２のように構成される。ここで、
図２（ａ）は画素３０の水平図であり、同図（ｂ）は画
素３０の断面図である。それぞれの画素３０は、光検出
セルとしてのホトダイオード３１と、スイッチとしての
薄膜トランジスタ３２を有し、ホトダイオード３１は薄
膜３２のソース電極３３上にＰｉｎシリコンホトダイオ
ードとして構成されている。ホトダイオード３１のアノ
ード電極３４はコモンライン３５に接続され、薄膜トラ
ンジスタ３２のドレイン電極はドレインライン３６に接
続されている。

【００１８】なお、ドレインライン３６は前述の水平シ
フトレジスタ６に接続され、ゲートライン３７は垂直シ
フトレジスタ５にそれぞれ接続されている。そして、薄
膜トランジスタ３２にシンチレーション光が入射しない
ように、絶縁膜をはさんで薄膜トランジスタ３２上に遮
光膜３８が設けられている。

【００１９】次に、二次元光センサ３上に成長させたシ
ンチレータ部４の構造について図３を用いて説明する。

【００２０】図３は、この発明の一実施例におけるシン
チレータ部４の構造を示す断面図であり、二次元光セン
サ３上に形成した画素３０の間隔に合わせて凸状パター
ン８（凹状パターン）が形成されている。そして、この
凸状パターン８に沿って亀裂を選択的に生じたシンチレ
ータ４０（このシンチレータは柱状構造を有しているの
で、その亀裂は基板に対して垂直方向に生じる）の上
に、保護膜９と、Ａｌシート１０が形成されている。

【００２１】なお、この凸状パターン８の形成方法は、
図４に示すように、上述したに二次元光センサ２表面の
洗浄とデハイドレーションベークを行い、続いてこの二
次元光センサ２上にスピンコーターにより有機絶縁膜で
ある感光性ポリイミド８ａを１０μｍの厚みになるよう
に塗布する（図４（ａ））。そして８０℃、４０分間プ
リベークを行なうことで感光性ポリイミド８ａの半硬化
を行った後、フォトレジストと同様なプロセスでゲート
及び信号ライン上にこの感光性ポリイミド８ａが残るよ
うにパターン加工（フォトマスク１１で覆って紫外線露
光した後エッチングする）を行う（図４（ｂ））。最後
にＮ₂雰囲気中に１７０℃、１時間置くことでゲート及
び信号ライン上に残された感光性ポリイミドを硬化させ
て（ポストベーク）凸状パターン８を形成した（図４
（ｃ））。

【００２２】そして、図５に示すように、ゲート及び信
号ライン３５、３６、３７等の上に凸状パターン８が形
成されている二次元光センサ２上にシンチレータ部４と
してＣｓＩの柱状結晶を３００μｍ蒸着させた後、保護
膜９としてポリイミドを成膜し、このＣｓＩから上部方
向へ逃げる光を反射させるとともに、迷光防止のため、
Ａｌシート１０（膜厚０．１ｍｍ）で覆った。

【００２３】ここで、亀裂の生じる過程は、図６に示す
ように複数の画素３０を有する基板上にこの画素３０に
合わせて凹状又は凸状パターン８を形成し（図６
（ａ））、シンチレータ部４を徐々に成長させていく
（図６（ｂ）、（ｃ））。

【００２４】そして、成長したシンチレータ部４は、こ
の冷却過程で基板３に対して垂直方向に亀裂を生じ、各
画素３０に対応したシンチレータ４０を形成する（図６
（ｄ））。図１２は選択的に亀裂を生じさせたシンチレ
ータ部４の断面を示す写真であり、基板上に６角形状に
凸状パターン（図１１）を配設したときの亀裂の発生状
態を示している。この写真から凸状パターンを予め形成
しておくことで選択的に良好な亀裂を生じさせられるこ
とが分かる。

【００２５】なお、この亀裂は冷却過程でシンチレータ
部４が収縮するために生じるもので、凸状パターンの場
合、この凸状パターンが存在することにより生じるシン
チレータ部４表面の盛り上がった部分に応力集中を生じ
るとともに、シンチレータ部４と基板３との界面におい
ても収縮率の違いから応力集中が生じ、これにより亀裂
が生じる（界面で応力集中が生じるのは凹状パターンも
同様）。

【００２６】さらに、シンチレータ部４に亀裂を生じさ
せるためには単に画素３０に合わせて凹状又は凸状パタ
ーン８を形成したのみでは十分ではなく、以下のような
条件を満たす必要がある。

【００２７】すなわち、凸状パターンの場合、図７
（ａ）に示すようにパターン幅をＷｐ、パターン厚をＴ
ｐ、パターン間隔をＷｓ、シンチレータ部４の膜厚をＴ
ｓとすると、Ｔｐ／Ｔｓ＞０．０１Ｗｐ／Ｗｓ＜０．２５また、凹状パターンの場合、図７（ｂ）に示すようにパ
ターン幅をＷｐ、パターン深さをＴｐ、パターン間隔を
Ｗｓ、シンチレータ部４の膜厚をＴｓとすると、Ｔ
ｐ／Ｔｓ＞０．０１Ｗｐ／Ｗｓ＜０．２５以上の条件を満たす必要がある。したがって、これらの
条件を満たさない図８及び図１３に示すような各パター
ンでは亀裂を生じないことを確認した（なお、図８及び
図１３は凸状パターンのみを示している）。

【００２８】また、上記条件を満たし、かつ亀裂を生じ
させる凹状又は凸状パターン８の断面形状は、図９に示
すように幾つかのパターンがある。

【００２９】すなわち、１又は２以上の頂点を有するパ
ターンで、これらのパターンのテーパー角は３０°以上
であることが必要であるが、図９（ａ）〜（ｄ）に示す
ように直線成分のみで構成するパターン（斜め部分を有
する場合と有しない場合がある）、図９（ｅ）に示すよ
うに曲線部分のみで構成するパターン、また、図９
（ｆ）、（ｇ）に示すように直線成分と曲線成分を組み
合わせたパターンなどが考えられる。なお、図１１は実
際に基板上に形成した凸状パターンの断面形状を示す写
真である。

【００３０】次に、この発明に係る放射線検出素子の製
造方法により、制作した試料には上述した凹状又は凸状
パターン８を画素３０の間隔に合わせて基板上に形成さ
せたので（ポリイミドでパターンニンングすること）、
シンチレータ部４として成長させたＣｓＩに各画素に対
応した亀裂を生じさせることができた（各シンチレータ
４０は各画素に対応して独立したものとなる）。

【００３１】これにより、Ｘ線管電圧７０ｋＶｐ、Ｗタ
ーゲットで当該放射線検出素子のＭＴＦを評価したとこ
ろ、図１０に示すように、各画素に対応させてシンチレ
ータ４０を独立させることにより（パターンニング
有）、パターンニング無（基板上に成長させたシンチレ
ータ部としてのＣｓＩには亀裂は生じておらず、各画素
に対応したシンチレータは独立していない）の場合と比
較して向上していることを確認した。

【００３２】また、Ｘ線感度においても、パターンニン
グによるＣｓＩ蒸着膜の柱状結晶化がより促進され、パ
ターンニング無の場合と比較して約３倍大きく向上した
ことを確認した。

【００３３】さらに、ゲート及び信号ライン上に選択的
に亀裂を入れることにより、画素を構成するＴＦＴ及び
ＰＤ上には発生することなくシンチレータ４０に覆われ
るため、これらへのＸ線の被爆が少なくＴＦＴのリーク
電流及びＰＤへのダメージが低く押さえられることを確
認した（Ｘ線管電圧７０ｋＶ、線量率１０Ｒ／分の条件
下でＴＦＴオフ電流を約１桁低減できた）。

【００３４】なお、シンチレータ部４の厚膜化により生
じる応力を亀裂により分散することにより、ＰＤの暗電
流、ＴＦＴのリーク電流及びしきい値電圧のシフトが改
善されたことも確認した。

【００３５】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、基板上
に複数の画素とともに、この画素と対応したピッチで形
成された凹状又は凸状パターンを有する１次元又は２次
元の光センサと、この１次元又は２次元光センサ上に成
長させ、凹状又は凸状パターンに沿って選択的に生じさ
せた亀裂によって区切られた各シンチレータが、各画素
にそれぞれ位置的に対応したシンチレータ部を備えた構
成であって、特に、この凹状又は凸状パターンはシンチ
レータの生成過程で選択的に亀裂を生じさせるための所
定の断面形状を有するように形成したので、この選択的
に生じさせた亀裂により、シンチレータ部は基板上に形
成されている１次元又は２次元の光センサの画素におけ
るクロストークを防止し、高解像度で、かつ高感度な放
射線検出素子が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る放射線素子の一実施例を用いた
放射線検出装置の全体構成を示す斜視図である。

【図２】この発明における二次元センサの一画素の構成
図である。

【図３】この発明におけるシンチレータ部の構成を示す
断面図である。

【図４】この発明における凸状パターンの二次元センサ
上への形成方法を説明するための構成図である。

【図５】この発明における二次元センサ上に実際に形成
したシンチレータ部のスケールを示す断面図である。

【図６】この発明における二次元センサ上に形成するシ
ンチレータ部に生じる亀裂の形成過程を説明する図であ
る。

【図７】この発明における二次元センサ上に形成する凹
状又は凸状パターンの断面形状の形成条件を説明する図
である。

【図８】この発明における二次元センサ上に形成する凹
状又は凸状パターンのうち、シンチレータ部に亀裂を生
じない実施例を説明するための図である。

【図９】この発明における二次元センサ上に形成する凹
状又は凸状パターンのうち、シンチレータ部に亀裂を生
じる実施例を説明するための図である。

【図１０】この発明における二次元センサ上に成長させ
たシンチレータ部について、亀裂を生じた場合と亀裂を
生じない場合とを比較した図である。

【図１１】この発明における二次元センサ上に形成する
凹状又は凸状パターンのうち、シンチレータ部に亀裂を
生じる実施例を説明するための写真であって、基板上に
形成した微細なパターンを表した写真である。

【図１２】この発明における二次元センサ上に実際に形
成したシンチレータ部の断面を示す写真であって、基板
上に形成した微細なパターンを表した写真である。

【図１３】この発明における二次元センサ上に形成する
凹状又は凸状パターンのうち、シンチレータ部に亀裂を
生じない実施例を説明するための写真であって、基板上
に形成した微細なパターンを表した写真である。

【符号の説明】

１…放射線遮断板、２…ガラス基板、３…二次元光セン
サ、３０…画素、４…シンチレータ部、４０…シンチレ
ータ（ＣｓＩ）、５…垂直レジスタ、６…水平レジス
タ、７…アンプ、８…凹状又は凸状パターン、９…保護
膜、１０…Ａｌシート。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−60871（ＪＰ，Ａ) 特開平５−93780（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−225684（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に複数の画素とともに、該各画素
に対応したピッチで形成された凹状又は凸状パターンを
有する１次元又は２次元の光センサと、前記凹状又は凸状パターンに沿って選択的に生じさせた
亀裂によって区切られた複数のシンチレータが、前記１
次元又は２次元光センサの各画素とそれぞれ位置的に対
応しているシンチレータ部とを備えた放射線検出素子。
【請求項２】前記凹状又は凸状パターンは、有機絶縁
膜又は無機絶縁膜によリ形成されるか、あるいは該有機
絶縁膜及び無機絶縁膜を組み合わせて形成されたことを
特徴とする請求項１記載の放射線検出素子。
【請求項３】前記凸状パターンは、前記各画素間に配
設されたゲート及び信号ライン上に形成されたことを特
徴とする請求項１又は２記載の放射線検出素子。
【請求項４】前記凸状パターンの膜厚と前記各シンチ
レータの膜厚との関係は、（凸状パターンの膜厚／シンチレータの膜厚）＞０．０
１を満たしていることを特徴とする請求項１、２、又は３
記載の放射線検出素子。
【請求項５】前記凸状パターンの幅と該凸状パターン
の間隔との関係は、（凸状パターンの幅／凸状パターンの間隔）＜０．２５を満たしていることを特徴とする請求項１、２、又は３
記載の放射線検出素子。
【請求項６】前記凹状パターンの深さと前記各シンチ
レータの膜厚との関係は、（凹状パターンの深さ／シンチレータの膜厚）＞０．０
１を満たしていることを特徴とする請求項１又は２記載の
放射線検出素子。
【請求項７】前記凹状パターンの幅と該凹状パターン
の間隔との関係は、（凹状パターンの幅／凹状パターンの間隔）＜０．２５を満たしていることを特徴とする請求項１又は２記載の
放射線検出素子。
【請求項８】基板に複数の画素を有する１次元又は２
次元の光センサ上に該各画素に対応したピッチで凹状又
は凸状パターンを形成し、前記凹状又は凸状パターンが形成されている１次元又は
２次元の光センサ上にシンチレータ部を成長させ、冷却過程で前記シンチレータ部に前記凹状又は凸状パタ
ーンに沿った亀裂を生じさせることにより、各画素に対
応したシンチレータを形成することを特徴とする放射線
検出素子の製造方法。