JP3838806B2

JP3838806B2 - 信号増倍ｘ線撮像装置

Info

Publication number: JP3838806B2
Application number: JP08308899A
Authority: JP
Inventors: 光志池田; 昌己熱田; 晃金野; 公平鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2019-03-26
Also published as: EP1043777B1; US6403965B1; DE60034623T2; EP1043777A2; EP1043777A3; JP2000275348A; DE60034623D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医用Ｘ線診断装置のＸ線撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、医療分野においては、治療を迅速かつ的確に行う為に、患者の医療データをデータベース化する方向へと進んでいる。患者は複数の医療機関を利用する事が一般的であり、この様な場合、他の医療機関のデータが無いと的確な治療行為が行えない可能性がある為である。一例としては、薬剤の問題があり、これは、他の医療機関で投与された薬剤を考慮した上で、適切な薬剤を投与し治療を行う事が必要となる。
【０００３】
Ｘ線撮影の画像データについてもデータベース化の要求があり、それに伴って、Ｘ線撮影画像のディジタル化が望まれている。医用Ｘ線診断装置では、従来銀塩フィルムを使用して撮影してきたが、これをディジタル化する為には、撮影したフィルムを現像した後再度スキャナなどで走査する必要があり、手間と時間がかかっていた。最近は、1 インチ程度のCCD カメラとイメージインテンシファイア管を使用し、直接画像をディジタル化する方式が実現されているが、例えば肺の撮影をする場合、40cm×40cm程度の領域を撮影する為、光を集光する光学装置が必要であり、装置の大型化が問題になっている。また光学系の歪みにより解像度が低下する問題もあった。
【０００４】
これら2 方式の問題を解決する方式としてアモルファスシリコン薄膜トランジスタ(a-Si TFT)を用いた間接変換方式のＸ線平面検出器が提案されている( 例えばUS4,689,487)。
【０００５】
図7 にこのＸ線平面検出器の回路構成を示し、以下で動作の説明をする。
このＸ線平面検出器は、入射したＸ線を蛍光体等で可視光線に変換し、変換した光を各画素の光電変換膜で電荷に変えるという間接変換方式のＸ線平面検出器である。図7 において、画素e1,1は、a-Si TFT701、光電変換膜702 及び画素容量( 以下Cst とする)703で構成され、各画素e は、縦横の各辺に数百個から数千個並んだアレイ状( 以下TFT アレイと呼ぶ) になっている。光電変換膜702 には、電源704 によって負のバイアス電圧が印加される。a-Si TFT701は、信号線705 と走査線706 に接続しており、走査線駆動回路707 によってオン/ オフが制御される。信号線705 の終端は、信号線制御回路708 により制御される切り替えスイッチ709 を通して信号検出用の増幅器710 に接続している。
【０００６】
Ｘ線が入射すると、Ｘ線を照射された蛍光体が発光し、その発光は光電変換膜702 で電荷に変換され、Cst703に電荷が蓄積される。走査線駆動回路707 で走査線706 を駆動し1 つの走査線706 に接続している全てのa-Si TFT701をオンにすると、蓄積された電荷は信号線705 を通って増幅器710 側に転送される。切り替えスイッチ709 で、1 画素ごとに電荷を増幅器710 に入力し、CRT 等に表示出来る様な点順次信号に変換する。画素e に入射する光の量によって電荷量が異なり、増幅器710 の出力振幅は変化する。
【０００７】
図7 に示す間接変換方式は、増幅器710 の出力信号をA/D 変換する事で、直接ディジタル画像にする事が出来る。更に、図中の画素領域は、a-Si TFT701アレイにより、薄型、大画面のものが制作可能である。
【０００８】
この他に、画素に入射したＸ線を直接電荷に変換する直接変換方式のＸ線平面検出器がある。
この直接変換方式のＸ線平面検出器では、前記の間接変換方式のものとは、蛍光体がない事の他に、光電変換膜またはＸ線電荷変換膜に印加するバイアスの大きさが異なる。
【０００９】
間接変換方式の場合は、光電変換膜に数V のバイアスをかける。蛍光体が発した光が光電変換膜に入ってくると、各画素では光電変換膜と並列に設けられているCst に電荷が貯まる。この場合、Cst にかかる電圧は、最大で光電変換膜にかけているバイアスの数V である。
【００１０】
それに対して、直接変換方式では、Ｘ線電荷変換膜とCst 、そして、画素のスイッチとして設けているTFT が直列につながっており、それらに対して数kVの高バイアスを印加する。その為、画素にＸ線が入射するとＸ線電荷変換膜で発生した電荷がCst に蓄積される。しかし、入射するＸ線量が過大な場合は、Cst に蓄積される電荷が増大し、最大10kV程度の電圧がCst やTFT にかかり、これらの絶縁膜を破壊してしまう恐れがある。その為、直接変換方式では、Cst に過大な電圧がかからない様な対策が必要である。
【００１１】
そこで、各画素に保護用非線型素子として保護用TFT を設け、画素に過大にＸ線が入ってきた場合は、バイアスで規定された以上の大きな電荷はこの保護用TFT を通して画素外へ排出する事により、TFT やCst の絶縁破壊を防いでいる。
【００１２】
図8 にこの保護用TFT を用いた直接型Ｘ線平面検出器の画素構成を示し、以下で動作の説明をする。
図8 の直接変換方式のＸ線検出器の画素801 は、スイッチング素子として用いられるa-Si TFT701、Ｘ線電荷変換膜802 、及びCst703で構成され、画素801 は、図7 と同様、アレイ状に設置されている。Cst703は、Cst バイアス803 に接続している。Ｘ線電荷変換膜802 には、高圧電源804 によって負のバイアス電圧が印加される。a-Si TFT701は、走査線706 と信号線705 に接続しており、走査線駆動回路707 によってオン/ オフが制御される。信号線705 の終端は、信号検出用の増幅器710 に接続している。保護用TFT805はバイアス線806 を通り電源807 によりバイアスされている。この保護用TFT805は、バイアス電圧以上の電荷をバイアス線806 より逃がしている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
これらa-Si TFT701を用いた直接変換方式、間接変換方式のどちらのＸ線撮像装置においても、微弱な信号を撮像できない為に、人体へのＸ線照射強度の低限に限界がある。信号線705 が交差する走査線706 やバイアス線806 から受ける浮遊容量による信号シフト、信号検出用の増幅器710 のノイズ、また直接変換方式において用いられる保護用TFT805のリーク電流等のノイズの低減に限界がある為である。画素801 毎に光電変換膜702 、またはＸ線電荷変換膜802 で発生した電荷の増幅回路を設けるのが有効ではあるが、画素用TFT と同じデザインルールでは増幅回路のみで画素エリア以上の面積となってしまう為に実現することは困難である。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、電界を与えて入射したＸ線を電荷に変換するＸ線電荷変換部と、Ｘ線電荷変換部に接し画素毎に設けられた画素電極と、画素電極と接続されるスイッチング素子と、スイッチング素子と接続される信号線と、スイッチング素子に駆動信号を送る走査線とを具備し、Ｘ線電荷変換部は少なくとも第1 のＸ線電荷変換膜と第1 のＸ線電荷変換膜より抵抗率の低い第2 のＸ線電荷変換膜とを有し、前記Ｘ線電荷変換部に電界を与える際、第1のＸ線電荷変換膜に電流増倍が起こる電界を与える事を特徴とするＸ線撮像装置を提供する。
【００１５】
第1 のＸ線電荷変換膜と、第2 のＸ線電荷変換膜はSeまたはSeと他の金属とからなっても良い。また本発明は、入射したＸ線を可視光に変換する変換手段と、電界を与えて変換手段により変換された可視光を電荷に変換する光電変換部と、光電変換部に接し画素毎に設けられた画素電極と、画素電極と接続されるスイッチング素子と、スイッチング素子と接続される信号線と、スイッチング素子に駆動信号を送る走査線とを具備し、光電変換部は少なくとも第1 の光電変換膜と第1 の光電変換膜より抵抗率の低い第2 の光電変換膜とを有し、前記光電変換部に電界を与える際、第1 の光電変換膜に電流増倍が起こる電界を与える事を特徴とするＸ線撮像装置を提供する。
【００１６】
上記のＸ線撮像装置のＸ線電荷変換部は、画素電極上の第1 導電型Ｘ線電荷変換膜と、第1 導電型Ｘ線電荷変換膜上の第1 のＸ線電荷変換膜と、第1 のＸ線電荷変換膜上の第2 のＸ線電荷変換膜と、第2 のＸ線電荷変換膜上の第2 導電型Ｘ線電荷変換膜とを有しても良いし、さらに第1 導電型Ｘ線電荷変換膜と第1 のＸ線電荷変換膜の間に、第1 のＸ線電荷変換膜よりも抵抗率の低い第3 のＸ線電荷変換膜を有しても良い。例えば第1 導電型Ｘ線電荷変換膜をp 型、第2 導電型Ｘ線電荷変換膜をn 型、第1 、第2 、第3 のＸ線電荷変換膜をi 型としても良い。
【００１７】
さらに、第1 のＸ線電荷変換膜の少なくとも一方の境界面を平坦化しても良いし、境界面の非平坦部を導電体により満たしても良い。
また、第2 のＸ線電荷変換膜の膜厚よりも第3 のＸ線電荷変換膜の膜厚が小さくても良い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
本発明の第1 の実施例について説明する。画素構成は図8 と同様である。本実施例の画素平面図を図1 に示す。
【００１９】
画素801 は読み出し用のa-Si TFT701、保護用TFT805、Cst703、及びCst703に接続しているCst 線101 、Cst703に対向する補助電極102 、画素電極103 、信号線705 、走査線706 、そしてバイアス線806 から構成される。ただし、図1 では、画素電極103 より上の層、及び画素801 外を省略している。a-Si TFT701、保護用TFT805と補助電極102 には画素電極103 とのコンタクト部104 が設けられている。なお、Cst703を設けずに、他の素子や、配線の浮遊容量を利用する構成も可能である。
【００２０】
次に図2 の断面図で構成を説明する。図2 は図1 のA −A に沿う断面図である。
ガラス基板201 上にMoTaや、Ta、TaN 、 Al 、Al合金、Cu、MoW 等を1 層、またはTaとTaN _x の2 層を約300nm 堆積させ、エッチングを行って、ゲート電極202 、走査線706 、Cst703、Cst 線101 、バイアス線806 のパターンを形成する。次にプラズマCVD 法により絶縁膜203 として、SiO _x 約300nm 、SiN _x 約50nmを積層した後、アンドープa-Si204 を約100nm 、ストッパ205 としてSiN _x を約200nm 堆積する。ストッパ205 を裏面露光を用いてゲートにあわせてパターニングし、n+a-Si206 を約50nm堆積した後に、TFT にあわせてa-Si204 、n+a-Si206 をエッチングし、a-Siの島を形成する。保護用TFT805のコンタクト部104 と画素エリア外のコンタクト部のSiN _x /SiO_x をエッチングしコンタクトホールを形成する。この上にMoを約50nm、Alを約350nm 、そして更にMoを約50nmまたは約20nmスパッタして積層し、補助電極102 や、信号線705 、その他の配線を形成する。次にSiNxを約200nm 、その上にベンゾシクロブテン(BCB) を約1 〜約5 μm 、好ましくは約3 μm 積層して保護膜207 を形成する。a-Si TFT701と保護用TFT805、補助電極102 へのコンタクトホールを形成した後に、ITO を約100nm の膜厚で画素電極103 を形成する。その上層に、コンタクト用のp 型Se膜208 を約1 〜約100 μm 、好ましくは約10μm 成膜し、その上に抵抗率約10¹²〜約10¹⁶Ωcmの第1 のSe膜209 を約1 〜約100 μm 、好ましくは約10μm 成膜、その上に第1 のSe膜209 の約3 分の1 〜約1000分の1 、好ましくは約10分の1 程度の抵抗率の第2 のSe膜210 を約400 〜約1000μm 、好ましくは約900 μm 成膜、その上にn 型Se膜211 を約1 〜約100 μm 、好ましくは約10μm 成膜した後、共通電極212 として、約100nm のAlで形成する。最後に駆動回路に接続する。
【００２１】
図3 に、本実施例のＸ線撮像装置と従来のＸ線撮像装置を用いた場合における、膜全体にかけられる平均電界強度と、その時の信号電流の関係を示す。本実施例の膜質は、第1 のSe膜209 の膜厚が10μm で抵抗率が10¹⁴Ωcm、第2 のSe膜210 の膜厚が900 μm で抵抗率が10¹³Ωcmになる様調整し、従来例では、Ｘ線電荷変換膜802 の膜厚、抵抗率は一定の値とした。そして、500mL のＸ線を当てて、共通電極212 に1 〜13kVの間で印加電圧をかけ、信号電流を測定した。
【００２２】
この結果、平均電界強度約10⁷ V/m 以上で、本実施例のＸ線撮像装置を用いた場合の信号電流301 と、従来のＸ線撮像装置を用いた場合の信号電流302 に差が見られた。平均電界強度約10⁷ V/m 印加時には、本実施例の第1 のSe膜209 には約10⁸ V/m の電界が、第2 のSe膜210 には約10⁷ V/m の電界が印加されている。
【００２３】
図4 は、電流増倍効果を説明する図である。Seは約9 ×10⁷ V/m 以上で電流増倍が起こる。本実施例では、図4 のように第1 のSe膜209 中の電界が信号増倍が起こる電界を超える為、第1 のSe膜中でキャリアが増倍して、信号電流が増加する。これに対し、従来例の均一な膜質のＸ線電荷変換膜では、これより更に電界強度を1 桁程度上げなければ電流増倍は起こらず、使用可能な高電圧電源の製造が困難である。また、膜厚を小さくする事により、これまで使用してきた高電圧電源を用いても電流増倍を起こす事が出来るが、膜厚を小さくすると十分な量のＸ線が吸収されず、Ｘ線撮像装置として使用する事が出来ない。そこで、本実施例では以上の電流増倍作用の為に、膜質の違う2 層以上のＸ線電荷変換膜を使用する事により、Ｘ線の強度を上げずに大きな信号電流が得られるので、人体へのＸ線の影響を小さくすることが出来る。
【００２４】
次に、本発明の第2 の実施例について説明する。画素構成は第1 の実施例と同様であり、図1 、図8 の様に示される。本実施例の画素断面図を図5 に示すが、第1 の実施例と同様の部分は同じ番号を付し、説明を省略する。
【００２５】
本実施例では、第1 の実施例と同様に作成し、コンタクト用のp 型Se膜208 を成膜した後に、抵抗率約10¹³Ωcmの第2 のSe膜501 を約100 μm 成膜し、次に抵抗率約10¹⁴Ωcmの第1 のSe膜502 を約10μm 成膜した後、抵抗率約10¹³Ωcmの第3 のSe膜503 を約900 μm 成膜し、第1 の実施例と同様にn 型Se膜211 、共通電極212 を形成する。電流倍増型の感光膜は電界が高く、更にコンタクト部104 等、膜に凹凸がある部分に電界が集中して、絶縁破壊が発生する可能性がある。よって、これを避ける為に、電流増倍領域をコンタクト部104 から離し膜の中間に設置することにより、凹凸を小さくし局所的な電界集中を押さえるのである。
【００２６】
電流増倍はホール401 により主に行われる。従って、第1 のSe膜502 は、画素電極103 に近い方が、吸収されたＸ線により多くのホール401 が発生する為に増倍率が大きい。よって、第1 のSe膜502 はSe膜厚の中央部よりも画素電極103 側であることが好ましい。しかし、増倍率は十分に大きいので、耐電圧特性と増倍率との調整により適切な位置を選ぶ事が出来る。
【００２７】
本実施例においても、第1 の実施例と同様の増倍効果が得られ、且つ、より安定に高電圧に耐えられるので、より安定な動作が実現出来る。
次に、本発明の第3 の実施例について説明する。画素構成は図1 、図8 に示される通りで第1 の実施例と同様である。本実施例の画素断面図を図6 に示すが、第2 の実施例と同様の部分は同じ番号を付し、説明を省略する。
【００２８】
本実施例では、画素電極103 のコンタクト部104 の窪みをSn、Ni、Cu等でメッキにより平坦化する、または流動性の導電材料、例えば有機導電材料等を埋め込む、等を行う以外は第2 の実施例と同様である。これは、第2 の実施例と同様に、コンタクト部104 を平坦化して、電界集中を防止する為である。本実施例でも、第2 の実施例のように、信号が増倍され、高電圧に耐える事も出来る。
【００２９】
以上詳細に説明した電流増倍効果は、下地のアレイ構造によらない為、どの様なアレイ構造に対しても有効である。直接変換型を説明したが、間接変換型においても有効である。
【００３０】
間接変換型のＸ線撮像装置では、Ｘ線が入射すると、Ｘ線を照射された蛍光体が発光し、その光は光電変換部で電荷に変換される。この電荷が信号電流となり、直接変換型のＸ線撮像装置と同様にして信号として取り出される。よって、間接変換型Ｘ線撮像装置において信号増倍を行うには、光電変換部を、膜厚と抵抗率を調整した第1 の光電変換膜と、膜厚と抵抗率を調整した第2 の光電変換膜とを設ければ良い。この時、第1 の光電変換膜内が高電界となり、信号電流が増加する。光電変換膜としては、例えばa-Si等を用いても良い。
【００３１】
また、増倍効果のある膜であればSeに限らず有効であり、HgI ₂ 、Te、Se合金、a-Siや、これらの合金等、何であっても有効である。Ge、Si、GaAs等であっても良い。Ge、Si、GaAsの膜に電流増倍を起こす電界はそれぞれ、約10⁷ V/m 、約3 ×10⁷ V/m 、約4 ×10⁷ V/m であるので、光電変換膜の上部電極に印加する電圧は、Ｘ線電荷変換膜、または光電変換膜内での電界がこれらの電界を超えるように、適宜選定すれば良い。また、Ｘ線電荷変換膜、または光電変換膜は、Ｘ線、光等を十分吸収する膜厚に選定すれば良く、Ｘ線電荷変換膜、光電変換膜は電流が増倍するような電界となる様、抵抗率、膜厚を適宜選定した2 層以上とすれば良い。
【００３２】
また、TFT を形成するSiは、本発明ではa-Siを用いたが、ポリシリコン(p-Si)で形成しても良い。p-Siで形成すると、TFT を小さくすることが出来る為、画素の有効エリアが拡大し、また、周辺回路も同じガラス基板上で作成できる為、周辺回路を含めた製造コストが安くなる、というメリットも出てくる。また、TFT の構造としては、ゲート上置きでもゲート下置きでも良い。
【００３３】
保護膜207 としては、無機のSiN _x や、SiO ₂ 、また有機のポリイミド類( ε=3.3、耐圧300V/mm)や、ベンゾシクロブテン( ε=2.7、耐圧400V/mm)、 JSR( 株) 製アクリル系感光樹脂HRC(ε=3.2) 、黒レジスト等を用いれば良く、これらを必要に応じて積層しても良い。保護膜207 として、フッ素系樹脂も比誘電率が小さい( ε=2.1) 為、有効である。保護膜は感光性でなくても良いが、感光性の材料の方がパターニングが容易である為に有効である。
【００３４】
画素電極上にp 型膜を形成する事は、オーミック性が良くなる為に有効である。
Ｘ線電荷変換膜としては、a-Se、a-Si、a-Te、PbI ₂ 、HgI ₂ 等を用いる事も出来る。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の信号増倍Ｘ線撮像装置によれば、Ｘ線電荷変換膜、または光電変換膜に電流増幅特性を持たせることにより、信号強度が大きくなり、ノイズに強くなる為に、画質を改善できる。また、これにより弱い信号を検出できる様になり、弱いＸ線照射により撮像できるので、人体に対し、より安全な状態で使用する事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＸ線撮像装置の平面図
【図２】本発明のＸ線撮像装置の図1 内A −A に沿う断面図
【図３】本発明に用いたＸ線電荷変換膜の特性図
【図４】電流増倍効果の説明図
【図５】本発明の第2 の実施例の断面図
【図６】本発明の第3 の実施例の断面図
【図７】間接変換型のＸ線撮像装置の回路図
【図８】直接変換型のＸ線撮像装置の回路図
【符号の説明】
101・・・Cst 線
102・・・補助電極
103・・・画素電極
104・・・コンタクト部
207・・・保護膜
208・・・p 型Se膜
209 、502・・・第1 のSe膜
210 、501・・・第2 のSe膜
211・・・n 型Se膜
212・・・共通電極
301・・・本実施例のＸ線撮像装置を用いた場合の信号電流
302・・・従来のＸ線撮像装置を用いた場合の信号電流
401・・・正孔
402・・・電子
503・・・第3 のSe膜
701・・・a-Si TFT
702・・・光電変換膜
703・・・Cst
704・・・電源
705・・・信号線
706・・・走査線
707・・・走査線駆動回路
708・・・信号線制御回路
709・・・切り替えスイッチ
710・・・増幅器
801・・・画素
802・・・Ｘ線電荷変換膜
803・・・Cst バイアス
804・・・高圧電源
805・・・保護用TFT
806・・・バイアス線
807・・・電源

Claims

電界を与えて入射したＸ線を電荷に変換するＸ線電荷変換部と、前記Ｘ線電荷変換部に接し画素毎に設けられた画素電極と、前記画素電極と接続されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子と接続される信号線と、前記スイッチング素子に駆動信号を送る走査線とを具備し、前記Ｘ線電荷変換部は少なくとも第1のＸ線電荷変換膜と前記第1 のＸ線電荷変換膜より抵抗率の低い第2のＸ線電荷変換膜とを有し、前記Ｘ線電荷変換部に電界を与える際、前記第1 のＸ線電荷変換膜に電流増倍が起こる電界を与える事を特徴とするＸ線撮像装置。
前記第 1 のＸ線電荷変換膜と、前記第 2 のＸ線電荷変換膜が同じ物質で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置
前記第1 のＸ線電荷変換膜と、前記第2のＸ線電荷変換膜がSe、またはSeと他の金属とからなっている事を特徴とする請求項1 記載のＸ線撮像装置。
入射したＸ線を可視光に変換する変換手段と、電界を与えて前記変換手段により変換された可視光を電荷に変換する光電変換部と、前記光電変換部に接し画素毎に設けられた画素電極と、前記画素電極と接続されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子と接続される信号線と、前記スイッチング素子に駆動信号を送る走査線とを具備し、前記光電変換部は少なくとも第1 の光電変換膜と前記第1 の光電変換膜より抵抗率の低い第2 の光電変換膜とを有し、前記光電変換部に電界を与える際、前記第1 の光電変換膜に電流増倍が起こる電界を与える事を特徴とするＸ線撮像装置。
前記Ｘ線電荷変換部は、前記画素電極上の第1 導電型Ｘ線電荷変換膜と、前記第1 導電型Ｘ線電荷変換膜上の前記第1 のＸ線電荷変換膜と、前記第1 のＸ線電荷変換膜上の前記第2 のＸ線電荷変換膜と、前記第2 のＸ線電荷変換膜上の第2 導電型Ｘ線電荷変換膜とを有する事を特徴とする請求項1 記載のＸ線撮像装置。
前記Ｘ線電荷変換部は、さらに前記第1導電型Ｘ線電荷変換膜と前記第1 のＸ線電荷変換膜の間に、前記第1 のＸ線電荷変換膜よりも抵抗率の低い第3のＸ線電荷変換膜を有する事を特徴とする請求項5 記載のＸ線撮像装置。
前記第1 のＸ線電荷変換膜の少なくとも一方の境界面を平坦化した事を特徴とする請求項5 または6 記載のＸ線撮像装置。
前記境界面の非平坦部を導電体により満たす事を特徴とする請求項7 記載のＸ線撮像装置。
前記第2 のＸ線電荷変換膜の膜厚よりも前記第3 のＸ線電荷変換膜の膜厚が小さい事を特徴とする請求項6 記載のＸ線撮像装置。