JP2008157717A

JP2008157717A - 放射線検出器およびその製造方法

Info

Publication number: JP2008157717A
Application number: JP2006345812A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Horiuchi; 弘堀内; Hiroyuki Aida; 博之會田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2008-07-10

Abstract

【課題】シンチレータ層31の特性劣化の防止、および信頼性の向上ができるＸ線検出器１を提供する。
【解決手段】シンチレータ層31を密閉する保護層41を、有機物の連続重合体から構成されるフィルム42と無機層43との積層構造とする。保護層41の有機物の連続重合体から構成されるフィルム42がシンチレータ層31の内部への含浸が少ない連続的な皮膜となり、シンチレータ層31の特性劣化を改善する。保護層41を構成する無機層43がシンチレータ層31への水分透過を防止し、シンチレータ層31の防湿性を改善する。
【選択図】図１

Description

本発明は、間接方式の放射線検出器およびその製造方法に関する。

新世代のＸ線診断用画像検出器として、アクティブマトリクスや固体撮像素子（ＣＣＤやＣＭＯＳ等）を用いた平面形のＸ線検出器が注目を集めている。このＸ線検出器にＸ線を照射することにより、Ｘ線撮影像またはリアルタイムのＸ線画像がデジタル信号として出力される。このＸ線検出器は、固体検出器であることから、画質性能や安定性の面においても極めて期待が大きく、多くの研究開発が進められている。

アクティブマトリクスを用いたＸ線検出器の主な用途としては、比較的大きな線量で静止画像を収集する胸部あるいは一般撮影用に開発され、近年商品化されている。より高性能で、透視線量下において毎秒３０フレーム以上のリアルタイム動画を実現させる必要のある循環器、消化器分野への応用に対しても近い将来に商品化が予想される。この動画用途に対しては、Ｓ／Ｎの改善や微小信号のリアルタイム処理技術等が重要な開発項目となっている。

また、固体撮像素子（ＣＣＤやＣＭＯＳ等）を用いたＸ線検出器の主な用途としては、大きな線量で静止画像を収集する工業用の非破壊検査や口腔内に挿入して静止画像を収集する歯科用等が近年商品化されているが、動画用途への対応も含めて、Ｓ／Ｎの改善、微小信号のリアルタイム処理、Ｘ線検出器の小形化、信頼性の改善等が重要な開発項目となっている。

Ｘ線検出器は、直接方式と間接方式との２方式に大別される。直接方式は、Ｘ線をａ−Ｓｅ等の光導電膜により直接電荷信号に変換し、電荷蓄積用キャパシタに導く方式であり、Ｘ線により発生した光導電電荷を高電界により直接的に電荷蓄積用キャパシタに導くため、略アクティブマトリクスの画素電極ピッチで規定される解像度特性が得られる。一方、間接方式は、シンチレータ層によりＸ線を一旦可視光に変換し、可視光をａ−Ｓｉフォトダイオード、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等により信号電荷に変換して電荷蓄積用キャパシタに導く方式であるため、シンチレータ層からの可視光がフォトダイオード、ＣＣＤ、ＣＭＯＳに到達するまでの光学的な拡散および散乱により解像度特性の劣化が生じる。

通常、アクティブマトリクスを用いた間接方式のＸ線検出器においては、構造上、シンチレータ層の特性が重要となり、入射Ｘ線に対する出力信号強度を向上させるため、例えば、シンチレータ層には、ＣｓＩ等のハロゲン化合物やＧＯＳ等の酸化物系化合物等から構成される高輝度蛍光物質が用いられることが多い。一般的に高密度なシンチレータ層は、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の気相成長法により、単数もしくは複数の画素電極および光電変換素子が形成された基板上に一様に形成されることが多い。特にＣｓＩ等のハロゲン化合物をシンチレータ層に用いた場合には、短冊状の柱状結晶の構造を有するシンチレータ層を真空蒸着法を用いて形成することにより、解像度特性の改善等を図ることも多い。

また、短冊状の柱状結晶構造を有するＣｓＩ等のハロゲン化合物のシンチレータ層を形成する場合には、沃素等のハロゲン元素の反応性が高いこと、および大気中の水分と反応してシンチレータ層が潮解することから、シンチレータ層を外気等から遮断する保護層を形成する必要がある。特性上、保護層には、連続的な皮膜形成が必要なため、ホットメルトモールディング、塗布法、ＣＶＤ法等により形成されるポリパラキシリレン等の有機膜が用いられることが多い（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−７８４７１号公報（第８頁、図１−２）

しかしながら、ホットメルトモールディング、塗布法、ＣＶＤ法等により形成される有機膜の保護層を短冊状の柱状結晶構造を有するＣｓＩ等のハロゲン化合物のシンチレータ層上に形成した場合には、シンチレータ層の内部に保護層が含浸することから、シンチレータ層内での光学的な散乱が増加するため、感度特性および解像度特性等の特性の劣化を生じることとなり、かつ保護層が有機膜であることから、経時と共に水分透過が発生するため、シンチレータ層の信頼性にも問題が生じる。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、シンチレータ層の特性劣化の防止、および信頼性の向上ができる放射線検出器およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の放射線検出器は、光を電気信号に変換する光電変換基板と、この光電変換基板上に形成され、外部から入射する放射線を光に変換するシンチレータ層と、有機物の連続重合体から構成されるフィルムと無機層との積層構造により構成され、少なくとも前記シンチレータ層を密閉する保護層とを具備しているものである。

また、本発明の放射線検出器の製造方法は、光電変換基板上の少なくともシンチレータ層を密閉する保護層を形成する放射線検出器の製造方法であって、有機物の連続重合体から構成されるフィルムを真空ラミネート法により形成する工程と、無機層を気相成長法により形成する工程とを具備し、これら有機物の連続重合体から構成されるフィルムと無機層との積層構造により構成された保護層で、少なくともシンチレータ層を密閉するものである。

本発明によれば、シンチレータ層を密閉する保護層を有機物の連続重合体から構成されるフィルムと無機層との積層構造とすることにより、シンチレータ層の内部への保護層の含浸が少ない連続的な皮膜形成が可能となることから、シンチレータ層の特性劣化を改善でき、さらに、保護層を構成する無機層がシンチレータ層への水分透過を防止し、シンチレータ層の防湿性が改善されることから、シンチレータ層の信頼性も改善できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１ないし図６に第１の実施の形態を示す。

図１ないし図３において、１は放射線検出器としてのＸ線検出器で、このＸ線検出器１は、間接方式のＸ線平面画像検出器である。このＸ線検出器１は、可視光を電気信号に変換するアクティブマトリクス光電変換基板である光電変換基板２を備えている。

光電変換基板２は、矩形平板状の透光性を有するガラス等にて形成された絶縁基板としての支持基板３を備えている。この支持基板３の表面には、二次元的でマトリクス状に複数の画素４が互いに間隔をあけて配列され、各画素４毎に、スイッチング素子としての薄膜トランジスタ(ＴＦＴ)５、電荷蓄積用キャパシタ６、画素電極７、およびフォトダイオードなどの光電変換素子８が形成されている。

図３に示すように、支持基板３上には、この支持基板３の行方向に沿った複数の制御ラインとしての制御電極11が配線されている。これら複数の制御電極11は、支持基板３上の各画素４間に位置し、この支持基板３の列方向に離間されて設けられている。これら制御電極11には、薄膜トランジスタ５のゲート電極12が電気的に接続されている。

支持基板３上には、この支持基板３の列方向に沿った複数の読出電極13が配線されている。これら複数の読出電極13は、支持基板３上の各画素４間に位置し、この支持基板３の行方向に離間されて設けられている。そして、これら複数の読出電極13には、薄膜トランジスタ５のソース電極14が電気的に接続されている。また、この薄膜トランジスタ５のドレイン電極15は、電荷蓄積用キャパシタ６および画素電極７にそれぞれ電気的に接続されている。

図１に示すように、薄膜トランジスタ５のゲート電極12は、支持基板３上に島状に形成されている。このゲート電極12を含む支持基板３上には、絶縁膜21が積層されて形成されている。この絶縁膜21は、各ゲート電極12を覆っている。また、この絶縁膜21上には、島状の複数の半絶縁膜22が積層されて形成されている。これら半絶縁膜22は、半導体にて構成されており、薄膜トランジスタ５のチャネル領域として機能する。そして、これら各半絶縁膜22は、各ゲート電極12に対向して配設されており、これら各ゲート電極12を覆っている。すなわち、これら各半絶縁膜22は、各ゲート電極12上に絶縁膜21を介して設けられている。

半絶縁膜22を含む絶縁膜21上には、島状のソース電極14およびドレイン電極15がそれぞれ形成されている。これらソース電極14およびドレイン電極15は、互いに絶縁され電気的に接続されていない。また、これらソース電極14およびドレイン電極15は、ゲート電極12上の両側に設けられており、これらソース電極14およびドレイン電極15の一端部が半絶縁膜22上に積層されている。

各薄膜トランジスタ５のゲート電極12は、図３に示すように、同じ行に位置する他の薄膜トランジスタ５のゲート電極12とともに共通の制御電極11に電気的に接続されている。さらに、これら各薄膜トランジスタ５のソース電極14は、同じ列に位置する他の薄膜トランジスタ５のソース電極14とともに共通の読出電極13に電気的に接続されている。

電荷蓄積用キャパシタ６は、図１に示すように、支持基板３上に形成された島状の下部電極23を備えている。この下部電極23を含む支持基板３上には絶縁膜21が積層されて形成されている。この絶縁膜21は、各薄膜トランジスタ５のゲート電極12上から各下部電極23上まで延長している。さらに、この絶縁膜21上には、島状の上部電極24が積層されて形成されている。この上部電極24は、下部電極23に対向して配設されており、これら各下部電極23を覆っている。すなわち、これら各上部電極24は、各下部電極23上に絶縁膜21を介して設けられている。そして、この上部電極24を含む絶縁膜21上にはドレイン電極15が積層されて形成されている。このドレイン電極15は、他端部が上部電極24上に積層されて、この上部電極24に電気的に接続されている。

各薄膜トランジスタ５の半絶縁膜22、ソース電極14およびドレイン電極15と、各電荷蓄積用キャパシタ６の上部電極24とのそれぞれを含む絶縁膜21上には、絶縁層25が積層されて形成されている。この絶縁層25は、酸化珪素(ＳｉＯ_２)などにて形成されており、各画素電極７を取り囲むように形成されている。

この絶縁層25の一部には、薄膜トランジスタ５のドレイン電極15に連通したコンタクトホールとしてのスルーホール26が開口形成されている。このスルーホール26を含む絶縁層25上には、島状の画素電極７が積層されて形成されている。この画素電極７は、スルーホール26にて薄膜トランジスタ５のドレイン電極15に電気的に接続されている。

各画素電極７上には、可視光を電気信号に変換するフォトダイオードなどの光電変換素子８が積層されて形成されている。

また、図１および図２に示すように、光電変換基板２の光電変換素子８が形成された表面に、放射線としてのＸ線を可視光に変換するシンチレータ層31が形成されている。このシンチレータ層31は、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の気相成長法で、高輝度蛍光物質であるヨウ化セシウム（ＣｓＩ）等のハロゲン化合物やガドリニウム硫酸化物（ＧＯＳ）等の酸化物系化合物等の蛍光体を、光電変換基板２上に柱状に堆積させて成膜されている。そして、シンチレータ層31は、光電変換基板２の面方向に複数の短冊状の柱状結晶32が形成された柱状結晶構造に形成されている。

また、シンチレータ層31上にはシンチレータ層31を密閉する保護層41が積層されて形成されている。この保護層41は、有機物の連続重合体から構成される２層のフィルム42とこれら２層のフィルム42間に介在される無機層43との積層構造により構成されている。

フィルム42は、少なくとも、熱可塑性もしくは熱硬化性を有するフェノール樹脂、アミノ樹脂、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、アリル樹脂、シリコーン、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリブテン、ポリスチレン、ポリブタジエン、スチレンブタジエン樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニリデン、ポリテトラフロロエチレン、エチレンポリテトラフロロエチレン共重合体、エチレン酢酸ビニル共重合体、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、アイオノマー、ＡＡＳ樹脂、ＡＣＳ樹脂、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルフィド、酢酸セルロース、セルロイド、セロファンのいずれかを主成分とし、真空ラミネート法により圧着もしくは熱圧着することで形成されている。

無機層43は、少なくとも、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕを含む金属、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂を含む酸化物、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮを含む窒化物、ＤＬＣ、ＳｉＣを含む炭化物のいずれかを主成分とし、気相成長法により形成されている。この無機層43の形成領域は、フィルム42の形成領域よりも大きく形成されている。

また、保護層41上には画素４間を遮蔽する格子状のＸ線グリッド46が形成されている。

次に、本実施の形態の作用について説明する。

まず、Ｘ線検出器１のシンチレータ層31へと入射したＸ線51はこのシンチレータ層31の柱状結晶32にて可視光52に変換される。

この可視光52は柱状結晶32内を通じて光電変換基板２の光電変換素子８に到達して電気信号に変換される。光電変換素子８で変換された電気信号は画素電極７に流れ、画素電極７に接続された薄膜トランジスタ５のゲート電極12が駆動状態となるまで、画素電極７に接続された電荷蓄積用キャパシタ６へと移動して保持されて蓄積される。

このとき、制御電極11の１つを駆動状態にすると、この駆動状態となった制御電極11に接続された１行の薄膜トランジスタ５が駆動状態となる。

そして、この駆動状態となったそれぞれの薄膜トランジスタ５に接続された電荷蓄積用キャパシタ６に蓄積された電気信号が読出電極13へと出力される。

この結果、Ｘ線画像の特定の行の画素４に対応する信号が出力されるため、制御電極11の駆動制御によって、全てのＸ線画像の画素４に対応する信号を出力でき、この出力信号をデジタル画像信号に変換する。

次に、Ｘ線検出器１の製造方法について図４を参照して説明する。

図４(a)(b)に示すように、光電変換基板２上に、この光電変換基板２の面方向に複数の短冊状の柱状結晶32を有する柱状結晶構造のシンチレータ層31を形成する。

図４(c)に示すように、光電変換基板２上のシンチレータ層31を密閉するように、１層目のフィルム42を真空ラミネート法により圧着もしくは熱圧着して形成する。

図４(d)に示すように、１層目のフィルム42全体を完全に覆うように、つまりフィルム42の形成領域よりも広い領域に、無機層43を気相成長法により形成する。

図４(e)に示すように、無機層43を覆うように、２層目のフィルム42を真空ラミネート法により圧着もしくは熱圧着して形成する。

図４(f)に示すように、２層目のフィルム42上に、Ｘ線グリッド46を形成する。

次に、一般的な真空ラミネート法について図５を参照して説明する。

図５(a)に示すように、例えば、表面にアスペクト比の異なる大小の凹部61，62を有する構造物63にフィルム42を真空ラミネート法により積層形成する場合を想定する。

図５(b)に示すように、真空ラミネート法を採用する製造装置65は、下型66と上型67とを有し、下型66には構造物63を加熱する加熱板68が配設され、上型67にはダイアフラム69およびこのダイアフラム69を加熱する加熱板70が配設されている。

そして、下型66の加熱板68上に、フィルム42をセットした構造物63を配置する。

図５(c)に示すように、下型66と上型67とを閉じ、下型66側からは真空排気してダイアフラム69を吸引するとともに、上型67からは加圧空気を送り込んでダイアフラム69を加圧し、加熱板68，70で型内の構造物63、フィルム42およびダイアフラム69等を加熱しながら、ダイアフラム69でフィルム42を構造物63に圧着させる。

図５(d)に、真空ラミネート法によりフィルム42を積層形成した構造物63を示す。有機物の連続重合体から構成されるフィルム42は、構造物63の表面形状に沿って開口幅が広くアスペクト比の小さな凹部61に含浸して圧着するが、例えば、光電変換基板２上のスルーホール26等の開口幅が狭くアスペクト比の大きな凹部62には含浸しないこととなる。

このため、図１に示すように、真空ラミネート法により有機物の連続重合体から構成されるフィルム42を短冊状の柱状結晶構造を有するシンチレータ層31上に圧着もしくは熱圧着することにより、シンチレータ層31の内部への有機物の連続重合体から構成されるフィルム42の含浸が少ない連続的な皮膜形成が可能となることから、感度特性および解像度特性等の画像特性の劣化防止が可能となる。

また、保護層41は、有機物の連続重合体から構成されるフィルム42と無機層43との積層構造であることから、無機層43がシンチレータ層31への水分透過を防止することとなるため、保護層41の防湿性が改善され、シンチレータ層31の信頼性改善が可能となる。

さらに、保護層41の形成時に有機物の連続重合体から構成されるフィルム42の形成領域よりも無機層43の形成領域を大きくすることにより、保護層41の端部における防湿性も向上するため、大幅なシンチレータ層31の信頼性改善に繋がる。

また、保護層41を形成する無機層43に金属材料を選択した場合、シンチレータ層31への水分透過を防止する効果に加えて、反射層および電磁波シールドとしての機能を付加することも可能となる。

そして、本実施例のＸ線検出器１の構成と、従来例のＸ線検出器の構成とについて、シンチレータ層31の内部への保護層の浸透量と保護層の形成後の特性変化とを実験した結果を図６に示す。なお、特性評価条件：同一条件下、特性劣化量：保護層形成前に対する変化量とする。

本実施の形態のＸ線検出器１の構成においては、シンチレータ層31の高輝度蛍光物質：ＣｓＩ（ＴｌＤｏｐｅ）、シンチレータ層31の膜厚：６００μｍ、シンチレータ層31の形成方法：真空蒸着法、フィルム42の材質：ポリイミド系ラミネート樹脂、保護層41のフィルム42の膜厚：１００μｍ、保護層41のフィルム42の形成方法：真空ラミネート法、保護層41の無機層43の材質：ＳｉＯ₂、保護層41の無機層43の膜厚：１μｍ、保護層41の無機層43の形成方法：スパッタリング法とする。

従来例のＸ線検出器の構成においては、保護層41以外は本実施の形態のＸ線検出器１の構成と同じであり、その保護層については、材質：ポリパラキシリレン、膜厚：２０μｍ、形成方法：熱ＣＶＤ法とする。

本実施例のＸ線検出器１は、従来例に比べて、シンチレータ層31の内部への保護層41の含浸が少なく、感度劣化量および解像度（ＭＴＦ）劣化量とも改善できた。

これは、シンチレータ層31を密閉する保護層41を有機物の連続重合体から構成されるフィルム42と無機層43との積層構造とすることにより、シンチレータ層31の内部への保護層41の含浸が少ない連続的な皮膜形成が可能となることから、感度特性および解像度特性等の画像特性の劣化を改善できる。

さらに、保護層41を構成する無機層43がシンチレータ層31への水分透過を防止し、シンチレータ層31の防湿性が改善されることから、シンチレータ層31の信頼性も改善できる。

なお、図７の第２の実施の形態に示すように、保護層41のフィルム42はシンチレータ層31に接する側の１層のみでもよい。

また、図８の第３の実施の形態に示すように、シンチレータ層31上にこのシンチレータ層31で変換された可視光の利用効率を高めるための反射層81を形成し、これらシンチレータ層31および反射層81を密閉して保護層41のフィルム42および無機層43を形成してもよい。

なお、Ｘ線51を検出するＸ線検出器１について説明したが、他の放射線を検出する放射線検出器についても同様に適用できる。

本発明の第１の実施の形態を示す放射線検出器の一部の断面図である。同上放射線検出器の断面図である。同上放射線検出器を模式的に示す正面図である。同上放射線検出器の製造方法を(a)〜(f)の順に示す説明図である。同上放射線検出器のフィルムの形成方法を(a)〜(d)の順に示す説明図である。同上放射線検出器と従来例とにおけるシンチレータ層の内部への保護層の含浸量と保護層の形成後の特性変化とを示す表である。本発明の第２の実施の形態を示す放射線検出器の断面図である。本発明の第３の実施の形態を示す放射線検出器の断面図である。

符号の説明

１放射線検出器としてのＸ線検出器
２光電変換基板
31 シンチレータ層
41 保護層
42 フィルム
43 無機層

Claims

光を電気信号に変換する光電変換基板と、
この光電変換基板上に形成され、外部から入射する放射線を光に変換するシンチレータ層と、
有機物の連続重合体から構成されるフィルムと無機層との積層構造により構成され、少なくとも前記シンチレータ層を密閉する保護層と
を具備していることを特徴とする放射線検出器。
保護層を形成する有機物の連続重合体から構成されるフィルムが、少なくとも、熱可塑性もしくは熱硬化性を有するフェノール樹脂、アミノ樹脂、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、アリル樹脂、シリコーン、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリブテン、ポリスチレン、ポリブタジエン、スチレンブタジエン樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニリデン、ポリテトラフロロエチレン、エチレンポリテトラフロロエチレン共重合体、エチレン酢酸ビニル共重合体、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、アイオノマー、ＡＡＳ樹脂、ＡＣＳ樹脂、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルフィド、酢酸セルロース、セルロイド、セロファンのいずれかを主成分とする
ことを特徴とする請求項１記載の放射線検出器。
保護層を形成する無機層が、少なくとも、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕを含む金属、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂を含む酸化物、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮを含む窒化物、ＤＬＣ、ＳｉＣを含む炭化物のいずれかを主成分とする
ことを特徴とする請求項１または２記載の放射線検出器。
シンチレータ層が、少なくとも、ハロゲン化合物を含む高輝度蛍光物質で構成される
ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の放射線検出器。
光電変換基板上の少なくともシンチレータ層を密閉する保護層を形成する放射線検出器の製造方法であって、
有機物の連続重合体から構成されるフィルムを真空ラミネート法により形成する工程と、
無機層を気相成長法により形成する工程とを具備し、
これら有機物の連続重合体から構成されるフィルムと無機層との積層構造により構成された保護層で、少なくともシンチレータ層を密閉する
ことを特徴とする放射線検出器の製造方法。