JP2003075593A

JP2003075593A - 放射線シンチレータならびに画像検出器およびその製造方法

Info

Publication number: JP2003075593A
Application number: JP2001262017A
Authority: JP
Inventors: Atsuya Yoshida; 篤也吉田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2003-03-12

Abstract

(57)【要約】【目的】分解能および放射線変換効率のそれぞれが十分
に得られる放射線シンチレータならびに画像検出器およ
びその製造方法を提供する。【解決手段】この発明の放射線シンチレータは、基板２
１の一方の面に形成されたＣｓＩ核３２から柱状に成長
されたＣｓＩ柱状結晶３３とＣｓＩ柱状結晶の個々の柱
状晶を一体化するＣｓＩ連続面結晶３４とからなるＣｓ
Ｉ膜３１のＣｓＩ連続面結晶の全面およびＣｓＩ柱状結
晶のうちの最外部に露出されている結晶の側面を気密す
る防湿膜３５とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、医療用もしくは
工業用非破壊検査に適した放射線画像検出器に適用可能
な放射線シンチレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】放射線画像検出器は、医療用一般撮影に
用いられるフィルムからＸ線イメージ管ＣＲや平面検出
器（ＦＰＤ）のような電気的な信号で画像情報を取り出
すタイプに置き換えが進んでいる。

【０００３】特に、近年のＦＰＤ（平面検出器）に関
し、Ｘ線画像検出器を製造する各社から様々な形式が提
案されている。そのなかで、現時点で最も実用化が進ん
でいる装置は、Ｘ線が入射する時に光導電膜で発生した
電子−正孔対（ｅ−ｈペア）を電場で収集して電荷信号
として読み出す方法（直接式）と、従来のＸ線イメージ
管と同様に一旦蛍光体で発光させて、フォトダイオード
で読み出す方法（間接式）の２つの方法が有カとされて
いる。

【０００４】いずれの方法も、ＴＦＴ（薄膜トランジス
タ）の各画素を局部的な電荷を選択的に読み出すスイッ
チとして用いているので、ＴＦＴの精細度や品質の向上
に伴い、現実性が高まっている。

【０００５】間接方式では、蛍光体材料としてガドリニ
ウム硫酸化物（通称ＧＯＳ）のほか、Ｘ線イメージ管の
蛍光体にも用いられている沃化セシウム（ＣｓＩ）を使
用した例が多く報告されている。

【０００６】ＣｓＩは、Ｘ線イメージ管のような真空管
に使用する場合と、ＦＰＤに使用する場合では、以下の
２点で、扱いが異なる。

【０００７】第１に、Ｘ線イメージ管で利用するＣｓＩ
は、光電面の感度の光波長特性を考慮して、発光波長の
ピークが４２０ｎｍになるように設定されている。この
ことは、ＣｓＩで発生された蛍光を光電子に変換する変
換工程で、バイアルカリ光電面を用いることに起因す
る。従って、一般に、沃化ナトリウム（ＮａＩ）が５０
〜５００ｐｐｍ混入される。これに対して、ＦＰＤで
は、変換工程で、蛍光をｅ−ｈ（電子−正孔）ペアで用
いることから、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）の感
度特性を考慮して、発光波長のピークは、５５０ｎｍに
設定される。このため、例えば沃化タリウム（ＴｌＩ）
が５０〜５００ｐｐｍ混入される。

【０００８】第２は、ＣｓＩの潮解性からのＣｓＩの保
護に関するもので、ＣｓＩは、吸湿性を呈すことから、
Ｘ線イメージ管では問題とならないが、ＦＰＤに組み込
んだ場合には、大気による潮解からの保護（湿気防止
膜）が必要になる。このため、特開２０００−９８４５
号公報には、ＣｓＩ／ＴｌＩ蛍光体を、耐温度域の広い
プラスチック材料であるポリパラキシリレンで覆う方法
が開示されている。また、特許２６８０２２８号公報に
は、ＣｓＩ／ＴｌＩ蛍光体を、例えばシリコーン（樹
脂）からなるポッティング材でコーティング（シリコー
ン樹脂を、ＣｓＩ膜の柱状結晶に沿って、充填）する例
が開示されている。

【０００９】ところで、ＣｓＩ蛍光体膜を放射線画像検
出素子のシンチレータとして用いる場合、その用途に拘
わらず、出力画像の分解能を確保するため、ＣｓＩ膜を
構成する結晶が、互いに独立した柱状結晶の集合体であ
る必要がある。なお、ＣｓＩ膜を柱状結晶の集合体とし
て形成する方法には２つの方法があり、それぞれ湿気防
止膜をコーティングした時の分解能の変化が異なる。

【００１０】ＣｓＩ膜を柱状結晶の集合体として形成す
る１番目の方法は、十分な空間分解能を得るために、必
要なピッチで密に穴をあけたハニカム構造のプレート
に、蛍光体を流し込む方法である。例えば「IEEE Trans
action On Nuclear Science」の４７巻４号１４８３ペ
ージに、厚さ１８５μｍのシリコンプレートに、ピッチ
が３８μｍの穴を密にあけ、個々の穴にＣｓＩを流し込
む方法が開示されている。この方法では、引き続く防湿
処理の方法に拘わらず、ＣｓＩ膜の面方向の光学的な不
連続性が損なわれることは無く、分解能は低下しない。
ただし、この方法では、半導体製造で用いられる光リソ
グラフィー装置とドライエッチング装置が必要となるこ
とから、比較的少量の放射線撮像素子の生産に対して
は、設備コストおよび稼動コストがかかりすぎる問題が
ある。

【００１１】ＣｓＩ膜を柱状結晶の集合体として形成す
る２番目の方法は、面方向に、独立した核を密に並べ、
それぞれから柱状晶を厚さ方向に成長させる方法であ
る。この方法は、Ｘ線イメージ管のＣｓＩ膜の製造に、
従来から使用されており、条件、特に圧カを最適化する
ことにより、真空蒸着法で容易に得られる。なお、上述
の２つの公報も、この様式の蛍光体層を対象にしてい
る。

【００１２】このようにして形成されたＣｓＩ膜におい
て、柱状結晶相互間（隣接する結晶間雰囲気）は、電子
管では真空で、ＦＰＤでは空気がある状態であるが、屈
折率は、いずれもほぼ１である。ＣｓＩの屈折率は、
１．８３であるから、両者の屈折率の差から、柱状結晶
内で生じた蛍光光子は、多くの場合、結晶外（隙間また
は隣接する結晶）へ飛び出すことなく柱状晶内を伝搬し
て基板に到達する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＣｓＩ膜の
各結晶間に、上述した防湿膜（湿気防止膜）を作成する
際に、以下に示すような問題がある。

【００１４】上述した２件の公報に記載された方法で
は、ＣｓＩの柱状結晶間の厚さ方向の一部あるいは全体
に、防湿膜に用いられる材料が入り込むことから、各柱
状結晶間の光学的な独立性が損なわれることになる。こ
の結果、画像検出器として要求される画像分解能が低下
する。

【００１５】なお、特開２０００−９８４５号および特
開２０００−９８４６号公報には、パリレン（ポリパラ
キシリレンの商標名）に発色処理を施して、あるいは染
料を混入して発色させたり、分解能が向上したことが認
められるまでピラー（各結晶柱）間の防湿材の光透過率
を低下させると、今度はＸ線変換効率が低下する問題が
ある。

【００１６】しかしながら、固体検出器部分（間接式で
はａ−ＳｉとＴＦＴ）により生じるノイズを低減するこ
とが最大の課題である平面検出器においては、上述のシ
ンチレータ（ＣｓＩ膜）に、固体検出器部分で発生され
るノイズに負けない数の蛍光光子を出力できることが要
求されることから、上述した２件の防湿方法は、固体検
出器には、不向きである。

【００１７】この発明の目的は、分解能および放射線変
換効率のそれぞれが十分に得られる放射線シンチレータ
およびその製造方法（ならびに画像検出器）を提供する
ことにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】この発明は、上述の目的
を達成するためになされたもので、少なくとも、その一
部分もしくは全面に吸湿防止膜を塗布されたプレート状
の放射線シンチレータにおいて、前記シンチレータは、
支持基板から独立した柱状に所定の厚さ（高さ）に成長
されることで、面方向に光学的に不連続である第１の部
分と、シンチレータ自身の材料で面方向に連続的に覆わ
れている第２の部分とが一体的に形成され、前記第２の
部分の全面と前記第１の部分の少なくとも最外部の部分
に前記吸湿防止膜が設けられて、気密されていることを
特徴とする放射線シンチレータである。

【００１９】またこの発明は、マトリクス状に配置され
た複数のスイッチング素子部と、前記スイッチング素子
のそれぞれと電気的に接続された複数のフォトダイオー
ドおよび電荷蓄積容量とを有する出力基板と、前記出力
基板上に設けられ、支持基板から独立した柱状に所定の
厚さ（高さ）に成長されることで、面方向に光学的に不
連続である第１の部分と、シンチレータ自身の材料で面
方向に連続的に覆われている第２の部分とが一体的に形
成され、前記第２の部分の全面と前記第１の部分の少な
くとも最外部の部分に前記吸湿防止膜が設けられて、気
密されているシンチレータ基板と、を有することを特徴
とする平面検出器である。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態について詳細に説明する。

【００２１】図１は、この発明が適用可能な放射線シン
チレータを示す概略図である。

【００２２】図１に示すように、放射線シンチレータ１
１は、基板２１上に成膜されたＣｓＩ（沃化セシウム）
膜３１を有している。なお、ＣｓＩ膜３１は、基板２１
の一方の面に形成された第１のＣｓＩ層（ＣｓＩ核）３
２と、ＣｓＩ核３２から柱状に成長されたＣｓＩ柱状結
晶（第２のＣｓＩ層）３３と、ＣｓＩ柱状結晶３３の結
晶を相互に接続する一方で、基板２１（ＣｓＩ核３２）
側では、個々の結晶の間隔を維持できるＣｓＩ連続面結
晶（第３のＣｓＩ層）３４と、ＣｓＩ連続面結晶３４の
全面とＣｓＩ柱状結晶３３のうちの最外部に露出されて
いる結晶３３の側面またはその近傍を覆うとともに基板
２１と接するように設けられ、基板２１とにより、Ｃｓ
Ｉ膜３１を気密する防湿膜（吸湿防止膜）３５とからな
る。なお、ＣｓＩ膜３１のうちＣｓＩ核３２とＣｓＩ柱
状結晶３３からなる部分を本層３１ａと呼称し、ＣｓＩ
連続面結晶３４を連続層と呼称する。

【００２３】ＣｓＩ膜３１の製造方法は、例えば特開昭
５７−１３６７４４号公報等から周知であるから詳細な
説明を省略するが、基板２１を図示しない真空装置の所
定の位置にセットし、例えば基板温度を１９０℃に維持
しながら圧力０．８Ｐａの条件下でＣｓＩ蒸気を供給す
ると、ＣｓＩ層（ＣｓＩ核）３２が基板２１上に形成さ
れる。

【００２４】ＣｓＩ核３２が１〜２層程度形成された時
点でＣｓＩ蒸気の供給を停止し、所定の圧力下でＣｓＩ
／ＴｌＩ（沃化タリウム）混合蒸気を供給することで、
ＣｓＩ核３２を種として、ＣｓＩ柱状結晶３３が、成長
（真空蒸着）される。なお、ＣｓＩ柱状結晶３３の厚さ
（高さ）は、好ましくは１５０〜２０００μｍ、より好
ましくは４００μｍに成長される。

【００２５】これにより、所定の厚さの本層３１ａ（Ｃ
ｓＩ核３２＋ＣｓＩ柱状結晶３３）が形成される。な
お、本層３１ａの厚さとＣｓＩにＴｌＩをドープする量
は、用途により任意の厚さおよび量に設定される。ま
た、ＣｓＩにドープされるドーパントの種類は、ＦＰＤ
では、ＴｌＩが用いられることが多いが、Ｘ線イメージ
管では、ＮａＩ（沃化ナトリウム）が用いられることが
多い。

【００２６】次に、基板２１の温度を１９０℃に保った
まま、真空装置内の圧力を１×１０ ^−４以下の高真空と
し、第３のＣｓＩ層（連続層）３４を、３〜３０μｍの
厚さに成膜する。なお、連続層３４の厚さを、ＣｓＩ柱
状結晶３３の個々の柱状晶の隙間の最大値の約１０倍程
度とすることで、個々の柱状晶相互の隙間を確実に気密
できる。一例を示すと、図１に示す例では、柱状晶相互
の隙間が最大で１μｍであったため、ＣｓＩ連続層３４
の厚さは、１０μｍとしている。

【００２７】このようにして形成したＣｓＩ膜３１を、
３７０℃の乾燥空気中で１０分間アニールし、図示しな
いＣＶＤ装置を用いて、吸湿防止膜として、耐温度域の
広いプラスチック材料である例えばポリパラキシリレン
３５を、概ね１０μｍの厚さに成膜する。なお、防湿膜
３５の透過率は、厚さが概ね１１μｍで、８１％であ
る。

【００２８】以上の工程を経て作成されたＣｓＩ（Ｃｓ
Ｉ／ＴｌＩ）膜３１（本層３１ａ＋連続層３４）には、
第２のＣｓＩ層（柱状結晶）３３の各柱状晶の間に、防
湿層３５であるポリパラキシリレンが存在しない（第３
のＣｓＩ層（連続層３４）を越えて回り込んでいない）
ことが認められた。

【００２９】以下、ＦＰＤの場合は、放射線シンチレー
タ１１の上述した防湿膜３５の側の面に、例えば画像検
出素子としてＴＦＴがマトリクス状に配置された出力基
板３６が配置され、Ｘ線イメージ検出器の場合は、防湿
膜３５に重ねて、さらに、Ｋ（カリウム），Ｃｓ（セシ
ウム）もしくはＮａ（ナトリウム）等からなる図示しな
い光電面（光−電子変換膜）が設けられる。

【００３０】なお、出力基板３６は、観測対象に応じ
て、任意に組み合わせることができるが、一例を示す
と、図２に示すような出力回路構成が利用可能である。

【００３１】出力基板３６は、キャパシタ１３、ＴＦＴ
１４およびフォトダイオード構造１５からなる複数の画
素電極１２を有し、シンチレータ１１の防湿膜３５側
に、防湿膜３５と接触して、あるいは僅かに距離をおい
て、シンチレータ１１に対向して位置され、任意の画素
電極１２に、１本以上のＣｓＩ柱状結晶３３からの光が
入力可能に形成されている。

【００３２】なお、ＴＦＴ１４のドレイン電極４１は、
画素電極１２およびキャパシタ１３に接続されている。
また、ＴＦＴ１４のソース電極２２は、この列の全ての
ＴＦＴに共有された共通データライン２４に接続され、
また外部の電荷感受性増幅器に接続されている。一方、
ＴＦＴ１４のゲート電極４３は、図２に示す制御ライン
１８に接続され、ＴＦＴ１４をオン／オフさせる制御に
用いられる。

【００３３】フォトダイオード構造１５は、例えばａ−
Ｓｉのｐｎダイオード構造、あるいはｐｉｎダイオード
構造として、画素１２毎に形成される。なお、フォトダ
イオード構造１５の片側の電極は、キャパシタ１３に接
続されている。また、例えばＩＴＯ透明電極層である図
示しないバイアス電極が、フォトダイオード１５上に、
例えばスパッタリング法で成膜されている。

【００３４】図２は、図１に示した放射線シンチレータ
および出力基板すなわち平面検出器を平面（画素の面）
方向から見た概略図である。なお、図２では、図１を用
いて説明したシンチレータ１１（および基板２１）は、
省略した状態を示している。

【００３５】図２に示されるように、平面検出器１は、
図１を用いて前に説明したと重複するが、シンチレータ
１１のＣｓＩ膜３１中のＣｓＩ柱状結晶３３および防湿
膜３５を透過して出力される出力信号を受け入れる画素
１２、画素１２に信号電荷を蓄えるキャパシタ１３、ス
イッチング素子であるＴＦＴ（薄膜トランジスタ）１４
および光電変換用のフォトダイオード構造１５を有す
る。なお、フォトダイオード１５の上面には、例えばＩ
ＴＯ膜である図示しないバイアス電極が積層されてい
る。

【００３６】走査制御回路１６は、画像電荷を、個々の
画素１２から複数のデータライン１７に転送し、続いて
それぞれの電荷増幅器へと送るために、複数の制御ライ
ン１８を介して、一行のＴＦＴを一度にオンさせる。同
時に、増幅器の入力によって、それぞれの画素電極の電
位がリセットされる。それぞれの行で得られた増幅され
た信号は、並列／直列変換器、もしくはマルチプレクサ
１９によって複合化され、ついでアナログデジタル変換
機あるいはデジタイザ２０に送られる。なお、走査制御
回路１６は、ＴＦＴ１４が形成されるアレイ基板に、例
えばワイヤボンディングにより接続される集積回路とし
て形成される。また、同様に電荷増幅器やマルチプレク
サも、アクティブマトリクスアレイにワイヤボンディン
グされる集積回路として製造可能である。

【００３７】比較のため、ＣｓＩ連続層３４を形成しな
い以外は、図１に示した例と同一の放射線シンチレータ
を用意し、２ｌｐ（line pair＝ラインペア）／ｃｍに
対する空間信号変調度（変調伝達関数とも表現されるす
なわちＭＴＦ）特性を比較したところ、この発明の実施
の形態である防湿膜３５を設けた構成では、３９％（２
ｌｐ）であったが、比較例では、２７％（２ｌｐ）と著
しく低下したことが確認されている。

【００３８】このように、本発明の放射線シンチレータ
の構成およびその製造方法によれば、本層（ＣｓＩ核＋
ＣｓＩ柱状結晶）の所定の位置に設けられたＣｓＩ連続
層により、個々の柱状晶間に防湿材料が侵入することを
防止できるので、柱状晶間の光学的不連続性が確保され
る。これにより、放射線シンチレータの画像分解能が低
下することがない。

【００３９】なお、シンチレータに利用可能な材料とし
ては、ＣｓＩ／ＴｌＩのみならず、ＮａＩ／ＴｌＩある
いはＣａＦ_２等の潮解性が見られる材料のみならず、防
湿膜を有する全ての放射線シンチレータに適用できるこ
とは言うまでもない。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、潮解性を呈するシンチレータ材料に大気中の湿気が
回り込むことを抑止できる防湿膜を設けたとしても、出
力画像の分解能号（ＭＴＦ）が低下しない放射線シンチ
レータが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の放射線シンチレータが組み込まれる
平面検出器を説明する概略図。

【図２】図１に示した平面検出器の回路構成を説明する
概略平面図。

【符号の説明】

１・・・平面検出器、１１・・・放射線シンチレータ、１２・・・画素電極、１３・・・電荷蓄積キャパシタ、１４・・・ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、１５・・・フォトダイオード、１６・・・走査制御回路、１７・・・データライン、１８・・・制御ライン（ゲートライン）、１９・・・マルチプレクサ、２０・・・デジタイザ、２１・・・基板、３１・・・ＣｓＩ膜、３１ａ・・・本層、３２・・・ＣｓＩ核（第１のＣｓＩ層）、３３・・・ＣｓＩ柱状結晶（第２のＣｓＩ層）、３４・・・ＣｓＩ連続面結晶（連続層、第３のＣｓＩ
層）、３５・・・防湿膜（吸湿防止層）。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｔ 1/20 Ｇ０１Ｔ 1/20 Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、その一部分もしくは全面に吸
湿防止膜を塗布されたプレート状の放射線シンチレータ
において、前記シンチレータは、支持基板から独立した柱状に所定
の厚さ（高さ）に成長されることで、面方向に光学的に
不連続である第１の部分と、シンチレータ自身の材料で
面方向に連続的に覆われている第２の部分とが一体的に
形成され、前記第２の部分の全面と前記第１の部分の少
なくとも最外部の部分に前記吸湿防止膜が設けられて、
気密されていることを特徴とする放射線シンチレータ。
【請求項２】前記シンチレータ層は、前記第１の部分と
前記第２の部分のそれぞれが、真空蒸着法により形成さ
れることを特徴とする請求項１記載の放射線シンチレー
タの製造方法。
【請求項３】マトリクス状に配置された複数のスイッチ
ング素子部と、前記スイッチング素子のそれぞれと電気
的に接続された複数のフォトダイオードおよび電荷蓄積
容量とを有する出力基板と、前記出力基板上に設けられ、支持基板から独立した柱状
に所定の厚さ（高さ）に成長されることで、面方向に光
学的に不連続である第１の部分と、シンチレータ自身の
材料で面方向に連続的に覆われている第２の部分とが一
体的に形成され、前記第２の部分の全面と前記第１の部
分の少なくとも最外部の部分に前記吸湿防止膜が設けら
れて、気密されているシンチレータ基板と、を有するこ
とを特徴とする平面検出器。
【請求項４】前記シンチレータ層は、前記第１の部分と
前記第２の部分のそれぞれが、真空蒸着法により形成さ
れることを特徴とする請求項３記載の平面検出器。
【請求項５】前記シンチレータ層は、前記第１の部分と
前記第２の部分のそれぞれが、真空蒸着法により形成さ
れることを特徴とする請求項３記載の平面検出器の製造
方法。