JP2004045420A - 放射線撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】　蛍光体で変換された間接光による光学的クロストーク等で起こる光学的ノイズの減少及び外光遮光に伴う装置の簡素化を促し、高画質で小型化、軽量化、及び低コスト化を図り得る大面積の放射線撮像装置を提供する。
【解決手段】　複数の光電変換素子が形成された透光性基板と透光性基板上に形成された蛍光体層ＣＳＩとを有する放射線撮像基板と、放射線撮像基板からの信号を読み出すための検出用集積回路ＩＣ−１〜ＩＣ−２０と、放射線撮像基板の駆動を行なうためのシフトレジスタＳＲ１−１〜１−２０とを含むＩＣを備えた放射線撮像装置において、蛍光体層ＣＳＩは光電変換素子上に形成されたパッシベーション上に直接蒸着形成されており、蛍光体層の放射線入射面及び側面を覆うように保護膜ＣＯＴ１が形成され、更に保護膜とは別に透光性基板上にＩＣ封止材ＣＯＴ２が形成されている。
【選択図】　　　図２

Description

　本発明は、放射線撮像装置およびその製造方法に係わり、特に大面積プロセスを用いて形成した光電変換素子を二次元に配置した光電変換装置を用い、蛍光体の発光による放射線像を直接且つ電気信号として読み取りを行う、医療機器のレントゲン装置や非破壊検査等のディジタル画像Ｘ線撮像装置に好適に用いられる放射線撮像装置およびその製造方法に関するものである。

　従来の放射線写真は、遮光カセット格納装置内のハロゲン化銀感光フィルムを使用して、放射線写真潜像し、その後化学的現像と定着を行い可視像の写真フィルムとして得ている。ハロゲン化銀感光フィルムは、Ｘ線放射に対する感度があまりよくなく、像を得るために大量の露光を必要とするので、多くの装置は、Ｘ線を可視光に変換する蛍光体を持つ増感スクリーンをハロゲン化銀フィルムと併用して、露光の減少化を達成している。

　近年装置の小型化、デジタル画像によるフィルムレス化や装置の動画・リアルタイムな静止画への対応に伴い、水素化アモルファスシリコン（以下ａ−Ｓｉと記す）に代表される光電変換材料を用いた光電変換素子及び信号処理部を大面積の基板に形成した光電変換装置をハロゲン化銀感光フィルムに代え配置し蛍光体層からの情報を等倍の光学系で直接電気信号として読み取る放射線撮像装置の開発がめざましい。

　特にａ−Ｓｉは光電変換材料としてだけでなく、薄膜電界効果型トランジスタ（以下ＴＦＴと記す）としても用いることができるので光電変換半導体層とＴＦＴの半導体層とを同時に形成することができる利点を有している。

　図５（ａ）〜（ｃ）は従来の光電変換素子の構成を示す図であり、図５（ａ）、（ｂ）は二種類の光センサの層構成を示し、図５（ｃ）は共通した代表的な駆動方法を示している。

　図５（ａ）、（ｂ）共にフォト・ダイオード型の光センサであり、図５（ａ）はＰＩＮ型、図５（ｂ）はショットキー型と称されている。図５（ａ）、（ｂ）中１は絶縁基板、２は下部電極、３はｐ型半導体層（以下ｐ層と記す）、４は真性半導体層（以下ｉ層と記す）、５はｎ型半導体層（以下ｎ層と記す）、６は透明電極である。図５（ｂ）のショットキー型では下部電極２の材料を適当に選び、下部電極２からｉ層４に電子が注入されないようショットキーバリア層が形成されている。

　図５（ｃ）において、１０は上記光電変換素子を記号化して表わした光電変換素子を示し、１１は電源、１２は電流アンプ等の検出部を示している。光電変換素子１０中Ｃで示された方向は図５（ａ）、（ｂ）中の透明電極６側、Ａで示された方向が下部電極２側であり、電極１１はＡ側に対しＣ側に正の電圧が加わる様に設定されている。

　ここで動作を簡単に説明する。図５（ａ）、（ｂ）に示されるように、矢印で示された方向から光が入射され、ｉ層４に達すると、光は吸収され電子とホールが発生する。ｉ層４には電源１１により電界が印加されているため電子はＣ側、つまりｎ層５を通過して透明電極６に移動し、ホールはＡ側つまり下部電極２に移動する。よって、光電変換素子１０に光電流が流れたことになる。

　また、光が入射しない場合ｉ層４で電子もホールも発生せず、また、透明電極内６のホールはｎ層５がホールの注入阻止層として働き、下部電極２内の電子は図５（ａ）のＰＩＮ型ではｐ層３が、図５（ｂ）のショットキー型ではショットキーバリア層が、電子の注入阻止層として働き、電子、ホール共に移動できず、電流は流れない。したがって光の入射の有無で電流が変化し、これを図５（ｃ）の検出部１２で検出すれば光電変換素子として動作する。

　しかしながら、上記従来の光電変換素子でＳＮ比が高く、低コストの光電変換装置を生産するのは困難であった。以下その理由について説明する。

　第一の理由は、図５（ａ）のＰＩＮ型、図５（ｂ）のショットキー型は、共に２カ所に注入阻止層が必要なところにある。図５（ａ）のＰＩＮ型において、注入阻止層であるｎ層５は電子を透明電極６に導くと同時にホールがｉ層４に注入するのを阻止する特性が必要である。どちらかの特性を逸すれば光電流が低下したり、光が入射しない時の電流（以下暗電流と記す）が発生、増加することになりＳＮ比の低下の原因になる。この暗電流はそれ自身がノイズと考えられると同時にショットノイズと呼ばれるゆらぎ、いわゆる量子ノイズを含んでおり、たとえ検出部１２で暗電流を差し引く処理をしても、暗電流に伴う量子ノイズを小さくすることはできない。通常この特性を向上させるためｉ層４やｎ層５の成膜の条件や、作成後のアニールの条件の最適化を図る必要がある。

　しかし、もう一つの注入阻止層であるｐ層３についても電子、ホールが逆ではあるが同等の特性が必要であり、同様に各条件の最適化が必要である。通常、前者ｎ層の最適化と後者ｐ層の最適化の条件は同一でなく、両者の条件を同時に満足させるのは困難である。つまり、同一光電変換素子内に二カ所の注入阻止層が必要なことは高ＳＮ比の光電変換素子の形成を困難にする。

　これは、図５（ｂ）のショットキー型においても同様である。また図５（ｂ）のショットキー型においては片方の注入阻止層にショットキーバリア層を用いているが、これは下部電極２とｉ層４の仕事関数の差を利用するもので、下部電極２の材料が限定されたり、界面の局在準位の影響が特性に大きく影響し、条件を満足させるのはさらに困難である。

　また、さらにショットキーバリア層の特性を向上させるために、下部電極２とｉ層４の間に１００オングストローム前後の薄いシリコンや金属の酸化膜、窒化膜を形成することも報告されているが、これはトンネル効果を利用し、ホールを下部電極２に導き、電子のｉ層４への注入を阻止する効果を向上させるもので、やはり仕事関数の差を利用しているため下部電極２の材料の限定は必要であるし、電子の注入の阻止とトンネル効果によるホールの移動という逆の性質を利用するため酸化膜や窒化膜は１００オングストローム前後と非常に薄いところに限定され、かつ、厚さや膜質の制御は難しく生産性を低下させられる。

　また、注入阻止層が２カ所必要なことは生産性を低下させコストもアップする。これは注入阻止層が特性上重要な為２カ所中１所でもゴミ等で欠陥が生じた場合、光電変換素子としての特性が得られないからである。

　第二の理由を、図６を用いて説明する。図６は薄膜の半導体膜で形成した電界効果型トランジスタ（以降ＴＦＴと記す）の層構成を示している。ＴＦＴは光電変換装置を形成するうえで制御部の一部として利用することがある。図中図５と同一なものは同番号で示してある。図６において、７はゲート絶縁膜であり、６０は上部電極である。形成法を順を追って説明する。絶縁基板１上にゲート電極（Ｇ）として働く下部電極２、ゲート絶縁膜７、ｉ層４、ｎ層５、ソース、ドレイン電極（Ｓ，Ｄ）として働く上部電極６０を順次成膜し、上部電極６０をエッチングしてソース、ドレイン電極を形成し、その後ｎ層５をエッチングしてチャネル部を構成している。ＴＦＴの特性はゲート絶縁膜７とｉ層４の界面の状態に敏感で通常その汚染を防ぐために同一真空内で連続に堆積する。

　従来の光電変換素子をこのＴＦＴと同一基板上に形成する場合、この層構成が問題となりコストアップや特性の低下を招く。この理由は図５に示した従来の光電変換素子の構成が、図５（ａ）のＰＩＮ型が電極／ｐ層／ｉ層／ｎ層／電極、図５（ｂ）のショットキー型が電極／ｉ層／ｎ層／電極という構成であるのに対し、ＴＦＴは電極／絶縁膜／ｉ層／ｎ層／電極という構成で両者が異なるからである。これは同一プロセスで形成できないことを示し、プロセスの複雑化による歩留まりの低下、コストアップを招く。また、ｉ層／ｎ層を共通化するにはゲート絶縁膜７やｐ層３のエッチング工程が必要となり、先に述べた光センサの重要な層である注入阻止層のｐ層３とｉ層４が同一真空内で成膜できなかったり、ＴＦＴの重要なゲート絶縁膜７とｉ層４の界面がゲート絶縁膜のエッチングにより汚染され、特性の劣化やＳＮ比の低下の原因になる。

　また、前述した図５（ｂ）のショットキー型の特性を改善するため下部電極２とｉ層４の間に酸化膜や窒化膜を形成したものは膜構成の順は同一であるが先に述べたように酸化膜や窒化膜は１００オングストローム前後である必要がありゲート絶縁膜と共用することは困難である。

　図７に、ゲート絶縁膜とＴＦＴの歩留まりについて、我々が実験した結果を示す。ゲート絶縁膜厚が１０００オングストローム以下で歩留まりは急激に低下し、８００オングストロームで歩留まりは約３０％、５００オングストロームで歩留まりは０％、２５０オングストロームではＴＦＴの動作すら確認できなかった。トンネル効果を利用した光センサの酸化膜や窒化膜と、電子やホールを絶縁しなければならないＴＦＴのゲート絶縁膜を共用化することは明らかに困難であり、これをデータが示している。

　またさらに、図示していないが電荷や電流の積分値を得るのに必要となる素子である容量素子（以下コンデンサと記す）を従来の光電変換素子と同一の構成でリークが少ない良好な特性のものを作るのは難しい。コンデンサは２つの電極間に電荷を蓄積するのが目的なため電極間の中間層には必ず電子とホールの移動を阻止する層が必要であるのに対し、従来の光電変換素子は電極間に半導体層のみ利用しているため熱的にリークの少ない良好な特性の中間層を得るのは難しいからである。

　このように光電変換装置を構成するうえで重要な素子であるＴＦＴやコンデンサとプロセス的にまたは特性的にマッチングが良くないことは複数の光センサを二次元に多数配置し、この光信号を順次検出するようなシステム全体を構成するうえで工程が多くかつ複雑になるため歩留まりが非常に悪く、低コストで高性能多機能な装置を作るうえで重大な問題になる。

　［先行技術］
　そこで我々は、以前図８に示す光電変換装置を用いた放射線撮像装置を提案した（特許文献１）。

　図８は、以前我々が提案した光電変換装置を用いた放射線撮像装置を示す全体回路図、図９（ａ）は以前我々が提案した光電変換装置を用いた放射線撮像装置の１画素に相当する各構成素子の平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。図８において、Ｓ１１〜Ｓ３３は光電変換素子で下部電極側をＧ、上部電極側をＤで示している。Ｃ１１〜Ｃ３３は蓄積用コンデンサ、Ｔ１１〜Ｔ３３は転送用ＴＦＴである。Ｖｓは読み出し用電源、Ｖｇはリフレッシュ用電源であり、それぞれスイッチＳＷｓ，ＳＷｇを介して全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＧ電極に接続されている。スイッチＳＷｓはインバータを介して、スイッチＳＷｇは直接にリフレッシュ制御回路ＲＦに接続されており、リフレッシュ期間はスイッチＳＷｇがｏｎするよう制御されている。

　１画素は、１個の光電変換素子とコンデンサ、およびＴＦＴで構成され、その信号出力は信号配線ＳＩＧにより検出用集積回路ＩＣに接続されている。以前我々が提案した光電変換装置は計９個の画素を３つのブロックに分け１ブロックあたり３画素の出力を同時に転送しこの信号配線ＳＩＧを通して検出用集積回路ＩＣによって順次出力に変換され出力される（Ｖｏｕｔ）。また１ブロック内の３画素を横方向に配置し、３ブロックを順に縦に配置することにより各画素を二次元的に配置している。

　図中破線で囲んだ部分は、大面積の同一透光性基板上に形成されているが、このうち第１画素に相当する部分の平面図を図９（ａ）に示す。また図中破線Ａ−Ｂで示した部分の断面図を図９（ｂ）に示す。Ｓ１１は光電変換素子、Ｔ１１はＴＦＴ、Ｃ１１はコンデンサ、およびＳＩＧは信号配線である。以前我々が提案した光電変換装置においてはコンデンサＣ１１と光電変換素子Ｓ１１は特別に素子を分離しておらず、光電変換素子Ｓ１１の電極の面積を大きくすることによりコンデンサＣ１１を形成している。これは光電変換素子とコンデンサが同じ層構成であるから可能なことで以前我々が提案した光電変換装置の特徴でもある。

　また、画素上部にはパッシベーション用窒化シリコン膜ＳｉＮとＸ線を可視光に変換するヨウ化セシウム等の蛍光体ＣＳＩが形成されている。上方よりＸ線Ｘが入射すると蛍光体ＣＳＩにより可視光（破線矢印）に変換され、この光が光電変換素子に入射される。

　次に図８と図１０によって以前我々が提案した光電変換装置の動作について説明する。図１０は図８の動作を示すタイミングチャートである。

　はじめにシフトレジスタＳＲ１およびＳＲ２により制御配線ｇ１〜ｇ３、ｓ１〜ｓ２にＨｉが印加される。すると転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３とスイッチＭ１〜Ｍ３がｏｎし導通し、全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＤ電極はＧＮＤ電位になる（積分検出器Ａｍｐの入力端子はＧＮＤ電位に設計されているため）。同時にリフレッシュ制御回路ＲＦがＨｉを出力しスイッチＳＷｇがｏｎし全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＧ電極はリフレッシュ用電源Ｖｇにより正電位になる。すると全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３はリフレッシュモードになりリフレッシュされる。

　つぎに、リフレッシュ制御回路ＲＦがＬｏを出力しスイッチＳＷｓがｏｎし全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＧ電極は読み取り用電源Ｖｓにより負電位になる。すると全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３は光電変換モードになり同時にコンデンサＣ１１〜Ｃ３３は初期化される。この状態でシフトレジスタＳＲ１およびＳＲ２により制御配線ｇ１〜ｇ３、ｓ１〜ｓ２にＬｏが印加される。

　すると転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３のスイッチＭ１〜Ｍ３がｏｆｆし、全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＤ電極はＤＣ的にはオープンになるがコンデンサＣ１１〜Ｃ３３によって電位は保持される。しかしこの時点ではＸ線は入射されていないため全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３には光は入射されず光電流は流れない。この状態でＸ線がパルス的に出射され人体等を通過し蛍光体ＣｓＩに入射すると光に変換され、その光がそれぞれの光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３に入射する。この光は人体等の内部構造の情報が含まれている。この光により流れた光電流は電荷としてそれぞれのコンデンサＣ１１〜Ｃ３３に蓄積されＸ線の入射終了後も保持される。

　つぎにシフトレジスタＳＲ１により制御配線ｇ１にＨｉの制御パルスが印加され、シフトレジスタＳＲ２の制御配線ｓ１〜ｓ３への制御パルス印加によって転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３のスイッチＭ１〜Ｍ３を通してｖ１〜ｖ３が順次出力される。同様にシフトレジスタＳＲ１，ＳＲ２の制御により他の光信号も順次出力される。これにより人体等の内部構造の二次元情報がｖ１〜ｖ９として得られる。

　静止画像を得る場合はここまでの動作であるが動画像を得る場合はここまでの動作を繰り返す。

　以前我々が提案した光電変換装置を用いた放射線撮像装置では光電変換素子のＧ電極が共通に接続され、この共通の配線をスイッチＳＷｇとスイッチＳＷｓを介してリフレッシュ用電源Ｖｇと読み取り用電源Ｖｓの電位に制御している為、全光電変換素子を同時にリフレッシュモードと光電変換モードとに切り換えることができる。このため複雑な制御なくして１画素あたり１個のＴＦＴで光出力を得ることができる。

　以前我々が提案した光電変換装置を用いた放射線撮像装置では９個の画素を３×３に二次元配置し３画素ずつ同時に、３回に分割して転送・出力したがこれに限らず、例えば縦横１ｍｍあたり５×５個の画素を２０００×２０００個の画素として二次元的に配置すれば４０ｃｍ×４０ｃｍのＸ線検出器が得られる。これをハロゲン化銀感光フィルムの代わりにＸ線発生器と組み合わせＸ線レントゲン装置を構成すれば胸部レントゲン検診や乳ガン検診に使用できる。するとフィルムと異なり瞬時にその出力をＣＲＴで映し出すことが可能で、さらに出力をディジタルに変換しコンピュータで画像処理して目的に合わせた出力に変換することも可能である。また光磁気ディスクに保管もでき、過去の画像を瞬時に検索することもできる。また感度もハロゲン化銀感光フィルムより良く人体に影響の少ない微弱なＸ線で鮮明な画像を得ることもできる。

　図１１、図１２に２０００×２０００個の画素を持つ放射線撮像装置を示す平面図を示す。２０００×２０００個の検出器を構成する場合図８で示した破線内の素子を縦・横に数を増せばよいが、この場合制御配線もｇ１〜ｇ２０００と２０００本になり信号配線ＳＩＧもｓｉｇ１〜ｓｉｇ２０００と２０００本になる。またシフトレジスタＳＲ１や検出用集積回路ＩＣも２０００本の制御・処理をしなければならず大規模となる。これをそれぞれ１個のＩＣチップで行うことは１個のＩＣチップが非常に大きくなり製造時の歩留まりや価格等で不利である。そこで、シフトレジスタＳＲ１は例えば１００段ごと１個のＩＣチップに形成し、２０個（ＳＲ１−１〜ＳＲ１−２０）を使用すれば良い。また検出用集積回路も１００個の処理回路ごと１個のチップに形成し、２０個（ＩＣ１〜ＩＣ２０）を使用する。

　図１１には左側（Ｌ）に２０チップ（ＳＲ１−１〜ＳＲ１−２０）と下側（Ｄ）に２０チップ実装し、１チップあたり１００本の制御配線、信号配線を各々ワイヤーボンディングで各ＩＣチップと接線している。図１１中破線部は図８の破線部に相当する。また外部への接続は省略している。また、ＳＷｇ，ＳＷｓ，Ｖｇ，Ｖｓ，ＲＦ等も省略している。検出集積回路ＩＣ１〜ＩＣ２０からは２０本の出力（Ｖｏｕｔ）があるが、これらはスイッチ等を介して１本にまとめたり、２０本をそのまま出力し並列処理すればよい。

　図１２には別の例を示す。左側（Ｌ）に１０チップ（ＳＲ１−１〜ＳＲ１−１０）と右側（Ｒ）に１０チップ（ＳＲ１−１１〜ＳＲ１−２０）と上側（Ｕ）に１０チップ（ＩＣ１〜１０）、下側（Ｄ）に１０チップ（ＩＣ１１〜２０）を実装している。この構成は上・下・左・右側（Ｕ，Ｄ，Ｌ，Ｒ）にそれぞれ各配線を１０００本ずつに振り分けているため、各辺の配線の密度が小さくなり、また各辺のワイヤーボンディングの密度も小さく、歩留まりが向上する。配線の振り分けは左側（Ｌ）にｇ１，ｇ３，ｇ５，…，ｇ１９９９、右側（Ｒ）にｇ２，ｇ４，ｇ６，…，ｇ２０００とし、つまり奇数番目の制御線を左側（Ｌ）、偶数番目の制御線を右側（Ｒ）に振り分ける。こうすると各配線は等間隔に引き出され配線されるので密度の集中なく歩留まりが向上する。また、上側（Ｕ）、下側（Ｄ）への配線も同様に振り分ければよい。

　また、図示していないが、別の例として配線の振り分けは左側（Ｌ）にｇ１〜１００，ｇ２０１〜ｇ３００，…，ｇ１８０１〜ｇ１９００、右側（Ｒ）にｇ１０１〜ｇ２００，ｇ３０１〜ｇ４００，…，ｇ１９０１〜ｇ２０００を振り分け、つまり、１チップごと連続な制御線を振り分け、これを左・右側（Ｌ・Ｒ）交互に振り分ける。こうすると、１チップ内は連続に制御でき、駆動タイミングが楽で回路を複雑にしなくてよく安価なものが使用できる。上・下側（Ｕ・Ｄ）についても同様で、連続な処理が可能で安価な回路が使用できる。

　また、図１１、図１２共に１枚の基板上に破線部の回路を形成した後、その基板上にチップを実装してもよいし、別の大きな基板上に破線部の回路基板とチップを実装してもよい。また、チップをフレキシブル基板上に実装して破線部の回路基板に張り付け接線してもよい。

　また、このような非常に多くの画素をもつ大面積の光電変換装置を用いた放射線撮像装置は従来の光電変換素子を用いた複雑な工程では不可能であったが、以前我々が提案した光電変換装置の工程は各素子を共通な膜で同時に形成しているため工程数が少なく、簡易的な工程ですむため高歩留まりが可能で低コストで大面積・高性能の光電変換装置を用いた放射線撮像装置の生産を可能としている。また、コンデンサと光電変換素子とが同じ素子内で構成でき、実質上素子を半減することが可能でさらに歩留まりを向上できる。

　以上説明したように、以前我々が提案した光電変換装置を用いた放射線撮像装置によれば光電変換装置内の光電変換素子は注入阻止層が一カ所のみで光の入射量を検出することができ、プロセスの最適化が容易で、歩留まりの向上が図れ、製造コストの低減が可能で、ＳＮ比の高い低コストの光電変換装置を提供することができる効果がある。また、第一の電極層／絶縁層／光電変換半導体層においてトンネル効果や、ショットキーバリアを利用していないため、電極材料は自由に選択でき、絶縁層の厚さやその他の制御も自由度が高い。

　また同時に形成する薄膜電界効果トランジスタ（ＴＦＴ）等のスイッチ素子または／および容量素子とはマッチングが良く、同一膜構成のため共通な膜として同時に形成可能でかつ光電変換素子、ＴＦＴ共に重要な膜構成は同一真空内で同時に形成可能であり、さらに光電変換装置を高ＳＮ化、低コスト化することができる効果がある。またコンデンサも中間層に絶縁層を含んでおり良好な特性で形成でき複数の光電変換素子で得られた光情報の積分値を簡単な構成で出力できる高機能の光電変換装置を用いた放射線撮像装置が提供できる効果がある。また低コストで大面積・高機能・高特性のＸ線レントゲン装置を提供できるという効果もある。
特開平０８−１１６０４４号公報（特願平６−３１３３９２号）

　しかしながら、以前我々が提案した大面積の光電変換装置を用いた放射線撮像装置では、高Ｓ／Ｎの光電変換素子を用いても透光性基板による光学的ノイズの影響によって放射線撮像装置自体の高Ｓ／Ｎ即ち高画質画像を得ることが難しかった。以下に図を用いて説明する。

　図１３は、図１１に示した我々が提案した光電変換装置を用いた放射線撮像装置のＡ−Ｂ断面図である。図１３において、１は透光性基板、ＰＸＬは図９で説明した一画素を模式的に示しており、前述したように、画素内には光電変換素子、ＴＦＴ、コンデンサ、信号配線及び制御配線が形成されている。また、ＳＩＮは画素を保護するパッシベーション層、ＣＳＩはＸ線を可視光に変換する蛍光体である。

　Ｘ線Ｘ１が蛍光体ＣＳＩに入射するとＸ線Ｘ１は蛍光体内の発光点Ｈ１で可視光Ｌｄ及びＬｍ１に変換され、蛍光体及び各素子のパッシベーションＳＩＮを経て画素ＰＸＬ内の光電変換素子に入射し、光電変換され電気信号として読み出される。しかし、蛍光体で変換された可視光は、直接、画素ＰＸＬ内の光電変換素子に入射する直接光Ｌｄの他に、図９のＭで示される画素内の素子及び配線の未形成部即ち窓部Ｍを経て、透光性基板１内に入射する間接光Ｌｍ１がある。この間接光Ｌｍ１は、更に透光性基板１の裏面ａに到達し、そこで透過・散乱し、一部の間接光Ｌｍ１は再度画素ＰＸＬ内の窓部Ｍ及びパッシベーションＳＩＮを透過し蛍光体ＣＳＩに至り、各所の界面や蛍光体ＣＳＩ内で透過・散乱を引き起こす。

　各所で散乱した光の一部が発光点Ｈ下の画素の光電変換素子や周辺の画素の光電変換素子に入射し、読み取り信号のレベルシフトや光学的クロストークを引き起こし、読み取り信号の分解能の低下、即ち、画像品位の低下を招いている。

　更に、一様に配置された画素の外郭部に位置する画素即ち透光性基板１の端面周辺の画素は、同図１３のＮＯＮに示すように、画素パターンの未形成部や配線のみの部分ができており、窓部が画素ＰＸＬ内に比べ非常に多くの面積になる。

　つまり、Ｘ線Ｘ２により変換された間接光Ｌｍ２およびＬｍ３の量が多く、更に間接光Ｌｍ３の様に透光性基板１の端面ｂに到達し、透過・散乱した光が透光性基板１の裏面ａに到達する間接光が加わるため、透光性基板１の端面周辺は透光性基板１の中央に比べ画像品位が著しく低下する。

　また、このような放射線撮像装置では、室内の蛍光灯や太陽光による外光の入射を防ぐため放射線撮像装置を覆う為の遮光カセット等の遮光部材内に納める必要があると同時に微弱な光も漏れることが許されない為、遮光カセット内外との電気接続のための開口部処理や遮光カセット自体が複雑になってしまう。よって、部品点数の増加・工数アップによるコスト高や装置の大型化を招くという問題点がある。

　［発明の目的］
　つまり、本発明の目的は、高Ｓ／Ｎな光電変換素子を用いた放射線撮像装置において、蛍光体で変換された可視間接光による光学的クロストーク等で起こる光学的ノイズの減少及び外光遮光に伴う装置の簡素化を促すことにより、高画質で小型化、軽量化、及び低コスト化をはかり得る大面積の放射線撮像装置を提供することである。

　上記目的を達成する為、本発明は、複数の光電変換素子が形成された透光性基板と該透光性基板上に形成された蛍光体層とを有する放射線撮像基板と、該放射線撮像基板からの信号を読み出すための検出用集積回路と、該放射線撮像基板の駆動を行なうためのシフトレジスタとを含むＩＣを備えた放射線撮像装置において、
　前記蛍光体層は前記光電変換素子上に形成されたパッシベーション上に直接蒸着形成されており、前記蛍光体層の放射線入射面及び側面を覆うように保護膜が形成され、更に該保護膜とは別に前記透光性基板上にＩＣ封止材が形成されていることを特徴とする。

　また本発明は、上記本発明の放射線撮像装置の製造方法において、
　前記光電変換素子上にパッシベーションを形成する工程と、
　前記パッシベーション上に蛍光体を直接蒸着形成する工程と、
前記蛍光体を覆うように保護膜を形成する工程と、
該保護膜を形成した後に、前記ＩＣ封止材を形成する工程と、を有することを特徴とする。

　［作用］
　上記構成における放射線撮像装置によれば、蛍光体で変換発光した可視光の画素内の窓等の素子及び配線が未形成な部分の窓部を経て透光性基板内に入射し、透光性基板内で透過・散乱を繰り返し光電変換素子へ入射する間接光を、透光性基板の裏面及び端面を覆う光吸収材料によって吸収させ、間接光を減少することにより、光学的な影響による不均一なレベルシフトやクロストーク等の光学的ノイズを減少させることができる。

　更に、蛍光体層入射面も可視光吸収材料で覆うことにより、放射線撮像装置自体に外光遮断機能を有するため遮光部材の簡素化・部材レス化ができる。

　本発明によれば、蛍光体で変換発光した可視光が画素内の窓等の素子及び配線が未形成な部分の窓部を経て透光性基板内に入射し、透光性基板内で透過・散乱を繰り返し光電変換素子へ入射する間接光を透光性基板の裏面及び端面を覆う光吸収材料によって吸収させ間接光を減少させることより光学的な不均一のレベルシフトやクロストーク等の光学的ノイズを減少させ、放射線撮像装置の画像品位を向上すると同時に、蛍光体層入射面も光吸収材料で覆われているため、放射線撮像装置自体に外光遮断機能を有することにより、遮光カセットのような外光遮光部材の簡素化、部材レス化ができる。

　よって、高画質で軽量・小型・低コストの放射線撮像装置を提供することができる。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

　［第１の実施形態］
　図１及び図２は、本発明第１の実施形態に係わる放射線撮像装置の構成図であり、図１は、全体平面図、図２は、図１のＡ−Ｂで示す模式的断面図である。尚、従来例の項で説明した図９（ａ）、図９（ｂ）、図１１及び図１３と同一機能の部分には、同一符号を付してあり、説明を省略する場合がある。

　図中、１は透光性基板、ＰＸＬは画素を模式的に表しており、従来例の図９（ａ）及び図９（ｂ）で説明した一画素分の光電変換素子、コンデンサ、ＴＦＴ、制御配線、信号配線が形成され、従来例の図１１での説明と同様に２０００×２０００個の画素を透光性基板１上に二次元的に配置している（図１中一点破線内）。

　従来例の図１１での説明と同様に、ＳＲ１−１〜ＳＲ１−２０はシフトレジスタ又ＩＣ−１〜ＩＣ−２０は検出用集積回路（それぞれ、図１中は破線で図示）であり、従来例の図１１と同様それぞれ各画素に接続されている制御配線（不図示）及び信号配線（不図示）とワイヤーボンディングＷＢによって接続されている。ＳＩＮは画素を保護するパッシベーション、ＣＳＩはＸ線を可視光に変換する蛍光体、ＣＯＴ１は可視光吸収材料である黒色樹脂等で形成した光吸収層、ＣＯＴ２はＳＲ１−１〜ＳＲ１−２０のシフトレジスタ及びＩＣ−１〜ＩＣ−２０の検出用集積回路のＩＣチップやワイヤーボンディングを保護するＩＣ封止である。

　同図を用いて本実施形態の放射線撮像装置の作製方法について簡単に説明する。

　透光性基板１上に、薄膜半導体プロセス（プラズマＣＶＤや蒸着装置を用いた成膜工程による各層の薄膜形成及びホトリソ工程によるパターニング）により画素ＰＸＬ及びパッシベーションＳＩＮを形成し、その上に画素ＰＸＬを覆うようＣｓＩ等の材料を用い蒸着形成により蛍光体ＣＳＩを形成する。

　次に、光吸収層ＣＯＴ１をシフトレジスタＳＲ１−１〜ＳＲ１−２０及び検出用集積回路ＩＣ−１〜ＩＣ−２０のＩＣチップのダイボンド部（ＩＣ封止ＣＯＴ２部）や不図示のＩＣと装置外部との接続部等の未形成領域をマスキングし、可視光等の光吸収材料からなる黒色樹脂（例えば、染料もしくは顔料を含んだアクリル塗料等）をスプレー等の噴霧により透光性基板１の全周面（４端面・裏面及び蛍光体ＣＳＩ形成面）を塗布し、加熱硬化させ形成する。

　その後、シフトレジスタＳＲ１−１〜ＳＲ１−２０、検出用集積回路ＩＣ−１〜ＩＣ−２０のＩＣチップをダイボンド及びワイヤーボンディングＷＢによる各制御配線及び信号配線との電気接続を行う。

　その後、黒色のエポキシ樹脂等でＩＣ封止ＣＯＴ２を形成することにより本実施形態の放射線撮像装置が形成される。

　図１及び図２に示す様に、本実施形態においては、蛍光体のＸ線Ｘの入射面、透光性基板１の裏面ａ、端面ｂ及び端面ｂ′が可視光等の光吸収材料からなる黒色樹脂で形成された光吸収層ＣＯＴ１で覆われている。

　このように、透光性基板１の裏面ａ、端面ｂ及び端面ｂ′が光吸収層ＣＯＴ１で覆われているため、蛍光体ＣＳＩで変換された可視光の間接光（画素内や透光性基板端部周辺の窓部を経て、透光性基板１内に入射した光）が、透光性基板１の内部（透光性基板１の裏面や端面）で透過・散乱することなく光吸収層に吸収され、間接光を減少させることができる。

　また、蛍光体のＸ線Ｘの入射面も同様の光吸収層で覆われているため、放射線撮像装置のほとんどの面が光吸収層で覆う構成となり、外光の入射を防ぐ遮光カセット等の遮光部材を簡素化できる。更に、本実施形態では、ＩＣ封止や外部との接続部を黒色の封止材料を用いることにより、完全に外光遮光の機能を有する放射線撮像装置を提供することができる。

　尚、本実施形態においては、蛍光体のＸ線の入射面、透光性基板の裏面及び端面に形成した光吸収層を同時且つ同一の材料を用いて形成したが、これに限定するものではなく、例えば、蛍光体のＸ線入射面をスクリーン印刷、透光性基板の端面をディッピングにより光吸収層を塗布形成したりし、光吸収材料を各塗布方法や各形成面に適した材料を用いることもできる。

　また、本実施形態のように、各素子上に直接蛍光体を蒸着形成した場合、通常湿気等の影響を防ぐため蛍光体を覆うように保護膜を形成するが、本実施形態では蛍光体面を覆う光吸収層にその機能を有する材料を適宜選定することにより蛍光体の保護膜としての機能を付加することができる。

　［第２の実施形態］
　図３及び図４は本発明第２の実施形態に係わる放射線撮像装置の構成図であり、低コストで大面積の放射線撮像装置を得るために小さな放射線基板を複数枚張り合わせた例である。

　大面積の光電変換装置では製造時の微少なちり、特にアモルファスシリコン層を基板に堆積する時に薄膜堆積装置の壁から剥れ出るゴミ及びメタル層を基板に堆積する時に基板上に残っているほこりを完全になくすことが不可能であったため、配線の不具合、即ち配線のショートまたはオープンをゼロにすることは困難であった。

　大面積の光電変換装置では、制御配線または信号配線がショートまたはオープンになると、その配線に接続されている光電変換素子の全ての出力信号が不正確なものとなり、光電変換装置としては使用不可能となるのである。

　つまり、大面積の光電変換装置を用いた放射線撮像装置を作製する時の１枚の基板が大きくなればなるほど基板１枚あたりの歩留まりは低くなり、同時に基板１枚あたりの不具合による損失額も大きくなってしまい放射線撮像装置のコスト高を招くこともあった。

　以下に、本実施形態を図面を用いて説明する。

　図３は全体平面図、図４は図１のＡ−Ｂで示す模式的断面図である。尚、従来例の項で説明した図９（ａ）、図９（ｂ）、図１１、図１３及び本発明第１の実施形態の項で説明した図１、図２と同一機能の部分には、同一符号を付してあり、説明を省略する場合がある。

　図３及び図４に示す放射線撮像装置において特徴的な点は、Ａ１やガラス等の基台５００の同一平面上に４枚の放射線撮像基板１００を各々隣接する放射線撮像基板１００の画素端の間隔を一画素分あけてシリコン樹脂等の接着剤３００で張り合わせることによって１つの大面積な放射線撮像装置を構成していることである。

　放射線撮像基板１００には、透光性基板１上に従来例の図９（ａ）、図９（ｂ）及び本発明の図１、図２で説明または用いた画素と同様の画素ＰＸＬが１０００×１０００個配置され、不図示の制御配線ｇ１〜ｇ１０００と信号配線ｓｉｇ１〜ｓｉｇ１０００に各々接続されている。シフトレジスタＳＲ１及び検出用集積回路は、それぞれ１００段又は１００個の処理回路ごとに一個のＩＣチップに形成してあり、各透光性基板１上にはシフトレジスタＳＲ１−１〜ＳＲ１−１０、検出用集積回路ＩＣ−１〜ＩＣ−１０のそれぞれ１０個のＩＣチップが配置されている。シフトレジスタＳＲ１−１〜ＳＲ１−１０は制御配線ｇ１〜ｇ１０００と、検出用集積回路ＩＣ１〜ＩＣ１０は信号配線ｓｉｇ１〜ｓｉｇ１０００とそれぞれ接続されている。

　また、本実施形態の放射線撮像基板１００は、画素、制御配線、信号配線、シフトレジスタ、検出用集積回路の数及び配置以外は、本発明の第１の実施形態の図１及び図２で説明した放射線撮像装置と同様に構成され、かつ同様の作成方法で形成されており、蛍光体のＸ線Ｘの入射面、透光性基板１の裏面及び端面は可視光吸収材料からなる黒色樹脂で形成された光吸収層ＣＯＴ１で覆われている。

　図３に示すように４枚の放射線撮像基板を作製し、その４枚の放射線撮像基板を若干の隙間をあけて貼り合わせて大面積の放射線撮像装置を構成することにより、基板１枚あたりの歩留まりは高くなり、同時に基板１枚あたりの不具合による損失額を小さくすることができる。具体的には、図３の大面積の放射線撮像装置における画素が配置してある面積と、図１１の放射線撮像装置における画素が配置してある面積が同じ場合、図３に示す各基板内のすべての制御配線とすべての信号配線の合計の長さは図１１に示す放射線撮像装置内のすべての制御配線とすべての信号配線の合計の長さの約１／４となる。このような光電変換装置において制御配線及び信号配線のショートまたはオープンはその配線に接続されている光電変換素子のすべての出力信号が不正確なものとなるため、光電変換装置としては使用不可能となってしまう。そのため、すべての制御配線及びすべての信号配線の合計の長さにほぼ比例して上記のような不具合が生じ、歩留まりを下げるのである。

　よって図３に示す基板１枚あたりの配線の不具合による歩留まりは、図１１に示す光電変換装置の約４倍となる。また、図３に示す基板１が不具合となり、使用不可能になった場合の損失額は、基板の面積にほぼ比例するため、図１１に示す光電変換装置において不具合が発生し使用不可能になった場合の損失額の約１／４となるのである。

　また、本実施形態の放射線撮像装置も本発明第１の実施形態と同様に蛍光体ＣＳＩで変換された可視光の間接光（画素内や透光性基板端部周辺の窓部を経て、透光性基板１内に入射した光）が、透光性基板１の内部（透光性基板１の裏面や端面）で透過・散乱することなく光吸収層に吸収され、間接光を減少させることができ、また、蛍光体のＸ線Ｘの入射面も同様の光吸収層で覆われているため、放射線撮像装置のほとんどの面が光吸収層で覆う構成となり、外光の入射を防ぐ遮光カセット等の遮光部材を簡素化できる。更に、ＩＣ封止や外部との接続部を黒色の封止材料を用いることにより、完全に外光遮光の機能を有する放射線撮像装置を提供することができる。

　また、放射線撮像基板を基台に張り合わせた場合、透光性基板を透過した間接光が基台表面で散乱し再度透光性基板に入射したりする為に基台の選定に制限ができたり、接着剤の塗布ムラが起こると透光性基板裏面の場所によって透過・散乱の度合いが変わる為に張り合わせ工程が複雑になったり、更に放射線撮像基板間の不感度域（画素抜け）を最小限にする必要から他の基板を張り合わせる基板端面と画素が非常に近接し間接光の影響が大きくなる為張り合わせ後の基板間の極小な隙間に樹脂を充填させる難度の高い工程が増加することが発生するが、本実施形態の放射線撮像装置は既に張り合わせ前の放射線撮像基板１００に蛍光体のＸ線Ｘの入射面、透光性基板１の裏面及び端面は可視光吸収材料からなる黒色樹脂で形成された光吸収層ＣＯＴ１で覆われている為、張り合わせ工程が簡略で張り合わせ後の間接光への配慮の為の工程が不要である。

　よって、高画質で大面積な放射線撮像装置を容易な工程を用いて歩留まりよく提供することができる。

　また、上記実施形態においては、従来例に前述したように、
　前記透光性基板には、
　第一の電極層、絶縁層、光電変換半導体層、第１導電型のキャリアの注入を阻止する半導体層、及び第二の電極層を積層した前記光電変換素子と、
　前記光電変換半導体層に入射した信号光により発生した第１導電型のキャリアを前記光電変換半導体層に留まらせ、前記第１導電型と異なる第２導電型のキャリアを前記第二の電極層に導く方向に前記光電変換素子に電界を与える光電変換手段と、
　前記光電変換素子に電界を与えて、前記第１導電型のキャリアを前記光電変換半導体層から前記第二の電極層に導く方向に前記光電変換素子に電界を与えるリフレッシュ手段と、
　前記光電変換手段による光電変換動作中に前記光電変換半導体層に蓄積された前記第１導電型のキャリアもしくは前記第二の電極層に導かれた前記第２導電型のキャリアを検出する為の信号検出部と、
を有することを特徴とする放射線撮像装置とした。

本発明に係わる第１の実施形態における全体平面図である。 図１の図示Ａ−Ｂの模式的断面図である。 本発明に係わる第２の実施形態における全体平面図である。 図３の図示Ａ−Ｂの模式的断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、従来の光電変換素子の構成図である。 ＴＦＴの層構成図である。 ゲート絶縁膜の厚さに対するＴＦＴの歩留まりを示すグラフである。 以前我々が提案した光電変換装置における全体回路図である。 （ａ）は、以前我々が提案した光電変換装置における各構成素子の平面図であり、（ｂ）は、図９（ａ）の図示Ａ−Ｂの断面図である。 図８の動作を示すタイミングチャートである。 ２０００×２０００個の画素を配置させた、放射線撮像装置を示す全体平面図である。 ２０００×２０００個の画素を配置させた他の例の放射線撮像装置を示す全体平面図である。 図１１の図示Ａ−Ｂの模式的断面図である。

符号の説明

　１　透光性基板
　１００　放射線撮像基板
　３００　接着剤
　５００　基台
　ＰＸＬ　画素
　ＳＩＮ　パッシベーション
　ＣＳＩ　蛍光体
　Ｘ，Ｘ１，Ｘ２　Ｘ線
　Ｌｄ　直接光
　Ｌｍ１〜Ｌｍ３　間接光
　ＮＯＮ　素子及び配線の未形成部
　ＣＯＴ１　光吸収層
　ＣＯＴ２　ＩＣ封止
　ＳＲ１−１〜ＳＲ１−２０　シフトレジスタ
　ＩＣ−１〜ＩＣ−２０　検出用集積回路

Claims (4)

1. 複数の光電変換素子が形成された透光性基板と該透光性基板上に形成された蛍光体層とを有する放射線撮像基板と、該放射線撮像基板からの信号を読み出すための検出用集積回路と、該放射線撮像基板の駆動を行なうためのシフトレジスタとを含むＩＣを備えた放射線撮像装置において、
   　前記蛍光体層は前記光電変換素子上に形成されたパッシベーション上に直接蒸着形成されており、前記蛍光体層の放射線入射面及び側面を覆うように保護膜が形成され、更に該保護膜とは別に前記透光性基板上にＩＣ封止材が形成されていることを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記ＩＣ封止材は少なくとも前記保護膜の一部を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
3. 請求項１または２に記載の放射線撮像装置の製造方法において、
   前記光電変換素子上にパッシベーションを形成する工程と、
   前記パッシベーション上に蛍光体を直接蒸着形成する工程と、
   前記蛍光体を覆うように保護膜を形成する工程と、
   該保護膜を形成した後に、前記ＩＣ封止材を形成する工程と、を有することを特徴とする放射線撮像装置の製造方法。
4. 前記ＩＣ封止材は少なくとも前記保護膜の一部を覆うように形成することを特徴とする請求項３に記載の放射線撮像装置の製造方法。

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