JP2012037454A

JP2012037454A - 放射線検出器及びその製造方法

Info

Publication number: JP2012037454A
Application number: JP2010179622A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Shinba; 勇一榛葉; Katsuhisa Honma; 克久本間
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2012-02-23

Abstract

【課題】高輝度・高解像度・高信頼性の放射線検出器を提供する。
【解決手段】蛍光を電気信号に変換する光電変換素子が形成されたアレイ基板１と、光電変換素子上に形成され、放射線を蛍光に変換するシンチレータ層３と、シンチレータ層３上に密着して形成され、シンチレータ層３の表面を覆って蛍光を受けると共に湿度から保護する防湿層を、アレイ基板１の周辺部にて接着層により封止した防湿構造１５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、放射線を検出する放射線検出器及びその製造方法に関する。

新世代のＸ線診断用検出器として、アクティブマトリクスを用いた平面形のＸ線検出器が開発されている。このＸ線検出器に照射されたＸ線を検出することにより、Ｘ線撮影像、あるいはリアルタイムのＸ線画像がデジタル信号として出力される。

Ｘ線検出器は、一般に、アモルファスシリコン(ａ−Ｓｉ)フォトダイオード、あるいはＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの光電変換素子を有するアレイ基板と、このアレイ基板の表面上に設けられ入射するＸ線を蛍光に変換するＸ線変換部であるシンチレータ層とを備え、Ｘ線をシンチレータ層により可視光すなわち蛍光に変換させ、この蛍光を光電変換素子で信号電荷に変換することで画像を取得している。

シンチレータ層の材料としては、一般的にヨウ化セシウム（ＣｓＩ）：ナトリウム（Ｎａ）、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）：タリウム（Ｔｌ）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、あるいは酸硫化ガドリニウム（Ｇｄ₂Ｏ₂Ｓ）など、種々のものがあり、用途や必要な特性によって使い分けられる。

シンチレータ層は、ダイシングなどにより溝を形成したり、柱状構造が形成されるように蒸着法で堆積したりすることで、解像度特性を向上させることができる。

シンチレータ層として、湿度に対して劣化の大きい材料であるＣｓＩ：Ｔｌ膜やＣｓＩ：Ｎａ膜を用いた場合、シンチレータ層の上部には、シンチレータからの蛍光の利用効率を高めるための反射機能と、シンチレータ層吸湿による特性劣化を防ぐための防湿機能を有する構造を形成する必要がある。

蛍光の利用効率を高める目的でシンチレータ層の上部に形成される反射層は、シンチレータ層で発光した蛍光のうち光電変換素子側に対して反対側に向かう蛍光を反射層で反射させて、光電変換素子側に到達する蛍光を増大させるものである。

反射層を形成する例としては、銀合金やアルミニウムなど蛍光反射率の高い金属層をシンチレータ層上に成膜する方法や、ＴｉＯ₂などの光散乱性物質とバインダ樹脂とから成る光散乱反射性の反射層を塗布形成する方法などが知られている。また、シンチレータ層上に形成するのではなく、アルミなどの金属表面を持つ反射板をシンチレータ層に密着させて蛍光を反射させる方式も実用化されている。

図７に、従来のＸ線検出器における断面構造の一例を示す。

このＸ線検出器５０では、アレイ基板１に多数形成された光電変換素子２上に、放射線を蛍光に変換するシンチレータ層３が設けられ、さらにその上にシンチレータ層３表面の凹凸を平坦化するためのパリレン（パラキシリレン系ポリマーの総称）からなる平坦化層４を介して金属製の反射層５が形成されている。また、反射層５の上には、外部の湿気から保護するパリレンからなる防湿層６が形成されている。

また、図８に、従来のＸ線検出器における断面構造の他の例を示す。

このＸ線検出器６０では、図７と同様に形成されたシンチレータ層３上に、光散乱性粒子とバインダ樹脂とからなる光散乱反射性の反射層７を塗布形成し、さらに、金属箔からなる防湿層８を被せ、接着層９によりアレイ基板１と接着封止したものである。

特開２００９−１２８０２３号公報特開平５−２４２８４１号公報

しかしながら、図７に示すＸ線検出器５０では、シンチレータ層３表面の凹凸を平坦化するためのパリレンからなる平坦化層４が反射層５とシンチレータ層３との間に形成されているため、平坦化層４内での光の散乱による解像度低下が避けられない。また、防湿層６を形成するパリレン自体の防湿性能が低いといった問題点がある。

これに対して、図８に示すＸ線検出器６０では、高い反射率と高い防湿機能を得ることができるが、光散乱反射性の反射層７を塗布形成する際に、乾燥時収縮応力によるクラックや膜剥がれ、基板反りといった問題があった。

このように、シンチレータ層３の上部に、蛍光反射機能と防湿機能を持たせるためには、複雑な構造が必要となる。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、高輝度・高解像度・高信頼性の放射線検出器を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る放射線検出器は、蛍光を電気信号に変換する光電変換素子が形成された基板と、前記光電変換素子上に形成され、放射線を前記蛍光に変換するシンチレータ層と、前記シンチレータ層上に密着して形成され、前記シンチレータ層の表面を覆って前記蛍光を受けると共に湿度から保護する防湿層を、前記基板の周辺部にて接着層により封止した防湿構造と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の実施形態に係る放射線検出器の製造方法は、蛍光を電気信号に変換する光電変換素子が形成された基板の前記光電変換素子側表面に、放射線を前記蛍光に変換するシンチレータ層を真空蒸着法により形成する工程と、前記シンチレータ層上に、前記蛍光を受けると共に湿度から保護する防湿層を被覆し、前記基板の周辺部にて接着剤を介して前記基板と前記防湿層とを減圧状態下で密着させる工程と、を備えることを特徴とする。

本実施の形態に係るＸ線検出器の全体構造を示す斜視図。図１のＸ線検出器におけるアレイ基板の詳細構造を示す断面図。図１のＸ線検出器の防湿構造に用いたＡＬハット形状を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。図１のＸ線検出器におけるシンチレータ層及び防湿構造を示す断面図。他の実施の形態に係るＸ線検出器におけるシンチレータ層及び防湿構造を示す断面図。種々の防湿構造における光反射の度合いを示す模式図であり、（ａ）は防湿層とシンチレータ層の隙間が大きい場合、（ｂ）は防湿層の表面が未処理の場合、（ｃ）は防湿層とシンチレータ層が密着している場合、（ｄ）は防湿層表面に黒化処理を行った場合。従来のＸ線検出器の構造を示す断面図。従来のＸ線検出器の他の構造を示す断面図。

以下、本発明の一実施の形態に係る放射線検出器について、図面を参照して説明する。

（放射線検出器の全体構造）
図１は本実施の形態に係るＸ線検出器の全体構造、図２はそのアレイ基板の拡大部分を示すものである。

放射線検出器としてのＸ線検出器１０は、放射線像であるＸ線像を検出するＸ線平面センサであり、例えば、一般医療用途などに用いられている。

このＸ線検出器１０は、図１及び図２に示すように、蛍光を電気信号に変換する光電変換基板としてのアレイ基板１、このアレイ基板１の一主面である表面上に設けられ入射するＸ線を蛍光に変換するＸ線変換部であるシンチレータ層３、このシンチレータ層３上に設けられ、シンチレータ層３からの蛍光をアレイ基板１側へ反射させると共に、外気や湿度から保護する防湿構造１５を備えている。

（アレイ基板１）
アレイ基板１は、シンチレータ層３によりＸ線から可視光に変換された蛍光を電気信号に変換するもので、ガラス基板１６、このガラス基板１６上に設けられ光センサとして機能する略矩形状の複数の光電変換部１７、行方向に沿って配設された複数の制御ライン（又はゲートライン）１８、列方向に沿って配設された複数のデータライン（又はシグナルライン）１９、各制御ライン１８が電気的に接続された図示しない制御回路と、各データライン１９が電気的に接続された図示しない増幅／変換部を備えている。

アレイ基板１には、それぞれ同構造を有する画素２０がマトリクス状に形成されているとともに、各画素２０内にそれぞれ光電変換素子としてのフォトダイオード２１が配設されている。これらフォトダイオード２１はシンチレータ層３の下部に配設されている。

各画素２０は、フォトダイオード２１に電気的に接続されたスイッチング素子としての薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）２２、フォトダイオード２１にて変換した信号電荷を蓄積する電荷蓄積部としての図示しない蓄積キャパシタを具備している。但し、蓄積キャパシタは、フォトダイオード２１の容量が兼ねる場合もあり、必ずしも必要ではない。

各薄膜トランジスタ２２は、フォトダイオード２１への蛍光の入射にて発生した電荷を蓄積および放出させるスイッチング機能を担う。薄膜トランジスタ２２は、非晶質半導体としてのアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、あるいは多結晶半導体であるポリシリコン（Ｐ−Ｓｉ）などの半導体材料にて少なくとも一部が構成されている。

また、薄膜トランジスタ２２は、図２に示すように、ゲート電極２３、ソース電極２４およびドレイン電極２５のそれぞれを有している。このドレイン電極２５は、光電変換素子（フォトダイオード）２１および蓄積キャパシタに電気的に接続されている。

蓄積キャパシタは、矩形平板状に形成され、各フォトダイオード２１の下部に対向して設けられている。

図１に示す制御ライン１８は、各画素２０間に行方向に沿って配設され、図２に示すように、同じ行の各画素の薄膜トランジスタ２２のゲート電極２３に電気的に接続されている。

図１に示すデータライン（シグナルライン）１９は、各画素２０間に列方向に沿って配設され、図２に示すように、同じ列の各画素の薄膜トランジスタ２２のソース電極２４に電気的に接続されている。

制御回路は、各薄膜トランジスタ２２の動作状態、即ちオンおよびオフを制御するもので、ガラス基板１６の表面における行方向に沿った側縁に実装されている。

増幅／変換部は、例えば各データライン１９に対応してそれぞれ配設された複数の電荷増幅器、これら電荷増幅器が電気的に接続された並列／直列変換器、この並列／直列変換器が電気的に接続されたアナログ−デジタル変換器を有している。

アレイ基板１の最上部には、光電変換素子（フォトダイオード）２１及び薄膜トランジスタ２２等を保護するため、図２に示すように、樹脂製の保護層２６が形成される。

（シンチレータ層３）
シンチレータ層３は、入射するＸ線を可視光すなわち蛍光に変換するもので、例えばヨウ化セシウム（ＣｓＩ）：タリウム（Ｔｌ）、あるいはヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）：タリウム（Ｔｌ）等により真空蒸着法で柱状構造に形成したもの、あるいは酸硫化ガドリニウム（Ｇｄ₂Ｏ₂Ｓ）蛍光体粒子をバインダ材と混合し、アレイ基板１上に塗布して焼成および硬化し、ダイサによりダイシングするなどで溝部を形成して四角状に形成したものなどがある。

これら柱間には、大気、あるいは酸化防止用の窒素（Ｎ₂）などの不活性ガスを封入する。あるいは真空状態とすることも可能である。

具体的には、シンチレータ層３にＣｓＩ：Ｔｌの蒸着膜を用い、膜厚は約６００μｍ、ＣｓＩ：Ｔｌの柱状構造結晶の柱（ピラー）の太さは最表面で８〜１２μｍ程度のものを用いることができ、シンチレータ層３の最表面は凹凸面になる。

（防湿構造１５）
防湿構造１５は、シンチレータ層３を外部雰囲気から保護して、湿度などによる特性劣化を抑えるためのものである。なお、本実施形態の防湿構造１５は、フォトダイオードと反対側に発せられた蛍光を反射して、フォトダイオードに到達する蛍光光量を増大させる反射層の役割も果たすものである。

防湿構造１５は、例えば図３に示すように、厚み０．１ｍｍｔのＡＬ箔からなる防湿層１１を、周辺部に５ｍｍ幅の鍔部２７を持つ構造にプレス成型してハット状とし、このＡＬハットの鍔部２７に接着層をディスペンサーにより塗布し、シンチレータ層３の形成されたアレイ基板１と減圧雰囲気で貼り合せることによって形成できる。

接着剤は、一般に市販されている加熱硬化型または紫外線硬化型のエポキシ系の接着材を用いることができる。

（防湿層１１の材質）
防湿層１１としては、ＡＬ（アルミニウム）箔で軟質のもの、例えば、厚み０．１ｍｍｔ以下のＪＩＳＡ１Ｎ３０−Ｏ材を用いることが好ましい。これは、焼きなましによって軟質化した純度９９．００％以上のＡＬ合金のＯ材は、展延性に優れるため、減圧雰囲気で接着封止した際にシンチレータ層３の表面形状に沿って変形しやすく、シンチレータ層３の表面凹凸形状に部分的又は全体的にならった状態で密着するためである。これに対して、硬質化処理した純ＡＬのＨ材やＡＬ合金箔では、もともとのハット形状を維持してしまうため、シンチレータ膜と防湿構造の隙間にばらつきが生じてしまう。

以上のように、シンチレータ層３と防湿構造１５の隙間を小さくし、隙間ばらつきによる輝度・解像度むらを抑制するためには、展延性に優れた柔らかい材料を選択することが望ましい。

（シンチレータ層３及び防湿構造１５）
図４に、Ｘ線検出器１０におけるシンチレータ層３及び防湿構造１５の拡大図を示す。

この構造では、シンチレータ層３側の面が平坦化処理されたＡＬハットからなる防湿層１１を用い、この防湿層１１が接着層９を介してアレイ基板１と接合されている。

また、図５に、他の実施形態の上部構造を示す。

このＸ線検出器２０では、ＡＬハットからなる防湿層１１のシンチレータ層３側の面に黒化処理された黒化処理層１４が形成され、これらが接着層９を介してアレイ基板１と接合されている。

この黒化処理層１４は、ＡＬ箔又はＡＬ板に、黒色無電解ニッケル（Ｎｉ−Ｐ）めっき、黒クロム、黒ニッケルなどの電解めっき、黒アルマイト処理（陽極酸化処理）などを施すことによって形成することができる。但し、シンチレータ層３への影響がなく、ＡＬの展延性を阻害せず、かつＡＬが変形した際に皮膜剥がれが生じないなどの条件を考慮して適宜形成することが好ましい。

（種々の防湿構造における反射光の拡がり具合）
図６に、種々の防湿構造における反射光の拡がりの関連を示す。

図６（ａ）のように、防湿層１１とシンチレータ層３間の隙間が大きい場合、この隙間によって蛍光の拡がりが大きくなり、解像度の低下を招いてしまう。

これに対して、図６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、ＡＬハットからなる防湿層がシンチレータ層と密着している場合は蛍光の拡がりを抑えることができる。

また、図６（ｃ）のように、ＡＬハットからなる防湿層１１のシンチレータ層３側表面は、鏡面処理されていることが望ましい。図６（ｂ）のように防湿層１２の表面に凹凸面１２ａがあると、ＡＬ表面での蛍光反射角のばらつきが大きくなるため、反射光の拡がりにばらつきが生じ、解像度低下を招いてしまうためである。

また、図６（ｄ）のように、ＡＬハットからなる防湿層１１のシンチレータ層３側表面に黒化処理した黒化処理層１４を設けることも有効である。

この場合、シンチレータ層３で発生した蛍光のうち光電変換素子と反対側に向かう蛍光を吸収することになるため、輝度は低くなってしまう。ただし、蛍光反射光の拡がりによる解像度低下が小さいため、高解像度を得ることができる。

上述のように、防湿層１１のシンチレータ層３側表面処理によって、求められる特性を重視した構成を作製できる。即ち、高い感度が必要な場合は図６（ｃ）のように、鏡面処理した防湿層１１を用い、感度を犠牲としても高い解像度を必要とする場合は図６（ｄ）のように、黒化処理層１４を形成した防湿層１１を用いることで、所望の特性を得ることができる。

また、鏡面処理を施さなくても、シンチレータ層３と防湿層１１とを密着させた構造とすることにより、解像度低下を極力抑えることができ、十分な特性をもった放射線検出器を提供できる。

（防湿層の形成方法）
本実施の形態では、シンチレータ層３が形成されたアレイ基板１と防湿層１１の鍔部２７を紫外線硬化型の接着剤を介して、約０．１気圧の減圧雰囲気下で接着封止する製造方法によりＸ線検出器を製造した。

この方法によれば、防湿層１１内は減圧（負圧）状態になり、外部の大気圧によりシンチレータ層３側に押されるため、シンチレータ層３と防湿層１１が密着した構造となる。これによりシンチレータ層３と防湿層１１との隙間の均一化と極小化が実現でき、解像度低下を抑制できる。

以上のように、減圧封止により防湿層１１をシンチレータ層３に密着させ、シンチレータ層３と防湿層１１の隙間の均一化・極小化を実現することで、高輝度・高解像度・高信頼性の放射線検出器を提供できる。

なお、防湿層１１の材質は、蛍光反射率が高く、展延性に優れた金属材料であって、減圧封止した際に変形し、シンチレータ層３に密着する材質であれば、ＡＬには限定されない。

また、ＡＬハットのアレイ基板１への接着を減圧雰囲気にて行うことは、飛行機輸送を想定した減圧下での機械的強度に優れた防湿構造を形成できる点でも有効である。

（防湿構造後の工程）
防湿構造１５を形成して、Ｘ線検出器１０のパネルが完成する。更に制御ライン、信号ラインの各電極パッド部にＴＡＢ接続により配線を繋いで、アンプ以降の回路に接続し、更に筐体構造に組み込んでＸ線検出器１０が完成する。

（本実施形態の効果）
（１）高輝度・高解像度・高信頼性の放射線検出器を提供することができる。

（２）アレイ基板１周辺の接着層９で接着された単層の防湿層１１で防湿機能と蛍光反射機能の２つの機能を果たすことができ、構造の単純化とプロセス削減、コスト削減を実現できる。

（３）蛍光反射率が高く、展延性に優れたＡＬをハット状に加工した材料を用い、ＡＬハットを減圧雰囲気化で接着封止して防湿層１１とシンチレータ層３を密着させることで、シンチレータ膜の凹凸形状に部分的又は全体的にならった状態でＡＬ箔が配置されるため、隙間の不均一性による輝度や解像度のむらを極力抑えることができる。これによって、高い防湿性能とＡＬハットでの蛍光反射による高感度化、光散乱の少ない事による高解像度維持といった特性を満足した、高輝度・高解像度・高信頼性を実現したＸ線検出器１０を提供することができる。

１：アレイ基板
２：光電変換素子
３：シンチレータ層
４：平坦化層
５：反射層
６：防湿層
７：反射層
８：防湿層
９：接着層
１０：Ｘ線検出器
１１：防湿層
１２：防湿層
１２ａ：凹凸面
１４：黒化処理層
１５：防湿構造
１７：光電変換部

Claims

蛍光を電気信号に変換する光電変換素子が形成された基板と、
前記光電変換素子上に形成され、放射線を前記蛍光に変換するシンチレータ層と、
前記シンチレータ層上に密着して形成され、前記シンチレータ層の表面を覆って前記蛍光を受けると共に湿度から保護する防湿層を、前記基板の周辺部にて接着層により封止した防湿構造と、
を備えることを特徴とする放射線検出器。
前記シンチレータ層は複数の柱状体からなり表面に凹凸形状を有し、かつ前記防湿層は、厚み０．１ｍｍ以下の軟質なアルミニウム又はアルミニウム合金を用いたことを特徴とする請求項１項記載の放射線検出器。
前記防湿層は、前記シンチレータ側表面が鏡面処理されていることを特徴とする請求項１記載の放射線検出器。
前記防湿層は、さらに前記シンチレータ側表面に黒化処理された層を有することを特徴とする請求項１記載の放射線検出器。
蛍光を電気信号に変換する光電変換素子が形成された基板の前記光電変換素子側表面に、放射線を前記蛍光に変換するシンチレータ層を真空蒸着法により形成する工程と、
前記シンチレータ層上に、前記蛍光を受けると共に湿度から保護する防湿層を被覆し、前記基板の周辺部にて接着剤を介して前記基板と前記防湿層とを減圧状態下で密着させる工程と、
を備えることを特徴とする放射線検出器の製造方法。