JP2015004550A - 放射線検出装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光電変換部が配置された基板が受ける応力を低減するために有利な技術を提供する。【解決手段】放射線検出装置の製造方法は、光電変換部が形成されたセンサ基板を無機接着剤によって支持基板に接着する工程と、前記センサ基板の上にシンチレータ層を形成する工程と、を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、放射線検出装置およびその製造方法に関する。

光電変換素子アレイの上にシンチレータ層が配置された放射線検出装置が知られている。特許文献１には、基板と、該基板の上に配置された光電変換素子アレイと、該光電変換素子アレイの上に配置されたシンチレータ層とを含むセンサパネルを接着層によって支持部材に接着した放射線検出装置が記載されている。該接着層は、多孔質構造を有する樹脂層で構成されている。

特開2008-224429号公報

樹脂層は、光電変換素子アレイなどの光電変換部が配置される基板よりも熱膨張係数がかなり高い。したがって、該基板を該樹脂層によって支持部材に接着した後に高い熱が該樹脂層に加わると、該基板に大きな応力が加わりうる。これによって該基板が破損したり、該基板の位置がずれたりする可能性がある。特に、１つの支持基板によって複数の基板を支持した大画面の放射線検出装置においては、該複数の基板の相対的な位置ずれが放射線検出装置の出力画像の品質にもたらす影響は大きい。

本発明は、光電変換部が配置された基板が受ける応力を低減するために有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、放射線検出装置の製造方法に係り、該製造方法は、光電変換部が形成されたセンサ基板を無機接着剤によって支持基板に接着する工程と、前記センサ基板の上にシンチレータ層を形成する工程と、を含む。

本発明によれば、光電変換部が配置された基板が受ける応力を低減するために有利な技術が提供される。

本発明の１つの実施形態の放射線検出パネルおよびその構成要素としてのセンサパネルを示す概略平面図。 本発明の１つの実施形態の放射線検出パネルおよびそれが組み込まれた放射線検出装置の部分的な概略断面図。 放射線検出パネルの変形例を示す概略断面図。 本発明の１つの実施形態の放射線検出装置の製造方法を示す図。 本発明の１つの実施形態の放射線検出装置の製造方法を示す図。 本発明の１つの実施形態の放射線検出装置の製造方法を示す図。 実施例１−４および比較例１、２を示す図。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

図１（ａ）は、本発明の１つの実施形態の放射線検出パネル１００の概略平面図、図１（ｂ）は、放射線検出パネル１００の構成要素としてのセンサパネル１０２である。図２（ａ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線における放射線検出パネル１００の断面図である。図２（ｂ）は、放射線検出パネル１００が組み込まれた放射線検出装置２００の一部分（図２（ａ）に示されている部分に対応する）を示す断面である。

放射線検出パネル１００は、センサパネル１０２と、センサパネル１０２に結合されたシンチレータ１０１とを備えている。センサパネル１０２は、光電変換部１０６が形成されたセンサ基板１０５と、支持基板１０３と、支持基板１０３とセンサ基板１０５とを結合する結合層１０４とを含む。また、センサパネル１０２は、センサ基板１０５に形成された光電変換部１０６を保護する保護層１０７およびパッド１０８を含みうる。パッド１０８には、センサパネル１０２と実装基板１１８とを接続するためのフレキシブルケーブルなどの接続部１０９が接続される。

シンチレータ１０１は、放射線を光に変換するシンチレータ層１１０を含む。シンチレータ層１１０は、更に、シンチレータ層１１０を保護する保護層１１１および／または反射層１１２を含みうる。保護層１１１および反射層１１２の端部は、シンチレータ層１１０への水分の侵入を防止する封止部１１３が設けられている。結合層１０４の端部にも、封止部１１４が設けられうる。

放射線は、典型的には、Ｘ線であるが、α線、β線またはγ線などであってもよい。放射線源から放射され被検体を通過した放射線は、シンチレータ層１１０において光に変換され、その光が光電変換部１０６において電荷に変換され、その電荷に応じた信号がセンサパネル１０２から出力される。

放射線検出装置２００は、実装基板１１８を保持し保護する保護部１１７と、センサパネル１０２の支持基板１０３と保護部１１７との間に配置されたダンパー材１１６と、それらを収容する筐体１１９とを含む。実装基板１１８は、センサパネル１０２を制御したりセンサパネル１０２からの信号を処理したりする回路が形成されていて、接続部１０９を介してセンサパネル１０２と接続されている。

光電変換部１０６は、少なくとも１つの光電変換素子を含み、典型的には、複数の光電変換素子からなる光電変換素子アレイを含む。センサ基板１０５は、例えば、シリコン基板などの半導体基板でありうる。センサ基板１０５が半導体基板である場合、光電変換部１０６を構成する光電変換素子は、該半導体基板の中に形成されうる。センサ基板１０５は、光電変換素子が発生した電荷を読み出すためのスイッチング素子を含みうる。

図１（ｂ）に例示されているように、１つの支持基板１０３の一表面によって複数のセンサ基板１０５が支持されうるが、１つの支持基板１０３の一表面によって１つのセンサ基板１０５のみが支持されてもよい。１つの支持基板１０３によって複数のセンサ基板１０５が支持される構成、即ち、複数のセンサ基板１０５をタイリングした構成は、大きな撮像領域を有する放射線検出装置を得るために有利である。

以下、放射線検出装置２００の各部の詳細を例示的に説明する。

保護層１０７は、例えば、ＳｉＮ、ＴｉＯ_２、ＬｉＦ、Ａｌ_２Ｏ_３またはＭｇＯで構成されうる。保護層１０７は、ポリフェニレンサルファイド樹脂、フッ素樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、液晶ポリマー、ポリエーテルニトリル樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂またはポリアリレート樹脂などで構成されてもよい。あるいは、保護層１０７は、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂でお構成されてもよい。ただし、シンチレータ層１１０によって変換された光が保護層１０７を通過することができるように、保護層１０７は、シンチレータ層１１０で変換された光の波長について高い透過率を有する材料で構成されるべきである。

支持基板１０３は、耐熱性に優れ、かつ熱膨張係数が小さい（例えば１０×１０^−６Ｋ^−１以下）の物質で構成されうる。具体的には、支持基板１０３は、ガラス、シリコン、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、モリブデンで構成されうる。あるいは、支持基板１０３は、ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ、ＡＦＲＰ、アモルファスカーボンで構成されうる。

結合層１０４は、無機接着剤によって構成されうる。センサ基板１０５と支持基板１０３とを無機接着剤（結合層１０４の構成材料）によって接着した後にセンサ基板１０５の上にシンチレータ層１１０を蒸着法によって形成する場合には、結合層１０４が高い熱に加わる。そこで、この場合には、結合層１０４は、シンチレータ層１１０の形成のための熱に耐えうる材料で構成されなければならない。

また、結合層１０４の熱膨張係数が大きいと、結合層１０４およびセンサ基板１０５に熱が加わったときに、センサ基板１０５に大きな応力が加わりうる。これによってセンサ基板１０５が破損したり、センサ基板１０５の位置がずれたりする可能性がある。特に、複数のセンサ基板１０５が配列されている場合には、センサ基板１０５の位置ずれによって放射線検出装置２００の出力画像の品質が低下しうる。結合層１０４（即ち、硬化した無機接着剤層）の熱膨張係数は、例えば、１５×１０^−６Ｋ^−１以下であることが好ましい。特にセンサ基板１０５がシリコン（熱膨張係数：２．６×１０^−６Ｋ^−１）で構成され、支持基板１０３がＣＦＲＰ（熱膨張係数：０．１×１０^−６Ｋ^−１）で構成される場合において、結合層１０４の熱膨張係数は、１５×１０^−６Ｋ^−１以下であることが好ましい。

結合層１０４を構成する無機接着剤は、例えば、アルカリ金属ケイ酸塩系、リン酸塩系またはシリカゾル系の接着剤であることが好ましい。無機接着剤には、無機のフィラー（充填剤）および／または硬化剤が添加されてもよい。ここで、フィラーは、例えば、シリカの他、アルミナ、コーディエライト、ベントナイト、ジルコニア、ジルコン、炭素、リン酸、酸化イットリウム、マグネシア、チタニアまたはクロム酸化物からそれぞれなる粒子の少なくとも１種類を含みうる。

無機接着剤としてシリカゾル系接着剤を使用する場合には、まず、無機粒子が溶けた水溶液を撹拌しながら適量のコロイダルシリカを添加し、その後、沈殿物以外の上澄み液を除去し、沈殿物を１００℃で乾燥させる。これに水を加えて水溶液を作り、この水溶液にコロイダルシリカを添加する、という処理を繰り返すことによって、無機粒子の表面にコロイダルシリカが吸着した接着剤を得ることができる。

無機接着剤は、例えば、スプレー、バーコーター、ドクターブレード、ディッピング、ウオッシュコート、マーキング装置、ディスペンサー、ブラシまたは刷毛によって塗布されうる。

シンチレータ層１１０は、タイリングされた複数のセンサ基板１０５からなるセンサ基板アレイの面積よりも小さい面積を有しうる。シンチレータ層１１０は、例えば、微量のタリウム（Ｔｌ）が添加されたヨウ化セシウム（ＣｓＩ：Ｔｌ）に代表される柱状結晶シンチレータでありうる。あるいは、シンチレータ層１１０は、微量のテルビウム（Ｔｂ）が添加された硫酸化ガドリニウム（ＧＯＳ：Ｔｂ）に代表される粒子状シンチレータで構成されうる。

シンチレータ層１１０の上には、保護層１１１が配置される。保護層１１１は、シンチレータ層１１０の全体または一部を覆うように配置される。特に、シンチレータ層１１０がＣｓＩ：Ｔｌなどの柱状結晶シンチレータで構成されている場合には、シンチレータ層１１０の特性が水分によって劣化するため、保護層１１１が必要となる。保護層１１１の厚さは２０〜２００μｍであることが好ましい。２０μｍ以下では、シンチレータ層１１０の表面の凹凸、及び異常成長による欠陥を完全に被覆することが難しく、防湿機能が低下する可能性がある。一方、２００μｍを超えるとシンチレータ層１１０で発生した光もしくは反射層１１２で反射された光の保護層１１１内での散乱が増加し、得られる画像の解像度およびＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆａｎｃｔｉｏｎ）が低下する可能性がある。

保護層１１１の材料としては、例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等の一般的な有機封止材料や、ポリエステル系、ポリオレフィン系、ポリアミド系等のホットメルト樹脂などを挙げることでき、特に水分透過率の低い樹脂が望ましい。保護層１１１としては、ＣＶＤ蒸着で形成されるポリパラキシリレン、ポリ尿素、ポリウレタン等の有機膜が好適である。また、製造中の加熱工程に耐えうるのであれば、ホットメルト樹脂を採用することもできる。保護層１１１に要求される防湿性を満たすホットメルト樹脂として、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂を挙げることができる。特に、吸湿率が低い樹脂として、ポリオレフィン樹脂が好適である。また、光透過性の高い樹脂としても、ポリオレフィン系樹脂が好適である。したがって、保護層１１１として、ポリオレフィン系樹脂をベースにしたホットメルト樹脂がより好ましい。

ポリオレフィン樹脂は、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体、エチレン−アクリル酸エステル共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、エチレン−メタクリル酸エステル共重合体の少なくとも１種を主成分として含有しうる。あるいは、ポリオレフィン樹脂は、アイオノマー樹脂を主成分として含有しうる。

ホットメルトとしては、ヒロダイン７５４４（ヒロダイン工業製）、Ｏ−４１２１（倉敷紡績製）、Ｗ−４２１０（倉敷紡績製）、Ｈ−２５００（倉敷紡績製）、Ｐ−２２００（倉敷紡績製）、Ｚ−２（倉敷紡績製）、Ｍ−５（倉敷紡績製）等を用いることができる。

反射層１１２は、シンチレータ層１１０が放射線から変換した光のうち光電変換部１０６側とは反対側に進行した光を反射して光電変換部１０６に導くことにより、光利用効率を向上させる。また、反射層１１２は、シンチレータ層１１０が発生した光以外の光（外部光）が光電変換部１０６に入射することを防止する。

反射層１１２としては、例えば、金属箔または金属薄膜が好ましい。反射層１１２の厚さは１〜１００μｍであることが好ましい。１μｍより薄いと反射層１１２の形成時にピンホール欠陥が発生しやすく、また遮光性に劣る。一方、１００μｍを超えると、放射線の吸収量が大きくなり過ぎ、また、センサ基板１０５の上に反射層１１２の端部よって形成される段差が大きくなり過ぎる。反射層１１２の材料としては、アルミニウム、金、銅、アルミ合金などの金属材料を挙げることができる。この中で、特に反射特性の高い材料であるアルミニウムまたは金が好ましい。

封止部１１３、１１４は、防湿性が高く、水分透過性が低い材料で構成されることが好ましく、例えば、エポキシ系樹脂またはアクリル系樹脂で構成されることが好ましい。封止部１１３、１１４は、シリコーン系、ポリエステル系、ポリオレフィン系、ポリアミド系の樹脂で構成されてもよい。封止部１１３、１１４が熱硬化樹脂で構成される場合、接続部１０９の耐熱温度よりも低い熱で硬化する樹脂が好ましい。ただし、パッド１０８への接続部１０９の接続前に封止部１１３を形成する場合は、封止部１１３を硬化温度が２００℃以下の封止樹脂で形成してもよい。また、封止部１１３、１１４は、加熱硬化樹脂以外の樹脂、例えば、ＵＶ硬化樹脂、２液硬化樹脂、自然硬化樹脂で構成されてもよい。封止部１１３と封止部１１４とは、同じ材料で構成されてもよいし、互いに異なる材料で構成されてもよい。図３に例示されるように、封止部１１３が封止部１１４を兼ねてもよい。

実装基板１１８を保持し保護する保護部１１７は、Ａｌ、ステンレス、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｚｎ又はそれらの酸化物又は合金、アモルファスカーボン、炭素繊維強化材、又は、有機ポリマーによる樹脂成型物でもよい。筐体１１９は、実装基板１１８を保持し保護する保護部１１７と同様の物質で形成されることが好ましい。

以上のような構造を有する放射線検出パネル１００または放射線検出装置２００では、製造時または製造後において、熱によるセンサ基板１０５の位置ずれが防止される。

以下、図４〜図６を参照しながら放射線検出装置２００の製造方法の具体的な実施例１−４および比較例１、２を説明する。図７には、実施例１−４および比較例１、２がまとめられている。
（実施例１）
まず、図４（ａ）に示す工程では、支持基板１０３の表面をプラズマ処理し、該表面に、コロイダルシリカと、無機粒子としてのシリカ微粒子と、ジルコニア微粒子とからなる無機接着剤１０４’をスプレーによって塗布する。支持基板１０３は、ＣＦＲＰ（熱膨張係数：０．１×１０^−６Ｋ^−１）である。

図４（ｂ）に示す工程では、タイリング装置によって並べられた複数のセンサ基板１０５を吸着治具１１５により吸着し、その状態で、複数のセンサ基板１０５を支持基板１０３に無機接着剤１０４’によって接着する。センサ基板１０５は、シリコン基板（熱膨張係数：２．６×１０^−６Ｋ^−１）である。

図４（ｃ）に示す工程では、複数のセンサ基板１０５を吸着治具１１５により吸着した状態で、無機接着剤１０４’を８０℃で３０分間にわたって加熱する。更に吸着を解除した状態で、無機接着剤１０４’を２１０℃で３０分間にわたって加熱する。これによって、無機接着剤１０４’が硬化して結合層１０４が形成される。

図５（ａ）に示す工程では、センサ基板１０５の上にポリイミドからなる保護膜材料を塗布しこれを２００℃で硬化させることによって保護層１０７を形成する。

図５（ｂ）に示す工程では、保護層１０７の上に柱状結晶構造のシンチレータ層１１０を形成する。シンチレータ層１１０をＣｓＩ：Ｔｌで構成する場合には、ＣｓＩ（ヨウ化セシウム）とＴｌＩ（ヨウ化タリウム）との共蒸着によってシンチレータ層１１０が形成されうる。具体的には、シンチレータ層１１０の材料を蒸着材料として抵抗加熱ボートに充填し、保護層１０７が形成されたセンサパネル１０２を蒸着装置の内部に配置された回転可能なホルダに設置する。そして、蒸着装置の内部を排気しながらアルゴン（Ａｒ）ガスを導入して真空度を調整し、温度を最大２００℃まで上昇させセンサパネル１０２の上にシンチレータ層１１０を形成する。その後、パッド１０８が形成されうる。

図５（ｃ）に示す工程では、ＰＥＴからなる保護層にＡｌ膜からなる反射層１１２が積層されたフィルム状シートを準備する。そして、該フィルム上シートの反射層１１２にポリオレフィン樹脂を原料としたホットメルト樹脂からなる保護層１１１を、ヒートローラーを用いて、接着する。これにより、３層構造のシートが形成される。そして、シンチレータ層１１０を覆うように該シートを配置する。そして、真空ラミネーターにより該シートを加熱および押圧し保護層１１１の溶着により該シートをシンチレータ層１１０およびセンサパネル１０２に固定する。その後、周辺を封止部１１３で封止する。

図６（ａ）に示す工程では、センサ基板１０５のパッド１０８に接続部１０９を熱圧着する。これにより、放射線検出パネル１００が形成される。図６（ｂ）に示す工程では、放射線検出パネル１００を、ダンパー材１１６を介して、保護部１１７に接着する。図６（ｃ）に示す工程では、接続部１０９を実装基板１１８に接続し、放射線検出パネル１００、ダンパー材１１６および保護部１１７を含む構造体を筐体１１９で覆う。

以上の製造方法に従って放射線検出装置２００を製造し、次のような評価を行った。
（評価１）シンチレータ層の蒸着直後のセンサパネル１０２を目視によって検査した。この検査では、センサ基板１０５と支持基板１０３との接着不良、支持基板１０３に対するセンサ基板１０５の位置ずれについての検査を行った。
（評価２）放射線検出装置２００に放射線を照射し放射線検出装置２００から出力される画像を評価した。

評価の結果、異状は確認されなかった。
(実施例２）
図４（ａ）に示す工程では、コロイダルシリカと、無機粒子としてのアルミナ微粒子とからなる無機接着剤１０４’をスプレーによって塗布する。

図４（ｂ）に示す工程では、タイリング装置によって並べられた複数のセンサ基板１０５を吸着治具１１５により吸着し、その状態で、複数のセンサ基板１０５を支持基板１０３に無機接着剤１０４’によって接着する。

図４（ｃ）に示す工程では、複数のセンサ基板１０５を吸着治具１１５により吸着した状態で、無機接着剤１０４’を８０℃で３０分間にわたって加熱する。更に吸着を解除した状態で、無機接着剤１０４’を１００℃で３０分間にわたって加熱し、更に２１０℃で３０分にわたって加熱する。これによって、無機接着剤１０４’が硬化して結合層１０４が形成される。以後の工程は、実施例１と同様である。

実施例１と同様の評価を行ったが、異状は確認されなかった。
（実施例３）
図４（ａ）に示す工程において、コロイダルシリカと、無機粒子としてのジルコニア微粒子およびジルコン微粒子とからなる無機接着剤１０４’をスプレーによって塗布する。以後の工程は、実施例２と同様である。

実施例１と同様の評価を行ったが、異状は確認されなかった。
（実施例４）
図４（ａ）に示す工程において、コロイダルシリカと、無機粒子としてのシリカ微粒子とからなる無機接着剤１０４’をスプレーによって塗布する。

以後の工程は、実施例２と同様である。
（比較例１）
実施例１と同様な手順において、支持基板１０３とセンサ基板１０５とを接着する接着層として、熱膨張係数が２５０×１０^−６Ｋ^−１である耐熱性のシリコーン系接着シートを使用した。

（評価１）を行ったところ、センサ基板１０５の位置ずれが認められた。そこで、（評価２）は実施しなかった。
（比較例２）
実施例１と同様な手順において、支持基板１０３とセンサ基板１０５とを接着する接着層として、熱膨張係数が５４×１０^−６Ｋ^−１である耐熱性のポリイミド系接着剤を使用した。

（評価１）を行ったところ、センサ基板１０５の位置ずれは認められなかったが、（評価２）を行ったところ、し放射線検出装置２００から出力される画像に違和感が発生した。

Claims (9)

1. 放射線検出装置の製造方法であって、
   光電変換部が形成されたセンサ基板を無機接着剤によって支持基板に接着する工程と、
   前記センサ基板の上にシンチレータ層を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする放射線検出装置の製造方法。
2. 前記センサ基板は、前記光電変換部が形成された半導体基板である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置の製造方法。
3. 硬化した前記無機接着剤の熱膨張係数は、１５×１０^−６Ｋ^−１以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線検出装置の製造方法。
4. 前記シンチレータ層を形成する工程では、蒸着法によって前記センサ基板の上に前記シンチレータ層を形成する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放射線検出装置の製造方法。
5. 前記無機接着剤は、アルカリ金属ケイ酸塩系、リン酸塩系またはシリカゾル系の接着剤であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放射線検出装置の製造方法。
6. 前記無機接着剤は、無機粒子を含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の放射線検出装置の製造方法。
7. 前記無機粒子は、シリカ、アルミナ、コーディエライト、ベントナイト、ジルコニア、ジルコン、炭素、リン酸、酸化イットリウム、マグネシア、チタニアまたはクロム酸化物からそれぞれなる粒子の少なくとも１種類を含む、
   ことを特徴とする請求項６に記載の放射線検出装置の製造方法。
8. 支持基板と、光電変換部が形成されたセンサ基板と、シンチレータ層とを有する放射線検出装置であって、
   前記支持基板と前記センサ基板とを結合する結合層を備え、
   前記結合層が無機接着剤によって形成されている、
   ことを特徴とする放射線検出装置。
9. 前記センサ基板は、前記光電変換部が形成された半導体基板である、
   ことを特徴とする請求項８に記載の放射線検出装置。