JP2017208448A - 放射線撮像装置及び放射線撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】光検知部の側面に斜入射光が入射することに起因するノイズ成分を低減するのに有利な技術を提供する。【解決手段】基板と、前記基板の上方に配されたシンチレータと、前記基板と前記シンチレータとの間に配され、前記シンチレータからの光を検知するための２つの光検知部と、前記シンチレータと前記２つの光検知部との間に配された遮光部材と、を備え、前記２つの光検知部は、前記基板の上面と平行な第１方向に沿って形成されたトレンチによって互いに分離されており、前記遮光部材は、前記基板の上面に対する平面視において、前記トレンチより大きい幅を有しており、且つ、前記トレンチと重なりながら各光検知部の前記トレンチの近傍の一部とも重なるように前記第１方向に沿って配されており、前記第１方向と直交する第２方向における各光検知部の前記一部と前記遮光部材とが重なっている領域の幅は、前記シンチレータからの光が前記トレンチに入射しないように設計された。【選択図】図１

Description

本発明は、放射線撮像装置及び放射線撮像システムに関する。

放射線撮像装置は、アレイ状に配列された複数の画素を有し、各画素において放射線を検出することにより画像データを生成する。放射線撮像装置のなかには、放射線を光に変換するシンチレータと、該シンチレータからの光（シンチレーション光）を検知する光検知部と、該光検知部からの信号を読み出すためのスイッチ素子が形成された基板とを備えるものがある。

特開２０１３−０１２６９７号公報

特許文献１には、隣接画素間において光検知部がトレンチにより分離された構造が開示されている。トレンチにより分離された光検知部の側面には結晶欠陥が多く、該側面にシンチレーション光が入射すると、この結晶欠陥に起因して電荷が発生する。このことは、画像データにおけるノイズ成分の増大の原因となりうる。

本発明の目的は、光検知部の側面にシンチレーション光が入射することに起因するノイズ成分を低減するのに有利な技術を提供することにある。

本発明の一つの側面は放射線撮像装置にかかり、前記放射線撮像装置は、基板と、前記基板の上方に配されたシンチレータと、前記基板と前記シンチレータとの間に配され、前記シンチレータからの光を検知するための２つの光検知部と、前記シンチレータと前記２つの光検知部との間に配された遮光部材と、を備え、前記２つの光検知部は、前記基板の上面と平行な第１方向に沿って形成されたトレンチによって互いに分離されており、前記遮光部材は、前記基板の上面に対する平面視において、前記トレンチより大きい幅を有しており、且つ、前記トレンチと重なりながら各光検知部の前記トレンチの近傍の一部とも重なるように前記第１方向に沿って配されており、前記第１方向と直交する第２方向における各光検知部の前記一部と前記遮光部材とが重なっている領域の幅は、前記シンチレータからの光が前記トレンチに入射しないように設計されたことを特徴とする。

本発明によれば、光検知部の側面にシンチレーション光が入射することに起因するノイズ成分を低減することができる。

放射線撮像装置の断面構造の例を説明するための図である。 放射線撮像装置の断面構造の例を説明するための図である。 放射線撮像装置が適用された放射線撮像システムの構成例を説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図は、構造ないし構成を説明する目的で記載されたものに過ぎず、図示された各部材の寸法は必ずしも現実のものを反映するものではない。また、各図において、同一の部材または同一の構成要素には同一の参照番号を付しており、以下、重複する内容については説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、第１実施形態に係る放射線撮像装置１００の構造を述べる。放射線撮像装置１００は、複数の画素（「画素ＰＸ１」とする。）を有する。複数の画素ＰＸ１は、アレイ状に（具体的には、複数の行かつ複数の列を形成するように）配列される。放射線撮像装置１００は、放射線を検出した複数の画素ＰＸ１の個々からの信号（画素信号）を用いて、放射線画像を示す画像データを生成する。

図１（ａ）は、放射線撮像装置１００の構造を説明するための上面図であり、１画素分相当の領域およびその周辺の領域（隣接画素の領域の一部）を示している。図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるカットラインＸ１−Ｘ２での断面構造を示している。図中には、本構造の理解を容易にするため、互いに交差するＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を示す。Ｘ方向及びＹ方向は、上記複数の画素ＰＸ１の配列方向に対応し（即ち、撮像面と平行であり）、Ｘ方向とＹ方向とは互いに直交している。Ｚ方向は、Ｘ方向及びＹ方向により形成される平面（水平面）に対して垂直な方向である。

なお、以下、本明細書においてＺ方向を「上」方向として、各構成要素の「上」、「上方」、「上面」等と表現する場合があるが、これらの表現は、他の構成要素との相対的な位置関係を示し、本構造の説明を容易にするために用いられるものである。他の方向についても同様である。

放射線撮像装置１００は、基板１６０と、基板１６０の上方に配されたシンチレータ１８０と、基板１６０とシンチレータ１８０との間に配された光検知部１１０と、を備える。

基板１６０は、ガラス等で構成された絶縁性の基板１６１と、その上に形成されたスイッチ素子１２０とを含む。スイッチ素子１２０は、本実施形態では、アモルファスシリコンを用いて構成された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）である。スイッチ素子１２０は、Ｎチャネル型のＴＦＴでもよいし、Ｐチャネル型のＴＦＴでもよい。スイッチ素子１２０は、ゲート電極１２１、ソース電極１２２、ドレイン電極１２４、並びに、半導体領域１２５及び１２６を含む。

ゲート電極１２１は、スイッチ素子１２０を制御するための信号を伝搬する信号線１３０と接続されており、本実施形態では、ゲート電極１２１と信号線１３０とは一体に形成されている。ソース電極１２２は、詳細は後述とするが、コンタクトホール１２３を介して、光検知部１１０に電気的に接続されている。ドレイン電極１２４は、画素信号を伝搬するための列信号線１４０に接続されており、本実施形態では、ドレイン電極１２４と列信号線１４０とは一体に形成されている。半導体領域１２５は、チャネル領域に対応し、不純物濃度が比較的低い領域である。半導体領域１２６は、ソース電極１２２／ドレイン電極１２４とのオーミック接触を形成するための領域であり、不純物濃度が比較的高い領域である。なお、本実施形態では、スイッチ素子１２０として、逆スタガ型（いわゆるボトムゲート型）の構造を例示したが、スタガ型（いわゆるトップゲート型）の構造が採用されてもよい。

シンチレータ１８０は、上方から照射された放射線を光に変換する。シンチレータ１８０には、公知の蛍光体が用いられればよく、例えば、タリウム活性化ヨウ化セシウム、ケイ酸ガドリニウム等が用いられうる。

光検知部１１０は、シンチレータ１８０からの光（シンチレーション光）を検知するための光電変換素子であり、例えばアモルファスシリコンを用いて構成されうる。光検知部１１０は、基板１６０の上に層間絶縁層１６４（或いは、単に絶縁部材と表現されてもよい。）を介して配される。ゲート電極１２１に活性化電圧が供給されることにより、スイッチ素子１２０は導通状態となり、光検知部１１０で生じた電荷の量に応じた値の信号が、画素信号として、列信号線１４０を介して出力される。

本実施形態では、光検知部１１０はＰＩＮ型フォトダイオードであり、光検知部１１０は、下側（基板１６０側）から上側（シンチレータ１８０側）に向かって順に配された下部電極１１１、半導体領域１１２〜１１４および上部電極１１５を含む。半導体領域１１２は、例えば、第１導電型（例えばＮ型）の高濃度不純物領域であり、半導体領域１１４は、例えば、第２導電型（例えばＰ型）の高濃度不純物領域であり、半導体領域１１３は、不純物濃度が比較的低い領域である。このような構成によりＰＩＮ型フォトダイオードが形成される。

ＰＩＮ型フォトダイオードの下側の電極である下部電極１１１は、コンタクトホール１２３を介して、スイッチ素子１２０に電気的に接続される。放射線撮像装置１００は、光検知部１１０の上方に、光検知部１１０に電圧（例えば接地電圧／グランド電圧）を供給するためのバイアス線１５０をさらに備えている。そして、ＰＩＮ型フォトダイオードの上側の電極である上部電極１１５は、コンタクトホール１５１を介してバイアス線１５０に電気的に接続される。上部電極１１５は、シンチレーション光が透過するように、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等、光透過性の導電材料で構成される。光検知部１１０の上には、光透過性および絶縁性を有する保護膜１７１が配されうる。

保護膜１７１の上には、平坦化膜として作用する光透過部材１７２が配されうる。バイアス線１５０は、光透過部材１７２の上に配され、その上には、バイアス線１５０および光透過部材１７２を覆うように保護膜１７３が配されうる。シンチレータ１８０は、保護膜１７３の上に、付随的に不図示の平坦化膜を介して配されればよい。

図１（ｂ）から分かるように、光検知部１１０は、隣接画素間においてトレンチＴＲによって分離されている。トレンチＴＲによる分離は、光検知部１１０を構成する単一の部材に、例えばドライエッチング等によって開口を形成し、該開口を保護膜１７１及び光透過部材１７２で埋めることによって実現されうる。そのため、隣り合う２つの光検知部１１０の間において、トレンチＴＲの底部には、例えば絶縁性の無機材料からなるエッチングストッパ１７０が配されうる。光検知部１１０の隣接画素間での電気的分離を実現するため、光検知部１１０の側面（「側面１１０Ｓ」とする。）は上部電極１１５により覆われていない。なお、本明細書では、トレンチＴＲにより分離された２つの光検知部１１０のうちの一方（第１光検知部）に着目して説明するが、他方についても同様である。

上述のバイアス線１５０は、例えばアルミニウム、銅等の導電材料で構成され得、遮光部材としても機能しうる。バイアス線１５０は、平面視において（基板１６０の上面に対する平面視。以下、単に「平面視」。）、トレンチＴＲと重なる位置に配されている。

図１（ｃ）は、図１（ｂ）におけるバイアス線１５０、トレンチＴＲ及びそれらの周辺の領域の拡大図を示している。図１（ｃ）から分かるように、バイアス線１５０（遮光部材）は、平面視において、トレンチＴＲより大きい幅を有する。そして、バイアス線１５０は、トレンチＴＲと重なりながら光検知部１１０のトレンチＴＲの近傍の一部とも重なるようにＹ方向に沿って配されている。図中の距離Ｄは、光検知部１１０の該一部とバイアス線１５０とが重なっている領域の幅（Ｘ方向での幅）を示しており、以下、「突出長Ｄ」という。即ち、突出長Ｄは、光検知部１１０の上面と側面１１０Ｓとの接続点から、バイアス線１５０の外縁までの平面視における距離（即ち、水平方向での距離）である。

ここで、突出長Ｄは、シンチレーション光ＬがトレンチＴＲに入射しないように設計（決定）されている。より具体的には、突出長Ｄは、シンチレーション光Ｌが光透過部材１７２に対して臨界角以下の入射角で入射した場合に、光透過部材１７２を通過する光ＬがトレンチＴＲに入射しないように設計されている。

例えば、光透過部材１７２と保護膜１７３（第２光透過部材）との界面に着目した場合、保護膜１７３から光透過部材１７２に入射する光Ｌの屈折角θ１及び入射角θ２の関係は、スネルの法則により、
ｎ１×ｓｉｎθ１＝ｎ２×ｓｉｎθ２
と表せる（式１）。なお、
ｎ１：光透過部材１７２の屈折率
ｎ２：保護膜１７３の屈折率
である。

光透過部材１７２に入射した光Ｌは、水平方向（ここではＸ方向と逆の方向）に、距離ｄ１だけ進む。ここで、光透過部材１７２のうち平面視において光検知部１１０と重なる部分の厚さをＴ１としたとき、距離ｄ１は、
ｄ１＝Ｔ１×ｔａｎθ１
と表せる（式２）。

ここで、光透過部材１７２の厚さＴ１が保護膜１７１の膜厚よりも十分に大きいとすると、突出長ＤがＤ＞ｄ１を満たすことは、シンチレーション光ＬがトレンチＴＲに入射しない条件を満たすことと等価である。

よって、シンチレーション光ＬがトレンチＴＲに入射しないようにするためには、実質的に臨界角で入射した斜入射光Ｌ（θ２＝９０°）がトレンチＴＲに入射しない条件を考えればよい。

ここで、「臨界角」とは、一方の部材から他方の部材に進む入射光がそれらの界面で全反射するか否かの境界となる入射角である。つまり、入射角が臨界角より大きいと入射光は該界面において全反射し、入射角が臨界角より小さいと入射光は屈折しながら該他方の部材に入射する。本明細書では単に「臨界角」と表現するが、ここでは、入射角が臨界角の入射光は屈折しながら該他方の部材に入射するものとして、本明細書に記載の式を考慮する。

上記（式１）及び（式２）によると、入射角が臨界角の入射光ＬがトレンチＴＲに入射しないためには、
Ｄ≧Ｔ１×ｎ２／（ｎ１^２−ｎ２^２）^１／２
が成立すればよい、と言える（式３）。即ち、この（式３）を満たせば、シンチレーション光ＬはトレンチＴＲに実質的に入射しない、と言える。なお、以上のことは、光透過部材１７２を複数の層で構成した場合においても同様に考えられればよく、即ち、突出長Ｄは、臨界角で入射した光Ｌの水平方向に進みうる距離を考慮して、設計されればよい。

前述のとおり、トレンチＴＲはドライエッチング等を用いて形成され得、そのため、側面１１０Ｓは典型的には傾斜している（Ｚ方向に対して傾いている。）。ここで、側面１１０Ｓの傾斜角θ３（側面１１０ＳとＺ方向とが成す角）は、屈折角θ２と同じ又はそれよりも小さいとよい。これにより、側面１１０Ｓは、光透過部材１７２を通過する光Ｌを実質的に受けない。

以上では、光透過部材１７２と保護膜１７３との界面に着目しながら光ＬがトレンチＴＲに入射しない条件を述べたが、保護膜１７３より上に配された他の光透過部材との関係に着目した場合でも、スネルの法則は成立するため、同様のことが言える。

本実施形態によると、トレンチＴＲにより形成された光検知部１１０の側面１１０Ｓへのシンチレーション光Ｌの入射を防ぐことができる。光検知部１１０の側面１１０Ｓには結晶欠陥が多いため、シンチレーション光Ｌの側面１１０Ｓへの入射を防ぐことにより、画素信号におけるノイズ成分であって該結晶欠陥に起因するノイズ成分を低減することができる。

なお、本実施形態では、複数の画素ＰＸ１のそれぞれがトレンチＴＲによって区画された構造を示したが、複数の画素ＰＸ１の一部のみが区画された構造においても同様であり、必ずしも全ての隣接画素間において区画される必要はない。

（第２の実施形態）
前述の第１実施形態では、バイアス線１５０を遮光部材として用いた態様を例示したが、これらは個別に配置されてもよい。図２（ａ）〜（ｂ）は、第２実施形態に係る放射線撮像装置２００の構造を、第１実施形態で参照した図１（ａ）〜（ｂ）同様に示している。図中では、本実施形態の単位画素を、第１実施形態の画素ＰＸ１との区別のため、画素ＰＸ２と示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるカットラインＹ１−Ｙ２での断面構造を示している。本実施形態では、主に、バイアス線１５０に代わって、遮光部材２５０及びバイアス線２６０が配されている、という点で第１実施形態と異なる。本実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

図２（ｂ）から分かるように、バイアス線２６０は、上部電極１１５と保護膜１７１との間に配されており、遮光部材２５０は、保護膜１７１の上に、保護膜１７１と共にトレンチＴＲを埋めるように配されている。本実施形態によると、遮光部材２５０が保護膜１７１と共にトレンチＴＲを埋めているため、第１実施形態に比べて、光検知部１１０の側面１１０Ｓは斜入射光Ｌを更に受けにくい。

また、本実施形態によると、光検知部１１０と遮光部材２５０との距離が第１実施形態に比べて小さいため、前述の突出長Ｄに対応する遮光部材２５０のＸ方向への突出長を小さくすることができる。或いは、この突出長を、光検知部１１０のセンサとしての感度（例えば、電荷蓄積容量の値）が所望の範囲内になるように、設計することも可能である。

なお、シンチレータ１８０は、遮光部材２５０および保護膜１７１の上に、例えば、平坦化膜および付随的に保護膜を介して、配されればよい。

本実施形態では、バイアス線２６０が上部電極１１５の上に直接的に形成されてバイアス線２６０と上部電極１１５とを接触させたため、遮光部材２５０とバイアス線２６０とは互いに異なる層に配されている。この場合、遮光部材２５０には、例えばブラックマトリクスや有機材料からなるカラーフィルタが用いられてもよく、即ち、遮光部材２５０の材料は、シンチレーション光の波長（即ち、シンチレータ１８０の材料）に基づいて選択されればよい。他の例では、遮光部材２５０には金属材料が用いられてもよいし、その場合、遮光部材２５０とバイアス線２６０とは、必要な変更が加えられると共に同一の導電層に配されてもよい。

（放射線撮像システム）
図３に例示されるように、上述の各実施形態で述べた放射線撮像装置は、放射線検査装置等に代表される放射線撮像システムに適用されうる。放射線は、Ｘ線、α線、β線、γ線等を含む。ここでは、代表例としてＸ線を用いる場合を述べる。

Ｘ線チューブ６１０（放射線源）で発生したＸ線６１１は、被検者６２０の胸部６２１を透過し、放射線撮像装置６３０に入射する。該入射したＸ線６１１には患者６２０の体内の情報が含まれており、装置６３０により該Ｘ線６１１に応じた電気的情報が得られる。この電気的情報は、ディジタル信号に変換された後、例えばイメージプロセッサ６４０（信号処理部）によって所定の信号処理が為される。医師等のユーザは、該電気的情報に応じた放射線画像を、例えばコントロールルームのディスプレイ６５０（表示部）で観察することができる。ユーザは、放射線画像又はそのデータを、所定の通信手段６６０により遠隔地へ転送することができ、該放射線画像を、例えばドクタールーム等の他の場所のディスプレイ６５１で観察することもできる。また、ユーザは、該放射線画像又はそのデータを所定の記録媒体に記録することもでき、例えば、フィルムプロセッサ６７０によってフィルム６７１に記録することができる。

（その他）
以上では本発明の好適な態様およびその幾つかの変形例を示したが、本発明はこれらの例に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で一部が変更されてもよい。また、本明細書に記載された個々の用語は、本発明を説明する目的で用いられたものに過ぎず、本発明は、その用語の厳密な意味に限定されるものでないことは言うまでもなく、その均等物をも含みうる。

１００：放射線撮像装置、ＰＸ１：画素、１１０：光検知部、１５０：遮光部材。

Claims (14)

1. 基板と、
   前記基板の上方に配されたシンチレータと、
   前記基板と前記シンチレータとの間に配され、前記シンチレータからの光を検知するための２つの光検知部と、
   前記シンチレータと前記２つの光検知部との間に配された遮光部材と、を備え、
   前記２つの光検知部は、前記基板の上面と平行な第１方向に沿って形成されたトレンチによって互いに分離されており、
   前記遮光部材は、前記基板の上面に対する平面視において、前記トレンチより大きい幅を有しており、且つ、前記トレンチと重なりながら各光検知部の前記トレンチの近傍の一部とも重なるように前記第１方向に沿って配されており、
   前記第１方向と直交する第２方向における各光検知部の前記一部と前記遮光部材とが重なっている領域の幅は、前記シンチレータからの光が前記トレンチに入射しないように設計された
   ことを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記２つの光検知部のそれぞれは、アモルファスシリコンで構成された光電変換素子を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
3. 前記光電変換素子は、ＰＩＮ型フォトダイオードである
   ことを特徴とする請求項２に記載の放射線撮像装置。
4. 前記２つの光検知部と前記遮光部材との間に配された光透過部材を更に備え、
   前記第２方向における前記幅は、前記シンチレータからの光が前記光透過部材に対して臨界角以下の入射角で入射した場合に前記光透過部材を通過した光が前記トレンチに入射しないように設計された
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
5. 前記光透過部材は、前記トレンチを埋めるように配されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の放射線撮像装置。
6. 前記遮光部材は、前記光透過部材と共に前記トレンチを埋めるように配されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の放射線撮像装置。
7. 前記光透過部材は、絶縁性の材料で構成されている
   ことを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
8. 前記光透過部材は第１光透過部材であり、
   前記２つの光検知部の一方は第１光検知部であり、
   前記放射線撮像装置は、前記シンチレータと前記第１光透過部材との間に配された第２光透過部材を更に備えており、
   前記第１光透過部材のうち前記平面視において前記第１光検知部と重なる部分の厚さをＴ１とし、
   前記第１光透過部材の屈折率をｎ１とし、
   前記第２光透過部材の屈折率をｎ２とし、
   前記第１光検知部の上面と前記トレンチにより形成された前記第１光検知部の側面との接続点から、前記遮光部材の外縁までの前記第２方向の距離をＤとしたときに、
   Ｄ≧Ｔ１×ｎ２／（ｎ１^２−ｎ２^２）^１／２
   が成立する
   ことを特徴とする請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
9. 前記第１光検知部の前記側面は、前記基板の上面に対して垂直な第３方向に対して傾斜しており、
   前記側面と前記第３方向とが成す角は、前記シンチレータからの光が前記第１光透過部材に対して前記臨界角の入射角で入射した場合の前記第１光透過部材を通過する光の進む方向と、前記第３方向とが成す角よりも小さい
   ことを特徴とする請求項８に記載の放射線撮像装置。
10. 前記第１光検知部は、前記上面において電極により覆われており、前記側面においては該電極により覆われていない
    ことを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の放射線撮像装置。
11. 前記電極は、光透過性の導電材料で構成されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の放射線撮像装置。
12. 前記遮光部材は、前記２つの光検知部に電圧を供給するためのバイアス線である
    ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
13. 複数の画素を有しており、
    前記トレンチおよび前記遮光部材は、前記平面視において前記複数の画素のそれぞれを区画するように配されている
    ことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
14. 請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の放射線撮像装置と、
    前記放射線撮像装置に対して放射線を照射する放射線源と、
    前記放射線撮像装置からの信号を処理するプロセッサと、を具備する
    ことを特徴とする放射線撮像システム。

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