JP2019007781A - 放射線検出器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造を有する検出素子アレイを製造する。
【解決手段】各検出素子１８は素子本体１９、第１電極部２２及び第２電極部２４を有する。素子本体１９は半導体検出層２０及び絶縁層２６を有する。第１電極部２２は第１側面電極２２ａと第１接続電極２２ｂとからなる。第２電極部２４は第２側面電極２４ａと第２接続電極２４ｂとからなる。第１接続電極２２ｂ及び第２接続電極２４ｂが接続部材（導電性接着材）２８により基板１４に接続される。検出素子アレイの製造過程では仮基板が利用される。
【選択図】図１

Description

本発明は放射線検出器及びその製造方法に関し、特に、検出素子アレイを備える放射線検出器及びその製造方法に関する。

放射線測定装置（例えばガンマカメラ）、核医学診断装置（例えばＳＰＥＣＴ装置）等においては、多数の（例えば数百又は数千の）検出素子を備えた放射線検出器が利用される。各検出素子において、入射してくるγ線が検出される。典型的な検出素子として、半導体型検出素子があげられる。

特許文献１には放射線検出器が開示されている。その放射線検出器は、放射線入射方向を垂直方向と定義した場合、第１水平方向及び第２水平方向に整列した複数の検出ユニットを有する。各検出ユニットは基板を有し、基板の両側（第１水平方向の一方側及び他方側）に複数の検出素子が設けられている。基板は垂直方向及び第２水平方向に広がる形態を有する。各検出素子においては、放射線入射方向と直交する方向に電界が印加されており、各検出素子における上面（特定の端面）がγ線入射面をなす。そのような形式又はタイプをエッジオン型（あるいは直交電界型）と称することが可能である。なお、特許文献２には放射線検出器の製造方法が記載されている。

特許第５４３６８７９号明細書 特許第５６７６１５５号明細書

複数の検出素子からなる検出素子アレイ（特にエッジオン型の検出素子アレイ）を簡便にしかも高い位置決め精度をもって製作したいという要望がある。なお、特許文献１に記載された方法では放射線検出器の製作に際して多大な組立作業が必要となる。

本発明の目的は、簡易な構造を有する検出素子アレイを有する放射線検出器を提供することにある。あるいは、本発明の目的は、各検出素子における基板側での電場の乱れを抑制することにある。あるいは、本発明の目的は、検出素子アレイを高い位置決め精度をもって簡便に製造することにある。

実施形態に係る放射線検出器は、基板と、前記基板上に配置され、放射線入射方向と直交する方向に電界が印加される複数の検出素子からなる検出素子アレイと、を含む。前記各検出素子は、素子本体、第１電極部及び第２電極部を有する。前記素子本体は半導体検出層を含む。また、前記素子本体は、放射線入射面としての前面、その反対側の後面、並びに、前記前面と前記後面との間の第１側面及び第２側面を有する。前記第１電極部は、前記第１側面に形成された第１側面電極と前記後面に形成された第１接続電極とからなり、折れ曲がり形態を有する。前記第２電極部は、前記第２側面に形成された第２側面電極と前記後面に形成された第２接続電極とからなり、折れ曲がり形態を有する。前記各半導体素子における前記第１接続電極及び前記第２接続電極が前記基板に接続される。

上記構成によれば、第１側面電極と第２側面電極との間に電圧を印加することによって放射線検出層の内部に電界が生じる。その電界の方向は放射線入射方向に直交しており、つまり放射線検出層の前面（素子本体の前面）が放射線入射面となる。素子本体の後面には、第１接続電極及び第２接続電極が形成されており、それらが基板に対して電気的に接続される。第１側面電極と第１接続電極とが一体化されており、また、第２側面電極と第２接続電極とが一体化されているので、簡易な構造でありながら、各側面電極と基板とを電気的に確実に接続できる。

実施形態において、前記素子本体は絶縁層を含む。具体的には、前記絶縁層は、前記半導体検出層と、前記第１接続電極及び前記第２接続電極と、の間に設けられる。この構成によれば、２つの接続電極と半導体検出層との間に絶縁層が設けられているので、２つの接続電極に起因する電場の乱れを抑制できる。

実施形態に係る放射線検出器は、更に、前記第１接続電極と前記基板の第１端子との間に設けられた第１接続部材と、前記第２接続電極と前記基板の第２端子との間に設けられた第２接続部材と、を含む。実施形態において、各接続部材は、電気的接続作用の他、物理的接続作用を発揮する。つまり、各接続部材によって個々の検出素子が基板上に固定される。各接続部材が導電性接着材で構成されてもよい。

実施形態に係る放射線検出器の製造方法は、半導体基板に対して仮基板を仮接着して積層体を構成する準備工程と、前記積層体に対して前記半導体基板側から複数の非貫通溝を形成して前記仮基板上に複数の凸状部分を生じさせる溝形成工程と、前記各凸状部分に対して、折れ曲がり形態を有する第１導電層、及び、折れ曲がり形態を有する第２導電層を形成する導電層形成工程と、前記導電層形成工程後において前記各凸状部分を複数の検出素子に分割する分割工程と、前記分割工程前において前記複数の凸状部分に対して本基板を接合し、又は、前記分割工程後において前記複数の検出素子に対して本基板を接合する接合工程と、前記接合工程後に仮基板を除去する除去工程と、を含む。

上記構成によれば、複数の検出素子を一括して製造することが可能である。また、検出素子単位で高い位置決め精度を得られる。仮基板を利用したので製造過程の途中で複数の検出素子がばらばらになってしまうこと防止できる。

実施形態に係る製造方法は、前記溝形成工程前に前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程を含む。この構成によれば個々の検出素子における素子本体に絶縁層を含められる。

本発明によれば、簡易な構造を有する検出素子アレイを提供できる。あるいは、本発明によれば、各検出素子における基板側での電場の乱れを抑制できる。あるいは、本発明によれば、高い位置決め精度をもって検出素子アレイを簡便に製造できる。

実施形態に係る放射線検出器を含む放射線検出装置の断面図である。 実施形態に係る製造方法の第１例を示すフローチャートである。 仮基板接着工程を示す図である。 絶縁膜形成工程を示す図である。 レジストパターン形成工程を示す図である。 第１ダイシング工程を示す図である。 電極層形成工程を示す図である。 リフトオフ工程を示す図である。 第２ダイシング工程を示す図である。 本基板接合工程を示す図である。 仮基板除去後の状態を示す図である。 実施形態に係る製造方法の第２例を示すフローチャートである。 実施形態に係る製造方法の第３例を示すフローチャートである。 実施形態に係る製造方法の第４例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、実施形態に係る放射線検出装置１０が示されている。放射線検出装置１０は、例えば、放射線測定装置（例えばガンマカメラ）、核医学診断装置（例えばＳＰＥＣＴ装置）等に組み込まれるものである。本実施形態では各検出素子でγ線が検出される。γ線の概念にはＸ線が含まれ得る。

放射線検出装置１０は放射線検出器１１及びコリメータ１２を有している。放射線検出器１１は、基板１４と、基板１４上に配置された検出素子アレイ１６と、を有する。基板１４は電子回路基板であってもよい。基板１４の上面（Ｚ方向上側）には複数のコンタクト（端子）が形成されており、それらが接続部材２８を介して検出素子アレイ１６に接続される。接続部材２８は導電性ペースト等の導電性接着材（接着層）により構成される。接続部材２８は、電気的な接続作用及び物理的な接続作用（固定作用）を発揮する。

図１において、Ｚ方向が放射線入射方向１３であり、それは図１において垂直方向（上下方向）である。Ｚ方向に直交する方向がＸ方向である。Ｚ方向及びＸ方向に直交する方向（紙面貫通方向）がＹ方向である。なお、ピンホールを有するガンマカメラの場合、ピンホールを通過する視野中心軸方向が放射線入射方向となる。

検出素子アレイ１６は、Ｘ方向及びＹ方向に整列した複数（例えば数百又は数千）の検出素子１８により構成される。各検出素子１８においては、放射線入射方向と直交する方向に電界が印加される。

検出素子アレイ１６の上方（放射線入射側）にはコリメータ１２が設けられている。コリメータは複数の検出素子１８に対応した複数の開口を有する。各開口は矩形の形態を有する。その形態として円形等も考えられる。隣接する開口間には隔壁が存在する。ある開口を通過したγ線がその直下にある検出素子で検出される。その検出素子から、γ線エネルギーに対応した波高値を有する信号が出力される。

検出素子１８は、素子本体１９、第１電極部２２及び第２電極部２４を有する。素子本体１９は、半導体検出層２０と、その下側（基板側）に設けられた薄い絶縁層２６と、を有する。素子本体１９の前面１９Ａ（半導体検出層２０の前面）が放射線入射面を構成する。放射線入射面に保護層が設けられてもよい。

第１電極部２２は、素子本体１９の第１側面１９Ｃ上に形成された第１側面電極２２ａと、素子本体１９の後面１９Ｂ（絶縁層２６の後面）上に形成された第１接続電極２２ｂと、からなるものであり、それ全体として折れ曲がった形態を有している。これと同様に、第２電極部２４は、素子本体１９の第２側面１９Ｄ上に形成された第２側面電極２４ａと、素子本体１９の後面１９Ｂ上に形成された第２接続電極２４ｂと、からなるものであり、それ全体として折れ曲がった形態を有している。第１側面電極２２ａと第１接続電極２２ｂは一体化されている。同じく、第２側面電極２４ａと第２接続電極２４ｂは一体化されている。第１接続電極２２ｂの端縁と第２接続電極２４ｂの端縁との間には隙間（ギャップ）が生じている。そこに絶縁部材が設けられてもよい。基板１４上に複数のバンプを形成し、それらのバンプを接続電極２２ｂ，２４ｂに接続してもよい。なお、第１側面１９Ｃと第２側面１９Ｄは、前面１９Ａと後面１９Ｂとの間に存在する４つの側面の内で、Ｘ方向に直交する２つの側面である。残りの２つの側面上に電極は形成されていない。

半導体検出層２０は、本実施形態において、臭化タリウム単結晶により構成される。かかる材料は、カドミウムテルライト結晶、カドミウム亜鉛テルライド、等の他の半導体材料に比べて柔らかく、加工が容易である。本実施形態では、後述するように、半導体製品の製造プロセスを利用して放射線検出器１１が製造される。半導体検出層２０を他の半導体材料によって構成してもよい。

図２には、図１に示した放射線検出器の製造方法の第１例が示されている。その第１例を図３乃至図１１を参照しながら説明する。

図２に示すＳ１０では、図３に示すように、ウエハ３０が用意される。ウエハ３０は、臭化タリウム単結晶としてのインゴットから切り出され且つ所定サイズに成形されたものである。そのウエハ３０と仮基板３２とが接着される。これにより積層体３３が構成される。図３におけるウエハ３０の第１面３０Ａは、図１に示した半導体検出層２０の後面（基板側の面）に相当する。図３におけるウエハ３０の第２面３０Ｂは、図１に示した半導体検出層２０の前面（放射線入射面）に相当する。第２面３０Ｂに対して仮基板３２が接着される。仮基板３２はベース材として機能し、図示の例において、仮基板３２はウエハ３０よりも大きなサイズを有している。高い素子位置精度を得るために、ベース材として熱膨張係数の小さい物質を用いるのが望ましい。ベース材の事後的な剥離のために、Ｓ１０では、ワックス等の比較的に容易に除去できる接着剤を利用するのが望ましい。

図２に示すＳ１２では、図４に示すように、塗布その他の手法により、ウエハ３０の第１面３０Ａ上に絶縁膜３４が形成される。絶縁膜３４として、例えば、スピンコート可能なＵＶ硬化型絶縁材料が用いられる。

図２に示すＳ１４では、図５に示すように、ホトリソグラフィ技術を用いて、絶縁膜３４上に、レジストパターン３６が形成される。これにより構造体３８が構成される。レジストパターン３６は、Ｘ方向に並ぶ複数のパターン要素３６ａからなり、個々のパターン要素３６ａはＹ方向に伸長した形態を有する。各パターン要素３６ａは、図１に示した２つの接続電極２２ｂ，２４ｂ間の隙間を規定するものである。

図２に示すＳ１６では、図６に示すように、構造体３８（図５参照）に対するダイシングが実行される。ダイシングは第１方向（Ｙ方向）と平行に実行される。すなわち、図５に示した構造体３８に対して、図６に示すように、仮基板３２とは反対側から、レジストパターン３６に合わせて櫛状に、複数の非貫通溝３７が形成される。これにより複数の構造体要素（凸状部分）４０が生じる。すなわち、仮基板３２上に複数の構造体要素４０が搭載された構造体３８Ａが構成される。各非貫通溝３７は、絶縁膜及びウエハが完全に切断され且つ仮基板３２の機能を損なわないように、形成される。各非貫通溝３７はＹ方向に平行な溝である。ダイシングに際してはダイサー、ワイヤソー等が利用される。

図２に示すＳ１８では、図７に示すように、構造体３８Ａの全面（但し各構造体要素４２の両端面を除く）に対して、電極層（電極膜）４４が形成され、これにより構造体３８Ｂが製作される。その際には、個々の構造体要素４２の側面（Ｘ方向に直交する２つの側面）上に電極層４４を確実に形成できる成膜方法を選択するのが望ましい。例えば斜め蒸着法を利用してもよい。スパッタリングの回り込み効果を利用するようにしてもよい。隣接する２つの構造体要素４２の間の隙間が狭く（特に各構造体要素４２の高さに比べてその隙間が小さく）、各側面上に電極層４４を形成することが困難な場合には、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）等の成膜法を利用してもよい。

図２に示すＳ２０では、図７に示す各構造体要素４２に含まれる突出部４２ａが、図８に示されるように、取り除かれる（リフトオフ処理）。これにより、個々の構造体要素４６の上部が平坦化される。Ｓ２０の実施結果として構造体３８Ｃが構成される。構造体３８Ｃにおける個々の構造体要素４６には、屈曲した形態を有する第１電極体及び第２電極体（電極体ペア）が含まれる。この段階では、電極層４４は複数の電極体ペアからなる。

図２に示すＳ２２では、図８に示した構造体３８Ｃに対して、図９に示すように、第２方向（Ｘ方向）と平行に、ダイシングが実施される。つまり、櫛状に複数の非貫通溝が形成される。各非貫通溝は、既に形成されている各非貫通溝に対して直交する方向に形成される。このダイシングに際しては、電極層、絶縁膜及びウエハが完全に切断され且つ仮基板３２の機能が損なわれないように、各非貫通溝が形成される。Ｓ２２でのダイシングは素子分割に相当する。Ｓ２２の実施結果として、仮基板３２上に複数の検出素子が構成される。各検出素子が仮基板３２に固定されているので、複数の検出素子の配列はＳ２２でのダイシングによってもそのまま維持される。個々の検出素子において、４つの側面の内で、２つの側面上にはそれぞれ側面電極が形成されている。残りの２の側面はそれぞれ露出面となる。

図２に示すＳ２４では、図１０に示すように、複数の検出素子の上面に対して導電性ペースト（導電性接着材）が塗布され、その後、複数の検出素子の上面に基板（本基板）５２が接合される。これにより複数の検出素子と基板５２とが接合され、放射線検出器５４が構成される。

図２に示すＳ２６では、図１０に示されている仮基板３２が取り除かれる。仮基板３２を除去した後の状態が図１１に示されている。但し、図１１においては、放射線検出器５４が反転しており、個々の検出素子の前面が上方を向いている。放射線検出器５４は、基板５２と、基板５２上に設けられた検出素子アレイ５０と、により構成される。検出素子アレイ５０は、Ｘ方向及びＹ方向に整列した複数の検出素子により構成される。個々の検出素子において、Ｘ方向に直交する２つの側面上に側面電極が形成されている。また、個々の検出素子において、後面（基板側の面）上に２つの接続電極が形成されている。

上記製造方法によれば、エッジオン型の検出素子アレイを一括して製作できる。検出素子単位又は検出素子列単位での配置を繰り返して検出素子アレイを製作する場合に比べて、作業負担や作業時間を大幅に削減することが可能である。また、個々の検出素子の位置決めにおいて、高い位置決め精度を得ることが可能である。１枚のウエハから複数の検出素子アレイを製作でき、特性の揃った複数の放射線検出器を容易に製作できる。

図１２には製造方法の第２例が示されている。図１２において、図２に示した工程と同様の工程には同じステップ番号を付してある。第１例と第２例との違いについて説明する。第２例においては、Ｓ１２の直後にＳ１６が実施され、その後にＳ１４が実施されている。すなわち、Ｓ１６で１回目のダイシングが先行実施され、その後にＳ１４でレジストパターンが形成されている。また、Ｓ１８において電極を形成した後、Ｓ２２で２回目のダイシングが実施された上で、Ｓ２０でリフトオフが実施されている。このような第２例でも第１例と同様に検出素子アレイを構成できる。

図１３には製造方法の第３例が示されている。図１３において、図２に示した工程と同様の工程には同じステップ番号を付してある。第１例と第３例との違いについて説明する。第３例においては、Ｓ１２の直後にＳ１６が実施され、その後、Ｓ３０においてマスキングが行われた上で、Ｓ３２において電極が形成されている。すなわち、レジストパターンを利用するのではなく、マスキングを利用して、所定パターンを有する電極層が形成されている。その後、Ｓ２２で２回目のダイシングが実施された上で、リフトオフの工程を経ることなく、Ｓ２４で基板（本基板）が接合されている。このような第２例でも第１例と同様に検出素子アレイを構成できる。

図１４には製造方法の第４例が示されている。図１４において、図２に示した工程と同様の工程には同じステップ番号を付してある。第１例と第４例との違いについて説明する。第４例においては、Ｓ１２の直後にＳ１６が実施され、その後、Ｓ３０においてマスキングが行われた上で、Ｓ３２において電極が形成されている。その後、Ｓ２４で基板（本基板）が接合された上で、Ｓ２６で仮基板が除去されている。その後、Ｓ２２において２回目のダイシングが実行されている。２回目のダイシングの際には仮基板が存在していないが、個々の検出素子は基板（本基板）に保持されているので、複数の検出素子がばらばらになってしまうことはない。このような第４例でも第１例と同様に検出素子アレイを構成できる。

上記実施形態によれば、実用的価値の高い検出素子アレイを製作できる。また、各検出素子における基板側での電場の乱れを抑制できる。更に、高い位置決め精度をもって検出素子アレイを簡便に製造できる。

１０ 放射線検出装置、１１ 放射線検出器、１２ コリメータ、１４ 基板、１６ 検出素子アレイ、１８ 検出素子、１９ 素子本体、２０ 半導体検出層、２２ 第１電極部、２４ 第２電極部、２６ 絶縁層。

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板上に配置され、放射線入射方向と直交する方向に電界が印加される複数の検出素子からなる検出素子アレイと、
   を含み、
   前記各検出素子は、
   放射線入射面としての前面、その反対側の後面、並びに、前記前面と前記後面との間の第１側面及び第２側面を有し、半導体検出層を含んだ素子本体と、
   前記第１側面に形成された第１側面電極と前記後面に形成された第１接続電極とからなり、折れ曲がり形態を有する第１電極部と、
   前記第２側面に形成された第２側面電極と前記後面に形成された第２接続電極とからなり、折れ曲がり形態を有する第２電極部と、
   を含み、
   前記各半導体素子における前記第１接続電極及び前記第２接続電極が前記基板に接続された、ことを特徴とする放射線検出器。
2. 請求項１記載の放射線検出器において、
   前記素子本体は、前記半導体検出層と、前記第１接続電極及び前記第２接続電極と、の間に設けられた絶縁層を含む、ことを特徴とする放射線検出器。
3. 請求項１記載の放射線検出器において、
   前記第１接続電極と前記基板の第１端子との間に設けられた第１接続部材と、
   前記第２接続電極と前記基板の第２端子との間に設けられた第２接続部材と、
   を含むことを特徴とする放射線検出器。
4. 半導体基板に対して仮基板を仮接着して積層体を構成する準備工程と、
   前記積層体に対して前記半導体基板側から複数の非貫通溝を形成して前記仮基板上に複数の凸状部分を生じさせる溝形成工程と、
   前記各凸状部分に対して、折れ曲がり形態を有する第１電極層、及び、折れ曲がり形態を有する第２電極層を形成する電極層形成工程と、
   前記電極層形成工程後において前記各凸状部分を複数の検出素子に分割する分割工程と、
   前記分割工程前において前記複数の凸状部分に対して本基板を接合し、又は、前記分割工程後において前記複数の検出素子に対して本基板を接合する接合工程と、
   前記接合工程後に仮基板を除去する除去工程と、
   を含むことを特徴とする放射線検出器の製造方法。
5. 請求項４記載の製造方法において、
   前記溝形成工程前に前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程を含む、
   ことを特徴とする放射線検出器の製造方法。