JP3202551U - Ｘ線検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】ガードリング溝とＸ線の検出位置を特定するためのセグメント溝を有するＸ線検出器を提供する。【解決手段】ｐ層１１、ｉ層１２、ｎ＋層１３によってｐ−ｉ−ｎ接合が形成され、ｎ＋層が平面視で円形状である半導体積層体１０と、ｐ層に接合されたｐ側電極２０と、ｎ＋層に積層されたｎ側電極３０と、ｎ側電極及び半導体積層体の周辺領域に円環形状に配置され、ｎ側電極及びｎ＋層を貫通してｉ層に達するガードリング溝５０と、ｎ側電極及びｎ＋層を貫通してｉ層に達し、ガードリング溝の内側においてｎ側電極及びｎ＋層を平面視で複数の領域に分割する直線状のセグメント溝６０とを備え、平面視でセグメント溝とガードリング溝が交差し、セグメント溝の端部がガードリング溝の外側に延在している。【選択図】図１

Description

本考案は、有感領域におけるＸ線の検出位置を特定可能なＸ線検出器に関する。

物質から放出される物質固有のＸ線、γ線、紫外線、赤外線、可視光線などの放射線を分析するために、放射線を検出する検出器が用いられている。例えばＸ線の検出には、シリコン（Ｓｉ）基板にリチウム（Ｌｉ）をドリフトさせたＸ線検出器（以下において、「Ｓｉ（Ｌｉ）検出器」という。）が使用されている（例えば、特許文献１参照。）。Ｓｉ（Ｌｉ）検出器は、ｐ型Ｓｉ層（ｐ層）、リチウムドリフト層（ｉ層）、Ｌｉ拡散層（ｎ⁺層）によってｐ−ｉ−ｎ接合が形成された半導体積層体を有する。この半導体積層体のｐ層側にｐ側電極が配置され、ｎ⁺層側にｎ側電極が配置される。

高温で動作させるＸ線検出器では、ｎ側電極及びｎ⁺層を貫通してｉ層に達する溝をｎ側電極ｎ⁺層の周囲に形成したガードリング構造を採用可能である。このガードリング構造は、高温動作時の表面リーク電流を下げるためなどに有効である。ｎ側電極とｎ⁺層の外縁が円形状であるＸ線検出器では、ガードリング構造を形成するための溝（以下において、「ガードリング溝」という。）を円環形状に形成する。

また、Ｘ線検出器におけるＸ線の検出位置を特定するために、ｎ側電極及びｎ⁺層を貫通してｉ層に達する直線状の溝を形成して、検出領域を平面視で複数の領域に分割する方法がある。このようにｎ側電極を分割することを、「セグメント化」という。Ｘ線検出器では、ｐ側電極とｎ側電極との間に高電圧を印加することによって、ｐ側電極から入射して有感領域であるｉ層で吸収されたＸ線が、電荷の形でｐ側電極とｎ側電極で取り出される。ｎ側電極及びｎ⁺層をセグメント化する溝（以下において、「セグメント溝」という。）を形成することにより、Ｘ線が検出領域のどの位置で吸収されたかを特定することができる。

特許第４３５６４４５号公報

ｎ側電極及びｎ⁺層の外縁が円形状であるＸ線検出器のセグメント化のためには、円環形状のガードリング溝と直線状のセグメント溝を共に有するＸ線検出器を実現する必要がある。しかしながら、このようなガードリング溝とセグメント溝を有するＸ線検出器については、これまで十分な検討がされてこなかった。本考案は、ガードリング溝とＸ線の検出位置を特定するためのセグメント溝を有するＸ線検出器を提供することを目的とする。

本考案の一態様によれば、（ア）ｐ層、ｉ層、ｎ⁺層によってｐ−ｉ−ｎ接合が形成され、ｎ⁺層が平面視で円形状である半導体積層体と、（イ）ｐ層に接合されたｐ側電極と、（ウ）ｎ⁺層に積層されたｎ側電極と、（エ）ｎ側電極及び半導体積層体の周辺領域に円環形状に配置され、ｎ側電極及びｎ⁺層を貫通してｉ層に達するガードリング溝と、（オ）ｎ側電極及びｎ⁺層を貫通してｉ層に達し、ガードリング溝の内側においてｎ側電極及びｎ⁺層を平面視で複数の領域に分割する直線状のセグメント溝とを備え、平面視でセグメント溝とガードリング溝が交差し、セグメント溝の端部がガードリング溝の外側に延在しているＸ線検出器が提供される。

本考案によれば、ガードリング溝とＸ線の検出位置を特定するためのセグメント溝を有するＸ線検出器を提供できる。

本考案の実施形態に係るＸ線検出器の構成を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩ−Ｉ方向に沿った断面図である。 超音波研削加工に使用される研削工具を示す模式図であり、図２（ａ）は図２（ｂ）のＩＩ−ＩＩ方向に沿った断面図であり、図２（ｂ）は研削刃側から見た平面図である。 超音波研削加工に使用される研削工具の研削刃の変形後を示す模式図であり、図３（ａ）は図３（ｂ）のＩＩＩ−ＩＩＩ方向に沿った断面図であり、図３（ｂ）は研削刃側から見た平面図である。 図２に示した研削工具を用いて形成された比較例のＸ線検出器の構成を示す模式図であり、図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＩＶ−ＩＶ方向に沿った断面図である。 図３に示した研削工具を用いて形成された比較例のＸ線検出器の構成を示す模式図であり、図５（ａ）は平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＶ−Ｖ方向に沿った断面図である。 本考案の実施形態に係るＸ線検出器のガードリング溝の形成方法を説明するための模式図であり、図６（ａ）は研削刃側から見た平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＶＩ−ＶＩ方向に沿った断面図である。 本考案の実施形態に係るＸ線検出器のセグメント溝の形成方法を説明するための模式図である。 本考案の実施形態に係るＸ線検出器の製造方法を説明するための模式的な断面図である（その１）。 本考案の実施形態に係るＸ線検出器の製造方法を説明するための模式的な断面図である（その２）。 本考案の実施形態に係るＸ線検出器の製造方法を説明するための模式的な断面図である（その３）。 本考案の実施形態に係るＸ線検出器の製造方法を説明するための模式的な断面図である（その４）。 本考案の実施形態に係るＸ線検出器の製造方法を説明するための模式的な断面図である（その５）。 本考案の実施形態に係るＸ線検出器の製造方法を説明するための模式的な断面図である（その６）。 本考案の実施形態に係るＸ線検出器の製造方法を説明するための模式的な断面図であり（その７）、図１４（ａ）は平面図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＸＩＶ−ＸＩＶ方向に沿った断面図である。 本考案の実施形態の変形例に係るＸ線検出器の構成を示す模式的な平面図である。 本考案の実施形態に係るＸ線検出器の搭載方法の例を示す模式図である。

図面を参照して、本考案の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、以下に示す実施形態は、この考案の技術的思想を具体化するための装置を例示するものである。この考案の実施形態は、実用新案登録請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

本考案の実施形態に係るＸ線検出器１を、図１（ａ）、図１（ｂ）に示す。Ｘ線検出器１は、ｐ層１１、ｉ層１２及びｎ⁺層１３によってｐ−ｉ−ｎ接合が形成され、ｎ⁺層１３が平面視で円形状である半導体積層体１０と、ｐ層１１に接合されたｐ側電極２０と、ｎ⁺層１３に積層されたｎ側電極３０とを備える。

図１（ａ）、図１（ｂ）に示したＸ線検出器１は、ｐ層１１としてｐ型Ｓｉ層、ｉ層１２としてＳｉ基板にリチウムをドリフトさせたリチウムドリフト層、ｎ⁺層１３としてＳｉ基板にリチウムを拡散させた高濃度ｎ⁺層を用いたＳｉ（Ｌｉ）検出器である。図１（ｂ）に示すように、ｉ層１２の下部の側面がｐ層１１に接続している。半導体積層体１０の下面の中央領域にｉ層１２が露出し、その中央領域の周囲にｐ層１１が露出している。ｐ側電極２０は、ｐ層１１の下面及びｉ層１２の下面に連続して配置されている。ｎ側電極３０は、ｉ層１２の上面に積層されたｎ⁺層１３の上面に配置されている。

Ｘ線検出器１では、ｎ側電極３０及び半導体積層体１０の周辺領域にガードリング溝５０が円環形状に配置されている。ガードリング溝５０は、ｎ側電極３０の表面から延伸して、ｎ側電極３０及びｎ⁺層１３を貫通してｉ層１２に達する。以下において、ｎ側電極３０とｎ⁺層１３を積層した部分を「ｎ電極４０」という。ガードリング溝５０によって、ｎ電極４０が、Ｘ線を検出する円形状の検出領域Ａとその周囲の環状のガードリング領域Ｂとに分離されている。ガードリング溝５０を形成したガードリング構造を採用することにより、Ｘ線検出器１では、高温動作時の表面リーク電流を抑制できる。

更に、ｎ側電極３０の表面から延伸してｎ側電極３０及びｎ⁺層１３を貫通してｉ層１２に達する直線状のセグメント溝６０が形成されている。セグメント溝６０によって、ガードリング溝５０の内側の検出領域Ａにおいて、ｎ電極４０が平面視で複数の領域に分割されている。図１（ａ）に示した例では、検出領域Ａのｎ電極４０が第１のｎ電極４１、第２のｎ電極４２、第３のｎ電極４３及び第４のｎ電極４４の４つの領域に分割される例を示した。しかし、ｎ電極４０の分割の仕方は上記に限られないことはもちろんである。例えば、ｎ電極４０をより細かく分割することによって、検出位置をより詳細に知ることができる。

ガードリング溝５０の幅は０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度、セグメント溝６０の幅は０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ程度である。また、それぞれの溝の深さは、厚みが０．１ｍｍ〜０．２ｍｍであるｎ⁺層１３を貫通するのに十分な深さが要求されることから、０．３ｍｍ程度である。

Ｘ線検出器１では、ｎ側電極３０とｐ側電極２０との間に高電圧を印加することにより、ｐ側電極２０から入射した検出対象のＸ線が有感領域であるｉ層１２で吸収される。ｉ層１２で吸収されたＸ線は、電子と正孔として電荷の形でｐ側電極２０とｎ側電極３０で取り出され、外部に電流パルスとして検出される。このように、Ｘ線検出器１は、照射されたＸ線のエネルギーを電気信号に変換する半導体検出器である。なお、図１（ａ）、図１（ｂ）に示したＸ線検出器１はトップハット型であり、ｎ側電極３０、ｎ⁺層１３及びｎ⁺層１３から連続的に構成されるｉ層１２の大部分の上部構造物の外縁部が、ｐ層１１やｐ側電極２０の外縁部よりも内側に位置する。

図１（ａ）に示すように、平面視でセグメント溝６０とガードリング溝５０が交差し、セグメント溝６０の端部がガードリング溝５０の外側に延在している。即ち、セグメント溝６０の端部は半導体積層体１０及びｎ側電極３０の側面に表われる。これは、後述するように、セグメント溝６０をダイシング装置のブレードによる研削によって形成するためである。

ガードリング溝５０は、通常、円環形状の雄型の研削刃をｎ電極４０の上面に接触させた状態で超音波振動させる超音波研削加工によって形成される。超音波研削加工では、超音波振動させた研削刃に炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの硬い砥粒をぶつけることにより砥粒が振動し、雄型の研削刃とは逆型の雌型に被処理物が加工される。研削刃にはステンレス鋼（ＳＵＳ）が使用されることが一般的である。例えば、ＳＵＳ３１６やＳＵＳ３０４などが研削刃に用いられる。

図２（ａ）、図２（ｂ）に示すような、円環形状の研削刃５１の内側に直線状の研削刃６１を配置した研削工具を使用して、ガードリング溝５０と同時にセグメント溝６０を超音波研削加工によって形成することが考えられる。即ち、研削刃５１によってガードリング溝５０を形成し、研削刃６１によってセグメント溝６０を形成する。しかしながら、砥粒によって研削刃が磨耗して変形し、所望の形状にセグメント溝６０を形成できなくなるという問題が生じる。

図３（ａ）、図３（ｂ）に、研削刃が変形した状態の研削工具の例を示す。超音波研削加工を繰り返すことにより研削刃６１の先端が細くなり、先端部が後退する。最終的にはガードリング溝５０を形成するための円環形状の研削刃５１よりも直線状の研削刃６１の先端部が低くなってしまう。このため、セグメント溝６０の深さが浅くなり、セグメント溝６０の先端がｉ層１２に達しなくなる。

図２（ａ）、図２（ｂ）に示した正常な形状の研削刃の研削工具によってガードリング溝５０とセグメント溝６０が形成されたＸ線検出器の例を図４（ａ）、図４（ｂ）に示す。ガードリング溝５０とセグメント溝６０は、ｎ電極４０を貫通してｉ層１２に達している。一方、変形した研削刃の研削工具によってガードリング溝５０とセグメント溝６０が形成された比較例のＸ線検出器の例を図５（ａ）、図５（ｂ）に示す。セグメント溝６０はｉ層１２に達していない。

上記のように、ガードリング溝５０と同時に、ｎ側電極３０側からｎ電極４０を貫通してｉ層１２に達するセグメント溝６０を超音波研削加工によって形成することは難しい。セグメント溝６０がｉ層１２に達せず、分割されるべきｎ電極４０が連続している場合には、Ｘ線の検出位置を特定することができない。また、図２（ａ）に示すような円環形状のＳＵＳ製の研削刃５１の内側に複数の薄板状のＳＵＳ製の研削刃６１を溶接した研削工具を製造することは難しい。

また、円環形状の研削刃を有する研削工具と複数の薄板状の研削刃を有する研削工具を使用して、ガードリング溝５０とセグメント溝６０を超音波研削加工によって形成する方法も考えられる。しかし、超音波研削加工に使用する研削刃は、複数回の研削加工を行った後、形状を戻すためにグラインダーなどで修正する必要がある。円環形状の研削刃を精度よく修正することは比較的容易であるが、隣接して配置された複数の板状の研削刃の磨耗箇所を修正することは非常に困難である。複雑な構造の研削刃を有する研削工具の面内精度を均一に保つことは難しく、特に加工面が広い場合には、超音波研削加工によって溝の深さを均一にすることは困難である。

このため、Ｘ線検出器１では、ガードリング溝５０とセグメント溝６０とを異なる研削方法によって形成する。具体的には、ガードリング溝５０の形成には、上記に説明した超音波研削加工を使用する。一方、セグメント溝６０の形成には、ブレードを使用したダイシング装置を使用する。

例えば、図６（ａ）、図６（ｂ）に示す円環形状の研削刃を有する研削工具５００を用いた超音波研削加工によって、ガードリング溝５０を形成する。即ち、白抜き矢印で示すように研削工具５００を下降させ、超音波振動させた研削刃によってガードリング溝５０を形成する。このとき、黒塗り矢印で示すように砥粒５１０を研削刃にぶつける。

一方、図７に示すように、ダイシング装置のブレード６００によってセグメント溝６０を形成する。なお、図７に示すように１枚のブレード６００によってセグメント溝６０を１本ずつ形成してもよいし、複数のブレード６００を有するダイシング装置によって、複数のセグメント溝６０を同時に形成してもよい。ブレード６００には、例えばモリブデン（Ｍｏ）基材やタングステン（Ｗ）基材にダイヤモンド粉を混入させたダイヤモンドブレードなどを使用可能である。

なお、ブレード６００よるセグメント溝６０の形成では、１回の研削によってｉ層１２に達するセグメント溝６０を形成するのではなく、数回に分けて徐々に深くなるようにセグメント溝６０を形成してもよい。例えば、深さ０．３ｍｍのセグメント溝６０を形成するのに、１回目に深さ０．１ｍｍまで研削し、２回目に０．２ｍｍ研削する。このように複数回の研削で形成されたセグメント溝６０の側面には、ｎ電極４０の主面と平行な筋状の研削痕が残される。また、超音波研削加工によって形成されたガードリング溝５０の側面も滑らかではない。このため、ガードリング溝５０とセグメント溝６０を形成した後に、ケミカルエッチングなどによって溝の側面が滑らかに加工される。これにより、溝内のクラックによるダメージ層の除去が可能となる。

図面を参照して、図１（ａ）、図１（ｂ）に示したＸ線検出器１の製造方法の例を以下に説明する。

まず、図８に示すように、ｐ型Ｓｉ基板１００の上面にＬｉ膜２００を蒸着する。次いで、Ｌｉ膜２００のＬｉを熱拡散させて、図９に示すように、リチウムの拡散によりｎ⁺層１３を形成する。その後、Ｌｉ膜２００を除去し、図１０に示すようにｎ側電極３０をｎ⁺層１３上に形成する。例えば、ニッケル（Ｎｉ）膜／金（Ａｕ）膜をｎ⁺層１３の上面に蒸着する。

次に、トップハット型のための加工を行う。即ち、図１１に示すように、ｎ側電極３０、ｎ⁺層１３及びｐ型Ｓｉ基板１００の上部の一部について、外周領域を超音波研削加工などによって除去する。

その後、ｎ⁺層１３とｐ型Ｓｉ基板１００の底面との間に電界を印加してＬｉをドリフトさせ、ｉ層１２を形成する。図１２に示すように、ｐ型Ｓｉ基板１００の中央領域は下面までＬｉがドリフトされてｉ層１２が形成され、Ｌｉがドリフトされないｐ型Ｓｉ基板１００の下部の周囲がｐ層１１として残る。このように、トップハット型を採用することによって、ｐ型Ｓｉ基板１００のｉ層１２が形成された領域の残余の領域をｐ層１１とする。

ｐ層１１の下面や露出したｉ層１２の下面をエッチングにより表面処理し、下面を滑らかに仕上げる。この表面処理した下面に、図１３に示すようにｐ側電極２０を形成する。ｐ側電極２０には、例えばニッケル（Ｎｉ）膜／金（Ａｕ）膜を使用する。

その後、超音波研削加工によって、図１４（ａ）、図１４（ｂ）に示すように、ガードリング溝５０を形成する。このガードリング溝５０の形成には、図６（ａ）に示したような円環形状の研削刃を有する研削工具を使用する。これにより、ｎ電極４０が検出領域Ａとガードリング領域Ｂとに分離される。そして、図７を参照して説明したように、ダイシング装置によってセグメント溝６０を形成する。以上により、図１（ａ）、図１（ｂ）に示したＸ線検出器１が完成する。

上記ではガードリング溝５０を形成した後にセグメント溝６０を形成する例を説明した。しかし、セグメント溝６０を形成した後にガードリング溝５０を形成してもよい。

図１（ａ）に示したように、Ｘ線検出器１では、セグメント溝６０とガードリング溝５０が交差し、セグメント溝６０の端部はガードリング溝５０の外側に延在している。これに対し、セグメント溝６０とガードリング溝５０の加工用の研削刃が一体化した研削工具を使用して形成された図４（ａ）に示した構造では、検出領域Ａにのみセグメント溝６０が形成されている。即ち、図４（ａ）に示した構造は、セグメント溝６０とガードリング溝５０は交差していない点がＸ線検出器１と異なる。

以上に説明したように、Ｘ線検出器１では、円環形状の研削刃を使用した超音波研削加工によってガードリング溝５０が形成され、ブレードを使用したダイシング装置によってセグメント溝６０が形成される。このように超音波研削加工とダイシング装置を組み合わせることによって、所望の深さで均一な深さの溝を容易に形成することができる。既に述べたように、研削刃が複雑な構造の研削工具を用いた超音波研削加工によって溝の深さを均一にすることは困難である。これに対し、ダイシング装置による研削によれば、加工面が広い場合にも溝の深さを均一にすることが容易である。このため、上記に説明したＸ線検出器１の製造方法では、ダイシング装置による加工が難しい円環形状のガードリング溝５０を超音波研削加工によって形成し、ダイシング装置によってセグメント溝６０を形成する。これにより、ガードリング溝５０及びセグメント溝６０のそれぞれを均一な深さで精度よく形成することができる。その結果、Ｘ線検出器１の製造歩留まりが向上し、製造コストを抑制できる。

なお、Ｘ線検出器１では、ガードリング領域Ｂがセグメント溝６０によって複数の領域に分離される。ガードリング溝５０やセグメント溝６０の内部は、表面リーク電流を抑制するために、シリコーン樹脂などが充填されている。一方、ガードリング構造はトップハット型のＸ線検出器１の外周のリーク電流を抑制するためなどに採用されており、ガードリング領域Ｂは接地される必要がある。ガードリング領域Ｂの分離された複数の領域を接地するために、導電性の連結部品によって分離された領域を互いに電気的に接続することが好ましい。

このため、例えば図１５に示すように、金ワイヤ７０によって分離されたガードリング領域Ｂを電気的に接続する。Ｘ線検出器１が検出装置などに搭載される際にガードリング領域Ｂの主面が検出装置の電極と接続される場合、金ワイヤ７０はｎ電極４０の表面に接合される。或いは、金具などによってガードリング領域Ｂ同士を電気的に接続してもよい。また、Ｘ線検出器１を搭載する装置において、ｎ側電極３０が取り付けられる電極部の構造を工夫してもよい。例えば、図１６に示すように、ガードリング領域Ｂの分離されたｎ電極４０それぞれに接続する電極部３００を用意する。

（その他の実施形態）
上記のように、本考案は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの考案を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

既に述べた実施形態の説明においては、Ｘ線検出器１がＳｉ（Ｌｉ）検出器である場合を例示的に説明した。しかし、Ｘ線検出器１が他の構造、例えばリチウムドリフト以外の方法でｉ層１２を形成したＸ線検出器の場合にも本考案は適用可能である。

このように、本考案はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことはもちろんである。したがって、本考案の技術的範囲は上記の説明から妥当な実用新案登録請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…Ｘ線検出器
１０…半導体積層体
１１…ｐ層
１２…ｉ層
１３…ｎ⁺層
２０…ｐ側電極
３０…ｎ側電極
４０…ｎ電極
５０…ガードリング溝
６０…セグメント溝

Claims (4)

1. ｐ層、ｉ層、ｎ⁺層によってｐ−ｉ−ｎ接合が形成され、前記ｎ⁺層が平面視で円形状である半導体積層体と、
   前記ｐ層に接合されたｐ側電極と、
   前記ｎ⁺層に積層されたｎ側電極と、
   前記ｎ側電極及び前記半導体積層体の周辺領域に円環形状に配置され、前記ｎ側電極及び前記ｎ⁺層を貫通して前記ｉ層に達するガードリング溝と、
   前記ｎ側電極及び前記ｎ⁺層を貫通して前記ｉ層に達し、前記ガードリング溝の内側において前記ｎ側電極及び前記ｎ⁺層を平面視で複数の領域に分割する直線状のセグメント溝と
   を備え、
   平面視で前記セグメント溝と前記ガードリング溝が交差し、前記セグメント溝の端部が前記ガードリング溝の外側に延在していることを特徴とするＸ線検出器。
2. 前記ｉ層が、半導体基板にリチウムをドリフトさせたリチウムドリフト層であり、
   前記ｉ層の下部の側面が前記ｐ層に接続し、前記ｉ層の上部に前記ｎ⁺層が積層されたＳｉ（Ｌｉ）検出器であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線検出器。
3. 前記ｎ側電極、前記ｎ⁺層及び前記ｉ層の外縁部が、前記ｐ層及び前記ｐ側電極の外縁部よりも内側に位置するトップハット型であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線検出器。
4. 前記ガードリング溝の外側のガードリング領域が前記セグメント溝によって分離された複数の領域を、互いに電気的に接続する連結部品を更に備え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Ｘ線検出器。

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