JP3959398B2 - Ｘ線平面検出器 - Google Patents

Description

本発明は、医用Ｘ線診断装置に係り、特にそのＸ線平面検出器に関する。

近年、医療分野においては、治療を迅速かつ的確に行うために、患者の医療データをデータベース化する方向に進んでいる。これは、患者はしばしば複数の医療機関を利用するので、患者に適切な治療を行うために他の医療機関にあるデータが必要になるからである。

Ｘ線撮影の画像データについてもその例に漏れず、データベース化の要求があり、それに伴ってＸ線撮影画像のデジタル化が望まれている。医用Ｘ線診断装置では、従来から銀塩フィルムを用いて画像を撮影している。しかし、このような撮影画像をデジタル化するには、撮影したフィルムを現像した後、スキャナなどでこの画像を読み取る操作が不可欠であり、手間と時間がかかっていた。

最近では、光電膜、加速電極、蛍光膜を設けた大きな真空管と、１インチ程度のＣＣＤカメラを用いて、画像を直接デジタル化するイメージインテンシファイアＴＶ（ＩＩ−ＴＶ）方式が実現されている。しかし、例えば肺の診断では、４０ｃｍ×４０ｃｍ程度の領域を撮影するので、光を集める光学装置が必要であり、装置の大型化が問題となる。

上述の２つの方式の問題を解決する方式として、ａ−Ｓｉ ＴＦＴ（アモルファスシリコン薄膜トランジスタ）を用いたＸ線平面検出器が知られている（例えば特許文献１参照）。

この種のＸ線平面検出器では、ａ−Ｓｉ ＴＦＴ、光電変換膜及び画素容量によって画素が構成され、この画素は縦横の各辺に数百個から数千個、並べられたアレイ状に配列される（これをＴＦＴアレイと呼ぶ）。

光電変換膜には電源から、バイアス電圧が印加される。ａ−Ｓｉ ＴＦＴは、信号線と走査線に接続されており、走査線駆動回路によってオン・オフ制御される。信号線の終端は、切替スイッチを介して信号検出用の増幅器に接続される。このＸ線検出器に光が入射すると光電変換膜に電流が流れて画素容量に電荷が蓄積される。走査線駆動回路により走査線を駆動し、１本の走査線に接続されているすべてのＴＦＴをオンして、この走査線により、上記の蓄積電荷を、増幅器側に転送する。その後切替スイッチで切り替えて画素毎の電荷を順次、増幅器で増幅した後、表示装置で表示する。

この方式は、増幅器の出力信号をＡＤ変換してデジタル画像を得ることが可能である。上述の方式は入射したＸ線を蛍光体などで可視光線に変換し、変換した光をその後光電変換膜で電荷に変える間接変換方式に基づくＸ線平面検出器である。このほかに上記蛍光体を除いた構造とし、Ｘ線を光電変換膜で直接電荷に変換する直接変換方式のＸ線平面検出器がある。

これらの２つの方式の問題点を解決するものとして、ａ−Ｓｉ ＴＦＴを用いて、上部にＸ線を直接、信号電荷に変換する感光膜を形成した、直接変換方式のＸ線平面検出器が提案された。

この種のＸ線平面検出器においては、Ｘ線によって発生した信号電荷は速やかに画素電極に到達し、蓄積容量部に蓄積されなければならない。しかし、感光膜内に信号電荷が残る場合には、残像、解像度の低下などによる画像不良が発生する。このような画像不良は、感光膜内に信号電荷が残り新たにＸ線により発生した信号電荷の走行に影響を与えることによって生ずることが多い。また、欠陥が多いときには、欠陥を通して電流が流れるので、暗電流が大きいという問題も発生する。

上記Ｘ線電荷変換膜の材料として、沃化物、特にＰｂＩ_２が知られており、優れた特性が期待されているが、これにより実際に薄膜を形成すると、結晶性が不十分であるので、上述のような残像、解像度不良、大きな暗電流などの問題があり、十分な特性の膜は実現されていないのが現状である。

他にもＸ線電荷変換膜として、ＨｇＩ_２，Ｃｄ，Ｔｅなどが知られている。しかし、これらの材料は優れたＸ線感度が期待されるが、機械的に弱く、熱膨張係数が大きいために基板から剥離しやすいという問題点があった。

またこれらによるＸ線感光膜は、Ｐｂ，Ｃｄ，Ｔｅ，Ｈｇなどの重金属やＳｅにより構成され、人体に悪影響を与えやすいという問題点もあった（例えば非特許文献１参照）。
米国特許 第４，６８９，４８７号明細書 R.A. Street et al., SPIE Vol.3659,p.36, 1999

本発明は、上述のような従来のＸ線平面検出器の問題点に鑑みてなされたもので、機械的に安定であって、基板との付着力が良好であり、高感度で高性能のＸ線平面検出器を提供することを目的とする。

本発明の特徴の１つは、Ｘ線電荷変換膜として、Ｘ線感度が高いＢｉ又はＳｂのハロゲン化酸化物を用いる点にある。

本発明の請求項１によれば、入射するＸ線を電荷に変換するＸ線電荷変換膜と、このＸ線電荷変換膜の両面に設けられた一対の電極と、から成るＸ線平面検出器であって、前記Ｘ線電荷変換膜は、Ｂｉ又はＳｂのハロゲン化酸化物のうち、ハロゲンがＩ，Ｂｒ，Ｃｌのいずれかであることを特徴とするＸ線平面検出器を提供する。

本発明によれば、機械的に安定であって、基板との付着力が良好であり、高感度で高性能のＸ線平面検出器が得られる効果がある。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

本発明一実施形態に係るＸ線平面検出器は、Ｘ線電荷変換膜として、Ｂｉのハロゲン化酸化物を用いる。これはＢｉのハロゲン化酸化物はＸ線感度が高いからである。従来から知られているＸ線電荷変換膜としては、Ｐｂ，Ｈｇ，Ｔｌ，Ｂｉ，Ｃｄ，Ｉｎの沃化物がある。しかし、金属沃化物は機械的強度が弱いので取り扱いが困難であり、また熱膨張係数が大きいためにガラスなどの基板からの剥離が発生し易い。これに対して金属沃酸化物は同じ金属の沃化物に比べて機械的強度が強く化学的に安定であり、又熱膨張率が小さいので基板への付着力が強い。このような金属沃酸化物としては、ＢｉＩ_ｘＯ_ｙがある。ここで、ｘ、ｙの範囲は、３＞ｘ＞０，１．５＞ｙ＞０である。

ＢｉＩ_ｘＯ_ｙはＸ線吸収係数が大きいので、Ｘ線感光材料としての適性が高い。また沃酸化物が形成できる材料としてＸ線吸収係数の大きいＳｂを用いてもよい。またハロゲンとしてはＸ線吸収係数の大きいＩが最も良いが他のＣｌ，Ｂｒでもよい。

＜第１の実施例＞
本発明一実施例の断面図を図１に示し、このＸ線平面検出器の信号検出回路を図２に示す。このＸ線平面検出器１００は、上面に上部電極１０１、その下にＸ線電荷変換膜１０３が設けられ、更にその下に図２に示すｍ×ｎのマトリクス状の信号検出回路１０４が設けられた構造を有している。

上部電極１０１の上方から入射したＸ線は、上部電極１０１を通過しＸ線電荷変換膜１０３においてＸ線量に応じた電荷量に変換され、各キャパシタ１０５に蓄積される。これらのキャパシタ１０５に蓄積された電荷は、図２に示すシフトレジスタ２０１及び図示しないシフトレジスタを駆動することにより、対応するスイッチングＴＦＴ１０６を介して、外部に順次信号電流として取り出される。１０７はガラス基板である。すなわち、図２において、シフトレジスタに接続された行走査線のどれかを選択し、他のシフトレジスタ２０１に接続されている列走査線に順次クロック信号を加えることによって、電荷を増幅器２１０の出力信号として取り出すことができる。

図１を参照して本発明の一実施例のＸ線平面検出器の形成方法について説明する。まず、ガラス基板１１０上にＭｏＴａや、Ｔａ、ＴａＮ、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、ＭｏＷなどを用いた１層又はＴａとＴａＮｘの２層を約３００ｎｍの厚さに堆積させ、エッチングによりパターンニングを行って、スイッチングＴＦＴ１０６のゲート電極１１１、走査線（図示せず）、キャパシタ１０５の電極１１１ａ、キャパシタ線（図示せず）を形成した。１１１ａは容量電極である。

ついで、プラズマＣＶＤ法により絶縁膜１１２として、ＳｉＯ_ｘを約３００ｎｍ、ＳｉＮ_ｘを約５０ｎｍの厚さに積層した。その後、アンドープａ−Ｓｉ層１１３を約１００ｎｍ、ストッパ１１４をＳｉＮ_ｘで約２００ｎｍの厚さに、各々堆積した。

ストッパ１１４を裏面露光法により、ゲート電極１１１に合わせてパターニングし、ｎ^＋ａ−Ｓｉ層１１５を約５０ｎｍの厚さに堆積した。その後、トランジズタの形状に合わせてアンドープａ−Ｓｉ層１１３、ｎ^＋ａ−Ｓｉ層１１５をエッチングし、ａ−Ｓｉの島を形成した。

次に、画素エリア内外のコンタクト部の絶縁膜１１２をエッチングしコンタクトホールを形成する。この上にＭｏを約５０ｎｍ、Ａｌを約３５０ｎｍ、更にＭｏを約２０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さでスパッタリングして、積層することにより、補助電極１１６、信号線１１７、スイッチングＴＦＴ１０６のソース、ドレインその他の配線を形成した。

その後、ＳｉＮ_ｘを約２００ｎｍ、その上にアクリル系有機樹脂膜（ＨＲＣ；商品名、日本合成ゴム社製）を約１〜約５μｍ、好ましくは約３．５μｍの厚さに積層して、保護膜１１８を形成した。なお、有機膜としては、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン樹脂）を用いてもよい。

補助電極１１６へのコンタクトホールを形成した後に、画素電極用金属としてＩＴＯ膜を成膜した。ＩＴＯをターゲットとして、スパッタ法で１００ｎｍの厚さに成膜し、パターニングして、画素電極１１９を得た。ＩＴＯ膜の形成方法は、蒸着など他の方法でもよく、またＩＴＯはアモルファスでも多結晶でもよい。

次に、上記画素電極１１９の上にＸ線電荷変換膜１０３として高抵抗のＢｉＩ_ｘＯ_ｙ膜１０３を蒸着により、約１００〜１０００μｍ、好ましくは約３００μｍの厚さで成膜した。

ここで、ｘ、ｙの範囲は、３＞ｘ＞０，１．５＞ｙ＞０を取って良い。ｙは０．０５〜１．４５の値が特性的に好ましく、このときｘは３−２ｙの関係を満足し、２．９〜０．１の値を取る。更に好ましくはｙは０．８〜１．２の値が良好であった。

このＸ線電荷変換膜ＢｉＩ_ｘＯ_ｙ膜１０３の上にＰｄを２００ｎｍの厚さでＢｉＩ_３酸化膜の周辺から１ｃｍ離した領域のほぼ全面に堆積し、上部電極１０１を形成した。

この上部電極１０１上に電圧印加電極を形成し、ＴＦＴアレイＸ線電荷変換膜基板に図２に示したような周辺回路を実装して完成したＸ線平面検出器を用い、Ｘ線画像の検出を行った。その結果、暗電流が低下して良好なＳＮ比が得られ、良好な画質のＸ線画像が得られた。また感度も良好であった。

例えば、Ｘ線電荷変換膜としてのＢｉＩ_ｘＯ_ｙ膜の厚さが４００μｍの場合、Ｘ線を９０％吸収し、感度は３０（ｐＣ／ｃｍ２）／（ｎＣ／ｋｇ）であった。

このような金属沃酸化物としては、Ｓｂの場合も良好であり、ハロゲンとしてＣｌ，Ｂｒでも同様に良好であった。なお、Ｘ線吸収係数が沃素の場合よりも小さいので、少し厚い膜厚が必要であった。

＜第２の実施例＞
本発明の第２の実施例のＸ線平面検出器の断面図を図３に示す。この図において、番号３００〜３１９は、図１に記載の番号１００〜１１９に対応する。

図３に示すＸ線平面検出器３００が図１に示したＸ線平面検出器１００と異なる点は、Ｘ線電荷変換膜３０３として、ＢｉＩＯ膜を用いている点である。

図３を用いて本発明の一実施例のＸ線平面検出器の形成方法について説明する。まず、ガラス基板３１０上にＭｏＴａや、Ｔａ、ＴａＮ、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、ＭｏＷなどを用いた１層又はＴａとＴａＮ_ｘの２層を約３００ｎｍの厚さに堆積させ、エッチングによりパターンニングを行って、スイッチングＴＦＴ３０６のゲート電極３１１、走査線（図示せず）、キャパシタ３０５の電極３１１ａ、キャパシタ線（図示せず）を形成した。

ついで、プラズマＣＶＤ法により絶縁膜３１２として、ＳｉＯ_ｘを約３００ｎｍ、ＳｉＮｘを約５０ｎｍの厚さに積層した。その後、アンドープａ−Ｓｉ層３１３を約１００ｎｍ、ストッパ３１４をＳｉＮ_ｘで約２００ｎｍの厚さに、各々堆積した。

ストッパ３１４を裏面露光法により、ゲート電極３１１に合わせてパターニングし、ｎ^＋ａ−Ｓｉ層３１５を約５０ｎｍの厚さに堆積した。その後、トランジズタの形状に合わせてアンドープａ−Ｓｉ層３１３、ｎ^＋ａ−Ｓｉ層３１５をエッチングし、ａ−Ｓｉの島を形成した。

次に、画素エリア内外のコンタクト部の絶縁膜３１２をエッチングしコンタクトホールを形成する。この上にＭｏを約５０ｎｍ、Ａｌを約３５０ｎｍ、更にＭｏを約２０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さでスパッタリングして、積層することにより、補助電極３１６、信号線３１７、スイッチングＴＦＴ３０６のソース、ドレインその他の配線を形成した。

その後、ＳｉＮ_ｘを約２００ｎｍ、その上にアクリル系有機樹脂膜（ＨＲＣ；商品名、日本合成ゴム社製）を約１〜約５μｍ、好ましくは約３．５μｍの厚さに積層して、保護膜３１８を形成した。なお、有機膜としては、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン樹脂）を用いてもよい。

補助電極３１６へのコンタクトホールを形成した後に、画素電極用金属としてＴｉ３０ｎｍ／Ｐｄを２００ｎｍの厚さで成膜し、画素電極をパターン形成した。

ＩＴＯのターゲットとしてはスパッタで１００ｎｍ成膜し、パターンニングした。ＩＴＯの形成法は蒸着などの他の方法でもよく、ＩＴＯはアモルファスでもよい。

この上に高抵抗のＢｉＩ_３膜を蒸着により約５〜１０００μｍ、好ましくは３００μｍの厚さで成膜する。次にこのＢｉＩ_３膜を酸化させて、Ｘ線電荷変換膜３０３としてのＢｉＩＯ膜を形成した。形成法は酸素ガスを含む雰囲気中で熱酸化した。処理温度は室温から１５０℃でよい。また、水または水溶液中で処理して酸化させてもよい。

また、液は水分を含めばよく、処理温度は室温から１００℃でよい。また酸素を含むガスプラズマ中で処理して酸化させてもよい。

更にこのＸ線電荷変換膜３０３の上に上部電極３０１としてＰｄの全面電極をパターンなしでＢｉＩＯ膜の周辺から１ｃｍ離してほぼ全面に形成した。

この上部電極３０１上に電圧印加電極を形成し、ＴＦＴアレイＸ線電荷変換膜基板に図２に示したような周辺回路を実装して完成したＸ線平面検出器を用い、Ｘ線画像の検出を行った。

この結果、暗電流がＢｉＩ_３よりも低下しても良好なＳＮ比が得られ、画質も良好であった。暗電流はどちらのバイアスでも低下するが、特に酸化したＢｉＩ３側の電極に負電圧を印加した場合の低下が大きい。

５μｍの厚さのＢｉＩＯ膜で１（ｐＣ／ｃｍ２）／（ｎＣ／ｋｇ）の良好な感度が得られ、暗電流も良好であった。Ｘ線回析ではＢｉＩＯ膜の配向方向は（１１０）、（２００）方向が主の膜であった。

＜第３の実施例＞
次に本発明の第３の実施例について説明する。この実施例は、Ｘ線電荷変換膜としてＳｂＢｒＯ膜を有するＸ線平面検出器である。本発明の第３の実施例のＸ線平面検出器の断面図を図４に示す。この図において、番号４００〜４１９は、図１に記載の番号１００〜１１９に対応する。

図４に示すＸ線平面検出器４００が図１に示したＸ線平面検出器１００と異なる点は、ブロッキング膜４０２ｂが、画素電極３１９にも接して設けられていることである。なお、Ｘ線電荷変換膜４０３としてはＳｂＢｒＯ膜が用いられ、ブロッキング膜４０２ｂとしては、ＳｂＢｒ_３膜が用いられている。

図４を用いて本発明の一実施例のＸ線平面検出器の形成方法について説明する。まず、ガラス基板４１０上にＭｏＴａや、Ｔａ、ＴａＮ、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、ＭｏＷなどを用いた１層又はＴａとＴａＮ_ｘの２層を約３００ｎｍの厚さに堆積させ、エッチングによりパターンニングを行って、スイッチングＴＦＴ４０６のゲート電極４１１、走査線（図示せず）、キャパシタ４０５の電極４１１ａ、キャパシタ線（図示せず）を形成した。

ついで、プラズマＣＶＤ法により絶縁膜４１２として、ＳｉＯ_ｘを約３００ｎｍ、ＳｉＮ_ｘを約５０ｎｍの厚さに積層した。その後、アンドープａ−Ｓｉ層４１３を約１００ｎｍ、ストッパ４１４をＳｉＮ_ｘで約２００ｎｍの厚さに、各々堆積した。

ストッパ４１４を裏面露光法により、ゲート電極４１１に合わせてパターニングし、ｎ^＋ａ−Ｓｉ層４１５を約５０ｎｍの厚さに堆積した。その後、トランジズタの形状に合わせてアンドープａ−Ｓｉ層４１３、ｎ^＋ａ−Ｓｉ層４１５をエッチングし、ａ−Ｓｉの島を形成した。

次に、画素エリア内外のコンタクト部の絶縁膜４１２をエッチングしコンタクトホールを形成する。この上にＭｏを約５０ｎｍ、Ａｌを約３５０ｎｍ、更にＭｏを約２０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さでスパッタリングして、積層することにより、補助電極４１６、信号線４１７、スイッチングＴＦＴ４０６のソース、ドレインその他の配線を形成した。

その後、ＳｉＮ_ｘを約２００ｎｍ、その上にアクリル系有機樹脂膜（ＨＲＣ；商品名、日本合成ゴム社製）を約１〜約５μｍ、好ましくは約３．５μｍの厚さに積層して、保護膜４１８を形成した。なお、有機膜としては、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン樹脂）を用いてもよい。

補助電極４１６へのコンタクトホールを形成した後に、画素電極用金属としてＴｉ４０ｎｍ／Ｐｄを２００ｎｍの厚さで成膜し、画素電極をパターン形成した。この上に蒸着により、高抵抗のＳｂＢｒ_３膜を約５〜１０００μｍ、好ましくは３００μｍの厚さで成膜した。次にこのＳｂＢｒ_３膜を酸化させてＳｂＢｒＯ膜を形成した。形成法は酸素ガスを含む雰囲気中で熱酸化した。また、水または水溶液中で処理して酸化させてもよい。

液は水分を含めばよく、処理温度は室温から１００℃でよい。また酸素を含むガスプラズマ中で処理して酸化させてもよい。このときに画素電極側から５〜３０μｍの厚さだけ酸化させずにＳｂＢｒ_３膜として残した。

この上に上部電極４０１としてＰｄ２００ｎｍの厚さでＳｂＢｒＯの周辺から１ｃｍ離してほぼ全面にパターンなしで上部電極４０１を形成した。

この上部電極４０１上に電圧印加電極を形成し、ＴＦＴアレイＸ線電荷変換膜基板に図２に示したような周辺回路を実装して完成したＸ線平面検出器を用い、Ｘ線画像の検出を行った。その結果、暗電流がＳｂＢｒ３よりも低下して良好なＳＮ比が得られ、良好な画質のＸ線画像が得られた。暗電流はどちらのバイアスでも低下するが、特に酸化させずに残したＳＢＢｒ_３側の電極に正電圧を印加した場合の暗電流の低下が大きかった。

本発明の上記実施例で、酸化させずに残すＳｂＢｒ_３膜の厚さは適宜変更することができる。

又、酸化させたＳｂＢｒＯとＳｂＢｒ_３の界面にＳｂＢｒ_ｘＯ_ｙの遷移領域があってもよい。また、ＳｂＢｒＯの代わりにＳｂＩ_ｘＯ_ｙを用いてもよい。ここでＳｂＢｒ_ｘＯ_ｙ、ＳｂＩ_ｘＯ_ｙに対しｘ、ｙの範囲は、３＞ｘ＞０，１．５＞ｙ＞０である。ＳｂをＢｉに換えＢｒをＣｌ、Ｉに変えた場合にも同様に良好な特性を示した。またＳｂの代わりにＳｂaＢｉ(1−a)を用いてもよい。

本発明一実施例のＸ線平面検出器の断面図。 本発明一実施例のＸ線平面検出器の駆動回路例を示す図。 本発明の他の実施例のＸ線平面検出器の断面図。 本発明のさらに他の実施例のＸ線平面検出器の断面図。

符号の説明

１００，３００,４００・・・Ｘ線平面検出器、
１０１，３０１，４０１・・・上部電極、
１０３，３０３，４０３・・・Ｘ線電荷変換膜、
１０４・・・信号検出回路、
１０５，３０５，４０５・・・キャパシタ、
１０６，３０６，４０６・・・スイッチングＴＦＴ、
１０７，３０７，４０７・・・ガラス基板、
１１１，３１１，４１１・・・ゲート電極、
１１１ａ，３１１ａ，４１１ａ・・・容量電極、
１１２，３１２，４１２・・・絶縁膜、
１１３，３１３，４１３・・・アンドープａ−Ｓｉ層、
１１４，３１４，４１４・・・ストッパ、
１１５，３１５，４１５・・・ｎ^＋ａ−Ｓｉ層、
１１７、３１７，４１７・・・ソース、ドレイン電極
１１８，３１８，４１８・・・保護膜、
１１９、３１９，４１９・・・画素電極。

Claims (4)

1. 入射するＸ線を電荷に変換するＸ線電荷変換膜と、
   このＸ線電荷変換膜の両面に設けられた一対の電極と、
   から成るＸ線平面検出器であって、
   前記Ｘ線電荷変換膜は、Ｂｉ又はＳｂのハロゲン化酸化物のうち、ハロゲンがＩ，Ｂｒ，Ｃｌのいずれかであることを特徴とするＸ線平面検出器。
2. 入射するＸ線を電荷に変換するＸ線電荷変換膜と、
   このＸ線電荷変換膜の両面に設けられた一対の電極と、
   から成るＸ線平面検出器であって、
   前記Ｘ線電荷変換膜は、ＢｉＩｘＯｙ膜を用いたことを特徴とするＸ線平面検出器。
   （ここで、ｘ、ｙの範囲は、３＞ｘ＞０，１．５＞ｙ＞０である。）
3. 入射するＸ線を電荷に変換するＸ線電荷変換膜と、
   このＸ線電荷変換膜の両面に設けられた一対の電極と、
   から成るＸ線平面検出器であって、
   前記Ｘ線電荷変換膜は、ＢｉＩＯ膜を用いたことを特徴とするＸ線平面検出器。
4. 入射するＸ線を電荷に変換するＸ線電荷変換膜と、
   このＸ線電荷変換膜の両面に設けられた一対の電極と、
   から成るＸ線平面検出器であって、
   前記Ｘ線電荷変換膜は、ＳｂＢｒＯ膜を用いたことを特徴とするＸ線平面検出器。

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