JP4234304B2 - 放射線検出器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射線画像の撮像に用いられる放射線検出器に関し、特に、口腔内に挿入して用いられる歯科用等の小型の放射線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
医療用のＸ線診断装置としてＸ線感光フィルムに代えてＣＣＤを用いたＸ線イメージセンサが普及してきている。このような放射線イメージングシステムにおいては、複数の画素を有する放射線検出素子を用いて放射線による２次元画像データを電気信号として取得し、この信号を処理装置により処理して、モニタ上に表示している。
【０００３】
歯科用等の口腔内に挿入して用いる放射線検出器としては、特開平10−282243号公報に開示されている放射線検出器が知られている。この放射線検出器は、シンチレータ付きのＦＯＰ（ファイバ光学プレート）をＣＣＤの受光面上に貼り付けたものであり、入射する放射線をシンチレータで光に変換して、ＦＯＰによりＣＣＤへと導いて検出する仕組みになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、歯科用等で口腔内に挿入して用いる放射線検出器においては検出器全体を小型化、薄型化する一方で、撮像面積はできるだけ大きくとる必要がある。前述の装置においては、ＦＯＰが介在するため、薄型化には限界がある。そこで、国際公開WO98/36291号公報に開示されているように、撮像素子の受光面上に直接シンチレータを形成することにより薄型化する手法が考えられている。しかしながら、受光部を受光面いっぱいに形成すると、受光部全体にシンチレータを均一に形成するのが困難であり、端部分の出力や解像度が悪化するため、大画面化が困難であった。
【０００５】
そこで本発明は、小型・薄型化と撮像面積の大面積化を両立させ、製作が容易な放射線検出器を提供することを課題とする。
【０００６】
上記課題を解決するため本発明に係る放射線検出器は、(1)複数の光電変換素子を配置した受光部と、これら光電変換素子に電気的に接続されている電極パッドとを備える固体撮像素子と、(2)この固体撮像素子の受光部表面上に形成されているシンチレータと、(3)固体撮像素子が載置される平坦な載置面と、この載置面の外辺のうち少なくとも２つの辺に沿って設けられ、載置面より上方に突出してその側壁と前記載置面により凹部を形成し、該凹部に固体撮像素子を収容して位置決めする位置決め部とを有している基台と、を備えており、基台の光入射側の最上面は、位置決め部の最上面であって、固体撮像素子の受光表面は位置決め部の最上面より光入射側に位置していることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る放射線検出器は、まず、固体撮像素子を基台の載置面上に基台に設けられている位置決め部を利用して正確に位置決め固定される。こうして固体撮像素子を位置決め固定した後で、固体撮像素子の受光部表面上に蒸着等によりシンチレータを形成する。この際に、受光部表面が光入射側に最も突出して配置されているので、シンチレータ形成時に受光部上で邪魔になる突出物がなく、受光部全体にシンチレータを均一に形成することが可能である。したがって、解像度を確保して有効な受光部の面積を拡大することができる。そして、ＦＯＰを利用しない分薄型化が容易となる。
【０００８】
基台は、外部接続用の電極と、位置決め部の上面に設けられて外部接続用電極と電気的に接続される電極パッドとをさらに有するとともに、固体撮像素子の電極パッドと基台の電極パッドとを相互に接続する配線をさらに備えていることが好ましい。このようにすると、外部への接続ラインの取り回しが容易になる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。また、各図面における寸法、形状は実際のものとは必ずしも同一ではなく、理解を容易にするため誇張している部分がある。
【００１０】
図１は、本発明に係る放射線検出器の一実施形態を示す斜視図であり、図２はその拡大図、図３はその断面図である。この実施形態の放射線検出器１００は、セラミック製の基台１上に固体撮像素子２を載置したものである。基台１は、表面中央部に固体撮像素子２を載置して収容する凹部１０を有し、凹部１０を取り囲む３辺にはそれぞれ凸部１４〜１６が設けられている。そして、凸部１５の頂面１５ａ上には、凹部１０との境界に沿って複数の電極パッド１１が配列されている。これらの電極パッド１１は、基台１の裏面に配置されている外部接続用の電極端子１２と基台１を貫通している配線１３によって電気的に接続されている。ここで、各凸部１４〜１６の突出高さ（凹部１０の底面１０ａから各凸部１４〜１６の頂面１４ａ〜１６ａの頂面までの距離）は後述する固体撮像素子２の厚さより低く設定されている。
【００１１】
固体撮像素子２は、ＣＣＤイメージセンサからなり、光電変換素子２１が配列されて受光部を形成している。各光電変換素子２１は図示していない信号ラインによって固体撮像素子２の一辺に配置された電極パッド２２のうち対応する電極パッド２２と電気的に接続されている。固体撮像素子２は基台１上にそれぞれの対応する電極パッド１１、２２が近接するように載置されており、対応する電極パッド１１、２２同士は配線４によって電気的に接続されている。基台１の各凸部１４〜１６の高さが前述したように設定されているので、固体撮像素子２の入射面２ａは、各凸部１４〜１６の頂面１４ａ〜１６ａより高い位置に配置される。
【００１２】
固体撮像素子２の受光部上には、入射した放射線を光電変換素子２１が感度を有する波長帯の光に変換する柱状構造のシンチレータ３が形成されている。シンチレータ３には、各種の材料を用いることができるが、発光効率が良いTlドープのCsI等が好ましい。
【００１３】
さらに、固体撮像素子２と基台１の表面を覆う保護膜５が形成されている。この保護膜５は、Ｘ線透過性で、水蒸気を遮断するものであり、基台１側から電気絶縁性の第１の有機膜５１、金属薄膜５２、電気絶縁性の第２の有機膜５３が積層されて構成されている。
【００１４】
第１の有機膜５１と第２の有機膜５３には、ポリパラキシリレン樹脂（スリーボンド社製、商品名パリレン）、特にポリパラクロロキシリレン（同社製、商品名パリレンＣ）を用いることが好ましい。パリレンによるコーティング膜は、水蒸気及びガスの透過が極めて少なく、撥水性、耐薬品性も高いほか、薄膜でも優れた電気絶縁性を有し、放射線、可視光線に対して透明であるなど有機膜５１、５３にふさわしい優れた特徴を有している。また、金属薄膜５２としては、金、銀、アルミなどの金属薄膜が使用できる。この金属薄膜５２はシンチレータ３で発せられた光のうち、固体撮像素子２側でなく、放射線入射面側に向かう光を反射することで検出器の検出感度を増大させるミラーの役目を果たす。
【００１５】
電極パッド１１、２２と配線４部分の保護膜５をさらに覆って包み込むようにして保護樹脂層６が形成されている。この保護樹脂層６としては、保護膜５との接着性が良好な樹脂、例えばアクリル系接着剤である協立化学産業株式会社製WORLD ROCK No.801-SET2(70,000cPタイプ)を用いることが好ましい。
【００１６】
次に、図４〜図１６を用いて本発明に係る放射線検出器の製造工程を具体的に説明する。最初に図４に示されるような基台１を用意する。この基台１は、前述したように裏面に外部接続用の電極端子１２を表面に電極パッド１１が配列されており、表面側の３辺に沿って凸部１４〜１６が配置され、それらに挟まれた部分に凹部１０が形成されている。
【００１７】
この凹部１０に固体撮像素子２をその電極パッド２２が基台１の電極パッド１１側を向くようにして光電変換素子２１の受光面を表にして載置して図５に示されるように固定する。このときに、凸部１４〜１６を利用して固体撮像素子２の位置決めを行うことでその固定作業が容易となる。このとき、固体撮像素子２の入射面２ａは、各凸部１４〜１６の頂面１４ａ〜１６ａより高い位置に配置されることになる。そして、電極パッド１１と電極パッド２２とをワイヤボンディングにより配線４で電気的に接続する（図６、図７参照）。
【００１８】
次に、こうして固体撮像素子２を載置している基台１を蒸着基板ホルダー２００にセットする。図８、図９はセット後の断面図を示したものである。このとき、基台１は、図８に示されるようにその対向する凸部１４、１６を蒸着基板ホルダー２００の２００ｄによって支持することにより収容部２００ｃ内に収容、支持される。このとき、図８、図９に示されるように、固体撮像素子２の入射面２ａは、蒸着基板ホルダー２００の蒸着側表面２００ａ付近、好ましくは蒸着側表面２００ａから蒸着室２０１側へ突出するように配置される。これは、凸部１４〜１６の頂面１４ａ〜１６ａが入射面２ａより低く形成されていることによって可能となる。そして、蒸着基板ホルダー２００の凸部１５側に設けられたカバー部２００ａによって電極パッド１１、２２と配線４は覆われている。
【００１９】
この状態で蒸着基板ホルダー２００を蒸着装置内にセットして、真空蒸着法によって固体撮像素子２の入射面２ａの受光部上にTlをドープしたCsIを厚さ約200μｍの柱状結晶として成長させて、シンチレータ３層を形成する（図１０、図１１参照）。蒸着基板ホルダー２００に設置された固体撮像素子２の入射面２ａの受光部の周囲には、入射面２ａより蒸着室２０１側に突出した部分はカバー部２００ａを除いて存在しないので、カバー部２００ａ側、つまり、電極パッド２２側を除いて周辺部分までほぼ均一な厚みのシンチレータ３層を形成することが可能である。
【００２０】
CsIは、吸湿性が高く、露出したままにしておくと空気中の水蒸気を吸湿して溶解してしまうので、その保護のため、図１２に示されるように、CVD（化学的蒸着）法によりシンチレータ３が形成された固体撮像素子２付の基台１全体を厚さ10μｍのパリレンで包み込み、第１の有機膜５１を形成する。
【００２１】
具体的には、金属の真空蒸着と同様に真空中で蒸着によるコーティングを行うもので、原料となるジパラキシリレンモノマーを熱分解して、生成物をトルエン、ベンゼンなどの有機溶媒中で急冷しダイマーと呼ばれるジパラキシリレンを得る工程と、このダイマーを熱分解して、安定したラジカルパラキシリレンガスを生成させる工程と、発生したガスを素材上に吸着、重合させて分子量約５０万のポリパラキシリレン膜を重合形成させる工程からなる。
【００２２】
CsIの柱状結晶の間には隙間があるが、パリレンはこの狭い隙間にある程度入り込むので、第１の有機膜５１は、シンチレータ３層に密着し、シンチレータ３を密封する。また、この第１の有機膜５１は、電極パッド１１、２２の表面のみならず両者を繋ぐ配線４の周囲にも形成され、配線４を被覆する。これにより配線４の接着強度、機械的強度が増すので、その後の工程において配線４の取り扱いが容易になる。このパリレンコーティングにより、凹凸のあるシンチレータ３層表面に均一な厚さの精密薄膜コーティングを形成することができる。また、パリレンのCVD形成は、金属蒸着時よりも真空度が低く、常温で行うことができるため、加工が容易である。
【００２３】
続いて、図１３に示されるように、第１の有機膜５１の入射面側の表面に0.15μｍ厚さのAl膜を蒸着法により積層することで金属薄膜５２を形成する。この金属薄膜５２を形成する際には、シンチレータ３層の前に適切なマスク（図示せず）を配置して、シンチレータ３層の直上部分の第１の有機膜５１上にのみ金属薄膜５２を形成することが望ましい。しかしながら、マスクを配置しても蒸着時には金属蒸気が僅かながらマスクの外側へと回り込んでしまうことがある。このため、特に、受光部と電極パッドとの間隔が狭い場合、金属薄膜５２をシンチレータ３層の直上部分だけに形成するのは困難であり、配線４や電極パッド１１、２２上にまで金属が蒸着されてしまうことがある。本発明によれば、配線４と電極パッド１１、２２が第１の有機膜５１で被覆されているので、金属薄膜５２が配線４と電極パッド１１、２２上に直接形成されることがなく、金属薄膜５２による配線４、電極パッド１１、２２の短絡を効果的に防止できる。
【００２４】
また、金属薄膜５２の蒸着時、マスクを配置しない場合も、配線４や電極パッド１１、２２部分にまで金属薄膜５２が形成されることになるが、配線４と電極パッド１１、２２は第１の有機膜５１で被覆されているので、短絡は防止されている。また、金属薄膜５２を第１の有機膜５１を介して配線４と電極パッド１１、２２を覆う幅広い領域に形成することで、耐湿性をより向上させることができる。
【００２５】
そして、再度CVD法により、パリレンを基板全体の表面に10μｍ厚さで被覆して第２の有機膜５３を形成する（図１４参照）。この第２の有機膜５３は、金属薄膜５２のハンドリング等による汚れやはく離、酸化による劣化を防止するためのものである。こうして第１の有機膜５１、金属薄膜５２、第２の有機膜５３を積層させてなる保護膜５が形成される。
【００２６】
金属薄膜５２を第１の有機膜５１を介して配線４や電極パッド１１、２２上にも形成した場合、金属薄膜５２、第２の有機膜５３は電極パッド１１、２２の表面のみならず両者を繋ぐ配線４の周囲にも形成されており、第１の有機膜５１と合わせて配線４を三重に被覆していることになり、より配線４の機械的強度、接着強度を上げることができる。また、上述したようにマスクを用いて金属薄膜５２を形成した場合は、配線４の周囲や電極パッド１１、２２上には第１の有機膜５１と第２の有機膜５３の二重被覆が形成されることになる。
【００２７】
続いて、電極パッド１１、１２の保護膜５上に保護膜５で被覆されている配線４を包み込むように樹脂を塗布して硬化させることで保護樹脂層６を形成する。配線４は、電極パッド１１、１２を覆う保護膜５上に突出し、その周囲は、配線４上にまで金属薄膜５２を形成した場合は、有機膜５１、５３と金属薄膜５２からなる保護膜５により三重に被覆される（図１６（ａ）参照）。また、配線４上には金属薄膜５２を形成していない場合には、有機膜５１、５３により二重に被覆される（図１６（ｂ）参照）。いずれの場合も、図１５、図１６に示されるように被覆配線４の周囲に回り込み、配線４をポッティングしている。これにより配線４がさらに保護されるので、使用時の配線４の破損を効果的に防止できる。この保護樹脂層６は必ずしも設ける必要はないが、配線４の保護のためには設けることが好ましい。
【００２８】
この後で形成した保護膜５のうち基台１の裏面の保護膜５を除去して基台１裏面に設けられている外部接続用の電極端子１２を露出させることで図１〜図３に示される放射線検出器が得られる。
【００２９】
続いて、本実施形態の動作を図１〜図３により、説明する。入射面側から入射したＸ線（放射線）は、保護膜５、すなわち、第２の有機膜５３、金属薄膜５２、第１の有機膜５１の全てを透過してシンチレータ３に達する。このＸ線は、シンチレータ３で吸収され、Ｘ線の光量に比例した光が放射される。放射された光のうち、Ｘ線の入射方向に逆行した光は、第１の有機膜５１を透過して、金属薄膜５２で反射される。このため、シンチレータ３で発生した光はほとんど全てが光電変換素子２へと入射する。このため、効率の良い高感度の測定が可能となる。
【００３０】
また、本発明に係る放射線検出器においてはシンチレータ３層を受光部全体にほぼ均一な高さで形成することができるので、出力特性がほぼ均一となる有効な画素面積を最大限に広くとることが可能となり、撮像素子いっぱいに受光部を形成することができるので、従来品と同一の受光部のものであれば、その分検出器自体の大きさを小型化することが可能である。
【００３１】
各々の光電変換素子２では、光電変換により、この可視光の光量に対応する電気信号が生成されて一定時間蓄積される。この可視光の光量は入射するＸ線の光量に対応しているから、つまり、各々の光電変換素子２に蓄積されている電気信号は、入射するＸ線の光量に対応することになり、Ｘ線画像に対応する画像信号が得られる。光電変換素子２に蓄積されたこの画像信号を図示していない信号ラインから電極パッド２２、配線４、電極パッド１１、配線１３を介して最終的には電極端子１２から順次出力することにより、外部へと転送し、これを所定の処理回路で処理することにより、Ｘ線像を表示することができる。
【００３２】
このような構成を採用することにより、放射線検出器の厚みを2.5mm程度と従来良く用いられてきたFOP（ファイバ光学プレート）付の放射線検出器の厚み5.0mmの半分程度に薄くすることが可能となった。また、撮像素子いっぱいに受光部を形成した固体撮像素子の受光部にシンチレータを均一に形成できるので、撮像素子の受光部を大面積化しかつ全体を小型化した放射線検出器が実現できる。この結果、従来品（特開平10-282243号公報）と同程度の受光部の面積を確保しつつ、放射線検出器の入射面側面積を従来品の９０％程度とコンパクトにすることが可能となった。これは口腔内に挿入して使用する歯科用の放射線検出器においては大きな利点である。
【００３３】
以上の説明では、保護膜５を有する構成について説明してきたが、防湿構造のケースに入れて使用するなど他の保護手段を用いる場合やシンチレータとして耐湿性材料を使用する場合には、保護膜５のない構成であってもよい。また、保護膜５を有する場合であっても、その構成には各種の構成が考えられ、有機膜あるいは無機膜の１層構造でもこれらを組み合わせた多層構造を採用してもよい。また、固体撮像素子２はアモルファスシリコン製のフォトダイオード（ＰＤ）アレイと薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）で形成したものでもよいし、ＭＯＳ型のイメージセンサでもよい。
【００３４】
続いて、本発明に係る放射線検出器のその他の実施形態について説明する。図１７、図１８に示される実施形態では、基台１にはその表面中央に設けられた凹部１０を取り囲んで６つの凸部１４〜１９が設けられており、それらの頂面位置はいずれも凹部１０に載置した固体撮像素子２の入射面２ａより低くなるよう設定されている。
【００３５】
図１９、図２０に示される実施形態では、凸部１４、１６が凸部１５より低く設定されている点が図１〜図３に示される実施形態と異なる。また、図２１、図２２に示される実施形態では、基台１の凸部１５に対向する辺に沿って凸部１７が設けられている点が図１〜図３に示される実施形態と異なる。
【００３６】
これらの実施形態においても、各凸部の頂面が載置された固体撮像素子の受光部入射面より低くなるよう設定されているので、基台１に固体撮像素子を載置し、配線を施した後で受光部全体に均一なシンチレータ層を形成することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、固体撮像素子を載置する基台の載置面側に設けられた突出部の高さが載置された固体撮像素子の入射表面より低くなるよう設定されているので、固体撮像素子の位置決めがこの突出部により簡単に行えるとともに、載置後に固体撮像素子の受光部全体に均一なシンチレータ層を形成することが可能であり、検出器の薄型化・小型化と同時に大面積化を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る放射線検出器の実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】本発明に係る放射線検出器の実施形態を示す側面図である。
【図４】図１の装置に用いられる基台の斜視図である。
【図５】図１の装置の製造工程を説明する側面図である。
【図６】図５の工程の次の工程を説明する側面図である。
【図７】図６の工程を説明する斜視図である。
【図８】図６の工程の次の工程で用いる蒸着基板ホルダーの断面図である。
【図９】図８の蒸着基板ホルダーを別の側から見た断面図である。
【図１０】図６の工程の次の工程を説明する側面図である。
【図１１】図１０の工程を説明する斜視図である。
【図１２】図１０の工程の次の工程を説明する側面図である。
【図１３】図１１の工程の次の工程を説明する側面図である。
【図１４】図１３の工程の次の工程を説明する側面図である。
【図１５】図１４の工程の次の工程を説明する側面図である。
【図１６】図１４における配線部分の拡大断面図を２つの実施形態についてそれぞれ示す図である。
【図１７】本発明に係る放射線検出器の別の実施形態のシンチレータ層形成前の斜視図である。
【図１８】図１７に対応する側面図である。
【図１９】本発明に係る放射線検出器のさらに別の実施形態のシンチレータ層形成前の斜視図である。
【図２０】図１９に対応する側面図である。
【図２１】本発明に係る放射線検出器のさらに別の実施形態のシンチレータ層形成前の斜視図である。
【図２２】図２１に対応する側面図である。
【符号の説明】
１…基台、２…固体撮像素子、３…シンチレータ、４、１３…配線、５…保護膜、６…保護樹脂層、１０…凹部、１１、２２…電極パッド、１４〜１９…凸部、２０…基板、２１…光電変換素子、５１、５３…有機膜、５２…金属薄膜。

Claims (2)

1. 複数の光電変換素子を配置した受光部と、前記光電変換素子に電気的に接続されている電極パッドとを備える固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子の受光部表面上に形成されているシンチレータと、
   前記固体撮像素子が載置される平坦な載置面と、前記載置面の外辺のうち少なくとも２つの辺に沿って設けられ、前記載置面より上方に突出してその側壁と前記載置面により凹部を形成し、該凹部に前記固体撮像素子を収容して位置決めする位置決め部とを有している基台と、
   を備えており、前記基台の光入射側の最上面は、前記位置決め部の最上面であって、前記固体撮像素子の受光表面は前記位置決め部の最上面より光入射側に位置している放射線検出器。
2. 前記基台は、外部接続用の電極と、前記位置決め部の上面に設けられて外部接続用電極と電気的に接続される電極パッドとをさらに有するとともに、前記固体撮像素子の電極パッドと前記基台の電極パッドとを相互に接続する配線をさらに備えている請求項１記載の放射線検出器。

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