JP5767512B2 - 放射線検出素子及び放射線検出器 - Google Patents
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Description
本実施形態の放射線検出器は、基板10上に複数の画素があり、画素11aと隣接する画素11bとは画素境界12で分かれており、各々の画素には光検出器として機能する受光部13があり、それぞれの画素は放射線検出素子として機能する。また、図1(A)に示すように、基板10より順に光検出層14、保護層15、下地層16、凸パターン層17、針状シンチレータ層18、反射層19と構成される場合と、図1(B)に示すように、基板10より順に光検出層14、保護層15、下地層16、針状シンチレータ層18、凸パターン層17、反射層19と構成される場合とがある。いずれの場合も、針状結晶シンチレータの一端は凸パターン層を構成する凸部の上面に接して配置されている。前者の素子は、光検出層14上に順次プロセスを施していくことによって製造可能であり、後者の素子は、反射層19側に凸パターン層17を設けて蒸着により針状シンチレータ層18を構成した後、光検出層14と張り合わせることで製造することができる。ここで、保護層15は光検出層14を機械的・電気的に保護する目的で配置するものであり、単層・複数層のいずれの構成でもよい。また、針状シンチレータ層18がアルカリハライド系材料で構成される場合、ハロゲンの拡散等による光検出層14の劣化を保護層15により防ぐような構成としてもよい。
凸部上面に接する針状結晶シンチレータの粒子数の求め方を以下に述べる。凸部を有する基板上に形成した針状結晶シンチレータを基板から剥離し、その剥離面を走査電子顕微鏡で観察して走査電子顕微鏡像(図6)を得る。次にその剥離面を集束イオンビームで深さ方向に、例えば20μm程度掘って加工する。その加工面を走査イオン顕微鏡で観察して、走査イオン顕微鏡像を得る(図7)。走査イオン顕微鏡像の明暗(チャンネリングコントラスト)は、例えば集束イオンビーム加工で一般的に使われるGa+イオンを試料に照射した時の2次電子の発生量の違いで得られるため、試料を構成する結晶粒子の結晶方位を明瞭に観察することができる。前記走査電子顕微鏡像(図6)により判別される凸部に対応する領域内100a、101a、102aにおける、前記走査イオン顕微鏡像(図7)により判別される凸部上面に接する針状結晶シンチレータ粒子100b、101b、102bの平均個数を求める。例えば、一種類の凸パターンについて、5から10箇所程度の凸部について針状結晶シンチレータ粒子の個数を求め、それらの平均値を求めればよい。
放射線検出素子のイメージセンサーには複数の画素、例えば4000×4000個の画素があるが、従来の画素サイズに区切られたパターン上に形成される針状結晶シンチレータに関しては、画素パターン間には間隙が見られていた。しかしながら、一つの画素パターン内では、蒸着初期の針状結晶シンチレータ間に間隙が見られないという本発明の解決しようとする課題があった。
凸パターン層を形成していないポリイミド製の保護層が設けられたガラス基板の上面に、上述の真空蒸着法によって、CsIを蒸着した。CsIとTlIの粉末を別々の蒸着ボートに投入し、CsIのボートを700℃、TlIのボートを300℃に加熱することで共蒸着を行った。その他パラメータは、基板温度を200℃、成膜時のArガスを0.8Paとした。走査電子顕微鏡像から、膜厚200μmの本比較例1では、従来の針状結晶蒸着膜と同様、CsI蒸着膜の初期の分離度は悪くなっていることがわかった。また、観察した走査電子顕微鏡像から、CsI蒸着初期の針状結晶のサイズは2.0μmと見積もられるのに対し、膜厚20μm付近では4.0μm、膜厚200μm付近では8.2μmとなっていることが確認できた。
まず、凸パターンを形成するプロセスを説明する。
図4(A)及び(B)は、本実施例1の凸パターンを形成するプロセスの概念を示した断面図である。図4(A)に示すようなポリイミド製の保護層15が設けられたガラス基板40の上面に、レジスト43を塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いることにより、図4(B)に示すような凸パターン層45を形成した。ここで、レジスト43としてエポキシ樹脂系のネガ型フォトレジスト、例えばSU8を使用した場合には、露光量と露光後のベーク時間を調節することによって、膜厚及びサイズを制御することができる。Crパターンを配したマスク基板44を通して露光されたレジスト部分は、65℃で1分間、さらに90℃で2分間の露光後ベークを施すことによって、レジスト部分の架橋及び定着をが進行させた。その後、現像液SU8 developerで非露光部分のレジストを除去して、SU8による凸パターン層45を形成した。このとき、凸パターン層の上面図は、図4(C)のように凸パターン46のハニカム配列となっていた。
凸パターンの断面図は前記の図2(A)に示すような円柱形状、あるいは図2(B)に示すような上面が丸みを帯びた形状をなしていた。このとき、凸部周期が5μm、凸部サイズが3μm、凸部隙間が2μmである凸パターンP1が形成されていた。また、凸部の高さは3μmだった。
上記の実施例1と同様の凸パターンを形成するプロセスにおいて、それぞれ異なるマスク基板44を用いて、表2に示すP2からP7の各種凸パターンを作製した。その上に、実施例1と同様にしてシンチレータ層18を形成し、さらに同様の評価を行った。以下、P2およびP6の凸パターンを例に挙げて述べる。針状結晶シンチレータ18を凸パターン層45から剥離し、その剥離面を走査電子顕微鏡で観察して走査電子顕微鏡像(図6、P2およびP6)を得た。次にその剥離面を集束イオンビーム加工観察装置(日立製 FB−2000A)で深さ方向に、20μm掘って加工し、その加工面を観察して、走査イオン顕微鏡像を得た(図7、P2およびP6)。前記走査電子顕微鏡像より判別される凸部に対応する領域内101aおよび102aにおける、前記走査イオン顕微鏡像より判別される凸部上面に接する針状結晶シンチレータ粒子101bおよび102bの個数を求めた。さらに他の凸部についても同様の作業を繰り返し、計12箇所の凸部についての針状結晶シンチレータ粒子の平均個数を求めたところ、平均個数は4.30および9.38個となった。(表2)他の凸パターンP3、P4、P5、P7についても同様の評価を行ったところ、針状結晶シンチレータ粒子の平均個数と受光量改善率は表2のようになった。さらに、蒸着初期から針状結晶シンチレータを調べるため、実施例1と同様にシンチレータ層の形状を顕微鏡で観察した。
上記の実施例1と同様の凸パターンを形成するプロセスにおいて、使用するレジスト43の粘度を調整し、さらにガラス基板40への塗布時の条件を調整することで、表1に示す凸部の高さの異なる凸パターンP1を形成した。その上に実施例1と同様にして、シンチレータ層18を形成した。ただし本実施例3においては、膜厚が10μmとなるように蒸着時間を調整した。シンチレータ層の形状を走査型電子顕微鏡(日立製 S−5500)によって観察すると、凸部高さに対する蒸着初期の分離度は表1のようになり、凸部高さが0.8μm以上、すなわち近接凸部間の間隙の0.4倍以上の範囲で蒸着初期から分離していることがわかった。
上記の実施例3において、それぞれの凸部高さにおける凸部上面の平坦性を調べ、凸部上面の凹凸が凸部直径の3割以内であれば○、それより大きければ×としたところ、結果は表1のようになった。凸部上面の凹凸が凸部直径の3割以内であれば、凸部上部に形成する針状結晶シンチレータの針状結晶のサイズの変化を少なくすることができる。表1より、凸部高さが5.0μmより大きい場合に凸部上面の平坦性が維持されていなかった。これは、凸パターンを形成するプロセスの加工精度によるものと思われる。実施例3及び実施例4より、蒸着初期の分離度と凸部上面の平坦性を両立するための凸部高さの範囲は、近接凸部間の間隙の0.4倍以上2.5倍以下の範囲であることがわかった。
凸パターン層を形成していないポリイミド製の保護層が設けられたガラス基板の上面にAlの反射膜を膜厚50nmまで成膜し、さらにその上に比較例1と同様にしてシンチレータ層を膜厚200μmまで形成した。走査電子顕微鏡像から、本比較例2では、従来の針状結晶蒸着膜と同様、CsI蒸着膜の初期の分離度は悪くなっていた。
上記の実施例1で形成した凸パターン層上にAlの反射膜を設けた。凸パターン層P1は、凸部周期が5μm、凸部サイズが3μm、凸部隙間が2μmであり、高さが3μmである。この凸パターンが形成されたガラス基板に膜厚50nmのAlを成膜した。その上に実施例1と同様にしてシンチレータ層18を形成し、さらに同様の評価を行った。本実施例5においても針状結晶シンチレータ18が凸パターンに接している蒸着初期から分離しており、かつ凸部のそれぞれに対応した針状結晶シンチレータの粒子数は平均して5個以下であることが確認できた。また、光検出部14への単位面積当たりの受光量は比較例2と比較すると、受光量は増加していた。
11a,11b 画素
12 画素境界
13 受光部
14,61,71 光検出層
15,62,72 保護層
16 下地層
19 反射層
17,45,65,75 凸パターン層
18,66,76,96 シンチレータ層(針状結晶部分)
20 凸部
21 凸部周期
22 凸部サイズ
23 凸部高さ
24 凸部間隙
40 ガラス基板
43 レジスト
44 マスク基板
46 凸パターン
97 非針状結晶部分
100a,101a,102a 凸部に対応する領域
100b,101b,102b 凸部上面に接する針状結晶シンチレータ粒子
Claims (11)
- 針状結晶シンチレータ及び複数の凸部を有する凸パターン層を含む放射線検出素子であって、針状結晶シンチレータの一端が凸部上面に接して配置しており、各針状結晶シンチレータの凸部上面に接した部分にも各凸部間の間隙に対応した間隙が設けられており、及び凸部上面に接する針状結晶シンチレータの粒子数は5個以下であることを特徴とする放射線検出素子。
- 凸部の周期は2μm以上10μm以下であり、凸部間隙の幅は1.5μm以上であり、及び凸部サイズは凸部周期の0.4倍以上0.8倍以下であることを特徴とする請求項1に記載の放射線検出素子。
- 凸部は、凸部間隙の幅の少なくとも0.4倍以上の高さを有することを特徴とする請求項2に記載の放射線検出素子。
- 凸部の周期は5μm以上10μm以下であり、凸部間隙の幅は2μm以上であり、凸部サイズは凸部周期の0.4倍以上0.7倍以下であり、及び凸部は凸部間隙の幅の少なくとも0.4倍以上2.5倍以下の高さを有することを特徴とする請求項1に記載の放射線検出素子。
- 前記凸部の屈折率はシンチレータより小さいことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の放射線検出素子。
- 前記凸部はレジスト材料で構成されることを特徴とする請求項4に記載の放射線検出素子。
- 前記凸部は金属材料で構成されることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の放射線検出素子。
- 前記シンチレータはCsIを含んでいることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の放射線検出素子。
- 前記針状結晶シンチレータが発するシンチレーション光を検出する受光部を備えることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の放射線検出素子。
- 1つの前記受光部に対応する領域内に、前記凸部が複数配列されていることを特徴とする請求項9に記載の放射線検出素子。
- 基板と、前記基板に配列した複数の放射線検出素子と備え、
前記放射線検出素子は、請求項9又は10に記載の放射線検出素子であることを特徴とする放射線検出器。
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