以下、図面を参照して、本開示の検出素子および検出装置について詳細に説明する。なお、本開示の検出素子および検出装置は以下の実施形態に限定されることはなく、種々の変形を行ない実施することが可能である。全ての実施形態においては、同じ構成要素には同一符号を付して説明する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上、実際の比率とは異なったり、構成の一部が図面から省略されたりする場合がある。また、説明の便宜上、上方又は下方という語句を用いて説明するが、例えば、第1部材と第2部材との上下関係が図示と逆になるように配置されてもよい。また、以下の説明で基板の第1面及び第2面は基板の特定の面を指すものではなく、基板の表面方向又は裏面方向を特定するもので、つまり基板に対する上下方向を特定するための名称である。
<本件発明に至る経緯>
従来の放射線検出装置においては、表面に酸化膜を形成したシリコンを基材とした貫通電極を有する検出素子が用いられてきた。しかしながら、エネルギー量の多い大強度放射線の検出用途では、基材のケイ素が中性子照射を受けてリンなど他の原子に転換され、導電性を獲得してしまうことが分かった。すなわち、基材のケイ素が導通し、同時に基材表面の酸化膜から電流がリークすることにより、検出素子表面のピクセル電極の電場が乱れやすくなることが判明した。また、表面に酸化膜を形成したシリコンを基材に用いることで、表面の酸化膜による寄生容量がピクセル電極の電場を乱す原因となりうる。本開示者は、上記の問題を解決するために、鋭意検討した結果、本願発明に至った。
<第1実施形態>
[放射線検出装置100の構成]
図1を用いて、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10を備える放射線検出装置100の構成の概要を説明する。本実施形態に係る放射線検出装置100は、ドリフト電極110と、放射線検出素子10及びチャンバー111を備えている。ドリフト電極110と、放射線検出素子10は、チャンバー111内に一定のスペースを介して対向して配置される。チャンバー111の内部には、アルゴンやキセノンなどの希ガスと、エタンやメタンなどの常温でガスのアルカンもしくは二酸化炭素を含む消光作用を有するガス(クエンチングガス)と、の混合ガスで封入されている。なお、チャンバー111の内部にはこれらのガスが単体で封入されていてもよく、二種類以上の混合ガスが封入されていてもよい。
本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10は、絶縁部材102、第1絶縁層140、カソード電極104、アノード電極106、アノードパターン電極108及びアノード貫通電極112を有している。本実施形態において、絶縁部材102の第1面には第1絶縁層140が配置される。図1に示すように、カソード電極104は、絶縁部材102の第1面側である第1絶縁層140の上に複数配置されている。カソード電極104は、複数の開口部105を有している。カソード電極104は、ストリップ状に形成されているので、カソードストリップ電極ともいう。
カソード電極104の複数の開口部105のそれぞれには、アノード電極106が配置される。アノード電極106は、カソード電極104と離隔して絶縁部材102の第1面側である第1絶縁層140の上に配置される。アノード電極106は、第1絶縁層140に配置される第1開口部141を介してアノード貫通電極112と接続される。アノード貫通電極112は、絶縁部材102の第1面から反対側の第2面まで絶縁部材102を接続する貫通孔に配置される。アノード貫通電極112は、アノードパターン電極108と接続される。アノードパターン電極108は、絶縁部材102の第2面に配置される。すなわち、アノード電極106は絶縁部材102の第1面側においてアノード貫通電極112に接続され、アノード貫通電極112は絶縁部材102の第2面側においてアノードパターン電極108に接続される。アノード電極106、アノード貫通電極112、およびアノードパターン電極108の構造については後で詳しく説明する。アノードパターン電極108は複数のアノード貫通電極112と接続し、複数のアノード貫通電極112はそれぞれ複数のアノード電極106と接続する。アノードパターン電極108は、絶縁部材102の第2面に複数配置されている。
本実施形態において、複数のカソード電極104が延在する方向と、複数のアノード電極106が接続するアノードパターン電極108が延在する方向とは概略直交している。アノード電極106はカソード電極104とアノードパターン電極108とが交差する位置に設けられている。換言すると、アノード電極106は、カソード電極104が延在する方向及びアノードパターン電極108が延在する方向に沿ってマトリクス状に配置されている。ここで、本実施形態では、カソード電極104が延在する方向及びアノードパターン電極108が延在する方向が概略直交している構成を例示したが、この構成に限定されない。カソード電極104が延在する方向及びアノードパターン電極108が延在する方向は異なればよく、例えば傾斜して交差する構成であってもよい。
絶縁部材102の第1面側である第1絶縁層140の上には、さらにリード配線124が設けられている。アノード電極106は、アノード貫通電極112、アノードパターン電極108、層間接続部126を介して、このリード配線124に接続される。すなわちアノード電極106、アノード貫通電極112、アノードパターン電極108、層間接続部126、およびリード配線124は、一つの導電体であり、リード配線124はアノード電極106の接続端子として機能する。なお、本実施形態においては、アノード電極106、アノード貫通電極112、アノードパターン電極108、層間接続部126、およびリード配線124は別々に設けられ、それぞれが電気的に接続されている形態について説明しているが、これに限定されるわけではない。例えば、アノード電極106、アノード貫通電極112、アノードパターン電極108、層間接続部126、およびリード配線124の一部又は全部が一体形成されていてもよい。アノードパターン電極108は、ストリップ状に形成されているので、アノードストリップパターンともいう。アノード電極106を第1電極、カソード電極104を第2電極、ドリフト電極110を第3電極という場合がある。
本発明の一実施形態に係る絶縁部材102としては、ガラス基板を用いることができる。特に、アルカリ金属を含まず、アルカリ土類金属酸化物を主成分とした無アルカリガラスを用いることが好ましい。無アルカリガラスは溶融性があり、加工がしやすく、電気絶縁性にも優れるため絶縁部材102の材料として好ましい。絶縁部材102にガラスを用いることで、多量の放射線が照射されてケイ素がリンに転換する場合が生じても、酸素を介する結合により絶縁性を維持することができ、安定して高いガス増幅率を得ることができる。絶縁部材102にガラスを用いることで、絶縁部材102を貫通する貫通孔103の内側面の凹凸構造を抑制することができ、後述する貫通孔103のアスペクト比を4以上8以下の範囲で形成することができる。また、基板として絶縁部材を用いることで、表面に酸化膜を形成したシリコンを基材を用いたときの酸化膜などによる寄生容量の問題を抑制することができる。
絶縁部材102の厚さは、特に制限はないが、例えば、200μm以上700μm以下の厚さの基板を用いることができる。絶縁部材102の厚さは、より好ましくは、350μm以上450μm以下であるとよい。上記の基板の厚さの下限よりも基板が薄くなると、基板のたわみが大きくなる。その影響で、製造過程におけるハンドリングが困難になるとともに、基板上に形成する薄膜等の内部応力により基板が反ってしまい、基板が割れる問題が生じる。また、上記の基板の厚さの上限よりも基板が厚くなると貫通孔の形成工程が長くなる。その影響で、製造工程が長期化し、製造コストも上昇してしまう。
本発明の一実施形態に係る第1絶縁層140としては、有機絶縁材料を用いることができる。有機絶縁層としては、ポリイミド、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、ポリアミド、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、液晶ポリマー、ポリアミドイミド、ポリベンゾオキサゾール、シアネート樹脂、アラミド、ポリオレフィン、ポリエステル、BTレジン、FR−4、FR−5、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、シンジオタクチック・ポリスチレン 、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテルポリサルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、ポリエーテルイミドなどを用いることができる。また、第1絶縁層140としてガスを透過しやすい部材を用いることができる。例えば、内部に気泡を含有するポーラスな材料を用いてもよい。
第1絶縁層140の厚さは、特に制限はないが、例えば、1μm以上20μm以下の範囲で適宜選択することができる。第1絶縁層140の厚さが上記下限より薄いと、アノード電極106とカソード電極104の表面絶縁が小さくなり、放電が起こる原因となりうる。また、第1絶縁層140の厚さが上記上限より厚くなると、第1開口部141の形成工程が長くなり、製造工程が長期化し、製造コストも上昇してしまう。また第1絶縁層140による内部応力で絶縁部材102が反り、割れやすくなる。
本実施形態に係る、カソード電極104、アノード電極106、アノード貫通電極112、アノードパターン電極108、層間接続部126、およびリード配線124の材料は銅(Cu)であるが、導電性を備えた金属材料ならこれに限定しない。金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、スズ(Sn)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)等の金属またはこれらを用いた合金などから選択された材料を用いることができる。
リード配線124はさらに、第1金属層120および第2金属層122を有していてもよい。ここで、第1金属層120は、外部装置との接続端子として機能する。したがって、外部装置に備えられた接続端子と良好な電気的接続を確保する目的で配置される。第1金属層120としては、例えば、Au、Ag、Ptなどの材料を用いることができる。第2金属層122は第1金属層120とリード配線124との間で各々の金属原子が拡散して混合することを抑制するバリア層として機能する。したがって、第2金属層122は第1金属層120及びリード配線124の各々に用いられる材料の拡散を抑制することができる材料を用いることができる。第2金属層122としては、例えば、Ni、Pd、Ti、Ta、窒化チタン(TiN)、窒化タンタル(TaN)などの材料を用いることができる。
ここで、カソード電極104の一部、開口部105、アノード電極106、絶縁部材102の一部を含むピクセル電極の最小繰り返し単位をピクセル電極1とする。ピクセル電極1は概略正方形である。ピクセル電極の一辺の長さをPとすると、カソード電極104の最小繰り返し単位(ピッチ)及びアノード電極106の最小繰り返し単位(ピッチ)もPとなる。図1では1個の放射線検出素子10に6個のピクセル電極1を示したが、これに限定されない。放射線検出素子10は、複数のピクセル電極1を有すればよい。放射線検出装置100は、ピクセル電極1とドリフト電極110の間に入射した放射線を、放射線検出素子10によって検出する。
[放射線検出の原理]
図2を用いて、本発明の一実施形態に係る放射線検出装置の動作原理を説明する。それぞれのカソード電極104とアノード電極106の間に電圧を印加することで、電場が形成される。カソード電極104はグランド(GND)に接続されており、ドリフト電極110とカソード電極104との間にも電圧が印加され、電場が形成される。
放射線が入射した時、ドリフト電極110とカソード電極104との間に発生させた電場の影響により、放射線はチャンバー111内に存在する気体との相互作用により電子雲を形成する。電子雲の各電子は、アノード電極106とカソード電極104からなるピクセル電極1の方向へ引き寄せられる。このとき、引き寄せられた電子は気体原子と衝突し、気体原子を電離する。ガス増幅により電離した電子は雪崩的に増殖し、アノード電極106で収集される電子群は、電気信号として読み出すことができる程度にまで達する。そして、この電気信号をアノードパターン電極108を通して接続端子であるリード配線124から外部に読み出すことができる。一方、カソード電極104には電子群に誘導された正電荷が生じ、ここから得られる電気信号をカソード電極の接続端子104Aから外部に読みだすことができる。これらの電気信号を時系列に計測することにより、荷電粒子の飛跡を測定することができる。
[ピクセル電極の構成]
次に、図3および図4を用いて、本実施形態に係る放射線検出素子10が有するピクセル電極1の構成について詳しく説明する。図3は、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10の一部の平面図である。図4は、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10の一部の断面図である。図4(A)は、図3のA−A’断面図である。
図3および図4(A)に示すように、放射線検出素子10のピクセル電極1は、絶縁部材102、第1絶縁層140、アノード電極106(第1電極)、アノード貫通電極112、アノードパターン電極108、及びカソード電極104(第2電極)を有する。図3に示すように、カソード電極104には、アノード電極106を囲むように開口部105が設けられている。カソード電極104は、アノード電極106と離隔して配置されている。つまり、カソード電極104とアノード電極106とは絶縁されている。ここで図3では、カソード電極104とアノード電極106との距離がアノード電極106を基準として全方向において一定になるようにカソード電極104の開口部105内にアノード電極106が設けられた構成を例示したが、この構成に限定されない。例えば、アノード電極106を基準としてある一定の方向において、他の方向よりもカソード電極104とアノード電極106との距離が近くてもよい。このようにすることで、上記の一定の方向において検出感度を高めることができる。また、図3では、カソード電極104はアノード電極106を囲んでいる構成を例示したが、カソード電極104の一部が開放されていてもよい。
図4に示すように、アノード電極106は、絶縁部材102の第1面102Aに配置される第1絶縁層140の上に露出するように配置される。本実施形態においてアノード電極106は、開口部105のそれぞれにおいて第1絶縁層140から先端が突出している形状を有しているが、開口部105のそれぞれにおいて先端が突出しないような形状(先端が第1絶縁層140の上面と概略一致する形状、又は先端が第1絶縁層140の内部に位置する形状)であってもよい。ただし、第1絶縁層140上でのカソード電極104とアノード電極106の高さを略同一にすることで、高電圧を印加して電気力線をアノード電極106に集中させても放電が抑制される。
アノード電極106は、絶縁部材102の第1面102A側において、貫通孔103に配置されたアノード貫通電極112に接続されている。このため第1絶縁層140には、アノード貫通電極112の一部を露出するように第1開口部141が設けられている。アノード電極106は、第1絶縁層140の第1開口部141を介してアノード貫通電極112に接続されている。
第1絶縁層140の第1開口部141は、アノード貫通電極112側(絶縁部材102の第1面102A側)からアノード電極106側(第1絶縁層140の上面)まで第1絶縁層140を接続する。本実施形態において、第1開口部141は、第1絶縁層140の上面に向かって径が広がるテーパ形状である構成を例示したが、この構成に限定されない。第1開口部141の形状は、第1絶縁層140の厚さ方向において略同一の径を有する円柱形であってもよい。
第1開口部141の内径は、貫通孔103の第1面102A側における第1貫通端部103Aの内径より小さい。ここで第1開口部141の内径とは最大径を示し、第1開口部141の第1絶縁層140の厚さ方向と垂直な任意の断面における第1開口部141の輪郭線上の距離が最大になる2点の長さを示す。したがって、貫通孔103の第1貫通端部103Aおよびアノード貫通電極112の第1面102A側の一部は、第1絶縁層140の下面と接している。貫通孔103の第1貫通端部103Aおよびアノード貫通電極112の第1面102A側の一部が第1絶縁層140と接することで、絶縁部材102とアノード貫通電極112との界面において発生した水素及び水分は第1絶縁層140を介して外部に放出することができる。その結果、貫通孔103及びアノード貫通電極112が破壊されることを抑制することができる。
図4に示すように、アノード電極106の径106Aは第1絶縁層140の第1開口部141の内径よりも大きい。ここでアノード電極106の径106Aとは、アノード電極106の第1面102Aとは反対側の上面における最大径を示す。アノード電極106の径106Aが第1絶縁層140の第1開口部141の内径よりも大きいことで、アノード電極106の上端部の形状を制御しやすくなる。
図4では、アノード貫通電極112が貫通孔103の内部に充填される構成を例示したが、この構成に限定されない。アノード貫通電極112はアノード電極106と電気的に接続されればよく、例えば、アノード貫通電極112は貫通孔103の内側面に配置され、アノード貫通電極112の内部は空洞または絶縁樹脂などで充填されてもよい。
貫通孔103は、絶縁部材102の第1面102Aから第2面102Bまで接続する。本実施形態において、貫通孔103およびアノード貫通電極112は円柱形である。すなわち、貫通孔103は絶縁部材102の厚さ方向において略同一の内径を有する。ここで貫通孔103の内径とは最大径を示し、貫通孔103の絶縁部材102の厚さ方向と垂直な断面における貫通孔103の輪郭線上の距離が最大になる2点の長さを示す。したがって、貫通孔103の第1面102A側における第1貫通端部103Aの内径と貫通孔103の第2面102B側における第2貫通端部103Bの内径とは、略同一である。
貫通孔103のアスペクト比は、4以上8以下の範囲であることが好ましい。ここで貫通孔103のアスペクト比とは、貫通孔103の内径(貫通孔103が絶縁部材102の厚さ方向において異なる内径を有する場合、最大値をとる)に対する貫通孔103の深さ(絶縁部材102の厚さ)と定義する。貫通孔103のアスペクト比が8より大きい場合、後述するアノード貫通電極112を形成するときに、貫通孔103の内側面に貫通孔103の深さ全体に亘って導電層を形成することが困難になる。貫通孔103のアスペクト比が4未満である場合、アノードパターン電極108とカソード電極104間に電気力線が生じるようになり、アノード電極106とカソード電極104間に電気力線が集中しなくなり、ガス増幅率が低下してしまう。
本実施形態において、貫通孔103の第1面102A側における第1貫通端部103Aの内径と、アノード電極106の径106Aとは略同一である。しかしながらこれに限定されず、本実施形態の変形例に係る放射線検出素子では、図4(B)に示すように、アノード電極106の径106Aは貫通孔103の第1面102A側における第1貫通端部103Aの内径より小さくてもよい。アノード電極106の径106Aが第1貫通端部103Aの内径より小さいことで、カソード電極104及びアノード電極106のピッチを小さくすることができる。放射線検出素子10がこのような構成を有することで、微細なピクセル電極1を形成することができ、放射線検出装置100の分解能を向上することができる。図4(C)に示すように、アノード電極106の径106Aは貫通孔103の第1面102A側における第1貫通端部103Aの内径より大きくてもよい。アノード電極106の径106Aが第1貫通端部103Aの内径より大きいことで、例えば、アノード電極106の形成時において第1開口部141との位置ずれの問題を抑制することができる。アノード電極106の径106Aは、100μm以下の範囲であればよい。
アノードパターン電極108は、絶縁部材102の第2面102B側に配置されている。アノードパターン電極108は、絶縁部材102の第2面102B側においてアノード貫通電極112と接続されている。アノードパターン電極108は隣接するアノード貫通電極112を連結し、層間接続部126を介してリード配線124に接続される。アノードパターン電極108の幅は、第2貫通端部103Bより大きければよい。ここでアノードパターン電極108の幅とは、アノードパターン電極108が延在する方向と垂直な幅を示す。
以上のように、本実施形態に係る検出素子を備える放射線検出装置によると、絶縁部材102としてガラスを用いることで、多量の放射線が照射されてケイ素がリンに転換する場合が生じても、酸素を介する結合により絶縁性を維持することができ、安定して高いガス増幅率を得ることができる。絶縁部材102にガラスを用いることで、絶縁部材102を貫通する貫通孔103の内側面の凹凸構造を抑制することができ、貫通孔103のアスペクト比を4以上8以下の範囲で形成することができる。また、基板として絶縁部材を用いることで、表面に酸化膜を形成したシリコンを基材を用いたときの酸化膜などによる寄生容量の問題を抑制することができる。また、第1絶縁層140を用いることで、アノード電極106とカソード電極104間に高電圧を印加したときの表面絶縁性を向上することもでき、放電の発生を抑える。さらに、アノード電極106は第1絶縁層140を介して、アノード貫通電極112から距離が離れるため、カソード104との間に形成される電気力線がアノード電極106の外縁に集中し、電気力線の密度が増して、ガス増幅率が向上する効果も得られる。
さらに、貫通孔103の第1貫通端部103Aが第1絶縁層140と接することで、絶縁部材102とアノード貫通電極112との界面において発生した水素及び水分は第1絶縁層140を介して外部に放出することができる。その結果、貫通孔103及びアノード貫通電極112が破壊されることを抑制することができ、放射線検出素子10の耐久性を向上することができる。また、第1絶縁層140を有することで、アノード電極106の径106Aの設計自由度が向上する。アノード電極106の径106Aが第1貫通端部103Aの内径より小さい場合、カソード電極104及びアノード電極106のピッチを小さくすることができる。放射線検出素子10がこのような構成を有することで、微細なピクセル電極1を形成することができ、放射線検出装置100の分解能を向上することができる。アノード電極106の径106Aが第1貫通端部103Aの内径より大きい場合、例えば、アノード電極106の形成時において第1開口部141との位置ずれの問題を抑制することができ、放射線検出素子10の信頼性を向上することができる。
[検出素子の製造方法]
図5から図7を用いて、本実施形態に係る放射線検出素子10の製造方法を説明する。図5から図7において、図3および図4に示す要素と同じ要素には同一の符号を付した。
図5(A)は、本開示の一実施形態に係る検出素子の製造方法において、絶縁部材102に貫通孔103を形成する工程を示す図である。絶縁部材102に貫通孔103を形成する方法としては、フォトリソグラフィを用いたウェットエッチング又はドライエッチング、レーザ照射による昇華又はアブレーション、レーザ照射による変質層形成及びウェットエッチング、サンドブラスト方式などの方法を用いることができる。
図5(B)は、本開示の一実施形態に係る検出素子の製造方法において、貫通孔103にアノード貫通電極112および層間接続部126を充填する工程を示す図である。図5(B)に示すように、アノード貫通電極112および層間接続部126を貫通孔103内部に充填させる。アノード貫通電極112および層間接続部126の充填は電解めっき法や無電解めっき法を用いることができる。ここでは詳細な説明は省略するが、貫通孔103の第1貫通端部103Aまたは第2貫通端部103Bにシード層を形成し、シード層上にめっき層を成長させて貫通孔103を塞ぐまでめっき層を成長させる、いわゆる蓋めっきを形成する。そして、当該蓋めっきから貫通孔103の他方の貫通端部に向けてめっき層を成長させることで貫通孔103を充填するアノード貫通電極112および層間接続部126を形成することができる。
図5(C)は、本開示の一実施形態に係る検出素子の製造方法において、絶縁部材102の第1面102A側に第1絶縁層140を形成する工程を示す図である。図5(C)に示すように、絶縁部材102の第1面102Aにおいて、絶縁部材102上及びアノード貫通電極112上に第1開口部141が設けられた第1絶縁層140を形成する。ここで、第1絶縁層140は絶縁部材102及びアノード貫通電極112を覆うように絶縁部材102の第1面102A全面に形成され、続いてアノード貫通電極112の一部を露出する位置に第1開口部141が形成される。第1開口部141は傾斜面が上方を向いたテーパ形状に形成する。第1絶縁層140は、例えば塗布法を用いて形成することができる。また、第1絶縁層140は、単層で形成してもよく、又は積層で形成してもよい。ここで、第1絶縁層140は、好ましくは3μm以上12μm以下の範囲で形成するとよい。
図5(D)は、本開示の一実施形態に係る検出素子の製造方法において、絶縁部材102の第1面側に配置された第1絶縁層140の上に導電層325を形成する工程を示す図である。図5(D)に示すように、絶縁部材102の第1面側において、第1絶縁層140上及び第1開口部141から露出されたアノード貫通電極112上に導電層325を形成する。導電層325は、後にカソード電極104、アノード電極106、及びリード配線124の一部となる。導電層325は、PVD法又はCVD法等により形成することができる。導電層325に使用する材料は、後に導電層325上に形成するめっき層326と同じ材質を選択することができる。導電層325は、後の工程でめっき層326を形成する際に、電解めっき法におけるシードとして用いられる。ここで、導電層325は、好ましくは20nm以上1μm以下の膜厚で形成するとよい。また、導電層325は、より好ましくは100nm以上300nm以下の膜厚で形成するとよい。
図6(A)は、本開示の一実施形態に係る検出素子の製造方法において、導電層325上にレジストパターン329を形成する工程を示す図である。図6(A)に示すように、導電層325上にフォトレジストを塗布した後に、露光及び現像を行うことによりレジストパターン329を形成する。ここでレジストパターン329は、後にカソード電極104、アノード電極106、及びリード配線124を形成する領域を露出する。
図6(B)は、本開示の一実施形態に係る検出素子の製造方法において、レジストから露出された導電層325にめっき層326を形成する工程を示す図である。図6(B)に示すように、図4に示すカソード電極104、アノード電極106、及びリード配線124のパターンが形成される領域にめっき層326を形成する。導電層325に通電して電解めっき法を行い、レジストパターン329から露出している導電層325上にめっき層326を形成する。
図6(C)は、本開示の一実施形態に係る検出素子の製造方法において、レジストパターン329を除去する工程を示す図である。図6(C)に示すように、めっき層326を形成した後に、レジストパターン329を構成するフォトレジストを有機溶媒により除去する。なお、フォトレジストの除去には、有機溶媒を用いる代わりに、酸素プラズマによるアッシングを用いることもできる。
図6(D)は、本開示の一実施形態に係る検出素子の製造方法において、アノード電極及びカソード電極を形成する工程を示す図である。図6(D)に示すように、レジストパターン329によって覆われ、上にめっき層326が形成されなかった領域の導電層325を除去(エッチング)することで、カソード電極104、アノード電極106、及びリード配線124を電気的に分離する。導電層325のエッチングによって、めっき層326の表面もエッチングされて薄膜化するため、この薄膜化の影響を考慮してめっき層326の膜厚を設定することが好ましい。導電層325のエッチングとしては、ウェットエッチングやドライエッチングを使用することができる。この工程によって、図4に示すカソード電極104、アノード電極106、及びリード配線124を形成することができる。なお、カソード電極104、アノード電極106、及びリード配線124は、導電層325及びめっき層326から形成されているが、図では一体として形成された構造を例示した。
図7(A)は、本開示の一実施形態に係る検出素子の製造方法において、配線端子部を形成する工程を示す図である。図7(A)に示すように、リード配線124上に第2金属層122及び第1金属層120をさらに形成することで接続端子部を形成してもよい。第2金属層122及び第1金属層120は、リード配線124に通電する電解めっき法によって、リード配線124上に選択的に形成することができる。ただし、全面に第2金属層122及び第1金属層120を形成するための金属層を成膜し、接続端子部に対応する領域をフォトレジストで覆い、その他の領域をエッチングすることで第2金属層122及び第1金属層120を形成してもよい。
図7(B)は、本開示の一実施形態に係る検出素子の製造方法において、基板の裏面にアノードパターン電極108を形成する工程を示す図である。図7(B)に示すように、絶縁部材102の第2面側にアノードパターン電極108を形成する。上記の製造方法によって、図3および図4に示す放射線検出素子10の構造を得ることができる。
図7(C)は、本開示の一実施形態に係る検出素子の製造方法において、ワイヤーボンディング工程を示す図である。図7(B)に示すように、図7(C)の検出素子を接着層330を介してフレーム340に固定し、第1金属層120とフレーム340とをボンディングワイヤ132によって接続してもよい。
<第2実施形態>
本実施形態に係る放射線検出素子10aは、貫通孔103aおよびアノード貫通電極112aが円錐台型であること、絶縁部材102aの第2面102Baに第2絶縁層142が配置されること以外、第1実施形態に係る放射線検出素子10と同じであるから、ここでは、第1実施形態に係る放射線検出素子10と相違する部分について説明する。なお、第2実施形態に係る放射線検出素子10aにおいて、図3および図4に示した放射線検出素子10と同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
[ピクセル電極の構成]
図8および図9を用いて、本開示の第2実施形態に係る放射線検出素子が有するピクセル電極の構成について詳しく説明する。図8は、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10aの一部の平面図である。図9は、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10aの一部の断面図である。図9(A)は、図8のB−B’断面図である。
図8および図9(A)に示すように、放射線検出素子10aのピクセル電極1aは、絶縁部材102a、第1絶縁層140a、第2絶縁層142a、アノード電極106a(第1電極)、アノード貫通電極112a、アノードパターン電極108a、及びカソード電極104a(第2電極)を有する。本実施形態において、絶縁部材102aの第1面102Aaには第1絶縁層140aが配置される。絶縁部材102aの第2面102Baには第2絶縁層142aが配置される。第2絶縁層142aとしては、第1絶縁層140aと同じ有機絶縁材料を用いることができる。第2絶縁層142aとして第1絶縁層140aと同じ有機絶縁材料を用いることで、第1絶縁層140aによる内部応力で絶縁部材102aが反りやすくなることを抑制することができる。
アノード電極106aおよびカソード電極104aは、絶縁部材102aの第1面102Aa側である第1絶縁層140aの上に複数配置されている。アノード電極106aは、絶縁部材102aの第1面102Aa側において、貫通孔103aに配置されたアノード貫通電極112aに接続されている。このため第1絶縁層140aには、アノード貫通電極112aの一部を露出するように第1開口部141aが設けられている。アノード電極106aは、第1絶縁層140aの第1開口部141aを介してアノード貫通電極112aに接続されている。
第1絶縁層140aの第1開口部141aは、アノード貫通電極112a側(絶縁部材102aの第1面102Aa側)からアノード電極106a側(第1絶縁層140aの上面)まで第1絶縁層140aを接続する。第1開口部141aの内径は、貫通孔103aの第1面102Aa側における第1貫通端部103Aaの内径より小さい。したがって、貫通孔103aの第1貫通端部103Aaおよびアノード貫通電極112aの第1面102Aa側の一部は、第1絶縁層140aの下面と接している。貫通孔103aの第1貫通端部103Aaおよびアノード貫通電極112aの第1面102Aa側の一部が第1絶縁層140aと接することで、絶縁部材102aとアノード貫通電極112aとの界面において発生した水素及び水分は第1絶縁層140aを介して外部に放出することができる。その結果、貫通孔103a及びアノード貫通電極112aが破壊されることを抑制することができる。
図9に示すように、アノード電極106aの径106Aaは第1絶縁層140aの第1開口部141aの内径よりも大きい。ここでアノード電極106aの径106Aaとは、アノード電極106aの第1面102Aaとは反対側の上面における最大径を示す。アノード電極106aの径106Aaが第1絶縁層140aの第1開口部141aの内径よりも大きいことで、アノード電極106aの上端部の形状を制御しやすくなる。
アノード貫通電極112aは貫通孔103aの内部に充填されている。貫通孔103aは、絶縁部材102aの第1面102Aaから第2面102Baまで接続する。本実施形態において、貫通孔103aは円錐台型である。すなわち、貫通孔103aは絶縁部材102aの厚さ方向の2か所において異なる内径を有する。貫通孔103aの第1面102Aa側における第1貫通端部103Aaと、貫通孔103aの第2面102Ba側における第2貫通端部103Baとは、互いに異なる内径を有する。貫通孔103aは、第1面102Aa側における第1貫通端部103Aaの内径が、第2面102Ba側における第2貫通端部103Baの内径より小さい。
ここで、絶縁部材102aの第1面102Aaと貫通孔103aの側壁とのなす角度θは85°以上89°以下である。ここで、なす角度θは、好ましくは86°以上88°以下であるとよい。また、なす角度θは、より好ましくは86.5°以上87.5°以下であるとよい。すなわち、本実施形態に係る貫通孔103aは、絶縁部材102aの第1面102Aaから第2面102Baに向かって径が広がるテーパ形状である。
貫通孔103aのアスペクト比は、4以上8以下の範囲であることが好ましい。貫通孔103aのアスペクト比が8より大きい場合、後述するアノード貫通電極112aを形成するときに、貫通孔103aの内側面に貫通孔103aの深さ全体に亘って導電層を形成することが困難になる。貫通孔103aのアスペクト比が4未満である場合、アノードパターン電極108aとカソード電極104a間に電気力線が生じるようになり、アノード電極106aとカソード電極104a間に電気力線が集中しなくなり、ガス増幅率が低下してしまう。
本実施形態において、貫通孔103aの第1面102Aa側における第1貫通端部103Aaの内径と、アノード電極106aの径106Aaとは略同一である。しかしながらこれに限定されず、本実施形態の変形例に係る検出素子では、図9(B)に示すように、アノード電極106aの径106Aaは貫通孔103aの第1面102Aa側における第1貫通端部103Aaの内径より小さくてもよい。アノード電極106aの径106Aaが第1貫通端部103Aaの内径より小さいことで、カソード電極104a及びアノード電極106aのピッチを小さくすることができる。放射線検出素子10aがこのような構成を有することで、微細なピクセル電極1aを形成することができ、放射線検出装置100aの分解能を向上することができる。図9(C)に示すように、アノード電極106aの径106Aaは貫通孔103aの第1面102Aa側における第1貫通端部103Aaの内径より大きくてもよい。アノード電極106aの径106Aaが第1貫通端部103Aaの内径より大きいことで、例えば、アノード電極106aの形成時において第1開口部141aとの位置ずれの問題を抑制することができる。アノード電極106aの径106Aaは、100μm以下の範囲であればよい。
アノードパターン電極108aは、絶縁部材102aの第2面102Ba側である第2絶縁層142aの上に複数配置されている。アノードパターン電極108aは、絶縁部材102aの第2面102Ba側においてアノード貫通電極112aと接続されている。このため第2絶縁層142aには、アノード貫通電極112aの一部を露出するように第2開口部143aが設けられている。アノードパターン電極108aは、第2絶縁層142aの第2開口部143aを介してアノード貫通電極112aに接続されている。
第2絶縁層142aの第2開口部143aは、アノード貫通電極112a側(絶縁部材102aの第2面102Ba側)からアノードパターン電極108a側(第2絶縁層142aの上面)まで第2絶縁層142aを接続する。第2開口部143aの内径は、貫通孔103aの第2面102Ba側における第2貫通端部103Baの内径より小さい。ここで第2開口部143aの内径とは最大径を示し、第2開口部143aの第2絶縁層142aの厚さ方向と垂直な任意の断面における第2開口部143aの輪郭線上の距離が最大になる2点の長さを示す。したがって、貫通孔103aの第2貫通端部103Baおよびアノード貫通電極112aの第2面102Ba側の一部は、第2絶縁層142aの下面と接している。貫通孔103aの第2貫通端部103Baおよびアノード貫通電極112aの第2面102Ba側の一部が第2絶縁層142aと接することで、絶縁部材102aとアノード貫通電極112aとの界面において発生した水素及び水分は第2絶縁層142aを介して外部に放出することができる。その結果、貫通孔103a及びアノード貫通電極112aが破壊されることを抑制することができる。
アノードパターン電極108aは隣接するアノード貫通電極112aを連結し、層間接続部126aを介してリード配線124aに接続される。アノードパターン電極108aの幅は、第2絶縁層142aの第2開口部143aの内径より大きければよい。本実施形態において、アノードパターン電極108aの幅は、第2貫通端部103Baの内径より大きい。アノードパターン電極108aの幅が第2貫通端部103Baの内径より大きいことで、例えば、アノードパターン電極108aの形成時において第2開口部143aとの位置ずれの問題を抑制することができる。しかしながらこれに限定されず、アノードパターン電極108aの幅は、第2貫通端部103Baの内径より小さくてもよい。アノードパターン電極108aの幅が第2貫通端部103Baの内径より小さいことで、より微細な配線パターンを形成することができる。
以上のように、本実施形態に係る検出素子を備える放射線検出装置によると、絶縁部材102aとしてガラスを用いることで、多量の放射線が照射されてケイ素がリンに転換する場合が生じても、酸素を介する結合により絶縁性を維持することができ、安定して高いガス増幅率を得ることができる。絶縁部材102aにガラスを用いることで、絶縁部材102aを貫通する貫通孔103aの内側面の凹凸構造を抑制することができ、貫通孔103aのアスペクト比を4以上8以下の範囲で形成することができる。また、基板として絶縁部材を用いることで、表面に酸化膜を形成したシリコンを基材を用いたときの酸化膜などによる寄生容量の問題を抑制することができる。また、第1絶縁層140aを用いると、アノード電極106aとカソード電極104a間に高電圧を印加したときの表面絶縁性を向上することもでき、放電の発生を抑える。さらに、アノード電極106aは第1絶縁層140aを介して、アノード貫通電極112aから距離が離れるため、カソード104aとの間に形成される電気力線がアノード電極106aの外縁に集中し、電気力線の密度が増して、ガス増幅率が向上する効果も得られる。
本実施形態に係る放射線検出素子10aは貫通孔103aの第1貫通端部103Aaが第2貫通端部103Baより小さいことで、アノード電極106aの径106Aaを小さくすることができ、より高いガス増幅率を得ることができる。貫通孔103aの第1貫通端部103Aaが第2貫通端部103Baより小さいことで、第1貫通端部103Aaとカソード電極104aの距離を大きくとることができ、よりカソード電極104aとアノード電極106a間の電場を集中(アノード電極付近の電気力線の密度を大きく)させることができ、ガス増幅率が向上する。
さらに、貫通孔103aの第1貫通端部103Aaおよび第2貫通端部103Baが、それぞれ第1絶縁層140aまたは第2絶縁層142aと接することで、絶縁部材102aとアノード貫通電極112aとの界面において発生した水素及び水分は第1絶縁層140aおよび第2絶縁層142aを介して外部に放出することができる。その結果、貫通孔103a及びアノード貫通電極112aが破壊されることを抑制することができ、放射線検出素子10aの耐久性を向上することができる。
また、第1絶縁層140aを有することで、アノード電極106aの径106Aaの設計自由度が向上する。アノード電極106aの径106Aaが第1貫通端部103Aaの内径より小さい場合、カソード電極104a及びアノード電極106aのピッチを小さくすることができる。放射線検出素子10aがこのような構成を有することで、微細なピクセル電極1aを形成することができ、放射線検出装置100aの分解能を向上することができる。アノード電極106aの径106Aaが第1貫通端部103Aaの内径より大きい場合、例えば、アノード電極106aの形成時において第1開口部141aとの位置ずれの問題を抑制することができ、放射線検出素子10aの信頼性を向上することができる。また、第2絶縁層142aを有することで、アノードパターン電極108aの幅の設計自由度が向上する。アノードパターン電極108aの幅が第2貫通端部103Baの内径より小さい場合、アノードパターン電極108aのピッチを小さくすることができる。放射線検出素子10aがこのような構成を有することで、より微細な配線パターンを形成することができる。アノードパターン電極108aの幅が第2貫通端部103Baの内径より大きい場合、例えば、アノードパターン電極108aの形成時において第2開口部143aとの位置ずれの問題を抑制することができ、放射線検出素子10aの信頼性を向上することができる。
[検出素子の製造方法]
本実施形態に係る検出素子の製造方法は、絶縁部材102aの第2面102Baからレーザ照射によって貫通孔103aを形成すること、および絶縁部材102aの第2面102Ba側に第2絶縁層142aを形成すること以外、第1実施形態に係る検出素子の製造方法と同じであることから、ここでは省略する。絶縁部材102aの第2面102Baからレーザ照射によって貫通孔103aを形成することで、レーザに近い絶縁部材102aの第2面102Ba側の第2貫通端部103Baが第1貫通端部103Aaより大きく形成される。貫通孔103aは、絶縁部材102aの第2面102Baと貫通孔103aの側壁とのなす角度θが91°以上95°以下のテーパ形状に形成する。
<第3実施形態>
本実施形態に係る放射線検出素子10bは、貫通孔103bの第1貫通端部103Abおよび第2貫通端部103Bbの大きさが入れ替わること以外、第2実施形態に係る放射線検出素子10aと同じであるから、ここでは、第1実施形態に係る放射線検出素子10および第2実施形態に係る放射線検出素子10aと相違する部分について説明する。なお、第3実施形態に係る放射線検出素子10bにおいて、図3および図4に示した放射線検出素子10と同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
[ピクセル電極の構成]
図10および図11を用いて、本開示の第3実施形態に係る放射線検出素子が有するピクセル電極の構成について詳しく説明する。図10は、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10bの一部の平面図である。図11は、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10bの一部の断面図である。図11(A)は、図10のC−C’断面図である。
図10および図11(A)に示すように、放射線検出素子10bのピクセル電極1bは、絶縁部材102b、第1絶縁層140b、第2絶縁層142b、アノード電極106b(第1電極)、アノード貫通電極112b、アノードパターン電極108b、及びカソード電極104b(第2電極)を有する。本実施形態において、絶縁部材102bの第1面102Abには第1絶縁層140bが配置される。絶縁部材102bの第2面102Bbには第2絶縁層142bが配置される。
アノード電極106bおよびカソード電極104bは、絶縁部材102bの第1面102Ab側である第1絶縁層140bの上に複数配置されている。アノード電極106bは、絶縁部材102bの第1面102Ab側において、貫通孔103bに配置されたアノード貫通電極112bに接続されている。このため第1絶縁層140bには、アノード貫通電極112bの一部を露出するように第1開口部141bが設けられている。アノード電極106bは、第1絶縁層140bの第1開口部141bを介してアノード貫通電極112bに接続されている。
第1絶縁層140bの第1開口部141bは、アノード貫通電極112b側(絶縁部材102bの第1面102Ab側)からアノード電極106b側(第1絶縁層140bの上面)まで第1絶縁層140bを接続する。第1開口部141bの内径は、貫通孔103bの第1面102Ab側における第1貫通端部103Abの内径より小さい。したがって、貫通孔103bの第1貫通端部103Abおよびアノード貫通電極112bの第1面102Ab側の一部は、第1絶縁層140bの下面と接している。貫通孔103bの第1貫通端部103Abおよびアノード貫通電極112bの第1面102Ab側の一部が第1絶縁層140bと接することで、絶縁部材102bとアノード貫通電極112bとの界面において発生した水素及び水分は第1絶縁層140bを介して外部に放出することができる。その結果、貫通孔103b及びアノード貫通電極112bが破壊されることを抑制することができる。
図11に示すように、アノード電極106bの径106Abは第1絶縁層140bの第1開口部141bの内径よりも大きい。ここでアノード電極106bの径106Abとは、アノード電極106bの第1面102Abとは反対側の上面における最大径を示す。アノード電極106bの径106Abが第1絶縁層140bの第1開口部141bの内径よりも大きいことで、アノード電極106bの上端部の形状を制御しやすくなる。
アノード貫通電極112bは貫通孔103bの内部に充填されている。貫通孔103bは、絶縁部材102bの第1面102Abから第2面102Bbまで接続する。本実施形態において、貫通孔103bは円錐台型である。すなわち、貫通孔103bは絶縁部材102bの厚さ方向の2か所において異なる内径を有する。貫通孔103bの第1面102Ab側における第1貫通端部103Abと、貫通孔103bの第2面102Bb側における第2貫通端部103Bbとは、互いに異なる内径を有する。貫通孔103bは、第2面102Bb側における第2貫通端部103Bbの内径が、第1面102Ab側における第1貫通端部103Abの内径より小さい。
ここで、絶縁部材102bの第1面102Abと貫通孔103bの側壁とのなす角度θは91°以上95°以下である。ここで、なす角度θは、好ましくは92°以上94°以下であるとよい。また、なす角度θは、より好ましくは92.5°以上93.5°以下であるとよい。すなわち、本実施形態に係る貫通孔103bは絶縁部材102bの第2面102Bbから第1面102Abに向かって径が広がるテーパ形状である。
貫通孔103bのアスペクト比は、4以上8以下の範囲であることが好ましい。貫通孔103bのアスペクト比が8より大きい場合、後述するアノード貫通電極112bを形成するときに、貫通孔103bの内側面に貫通孔103bの深さ全体に亘って導電層を形成することが困難になる。貫通孔103bのアスペクト比が4未満である場合、アノードパターン電極108bとカソード電極104b間に電気力線が生じるようになり、アノード電極106bとカソード電極104b間に電気力線が集中しなくなり、ガス増幅率が低下してしまう。
本実施形態において、貫通孔103bの第1面102Ab側における第1貫通端部103Abの内径と、アノード電極106bの径106Abとは略同一である。しかしながらこれに限定されず、本実施形態の変形例に係る検出素子では、図11(B)に示すように、アノード電極106bの径106Abは貫通孔103bの第1面102Ab側における第1貫通端部103Abの内径より小さくてもよい。アノード電極106bの径106Abが第1貫通端部103Abの内径より小さいことで、カソード電極104b及びアノード電極106bのピッチを小さくすることができる。放射線検出素子10bがこのような構成を有することで、微細なピクセル電極1bを形成することができ、放射線検出装置100bの分解能を向上することができる。図11(C)に示すように、アノード電極106bの径106Abは貫通孔103bの第1面102Ab側における第1貫通端部103Abの内径より大きくてもよい。アノード電極106bの径106Abが第1貫通端部103Abの内径より大きいことで、例えば、アノード電極106bの形成時において第1開口部141bとの位置ずれの問題を抑制することができる。アノード電極106bの径106Abは、100μm以下の範囲であればよい。
アノードパターン電極108bは、絶縁部材102bの第2面102Bb側である第2絶縁層142bの上に複数配置されている。アノードパターン電極108bは、絶縁部材102bの第2面102Bb側においてアノード貫通電極112bと接続されている。このため第2絶縁層142bには、アノード貫通電極112bの一部を露出するように第2開口部143bが設けられている。アノードパターン電極108bは、第2絶縁層142bの第2開口部143bを介してアノード貫通電極112bに接続されている。
第2絶縁層142bの第2開口部143bは、アノード貫通電極112b側(絶縁部材102bの第2面102Bb側)からアノードパターン電極108b側(第2絶縁層142bの上面)まで第2絶縁層142bを接続する。第2開口部143bの内径は、貫通孔103bの第2面102Bb側における第2貫通端部103Bbの内径より小さい。したがって、貫通孔103bの第2貫通端部103Bbおよびアノード貫通電極112bの第2面102Bb側の一部は、第2絶縁層142bの下面と接している。貫通孔103bの第2貫通端部103Bbおよびアノード貫通電極112bの第2面102Bb側の一部が第2絶縁層142bと接することで、絶縁部材102bとアノード貫通電極112bとの界面において発生した水素及び水分は第2絶縁層142bを介して外部に放出することができる。その結果、貫通孔103b及びアノード貫通電極112bが破壊されることを抑制することができる。
アノードパターン電極108bは隣接するアノード貫通電極112bを連結し、層間接続部126bを介してリード配線124bに接続される。アノードパターン電極108bの幅は、第2絶縁層142bの第2開口部143bの内径より大きければよい。本実施形態において、アノードパターン電極108bの幅は、第2貫通端部103Bbの内径より大きい。アノードパターン電極108bの幅が第2貫通端部103Bbの内径より大きいことで、例えば、アノードパターン電極108bの形成時において第2開口部143bとの位置ずれの問題を抑制することができる。しかしながらこれに限定されず、アノードパターン電極108bの幅は、第2貫通端部103Bbの内径より小さくてもよい。アノードパターン電極108bの幅が第2貫通端部103Bbの内径より小さいことで、より微細な配線パターンを形成することができる。
以上のように、本実施形態に係る検出素子を備える放射線検出装置によると、絶縁部材102bとしてガラスを用いることで、多量の放射線が照射されてケイ素がリンに転換する場合が生じても、酸素を介する結合により絶縁性を維持することができ、安定して高いガス増幅率を得ることができる。絶縁部材102bにガラスを用いることで、絶縁部材102bを貫通する貫通孔103bの内側面の凹凸構造を抑制することができ、貫通孔103bのアスペクト比を4以上8以下の範囲で形成することができる。また、基板として絶縁部材を用いることで、表面に酸化膜を形成したシリコンを基材を用いたときの酸化膜などによる寄生容量の問題を抑制することができる。また、第1絶縁層140bを用いることで、アノード電極106bとカソード電極104b間に高電圧を印加したときの表面絶縁性を向上することもでき、放電の発生を抑える。さらに、アノード電極106bは第1絶縁層140bを介して、アノード貫通電極112bから距離が離れるため、カソード104bとの間に形成される電気力線がアノード電極106bの外縁に集中し、電気力線の密度が増して、ガス増幅率が向上する効果も得られる。
本実施形態に係る放射線検出素子10bは貫通孔103bの第2貫通端部103Bbが第1貫通端部103Abより小さいことで、アノードパターン電極108bの幅を小さくすることができ、より微細な配線パターンを形成することができる。
さらに、貫通孔103bの第1貫通端部103Abおよび第2貫通端部103Bbが、それぞれ第1絶縁層140bまたは第2絶縁層142bと接することで、絶縁部材102bとアノード貫通電極112bとの界面において発生した水素及び水分は第1絶縁層140bおよび第2絶縁層142bを介して外部に放出することができる。その結果、貫通孔103b及びアノード貫通電極112bが破壊されることを抑制することができ、放射線検出素子10bの耐久性を向上することができる。
また、第1絶縁層140bを有することで、アノード電極106bの径106Abの設計自由度が向上する。アノード電極106bの径106Abが第1貫通端部103Abの内径より小さい場合、カソード電極104b及びアノード電極106bのピッチを小さくすることができる。放射線検出素子10bがこのような構成を有することで、微細なピクセル電極1bを形成することができ、放射線検出装置100bの分解能を向上することができる。アノード電極106bの径106Abが第1貫通端部103Abの内径より大きい場合、例えば、アノード電極106bの形成時において第1開口部141bとの位置ずれの問題を抑制することができ、放射線検出素子10bの信頼性を向上することができる。また、第2絶縁層142bを有することで、アノードパターン電極108bの幅の設計自由度が向上する。アノードパターン電極108bの幅が第2貫通端部103Bbの内径より小さい場合、アノードパターン電極108bのピッチを小さくすることができる。放射線検出素子10bがこのような構成を有することで、より微細な配線パターンを形成することができる。アノードパターン電極108bの幅が第2貫通端部103Bbの内径より大きい場合、例えば、アノードパターン電極108bの形成時において第2開口部143bとの位置ずれの問題を抑制することができ、放射線検出素子10bの信頼性を向上することができる。
[検出素子の製造方法]
本実施形態に係る検出素子の製造方法は、絶縁部材102bの第1面102Abからレーザ照射によって貫通孔103bを形成すること、および絶縁部材102bの第2面102Bb側に第2絶縁層142bを形成すること以外、第1実施形態に係る検出素子の製造方法と同じであることから、ここでは省略する。絶縁部材102bの第1面102Abからレーザ照射によって貫通孔103bを形成することで、レーザに近い絶縁部材102bの第1面102Ab側の第1貫通端部103Abが第2貫通端部103Bbより大きく形成される。貫通孔103bは、絶縁部材102bの第1面102Abと貫通孔103bの側壁とのなす角度θが91°以上95°以下のテーパ形状に形成する。
<第4実施形態>
本実施形態に係る放射線検出素子10cは、貫通孔103cが、第2実施形態に係る貫通孔103aの第1貫通端部103Aa側および第3実施形態に係る貫通孔103bの第2貫通端部103Bb側の組み合わせであること以外、第2実施形態に係る放射線検出素子10aおよび第3実施形態に係る放射線検出素子10bと同じであるから、ここでは、第1実施形態に係る放射線検出素子10、第2実施形態に係る放射線検出素子10a、第3実施形態に係る放射線検出素子10bと相違する部分について説明する。なお、第4実施形態に係る放射線検出素子10cにおいて、図3および図4に示した放射線検出素子10と同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
[ピクセル電極の構成]
図12および図13を用いて、本開示の第4実施形態に係る放射線検出素子が有するピクセル電極の構成について詳しく説明する。図12は、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10cの一部の平面図である。図13は、本開示の一実施形態に係る放射線検出素子10cの一部の断面図である。図13(A)は、図10のD−D’断面図である。
図12および図13(A)に示すように、放射線検出素子10cのピクセル電極1cは、絶縁部材102c、第1絶縁層140c、第2絶縁層142c、アノード電極106c(第1電極)、アノード貫通電極112c、アノードパターン電極108c、及びカソード電極104c(第2電極)を有する。本実施形態において、絶縁部材102cの第1面102Acには第1絶縁層140cが配置される。絶縁部材102cの第2面102Bcには第2絶縁層142cが配置される。
アノード電極106cおよびカソード電極104cは、絶縁部材102cの第1面102Ac側である第1絶縁層140cの上に複数配置されている。アノード電極106cは、絶縁部材102cの第1面102Ac側において、貫通孔103cに配置されたアノード貫通電極112cに接続されている。このため第1絶縁層140cには、アノード貫通電極112cの一部を露出するように第1開口部141cが設けられている。アノード電極106cは、第1絶縁層140cの第1開口部141cを介してアノード貫通電極112cに接続されている。
第1絶縁層140cの第1開口部141cは、アノード貫通電極112c側(絶縁部材102cの第1面102Ac側)からアノード電極106c側(第1絶縁層140cの上面)まで第1絶縁層140cを接続する。第1開口部141cの内径は、貫通孔103cの第1面102Ac側における第1貫通端部103Acの内径より小さい。したがって、貫通孔103cの第1貫通端部103Acおよびアノード貫通電極112cの第1面102Ac側の一部は、第1絶縁層140cの下面と接している。貫通孔103cの第1貫通端部103Acおよびアノード貫通電極112cの第1面102Ac側の一部が第1絶縁層140cと接することで、絶縁部材102cとアノード貫通電極112cとの界面において発生した水素及び水分は第1絶縁層140cを介して外部に放出することができる。その結果、貫通孔103c及びアノード貫通電極112cが破壊されることを抑制することができる。
図13に示すように、アノード電極106cの径106Acは第1絶縁層140cの第1開口部141cの内径よりも大きい。ここでアノード電極106cの径106Acとは、アノード電極106cの第1面102Acとは反対側の上面における最大径を示す。アノード電極106cの径106Acが第1絶縁層140cの第1開口部141cの内径よりも大きいことで、アノード電極106cの上端部の形状を制御しやすくなる。
アノード貫通電極112cは貫通孔103cの内部に充填されている。貫通孔103cは、絶縁部材102cの第1面102Acから第2面102Bcまで接続する。本実施形態において、貫通孔103cは双円錐台型である。貫通孔103cは、第2実施形態に係る貫通孔103aの第1貫通端部103Aa側および第3実施形態に係る貫通孔103bの第2貫通端部103Bb側の端部同士(内径の小さい端部同士)を組み合わせた形状である。すなわち、貫通孔103cは絶縁部材102cの厚さ方向において異なる内径の2か所を有する。貫通孔103cは絶縁部材102cの厚さ方向に、第1貫通端部103Acの内径および第2貫通端部103Bcの内径より小さい内径を有する。本実施形態において貫通孔103cの最も小さい内径を有する狭窄部は、第1貫通端部103Acと第2貫通端部103Bcとの中心に位置する。貫通孔103cの第1面102Ac側における第1貫通端部103Acと、貫通孔103cの第2面102Bc側における第2貫通端部103Bcとは、略同一の内径を有する。しかしながらこれに限定されず、貫通孔103cの狭窄部は、第1貫通端部103Acと第2貫通端部103Bcの間であればよい。また、第1貫通端部103Ac第2貫通端部103Bcとは互いに異なる内径を有してもよい。
ここで、絶縁部材102cの第1面102Acと貫通孔103cの側壁とのなす角度θ1、または第2面102Bcと貫通孔103cの側面とのなす角度θ2はそれぞれ92°以上97°以下の範囲である。ここで、なす角度θ1およびθ2は、好ましくは93°以上95°以下であるとよい。また、なす角度θ1およびθ2は、より好ましくは93.5°以上94.5°以下であるとよい。なす角度θ1およびθ2は略同一であってもよく、異なってもよい。
貫通孔103cのアスペクト比は、4以上8以下の範囲であることが好ましい。貫通孔103cのアスペクト比が8より大きい場合、後述するアノード貫通電極112cを形成するときに、貫通孔103cの内側面に貫通孔103cの深さ全体に亘って導電層を形成することが困難になる。貫通孔103cのアスペクト比が4未満である場合、アノードパターン電極108cとカソード電極104c間に電気力線が生じるようになり、アノード電極106cとカソード電極104c間に電気力線が集中しなくなり、ガス増幅率が低下してしまう。
本実施形態において、貫通孔103cの第1面102Ac側における第1貫通端部103Acの内径と、アノード電極106cの径106Acとは略同一である。しかしながらこれに限定されず、本実施形態の変形例に係る検出素子では、図13(B)に示すように、アノード電極106cの径106Acは貫通孔103cの第1面102Ac側における第1貫通端部103Acの内径より小さくてもよい。アノード電極106cの径106Acが第1貫通端部103Acの内径より小さいことで、カソード電極104c及びアノード電極106cのピッチを小さくすることができる。放射線検出素子10cがこのような構成を有することで、微細なピクセル電極1cを形成することができ、放射線検出装置100cの分解能を向上することができる。図13(C)に示すように、アノード電極106cの径106Acは貫通孔103cの第1面102Ac側における第1貫通端部103Acの内径より大きくてもよい。アノード電極106cの径106Acが第1貫通端部103Acの内径より大きいことで、例えば、アノード電極106cの形成時において第1開口部141cとの位置ずれの問題を抑制することができる。アノード電極106cの径106Acは、100μm以下の範囲であればよい。
アノードパターン電極108cは、絶縁部材102cの第2面102Bc側である第2絶縁層142cの上に複数配置されている。アノードパターン電極108cは、絶縁部材102cの第2面102Bc側においてアノード貫通電極112cと接続されている。このため第2絶縁層142cには、アノード貫通電極112cの一部を露出するように第2開口部143cが設けられている。アノードパターン電極108cは、第2絶縁層142cの第2開口部143cを介してアノード貫通電極112cに接続されている。
第2絶縁層142cの第2開口部143cは、アノード貫通電極112c側(絶縁部材102cの第2面102Bc側)からアノードパターン電極108c側(第2絶縁層142cの上面)まで第2絶縁層142cを接続する。第2開口部143cの内径は、貫通孔103cの第2面102Bc側における第2貫通端部103Bcの内径より小さい。したがって、貫通孔103cの第2貫通端部103Bcおよびアノード貫通電極112cの第2面102Bc側の一部は、第2絶縁層142cの下面と接している。貫通孔103cの第2貫通端部103Bcおよびアノード貫通電極112cの第2面102Bc側の一部が第2絶縁層142cと接することで、絶縁部材102cとアノード貫通電極112cとの界面において発生した水素及び水分は第2絶縁層142cを介して外部に放出することができる。その結果、貫通孔103c及びアノード貫通電極112cが破壊されることを抑制することができる。
アノードパターン電極108cは隣接するアノード貫通電極112cを連結し、層間接続部126cを介してリード配線124cに接続される。アノードパターン電極108cの幅は、第2貫通端部103Bcより大きければよい。
以上のように、本実施形態に係る検出素子を備える放射線検出装置によると、絶縁部材102cとしてガラスを用いることで、多量の放射線が照射されてケイ素がリンに転換する場合が生じても、酸素を介する結合により絶縁性を維持することができ、安定して高いガス増幅率を得ることができる。絶縁部材102cにガラスを用いることで、絶縁部材102cを貫通する貫通孔103cの内側面の凹凸構造を抑制することができ、貫通孔103cのアスペクト比を4以上8以下の範囲で形成することができる。また、基板として絶縁部材を用いることで、表面に酸化膜を形成したシリコンを基材を用いたときの酸化膜などによる寄生容量の問題を抑制することができる。また、第1絶縁層140cを用いることで、アノード電極106cとカソード電極104c間に高電圧を印加したときの表面絶縁性を向上することもでき、放電の発生を抑える。さらに、アノード電極106cは第1絶縁層140cを介して、アノード貫通電極112cから距離が離れるため、カソード104cとの間に形成される電気力線がアノード電極106cの外縁に集中し、電気力線の密度が増して、ガス増幅率が向上する効果も得られる。
本実施形態に係る放射線検出素子10cは貫通孔103cの第1貫通端部103Acが第3実施形態に係る放射線検出素子10bの第1貫通端部103Abより小さいことで、アノード電極106cの径106Acを小さくすることができ、より高いガス増幅率を得ることができる。第1貫通端部103Acが第3実施形態に係る第1貫通端部103Abより小さいことで、第1貫通端部103Acとカソード電極104cの距離を大きくとることができ、よりカソード電極104cとアノード電極106c間の電場を集中(アノード電極付近の電気力線の密度を大きく)させることができ、ガス増幅率が向上する。貫通孔103cの第2貫通端部103Bcが第2実施形態に係る放射線検出素子10aの第2貫通端部103Baより小さいことで、アノードパターン電極108cの幅を小さくすることができ、より微細な配線パターンを形成することができる。
さらに、貫通孔103cの第1貫通端部103Acおよび第2貫通端部103Bcが、それぞれ第1絶縁層140cまたは第2絶縁層142cと接することで、絶縁部材102cとアノード貫通電極112cとの界面において発生した水素及び水分は第1絶縁層140cおよび第2絶縁層142cを介して外部に放出することができる。その結果、貫通孔103c及びアノード貫通電極112cが破壊されることを抑制することができ、放射線検出素子10cの耐久性を向上することができる。
また、第1絶縁層140cを有することで、アノード電極106cの径106Acの設計自由度が向上する。アノード電極106cの径106Acが第1貫通端部103Acの内径より小さい場合、カソード電極104c及びアノード電極106cのピッチを小さくすることができる。放射線検出素子10cがこのような構成を有することで、微細なピクセル電極1cを形成することができ、放射線検出装置100cの分解能を向上することができる。アノード電極106cの径106Acが第1貫通端部103Acの内径より大きい場合、例えば、アノード電極106cの形成時において第1開口部141cとの位置ずれの問題を抑制することができ、放射線検出素子10cの信頼性を向上することができる。また、第2絶縁層142cを有することで、アノードパターン電極108cの幅の設計自由度が向上する。アノードパターン電極108cの幅が第2貫通端部103Bcの内径より小さい場合、アノードパターン電極108cのピッチを小さくすることができる。放射線検出素子10cがこのような構成を有することで、より微細な配線パターンを形成することができる。アノードパターン電極108cの幅が第2貫通端部103Bcの内径より大きい場合、例えば、アノードパターン電極108cの形成時において第2開口部143cとの位置ずれの問題を抑制することができ、放射線検出素子10cの信頼性を向上することができる。
[検出素子の製造方法]
本実施形態に係る検出素子の製造方法は、絶縁部材102cの第1面102Acおよび第2面102Bcのそれぞれからレーザ照射によって貫通孔103cを形成すること、および絶縁部材102cの第2面102Bc側に第2絶縁層142cを形成すること以外、第1実施形態に係る検出素子の製造方法と同じであることから、ここでは省略する。絶縁部材102cの第1面102Acおよび第2面102Bcのそれぞれからレーザ照射によって貫通孔103cを形成することで、絶縁部材102cの第1面102Ac側の第1貫通端部103Acおよび第2面102Bc側の第2貫通端部103Bcが間の狭窄部より大きく形成される。貫通孔103cは、絶縁部材102cの第1面102Acおよび第2面102Bcがそれぞれの面と接続する貫通孔103cの側壁となす角度θが92°以上97°以下の双円錐台型に形成する。
<第5実施形態>
本実施形態においては、本開示の放射線検出装置の別の例について説明する。第1から第4実施形態と同様の構成を有しているので、同様の構成については改めて説明はしない。なお、放射線検出装置は容器モジュールとも呼ばれる。
図14に、本実施形態に係る本開示の放射線検出装置150の断面斜視図を示す。本実施形態に係る放射線検出装置150は、放射線検出素子10、ドリフト電極110及びチャンバー111を有している。また、本実施形態に係る放射線検出装置150においては、ドリフトケージ152a及び152bが設けられている。ドリフトケージ152a及び152bは、ドリフト電極110とピクセル電極部101との間の電界分布を均一化するために設けられている。ここで、本実施形態に係る本開示の放射線検出装置を容器モジュールという。
本発明の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。また、各実施形態の検出素子を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
上述した本開示の一実施形態に係る検出素子を有する放射線検出装置について、より詳細に説明する。
本開示の一実施形態に係る放射線検出素子のガス増幅率を改善し、且つ分解能を維持するために、検出素子の構造を比較検討した。
[実施例1]
第1実施形態に係る放射線検出素子10を用いた放射線検出装置100を製造した。実施例1に係る検出素子の各パラメータは以下の通りである。
カソード電極の幅:350μm
カソード電極の開口径:250μm
アノード電極の直径:85μm
カソード電極とアノード電極との間隔:82.5μm
カソード電極、アノード電極のピッチ:400μm
貫通孔の第1貫通端部の内径:85μm
貫通孔の第2貫通端部の内径:85μm
絶縁部材の厚さ:400μm
第1絶縁層の厚さ:11μm
実施例1に係る放射線検出素子10の分解能は120μmであった。カソード電極とアノード電極間に530〜550Vを印加したとき、ガス増幅率が12000であった。
なお、ガス増幅率Zは、ガス増幅後の電荷QA(C)/放射線1個で生じた1次電子の電荷QB(C)で求める。例えば、放射線源がBa133なら放射線1個で生じた電子(1次電子)の電荷QB(C)は以下の式で示すことができる。
QB(C)=(X線1個のエネルギー/ArのW値)×1.6×10-19C
=(31keV/26eV)×1.6×10-19C
一方、ガス増幅後の電荷QA(C)は、信号処理回路から出力されるアナログ信号1個をオシロスコープで読み取り縦軸波高(mV)と横軸時間(ナノ秒)と回路の定数から算出して求めることができる。
分解能(空間分解能)は、遮蔽材で構成された幅の異なるスリットを透過してくる放射線を検出することで、独立した2点として検出できる最短距離から求めることができる。
[実施例2]
第2実施形態に係る放射線検出素子10aを用いた放射線検出装置100aを製造した。実施例2に係る検出素子の各パラメータは以下の通りである。
カソード電極の幅:350μm
カソード電極の開口径:250μm
アノード電極の直径:85μm
カソード電極とアノード電極との間隔:82.5μm
カソード電極、アノード電極のピッチ:400μm
貫通孔の第1貫通端部の内径:50μm
貫通孔の第2貫通端部の内径:85μm
絶縁部材の厚さ:400μm
第1絶縁層の厚さ:11μm
第2絶縁層の厚さ:11μm
実施例2に係る放射線検出素子10aの分解能は120μmであった。カソード電極とアノード電極間に530〜550Vを印加したとき、ガス増幅率が13000であった。
[実施例3]
第2実施形態に係る放射線検出素子10aを用いた放射線検出装置100aを製造した。実施例3に係る検出素子の各パラメータは以下の通りである。
カソード電極の幅:350μm
カソード電極の開口径:250μm
アノード電極の直径:60μm
カソード電極とアノード電極との間隔:95μm
カソード電極、アノード電極のピッチ:400μm
貫通孔の第1貫通端部の内径:50μm
貫通孔の第2貫通端部の内径:85μm
絶縁部材の厚さ:400μm
第1絶縁層の厚さ:11μm
第2絶縁層の厚さ:11μm
実施例3に係る放射線検出素子10aの分解能は120μmであった。カソード電極とアノード電極間に530〜550Vを印加したとき、ガス増幅率が17500であった。
[実施例4]
第2実施形態に係る放射線検出素子10aを用いた放射線検出装置100aを製造した。実施例4に係る検出素子の各パラメータは以下の通りである。
カソード電極の幅:350μm
カソード電極の開口径:250μm
アノード電極の直径:30μm
カソード電極とアノード電極との間隔:110μm
カソード電極、アノード電極のピッチ:400μm
貫通孔の第1貫通端部の内径:50μm
貫通孔の第2貫通端部の内径:85μm
絶縁部材の厚さ:400μm
第1絶縁層の厚さ:11μm
第2絶縁層の厚さ:11μm
実施例4に係る放射線検出素子10aの分解能は120μmであった。カソード電極とアノード電極間に530〜550Vを印加したとき、ガス増幅率が18500であった。
[実施例5]
第3実施形態に係る放射線検出素子10bを用いた放射線検出装置100bを製造した。実施例5に係る検出素子の各パラメータは以下の通りである。
カソード電極の幅:350μm
カソード電極の開口径:250μm
アノード電極の直径:85μm
カソード電極とアノード電極との間隔:82.5μm
カソード電極、アノード電極のピッチ:400μm
貫通孔の第1貫通端部の内径:85μm
貫通孔の第2貫通端部の内径:50μm
絶縁部材の厚さ:400μm
第1絶縁層の厚さ:11μm
第2絶縁層の厚さ:11μm
実施例5に係る放射線検出素子10bの分解能は120μmであった。カソード電極とアノード電極間に530〜550Vを印加したとき、ガス増幅率が12000であった。
[実施例6]
第4実施形態に係る放射線検出素子10cを用いた放射線検出装置100cを製造した。実施例6に係る検出素子の各パラメータは以下の通りである。
カソード電極の幅:350μm
カソード電極の開口径:250μm
アノード電極の直径:60μm
カソード電極とアノード電極との間隔:95μm
カソード電極、アノード電極のピッチ:400μm
貫通孔の第1貫通端部の内径:50μm
貫通孔の第2貫通端部の内径:50μm
貫通孔の最も小さい内径:25μm
絶縁部材の厚さ:400μm
第1絶縁層の厚さ:11μm
第2絶縁層の厚さ:11μm
実施例6に係る放射線検出素子10cの分解能は120μmであった。カソード電極とアノード電極間に530〜550Vを印加したとき、ガス増幅率が17500であった。
[実施例7]
第4実施形態に係る放射線検出素子10cを用いた放射線検出装置100cを製造した。実施例7に係る検出素子の各パラメータは以下の通りである。
カソード電極の幅:350μm
カソード電極の開口径:250μm
アノード電極の直径:30μm
カソード電極とアノード電極との間隔:110μm
カソード電極、アノード電極のピッチ:400μm
貫通孔の第1貫通端部の内径:50μm
貫通孔の第2貫通端部の内径:50μm
貫通孔の最も小さい内径:25μm
絶縁部材の厚さ:400μm
第1絶縁層の厚さ:11μm
第2絶縁層の厚さ:11μm
実施例7に係る放射線検出素子10cの分解能は120μmであった。カソード電極とアノード電極間に530〜550Vを印加したとき、ガス増幅率が18500であった。
[比較例1]
従来のシリコンを基材とした放射線検出素子を用いた放射線検出装置を製造した。比較例1に係る検出素子の各パラメータは以下の通りである。
カソード電極の幅:350μm
カソード電極の開口径:250μm
アノード電極の直径:60μm
カソード電極とアノード電極との間隔:95μm
カソード電極、アノード電極のピッチ:400μm
貫通孔の第1貫通端部の内径:50μm
貫通孔の第2貫通端部の内径:50μm
絶縁部材の厚さ:400μm
第1絶縁層の厚さ:11μm
第2絶縁層の厚さ:11μm
比較例1に係る放射線検出素子の分解能は120μmであった。カソード電極とアノード電極間に530〜550Vを印加したとき、ガス増幅率が10000であった。
表1に、実施例1から7および比較例1に係る放射線検出装置のガス増幅率および分解能を示す。それぞれのガス増幅率は、比較例1のガス増幅率を1としたときの相対値で示す。比較例1の放射線検出装置と比べて、実施例1から7の放射線検出装置のガス増幅率はいずれも改善された。実施例1および実施例5と比較して実施例2に係る放射線検出装置は第1貫通端部が小さいことで、カソード電極からの電気力線はアノード電極に集中する。このため、実施例1および実施例5と比較して実施例2に係る放射線検出装置は、より高いガス増幅率を得ることができた。実施例2と比較して実施例3および実施例6の放射線検出装置は、アノード電極が小さいことでアノード電極付近の電気力線の密度が増加し、より高いガス増幅率を得ることができた。実施例3および実施例6と比較して実施例4および実施例7の放射線検出装置は、アノード電極がさらに小さいことでアノード電極付近の電気力線の密度がさらに増加し、より高いガス増幅率を得ることができた。