JP7237582B2 - 放射線検出器の製造 - Google Patents

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Description

本明細書で開示される主題は、Ｘ線撮像システムに関し、より詳細には、結晶シリコンで作製された画素を有するデジタルＸ線検出器を利用するＸ線撮像システムに関する。
デジタルＸ線撮像システムは、非侵襲的方法でデジタルデータを生成し、このようなデジタルデータを有用な放射線画像に再構成するために使用される。現在のデジタルＸ線撮像システムでは、線源からの放射線は、被検者または対象物、通常は医療診断用途の患者、セキュリティスクリーニング用途のパッケージもしくは荷物、または工業品質管理もしくは検査用途における製造された部品に向けて導かれる。放射線の一部は、被検者または対象物を通過し、検出器に衝突する。検出器のシンチレータは、より高いエネルギーのＸ線放射線を、光感受性部品（例えば、フォトダイオードまたは他の適切な光検出器）を用いて検出されるより低いエネルギーの光子に変換する。検出器は、通常、個別の画像要素すなわち画素のマトリックスに分割され、各画素領域に衝突する放射線の量または強度に基づいて出力信号を符号化する。その後、信号を処理して、検討のために表示することができる画像を生成することができる。
実際には、検出器の機構は、シリコン半導体基板に基づいてもよいし、シリコン半導体基板から形成されてもよい。このようなシリコン基板は、規則的なシリコンマトリックス（例えば、良好に規則的な結晶格子）からなる結晶シリコン（ｃ－Ｓｉ）、または規則的なマトリックスを有さない（例えば、ランダム結晶格子の）アモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）として提供することができる。ａ－Ｓｉのランダム結晶格子は＜１ｃｍ２／（ｖ・ｓ）の電子移動度を可能にし、ｃ－Ｓｉの規則的結晶格子は約１４００ｃｍ２／（ｖ・ｓ）の電子移動度を可能にする。ｃ－Ｓｉに付随するより高い電子移動度のために、ｃ－Ｓｉを用いて形成することができる機構のサイズは、ａ－Ｓｉから形成される機構よりもずっと小さくすることができ、画素内の電荷増幅器を用いた複数のゲートアクティブ画素設計、およびアナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ）を含むパネル内読出し回路を可能にする。
したがって、実際には、ｃ－Ｓｉから形成される相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）を使用するようなｃ－Ｓｉ技術に基づくＸ線検出器は、従来のａ－ＳｉベースのＸ線検出器より優れていることが様々な方法で実証されており、この方法には、電磁妨害（ＥＭＩ）に対する相対的耐性、低減された電子雑音、低減された画像ラグ、より高い空間分解能、より高いフレームレート、より広いシンチレーション材料選択などが含まれるが、これらに限定されない。しかし、ｃ－Ｓｉを使用することの欠点には、より高いコスト、より低い電圧スイングによる低いダイナミックレンジ、および（ｃ－Ｓｉデバイスを製造するために使用されるシリコンウエハの実用的なサイズの制限に起因する）より小さいパネルサイズが含まれ、より小さいパネルサイズは、より大きな検出器パネルを形成するためには複数のより小さなパネルをタイリングすることを必要とする場合がある。このようなタイリング構成はまた、そのような検出器パネルを動作させるために必要とされる電気的相互接続構成に複雑さを導入する。
米国特許出願公開第２０１３／００９９２９０号明細書
最初に特許請求する主題の範囲に相応する特定の実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は特許請求する主題の範囲を限定しようとするものではなく、むしろ、これらの実施形態は本開示の可能性がある形式の概要を提供しようとするものに過ぎない。実際、本開示は、以下に記載する実施形態に類似してもよく、あるいは異なってもよい様々な形態を含むことができる。また、本明細書で使用されるように、「結晶シリコン」という語句は、結晶シリコンの特定の形態の実施形態を排除することを意図しない。むしろ、単結晶シリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコン、原結晶シリコンなどを含むが、これらに限定されない任意の形態の結晶シリコンを広く意味する。
第１の実施形態によれば、放射線検出器の光イメージャパネルを製造するための方法が提供される。この方法によれば、アモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）が基板上に配置される。ａ－Ｓｉが溶融される。続いてａ－Ｓｉが凝固されて、基板上に結晶シリコン（ｃ－Ｓｉ）回路を形成する。ｃ－Ｓｉ回路は、少なくとも電界効果トランジスタ、フォトダイオード、および電荷増幅器をそれぞれ含む少なくとも複数の検出器画素を含む。
さらなる実施形態によれば、放射線検出器のシンチレータを製造するための方法が提供される。この方法によれば、光イメージャパネルが提供される。シンチレータ材料の層が光イメージャパネル上に印刷される。
さらなる実施形態によれば、放射線検出器の光イメージャパネルが提供される。この実施形態によれば、光イメージャは、非シリコン基板と、非シリコン基板上に印刷された複数の画素と、を含む。各画素は、少なくとも１つの電界効果トランジスタ、少なくとも１つのフォトダイオード、および少なくとも１つの電荷増幅器に対応する結晶シリコン（ｃ－Ｓｉ）回路を含む。
本主題のこれらの、ならびに他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。
本開示の態様による、デジタルＸ線撮像システムの一実施形態のブロック図である。 ａ－Ｓｉ技術を用いて作製された従来のＸ線検出器画素の概略図である。 本開示の態様による、ｃ－Ｓｉ技術を用いて作製されたＸ線検出器画素の概略図である。 本開示の態様による、検出器パネルの特定の層の分解図である。 本開示の態様による、基板上にｃ－Ｓｉ回路を製造するための金属印刷技術の使用の概略図である。 本開示の態様による、放射線検出器のシンチレータ層を製造するための金属印刷技術の使用の概略図である。 本開示の態様による、放射線検出器の画素化されたシンチレータ層の使用の概略図である。 本開示の態様による、シンチレータの画素の断面図である。 本開示の態様による、放射線検出器の製造の一実施態様を示すプロセスフロー図である。
以下で、本主題の１つまたは複数の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようと努力しても、実際の実施のすべての特徴を本明細書に記載することができるというわけではない。エンジニアリングまたは設計プロジェクトのような実際の実施の開発においては、開発者の特定の目的を達成するために、例えばシステム関連および事業関連の制約条件への対応など、実施に特有の決定を数多くしなければならないし、また、これらの制約条件は実施ごとに異なる可能性があることが理解されるべきである。さらに、このような開発努力は、複雑で時間がかかるが、それでもなお本開示の利益を有する当業者にとっては、設計、製作、および製造の日常的な仕事であることを理解されたい。
本主題の様々な実施形態の要素を導入する場合、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「前記（ｔｈｅ）」および「前記（ｓａｉｄ）」は、１つまたは複数の要素が存在することを意味することを意図している。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的なものであって、列挙された要素以外の付加的な要素があり得ることを意味している。
本手法は、コストを低減し、ダイナミックレンジを増大させ、大きな単一ピース（すなわち、タイル構成ではない）光イメージャパネルを構築する技術を使用するアクティブ画素Ｘ線検出器パネルの製造に関する。特に、本手法の態様は、このような検出器の利点を維持しながら、ｃ－ＳｉベースのＸ線検出器の欠点を克服する。シリコンウエハに基づいて２次元（２Ｄ）画素アレイを構築する既存のｃ－ＳｉベースのＸ線検出器とは異なり、本手法は、ａ－Ｓｉ光イメージャ堆積プロセスと同様のガラスまたはアルミニウム基板などの基板を利用する。ｃ－Ｓｉ構造（すなわち、規則的な結晶格子）は、ａ－Ｓｉシリコン線およびトレースを方向付けられた集束レーザビームで溶融することによって達成される。一例として、結晶質マトリックスを有するシリコンの堆積は、３次元（３Ｄ）微細加工において使用することができるような多光子光重合を用いて達成することができる。すなわち、ａ－Ｓｉシリコンは、まず、適切な堆積または印刷方式で適用され、続いて、３Ｄ金属プリンタに付随する１つまたは複数のレーザ、例えば、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）微細加工または２光子吸収（ＴＰＡ）微細加工を用いて適用することができる熱エネルギーを使用してｃ－Ｓｉに結晶化することができる。あるいは、印刷プロセスにおいてｃ－Ｓｉが基板に直接適用されるように、適用前にシリコンを溶融してもよい。
以上を念頭に置いて、図面を参照すると、図１は、本明細書で説明するように製造された検出器を使用して個別の画素画像データを取得して処理するための撮像システム１０を図式的に示す。図示する実施形態では、システム１０は、本技術により、元の画像データを取得し、かつ表示のために画像データを処理するように設計されたデジタルＸ線システムである。撮像システム１０は、固定式または移動式Ｘ線システムであってもよい。図１に示す実施形態では、撮像システム１０は、対象物または被検者１８が位置する領域内に放射線１６のストリームを放射するＸ線放射線源１２を含む。放射線２０の一部は、被検者を貫通するか、被検体の周りを通過し、符号２２で全体的に表されるデジタルＸ線検出器（例えば、ＣＭＯＳ検出器）に衝突する。検出器２２は、可搬式であってもよいし、システム１０に恒久的に取り付けられていてもよい。特定の実施形態では、検出器２２は、入射Ｘ線光子を、検出されるより低いエネルギーの光子に変換することができる。電気信号が検出された光子に応答して生成され、これらの信号は、対象物または被検者内の特徴の画像を再構成するように処理される。
Ｘ線源１２は、電源／制御回路２４によって制御され、電源／制御回路２４は、検査シーケンスのための電力と制御信号の両方を供給する。さらに、検出器２２は、検出器２２で生成された信号の取得を命令する検出器コントローラ２６（例えば、制御回路）を含む。検出器コントローラ２６はまた、ダイナミックレンジの初期調整、デジタル画像データのインターリーブなどのための、様々な信号処理およびフィルタリング機能を実行することができる。電源／制御回路２４と検出器コントローラ２６の両方は、システムコントローラ２８からの信号に応答する。一般に、システムコントローラ２８は、検査プロトコルを実行し、取得した画像データを処理するように撮像システムの動作を命令する。本文脈では、システムコントローラ２８はまた、信号処理回路と、様々な機能を実行するためにシステム１０のプロセッサによって実行されるプログラムおよびルーチンを格納するための、光メモリデバイス、磁気メモリデバイス、または固体メモリデバイスなどの１つまたは複数のデータ記憶構造と、を含むことができる。一実施形態では、プログラムされたコンピュータシステムには、電源／制御回路２４、検出器コントローラ２６、および／またはシステムコントローラ２８のうちの１つまたは複数に帰属する機能を実行するためのハードウェア、回路、ファームウェア、および／またはソフトウェアを設けることができる。
図１に示す実施形態では、システムコントローラ２８は、符号３０で示すディスプレイまたはプリンタなどの少なくとも１つの出力装置にリンクされている。出力装置は、標準または特殊用途のモニタおよび関連する処理回路を含むことができる。１つまたは複数の操作者ワークステーション３２は、システムパラメータを出力すること、検査を要求すること、および画像を閲覧することなどのために、システムにさらにリンクすることができる。一般的には、ディスプレイ、プリンタ、ワークステーションおよびシステム内で供給される類似の装置は、データ取得コンポーネントの場所にあってもよいし、あるいは、施設もしくは病院内の他の場所、またはまったく異なる場所など、これらのコンポーネントから離れた、１つまたは複数の構成可能なネットワーク、例えばインターネット、バーチャルプライベートネットワーク、クラウドベースネットワークなどを介して画像取得システムにリンクされた場所にあってもよい。
説明を容易かつ簡単にするために、撮像システム１０に存在し得る構成要素のうちの特定のもののみが説明される。しかしながら、他の構成要素または機能が存在してもよい。一例として、ガントリまたはＣアームなどの構造的構成要素が存在してもよく、その上にＸ線源１２または検出器２２の一方または両方が取り付けられてもよい。このような取り付け構造は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、トモシンセシス、またはＣアーム血管造影システムの場合など、検査中に角度範囲にわたってデータを取得することを可能にする。同様に、様々な回転位置決めサブシステム（例えば、Ｘ線源１２および検出器２２の制御回転のための）および／または直線位置決めサブシステム（検査中に対象物または患者１８を直線的に並進させるためなどの）も存在してもよく、実際、撮像システム１０は、従来のＸ線撮影システム、ＣＴ撮影システム、トモシンセシスシステム、Ｃアームシステム、Ｘ線透視撮影システム、マンモグラフィシステム、二重または多重エネルギーシステム、ナビゲーションまたは介入イメージングシステムなどを含むがこれらに限定されない、任意の好適なＸ線ベースの撮像システムであってもよい。
前述の説明を念頭に置いて、従来のａ－Ｓｉおよびｃ－Ｓｉ検出器製造手法の説明は、本手法を理解するのに有用であり得る。例えば、図２を参照すると、ａ－Ｓｉ技術に基づいて作製された典型的なＸ線検出器２２の構成要素（ここでは、光イメージャパネル（破線５６で示す）および付随する読出し回路）の概略図が示されている。図示する例はパッシブ１Ｔ画素の例である。ａ－Ｓｉに付随する制約により、導電路は相対的に幅広く（ｃ－Ｓｉで可能なものと比較して）、それによって画素に関連し得る特徴のサイズに制限が課せられる。結果として、ａ－Ｓｉベースの画素は、一般に、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチおよびフォトダイオードの２つの電子部品のみを含むことができる。
さらに、ａ－Ｓｉに付随するこれらの特徴サイズの制約により、図示する例では、物理的パネル５６自体に列読出し電子回路５４または行読出し選択回路５２を含むスペースがない。その代わりに、列読出し電子回路５４および行読出し選択回路５２は、通常、別個のモジュールとして構築され、フレックス回路を介してパネル５６上の列データ線６０および行選択走査線５８に接続される。したがって、様々な読出し回路が、製造された光イメージャに対して「オフパネル」で形成され、追加の導電性構成要素、例えばフレックス回路を介してパネルに接続される。一般に、ａ－Ｓｉに付随する特徴サイズの制約により、ａ－Ｓｉ製造においてパネル５６上に形成される画素内の構成要素の数は、フォトダイオード６２が入射光子を検出するのに十分な表面積を残すために相対的に最小限なものになる。通常、画素は、単一の読出し選択ゲート６４およびフォトダイオード６２からなる。
図３を参照すると、本手法などによる、ｃ－Ｓｉを使用して作製された光イメージャパネル５６の概略図が示されている。図２の画素とは異なり、図３に示す画素はアクティブ３Ｔまたは４Ｔ画素である。本実施形態によれば、本明細書で説明する検出器画素は、５０ミクロンから２００ミクロンの範囲の横方向寸法（すなわち、長さおよび／または幅）を有することができる。（アモルファスシリコンと比較して）結晶シリコン内の速い電子移動度のために、ｃ－Ｓｉ製造における特徴サイズを非常に小さくすることができ、これによって、ＦＥＴスイッチおよびフォトダイオードに加えて、より多くの構成要素（例えば、電荷増幅回路）を画素内に形成することができる。さらに、列読出し電子回路５４および行読出し選択回路５２は、外部モジュールおよび接続を必要とせずに、物理パネル５６自体に製造することができる。
ｃ－Ｓｉの場合には、ａ－Ｓｉ画素に典型的に見られる単一ゲート（例えば読出し選択ゲート６４）の代わりに、ｃ－Ｓｉ画素は３つ、４つ、またはそれ以上のゲートを有することができる。図示する例では、示された画素は、電荷増幅器ゲート７０、行読出し選択ゲート６４、および電荷リセットゲート７２の３つのゲートを有する。電荷増幅器をパネル５６上に（例えば、画素の内側）に移動させることは、電子雑音を低減し、ＥＭＩ耐性を高めるなどの特定の利点を提供する。
ｃ－Ｓｉ製造のこれらの利点は有用であるが、上記のように、通常関連する欠点がある。前述したように、ＣＭＯＳベースのＸ線検出器などの検出器構成要素のｃ－Ｓｉ製造の欠点は、パネルのサイズが小さいことである。これは、ＣＭＯＳベースのＸ線検出器の光イメージャパネル５６が、典通常、円形のシリコンウエハ上に製造されるからである。市販のシリコンウエハの直径は、１インチ（２５ｍｍ）、２インチ（５１ｍｍ）、３インチ（７６ｍｍ）、４インチ（１００ｍｍ）、５インチ（１３０ｍｍ）、６インチ（１５０ｍｍ）、８インチ（２００ｍｍ）、１２インチ（３００ｍｍ）、１７インチ（４５０ｍｍ）を含む。１２インチおよび１７インチのウエハの製造コストが高いために、ほとんどの従来のＸ線検出器は、円形ウエハから切断した複数の正方形または長方形のパネルをタイリングすることによって８インチウエハから作製される。円形ウエハの残りの部分の切断は無駄であり、追加のタイリングプロセスは、検出器をより高価でより電気的に複雑にする。
ｃ－Ｓｉ製造の別の欠点は、ＣＭＯＳベースのＸ線検出器の電荷蓄積キャパシタの電圧スイングが、ａ－ＳｉベースのＸ線検出器のそれよりずっと小さいことである。例えば、ＣＭＯＳベースのＸ線検出器の典型的な電圧スイングは約２ボルトであるが、ａ－Ｓｉベースの検出器の電圧スイングは約１０ボルトである。したがって、ＣＭＯＳベースのＸ線検出器内のキャパシタは、同じ量の電荷を蓄積するために、ａ－ＳｉベースのＸ線検出器よりもはるかに大きくなければならない。結果として、ＣＭＯＳベースのＸ線検出器は、通常、ａ－ＳｉベースのＸ線検出器と比較してより低いダイナミックレンジを有する。
一方、ａ－ＳｉベースのＸ線検出器は、機器が扱える限り、パネルサイズには何らの制限もない。残念なことに、ａ－Ｓｉはランダム（すなわち、非規則的な）格子構造を有し、非常に低い電子移動度をもたらす。したがって、上述したように、電子部品をｃ－Ｓｉ製造のように小さく構築することができない。
ａ－Ｓｉおよびｃ－Ｓｉで製造されたＸ線検出器のこれらの様々な利点および欠点を念頭に置いて、本手法は、ａ－Ｓｉおよびｃ－Ｓｉの製造の両方に典型的に付随する利点を提供する。図４を参照して、本実施形態の一例について説明する。この例では、Ｘ線検出器パネル２２の分解図が示されており、このＸ線検出器パネル２２は、シンチレータ層９０と、ガラスプレートなどの基板９２上に構築されたアクティブ画素の２次元検出アレイを含む光イメージャパネル５６と、を含む。
Ｘ線光イメージャパネル５６の画素の製造に使用される材料は、導電性、非導電性、および半導電性材料を含む。導電性材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などが挙げられる。これらの材料における電子移動度は、通常、本文脈では問題を生じない。非導電性材料は絶縁体として働き、電子移動度を必要とせず、実際、そのような移動度はそのような絶縁機能と矛盾する。
しかし、現在の製造手法によれば、Ｐ＋ＳｉおよびＮ＋Ｓｉなどの半導電性材料が特に重要である。ａ－Ｓｉ製造プロセスでは、シリコン層は、通常、例えばプラズマ強化化学気相成長によって堆積される。そのような堆積では、ソース材料が電界によってイオン化され、イオン化された粒子が基板上に堆積される。この堆積プロセスの粒子は決して液体状態にならないので、格子構造はランダムである。したがって、得られるシリコンは、アモルファスシリコンであり、ａ－Ｓｉと略称される。
本手法によれば、ａ－Ｓｉ機構は、堆積または他の積層造形技術を用いて基板（例えば、ガラス基板）上に形成される。次いで、ａ－Ｓｉは、基板または隣接す機構を損傷することなく、ａ－Ｓｉを適所に溶融することによって（例えば、１つまたは複数の指向性レーザの形態で熱エネルギーを加えることなどによって）結晶化される。一実施形態では、小さな機構（例えば、約６５ｎｍ以下）の製作に適した３次元（３Ｄ）金属プリンタを使用して、基板上のａ－Ｓｉを結晶化することによって（すなわち、溶融し、秩序状態に設定することによって）基板上にｃ－Ｓｉ機構を製作する（例えば「印刷する」）ことができる。この方式は、アクティブ画素アレイの３Ｔまたは４Ｔゲートを任意の望ましい形状およびサイズの基板上に製作することを可能にする。適切なプリンタの一例は、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）微細加工または２光子吸収（ＴＰＡ）微細加工を使用する３Ｄ金属プリンタであってもよい。
図４を参照すると、この方式の高いレベルの例が示されている。この例では、本方式を使用して製造された検出器２２のいくつかの層の分解図が示されている。特に、検出器２２は、基板９２（例えば、ガラス基板）と、アクティブ画素検出アレイの形態の光イメージャパネル５６と、基板９２と反対側の光イメージャパネル５６の上に形成されたシンチレータ９０と、を含む。基板９２は、ガラス、金属、セラミック、カーボン、プラスチックなどを含むがこれらに限定されない、非シリコン材料の範囲を用いて形成することができる。基板材料に関するこの柔軟性は、携帯用途を含む各用途に適切な重量および／または頑丈さで検出器２２を形成することを可能にする。さらに、基板に関する柔軟性は、全体の所望の集合サイズを達成するために、より小さいパネルサイズのパネル化またはタイリングなしに、任意の臨床的に望ましい単一パネル（例えば、２２ｃｍ×２２ｃｍ、４０ｃｍ×４０ｃｍ、４３ｃｍ×３６ｃｍ、およびそれ以上）で光イメージャパネル（および対応する検出器）を形成することを可能にする。
製造に関して、図５を参照すると、一実施形態では、金属印刷または他の技術を用いてｃ－Ｓｉを直接基板９２上に堆積して、ｃ－Ｓｉアクティブ画素の光イメージャパネルなどの、上述の所望のアクティブ画素回路を形成する。さらに別の実施形態では、ａ－Ｓｉを基板９２上に堆積し、続いて熱エネルギーを加えてｃ－Ｓｉに変換する。ａ－Ｓｉは、（廃棄物を最小限に抑えるように）所望の回路設計に密接に適合するように堆積されてもよいし、あるいは、より一般的には基板表面に適用されて、続くレーザアクティビティが所望の回路位置でａ－Ｓｉをｃ－Ｓｉに変換し、その後変換されないａ－Ｓｉを除去してもよい。
好適な３Ｄ金属プリンタ１００によって生成することができるレーザ１０２を用いて、堆積されたａ－Ｓｉを所望の回路経路に沿ってその融点より上に加熱することができる。一旦冷却されると、回路経路はａ－Ｓｉの代わりにｃ－Ｓｉで構成され、したがって光イメージャパネル５６の回路はｃ－Ｓｉの組成になる、すなわちｃ－Ｓｉ回路９８となる。
図６を参照すると、光イメージャパネル５６がｃ－Ｓｉ回路９８として印刷されると、光イメージャパネル５６上のシンチレーション材料（ＣｓＩまたはＬｕ２Ｏ３など）を使用してシンチレータ９０を形成することができる。一実施形態では、シンチレータ９０は、光イメージャパネル５６上で、プリンタ１００または他の積層造形プリンタを使用して直接印刷することができる。理解されるように、印刷技術を使用することにより、従来のシンチレータ堆積プロセスを使用する際に生ずる未加工のシンチレータ材料の無駄を回避することができる。そのような損失を避けることは、特定のシンチレータで使用されるＬｕ２Ｏ３などの高価な希土類元素の使用を考慮して、望ましいことであり得る。さらに、印刷されたシンチレータは、シンチレータの各セルを光イメージャの対応する画素上に正確に位置合わせすることを可能にする。
特定の実施態様では、シンチレータ層９０は、光イメージャパネル５６の画素化に対応するように画素化された形態で印刷することができる。すなわち、シンチレータ層９０の個別部分（例えば「ニードル」）は、光イメージャパネル５６のアクティブ画素に空間的に対応し、画素間のクロストークを避けるために画素間で分離される。本明細書で使用する場合、シンチレータ層９０のコア材料１０８は、実際の材料、すなわち、Ｘ線光子の存在下で低エネルギー（例えば、光学的）光子を生成する材料である。クラッド１１０（図７）は、光イメージャパネル５６とのインターフェースおよび画素の確定を容易にするために、空気およびシリカファイバＳｉＯ２などの全内部反射を生じる適切な光屈折率を有する任意の材料とすることができる。特定の実施態様では、クラッド１１０は、適切な光反射性材料または光吸収性材料であってもよい。理解されるように、図示するスケールおよび寸法は、例示のためのものに過ぎない。シンチレータ材料のコア寸法とクラッド壁の厚さとの和は、光イメージャの画素の寸法に等しい。クラッド壁の厚さは、例えば、数百ナノメートルから数マイクロメートルであってもよい。
特定の実施態様では、シンチレータ材料（すなわち、コア材料１０８）は、空気によって互いに分離することができるシンチレーション材料の分離した個別の「ニードル」の集合体から構成することができる。このシンチレータ印刷手法は、これらの材料に関して特定の利点を可能にすることができ、その利点には、側方光の反射（光子が光検出器要素に到達するのを妨げるおそれがある）を回避、最小化、もしくは低減するように、および／またはニードルの向きがＸ線ビームと平行になる（ニードルを分離する空気を通過するＸ線光子の数を減らす）ことを回避するように、材料のニードルを印刷または配向することが含まれる。一般に、シンチレータ印刷方式は、シンチレータニードルおよびエアギャップサイズの最適化を可能にすることができる。
一実施形態では、Ｘ線光子が光子を発生させることなくクラッド材料１１０に衝突するのを防止するために、シンチレータコア材料１０８は、全内部反射条件が満たされている限り、直線のニードルとは対照的に、湾曲した（すなわち非直線の）「パイプ」または構造１１６として印刷することができる。図８は、印刷技術を使用してコア材料１０８内に形成された湾曲したパイプ１１６を有する印刷されたシンチレータ９０の断面図である。パイプ１１６の形状および曲率は、例示のみを目的としており、実際には、パイプ１１６は、任意の適切なサイズ、形状、および／または曲率であってもよいことに留意されたい。
前述の説明は、光イメージャパネル５６またはシンチレータ９０の一方または両方を形成するための印刷技術の使用を説明しているが、検出器２２の他の部分も印刷技術を用いて形成することができる。例えば、光イメージャパネル５６の反対側のシンチレータ９０の側の光リフレクタ（通常、例えば銀の層を使用して作られる）も印刷することができ、製造プロセスにおいてシンチレータ９０の上部に印刷することができる。さらに、通常、例えばカーボングラファイトを使用して作られたカバー（例えば、環境からシンチレータを保護する外層）を、シンチレータの上および周囲に、存在する場合にはリフレクタの上などに、印刷することもできる。例として、一実施形態では、光イメージャパネル５６、シンチレータ９０、リフレクタ、およびカバーをすべて単一部品として印刷することができ、超薄型検出器パッケージが可能になる。薄いが頑丈な検出器を形成するために、頑丈なパネル基板を使用することもできる。
以上のことを念頭に置いて、これらのステップのうちの特定のものを示すフロー図を図９に示す。理解されるように、これらのステップの一部またはすべては、本明細書で説明するように、３Ｄ印刷技術または金属印刷技術を使用して実行することができる。図示する実施態様の最初のステップとして、最初に基板９２が提供され、ａ－Ｓｉ１４０が基板９２上に所望の回路のパターンおよびトレースで印刷される（ブロック１６０）。続いて、ａ－Ｓｉトレース１４０が加熱されて溶融し、ａ－Ｓｉを結晶化させ（ブロック１６２）、ｃ－Ｓｉ回路１４２を形成する。あるいは、これらのステップを組み合わせて単一のステップにすることもできる。この場合、ａ－Ｓｉ材料は３Ｄプリンタによって溶融され、ｃ－Ｓｉ回路が基板上に直接印刷される。
図示する例では、シンチレータ層９０がｃ－Ｓｉ回路１４２から形成された光イメージャパネル上に印刷される（ブロック１６４）。他の実施形態では、シンチレータ９０は、従来の堆積技術を含む異なる技術を使用して製造することができる。印刷された実施態様では、上述したように、シンチレータ層９０がコアシンチレーション要素１０８およびクラッド要素１１０を含むように印刷され、シンチレータ層９０の画素化を画定する。さらに、本明細書で説明するように、シンチレータ層９０は、有効信号を効果的に低減させる、クラッド材料と相互作用するＸ線を最小化または低減させるように、湾曲した光パイプなどの光パイプ１１６を含むように印刷することができる。
図示する例では、シンチレータ層９０上にリフレクタ１４４が印刷される（ブロック１６６）。リフレクタ１４４は、存在する場合には、シンチレータ９０によって生成された波長範囲の光学的光子を反射し、シンチレータ９０によって生成された光子を光イメージャパネルに向け直すように作用する。図示するように、特定の実施態様では、カバー１４６を印刷することもできる（ブロック１６８）。存在する場合には、カバー１４６は、シンチレータ９０および他の敏感な検出器部品を周囲環境から封止するのを助けることができ、かつ／または耐久性のある保護を提供することができる。さらに、製造中に、散乱防止グリッドなどの他の検出器部品を検出器上に印刷することができる。散乱防止グリッドの場合には、これは、散乱Ｘ線がシンチレータに到達するのを防止するために、Ｘ線減衰材料の画素化されたグリッドをシンチレータ上（またはリフレクタの上ではあるがカバーの下など）に印刷する形式をとることができる。
開示された実施形態の技術的効果には、初期製造プロセスのためのａ－Ｓｉの適用が含まれ、その後ｃ－Ｓｉに通常付随するより高い電子移動度の利益が得られる。本明細書で説明するように、これにより、より薄くより長い電気経路を有する検出器の製造が可能になり、より小規模な電気部品の製造が可能になる。放射線検出器の文脈で説明したように、これは、パネル上のアナログデジタル変換、およびより小さい画素サイズのための、画素内の電荷増幅回路の製造を可能にすることができる（ただし、いくつかの実施形態では、最初の堆積にはａ－Ｓｉ材料を使用する）。これらの特徴は、電子雑音の低減、消費電力の低減、および電気部品のより簡単なパッケージングを提供することができる。
本明細書は、主題を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本主題を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。主題の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言から実質的には相違しない同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。
１０ 撮像システム
１２ Ｘ線放射線源
１６ 放射線
１８ 対象物／被検者／患者
２０ 放射線
２２ Ｘ線検出器
２４ 電源／制御回路
２６ 検出器コントローラ
２８ システムコントローラ
３０ ディスプレイ／プリンタ
３２ 操作者ワークステーション
５２ 行読出し選択回路
５４ 列読出し電子回路
５６ 光イメージャパネル
５８ 行選択走査線
６０ 列データ線
６２ フォトダイオード
６４ 行読出し選択ゲート
７０ 電荷増幅器ゲート
７２ 電荷リセットゲート
９０ シンチレータ
９２ 基板
９８ ｃ－Ｓｉ回路
１００ ３Ｄ金属プリンタ
１０２ レーザ
１０８ シンチレータコア材料
１１０ クラッド
１１６ パイプ
１４０ ａ－Ｓｉトレース
１４２ ｃ－Ｓｉ回路
１４４ リフレクタ
１４６ カバー
１６０ ブロック
１６２ ブロック
１６４ ブロック
１６６ ブロック
１６８ ブロック

Claims (14)

  1. 放射線検出器の光イメージャパネル（５６）を製造するための方法であって、
    電界効果トランジスタ、フォトダイオード（６２）、および電荷増幅器（７０）に対応するアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）のトレースを基板（９２）上に配置するステップと、
    前記ａ－Ｓｉのトレースを溶融させるステップと、
    続いてａ－Ｓｉを凝固させて前記基板（９２）上に結晶シリコン（ｃ－Ｓｉ）回路（９８，１４２）を形成するステップであって、前記ｃ－Ｓｉ回路（９８，１４２）が、少なくとも電界効果トランジスタ、フォトダイオード（６２）、および電荷増幅器（７０）をそれぞれ含む少なくとも複数の検出器画素を含むものである、前記結晶シリコン（ｃ－Ｓｉ）回路（９８，１４２）を形成するステップと、
    前記ｃ－Ｓｉ回路（９８，１４２）にシンチレータ層（９０）を印刷するステップとを含み、
    前記シンチレータ層（９０）を印刷するステップが、画素化されたシンチレータ層（９０）を印刷するステップを含み、
    前記シンチレータ層（９０）の画素の各々が前記光イメージャパネル（５６）のそれぞれの画素に対応する、方法。
  2. 前記基板（９２）は、ガラス、金属、セラミック、カーボンまたはプラスチック基板のうちの１つまたは複数を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記基板（９２）は、単一部品であり、１つの寸法について少なくとも２２ｃｍである、請求項１に記載の方法。
  4. 前記ｃ－Ｓｉ回路（９８，１４２）は、前記基板（９２）上に形成された列読出し電子回路（５４）または行読出し選択回路（５２）の一方または両方をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記シンチレータ層（９０）の上にリフレクタ（１４４）を印刷するステップをさらに含む、請求項１～４のうちのいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記シンチレータ層（９０）の上にカバー（１４６）を印刷するステップをさらに含み、リフレクタ（１４４）が、存在する場合には、前記カバー（１４６）と前記シンチレータ層（９０）との間にあってもよい、請求項１～５のうちのいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記シンチレータ層（９０）の上に散乱防止グリッドを印刷するステップをさらに含み、リフレクタ（１４４）が、存在する場合には、前記散乱防止グリッドと前記シンチレータ層（９０）との間にあってもよい、請求項１～５のうちのいずれか一項に記載の方法。
  8. 放射線検出器のシンチレータを製造するための方法であって、
    電界効果トランジスタ、フォトダイオード（６２）、および電荷増幅器（７０）を含む画素を備えた光イメージャパネル（５６）を提供するステップであって、前記基板（９２）上に、前記電界効果トランジスタ、前記フォトダイオード（６２）、および前記電荷増幅器（７０）のアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）を印刷するステップ、前記ａ－Ｓｉを溶融させるステップ、および前記溶融したａ－Ｓｉを結晶化して結晶シリコン（ｃ－Ｓｉ）回路（９８，１４２）を形成するステップを含む、光イメージャパネル（５６）を提供するステップと、
    前記光イメージャパネル（５６）上にシンチレータ材料（１０８）の層を印刷するステップとを含み、
    前記シンチレータ材料（１０８）の層を印刷するステップが、前記光イメージャパネル（５６）の各画素の上にシンチレーション材料の画素化領域を印刷するステップを含み、
    各画素化領域内の前記シンチレーション材料は、シンチレーション材料の非直線構造を含むように印刷される、方法。
  9. 前記光イメージャパネル（５６）を提供するステップは、３Ｄプリンタを使用して前記光イメージャパネル（５６）回路を基板（９２）上に印刷するステップを含む、請求項８に記載の方法。
  10. 前記シンチレータ材料（１０８）の層を印刷するステップは、
    シンチレーション材料の前記画素化領域の間にクラッド材料を印刷するステップを含む、請求項８または９に記載の方法。
  11. 放射線検出器の光イメージャパネル（５６）であって、
    非シリコン基板（９２）と、
    前記非シリコン基板（９２）上に印刷された複数の画素であって、各画素が、少なくとも１つの電界効果トランジスタ、少なくとも１つのフォトダイオード（６２）、および少なくとも１つの電荷増幅器（７０）に対応する結晶シリコン（ｃ－Ｓｉ）回路（９８，１４２）を含み、前記ｃ－Ｓｉ回路が、電界効果トランジスタ、フォトダイオード（６２）、および電荷増幅器（７０）に対応するアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）のトレースを前記非シリコン基板（９２）上に配置するステップと、前記ａ－Ｓｉのトレースを溶融させるステップと、前記ａ－Ｓｉを凝固させるステップとを含む印刷技術によって形成される、前記複数の画素と、
    前記ｃ－Ｓｉ回路（９８，１４２）に印刷されたシンチレータ層（９０）とを含み、
    前記シンチレータ層（９０）が、画素化されたシンチレータ層であり、
    前記シンチレータ層（９０）の画素の各々が前記光イメージャパネル（５６）のそれぞれの画素に対応する、光イメージャパネル（５６）。
  12. 前記基板（９２）は、ガラス、金属、セラミック、カーボンまたはプラスチック基板のうちの１つまたは複数を含む、請求項１１に記載の光イメージャパネル（５６）。
  13. 前記光イメージャパネル（５６）は、単一部品であり、１つの寸法について少なくとも２２ｃｍである、請求項１１に記載の光イメージャパネル（５６）。
  14. 前記非シリコン基板上に印刷された前記ｃ－Ｓｉ回路（９８，１４２）は、前記基板（９２）上に形成された列読出し電子回路（５４）または行読出し選択回路（５２）の一方または両方をさらに含む、請求項１１に記載の光イメージャパネル（５６）。
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