JPH02232977A - 放射線検出素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、Ｘ線やγ線等の放射線を用いた医療用機器や
化学分析機器、あるいは放射線を用いた材料検査装置等
に使用される、放射線検出素子とその製造方法に関する
。

く従来の技術〉 放射線が物質内で生じさせる発光現象を利用した検出器
として、シンチレーション検出器がある。

このシンチレーション検出器では、放射線入射によって
シンチレータ（螢光体）内で励起され、電離過程を介し
て発光した螢光を、フォトダイオードや光電子増倍管に
より発光量に比例した電気的パルス信号（電圧あるいは
電流パルス）として取り出す。

シンチレータは吸収した放射線のエネルギと発光強度間
の比例性が良好であるため、出力パルスの波高値から入
射放射線のエネルギ測定が可能となる．しかも、形状や
寸法にかなりの自由度があり、目的に応じてシンチレー
タを交換すれば、同一の測定系によりα線やβ線のみな
らず、Ｘ線、Ｔ線および中性子を高速度で測定すること
ができる。

なお、Ｔ線やＸ線の測定にはＮａＩ（Ｔｊ！）、ＣｓＩ
（Ｔｊ）等の無機シンチレータが使用される。

第１０図に従来のシンチレーション検出器の構成例を示
す。シンチレータ１００を、接合面での光反射を少なく
する材料、例えば高粘性のシリコーンオイル１０１を介
在させてＳｉ基板１０２に形成されたフォトダイオード
１０３の受光面に密着させるとともに、シンチレータ１
００の外側はその内部での発光を有効に利用するために
光反射物ｔ１０４で取り囲んでいる。なお、１０５は絶
縁膜である。そして、このような検出器全体を遮光ケー
ス内に収めて使用する。

く発明が解決しようとする課題〉 以上のような構造の従来のシンチレーシッン検出器にお
いては、光検出用フォトダイオード１０３とシンチレー
タ１００は個別に製作され、その後第１０図に示すよう
な構造に組み立てられる。このような製法によると、両
者の接合面において光の反射が存在するため、上述のよ
うなシリコーンオイル１０１等をその接合部分に充填し
てここでの光反射を少なくする対策が採られるわけであ
るが、この充填は機械的な塗布によるため、均一に充填
することは困難であって、接合面における反射を完全に
無くすことは不可能である。

また、シンチレータ１００の表面は、フォトダイオード
１０３と対向している部分を除いて光反射物質１０４を
塗布するが、これによっても１００％の反射は不可能で
あり、第１０図に示すように、放射線Ｒの入射による発
光のうち横方向に向かう光は、例えばその光路をＬで示
すように多重反射をすることもあって、光の外部への逃
げや減衰に起因して、その発光の電気信号への変換効率
は悪い。

更に、このような機械的な組み立てによると、フォトダ
イオード１０３に応力が加わってその光電変換特性が劣
化することもある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、シンチ
レータによる発光を高効率で電気信号に変換することが
でき、また、製造過程で光検出用のフォトダイオードの
特性が劣化しに《く、もって放射線を高効率、かつ、高
精度に検出することのできる放射線検出素子と、その製
造方法の提供を目的としている． 〈課題を解決するための手段〉 上記の目的を達成するため、本発明の放射線検出素子で
は、実施例に対応する第１図に示すように、Ｓｉ基板盲
の表面に形成した凹部内にシンチレータ２を埋め込み、
また、そのシンチレータ２の外部への露呈部を光反射膜
３で覆い、更に、Ｓｉ基板１には、凹部の内面全面に亘
ってシンチレータ２を囲むような有感面を持つフォトダ
イオード４を形成している． ここで、光反射膜３に代えて、第９図に示すように、シ
ンチレータ２の外部べの露呈部に対向して別のフォトダ
イオード９０を設けてもよい．また、本発明の放射線検
出素子の製造方法は、第３図に例示するように、Ｓｉ基
板１の表面に凹部１ａを形成した後（Ｃ）、その凹部１
ａの内面全面をアモルファス化し（ｅ｝、次に、そのア
モルファス化した部分に不純物イオンを注入して（ｆ）
凹部１ａの内面全面に沿うｐｎ接合４ａを形成してこの
部分をフォトダイオード化し《幻、次に、凹部１ａ内に
シンチレータ２をマスク蒸着した後（ｈ）、そのシンチ
レータ２の表面の露呈部に光反射性の蒸着膜３を形成す
る（１）ことによって、特徴づけられる。

く作用〉 シンチレータ２は、その上面の光反射膜３の形成面（第
１図）もし《はフォトダイオード９０への対向面（第９
図）を除いて、Ｓｉ基板１に形成されたフォトダイオー
ド４に囲まれるから、第２図に示すように、このシンチ
レータ２内で生じた発光は上方に向かうものを除いてフ
ォトダイオード４に直接入射する。また、上方に向かう
光も、光反射膜３による１回の反射の後にフォトダイオ
ード４に入射するか、あるいは別のフォトダイオード？
０に直接入射する。従って、シンチレータ２内で生じた
光は外部に逃げにク＜、多重反射によって減衰すること
もない。

また、本発明の製造方法では、フォトダイオード４とシ
ンチレータ２とは機械的な組み立てを要することなく接
合され、その接合面での反射やフォトダイオード４に作
用する応力等に関する問題も生じない。

〈実施例〉 第１図は本発明実施例の構成図で、（ａ）は中央縦断面
図、（ｂｌは平面図を示している。

Ｓｉ基板１の表面には矩形の凹部が形成されており、こ
の凹部の内面および基板表面にはＳｉＯ■膜５が形成さ
れている。そして、その凹部内に、例えばＣｓｌ（Ｔｊ
！）もしくはＮａｌ（Ｔｊ！）等のシンチレータ２が埋
め込まれている。このシンチレータ２の厚さは凹部の深
さとほぼ等しく、従ってシンチレータ２はその上面を除
く全面がＳｉ基板１の凹部内のＳｉＯ■膜５と接してい
る。

また、シンチレータ２の上面は、例えばＡｌ製の光反射
膜３で覆われている。

Ｓｉ基板１には、凹部の内面全面を取り囲むようなｐｎ
接合４ａが形成されている。すなわち、３ｉ基板１は例
えばｎ型基板であって、凹部の内面全面に沿ってｐ層が
形成されている。そして、このｐ層の一部はＳｉ基板１
の表面に沿って伸び、ＳｉＯｔ膜５に形成されたコンタ
クトホールを介して電極６ａに接続されている。また、
Ｓｉ基板１の裏面全面には電極６ｂが形成されている。

このような構造により、Ｓｉ基仮１には、凹部、従って
シンチレータ２の埋め込み面全面に沿う有怒面を持ち、
かつ、電極６ａと６ｂから出力電圧を取り出すことので
きるフォトダイオード４が形成されていることになる。

以上の本発明実施例によると、第２図に示すように、シ
ンチレータ２に放射線Ｒが入射することによって発生し
た光は、その上面へと向かう光を除いて全てがフォトダ
イオード４の有感面に直接入射し、また、上面に向かう
光も、光反射膜３で１回だけ反射した後にフォトダイオ
ード４の有感面に入射し、シンチレータ２内で発生した
光は外部に逃げにくく、また、多重反射による減衰の可
能性も極めて少なく、高効率で電気信号に変換される。

なお、フォトダイオード４のｐｎ接合深さは、シンチレ
ータ２の種類に応じて最適な深さに設定するとよく、ま
《、被測定放射線のエネルギに応じてシンチレータ２お
よびフォトダイオード４の形状や寸法を適宜に決定する
ことができる。

次に、以上のような構造を持つ本発明実施例の製造方法
を説明する。第３図はその製造手順の説明図である。

まず、Ｓｉ基板１を洗浄した後、酸化してその表面にＳ
ｉＱ，膜５を形成し、その上にフォトレジスト１０を塗
布する（ａｌ。

次に、シンチレータ２を埋め込むための凹部を形成する
位置のフォトレジストを、マスク露光および現像によっ
て除去し、そのＩＨＦ水溶液によって（′ｂ）に示すよ
うにＳ１０２膜５の一部をエッチングする。

？いでＳｉ基板１ａをエッチングして凹部を形成するが
、リアクティブイオンエッチング（Ｒ　Ｉ　Ｅ）による
異方性エッチングを行うことにより、（Ｃ）に示すよう
に垂直に切立った凹部１ａが得られる。

その後、凹部１ａの内面を酸化してＳｉＯ■膜５を形成
するが、このとき、コンタクトホール７を形成する部分
のＳｉ基板１表面のＳｉｎｇ膜５についても、当初の膜
を除去しておいてそれよりも薄い膜にしておくことが望
ましいく（ｄ）参照）。

次に、ＳｉＭＶｉｌの裏面にコンタクト用のイオンを注
入する（ｄ＋。つまり、Ｓｉ基板１と同じ極性の不純物
をドープする。

そして、凹部１ａを取り囲むｐｎ接合を持ったフォトダ
イオード４を作成するわけであるが、このようなｐｎ接
合を得るための不純物ドープをイオン注入で行うとき、
均一に不純物が打ち込まれるよう、後述するように凹部
１ａの表面に対して種々の角度でイオン注入を行う必要
がある。ここで、このときのイオンチャネリングによる
ばらつきを防ぐために、まず、（ｅ）に示すように、凹
部１ａの内部表面をはじめとして図中×・・・×を付し
た部分にＳｉ′″イオンを注入し、この部分をアモルフ
ァス化する． 次に、このアモルファス化した部分に、＜ｒ》に示すよ
うに、Ｓｉ基板１と逆極性の不純物をイオン注入する。

このとき、凹部１ａの表面に均一に不純物がドープされ
るように、第４図に示すようにイオン打ち込み方向に対
するＳｉウェハ４０の姿勢を、すなわち角度θおよびψ
を、種々に変化させつつ、イオン注入を行う。これは、
前記したＳｉイオンの注入時も同じである。

さて、この不純物イオンの注入後にアニールを施し、そ
の後、コンタクトホール７を形成し、（幻に示すように
フォトダイオード４用の電極６ａおよび６ｂを形成する
．アニール条件は、使用するシンチレータの発光スペク
トルに対して、フォトダイオードの分光惑度が最適とな
るように決定される。

次に、（ｈｌに示すように、マスク１１を介した真空蒸
着により、凹部１ａ内にシンチレータ２を埋め込む。こ
のときも、シンチレータ２が凹部１ａ内に均一に蒸着し
てゆくようにその入射方向を種々に変化させることが望
ましい． そして最後に、（ｌ）に示すように、蒸着されたシンチ
レータ２の表面を覆うよう、同様なマスク１１を介して
ＡＩ等の光反射性材料を蒸着させ、光反射膜３を形成す
る． 以上の製造方法において注目すべき点は、シンチレータ
２およびフォトダイオード４は、一つのＳｉ基板１上に
、半導体製造プロセスの技術を利用して一貫して作成さ
れる点である。つまり、この製法によって機械的な組み
立て工程が不要となり、シンチレータ２とフォトダイオ
ード４間の接合面での光反射についての配慮は不要とな
るとともに、製造過程でフォトダイオード４に加わる応
力も少なくなる。

なお、以上の製造方法において、凹部１ａの形成はりア
クティブイオンエッチングによらず、例えばＨＦ＋ＨＮ
Ｏｓ＋ＣＨｓＣＯＯＨの混合液等を用いたウェットエッ
チングを採用してもよい。この場合、凹部１ａの形状は
、第５図に示すように側壁が傾斜したものとなるが得ら
れる素子の機能上の問題はなく、Ｓｉ基板１に対する損
傷の点ではウェットエッチングの方が優れている。

また、シンチレータ２の材質としては、Ｃｓｌ（Ｔｌ）
やＮａＩ（Ｔ１）等が、電子ビーム蒸着やスパソタ等の
真空蒸着プロセスによって成膜が可能であることが知ら
れている。

更に、光反射膜３の材質としては、Ａｌｌのほか、Ａｉ
０！、Ｗ％　Ｍｏ等を用いることができる．さて、以上
のようなシンチレータ２がＳｉ基板１内に埋め込まれた
構造の検出素子では、放射線の入射方法が重要となる。

すなわち、検出する放射線のエネルギにより、３１基板
１で吸収される放射線の率が変化するからである． 放射線のエネルギが高く、シンチレータ２で吸収される
放射線の量に対してＳｉ基板１で吸収される量が無視で
きる場合には、第６図（ａｌ．　（ｂ）に素子を概略の
断面図および平面図で示すような放射線Ｒの入射方法を
採用する．この場合、放射線Ｒが通るＳｉ層の実際上可
能と考えられる厚さが数鶴であって、これによって検出
できる放射線エネルギの下限が決まる． 一方、第６図のような入射方法ではＳｉ基板１で吸収さ
れる放射線の量が無視できない場合に、第７図（ａ），
　（ｂ）に同様に素子の概略断面図と平面図で示すよう
な入射方法を採用する．この場合には、シンチレータ２
の上部の光反射膜３も、／ｌ等の放射線吸収係数の小さ
いものを用い、かつ、薄くする必要がある．なお、この
場合には必然的にシンチレータ２からの光の電気信号へ
の変換率は低下する． ところで、エネルギの高い放射線を測定するとき、前記
したようにＳｉ基板１で吸収される放射線の割合はシン
チレータ２で光に変換されるものに比べて無視できるた
め、第８図に断面図で示すような構造と放射線Ｒの入射
方法を採用することもできる。この例では、１個のＳ五
基板１に複数のシンチレータ２とフォトダイオード４の
ペアを形成している。隣接するシンチレータ２．２間に
形成されるフォトダイオード４，４の壁は、Ｓｉ集積回
路製造プロセスを用いることによって数十μｍの厚さま
ではフォトダイオード特性を劣化させることなく得るこ
とが可能である。このような構造と入射方法を採用し、
フォトダイオード４，４からの出力を個別に取り出すよ
うにすると、入射した放射線Ｒのエネルギに関する情報
も得ることが可能になると期待できる。

さて、これまでに述べた素子の構造では、シンチレータ
２の上面に光反射膜３を形成したものについて説明した
が、この光反射膜３をフォトダイオードに代えることも
できる。

第９図にその構造例を縦断面図で示す。この例において
は、シンチレータ２は第１図の構造と全く同様にＳｌ基
板１内に埋め込まれ、かつ、その周囲はＳｉ基板１に形
成されたフォトダイオード４で囲まれているが、シンチ
レータ２の上面には、別途製造されたフォトダイオード
９０がその受光面を対向させて配設されている。

このフォトダイオード９０の電極は、Ｓｉ基板１の表面
に形成されたアルミ配ＮＩＡ９ｔ，９２にそれぞれはん
だ９３．９４で接続されている。

また、フォトダイオード９０とシンチレータ２の間は、
高粘性シリコーンオイル等の従来の素子において接合面
での光反射を少なくするために使用されている材料９５
埋められている。

このような構造によれば、シンチレータ２はその周囲が
全てフォトダイオードに覆われることになり、放射線入
射によってシンチレータ２内で発生した光は、反射をす
ることなくそのほとんど全てがいずれかのフォトダイオ
ードに入射し、高効率で電気信号に変換される。

く発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、Ｓｉ基板に形成
された凹部にシンチレータを埋め込み、そのＳｉ基板に
はシンチレータを取り囲むような有感面を持つフォトダ
イオードを形成し、また、シンチレータの上部露呈面は
、光反射膜で覆うか、あるいは別のフォトダイオードを
対向配置しているので、シンチレータ内で発生した光は
その大部分がＳｉ基板内のフォトダイオードに直接入射
して電気信号に変換され、また、残りの光も光反射膜に
よる１回の反射後に同じフォトダイオードに入射するか
、あるいは別のフォトダイオードに直接入射して電気信
号に変換されるので、発光の電気信号への変換率が高く
、検出効率の高い放射線検出素子が得られる。

ま．た、本発明方法によると、機械的な組み立て工程を
経ることなく、Ｓｉ半導体の製造プロセスを利用して一
貫製造を行うので、従来のように組み立て時の機械的応
力の作用によるフォトダイオードの特性劣化を生じるこ
とがなく、高性能で安定した素子が得られる．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の構成図、 第２図はその作用説明図、 第３図はその本発明実施例の製造手順の説明図、第４図
はその不純物イオンの打ち込み方法の説明図、 第５図はウェットエッチングを採用した場合に得られる
凹部１ａの形状説明図、 第６図および第７図は本発明の検出素子を用いた放射線
の入射方法の説明図、 第８図は本発明の検出素子の応用例とその放射線の入射
方法の説明図、 第９図は本発明の他の実施例の構造を示す縦断面図、 第１０図は従来のシンチレーション検出器の構成例を示
す図である。 １・・・Ｓｉ基板 １ａ・・・凹部 ２・・・シンチレータ ３・・・光反射膜 ４・・・フォトダイオード ５・・・Ｓｌｏｔ膜 ６ａ，６ｂ・・・電極 ９０・・・フォトダイオード 特許出願人　　　　株式会社島津製作所代　理　人　　
　　弁理士　西田　新 ｗａ図 第４図 （ＣＩ） 第５図 第１０図 ！，。３

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｓｉ基板の表面に形成された凹部内にシンチレー
   タが埋め込まれ、かつ、そのシンチレータの外部への露
   呈部は光反射膜で覆われているとともに、上記Ｓｉ基板
   には、その凹部の内面全面に亘って上記シンチレータを
   囲むような有感面を持つフォトダイオードが形成されて
   なる放射線検出素子。
2. （２）請求項第１項の記載の検出素子において、上記光
   反射膜に代えて、上記シンチレータの外部への露呈部に
   対向するフォトダイオードを配設したことを特徴とする
   放射線検出素子。
3. （３）Ｓｉ基板の表面に凹部を形成した後、その凹部の
   内面全面をアモルファス化し、次いで、そのアモルファ
   ス化した部分に不純物イオンを注入して上記凹部の内面
   全面に沿うｐｎ接合を形成してこの部分をフォトダイオ
   ード化し、次に、上記凹部内にシンチレータをマスク蒸
   着した後、そのシンチレータの表面の露呈部に光反射性
   の蒸着膜を形成する、放射線検出素子の製造方法。