JP2009128185A

JP2009128185A - 放射線検出器およびその製造方法

Info

Publication number: JP2009128185A
Application number: JP2007303454A
Authority: JP
Inventors: Shinji Suzuki; 慎二鈴木; Hiroyuki Aida; 博之會田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2009-06-11

Abstract

【課題】動作の信頼性の高いＸ線検出器を提供する。
【解決手段】保護膜42に有機材料を用いる。保護膜42の厚みを厚く形成してフォトダイオード素子18間の段差を覆って表面を平坦化する。保護膜42上の平坦面にバイアス電極43を形成し、バイアス電極43の断線などの不具合を防止する。回路基板17のゲート電極27とバイアス電極43との距離を離し、これらの間での配線間容量を小さくし、ノイズを低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線を検出する放射線検出器およびその製造方法に関する。

新世代の診断用Ｘ線画像検出器として、アクティブマトリクスを用いた平面形のＸ線検出器が注目を集めている。このＸ線検出器にＸ線を照射することより、Ｘ線撮影像またはリアルタイムのＸ線画像がデジタル信号として出力される。このＸ線検出器は、固体検出器であることから、画質性能や安定性の面でも極めて期待が大きく、多くの研究開発が進められている。

実用化の最初の用途として、比較的大きな線量で、静止画像を収集する胸部あるいは一般撮影用に開発され、近年商品化されている。より高性能で、透視線量下で毎秒３０フレーム以上のリアルタイム動画を実現させる必要のある循環器、消化器分野への応用に対しても近い将来に商品化が予想される。この動画用途に対しては、Ｓ／Ｎの改善や微小信号のリアルタイム処理技術などが重要な開発項目となっている。

この種のＸ線検出器には、大きく分けて直接方式と間接方式との二方式がある。直接方式は、Ｘ線をａ−Ｓｅなどの光導電膜により直接電荷信号に変換し、電荷蓄積用のキャパシタに導く方式である。一方、間接方式は、シンチレータ層である蛍光変換膜によりＸ線を受けて一旦可視光に変換し、可視光をａ−ＳｉフォトダイオードやＣＣＤにより信号電荷に変換し、電荷蓄積用のキャパシタに導く方式である。

現在実用化されているＸ線検出器の多くが間接方式を採用している。従来の間接方式のＸ線検出器においては、人体などを透過したＸ線画像をＸ線検出器に入射し、その画像情報を電気信号に変換する。この際、蛍光変換膜によってＸ線を可視光に変換し、その可視光を光電変換基板の格子状に形成された画素毎に検出し、二次元的な画像情報の電気信号として出力する。

光電変換基板は、液晶表示装置の製造工程に類似している薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）パネル製造工程により、信号配線および薄膜トランジスタを形成した回路基板を作成し、その回路基板上に入力面からの蛍光を検出するフォトダイオード素子を画素毎に格子状に形成し、そのフォトダイオード素子を下部に配置されている薄膜トランジスタに電気的に接続している。

光電変換基板の画素毎に格子状に形成されるフォトダイオード素子は、一般的にアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を主成分とし、真性半導体であるｉ型のアモルファスシリコン層を、リンを添加することにより実現されるｎ型アモルファスシリコン層と、ホウ素を添加することにより実現されるｐ型アモルファスシリコン層とにより挟み込んだ構造をしている。一般的には信号配線と薄膜トランジスタを形成した回路基板上にｎ型アモルファスシリコン層、ｉ型アモルファスシリコン層、ｐ型アモルファスシリコン層をＣＶＤ法（気相成長法）により順次積層している。その後、フォトダイオード素子の内部における面内方向への電荷移動による画像の解像度劣化を避けるため、フォトダイオード素子を画素毎に分離し、画素毎に電気的に独立させた後、フォトダイオード素子の上部への電圧供給用の配線を形成している（例えば、特許文献１参照）。

このような工程により製造された光電変換基板上に入力面の蛍光変換膜が形成されている。蛍光変換膜は入射Ｘ線を可視光に変換する機能を有する蛍光物質から構成され、蛍光物質の種類としてはＧｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ（テルビウム添加硫化酸化ガドリニウム）やＣｓＩ：Ｔｌ（タリウム添加沃化セシウム）が用いられることが多い。

Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂを蛍光物質として用いる場合、粒子状のＧｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂを樹脂中に分散した膜を用いる。それに対してＣｓＩ：Ｔｌを蛍光物質として用いる場合、真空蒸着法により光電変換基板上にＣｓＩ：Ｔｌ膜を形成するもので、その際に適切な製造条件をとることで、光電変換基板に対して垂直方向の柱状構造を持つＣｓＩ：Ｔｌ膜を形成することができる。その柱状構造を持つＣｓＩ：Ｔｌ入力面は、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂを用いた入力面より入射Ｘ線に対する解像度が高く、高性能のＸ線検出器が可能となる。

そして、フォトダイオード素子は、薄膜トランジスタを形成した回路基板上に形成されており、フォトダイオード素子の内部で発生した電荷が、フォトダイオード素子の上部に形成されているＩＴＯ（錫添加酸化インジウム）の透明導電膜と、フォトダイオード素子および回路基板の間に形成された下部電極とを通して取り出される。下部電極は回路基板の薄膜トランジスタのドレイン端子に接続され、薄膜トランジスタの駆動に応じて電荷が外部に出力される。ここで用いられる下部電極であるが、通常は薄膜の形成が容易であり、抵抗率が低くパターン形成の容易なアルミニウムを主成分とする金属物質が用いられることが多い。

アモルファスシリコンを主成分とするフォトダイオード素子の製造工程においては、回路基板上の全面にＣＶＤ（科学気相成長法）により積層形成され、このアモルファスシリコン膜の形成後にインジウム酸化物を主成分とする透明導電膜が回路基板上の全面に積層形成される。

回路基板上の全面に形成されたアモルファスシリコン膜の状態では、入力した光画像により発生した電荷がアモルファスシリコン膜の内部を通じて横方向に広がってしまい、画像の解像度が極度に悪化してしまうため、透明導電膜を含むアモルファスシリコン膜を画素単位にて分離し、入射光により発生した電荷が横方向に広がるのを防ぐ。

アモルファスシリコン膜を画素毎に分離した後、回路基板上の全面を無機材料の透明保護膜にて覆う。そして、アモルファスシリコン膜上に残された透明導電膜上の透明保護膜にコンタクトホールを形成し、コンタクトホール内部を含む領域に上部電極を形成することで個々のアモルファスシリコン膜に電圧を印加することが可能となる。最後に、再度、無機材料の透明保護膜を回路基板上の全面に塗布形成することで、フォトダイオード素子と回路基板を含む光電変換基板が完成する。この光電変換基板上にＸ線により蛍光を発する蛍光変換膜を重ね、外部回路を接続することによって、Ｘ線検出器が完成する。

無機材料の透明保護膜の形成には、フォトリソグラフィーによるパターニングと、パターニングされた部分の除去のために、エッチング工程が必要になり、製造リードタイムが長くなっている。
特開平９−９００４８号公報（第４頁、図１）

Ｘ線検出器では、感度を向上させるため、通常、アモルファスシリコン膜を５００〜２０００ｎｍの比較的厚い膜にする必要がある。このため、アモルファスシリコン膜を画素分離すると、画素間にアモルファスシリコン膜と同程度の段差が生じる。この段差を無機材料の透明保護膜で覆う場合、透明保護膜がアモルファスシリコン膜に比較して薄い場合が多いため、透明保護膜の上部に形成する電圧印加のためのバイアス電極が５００〜２０００ｎｍの段差を通らなければならず、バイアス電極の断線などの不具合が生じる。

また、無機材料の透明保護膜を用いる場合、画素配線は薄膜トランジスタの駆動信号配線（ゲート配線）と交差する部分で、ゲート配線との距離が近く、ゲート・バイアス電極間容量が大きくなる。この容量が大きいと、画素信号の読み出しが遅くなり、また、ゲート配線からのノイズにより、フォトダイオードのバイアス電圧が変動し、ノイズとなり、画像診断上問題となる。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、動作の信頼性の高い放射線検出器およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の放射線検出器は、回路基板、この回路基板上に形成された複数の光電変換素子、これら複数の光電変換素子を覆って表面が平坦状となる厚みに形成された有機材料の保護膜、およびこの保護膜上に形成されるとともに光電変換素子に接続された電極を有する光電変換基板と、この光電変換基板上に形成された蛍光変換膜とを具備しているものである。

また、本発明の放射線検出器の製造方法は、回路基板上に複数の光電変換素子を形成する工程と、これら光電変換素子を覆う有機材料の保護膜を表面が平坦状となる厚みに形成する工程と、この保護膜が形成された回路基板上に蛍光変換膜を形成する工程とを具備しているものである。

本発明によれば、保護膜に有機材料を用いることで、容易に保護膜の厚みを厚く形成して光電変換素子間の段差を覆って表面を平坦化することが可能となり、この保護膜上に電極を形成できるため、電極の断線などの不具合を防止でき、また、回路基板と電極との距離が離れ、これらの間での配線間容量を小さくでき、ノイズを低減でき、これらにより、動作の信頼性の高い放射線検出器を提供できる。

以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。

図２に放射線検出器の分解状態の斜視図を示す。

11は放射線検出器としてのＸ線検出器で、このＸ線検出器11は、間接形のＸ線画像検出器であり、マトリクス状に配列された複数の画素12を有する光電変換基板13、およびこの光電変換基板13の表面に積層形成された入力面である蛍光変換膜14によって構成されている。

光電変換基板13は、主にガラスで構成される基板15上に回路層16が形成された回路基板17を有し、この回路基板17上に光電変換素子としてのフォトダイオード素子18が各画素毎に形成されている。

そして、蛍光変換膜14中に放射線としてのＸ線19が入射すると、蛍光変換膜14にてＸ線19の二次元分布に対応する可視光が発生し、発生した可視光がフォトダイオード素子18に入射して電荷に変換される。

次に、図３に放射線検出器を模式的に示す正面図を示す。

薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）21とコンデンサ22とフォトダイオード素子18とは、それぞれ組として格子状に配置され、それぞれの組がＸ線画像の画素12に対応する。基板15上には、各薄膜トランジスタ21のゲート電極を接続する複数の制御電極23が行方向に配列され、各薄膜トランジスタ21のドレインを接続する複数の読出電極24が列方向に配列されている。このような回路構成にすることにより、画素12毎の各フォトダイオード素子18にて発生した電荷は、それぞれに接続されている薄膜トランジスタ21のゲート電極がオン状態になるまでそれぞれに接続されたコンデンサ22に保持され、その状態のときに制御電極23を１つだけオン状態にすると、そのオンになった制御電極23に接続された同じ列の薄膜トランジスタ21がオン状態になり、その薄膜トランジスタ21を通じてそれに接続されているコンデンサ22の電荷が読出電極24に流れる。これによって、特定の行に対応する画像情報が外部に出力されることになる。さらに、オンにする制御電極23を順々に変えることにより、全体の画像情報を外部に映像信号として出力することが可能となる。

次に、図１に放射線検出器の断面図を示すもので、１つの画素12を示している。

基板15上に薄膜トランジスタ21のゲート電極27が形成され、このゲート電極27を含む基板15上に絶縁膜28が形成されている。絶縁膜28上には、ゲート電極27に対向して半導体膜29が形成されている。半導体膜29を含む絶縁膜28上には、薄膜トランジスタ21のソース電極30およびドレイン電極31が形成されているとともに、これらソース電極30およびドレイン電極31上に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）や窒化シリコン（ＳｉＮｘ）などの保護膜32が形成されている。ソース電極30およびドレイン電極31には導電性や環境性に優れるＡｌ合金膜やＡｌ／Ｍｏ積層膜などが用いられ、絶縁膜28や保護膜32には酸化シリコン（ＳｉＯ_２）や窒化シリコン（ＳｉＮｘ）などの材料が用いられている。これら基板15やこの基板15上に形成された薄膜トランジスタ21などによって回路基板17が構成されている。

なお、この回路基板17の製造方法は、一般的なアクティブ型液晶表示装置と同じ手法により実現可能であり、また材料も同等のものを使用することができる。

薄膜トランジスタ21のドレイン電極31上には、フォトダイオード素子18が形成されている。このフォトダイオード素子18は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を主成分とした半導体層としてのアモルファスシリコン膜35であり、薄膜トランジスタ21のドレイン電極31上、ｎ型アモルファスシリコン層36、ｉ型アモルファスシリコン層37、ｐ型アモルファスシリコン層38がＣＶＤ法によって順次積層され、外部から入射した光子を電荷に変換する機能を有している。このフォトダイオード素子18上には、フォトダイオード素子18への電流供給と外部からの光を透過する機能を有する透明導電膜39がスパッタ蒸着法によって形成されている。フォトダイオード素子18および透明導電膜39は、Ｘ線検出器11の画素12の単位で分離した構造を有しており、隣接する画素12間による電気的接続を遮断することにより、解像度の高いＸ線画像を得ることが可能となっている。

薄膜トランジスタ21、フォトダイオード素子18および透明導電膜39を覆って透明な有機材料を用いた保護膜42が形成されている。この保護膜42は、フォトダイオード素子18間の段差を覆う厚みで表面が平坦状に形成されている。なお、有機材料としては、特に限定されるものでなく、例えば感光性を有するものを用いてもよい。

この保護膜42上の平坦面に透明導電膜39に電気的に接続される主に金属で構成された電極としてのバイアス電極43が形成されている。さらに、保護膜42およびバイアス電極43を覆って上層の保護膜44が形成されている。

そして、回路基板17やこの回路基板17上に形成されたフォトダイオード素子18などによって光電変換基板13が構成されている。

ここで、比較のために、図４に（構成要素は図１に準ずる）保護膜42に無機材料を用いた場合の構成を示す。通常、無機材料の保護膜42は、アモルファスシリコン膜35の膜厚に比較して、非常に薄い膜となる。このため、無機材料の保護膜42を形成しても、画素分離したアモルファスシリコン膜35の端部に大きな段差が生じており、無機材料の保護膜42の上部に配置するバイアス電極43はこの段差上に形成される。この大きな段差によりバイアス電極43が断線したり、段差のばらつきにより配線幅が大きく変化するなどの不具合が発生することがある。また、バイアス電極43とゲート電極27との距離が近くなり、配線間容量が大きくなるため、ゲート信号線からのノイズの混入により、フォトダイオード素子18のバイアス電圧が揺らぎ、画像ノイズの原因となる。

それに対して、図１に示すように、保護膜42に有機材料を用いることで、容易に保護膜42の厚みを厚く形成できて、フォトダイオード素子18間の段差を覆って表面を平坦化することが可能となる。その結果、保護膜42上の平坦面にバイアス電極43を形成できるため、バイアス電極43の断線などの不具合を防止でき、また、バイアス電極43とゲート電極27との距離が離れ、これらの間での配線間容量を小さくでき、ノイズを低減できる。

また、有機材料を用いるのは、保護膜42に限らず、上層の保護膜44にも用いてもよい。その場合、両保護膜42，44とも同一の有機材料を用いてもよい。

また、保護膜42を形成する場合、感光性の有機材料を用いることにより、製造工程を簡素化できる。すなわち、回路基板17上にフォトダイオード素子18間の段差を覆って表面が平坦化されるように感光性の有機材料を塗布し、フォトリソグラフィーにより感光性の有機材料に所定のパターンを露光し、その後、現像することにより、所定のパターンの保護膜42を形成できる。これにより、レジストによるパターニング、パターニングされたレジストの部分のエッチング工程を必要としないので、工程を簡素化でき、安定で安価な製品を提供できる。

本発明の一実施の形態を示す放射線検出器の断面図である。同上放射線検出器の分解状態の斜視図である。同上放射線検出器を模式的に示す正面図である。比較例の放射線検出器の断面図である。

符号の説明

11 放射線検出器としてのＸ線検出器
13 光電変換基板
14 蛍光変換膜
17 回路基板
18 光電変換素子としてのフォトダイオード素子
42 保護膜としての透明保護膜
43 電極としてのバイアス電極

Claims

回路基板、この回路基板上に形成された複数の光電変換素子、これら複数の光電変換素子を覆って表面が平坦状となる厚みに形成された有機材料の保護膜、およびこの保護膜上に形成されるとともに光電変換素子に接続された電極を有する光電変換基板と、
この光電変換基板上に形成された蛍光変換膜と
を具備していることを特徴とする放射線検出器。
保護膜は多層であり、これら多層の保護膜が全て有機材料で形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の放射線検出器。
多層の保護膜が同一の有機材料で形成されている
ことを特徴とする請求項２記載の放射線検出器。
保護膜に感光性の有機材料が用いられている
ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の放射線検出器。
回路基板上に複数の光電変換素子を形成する工程と、
これら光電変換素子を覆う有機材料の保護膜を表面が平坦状となる厚みに形成する工程と、
この保護膜が形成された回路基板上に蛍光変換膜を形成する工程と
を具備していることを特徴とする放射線検出器の製造方法。
保護膜を形成する工程では、多層の保護膜を全て有機材料で形成する
ことを特徴とする請求項５記載の放射線検出器の製造方法。
多層の保護膜を形成する工程では、同一の有機材料で形成する
ことを特徴とする請求項６記載の放射線検出器の製造方法。
保護膜を形成する工程では、光電変換素子が形成された回路基板上を覆って感光性の有機材料を塗布し、露光、現像により保護膜を形成する
ことを特徴とする請求項５ないし７いずれか記載の放射線検出器の製造方法。