JP3978971B2

JP3978971B2 - ２次元画像検出器およびその製造方法

Info

Publication number: JP3978971B2
Application number: JP2000089070A
Authority: JP
Inventors: 利典吉牟田; 賢治佐藤; 伸也平澤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2020-03-28
Also published as: JP2001281343A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、医療分野、工業分野、さらに原子力分野などに用いられる２次元画像検出器に係り、特に、この種の２次元画像検出器などに備えられ放射線、可視光線、赤外線、紫外線などの電磁波に感応する半導体膜の特性の劣化を抑制する構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の２次元画像検出器は、放射線（例えばＸ線）が入射することによりキャリア（電子−正孔対）が生成される半導体膜を備え、この半導体膜の表面に形成され電圧印加電極にバイアス電圧が印加されるとともに、半導体膜の裏面に縦・横２次元マトリックス配置された多数個のキャリア収集電極ごとに電荷蓄積用のコンデンサと通常オフ（ＯＦＦ）状態の電荷読み出し用のスイッチ素子（例えば薄膜トランジスタ）とがそれぞれ接続されていて、放射線照射に伴ってコンデンサに蓄積された電荷が、オン（ＯＮ）状態に移行したスイッチ素子を経由して放射線信号として読み出される構成となっている（例えば、文献「L.S.Jeromin,et al., ”Application of a-Si Active-Matrix Technology in a X-Ray Detector Panel”,SID 97 DIGEST,pp.91-94,1997」、「特開平６−３４２０９８号公報」参照）。
【０００３】
大面積の２次元画像検出器の場合、各製造工程などで、アクティブマトリックス基板の上にアモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）のような半導体膜などが積層形成された薄くて撓み易い状態で取り扱われている。
【０００４】
また、大面積の２次元画像検出器の場合、アクティブマトリックス基板の表面に各種真空蒸着法によりアモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）のような半導体厚膜を積層形成している。すなわち、図６（ａ）に示すように、一般的な真空蒸着法による成膜では、真空下でアクティブマトリックス基板２０を吸着固定することができないので、蒸着用材料を配置した上側にアクティブマトリックス基板２０の両端を器具７０で挟み込むように固定して配置し、アクティブマトリックス基板２０が蒸着物と対向する面（図６（ａ）ではアクティブマトリックス基板２０の下側の面）にアモルファス半導体厚膜１１を積層形成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
すなわち、大面積で厚みの薄い２次元画像検出器の場合、各製造工程で取り扱う際に負荷が加わり２次元画像検出器が撓み、半導体膜に応力が生じて特性の劣化を生じるといった問題がある。
【０００６】
また、２次元画像検出器の製造過程では、アクティブマトリックス基板２０自体の厚みが薄いために、図６（ａ）の実線に示すように、その自重によりアクティブマトリックス基板２０は下方向に数ｍｍ程度の撓みが生じ、そのままの状態でアモルファス半導体厚膜１１が積層形成されてゆく。通常、２次元画像検出器は、図６（ｂ）に示すように、アモルファス半導体厚膜１１をＸ線などの入射側に向けて上向きで設置される。すなわち、撓みの凸面を上向けに設置されるので、アクティブマトリックス基板２０はその自重により水平状態に戻り、アモルファス半導体厚膜１１に応力が生じる。そのために、アモルファス半導体厚膜１０にクラックなどが発生して特性の劣化を生じるといった問題がある。
【０００７】
また、ａ−Ｓｅは、成膜時のアクティブマトリックス基板２０の温度により特性が変化するという性質がある。すなわち、上述のようにアクティブマトリックス基板２０に撓みの生じたまま成膜が行われると、アクティブマトリックス基板２０上の温度分布が均一に保てないので均一な膜特性が得られないといった問題もある。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、電磁波感応用の半導体膜の特性を劣化させることのない２次元画像検出器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。すなわち、請求項１に係る２次元画像検出器は、電磁波情報を電荷情報に変換する半導体膜と、前記電荷情報を読み出すアクティブマトリックス基板とを備えた２次元画像検出器において、前記アクティブマトリックス基板を、１．０（Ｗ／ｍｋ）以上の熱伝導性を有するゲル状物質を介して、ガラスまたは金属からなるベース基板に貼り合わせたことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の２次元画像検出器において、前記ベース基板は、アルミニウムと鉛とを貼り合せたものであることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、電磁波情報を電荷情報に変換する半導体膜と、前記電荷情報を読み出すアクティブマトリックス基板とを備えた２次元画像検出器の製造方法において、電荷情報を読み出すアクティブマトリックス基板を、１．０（Ｗ／ｍｋ）以上の熱伝導性を有するゲル状物質を介して、ガラスまたは金属からなるベース基板に貼り合わせた後に、前記アクティブマトリックス基板上に電磁波情報を電荷情報に変換する半導体膜を生成することを特徴とする。
【００１１】
【作用】
この発明の作用は次のとおりである。
すなわち、請求項１に記載の２次元画像検出器の場合、２次元画像検出器自体が熱伝導性を有する粘弾性体を介して、剛性および熱伝導性を有するベース基板に貼り合わされたままの状態で各種装置類に組み込まれるため、各工程などで取り扱われる際に半導体膜に応力が生じない。
【００１２】
また、熱伝導性を有する粘弾性体であるシリコーンを主体とするゲル状物質を用いることにより、エポキシ系やＳｉ系の接着剤のように硬化に時間を要する必要もなく、加工なども容易に行なわれるので、作業効率の向上が図られる。
【００１３】
また、請求項３に記載の２次元画像検出器の場合、各種真空蒸着法によりアクティブマトリックス基板の表面を覆うように半導体膜が生成される際に、アクティブマトリックス基板に剛性および熱伝導性の優れたベース基板を、熱伝導性を有する粘弾性体を用いて予め貼り合わせた状態で行なわれる。
【００１４】
すなわち、成膜時にアクティブマトリックス基板の表面が下向きにされたその表面に半導体膜が積層される。このとき、アクティブマトリックス基板の自重による撓みと、半導体膜などの積層に伴って加わる荷重による撓みとは、前記剛性を有するベース基板と貼り合わさることにより解消されるとともに、アクティブマトリックス基板の撓みによるアクティブマトリックス基板自体の温度分布のバラツキも解消される。さらに、ベース基板自体は熱伝導性のよい材料を用いているので成膜時にアクティブマトリックス基板の温度分布のバラツキが生じない。
【００１５】
また、前記貼り合わせ材料は熱伝導性を有しているので、アクティブマトリックス基板の温度分布のバラツキを生じることはなく、アクティブマトリックス基板とベース基板とをしっかりと接着している。また、粘弾性体は弾力性を有しているので、アクティブマトリックス基板とベース基板との熱膨張係数の差異による接合面での反りによる負荷が解消される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。
図１は、この発明の２次元画像検出器の正面図である。
この実施例に係る２次元画像検出器は大きく分けて、検出対象のＸ線などの入射側から順にＸ線などをキャリア（電子−正孔対）に変換・蓄積する膜構造の検出部１０と、前記検出部１０で変換・蓄積された電荷を検出信号として読み出すアクティブマトリックス基板２０と、前記アクティブマトリックス基板２０がゲルシート４０を介して貼り合わされるベース基板５０とから構成されている。また、アクティブマトリックス基板２０には、ＦＰＣ３０（Flexible Printed Circuit）が接続されいる。なお、ゲルシート４０はこの発明の粘弾性体に相当する。
【００１７】
以下各部の構成および機能についての説明する。
検出部１０は、図３に示すように、放射線（例えばＸ線）が入射することによりキャリアが生成される放射線感応型のアモルファス半導体厚膜１１と、このアモルファス半導体厚膜１１の放射線入射側に設けられて注入キャリアを選択する選択性高抵抗膜１２と、アモルファス半導体厚膜１１の放射線入射側の選択性高抵抗膜１２の表面に設けられた電圧印加電極１３と、アモルファス半導体厚膜１１の放射線入射側とは反対側に設けられたキャリア収集電極１４とを備えている。以下、アモルファス半導体厚膜１１の構成を具体的に説明する。
【００１８】
アモルファス半導体厚膜１１は膜厚が０．３〜１．０ｍｍ前後の高純度アモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）厚膜である。このａ−Ｓｅ厚膜は特に検出エリアの大面積化に対する適正に優れている。アモルファス半導体厚膜１１は、仮に薄いと検出対象の放射線の素通りする量が多くなり、放射線を十分に捕捉できなくなることから、０．３〜１．０ｍｍ前後の厚めの膜が用いられる。
【００１９】
選択性高抵抗膜１２は、アモルファス半導体厚膜１１と電圧印加電極１３との間にアモルファス半導体厚膜１１を全面的に覆うようにして、この実施例ではｐ型キャリア選択性高抵抗膜１２として形成されている。すなわち、放射線検出に寄与しない多数キャリアの注入を阻止し、少数キャリアの注入を許容する構成となっている。なお、選択性高抵抗膜１２は、Ｓｂ₂Ｓ₃、ＳｂＴｅ、ＺｅＴｅ、ＣｄＴｅ、ＡｓＳｅ、ＣｄＺｎＴｅなどの膜や、有機膜が適当である。なお、半導体の極性および選択性高抵抗膜１２は上の例示のものに限られない。
【００２０】
電圧印加電極１３およびキャリア収集電極１４においては、図３に示すように、電圧印加電極１３の方は全検出素子Ｄｕの共通電極として全面的に形成されているが、キャリア収集電極１４の方は個別電極として２次元マトリックス状に各検出素子Ｄｕごとに分離形成されている。その結果、放射線強度の２次元分布の検出が可能となる。
【００２１】
なお、電圧印加電極１３およびキャリア収集電極１４は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｉｎなどの金属やＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などの導電性材料などで形成される。なお、電極の材料は上の例示のものに限られない。
【００２２】
アクティブマトリックス基板２０は、図３および図４に示すように、誘電体基板２１と、前記キャリア収集電極１４からの収集キャリアを溜めるコンデンサＣｓと、コンデンサＣｓに蓄積された電荷を取り出すための通常時オフ（遮断）の電荷取り出し用のスイッチ素子２２である薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を備えている。また、実施例の検出部１０は、電圧印加電極１３にＶ_Aのバイアス電圧が印加された状態で放射線照射に伴う生成キャリアがキャリア収集電極１４からコンデンサＣｓに送り込まれて蓄積されるとともに、読み出しタイミングになった時にスイッチ素子２２がオン（接続）となって蓄積電荷が放射線検出信号として読み出される構成となっている。
【００２３】
なお、図４では、説明の便宜上、縦３×横３マトリックス構成で合計９個分のマトリックス構成が示されているだけであるが、実際の場合、必要に応じて、例えば縦１０２４×横１０２４程度のマトリックス構成をとなる。
【００２４】
以下、アクティブマトリックス基板２０の構成を具体的に説明する。
アクティブマトリックス基板２０は、図３および図４に示すように、検出素子Ｄｕのスイッチ素子２２用薄膜トランジスタのソースがＸ軸方向に配列した縦の読み出し配線２３に接続され、ゲートがＹ軸方向に配列した横の読み出し配線２６に接続されている。読み出し配線２３は電荷−電圧変換器群（プリアンプ群）２４を介してマルチプレクサ２５に接続されているとともに、読み出し配線２６はゲートドライバ２７に接続されている。なお、電荷−電圧変換器群２４では、１本の読み出し配線２３に対して、図示しないが、電荷−電圧変換器２４が１個それぞれ接続されている。
【００２５】
そして、２次元画像検出器の場合、マルチプレクサ２５およびゲートドライバ２７へ信号取り出し用の走査信号が送り込まれることになる。検出部１０の各検出素子Ｄｕの特定は、Ｘ方向・Ｙ方向の配列に沿って各検出素子Ｄｕへ順番に割り付けられているアドレス（例えば、０〜１０２３）に基づいて行なわれるので、取り出し用の走査信号は、それぞれＸ方向アドレスまたはＹ方向アドレスを指定する信号となる。
Ｙ方向の走査信号に従ってゲートドライバ２７からＹ方向の読み出し配線２６に対し取り出し用の電圧が印加されるのに伴い、各検出素子Ｄｕが列単位で選択される。そして、Ｘ方向の走査信号に従ってマルチプレクサ２５が切り替えられることにより、選択された列の検出素子ＤｕのコンデンサＣｓに蓄積された電荷が、電荷−電圧変化器群２４およびマルチプレクサ２５の順に経て外部に送りだされることになる。
【００２６】
なお、上述の誘電体基板２１はガラス基板などからなり、前記コンデンサＣｓはＳｉＯ₂層などからなる。
【００２７】
次ぎに、ＦＰＣ３０には半導体集積回路のチップなどがマウントされた回路基板であり、前記アクティブマトリックス基板２０と異方導電性フィルム（ＡＣＦ）などにより接合されている。また、ＦＰＣ３０はアクティブマトリックス基板２０の端から折り曲げらた状態でベース基板５０の側面に接着固定されることが好ましい。すなわち、ＦＰＣ３０上のマウント部品や回路に直に照射されるＸ線などの影響による劣化を回避することができる。また、ＦＰＣ３０が固定されていることにより、ＦＰＣ３０自体の柔軟性が原因で発生する振動による振動ノイズを低減することもできる。
【００２８】
ゲルシート４０は、シリコーンを主体にセラミック（Ａｌ₂Ｏ₃）などと混ぜ合された混合物である。すなわち、シリコーンの特性である接着性と弾力性とを備えるとともに、セラミック（Ａｌ₂Ｏ₃）など熱伝導性の両方の特性を兼ね備えている。この実施例に使用されるゲルシート４０の特性は、弾力性を示す硬度（針入度）は６０以上で、熱伝導率は１．０（Ｗ／ｍｋ）以上で、体積抵抗率は１．０×１０¹³（Ω・ｃｍ）以上である。また、このゲルシート４０は、常温で接着するといった特性も備えている。
【００２９】
なお、前記ゲルシート４０の代わりに液体のゲルを塗布して熱処理を施し、適度に溶剤を蒸発させたものなどを使用してもよい。
【００３０】
ベース基板５０は、図１に示すように、アクティブマトリックス基板２０の各４辺よりも短い４辺を備えており、アクティブマトリックス基板２０の周縁よりも内側に収まる形状をしている。このベース基板５０の材料は、剛性および熱伝導性を兼ね備えたものであり、ガラス基板またはＡｌ（アルミニウム）やＳＵＳ（ステンレス鋼）などの金属が用いられる。また、Ｘ線などの遮蔽を行ないたい場合には、数十ｍｍ程度の厚みのＰｂ（鉛）やＷ（タングステン）などの焼結合金が用いられる。さらに、加工の容易性と軽量化を図るために数ｍｍ程度のＡｌにＰｂを貼り合わせたものを用いてよい。
【００３１】
なお、この発明の２次元画像検出器は、前記ベース基板５０と貼り合わせて一体成型したものを装置類に組み込むことを前提としているため、ベース基板５０に前記剛性の優れた金属を用いることにより、装置類に組み込むための締結部品用のタップなどの加工も容易に行なうことができる。さらに、装置類に２次元画像検出器を組み込む工程でベース基板５０を剥がすといった余計な加工を必要としない。その結果、組み込み工程でアモルファス半導体厚膜１１に余計に負荷が加わることも回避できる。
また、ベース基板５０にアクティブマトリックス基板２０と同じ材料を用いることが好ましい。すなわち、熱膨張係数が同一であり、熱膨張係数の差異による負荷がアモルファス半導体厚膜１１に加えられない。
【００３２】
なお、ベース基板５０のサイズは、前記サイズに限定されるものではなく、アクティブマトリックス基板２０と同じサイズやそれ以上であってもよい。
【００３３】
次いで、上記実施例の２次元画像検出器の概略製造方法について説明する。
ベース基板５０に予めゲルシート４０を貼り付けておき、アクティブマトリックス基板２０と貼り合わせる。なお、ゲルシート４０はベース基板５０もしくはアクティブマトリックス基板２０のいずれか一方に貼り合わせておけばよく、そのサイズはベース基板５０を全て覆う１枚ものであってもよいし、数ミリ角の形状に裁断されたものを等間隔に複数枚貼り付けたものであってもよい。
【００３４】
前記ベース基板５０と貼り合わされて一体成型されているアクティブマトリックス基板２０は、各種真空蒸着用の成膜装置内に設置される。このとき、アクティブマトリックス基板２０に直接にアモルファス半導体厚膜１１を生成するために、積層されるべく配置された成膜材料の上方向に前記アクティブマトリックス基板２０の表面が対面するように設置される。
【００３５】
次ぎに、前記アクティブマトリックス基板２０の表面に薄膜形成技術やフォトリソグラフィ法によるパターン化技術を利用して、キャリア収集電極１４、アモルファス半導体厚膜１１、キャリア選択性高抵抗膜１２、電圧印加電極１３の順で積層形成されてゆく。
【００３６】
すなわち、アクティブマトリックス基板２０と剛性および熱伝導性の優れたベース基板５０とを、熱伝導性を有する粘弾性体であるゲルシート４０を介して貼り合わせることにより、アモルファス半導体厚膜１１の成膜時のアクティブマトリックス基板２０自体の自重による撓みと、この撓みより起因するアクティブマトリックス基板２０の温度分布の不均一によるアモルファス半導体厚膜１１の特性の劣化を抑制することができる。さらに、アクティブマトリックス基板２０とベース基板５０との熱膨張係数の差異による前記両基板２０、５０との接合面での反りによる負荷もゲルシート４０の弾力性により解消することができるので、アモルファス半導体厚膜１１に余計な応力のかかっていない２次元画像検出器が実現される。
【００３７】
この発明は、上記実施例に限らず、次のように変形実施することもできる。
すなわち、図５に示すように、ベース基板５０の両端に別途Ｐｂ（鉛）などの金属のダミーベース６０を設けてもよい。ダミーベース６０はネジなどによりベース基板５０に連結されており、そのサイズはアクティブマトリックス基板から数ミリ程度はみ出す程度の直方体の形状をしている。このダミーベース６０を設けることにより２次元画像検出器としてＸ線などを検出する際に、アモルファス半導体厚膜１１に斜め方向から入射して抜け出た余計なＸ線などを遮蔽することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、この発明の２次元画像検出器によれば、２次元画像検出器自体が、熱伝導性を有する粘弾性体を介して、剛性および熱伝導性を有するベース基板に貼り合わされたままの状態で各種装置類に組み込まれるため、各工程などの取り扱いの際に加わる負荷外力による反りのために発生する半導体膜の応力を回避することができる。その結果、半導体膜の特性の劣化を生じない。また、アクティブマトリックス基板とベース基板とを貼り合わせている粘弾性体が熱伝導性を有しているので、アクティブマトリックス基板に不均一な温度分布を生じることがない。また、粘弾性体の弾力性により、アクティブマトリックス基板とベース基板との熱膨張係数の差異により接合面で生じる基板同士の反りよる負荷も解消することができる。
【００３９】
また、貼り合わせ材料に熱伝導性を有する粘弾性体であるシリコーンを主体とするゲル状物質を用いることにより、硬化時間を必要せずに常温での貼り付けが可能なので、加工が容易に行なえることから作業効率の向上を図ることができる。
【００４０】
また、請求項３に記載の２次元画像検出器によれば、アクティブマトリックス基板に剛性を有するベース基板を貼り合わせた状態で、半導体膜が積層形成されるので、基板の撓みが解消されるとともに、基板の撓みに起因するアクティブマトリックス基板自体の温度分布のバラツキも解消される。その結果、半導体膜に与える温度分布のバラツキによる特性の劣化も回避することができる。また、ベース基板は熱伝導性にも優れていおり、温度分布のバラツキといった影響をアクティブマトリックス基板に与えることがない。また、この発明の２次元画像検出器を用いて電磁波情報を検出する際に、電磁波の入射面側である半導体膜の面を上向きに設置しても、基板が変形しないので、半導体膜にクラックなども生じない。すなわち、半導体膜の特性の劣化の生じない２次元画像検出器が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例の２次元画像検出器の断面図である。
【図２】この発明の一実施例の２次元画像検出器の平面図である。
【図３】アモルファス半導体厚膜の構成を示す断面図である。
【図４】アクティブマトリックス基板の等価回路を示す電気回路図である。
【図５】変形例の２次元画像検出器の断面図である。
【図６】従来例の２次元画像検出器の概略図であり、（ａ）は真空蒸着法による成膜時の様子を示す図、（ｂ）は２次元画像検出器の製品装着時の様子を示す図である。
【符号の説明】
１０ … 検出部
２０ … アクティブマトリックス基板
３０ … ＦＰＣ
４０ … ゲルシート
５０ … ベース基板

Claims

電磁波情報を電荷情報に変換する半導体膜と、前記電荷情報を読み出すアクティブマトリックス基板とを備えた２次元画像検出器において、前記アクティブマトリックス基板を、１．０（Ｗ／ｍｋ）以上の熱伝導性を有するゲル状物質を介して、ガラスまたは金属からなるベース基板に貼り合わせたことを特徴とする２次元画像検出器。
請求項１に記載の２次元画像検出器において、前記ベース基板は、アルミニウムと鉛とを貼り合せたものであることを特徴とする２次元画像検出器。
電磁波情報を電荷情報に変換する半導体膜と、前記電荷情報を読み出すアクティブマトリックス基板とを備えた２次元画像検出器の製造方法において、電荷情報を読み出すアクティブマトリックス基板を、１．０（Ｗ／ｍｋ）以上の熱伝導性を有するゲル状物質を介して、ガラスまたは金属からなるベース基板に貼り合わせた後に、前記アクティブマトリックス基板上に電磁波情報を電荷情報に変換する半導体膜を生成することを特徴とする２次元画像検出器の製造方法。