(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換可能に構成された複数の画素領域を有する光電変換層と、
前記光電変換層の反対側へ向けて凸に形成されたレンズ状の凸状領域を前記画素領域ごとに有し、前記光電変換層上に設けられた導光層と、
前記導光層上に直接形成されるように設けられ、前記画素領域の間において、前記導光層から離間した位置でシンチレータ材料が結合し、前記導光層に近接した位置でシンチレータ材料が結合しないことにより前記画素領域の境界に沿って空隙部が設けられているシンチレータ層と
を備える撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置であって、
前記導光層の材料は、前記シンチレータ層の材料の屈折率と同じ、またはそれより高い屈折率を持つ
撮像装置。
【請求項３】
請求項２に記載の撮像装置であって、
前記導光層の材料は、1.6〜2.0の屈折率を持つ
撮像装置。
【請求項４】
請求項２に記載の撮像装置であって、
前記シンチレータ層の材料は、1.6〜2.0の屈折率を持つ
撮像装置。
【請求項５】
請求項２に記載の撮像装置であって、
前記導光層の材料は、SiN、SiON、または有機材料である
撮像装置。
【請求項６】
光電変換可能に構成された複数の画素領域を有する光電変換層上に、前記光電変換層の反対側へ向けて凸に形成されたレンズ状の凸状領域を前記画素領域ごとに有する導光層を設け、
前記導光層上にシンチレータ材料を蒸着し、前記画素領域の間において、前記導光層から離間した位置でシンチレータ材料が結合し、前記導光層に近接した位置でシンチレータ材料が結合しないことにより前記画素領域の境界に沿って空隙部が設けられているシンチレータ層を形成する
撮像装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、例えば放射線等を光に変換可能な撮像装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、Ｘ線等の放射線を光に変換し、この光を画素ごとに配置されたフォトディテクタで検出して撮像する撮像装置がある。【０００３】
例えば特許文献１に記載の放射線撮像装置は、第１基板上に設けられた、画素トランジスタおよびフォトダイオードを含む光電変換部、この光電変換部上に、保護膜および第２基板を介して設けられたレンズアレイを備える。このレンズアレイ上に平坦化層を介してシンチレータ層が配置されている。（例えば、特許文献１の要約、明細書段落［0061］を参照。）。レンズアレイが用いられることにより、フォトダイオードへの集光率が向上する。【０００４】
なお、特許文献２には、光電変換素子アレイ上に、低屈折率層を介して、集光レンズ形状を有するシンチレータ層が配置されるＸ線固体検出器が開示されている（例えば、特許文献２の明細書段落［0019］を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2012-159483号公報
【特許文献２】特開2009-222578号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような撮像装置では、集光率を高めることが重要である。集光率が高くなれば、少ない放射線量で、撮像に必要な輝度を確保することができるからである。【０００７】
本技術の目的は、集光率が向上した撮像装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本技術に係る撮像装置は、光電変換層と、導光層と、シンチレータ層とを備える。
前記光電変換層は、光電変換可能に構成された複数の画素領域を有する。
前記導光層は、前記光電変換層の反対側へ向けて凸に形成された凸状領域を前記画素領域ごとに有し、前記光電変換層上に設けられる。
前記シンチレータ層は、前記導光層上に直接形成されるように設けられる。
このような構成によれば、導光層とシンチレータ層との間に平坦化層等の別途の層を形成することなく、導光層上に直接シンチレータ層が形成されるので、シンチレータ層から発生した光が、導光層において集光可能な凸状領域に直接入射する。これにより、集光ロスを抑えることができ、集光率を高めることができる。【０００９】
前記シンチレータ層は、前記画素領域の境界に沿って設けられた空隙部を有してもよい。
この構造によれば、シンチレータ材料と空隙部との界面でシンチレータ層内の光が反射させられるので、集光率が向上する。【００１０】
前記導光層の凸状領域は、レンズ状の領域であってもよい。【００１１】
前記導光層は、前記凸状領域と前記凸状領域以外の領域とで構成される段差状の領域を有していてもよい。【００１２】
前記導光層の材料は、前記シンチレータ層の材料の屈折率と同じ、またはそれより高い屈折率を持っていてもよい。例えば、前記導光層の材料は、1.6〜2.0の屈折率を持っていてもよい。また、前記シンチレータ層の材料は、1.6〜2.0の屈折率を持っていてもよい。【００１３】
前記導光層の材料は、SiN、SiON、または有機材料であってもよい。【００１４】
本技術に係る撮像装置の製造方法は、光電変換可能に構成された複数の画素領域を有する光電変換層上に、前記光電変換層の反対側へ向けて凸に形成された凸状領域を前記画素領域ごとに有する導光層を設けることを含む。
そして、前記導光層上にシンチレータ材料が蒸着される。
この製造方法によれば、導光層とシンチレータ層との間に平坦化層等の別途の層を形成することなく、導光層上に直接シンチレータ材料が蒸着されることにより、シンチレータ層が形成される。これにより、製造工程の省略、材料コストの低減化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上、本技術によれば、集光率が向上した撮像装置およびその製造方法を実現することができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本技術の実施形態に係る第１の実施形態に係る撮像装置の構造を示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示す撮像装置を拡大して示す断面図である。
【図３】図３は、撮像装置の製造方法を示す。
【図４】図４は、本技術の実施形態に係る第２の実施形態に係る撮像装置の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本技術の実施形態を説明する。
【００１８】
［第１の実施形態］
（撮像装置の構成）
図１は、本技術の実施形態に係る第１の実施形態に係る撮像装置の構造を示す断面図である。撮像装置１００は、図１中、下から順に、光電変換層１２を含むセンサ基板１０、絶縁層２０、導光層３０、およびシンチレータ層４０を備える。
【００１９】
センサ基板１０は、複数の画素領域Ｐを有し、基板１１と、基板１１上に設けられた光電変換層１２とを含む。光電変換層１２は、例えばフォトダイオード等の光電変換要素１４、電気的な接続部１６、絶縁体１８等を含む。光電変換要素１４および接続部１６は、画素領域Ｐごとに設けられている。
【００２０】
基板１１は、接続部１６に接続された回路層（不図示）およびこの回路層を支持する支持基板等を含む。基板１１に設けられた回路層も、画素領域Ｐごとにそれぞれ実質的に同じ回路を含む。なお、画素領域Ｐは、言うまでもないが２次元アレイとなっている。
【００２１】
センサ基板１０の構造は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）型、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）型のいずれであってもよい。
【００２２】
絶縁層２０は、センサ基板１０の表面を平坦化する機能を有する。また、絶縁層２０は、導光層３０のセンサ基板１０への接着性を高める機能も有する。絶縁層２０は、例えば透明な材料でなり、種々の材料が選択される。絶縁層２０は、典型的には、導光層３０の材料と同じ材料（後述するように、無機材料である場合、SiN、SiON等）でなる。なお、絶縁層２０は省略される構成であってもよい。
【００２３】
導光層３０は、光電変換層１２の反対側、つまりシンチレータ層４０へ向けて凸に形成された凸状領域３１を画素領域Ｐごとに有する。これらはレンズ（凸レンズ）状の領域であり、オンチップレンズを応用したものである。すなわち、導光層３０は、マイクロレンズアレイ構造を有する。以降では、説明の便宜上、個々のマイクロレンズをそれぞれ「レンズ部」という。レンズ部３１Ｌの形状は、球面でもよいし、非球面でもよい。
【００２４】
導光層３０の材料は、透明な無機または有機材料が用いられる。無機材料として、例えばSiN、SiON等が利用される。有機材料の場合、例えばフェノール系、フッ素系、ポリエステル系、エポキシ系、またはポリイミド系等の樹脂材料が利用される。
【００２５】
なお、導光層３０の構造として、図１では隣り合うレンズ部３１Ｌが繋がっている構造を示した。しかし、導光層３０の構造は、隣り合うレンズ部３１Ｌが離れている構造であってもよい。この場合、下の絶縁層２０を省略せずに、図１に示すようにレンズ部３１Ｌの土台として設けられることが好ましい。
【００２６】
シンチレータ層４０は、導光層３０上に直接形成されるように設けられている。典型的には、シンチレータ層４０は、後述するように直接導光層３０上に蒸着により形成される。シンチレータ層４０は、少なくともシンチレータ材料として、蛍光体材料を含む。蛍光体材料としては、放射線のエネルギーを吸収して、例えば波長が300nm〜800nmの電磁波（可視光線を中心に紫外光から赤外光にわたる電磁波（光））への変換効率が高いものが望ましい。蛍光体材料の一例としては、主剤として例えばCsI、発光効率等を補うための付活剤（賦活剤）として例えばTlまたはNaを用いたものが挙げられる。
【００２７】
シンチレータ層４０は、画素領域Ｐの境界に沿って設けられた空隙部４２を有する。シンチレータ材料の蒸着処理では、蒸着の土台となるレンズ部３１Ｌの表面が、シンチレータ材料の結晶成長方向（図１では上方向）に対して垂直に近くなるほど、シンチレータ材料が堆積しやすい傾向がある。したがって、結晶成長方向の土台に適さない、隣り合うレンズ部３１Ｌ間（画素領域Ｐの境界上の付近）では、シンチレータ材料が堆積しにくい。したがって、堆積時間の経過によりこのような空隙部４２が形成される。
【００２８】
なお、シンチレータ層４０上に、ガラス、アクリル等の透明な保護層があってもよい。
【００２９】
レンズ部３１Ｌの表面から所定の高さ位置で、隣り合う画素領域Ｐ同士でシンチレータ材料が結合されるように、空隙部４２が形成されている。「所定の高さ」は、主に、レンズ部３１Ｌの曲率やサイズ等によって変わる。
【００３０】
導光層３０の材料の屈折率（絶対屈折率）は、シンチレータ層４０の材料のそれと同じか、または高くなるように、それらの各材料が選択される。例えば、導光層３０の材料の屈折率が1.6〜2.0である。また、シンチレータ層４０の屈折率も1.6〜2.0である。
【００３１】
図１に示すように、レンズ部３１Ｌの高さ（空隙部４２の底からレンズ部３１Ｌの頂点までの高さ）をa、レンズ部３１Ｌ間のピッチをbとした場合、そのアスペクト比をa/bとして定義する。このアスペクト比は、例えば0.5以上5以下とされる。アスペクト比は、1以上4以下、または、2以上3以下でもよい。
【００３２】
レンズ部３１Ｌの曲率（1/r（rは半径））は、例えば0.1以上2.0以下とされる。これより狭い範囲として、0.1以上1.25以下、0.5以上1.75以下、または、1.0以上1.5以下であってもよい。
【００３３】
（撮像装置の製造方法）
図３Ａ〜Ｄは、撮像装置１００の製造方法を示す。図３Ａに示すように、センサ基板１０が用意され、センサ基板１０上に絶縁層２０が形成される。絶縁層２０は塗布でも、蒸着でもよい。上述したように絶縁層２０はなくてもよい。
【００３４】
図３Ｂに示すように、センサ基板１０上（絶縁層２０上）に、導光層３０を形成するための導光材料でなる膜３０Ａが塗布、蒸着、またはスパッタリングにより形成される。「蒸着」は、大気圧蒸着、真空蒸着のどちらでもよい。シンチレータ層４０の「蒸着」についてもこれと同義である。
【００３５】
図３Ｃに示すように、絶縁層２０上に、画素領域Ｐ（図１参照）ごとにレンズ部３１Ｌが形成される。導光材料として有機材料を用いる場合、例えばパターンニングされたレジストを熱処理によりリフローすることで、レジストのマイクロレンズが形成される。
【００３６】
導光性材料として無機材料を用いる場合、無機材料による成膜後、その無機膜上に上記のようにレジストのマイクロレンズを形成し、その後、そのレジストをマスクとして異方性エッチングを行う。これにより、無機材料のマイクロレンズが形成される。
【００３７】
その後、図３Ｄに示すように、導光層３０上にシンチレータ材料が蒸着され、堆積される。蒸着処理では、上述したように、空隙部４２が形成されるようにシンチレータ材料がレンズ部３１Ｌの表面から堆積する。すなわち、結晶の成長過程において、隣り合う画素領域においてシンチレータ材料が結合される。空隙部４２が形成された後、さらにシンチレータ材料の堆積が続くことにより、シンチレータ層４０が形成される。
【００３８】
（撮像装置の作用）
以上のように構成された撮像装置１００の作用を説明する。シンチレータ層４０に入射したＸ線等の放射線は、シンチレータ材料により光に変換される。シンチレータ層４０で発生した光は、導光層３０のレンズ部３１Ｌで集光され、光電変換層１２へ導かれる。光電変換層１２に入射した光は電気信号に変換される。放射線は、Ｘ線に限られず、シンチレータ材料に応じて、α線、β線等の他の放射線も本技術に適用可能である。
【００３９】
（まとめ）
以上のように、本実施形態に係る撮像装置１００では、導光層３０とシンチレータ層４０との間に平坦化層等の別途の層を形成することなく、導光層３０上に直接シンチレータ層４０が形成される。したがって、シンチレータ層４０から発生した光が、導光層３０においてレンズ部３１Ｌに直接入射する。これにより、集光ロスを抑えることができ、集光率を高めることができる。その結果、少ない放射線量で、撮像に必要な輝度を確保することができる。
【００４０】
例えば、比較例として集光レンズとシンチレータ層との間に平坦化層が設けられる場合、集光レンズの屈折率との関係上、平坦化層の屈折率を小さくせざるを得ない。この場合、シンチレータ層、平坦化層、集光レンズの各材料の屈折率の関係は、それぞれ、高、低、高となり、平坦化層への入射光および集光レンズへ入射光が反射されやすくなり、集光ロスが発生する。これに対し、本技術は、上記のように集光ロスを抑えることができる。
【００４１】
本実施形態では、導光層３０とシンチレータ層４０との間に平坦化層等の別途の層を形成することなく、導光層３０上に直接シンチレータ材料が蒸着されることにより、平坦化層の形成工程の省略、その材料のコストの低減化を図ることができる。
【００４２】
本実施形態では、空隙部４２が設けられるので、次のような作用効果もある。図２に示すように、任意の１つの画素領域Ｐ内で、シンチレータ材料と空隙部４２との界面で全反射する角度でシンチレータ層４０で発生した光は、同じ画素領域Ｐ内の導光層３０に入射しやすくなる。すなわち、シンチレータ材料と空隙部４２との界面で光の全反射が起こりやすくなるので、集光率をさらに高めることができる。またこれにより、隣接する画素領域Ｐへの散乱光が抑えられるので、散乱光が隣接する画素領域Ｐへ侵入することによって発生する混色成分を減らすことができる。これにより解像度も向上する。
【００４３】
また、空隙部４２が設けられることにより、例えばシンチレータ層４０に画素領域Ｐを区画するための隔壁（仕切り）等の部材を形成することなく、解像度を上げることができる。したがって、製造が容易になり、製造コストを低減することができる。
【００４４】
［第２の実施形態］
図４は、本技術の第２の実施形態に係る撮像装置の構造を示す断面図である。これ以降の説明では、第１の実施形態に係る撮像装置１００が含む部材や機能等について実質的に同様の要素については同一の符号を付し、その説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。
【００４５】
本実施形態に係る撮像装置２００では、導光層１３０が、マイクロレンズ構造の代わりに、段差状の領域を有する。すなわち、凸状領域１３１と、その凸状領域１３１より高さが低い領域１３３（凸状領域１３１以外の領域）とで段差が構成される。導光層３０の凸状領域１３１の表面はほぼ平面状となっている。導光層３０は、成膜、フォトリソグラフィ、エッチング技術等により形成される。
【００４６】
シンチレータ層４０は、凸状領域１３１の表面上から結晶成長するように設けられ、その表面から所定高さの位置において、隣り合う画素領域Ｐに対応するそれぞれのシンチレータ材料が結合している。これにより溝領域を含む空隙部４２が形成される。
【００４７】
本実施形態においても、導光層３０の屈折率は、シンチレータ層４０の屈折率と同じか、または大きく設定される。各層の材料は、上記第１の実施形態のものと同じでよい。
【００４８】
本実施形態に係る撮像装置２００の構成によれば、上記第１の実施形態に係る撮像装置１００と同様の作用効果を得ることができる。撮像装置１００に比べ、撮像装置２００の集光率は多少低下することも考えられるが、撮像装置１００の製造方法に比べ、この撮像装置２００では、図３Ｃに示すようなレンズ形状を形成する必要がない。したがって、製造コストを下げることができる。
【００４９】
［その他の実施形態］
本技術は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。
【００５０】
上記では、凸状領域３１、１３１は、凸レンズ状または段差状の領域として説明した。しかし、凸状領域の形状は、シンチレータ層４０に向かって先細の楔状の領域、または、（断面が）台形状の領域であってもよい。あるいは、凸状領域の形状は、凸状であれば、レンズ状、段差状、楔状、および台形状のうち少なくとも２つの組み合わせの形状であってもよい。
【００５１】
上記各実施形態に係る撮像装置１００、２００は、空隙部４２を有していたが、これは必須ではない。例えばシンチレータ層が、導光層３０、１３０上に塗布により形成される場合、空隙部が形成されない形態も実現可能である。
【００５２】
以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。
【００５３】
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）
光電変換可能に構成された複数の画素領域を有する光電変換層と、
前記光電変換層の反対側へ向けて凸に形成された凸状領域を前記画素領域ごとに有し、前記光電変換層上に設けられた導光層と、
前記導光層上に直接形成されるように設けられたシンチレータ層と
を備える撮像装置。
（２）
前記（１）に記載の撮像装置であって、
前記シンチレータ層は、前記画素領域の境界に沿って設けられた空隙部を有する
撮像装置。
（３）
前記（１）または（２）に記載の撮像装置であって、
前記導光層の凸状領域は、レンズ状の領域である
撮像装置。
（４）
前記（１）または（２）に記載の撮像装置であって、
前記導光層は、前記凸状領域と前記凸状領域以外の領域とで構成される段差状の領域を有する
撮像装置。
（５）
前記（１）から（４）のうちいずれか１つに記載の撮像装置であって、
前記導光層の材料は、前記シンチレータ層の材料の屈折率と同じ、またはそれより高い屈折率を持つ
撮像装置。
（６）
前記（５）に記載の撮像装置であって、
前記導光層の材料は、1.6〜2.0の屈折率を持つ
撮像装置。
（７）
前記（５）または（６）に記載の撮像装置であって、
前記シンチレータ層の材料は、1.6〜2.0の屈折率を持つ
撮像装置。
（８）
前記（５）から（７）のうちいずれか１つに記載の撮像装置であって、
前記導光層の材料は、SiN、SiON、または有機材料である
撮像装置。
（９）
光電変換可能に構成された複数の画素領域を有する光電変換層上に、前記光電変換層の反対側へ向けて凸に形成された凸状領域を前記画素領域ごとに有する導光層を設け、
前記導光層上にシンチレータ材料を蒸着する
撮像装置の製造方法。
【符号の説明】
【００５４】
１０…センサ基板
１１…基板
１２…光電変換層
２０…絶縁層
３０、１３０…導光層
３１、１３１…凸状領域
３１Ｌ…レンズ部
４０…シンチレータ層
４２…空隙部
１００、２００…撮像装置
【図１】
0006576357.tif 000002
【図２】
0006576357.tif 000003
【図３】
0006576357.tif 000004
【図４】
0006576357.tif 000005