(57)【要約】【課題】  産業用Ｘ線ＣＴ装置およびそれに設置された半導体放射線検出器は、５年から１０年の長期にわたり使用されるものである。そのような長期にわたる半導体放射線検出器の特性の劣化を防止する必要がある。本発明は、半導体放射線検出器の特性の劣化を抑制することを目的とする。【解決手段】  本発明は、電極を備えた半導体結晶と、前記半導体結晶を設置した基板とを備えた半導体放射線検出器であって、前記半導体結晶を構成する外表面のうち、前記半導体結晶の電極が設けられた面以外の面から間隔をあけて結晶面保護手段を設けることを特徴とする。【効果】  本発明によれば、半導体放射線検出器の特性の劣化を抑制することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を備えた半導体結晶と、前記半導体結晶を設置した基板とを備えた半導体放射線検出器であって、
前記半導体結晶を構成する外表面のうち、前記半導体結晶の電極が設けられた面以外の面から間隔をあけて結晶面保護手段を設けることを特徴とする半導体放射線検出器。
【請求項２】
請求項１の半導体放射線検出器であって、
前記結晶面保護手段は樹脂フィルムを用い、該樹脂フィルムは前記基板に接着されることを特徴とする半導体放射線検出器。
【請求項３】
直方体形状の半導体結晶と、該半導体結晶を設置した基板とを備えた半導体放射線検出器であって、
前記基板と前記半導体結晶との設置面に対して高さ方向に、前記半導体結晶の外表面から間隔をあけて基板に設置される外枠と、該外枠の上部に、前記半導体結晶を覆うように設置する封止板とからなる結晶面保護手段を設けたことを特徴とする半導体放射線検出器。
【請求項４】
請求項１乃至３の半導体放射線検出器であって、
前記半導体結晶は、ＣｄＴｅ半導体結晶を用いることを特徴とする半導体放射線検出器。
【請求項５】
請求項１乃至３に記載の半導体放射線検出器をＸ線検出器として使用することを特徴とする産業用Ｘ線ＣＴ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体放射線検出器及びそれを用いた産業用Ｘ線ＣＴ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、放射線の入射方向と略平行な面に電極を形成した半導体セルを用いる検出器が開示されている。この検出器は、Ｓｉ半導体結晶ブロックの相対する２面のうちの１面にバイアス用電極を、他の面に信号取り出し用電極を形成した半導体セルをヘビイメタル板上のフレキシブル基板に接着しており、産業用Ｘ線ＣＴ装置に使用されている。
【０００３】
また、特許文献１と２には、産業用Ｘ線ＣＴ装置の性能向上を目的として、Ｓｉよりも密度の大きな化合物半導体ＣｄＴｅを用いてＸ線ＣＴ装置の検出器を製作することが開示されている。
【０００４】
ＣｄＴｅ半導体放射線検出器における経時的な感度の低下現象は、検出器にかけるバイアスを一時的に切ることにより解消することが出来る。そして、近年のＣｄＴｅ結晶品質の向上により、産業用Ｘ線ＣＴ装置において、４時間程度の連続撮影でもＣｄＴｅ半導体放射線検出器の感度低下を抑制して撮影できる見込みが得られている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２７４１６９号公報
【特許文献２】特開２００６−１０３６４号公報
【非特許文献１】H.Miyai, et. Al．：“A High Energy X-Ray Computed TomographyUsing Silicon Semiconductor Detectors,”1996 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, Vol.2, pp816-820, Anaheim, CA, USA (1996)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、産業用Ｘ線ＣＴ装置およびそれに設置された半導体放射線検出器は、５年から１０年の長期にわたり使用されるものである。そのような長期にわたる半導体放射線検出器の特性の劣化を防止する必要がある。
【０００７】
そこで本発明は、半導体放射線検出器の特性の劣化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前記半導体結晶を構成する外表面のうち、前記半導体結晶の電極が設けられた面以外の面から間隔をあけて結晶面保護手段を設けることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体放射線検出器の特性の劣化を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
半導体放射線検出器を用いた産業用Ｘ線ＣＴ装置は、物体の内部形状を観察，計測するために、非常に有用な非破壊検査装置である。このため、最近では自動車会社を中心に開発品の形状計測や、鋳造品の巣の分布計測などに活用されるようになってきた。また、大型鋳造品などの断層像を撮影するために、透過力の高い高エネルギーＸ線を発生する加速器をＸ線源に用いたＸ線ＣＴ装置が開発されている。特許文献１には、電子線形加速器をＸ線源とし、短冊形のシリコン半導体放射線検出器をＸ線検出器に用いた産業用Ｘ線ＣＴ装置が示されている。このＸ線ＣＴ装置は、被試験体をＸ線ファンビームに対して垂直な軸周りに１回転させて断層像を撮影する、いわゆる第３世代方式のＸ線ＣＴ装置である。
【００１１】
このＸ線検出器に使用する半導体結晶として、Ｓｉ結晶とＣｄＴｅ結晶がある。
【００１２】
比較例として、Ｓｉ結晶を用いたシリコン半導体放射線検出器について説明する。シリコン半導体放射線検出器は、１から１０ＭｅＶの高エネルギーＸ線の検出効率が２０％程度（検出器サイズやＸ線エネルギーにより異なる）である。現在、このようなシリコン半導体放射線検出器が高エネルギーＸ線ＣＴ装置に使用されている。
【００１３】
図５はシリコン半導体放射線検出器の構造を示す。Ｓｉ結晶５０の上下に電極５１と電極５２が蒸着されて、シリコン半導体放射線検出器を構成している。Ｘ線は本図に示すように、本図左方から検出器に入射する。
【００１４】
Ｓｉ結晶５０はフレキシブル基板５３に接着されており、Ｓｉ結晶の大きさは縦３mm×横４０mm×高さ０.５mm である。ヘビイメタル基板５４はタングステン合金製で、検出器の保護と同時に、隣の検出器に入射したＸ線の散乱や反挑電子を遮蔽する役割を担う。
【００１５】
フレキシブル基板５３側の電極５２は、導電性接着剤により、接着部５８とプリント配線端子５７が接続される。上方の電極５１はＳｉ結晶５０の内部周辺で下方の電極６１と導通しており、電極６１が接着部５９でプリント配線端子５６に接続される。なお、シリコン半導体放射線検出器に使用されるＳｉ結晶５０の周辺（側面側）は、ダイシングによりＳｉウェハから切り出されたダイシング面となっている。ダイシング面は電極面と比較すると微視的凹凸が多いため、湿気等の外気や塵埃に不安定なことが予想される。そのため、シリコン樹脂保護膜６４を塗布しダイシング面を保護する構造になっている。
【００１６】
本図の左側には、Ａ−Ａ′面での断面構造を示す。本検出器のＳｉ結晶は、ｎ型半導体であり、電極５２の近傍６３がｐ型にドープされたｐｎダイオード構造となっている。同時に、Ｓｉ結晶５０の周辺部６２はｎ＋にドープされている。そのため、前述のように電極５１と電極６１は導通でき、シリコン半導体放射線検出器はフレキシブル基板５３側に設けられた２つの電極から配線を引き出せる。
【００１７】
この電極５１と５２の間には、通常３０〜５０Ｖ程度のバイアス電圧をかける。しかし、シリコン半導体放射線検出器の側面であるダイシング面は、周辺部６２により表面の電極５１と導電位に保持されているため、ダイシング面に電界は発生しない。従って、長時間使用してダイシング面の特性が劣化したとしても、暗電流が増加する可能性は少ない。
【００１８】
但し、断層像の密度分解能を向上させるためには、半導体放射線検出器の検出効率（感度）が高いほど良い。そのため、シリコンよりも密度が２倍ほど高く、検出効率も約２倍向上できると予想されるＣｄＴｅ半導体放射線検出器の使用が好ましい。このため、CdTe半導体放射線検出器を高エネルギーＸ線ＣＴ装置に使用することが試みられている。
【００１９】
このＣｄＴｅ半導体放射線検出器は、Ｓｉ半導体放射線検出器との互換性も考慮し、図５とほぼ同様の構造が検討されている。ＣｄＴｅ半導体放射線検出器とＳｉ半導体放射線検出器との相違点は、上方の電極５１とプリント配線端子５６とをボンディングワイヤーで接続している点である。
【００２０】
なお、ＣｄＴｅ半導体放射線検出器に使用するＣｄＴｅ結晶の側面は、ダイシングによりＣｄＴｅウェハから切り出されたダイシング面となっている。ダイシング面は電極面と比較すると、微視的な凹凸が多いため、湿気等の外気に不安定なことが予想される。そのため、シリコン樹脂保護膜を塗布し、外気を遮断する構造になっている点は、Ｓｉ半導体放射線検出器と同様である。
【００２１】
このＣｄＴｅ結晶は、製造方法の改良が進み、より高純度の結晶が得られるようになってきた。そのため、ＣｄＴｅ半導体放射線検出器を使用しても、産業用Ｘ線ＣＴ装置で１個の被試験体を撮像する時間（立体データを得るためには１から４時間程度）は、出力電流が低下することなく撮影することが可能になってきている。また、ＣｄＴｅ半導体放射線検出器は、Ｓｉ半導体放射線検出器よりも検出感度が高いため、より高画質の断層像を得られる。
【００２２】
しかしながら、Ｃｏ−６０ガンマ線照射装置で、上記構造のＣｄＴｅ半導体放射線検出器を照射したところ、１００ｋＧｙ程度の集積線量で、暗電流が大きく増加することが判明した。ＣｄＴｅ半導体放射線検出器の上下の電極間には１００Ｖ以上のバイアス電圧をかける必要がある。Ｓｉ半導体放射線検出器と異なり、ＣｄＴｅ半導体放射線検出器は結晶の一部を導通させることが困難なため、ダイシング面の上下では１００Ｖの電位差が発生する。したがって、シリコン樹脂保護膜が放射線照射により劣化すると、絶縁性の低下や、シリコン樹脂保護膜の性状の変化(硬くなったり、変形したりすることが考えられる)による結晶内応力発生等により、電極間に暗電流が発生すると考えられる。暗電流の大幅な増加は測定時のノイズを増加させるため、Ｘ線ＣＴ装置の性能を劣化させる。
【００２３】
本発明は、ＣｄＴｅ半導体放射線検出器のダイシング面に塗布されたシリコン樹脂保護膜の放射線劣化による暗電流の増加を、前記シリコン樹脂保護膜の代わりに前記ダイシング面から間隔を空けた結晶面保護手段を設けることにより防止した。
【実施例１】
【００２４】
図２は、第３世代方式のＣＴ装置の構造を有する、産業用Ｘ線ＣＴ装置の構成を示す。産業用Ｘ線ＣＴ装置２００は、Ｘ線ファンビーム２を出力する電子線形加速器１と、被試験体１４を設置するスキャナ３，被試験体１４を透過してきたＸ線を検出するＸ線検出器４−１から４−５１２と、Ｘ線検出器４のＳ／Ｎ比を向上させるためにＸ線検出器４に入射する散乱Ｘ線の影響を抑えるコリメータ５，Ｘ線検出器４の出力信号を増幅し、デジタル信号に変換する信号処理装置１０、および信号処理装置１０からのデジタルデータを収集すると共に装置全体を制御する制御装置６，画像の再構成を行う画像再構成装置７，画像再構成装置７により作成された画像やその他の情報を表示する表示装置８，制御装置６からの制御指令により電子線形加速器１，スキャナ３、及び信号処理装置１０の動作を制御するコントローラ９からなる。本図のＸ線ＣＴ装置２００は、被試験体１４を回転させて１断面を撮影する第３世代のＸ線ＣＴ装置を示している。スキャナ３は回転機能のほかに、被試験体１４を任意の高さにおいて断面撮影を行うために上下に動作する機能を持つ。
【００２５】
電子線形加速器１は、制御用ケーブル１６によりコントローラ９に接続されている。そして、電子線形加速器１はコントローラ９によりＸ線ファンビームの発生・停止が制御される。スキャナ３は、制御ケーブル１５でコントローラ９に接続されており、コントローラ９によってスキャナ３の回転・上下位置の調整が行われる。
【００２６】
Ｘ線検出器４は後述のＣｄＴｅ半導体放射線検出器が使われている。このＸ線検出器４は、ファンビーム２の発生点を見込むように一列に配置され、検出器数が多いほど撮影解像度が向上する。なお、図２では５１２個のＸ線検出器が設置されている。スキャナ３の回転と同期して一定角度ごとに電子線形加速器１からＸ線パルスが出力される毎に、Ｘ線検出器４は被試験体１４を透過してきたＸ線を検出する。Ｘ線検出器４から出力されたＸ線量に対応する信号は、信号処理装置１０において増幅されデジタル信号に変換される。その後、デジタル信号が信号ケーブル１７によって制御装置６へ送信される。また、デジタル信号は制御装置６を経由して画像再構成装置７に送られ、ＣＴ画像の再構成に用いられる。
【００２７】
一方、デジタル信号が入力された制御装置６は、コントローラ９にも信号を送信する。そして、コントローラ９は電子線形加速器１，スキャナ３，信号処理装置１０の動作を制御する信号を送信する。
【００２８】
通常、加速器を用いたＸ線ＣＴ装置において加速器から出射されるＸ線は、加速器の特性から、周期的に発生するパルス状Ｘ線となる。一般的な値としては、５ｍｓ周期に５
μｓ幅の強力なＸ線パルス（Ｘ線光子の集まり）が出力される。本実施例では、被試験体１４を１回転する間に１９２０回Ｘ線パルスが照射され、データを測定する。すなわち、０.１８７５ 度ごとにＸ線量を測定する。５１２個の検出器があるため、１断層を再構成するためのデータは５１２×１９２０個のデータ量になる。
【００２９】
図１は半導体放射線検出器の立面図と平面図である。半導体放射線検出器１００は、ヘビイメタル基板２４の片面にフレキシブル基板２３が接着され、フレキシブル基板２３の上に半導体結晶が接着される。本実施例では、半導体結晶としてＣｄＴｅ結晶２０を使用する。ＣｄＴｅ結晶２０の上面，下面には各々電極２１，２２が蒸着されている。なお、ＣｄＴｅ結晶２０の下面とは、ＣｄＴｅ結晶２０とフレキシブル基板２３との接着面を表し、ＣｄＴｅ結晶２０の上面は、前記接着面の反対側を意味する。
【００３０】
ＣｄＴｅ結晶は厚さ０.５mm ，幅３mm，奥行き４０mmである。奥行きが４０mmあると、４００ｋｅＶから１２ＭｅＶまでのＸ線に対して十分な感度を有する。本実施例では下面にＩｎ電極２２、上面にＰｔ電極２１となっている。Ｐｔ電極側に−バイアス電圧をかけるか、Ｉｎ電極側に＋バイアス電圧をかけることにより半導体放射線検出器として動作する。
【００３１】
ヘビイメタル基板２４はタングステンなどのヘビイメタルで製作されている。ヘビイメタル基板２４は、隣接した半導体放射線検出器からの散乱電子や散乱Ｘ線を遮蔽するためには密度が高く、厚いほうが望ましいが、Ｘ線ＣＴ装置の分解能などの性能を考慮して決定する。なお、分解能を向上させるには、検出器は薄い方が望ましい。本実施例ではタングステン合金０.５mm 厚の遮蔽板を用いている。使用するＸ線源のエネルギーが低い場合には、ＳＵＳや黄銅などの密度の少し低いものでも良い。
【００３２】
ＣｄＴｅ結晶２０においてＰｔ電極２１の信号取り出しは、ＣｄＴｅ結晶２０の上面に設けられた導電接着部２９から行う。導電接着部２９とプリント配線３６はボンディングワイヤー２５により接続され、プリント配線端子２６から外部に接続される。一方、Ｉｎ電極２２は、ＣｄＴｅ結晶２０の下面に設けられた導電接着部２８でプリント配線３７に接続されており、プリント配線端子２７から外部に接続する。
【００３３】
フレキシブル基板２３は複層構造である。そして、プリント配線３６，３７は、電極，ボンディングワイヤーとの接続部，配線端子２６と２７以外の配線部分は絶縁フィルムに覆われている。なお、フレキシブル基板２３の絶縁体はポリイミド系樹脂フィルムが用いられる。
【００３４】
また、ＣｄＴｅ結晶２０は、短冊状の細長い直方体形状をしており、フレキシブル基板２３の表面に設置されている。そして、ＣｄＴｅ結晶２０は、Ｘ線の入射方向とＣｄＴｅ結晶２０の奥行き方向が一致するように、Ｘ線ＣＴ装置に配置されている。
【００３５】
フレキシブル基板２３の表面に設置されたＣｄＴｅ結晶２０は、設置面（Ｉｎ電極２２とフレキシブル基板２３との接着面）以外が露出するため、当該露出面を覆うように結晶面保護手段を設けている。具体的には、ＣｄＴｅ結晶２０の側面であるダイシング面から離れた場所であって、フレキシブル基板２３の表面に接着剤３１が塗布されており、その接着剤により絶縁樹脂フィルム３０が固定されている。ここで、ダイシング面とは半導体ウェハから半導体結晶を切り出した際に形成される、切り出し面を指す。また、図１に示すとおり、ＣｄＴｅ結晶２０のダイシング面は、ＣｄＴｅ結晶２０の電極が設けられた面以外の面となる。
【００３６】
接着剤３１を塗布する位置は、ダイシング面から１〜２mm離れた位置とする。又、絶縁樹脂フィルム３０にはフレキシブル基板と同じポリイミドフィルムを用いる。ポリイミドフィルムは耐放射線性が良好であり、性状の変化は非常に小さいことが知られている。ポリイミドフィルムの厚さは０.１mm 程度でよい。このように、ポリイミドフィルムは薄いため、ＣｄＴｅ結晶２０を覆った状態で、接着剤３１を用いてフレキシブル基板２３に容易に接着することが出来る。接着材にはフレキシブル基板をヘビイメタル基板に接着するものと同じエポキシ系接着剤でよい。
【００３７】
以上述べたように、ＣｄＴｅ半導体放射線検出器を構成すれば、ＣｄＴｅ結晶のダイシング面に、放射線で劣化する可能性のあるシリコン樹脂保護膜を塗布することなく、CdTe半導体検出器から外気を遮断でき、検出器に無用な応力をかけることも無く、長期間安定な性能を有するＣｄＴｅ半導体放射線検出器を実現できる。また、ＣｄＴｅ半導体放射線検出器のダイシング面に放射線劣化により暗電流を増加させる保護膜が無く、ＣｄＴｅ結晶のダイシング面から離れた位置に設けた結晶面保護手段により湿気などの影響を長期間にわたり防止できる。
【００３８】
以上の半導体放射線検出器１００を産業用Ｘ線ＣＴ装置に使用すると、半導体放射線検出器の暗電流の増加を防止し、測定結果に影響を及ぼさず、検出器性能ひいてはＸ線ＣＴ装置の画質を長期に安定して保持できる。
【００３９】
そして、Ｘ線検出器に本発明のＣｄＴｅ半導体放射線検出器を用いることにより、CdTe半導体放射線検出器の高感度によるプリアンプ出力の増加が得られるだけでなく、暗電流増加や検出器の特性劣化などの経年変化による影響を除去できる。また、Ｘ線ＣＴ装置の測定感度を上げると同時に、長期間使用時にも再構成画像の品質が劣化しない産業用Ｘ線ＣＴ装置を提供できる。
【００４０】
さらに、絶縁樹脂フィルム３０は接着剤付きポリイミドフィルム（通常シリコン樹脂系の接着剤が付いている）を用いることもよい。この場合にはフレキシブル基板２３の表面の接着剤３１を塗布する必要がない。接着剤付きポリイミドフィルムはＰｔ電極２１にも接着されるので、より確実に保護できる効果がある。
【００４１】
また、絶縁樹脂フィルム３０とフレキシブル基板２３をＣｄＴｅ結晶の長辺側のみで接着することも良い。この場合には外気を遮蔽する効果は無いが、Ｘ線照射による検出器への応力増加を避けることができる。
【実施例２】
【００４２】
図３は、本発明の実施例２における構造図を示す。本実施例では、絶縁樹脂フィルムでＣｄＴｅ結晶を覆う代わりに、ＣｄＴｅ結晶２０のダイシング面から離れた位置であって、フレキシブル基板２３の上に外枠３２を接着する。この外枠３２は、フレキシブル基板２３とＣｄＴｅ結晶２０との設置面に対して高さ方向に設けられている。また、外枠３２の上に封止板３３を接着している。このように、外枠３２と封止板３３、及びフレキシブル基板２３によってＣｄＴｅ結晶２０を密封するため、ＣｄＴｅ結晶のダイシング面に放射線で劣化する可能性のあるシリコン樹脂保護膜を塗布することなく、ＣｄＴｅ半導体放射線検出器から外気を遮断でき、長期間安定な性能を有するＣｄＴｅ半導体放射線検出器を実現する。外枠３２と封止板３３の材質は、実施例１と同様のポリイミド系樹脂でもよい。しかし、本実施例では外枠，封止板ともフレキシブルである必要が無いため、セラミックなど耐放射線性が良好で硬質な材料でも良い。また、Ｐｔ電極２１やボンディングワイヤー２５に触れなければ、金属製でも良い。
【００４３】
図４は本実施例において、Ｐｔ電極２１をプリント配線３６に接続するボンディングワイヤーの代わりに、フレキシブル基板３４を用いた実施例である。フレキシブル基板３４上のプリント配線３５により、Ｐｔ電極２１とプリント配線３６が接続される。ボンディングワイヤーは外部から力が加わると外れることもあるため、フレキシブル基板３４を用いることにより、そのリスクを低減することができる。また、封止板３３を接着する時にフレキシブル基板３４と接触しても外れることは無く、信頼性が高いＣｄＴｅ半導体放射線検出器が製作できる。
【００４４】
もちろん、フレキシブル基板３４を図１の実施例１に適用することも出来る。実施例１では、特に絶縁樹脂フィルム３０を貼る際に、ボンディングワイヤー２５に応力がかかることも予想される。そのため、フレキシブル基板をボンディングワイヤーの代わりに配線材として使用することが望ましい。
【００４５】
本実施例のＣｄＴｅ半導体放射線検出器も、実施例１と同様に産業用高エネルギーＸ線ＣＴ装置に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は産業用Ｘ線ＣＴ装置のＸ線検出部に利用でき、鋳造製品などの鋳巣検査や３次元形状データ取得，密度分布測定などに活用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施例１の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１を使用した産業用Ｘ線ＣＴ装置の構成図である。
【図３】本発明の実施例２の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施例２において、配線にフレキシブル基板を用いた構成を示す図である。
【図５】比較例の産業用Ｘ線ＣＴのシリコン半導体検出器の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
２０  ＣｄＴｅ結晶
２１  Ｐｔ電極
２２  Ｉｎ電極
２３，３４  フレキシブル基板
２４  ヘビイメタル基板
２５  ボンディングワイヤー
２６，２７  プリント配線端子
２８，２９  導電接着部
３０  絶縁樹脂フィルム
３１  接着剤
３２  外枠
３３  封止板
３５，３６，３７  プリント配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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