(57)【要約】【課題】スライス数が増加してフォトダイオード素子の数が増えても、簡単な接続構造で検出信号を取出すことができるようにする。【解決手段】Ｘ線を光に変換するシンチレータブロック２１に光学的に接続され、光を電気に変換するフォトダイオードアレイ素子２３を基部３５の一面側に有するフォトダイオードアレイ２２と、このフォトダイオードアレイ２２の反変換素子面側を接合保持するとともに、フォトダイオードアレイ素子２３で変換された電気信号を取出す電極２５ａを有する基板２５と、フォトダイオードアレイ２２にテーパ角度が５０〜６０度で形成された貫通孔４１と、この貫通孔４１に設けられ、フォトダイオードアレイ素子２３と基板２５の電極２５ａとを電気的に接続する貫通電極２４とを具備する。【選択図】　　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線を光に変換する光変換手段と、
この光変換手段に光学的に接続され、光を電気に変換する変換素子を基部の一面側に有する電気変換手段と、
この電気変換手段の反変換素子面側を接合保持するとともに、前記変換素子で変換された電気信号を取出す電極を有する基板と、
前記電気変換手段の基部にテーパ角度が５０〜６０度で形成され、前記変換素子面側から反変換素子面側に貫通する貫通孔と、
この貫通孔に設けられ、前記変換素子と前記基板の電極とを電気的に接続する貫通電極と
を具備することを特徴とするＸ線検出装置。
【請求項２】
前記光変換手段はシンチレータブロックで、前記電気変換手段はフォトダイオードアレイである請求項１記載のＸ線検出装置。
【請求項３】
前記貫通電極は内部に半田を充填することを特徴とする請求項１記載のＸ線検出装置。
【請求項４】
前記貫通電極は内部にＡｇペーストを充填することを特徴とする請求項１記載のＸ線検出装置。
【請求項５】
Ｘ線を光に変換する光変換手段と、
この光変換手段に光学的に接続され、光を電気に変換する変換素子を基部の一面側に有する電気変換手段と、
この電気変換手段の反変換素子面側を接合保持するとともに、前記変換素子で変換された電気信号を取出す電極を有する基板と、
前記電気変換手段に形成され、前記変換素子面側から反変換素子面側に貫通する貫通孔と、
この貫通孔に設けられ、前記変換素子と前記基板の電極とを電気的に接続する貫通電極とを具備するＸ線検出装置における貫通電極の製造方法において、
表面に電気変換素子が形成されたシリコン製の基部の裏面に窒化シリコン膜を形成する第１の膜形成工程と、
この第１の膜形成工程により形成された窒化シリコン膜をパターニングするパターニング工程と、
前記基部の電気変換素子側の全面に銅、もしくはニッケルからなるメッキ膜を形成する第２の膜形成工程と、
前記パターニングにより窒化シリコン膜が除かれてシリコンが露出した基部の部分をアルカリ溶液により電気変換素子面に貫通するまで結晶異方性エッチング法によりエッチングするエッチング工程と、
前記基部の裏面の窒化シリコン膜と前記メッキ膜を除去する除去工程と、
前記基部の裏面と貫通孔内部に新たにシリコン酸化膜を形成する第３の膜形成工程と、
前記貫通孔の内部に金属膜を形成する第４の膜形成工程と、
前記貫通孔に導電性部材を充填する充填工程とを具備することを特徴とするＸ線検出装置における貫通電極の製造方法。
【請求項６】
被検体にＸ線を投射するＸ線投射手段と、
このＸ線投射手段により投射されて前記被検体を透過したＸ線を光に変換する光変換手段と、
この光変換手段に光学的に接続され、光を電気に変換する変換素子を基部の一面側に有する電気変換手段と、
この電気変換手段の反変換素子面側を接合保持するとともに、前記変換素子で変換された電気信号を取出す電極を有する基板と、
前記電気変換手段の基部にテーパ角度が５０〜６０度で形成され、前記変換素子面側から反変換素子面側に貫通する貫通孔と、
この貫通孔に設けられ、前記変換素子と前記基板の電極とを電気的に接続する貫通電極と、
前記基板の電極を介して取出された電気信号に基づいて前記被検体の断層像を撮影する撮影手段と、
を具備することを特徴とするＸ線断層撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、コンピュータ断層像撮影装置（ＣＴ）に用いられるＸ線検出装置、貫通電極の製造方法及びＸ線断層撮影装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線ＣＴスキャナは、ヘリカルスキャン方式やマルチスライス方式の出現、さらに、Ｘ線発生器と検出器の高速回転化により、撮影時間の短縮と、高精細な断層画像の実現を可能としている。特に、撮影時間の短縮は検査時における患者の苦痛を少なくできるため、今後さらなる高速化が期待されている。
【０００３】
また、上記した方式により撮影画像の高精細化が進み、これまでのＸ線ＣＴでは見えなかった腫瘍の発見や、常時形状が変化している臓器を鮮明に撮影することも可能となっている。
【０００４】
マルチスライス方式は、例えば、公開公報（特開平１０−１２７６１７）に示されるように、フォトダイオードからなる検出素子が被写体の体軸方向（スライス方向）に沿って複数列形成された構造を基本としている。
【０００５】
通常、被写体の体軸方向に直交する方向（チャネル方向）に沿っても複数列の検出素子を持ち、チャンネル方向とスライス方向に素子を２次元的に有するフォトダイオードアレイでＸ線の検出が行われている。
【０００６】
フォトダイオードアレイからの信号出力は、スイッチ装置で素子選択され、増幅機能やＡ／Ｄ変換機能を有するデータ収集装置に送られる。これらの素子や装置は、例えば公開公報（特開平１０−７３６６６）や公開公報（特開平１１−２２１２０７）に示されるように、基板上に実装されてモジュール化した後に所望のチャンネル数、例えば１０００チャンネルが得られる数のモジュールを円弧状にならべて検出システムが完成する。
【０００７】
図７は従来におけるＸ線ＣＴ装置の検出器を示す斜視図である。
【０００８】
検出器１０４は、Ｍｏ板からなるコリメータ１０２と、シンチレータやフォトダイオードアレイを実装した検出器モジュール１０１を樹脂製の支持部材１０３に固定した構造である。
【０００９】
検出器モジュール１０１は、図８に示すように多層配線がなされた基板１１０にフォトダイオードアレイ１１１が接着され、ボンディングワイヤ１１２によってスイッチ素子１１３に接続されている。さらに、スイッチ素子１１３はボンディングワイヤ１１４によって基板１１０の配線１１５に接続され、信号は裏面のコネクタ１１６に伝えられる。
【００１０】
コネクタ１１６には、フラットケーブルなどの電線１１７が取り付けられており、モジュール外部のデータ収集装置（図示せず）と信号の送受信を行う。
【００１１】
フォトダイオードアレイ１１１の上面部にはＸ線を光に変換するシンチレータブロック１１８が搭載されている。以上のような構造により、従来はＸ線検出器を実現していた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来においては、スライス数が増加してフォトダイオード素子の数が増えると、フォトダイオードアレイ１１１からの信号を取り出す配線が著しく増加し、フォトダイオードアレイ１１１のチップ内部に収容できなくなる。
【００１３】
さらに、従来のようにチップの端でワイヤ接続する方法では、ボンディングパッドのピッチや面積が非常に小さくなり、接続が不可能となる。
【００１４】
このため、従来技術におけるマルチスライスＸ線ＣＴでは１６スライス程度までが限界であり、新たな接続構造の開発が望まれていた。
【００１５】
本発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、スライス数が増加して変換素子の数が増えても、簡単な接続構造で変換素子から出力信号を取出すことができるようにしたＸ線検出装置、貫通電極の製造方法及びＸ線断層撮影装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、Ｘ線を光に変換する光変換手段と、この光変換手段に光学的に接続され、光を電気に変換する変換素子を基部の一面側に有する電気変換手段と、この電気変換手段の反変換素子面側を接合保持するとともに、前記変換素子で変換された電気信号を取出す電極を有する基板と、前記電気変換手段の基部にテーパ角度が５０〜６０度で形成され、前記変換素子面側から反変換素子面側に貫通する貫通孔と、この貫通孔に設けられ、前記変換素子と前記基板の電極とを電気的に接続する貫通電極とを具備する。
【００１７】
請求項５記載のものは、Ｘ線を光に変換する光変換手段と、この光変換手段に光学的に接続され、光を電気に変換する変換素子を基部の一面側に有する電気変換手段と、この電気変換手段の反変換素子面側を接合保持するとともに、前記変換素子で変換された電気信号を取出す電極を有する基板と、前記電気変換手段に形成され、前記変換素子面側から反変換素子面側に貫通する貫通孔と、この貫通孔に設けられ、前記変換素子と前記基板の電極とを電気的に接続する貫通電極とを具備するＸ線検出装置における貫通電極の製造方法において、表面に電気変換素子が形成されたシリコン製の基部の裏面に窒化シリコン膜を形成する第１の膜形成工程と、この第１の膜形成工程により形成された窒化シリコン膜をパターニングするパターニング工程と、前記基部の電気変換素子側の全面に銅、もしくはニッケルメッキ膜を形成する第２の膜形成工程と、前記パターニングにより窒化シリコン膜が除かれてシリコンが露出した基部の部分をアルカリ溶液により電気変換素子面に貫通するまで結晶異方性エッチング法によりエッチングするエッチング工程と、前記基部の裏面の窒化シリコン膜と前記銅メッキ膜を除去する除去工程と、前記基部の裏面と貫通孔内部に新たにシリコン酸化膜を形成する第３の膜形成工程と、前記貫通孔の内部に銅メッキ膜を形成する第４の膜形成工程と、前記貫通孔に導電性部材を充填する充填工程とを具備する。
【００１８】
請求項６記載のものは、被検体にＸ線を投射するＸ線投射手段と、このＸ線投射手段により投射されて前記被検体を透過したＸ線を光に変換する光変換手段と、この光変換手段に光学的に接続され、光を電気に変換する変換素子を基部の一面側に有する電気変換手段と、この電気変換手段の反変換素子面側を接合保持するとともに、前記変換素子で変換された電気信号を取出す電極を有する基板と、前記電気変換手段の基部にテーパ角度が５０〜６０度で形成され、前記変換素子面側から反変換素子面側に貫通する貫通孔と、この貫通孔に設けられ、前記変換素子と前記基板の電極とを電気的に接続する貫通電極と、前記基板の電極を介して取出された電気信号に基づいて前記被検体の断層像を撮影する撮影手段とを具備する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施の形態である断層像撮影装置としてのＸ線ＣＴ装置を概略的に示す構成図である。
【００２１】
図中１は患者（被検体）で、この患者（被検体）は検査時に移動されてガントリ２内に挿入される。ガントリ２はＸ線ビームを投射するＸ線投射手段としてのＸ線源３を備え、このＸ線源３には患者１を中心として対象的にＸ線検出装置としてのＸ線検出器Ｋが配置されている。
【００２２】
Ｘ線検出器Ｋは、コリメータ４と検出器アレイ５とを組み合わさせて構成されている。検出器アレイ５は複数の検出器モジュール６によって構成され、被検体１を透過する投射Ｘ線を各検出器モジュール６によって感知する。各検出器モジュール６は入射するＸ線ビームの強さ、及び被検体１を透過したＸ線ビームの減衰を表す電気信号を出力する。
【００２３】
Ｘ線投射データを収集する間、ガントリ２とそれに搭載された構成部品は回転中心７を中心にして回転する。ガントリ２の回転およびＸ線源３の作動はＣＴシステムの制御装置８により制御される。
【００２４】
制御装置８はＸ線源３に電力とタイミング信号を供給するＸ線コントローラ９、ガントリ２の回転速度と位置を制御するガントリ・モータ・コントローラ１０、及びデータ収集装置（ＤＡＳ）１１を有している。
【００２５】
データ収集装置（ＤＡＳ）１１は送られてきたＸ線透過データに対して増幅処理やＡ／Ｄ変換処理等を施して、被検体１の各スライス分の投影データを収集するように構成されている。
【００２６】
データ収集装置（ＤＡＳ）１１には、画像再構成器１２が接続されている。この画像再構成器１２はＤＡＳ１１からサンプリングおよびディジタル化されたＸ線データを受けて高速画像再構成を行う。この再構成された画像はコンピュータ１４を介して大容量記憶装置１３に記憶されて入力される。
【００２７】
コンピュータ１４は、また、オペレータからのコマンドと走査パラメ一タをコンソール１５を介して受け取る。コンピュータ１４にはＣＲＴディスプレイ１６が接続され、このＣＲＴディスプレイ１６には、コンピュータ１４からの再構成された画像や他のデータが表示される。オペレータはこの表示された画像や他のデータを見ることが出来る。
【００２８】
オペレータが供給するコマンドおよびパラメータは、コンピュータ１４が制御信号と情報をＤＡＳ１１、Ｘ線コントローラ９およびガントリ・モータ・コントローラ１０に供給するために使用される。
【００２９】
さらに、コンピュータ１４はモータ駆動テーブル１７等を制御して被検体１をガントリ２内の所定の位置に置くテーブル・モータ・コントローラ１８を操作する。これにより、テーブル１７はガントリ２の開口部を通して被検体１を移動する。
【００３０】
図２は検出器モジュール６の構造を示すものである。
【００３１】
検出器モジュール６はＸ線を光に変換する光変換手段としてのシンチレータブロック２１を有し、このシンチレータブロック２１は光を電気に変換する電気変換手段としてのフォトダイオードアレイ２２に光学的に接続されている。
【００３２】
フォトダイオードアレイ２２は、フォトダイオード素子２３が形成された基部としてのシリコン基板３５の一面側から他面側に貫通する貫通電極２４を持ち、半田バンプなどの突起状電極２７を介してセラミックの基板２５に実装される。
【００３３】
突起状電極２７は基板２５上の電極２５ａおよび基板２５の内部の配線２６を介してコネクタ２８や、Ｘ線遮蔽領域に実装されているデータ収集装置２９、スイッチＩＣ３０に電気的に接続されている。
【００３４】
図３はフォトダイオードアレイ２２の一部を拡大して示す断面図である。
【００３５】
フォトダイオードアレイ２２はシリコン基板３５を有し、このシリコン基板３５にはｐｎ接合によりフォトダイオード素子２３が形成されている。フォトダイオード素子２３からは信号を取り出す配線３６が形成され（シリコン基板３５と配線３６との間の絶縁膜は図示せず）、その上層にはＳｉ０２などの保護膜３７が形成されている。
【００３６】
この実施の形態では、シリコン基板３５上の配線３６と例えばセラミックからなる基板２５を貫通電極２４を介して電気的に接続する。貫通電極２４は、テーパ角度が約５４．７度で形成されている。
【００３７】
一般的なコンタクトホールのテーパ角度は４５度であるが、フォトダイオード素子２３が密集したＸ線ＣＴ用のＸ線検出器では開口が大きくなりすぎて適用できない。９０度近くの角度で形成すれば開口は小さいが、金属の充填が困難であり、また後で説明する貫通電極を形成するプロセス、例えばフォトレジストの形成も非常に困難となる。
【００３８】
プロセスが容易で歩留まりがよくでき、しかも、フォトダイオード素子２３が密集したＸ線ＣＴ用のＸ線検出器にも適用できるテーパ角は実験の結果、５０度から６０度の範囲であった。
【００３９】
シリコン基板３５には貫通電極２４を挿入する貫通孔４１が穿設され、この貫通孔４１にはシリコンと絶縁をとるためのＳｉ０２膜４２が形成され、配線３６部分にはコンタクトホール３８が形成されている。Ｓｉ０２膜４２上には例えば銅膜４３が形成され、加えて半田４４が充填されて貫通電極２４が構成されている。
【００４０】
以上の構成をＸ線ＣＴ装置のＸ線検出器に適用することで、多列化による信号取出の問題を解決できる。
【００４１】
次に、貫通電極２４の製造方法について図４及び図５を参照して説明する。
【００４２】
まず、図４（ａ）に示すように、フォトダイオードアレイ２２のＳｉ基板３５の裏面に窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）膜４５をプラズマＣＶＤ法により０．２μｍ成膜する。ついで、図４（ｂ）に示すように、フォトリソ技術により窒化シリコン膜４５を所望の状態にパターニングする。その後、フォトダイオード素子２３側の面にＴｉとＣｕを順次スパッタ法などの成膜方法で形成する。膜厚は例えばＴｉが０．１μｍ、Ｃｕが０．５μｍである。ついで、電気めっき法を用いてスパッタしたＣｕ上にめっきＣｕ膜４６を４〜１０ミクロンの厚さに成膜する。めっき液は一般的な硫酸銅めっき液でよく、めっき電流は１〜２（Ａ／ｄｍ２）が適当である。このＣｕ膜４６は、Ｓｉエッチング時の強アルカリ液からフォトダイオード素子２３面側を保護する役目をする。この時点で、基板３５の裏面にはパターニングされた窒化シリコン膜４５があり、また素子２３面側にはその全面に厚いＣｕ膜４６がある。
【００４３】
これらの膜４５，４６をエッチングマスクとして、図４（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板３５に貫通孔４１を形成する。Ｓｉのエッチングには結晶異方性エッチング法を用いる。
【００４４】
本実施例では、エッチング液に水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いる。ＫＯＨ濃度は、１５ｗｔ％〜４０ｗｔ％が適当であり、エッチング速度を早くするには１５ｗｔ％がよく、凹凸の少ないエッチング面を得るには４０ｗｔ％がよい。
【００４５】
また、液温は７５℃〜１２０℃が適当である。ＫＯＨ濃度がｗｔ４０％、液温８５℃の条件でエッチング速度は１．１ミクロン／ｍｉｎであった。エッチングはシリコン熱酸化膜４９でストップする。これは、シリコン熱酸化膜４９がＫＯＨ水溶液に対し溶解速度が非常に遅いためである。
【００４６】
つぎに、貫通孔４１を形成したことにより不要となったエッチングマスクである窒化シリコン膜４５とＣｕ膜４６およびＴｉ膜を除去する。窒化シリコン膜４５とＴｉ膜は、０２ガスとＣＦ４ガスの混合ガスによりプラズマエッチングする。Ｃｕは、塩化銅系のエッチング液で除去する。
【００４７】
ついで、図５（ａ）に示すように貫通孔４１を含む基板３５の裏面にＳｉ０２膜４２をプラズマＣＶＤ法で成膜する。Ｓｉ０２膜４２の膜厚は、絶縁破壊や層間ショートの観点から０．５μｍ〜１．０μｍが適当である。こののち、貫通孔４１と信号取出配線３６間にあるシリコン熱酸化膜４９に、フォトリソ技術によりコンタクトホール３８を形成する。
【００４８】
しかるのち、基板３５の裏面全体にＴｉとＣｕをスパッタし、めつき電極を形成する。膜厚は図４（ｂ）で行った工程と同じである。
【００４９】
次に、電気めっき法により、Ｃｕ膜４３を１０ミクロンの厚さで成膜する。めっきの条件も図４（ｂ）のめっき工程と同じでよい。めっき後、フォトリソ技術により貫通孔４１内部とランド部分を残し、Ｃｕ膜とＴｉ膜をエッチングにより除去する。
【００５０】
最後に内面がＣｕ膜４３で成膜された貫通孔４１に半田４４を充填する。充填方法は、例えば、半田ボールを貫通孔４１に設置しリフローすることで充填が完了する。半田ボールは、Ｓｎ／Ｐｂ共晶半田やＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ等のＰｂフリー半田でもよい。
【００５１】
上記したように構成されるＸ線検出器は図１に示すように円弧状にならべて実装される。Ｘ線源３から出たＸ線は人体１を透過した後検出器５に吸収され、その透過データがコンピュータ１４で処理されて画像が得られる。
【００５２】
なお、本発明は上記一実施の形態に限られることなく、図６に示すように構成されるものであっても良い。上記一実施の形態で示した部分と同一部分については、同一番号を付してその説明を省略する。
【００５３】
貫通電極５０を半田４４ではなく、Ａｇペースト５１で構成し、基板２５にはワイヤボンディング法、或いはメッキ法によりＡｕボールバンプ５２を形成し、貫通電極５０を構成するＡｇペースト５１とＡｕボールバンプ５２とを電気的に接続しても良い。
【００５４】
また、膜４３としてはＡｕ、Ｎｉ、Ａｇのいずれかにより成膜するようにしても良い。
【００５５】
その他、本発明はその要旨の範囲内で種々変形実施可能なことは勿論である。
【００５６】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように、変換素子で変換された電気信号を電気変換手段の基部を貫通する貫通電極により取出すため、従来のように信号を取出すための配線やその接続が不要となり、従来技術では実現できなかった１６スライス以上のマルチスライスＸ線ＣＴで使用するＸ線検出器を、高い信頼性を持たせながらも低いコストで実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である医療用Ｘ線ＣＴ装置の構成を概略的に示す図。
【図２】Ｘ線検出装置を示す図。
【図３】フォトダイオード素子と基板とを接続する貫通電極を示す断面図。
【図４】貫通電極の製造工程を示す図。
【図５】貫通電極の製造工程を示す図。
【図６】貫通電極の他の実施の形態を示す断面図。
【図７】従来のＸ線検出装置を示す斜視図。
【図８】従来のＸ線検出装置におけるフォトダイオード素子と基板との接続構造を示す図。
【符号の説明】
１…患者
２…ガントリー
３…Ｘ線発生器
４…コリメータ
５…検出器モジュール
６…Ｘ線検出器
７…中心点
８…制御装置
９…Ｘ線コントローラ
１０…ガントリ・モータ・コントローラ
１１…ＤＡＳ
１２…画像再構成器
１３…大容量記憶装置
１４…コンピュータ
１５…コンソール
１６…モニター
１７…テーブル
１８…テーブル・モータ・コントローラ
２１…シンチレータブロック（光変換手段）
２２…フォトダイオードアレイ（電気変換手段）
２３…フォトダイオード素子（変換素子）
２４…貫通電極
２５…基板
２６…基板の内部配線
２７…突起状電極
２８…コネクタ
２９…ＤＡＳ
３０…スイッチＩＣ
３５…基部
３７…保護膜
３８…コンタクトホール
４２…Ｓｉ０２膜
４４…半田４７…Ｃｕ膜
４５…窒化シリコン膜
４６…めっきＣｕ膜
【図１】
2004057507.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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