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JP2024132326A - 放射線検出器、放射線撮像システム、放射線検出器の製造方法 - Google Patents

放射線検出器、放射線撮像システム、放射線検出器の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体層内を通過する際に散乱された放射線によるクロストークや二次電子の発生が抑制され、かつ機械的強度の低下が抑制された放射線検出器が望まれていた。【解決手段】半導体層と樹脂層とを含む検出基板と、回路基板と、を備え、前記検出基板は、前記半導体層に放射線の検出素子が設けられた検出領域と、前記検出領域の外側に設けられた周辺領域と、を有し、前記検出基板の前記周辺領域の少なくとも一部において、前記放射線が入射する前記検出基板の第一主面とは反対側の第二主面を前記回路基板が支持し、前記検出基板の少なくとも前記第一主面と前記第二主面の一方には、少なくとも前記検出領域に前記樹脂層が設けられており、前記検出領域における前記樹脂層の厚さは、前記検出領域における前記半導体層の厚さよりも小さい、ことを特徴とする放射線検出器である。【選択図】図1

Description

本発明は、放射線検出器、等に関する。
放射線を、シンチレータ(波長変換体)を介さずにCMOSイメージセンサ等の半導体素子で受光して放射線像を得る放射線検出器が知られている。係る放射線検出器では、放射線が半導体素子の深部にまで侵入するとクロストークや二次電子が発生して検出精度が低下するため、半導体層を薄化することが行われる。
特許文献1には、検出領域の少なくとも一部における半導体層の厚さが、周辺領域の厚さよりも小さい検出器が開示されている。半導体層の検出領域において、エネルギー線が入射する面と反対側の裏面に複数の溝を設け、画素間のクロストークを低減することが記載されている。
特開2019-87640号公報
半導体層を薄化すると、クロストークや二次電子の発生は低減され得るが、半導体層の機械的強度が低下してしまう。放射線検出器の組立工程や搬送時に掛かる外力により、機械的強度が小さな半導体層が破損してしまう可能性がある。そこで、半導体層内を通過する際に散乱された放射線によるクロストークや二次電子の発生が抑制され、かつ機械的強度の低下が抑制された放射線検出器が望まれていた。
本発明の一つの態様は、半導体層と樹脂層とを含む検出基板と、回路基板と、を備え、前記検出基板は、前記半導体層に放射線の検出素子が設けられた検出領域と、前記検出領域の外側に設けられた周辺領域と、を有し、前記検出基板の前記周辺領域の少なくとも一部において、前記放射線が入射する前記検出基板の第一主面とは反対側の第二主面を前記回路基板が支持し、前記検出基板の少なくとも前記第一主面と前記第二主面の一方には、少なくとも前記検出領域に前記樹脂層が設けられており、前記検出領域における前記樹脂層の厚さは、前記検出領域における前記半導体層の厚さよりも小さい、ことを特徴とする放射線検出器である。
本発明の別の一つの態様は、第一主面の検出領域に放射線の検出素子が設けられ、前記第一主面の周辺領域に端子が設けられた半導体基板と、回路基板と、を準備し、前記第一主面と直交する方向から透視して、少なくとも前記検出領域と重なる位置に、前記検出領域における前記半導体基板の厚さよりも小さい厚さの樹脂層を、前記第一主面と前記第一主面とは反対側の第二主面の少なくとも一方に形成し、前記樹脂層が形成された前記半導体基板を、前記周辺領域において前記第二主面が支持されるように前記回路基板に固定し、前記端子と前記回路基板とを接続部材で電気的に接続する、ことを特徴とする放射線検出器の製造方法である。
本発明によれば、半導体層内を通過する際に散乱された放射線によるクロストークや二次電子の発生が抑制され、かつ機械的強度の低下が抑制された放射線検出器を提供することができる。
(a)放射線が入射する方向から実施形態1に係る放射線検出器500を見た平面図。(b)実施形態1に係る放射線検出器500の模式的断面図。 第一主面FS側に樹脂層170を設けた実施形態1に係る放射線検出器500の模式的断面図。 検出領域PAと周辺領域PBとで樹脂層170の厚さを変えた実施形態1に係る放射線検出器500の模式的断面図。 (a)放射線が入射する方向から実施形態2に係る放射線検出器510を見た平面図。(b)実施形態2に係る放射線検出器510の模式的断面図。 (a)放射線が入射する方向から実施形態3に係る放射線検出器520を見た平面図。(b)実施形態3に係る放射線検出器520の模式的断面図。 実施形態4に係る放射線撮像システムを説明するための模式図。
図面を参照して、本発明の実施形態に係る放射線検出器について説明する。以下に示す実施形態は例示であり、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更して実施をすることができる。
尚、以下の実施形態の説明において参照する図面では、特に但し書きがない限り、同一の符号を付して示す要素は、同様の機能を有するものとする。図中において、同一の要素が複数個配置されている場合には、符号の付与及びその説明が省略される場合がある。また、図示および説明の便宜のために図面を模式的に表現する場合があるため、図面に記載された要素の形状、大きさ、配置などは、現実の物と厳密に一致しているとは限らない場合があるものとする。
実施形態に係る放射線検出器で検出する放射線は、電磁波でも粒子線でもよい。電磁波としては赤外線、可視光線、紫外線のような光線でもよいし、マイクロ波等の電波でもよいし、X線やガンマ線のような電離放射線でもよい。粒子線としてはアルファ線、ベータ線、電子線、中性子線、陽子線、重イオン線、中間子線を挙げることができる。検出する放射線の透過特性や吸収特性に応じて放射線検出器の構造、例えば放射線を電気信号に変換する半導体層の厚さ等は適宜設定すればよい。尚、放射線が空気と衝突して散乱することを防ぐため、以下に示す実施形態の放射線検出器は、真空中や減圧環境の中で動作させてもよい。
[実施形態1]
(放射線検出器の構成)
本実施形態に係る放射線検出器500について、図1(a)に放射線が入射する方向から見た平面図を示し、図1(b)に図1(a)のC-C線に沿って切断した断面図を示す。放射線検出器500は、検出基板100、回路基板200、接続部材300を備えている。
検出基板100は、受光部としての検出領域PAと、検出領域PAの外側に設けられた周辺領域PBとを有する。検出基板100は、基材である半導体層110、検出素子120、絶縁層130、配線層140、封止層150、樹脂層170を備えているが、これら以外の層や機能要素をさらに備えていてもよい。図1(a)において、周辺領域PBは検出領域PAを囲む枠形状を示しているが、検出領域PAを除いた領域としての周辺領域PBの形状は、必ずしも枠形状でなくてもよい。
検出基板100において、放射線が入射する側の主面を第一主面FS、その反対側の主面を第二主面BSとする。なお、以下の説明では、検出基板100の主面に垂直な方向(Z方向)から放射線検出器500を透視した場合を、便宜的に平面視した時とも称する。
回路基板200は、以下に述べる機能を実現する電気回路が実装された基板である。回路基板200は、検出基板100に設けられている放射線検出センサに制御信号や電源を供給する、検出基板100から出力される信号を処理する、信号を記憶する、外部のコンピュータやネットワークに伝送する、等の機能を実現可能に構成されている。回路基板200の基材には、例えば、ガラスエポキシ樹脂、紙エポキシ樹脂、ガラスポリイミド樹脂、セラミックなどが用いられる。
回路基板200には開口Hが設けられているが、平面視した時に検出基板100の検出領域PAが回路基板200の開口Hの中に位置するように、検出基板100は回路基板200の上に搭載されている。開口Hが設けられているのは、検出領域PAに照射された放射線が検出基板100を透過した際に、透過した放射線が回路基板200で反射や散乱されて検出基板100の検出領域PAに戻らないようにするためである。
接続部材300は、回路基板200と検出基板100とを電気的に接続するための部材である。具体的には、回路基板200に設けられた端子210と、検出基板100に設けられた端子160とを、例えば金や銀などのワイヤーを用いたワイヤーボンディングにより接続し、各種制御信号、検出された出力信号、電源、等を伝達できるようにする。
検出基板100について、更に詳しく説明する。検出基板100の基材である半導体層110は、シリコンやゲルマニウムなどの単結晶層、あるいは多結晶層より成る。検出基板100の検出領域PAにおいて、第一主面FS側には、半導体層110の内部または上部に検出素子120、絶縁層130、配線層140、封止層150が配される。検出基板100の周辺領域PBには、端子160やアライメントマーク(不図示)、周辺回路(不図示)などが配される。封止層150は、検出素子120や配線層140が、水分や酸素により劣化するのを抑制するために設けられる無機絶縁膜であり、具体的には酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭化シリコン、酸化アルミニウムなどを用いることができる。封止層150の膜厚は、水分や酸素を抑制する観点から200nm以上が好ましく、検出素子への放射線の透過性を考慮すると1000nm未満が好ましい。
放射線の受光部としての検出領域PAは、放射線の入射によって発生する電子を出力信号に変換する機構が設けられた領域であり、放射線に基づく画像を形成するため行列状に配列された複数の検出素子120、読出回路、配線層140を備えている。受光部は、放射線が入射する領域ともいえ、検出部ともいえる。複数の画素の各々は、CMOSイメージセンサやCCDと同様に、フォトダイオードを含むことができる。フォトダイオードとして、CdTe(テルル化カドミウム)やCdZnTe(テルル化カドミウム亜鉛)などの化合物半導体を用いてもよい。また、フォトンカウンティング原理を使用してもよく、SPAD(single photon avaranche diode)などのデバイスを用いてもよい。
検出領域PAには、CMOSイメージセンサやCCDと同様に、フォトダイオードにおいて蓄積された電子を、転送トランジスタを介して浮遊拡散層に転送し、ソースフォロアを介して電位を読み出す方式の回路を設けることができる。転送トランジスタを用いずに、蓄積部の電位を直接ソースフォロアのゲート電位とする方式の回路を設けてもよい。
周辺領域PBには、駆動回路、制御回路、信号処理回路、出力回路などの周辺回路や、外部電源等と接続するための端子160が設けられている。駆動回路は、検出領域PAの各画素の読出回路を走査して駆動する回路である。制御回路は、駆動回路や信号処理回路等の駆動タイミングを制御する回路であり、タイミングジェネレータ等を含む。信号処理回路は、検出領域PAの読出回路から読み出された信号を処理するものであり、増幅回路やAD変換回路を含む。出力回路は、信号処理回路で得られた信号を所定の形式に変換して出力するものであり、差動伝送回路を含む。
半導体層110は、図1(b)に示すように均一な厚みの基板であってもよいが、クロストークや二次電子の発生を抑制するために、検出領域PAの厚みが周辺領域PBの厚みよりも小さくなるように構成してもよい。その場合には、検出領域PAの部分の厚さが薄くなるように単一の基板を加工してもよいし、厚さが薄い基板の周辺領域に別基板を接着して周辺領域PBの半導体層の厚みが大きくなるように構成してもよい。複数の基板を公知の手法で接合したのち、検出領域PAに相当する部分の薄化処理を行ってもよい。例えば、CdTeやCdZnTeをフォトダイオードとして用いる場合、信号読出回路部は別途作成したCMOS等で構成し、フォトダイオードと回路部をハンダ等で接合して検出基板100を作成してもよい。
検出領域PAにおける半導体層110の厚みは、半導体層内部でのクロストークの抑制を考慮すれば100μm以下が好ましく、一方で、検出基板100の機械的強度の向上の観点から考慮すると10μm以上が好ましい。より望ましくは、半導体層110の厚さは、25μm以上で75μm以下が良い。
本実施形態では、検出基板100の第二主面BS側には、樹脂層170が設けられている。前述したように、回路基板200には検出領域PAに対応する位置には開口Hが設けられているが、樹脂層170のうち検出領域PAに配置された部分は、開口Hにより画成された空間に面している。また、樹脂層170のうち周辺領域PBに配置された部分は、回路基板200と当接している。
検出基板100を透過した放射線が回路基板200に照射されないようにするため、放射線検出器500を平面視した時に、回路基板200の開口端HEは、検出領域PAと周辺領域PBの境界か、それよりも外側(周辺領域PB側)に配置される。また、回路基板200の開口端HE(開口の縁)は、端子160の端部160Eよりも、内側(検出領域PA側)に設けられるのが好ましい。言い換えれば、回路基板200の開口の縁(開口端HE)は、端子160の検出領域に近い側の端部(端部160E)よりも、検出領域との距離が小さいのが望ましい。放射線検出器500を平面視した時に、端子160と回路基板200が平面視で重なる構成にすることで、接続部材300を端子160に接続する際に外力がかかっても、検出基板100が破損され難くなる。
樹脂層170は、例えばアクリル樹脂やエポキシ樹脂などの樹脂であり、ある程度の厚さであれば、吸収、散乱、反射を過度に生じることなく放射線を透過させることができる。検出基板100の第二主面BSが平坦になるように、樹脂層170の下面は平坦に形成される。樹脂層170としては、熱硬化樹脂、UV硬化樹脂、2液硬化型樹脂など、任意の樹脂材料を用いることができる。ただし、樹脂層内部における熱応力の発生を抑制し、検出基板100が過度に反らないようにするために、UV硬化樹脂や2液硬化樹脂が好適に用いられる。
機械的強度が小さい薄化された半導体層110には、薄化加工時のバックグラインドやCMP(化学機械研磨)によって生じた微小な研磨キズが第二主面BS側に残っており、これを完全に除去することは困難である。放射線検出器500の組立時や搬送時に検出基板100に外力が掛ると、微小なキズをきっかけにして検出基板100が破損する恐れがある。
本実施形態によれば、検出基板100の少なくとも検出領域の主面に樹脂層170を設けることで検出基板100の機械的強度を向上し、外力による破損を抑制する効果がある。また、樹脂層170により、検出基板100にかかる外力を吸収し分散することができ、半導体層110にかかる外力が低減され、外力による検出基板100の破損を抑制する効果がある。
樹脂層170は、典型的には、第二主面BSに設けられるが、検出基板の機械的強度を向上させる観点で言えば、図2に示すように第一主面FS側に設けても良い。第一主面FS側に樹脂層170を設ける場合は、端子160と接続部材300とを接続するための開口を除く領域に樹脂層170を配することができる。
樹脂層170を第一主面FS、第二主面BSのいずれの側に設ける場合であっても、検出精度の低下を防ぐために、検出領域PAに設けられる部分には、放射線の透過を阻害する金属粒子や無機粒子が必要以上に含有されていない樹脂材料が用いられる。尚、樹脂層170のうち周辺領域PBに設けられる部分については、金属粒子や無機粒子を含有しても構わない。
検出基板100に放射線が入射することで発生する熱を効率的に逃がすために、樹脂層170には熱伝導性の良い材料を使用することが好ましい。例えば、バインダ樹脂に金属粒子を分散させた樹脂材料を用いることで熱伝導性を向上することができる。ただし、金属粒子を含有させることで放射線の透過が阻害されクロストークが悪化する恐れがあるので、金属粒子を含有させる場合は、検出領域PAに配置される樹脂層の厚さは5μm以下が好ましい。あるいは周辺領域PBには金属粒子を含有した樹脂層を設け、検出領域PAには金属粒子を含有しないバインダ樹脂のみの樹脂層を設ける構成としてもよい。
樹脂層170の厚みは、半導体層110の第二主面BS側の研磨キズを被覆して平滑化する点を考慮すれば1μm以上あればよく、外力の吸収や分散まで考慮すれば3μm以上が好ましい。一方で、樹脂層170が厚くなりすぎると、検出領域PAにおける放射線の透過を阻害し易くなり、また、樹脂層の内部応力が大きくなり検出基板100の反りが大きくなりすぎる場合がある。そこで、検出領域PAにおける樹脂層170の厚さは、検出領域PAにおける半導体層110の厚さよりも小さくするのがよい。より好ましくは、検出領域PAにおける樹脂層170の厚さが、検出領域PAにおける半導体層110の厚さの半分以下になるように検出基板100を構成すると良い。例えば検出領域PAにおける半導体層110の厚さが40μmの場合、検出領域PAにおける樹脂層170の厚さは40μm未満が好ましく、そのようにすれば樹脂層170により放射線の透過が阻害されて支障が生じることはほとんどない。
図1(b)では、樹脂層170の厚さを全面均一にする例を示したが、例えば図3に示すように、検出領域PAと周辺領域PBとで樹脂層170の厚さを変えてもよい。具体的には、検出領域PAの樹脂層の厚さを周辺領域PBの樹脂層の厚さに比べて小さくするのが良く、検出領域PAにおける樹脂層170の厚さは、周辺領域PBにおける樹脂層170の厚さの半分以下にするのが好ましい。例えば、樹脂層170の周辺領域PBの厚さを30μmとし、検出領域PAにおける厚さを5μmとする。樹脂層170の上にフォトレジストを形成し、検出領域PAのみ樹脂層をアッシングなどの手法で薄くすることができる。こうすることで、検出基板100の周辺領域PBの機械的強度を大幅に向上しながら、検出領域PAにおける機械的強度と放射線の透過性を向上させることができる。
また、端子160に接続部材300を接続するときに、外力の印加により樹脂層170が過度に変形すると、薄化された半導体層110に過度の力がかかり損傷する可能性がある。これを抑制する観点から、樹脂層170の弾性率は100MPa以上とするのが好ましい。より好ましくは、樹脂層170の弾性率を300MPa以上にするのがよい。
樹脂層170を形成する際は、複数の検出基板(樹脂層170を除く部分)が形成されている半導体ウェハ(半導体基板)の全面に樹脂層170を形成し、その後でダイシング工程により個別の検出基板100を切り分けてもよい。あるいは、樹脂層170が未形成のウェハから個別の検出基板を切り分けてから、各検出基板に樹脂層170を形成してもよい。切り分ける前の半導体ウェハ、あるいは切り分けた後の個片を半導体基板と呼ぶとすれば、第一主面FSの検出領域PAに放射線の検出素子120が設けられ、第一主面FSの周辺領域PBに端子160が設けられた半導体基板を準備する。そして、第一主面FSと直交する方向から透視して、少なくとも検出領域PAと重なる位置に、検出領域PAにおける半導体基板の厚さよりも小さい厚さの樹脂層170を、第一主面FSと第二主面BSの少なくとも一方に形成する。
例えば、複数の検出基板(樹脂層170を除く部分)が形成されたウェハの第二主面BSに、例えばスピンコート法でUV硬化樹脂や熱硬化性樹脂を均一に塗布し、UVや熱により硬化して樹脂層170を形成することができる。あるいは、樹脂層170が未形成の半導体ウェハからダイシングにより検出基板を切り分け、各検出基板の第二主面BSに例えばスプレーコート法によりUV硬化樹脂や熱硬化性樹脂を塗布し、UVや熱により硬化して樹脂層170を形成することができる。
ウェハ上に配列して形成された検出基板を個別に切り出すためのダイシング工程においては、高速に回転する円盤状の切削工具を物理的に接触させて加工する。このため、半導体層110の第一主面FS側や第二主面BS側のエッジ部には、チッピングやクラックが発生し得る。仮に樹脂層170が設けられていないとすれば、放射線検出器500を組み立てる工程や搬送時において外力がかかると、チッピングやクラックを起点として傷が成長し、検出基板100が破損に至る可能性がある。その点、本実施形態によれば、検出基板100の主面に樹脂層170が設けられているため、検出基板100に対して外力がかかっても分散されて局所に集中しないため、検出基板100が破損するのを抑制することができる。
また、検出基板100の第二主面BSを回路基板200に搭載して放射線検出器500を組み立てる際には、例えば検出基板100と回路基板200との間に硬い異物が介在する場合があり得る。仮に樹脂層170が設けられていないとすれば、異物と接触する箇所に力が集中し、薄化した半導体層110が破損する可能性がある。その点、本実施形態によれば、検出基板100の主面に樹脂層170が設けられているため外力が吸収、分散され、検出基板100が破損するのを抑制することができる。
(放射線検出器の製造方法)
実施形態に係る放射線検出器500を製造する方法について、例を挙げて説明する。ここでは、樹脂層170としてDAF(ダイアタッチフィルム)を用いる場合について説明する。
まず、半導体ウェハを準備し、検出基板の第一主面FSとなる側に検出素子120を形成する。検出素子120の上に絶縁層130を形成し、絶縁層130の内部には配線層140が設けられる。また、検出基板の周辺領域PBとなるべき位置には、周辺回路や端子160が設けられる。端子160は、配線層140と同じ層として形成され得る。次いで、配線層140や検出素子120を水分などから保護するための封止層150を設ける。こうして、半導体ウェハには、複数の検出基板(樹脂層170を除く部分)が形成される。
複数の検出基板(樹脂層170を除く部分)が形成されたウェハの上に、ガラスなどの支持基板(不図示)を仮貼りした上で、ウェハの第二主面BS側をバックグラインドにより所望の厚さ(例えば40μm)になるまで薄化する。薄化が完了したら、支持基板が貼り合わされたウェハを、DAFが表面に設けられたダイシングテープに貼り付ける。そして、ウェハをダイシングすることにより、各々の検出基板となるべき部分が個片化される。
個片化された部分をピックアップすることで、ダイシングテープ上に設けられているDAFが、第二主面BSとなるべき面に転写され、樹脂層170を備えた検出基板100が形成される。
検出基板100を回路基板200に位置合わせして搭載し、第二主面BSの周辺領域PBを回路基板200に当接させて熱をかける。これにより、DAFからなる樹脂層170が硬化し、検出基板100と回路基板200を接着することができる。また、回路基板200と当接していない部分のDAFも硬化し、検出領域PAの第二主面BS側には表面が平滑な樹脂層170が形成される。
最後に、接続部材300として金や銀などのワイヤーを用いて、端子160と回路基板200の端子210をワイヤーボンディングにより接続することで放射線検出器500が完成する。
本実施形態によれば、検出基板100の主面に樹脂層170を設けることにより検出基板100の機械的強度が向上するため、放射線検出器500の組立工程や搬送時に外力がかかっても、検出基板100が損傷するのを抑制することができる。その結果、検出基板を実装する際の歩留まりや信頼性が向上する。
[実施形態2]
実施形態2に係る放射線検出器510について説明する。実施形態1と共通する要素については、図面では同一の参照符号を付して示す。また、説明内容が共通する事項については、説明を簡略化したり省略したりする場合がある。
本実施形態に係る放射線検出器510について、図4(a)に放射線が入射する方向から見た平面図を示し、図4(b)に図4(a)のC-C線に沿って切断した断面図を示す。放射線検出器510は、検出基板100、回路基板200、接続部材300を備えている点では実施形態1と共通するが、検出基板100と回路基板200との間に接着層400が設けられる点が異なる。
樹脂層170は、典型的には図4(b)に示すように第二主面BSに設けられるが、検出基板の機械的強度を向上させる観点で言えば、第一主面FS側に設けても良い。第一主面FS側に樹脂層170を設ける場合は、端子160と接続部材300とを接続するための開口を除く領域に樹脂層170を配する。
図4(a)に示すように、平面視では接着層400は検出基板100の外側の領域にはみ出しており、図4(b)に示すように検出基板100の側面の一部は接着層400によって覆われている。つまり、接着層400の外端400Eは検出基板100の外側面100Eよりも外側に突出しており、突出部400Xにおける接着層400の上面400Tの縁が検出基板100の外側面100Eと当接している。
前述したように、薄化されたウェハをダイシングすることで、半導体層110の端部にはチッピングやクラックが形成されており、機械的に脆く損傷しやすい。仮に樹脂層170が設けられていないとすれば、放射線検出器510を組み立てる工程や搬送時において外力がかかると、チッピングやクラックを起点として傷が成長し、検出基板100が破損に至る可能性がある。その点、本実施形態によれば、検出基板100の主面に樹脂層170が設けられているため、検出基板100に対して外力がかかっても分散されて局所に集中しないため、検出基板100が破損するのを抑制することができる。
さらに、本実施形態では、検出基板100の端面(側面)の少なくとも一部を接着層400で被覆していることにより機械的強度を向上することができる。もちろん、検出基板100の端面(側面)の全てを接着層400で被覆しても構わない。
接着層400の内端400Iは、検出領域PAと周辺領域PBの境界よりも外側(周辺領域PB側)に配置されるのが好ましい。特に、検出基板100に熱を蓄積させないため、接着層400に金属粒子や無機粒子を含有させて熱伝導性を向上させる場合には、検出領域PAを透過した放射線が接着層400で散乱や反射されるとノイズを発生させる原因となる。そこで、平面視した時に検出領域PAと重ならない位置に接着層400を配置するのが好ましいのである。
また、接着層400の内端400Iは、端子160の内側の端部160Eよりも内側(検出領域PA側)に設けられるのが好ましい。言い換えれば、接着層400の検出領域PAに近い側の端部(内端400I)は、端子160の検出領域PAに近い側の端部(端部160E)よりも、検出領域PAとの距離が小さい。平面視した時に端子160と重なる位置に接着層400を配置することで、周辺領域PBにおける検出基板100の第二主面BSと回路基板200の間の空隙を無くすことができる。これにより、端子160に接続部材300を接続する際に外力がかかっても、薄化された検出基板100(半導体層110)が損傷するのを抑制することができる。
接着層400としては、熱硬化樹脂やUV硬化樹脂、2液硬化型樹脂など、任意の樹脂材料を用いることができるが、接着層400は検出基板100と回路基板200の間に配されることからUVを照射することが難しい。そのため、接着層400としては熱硬化樹脂が好適に用いられる。前述したように、検出基板100に放射線が入射することで発生する熱を効率的に逃がすために、接着層400には熱伝導性の良い材料を使用することが好ましい。例えば、バインダ樹脂に金属粒子を分散させた樹脂材料を用いることで、接着層400の熱伝導性を向上することができる。熱伝導性の観点から、検出基板100と回路基板200との間に配置された接着層400の厚さは、50μm以下とするのが好ましい。
また、検出基板100の第二主面BSを回路基板200に搭載して放射線検出器510を組み立てる際には、例えば検出基板100と回路基板200との間に硬い異物が介在する場合があり得る。仮に樹脂層170が設けられていないとすれば、異物と接触する箇所に力が集中し、薄化した半導体層110が破損する可能性がある。その点、本実施形態によれば、検出基板100の主面に樹脂層170が設けられているため外力が吸収、分散され、検出基板100が破損するのを抑制することができる。
さらに、本実施形態では、接着層400として、DAF(ダイアタッチフィルム)などのように硬化する前は可塑性を有する樹脂を用いて放射線検出器510を組み立てることができる。その場合には、接着層400が可塑性を有する状態で検出基板100と回路基板200を位置合わせしてから接着層400を固化させる。もし、検出基板100と回路基板200との間に異物が挟み込まれたとしても、接着層400が異物を包み込むように変形してから接着層400を固化させることができる。その結果、検出基板100に掛かる外力が異物が存する箇所に集中せずに分散される構造が形成されるため、検出基板100が外力により破損するのを抑制することができる。
また、端子160に接続部材300を接続するときに、外力により接着層400が過度に変形すると、薄化された半導体層110に過度の力がかかり損傷する可能性がある。これを抑制する観点から、接着層400の弾性率を100MPa以上とするのが好ましい。より好ましくは、接着層400の弾性率を300MPa以上にするのがよい。
検出基板100が回路基板200上に傾いて取り付けられると、検出基板100を照射する放射線の入射角度が傾くことで反射や屈折が生じ、検出精度が低下する可能性がある。そこで、検出基板100と回路基板200との間の接着層の厚さが均一になるように、接着層400を構成する樹脂の中に所望の粒子径を有するスペーサーを分散させるのが好ましい。スペーサーを用いれば、接着層400の厚みが接着面内で均一な所定の厚さになるように制御できるため、回路基板200と検出基板100の距離が規定され、回路基板200に対して主面が平行になるように検出基板100を固定することができる。すなわち、検出領域PAに所定の角度で放射線が入射するように検出基板100を固定することができる。
接着層400は、例えばディスペンサーやスクリーン印刷等の塗布技術を用いて回路基板200上に形成することができる。接着層400は、外端400Eが検出基板100の外側面100Eよりも外側に突出するように予め形成される。接着層400が塗布された回路基板200に対して検出基板100をアライメントし、検出基板100を回路基板200の上に搭載する。その後、検出基板100側から荷重を印加することで接着層400の内部に検出基板100が沈み込み、突出部400Xにおける接着層400の上面400Tの縁が検出基板100の外側面100Eと当接する。その状態の位置姿勢を保持したまま、接着剤の種類に応じた硬化方法を用いて接着層400が硬化される。その後、回路基板200の端子210と、検出基板100の端子160とを、接続部材300により電気的に接続することで、本実施形態の放射線検出器510が完成する。
本実施形態においても、検出基板100の主面に樹脂層170を設けることにより検出基板100の機械的強度が向上するため、放射線検出器510の組立工程や搬送時に外力がかかっても、検出基板100が損傷するのを抑制することができる。
さらに、接着層400が検出基板100の端面の少なくとも一部を覆うことで、外力がかかった際の検出基板100の端面の損傷が、実施形態1よりも抑制され得る。また、端子160に接続部材300を接続する際に生じる検出基板100の損傷も、抑制することができる。その結果、検出基板の歩留まりや信頼性がさらに向上する。
[実施形態3]
実施形態3に係る放射線検出器520について、図5(a)および図5(b)を参照して説明する。実施形態1あるいは実施形態2と共通する要素については、図面では同一の参照符号を付して示す。また、説明内容が共通する事項については、説明を簡略化したり省略したりする場合がある。
本実施形態に係る放射線検出器520について、図5(a)に放射線が入射する方向から見た平面図を示し、図5(b)に図5(a)のC-C線に沿って切断した断面図を示す。放射線検出器520は、検出基板100、回路基板200、接続部材300、接着層400を備えている点では実施形態2と共通するが、樹脂層が検出基板100の両方の主面に設けられている点が異なる。図5(b)に示すように、検出基板100の第一主面FSの検出領域PAには第一樹脂層171が配され、第二主面BSの検出領域PAには第二樹脂層172が配されている。
第一樹脂層171と第二樹脂層172の材料や厚みの範囲に関しては、実施形態1における樹脂層170と同様である。第一主面FSあるいは第二主面BSの一方だけに樹脂層を設けた場合には、検出基板100に放射線が入射して検出基板100の温度が上昇すると、半導体層110と樹脂層170の線膨張係数の差により検出基板100に反りが発生し得る。本実施形態において、反りによる検出基板100の破損を低減させることを考慮すれば、第一樹脂層171と第二樹脂層172は略同等の厚み、且つ略同等の面積とし、平面視した時に略重なるように配置することが好ましい。さらに望ましくは、第一樹脂層171と第二樹脂層172は同等の厚み、且つ同等の面積とし、平面視した時に互いに重なるように配置するとよい。
接着層400の材料や厚みの範囲に関しては、第二実施形態における接着層400と同様である。ただし、本実施形態では、図5(b)に示すように、接着層400が第二樹脂層172と干渉しないように、第二樹脂層172から離間させて接着層400を配置する。
本実施形態においても、例えば金属粒子を含有した樹脂など、熱伝導性のよい材料を接着層400として用い得る。半導体層110と接着層400との間に、熱伝導性が小さい第二樹脂層172(例えば金属粒子を含有しない樹脂層)が配されると、接着層400を介して熱を有効に回路基板200に逃がすことができず、検出基板100の冷却能が低下する。本実施形態では、第二主面BSにおいて、周辺領域PBには第二樹脂層172を設けず、半導体層110と接着層400が当接する構成としている。これにより、放射線が入射することにより検出基板100で発生する熱を、回路基板200側に効率的に伝導させることが可能となる。
なお、図5(a)、図5(b)に示す例では、接着層400が検出基板100よりも外側に突出してはいないが、実施形態2のように接着層400を検出基板100よりも外側に突出させ、検出基板100の端部側面の少なくとも一部を覆う形態にしてもよい。
回路基板200の上に接着層400を形成する方法や、検出基板100を回路基板200に接着する方法や、接続部材で端子間を電気的に接続する方法については、実施形態2と同様にして実施することができる。以上により、本実施形態の放射線検出器520が完成する。
本実施形態においても、検出基板100の主面に樹脂層を設けることにより検出基板100の機械的強度が向上するため、放射線検出器520の組立工程や搬送時に外力がかかっても、検出基板100が損傷するのを抑制することができる。
さらに、本実施形態では、半導体層110の厚さが小さな検出領域PAにおいて、検出基板100の両方の主面に樹脂層を設けることにより、機械的強度を有効に高めることができる。両方の主面に樹脂層を設けているため、放射線が入射して発熱した時に、半導体層110と樹脂層の線膨張係数の差により検出基板100に反りが発生しようとするのを抑制することができる。このため、実施形態1、実施形態2に比べて、発熱に起因した反りによる検出精度の低下や検出基板100の破壊を防止することができる。
また、周辺領域PBに第二樹脂層172を設けず、半導体層110と接着層400とを当接させることにより、検出基板100の熱を効率的に接着層を介して回路基板200に排出することができる。以上のように、本実施形態によれば、検出基板の歩留まりや信頼性を向上させることができる。
[実施形態4]
実施形態4として、上述の実施形態1~実施形態3のいずれかに係る放射線検出器を備える放射線撮像装置801、および当該放射線撮像装置を用いた放射線撮像システム800について、図6を参照して説明する。図6に示す放射線検出器APRは、実施形態1に係る放射線検出器500、実施形態2に係る放射線検出器510、実施形態3に係る放射線検出器520のいずれかである。
放射線撮像システム800は、放射線で形成される光学像を電気的に撮像し、電気的な放射線画像(すなわち、放射線画像データ)を得るように構成される。放射線撮像システム800は、例えば、放射線撮像装置801、曝射制御部802、放射線源803、コンピュータ804を備える。放射線撮像システム800は、表示装置(不図示)に撮像した放射線画像を表示したり、通信装置(不図示)を介して放射線画像データを外部に送信することができる。放射線撮像システム800は、例えば医療画像診断や非破壊検査などの分野で好適に用いられ得る。
放射線を照射するための放射線源803は、曝射制御部802からの曝射指令に従って放射線の照射を開始する。放射線源803から放射された放射線は、不図示の被検体を通って放射線撮像装置801に照射される。放射線源803は、曝射制御部802からの停止指令に従って放射線の放射を停止する。
放射線撮像装置801は、放射線検出器APRと、放射線検出器APRを制御するための制御部805と、放射線検出器APRから出力される信号を処理するための信号処理部806と、を含む。
信号処理部806は、例えば、放射線検出器APRから出力される信号がアナログ信号の場合にはこれをA/D変換し、コンピュータ804に放射線画像データとして出力することができる。また、信号処理部806は、例えば、放射線検出器APRから出力される信号に基づいて、放射線源803からの放射線の照射を停止させるための停止信号を生成してもよい。停止信号は、コンピュータ804を介して曝射制御部802に供給され、曝射制御部802は、停止信号に応答して放射線源803に対して停止指令を送る。
制御部805は、例えば、FPGA(Field Programmable Gate Array)などのPLD(Programmable Logic Device)によって構成されうる。あるいは、制御部805は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、または、プログラムが組み込まれた汎用コンピュータによっても構成されうる。さらには、前述した全部または1部の組み合わせによっても構成されうる。
また、信号処理部806は、制御部805の中に配されるか、または制御部805の一部の機能であるように図示されているが、これに限られるものではない。制御部805と信号処理部806とは、それぞれ別に構成されてもよい。さらに、信号処理部806は、放射線撮像装置801とは別に配されていてもよい。例えば、コンピュータ804が、信号処理部806の機能を有していてもよい。このため、信号処理部806は、放射線撮像装置801から出力される信号を処理する信号処理装置として、放射線撮像システム800に含まれうる。
コンピュータ804は、放射線撮像装置801および曝射制御部802の制御や、放射線撮像装置801から放射線画像データを受信し、放射線画像として表示するための処理を行いうる。また、コンピュータ804は、ユーザが放射線画像の撮像を行う条件を入力するための入力部として機能しうる。
シーケンスの一例として、曝射制御部802は、曝射スイッチを有し、ユーザによって曝射スイッチがオンされると、曝射指令を放射線源803に送るほか、放射線の放射の開始を示す開始通知をコンピュータ804に送る。開始通知を受けたコンピュータ804は、開始通知に応答して、放射線の照射の開始を放射線撮像装置801の制御部805に通知する。これに応じて、制御部805は、放射線検出器APRにおいて、入射する放射線に応じた信号を生成させる。
本実施形態の放射線撮像装置、および当該放射線撮像装置を用いた放射線撮像システムは、放射線検出器APRを用いて放射線を検出する。放射線検出器APRは、検出基板の主面に樹脂層が設けられているため機械的強度が高く、放射線撮像装置、および当該放射線撮像装置を用いた放射線撮像システムの信頼性を高めることができる。
[他の実施形態]
上述の実施形態1~実施形態3のいずれかに係る放射線検出器が組み込まれた放射線撮像システムとして、透過型電子顕微鏡(TEM)システムを構成してもよい。この場合、放射線検出器の検出基板の主面に樹脂層が設けられているため、放射線検出器の機械的強度が高い。このため、透過型電子顕微鏡(TEM)システムの信頼性を高めることができる。
また、透過型電子顕微鏡(TEM)だけでなく、例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)、走査透過電子顕微鏡(STEM)であってもよい。さらには、例えばイオンビームミリングまたはイオンビーム誘起蒸着(IBID)のような加工機能を備えた電子顕微鏡や、FIB-SEMのように集束イオンビーム(FIB)を備えたデュアルビーム電子顕微鏡であってもよい。
なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。例えば、上述した異なる実施形態の全部または一部を組み合わせて実施しても差し支えない。
本明細書は、少なくとも以下の事項を開示している。
[事項1]
半導体層と樹脂層とを含む検出基板と、回路基板と、を備え、
前記検出基板は、前記半導体層に放射線の検出素子が設けられた検出領域と、前記検出領域の外側に設けられた周辺領域と、を有し、
前記検出基板の前記周辺領域の少なくとも一部において、前記放射線が入射する前記検出基板の第一主面とは反対側の第二主面を前記回路基板が支持し、
前記検出基板の少なくとも前記第一主面と前記第二主面の一方には、少なくとも前記検出領域に前記樹脂層が設けられており、
前記検出領域における前記樹脂層の厚さは、前記検出領域における前記半導体層の厚さよりも小さい、
ことを特徴とする放射線検出器。
[事項2]
前記検出領域における前記半導体層の厚さは、10μm以上、かつ100μm以下である、
ことを特徴とする事項1に記載の放射線検出器。
[事項3]
前記検出領域における前記樹脂層の厚さは、1μm以上、かつ前記検出領域における前記半導体層の厚さの半分以下である、
ことを特徴とする事項1または2に記載の放射線検出器。
[事項4]
前記樹脂層は、前記検出領域と前記周辺領域の両方に設けられており、前記検出領域における前記樹脂層の厚さは、前記周辺領域における前記樹脂層の厚さよりも小さい、
ことを特徴とする事項1乃至3のいずれか1項に記載の放射線検出器。
[事項5]
前記樹脂層は、前記検出領域において、前記検出基板の前記第一主面と前記第二主面の両方に設けられている、
ことを特徴とする事項1乃至4のいずれか1項に記載の放射線検出器。
[事項6]
前記樹脂層の弾性率は100MPa以上である、
ことを特徴とする事項1乃至5のいずれか1項に記載の放射線検出器。
[事項7]
前記検出基板は、前記周辺領域において接着層を介して前記回路基板に固定されている、
ことを特徴とする事項1乃至6のいずれか1項に記載の放射線検出器。
[事項8]
前記接着層は、前記検出基板の側面の少なくとも一部を覆っている、
ことを特徴とする事項7に記載の放射線検出器。
[事項9]
前記接着層は、金属粒子が分散された樹脂材料を含む、
ことを特徴とする事項7または8に記載の放射線検出器。
[事項10]
前記接着層は、前記検出基板と前記回路基板の距離を規定するスペーサーを含有している、
ことを特徴とする事項7乃至9のいずれか1項に記載の放射線検出器。
[事項11]
前記接着層の弾性率は100MPa以上である、
ことを特徴とする事項7乃至10のいずれか1項に記載の放射線検出器。
[事項12]
前記接着層は、前記樹脂層と離間して設けられている、
ことを特徴とする事項7乃至11のいずれか1項に記載の放射線検出器。
[事項13]
前記半導体層の前記周辺領域には信号処理回路と端子が設けられ、
前記端子は接続部材を介して前記回路基板と電気的に接続されている、
ことを特徴とする事項1乃至12のいずれか1項に記載の放射線検出器。
[事項14]
前記検出基板は、前記周辺領域において接着層を介して前記回路基板に固定されており、
前記第一主面に垂直な方向から前記放射線検出器を透視すると、
前記接着層の前記検出領域に近い側の端部は、前記端子の前記検出領域に近い側の端部よりも、前記検出領域との距離が小さい、
ことを特徴とする事項13に記載の放射線検出器。
[事項15]
前記第一主面に垂直な方向から前記放射線検出器を透視すると、
前記端子と前記回路基板が重なっている、
ことを特徴とする事項13または14に記載の放射線検出器。
[事項16]
前記第一主面に垂直な方向から前記放射線検出器を透視すると、
前記回路基板には、前記検出領域に対応する位置に開口が設けられている、
ことを特徴とする事項1乃至15のいずれか1項に記載の放射線検出器。
[事項17]
前記半導体層の前記周辺領域には信号処理回路と端子が設けられ、
前記第一主面に垂直な方向から前記放射線検出器を透視すると、
前記開口の縁は、前記端子の前記検出領域に近い側の端部よりも、前記検出領域との距離が小さい、
ことを特徴とする事項16に記載の放射線検出器。
[事項18]
事項1乃至17のいずれか1項に記載の放射線検出器と、
前記放射線検出器が出力する信号を処理する信号処理部と、
を備えることを特徴とする放射線撮像システム。
[事項19]
事項1乃至17のいずれか1項に記載の放射線検出器と、
放射線源と、
を備えることを特徴とする放射線撮像システム。
[事項20]
第一主面の検出領域に放射線の検出素子が設けられ、前記第一主面の周辺領域に端子が設けられた半導体基板と、回路基板と、を準備し、
前記第一主面と直交する方向から透視して、少なくとも前記検出領域と重なる位置に、前記検出領域における前記半導体基板の厚さよりも小さい厚さの樹脂層を、前記第一主面と前記第一主面とは反対側の第二主面の少なくとも一方に形成し、
前記樹脂層が形成された前記半導体基板を、前記周辺領域において前記第二主面が支持されるように前記回路基板に固定し、
前記端子と前記回路基板とを接続部材で電気的に接続する、
ことを特徴とする放射線検出器の製造方法。
100・・・検出基板/110・・・半導体層/120・・・検出素子/130・・・絶縁層/140・・・配線層/150・・・封止層/160・・・端子/170・・・樹脂層/171・・・第一樹脂層/172・・・第二樹脂層/200・・・回路基板/210・・・端子/300・・・接続部材/500、510、520・・・放射線検出器/800・・・放射線撮像システム/801・・・放射線撮像装置/803・・・放射線源/1002・・・電子線源/APR・・・放射線検出器/BS・・・第二主面/FS・・・第一主面/PA・・・検出領域/PB・・・周辺領域

Claims (20)

  1. 半導体層と樹脂層とを含む検出基板と、回路基板と、を備え、
    前記検出基板は、前記半導体層に放射線の検出素子が設けられた検出領域と、前記検出領域の外側に設けられた周辺領域と、を有し、
    前記検出基板の前記周辺領域の少なくとも一部において、前記放射線が入射する前記検出基板の第一主面とは反対側の第二主面を前記回路基板が支持し、
    前記検出基板の少なくとも前記第一主面と前記第二主面の一方には、少なくとも前記検出領域に前記樹脂層が設けられており、
    前記検出領域における前記樹脂層の厚さは、前記検出領域における前記半導体層の厚さよりも小さい、
    ことを特徴とする放射線検出器。
  2. 前記検出領域における前記半導体層の厚さは、10μm以上、かつ100μm以下である、
    ことを特徴とする請求項1に記載の放射線検出器。
  3. 前記検出領域における前記樹脂層の厚さは、1μm以上、かつ前記検出領域における前記半導体層の厚さの半分以下である、
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の放射線検出器。
  4. 前記樹脂層は、前記検出領域と前記周辺領域の両方に設けられており、前記検出領域における前記樹脂層の厚さは、前記周辺領域における前記樹脂層の厚さよりも小さい、
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の放射線検出器。
  5. 前記樹脂層は、前記検出領域において、前記検出基板の前記第一主面と前記第二主面の両方に設けられている、
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の放射線検出器。
  6. 前記樹脂層の弾性率は100MPa以上である、
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の放射線検出器。
  7. 前記検出基板は、前記周辺領域において接着層を介して前記回路基板に固定されている、
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の放射線検出器。
  8. 前記接着層は、前記検出基板の側面の少なくとも一部を覆っている、
    ことを特徴とする請求項7に記載の放射線検出器。
  9. 前記接着層は、金属粒子が分散された樹脂材料を含む、
    ことを特徴とする請求項7に記載の放射線検出器。
  10. 前記接着層は、前記検出基板と前記回路基板の距離を規定するスペーサーを含有している、
    ことを特徴とする請求項7に記載の放射線検出器。
  11. 前記接着層の弾性率は100MPa以上である、
    ことを特徴とする請求項7に記載の放射線検出器。
  12. 前記接着層は、前記樹脂層と離間して設けられている、
    ことを特徴とする請求項7に記載の放射線検出器。
  13. 前記半導体層の前記周辺領域には信号処理回路と端子が設けられ、
    前記端子は接続部材を介して前記回路基板と電気的に接続されている、
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の放射線検出器。
  14. 前記検出基板は、前記周辺領域において接着層を介して前記回路基板に固定されており、
    前記第一主面に垂直な方向から前記放射線検出器を透視すると、
    前記接着層の前記検出領域に近い側の端部は、前記端子の前記検出領域に近い側の端部よりも、前記検出領域との距離が小さい、
    ことを特徴とする請求項13に記載の放射線検出器。
  15. 前記第一主面に垂直な方向から前記放射線検出器を透視すると、
    前記端子と前記回路基板が重なっている、
    ことを特徴とする請求項13に記載の放射線検出器。
  16. 前記第一主面に垂直な方向から前記放射線検出器を透視すると、
    前記回路基板には、前記検出領域に対応する位置に開口が設けられている、
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の放射線検出器。
  17. 前記半導体層の前記周辺領域には信号処理回路と端子が設けられ、
    前記第一主面に垂直な方向から前記放射線検出器を透視すると、
    前記開口の縁は、前記端子の前記検出領域に近い側の端部よりも、前記検出領域との距離が小さい、
    ことを特徴とする請求項16に記載の放射線検出器。
  18. 請求項1または2に記載の放射線検出器と、
    前記放射線検出器が出力する信号を処理する信号処理部と、
    を備えることを特徴とする放射線撮像システム。
  19. 請求項1または2に記載の放射線検出器と、
    放射線源と、
    を備えることを特徴とする放射線撮像システム。
  20. 第一主面の検出領域に放射線の検出素子が設けられ、前記第一主面の周辺領域に端子が設けられた半導体基板と、回路基板と、を準備し、
    前記第一主面と直交する方向から透視して、少なくとも前記検出領域と重なる位置に、前記検出領域における前記半導体基板の厚さよりも小さい厚さの樹脂層を、前記第一主面と前記第一主面とは反対側の第二主面の少なくとも一方に形成し、
    前記樹脂層が形成された前記半導体基板を、前記周辺領域において前記第二主面が支持されるように前記回路基板に固定し、
    前記端子と前記回路基板とを接続部材で電気的に接続する、
    ことを特徴とする放射線検出器の製造方法。
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