CN105144386B - 传感器芯片的制造方法和计算机断层探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器芯片，特别是用于计算机断层探测器的传感器芯片，其具有被电气连接到辐射检测元件(9)的模数转换器(10)。本发明所解决的问题是限定了尽可能成本高效和可靠的传感器芯片。根据本发明，该问题通过仅使用在其上施加传感器芯片的所有所需的部件(7、9、10)的一个单晶基板(1)而得以解决，其中在导体路径(14、15)之间或者基板的两侧(12、13)的触点之间的过孔触点(6)被用作适用以将两侧(12、13)的部件(7、9、10)连接到彼此。
Description
本发明涉及传感器芯片，特别是用于计算机断层探测器的传感器芯片，其具有被电气连接到辐射检测元件的模数转换器。进而，本发明涉及计算机断层探测器，这样的传感器芯片的制造方法，以及用于操作传感器芯片的方法。
传感器芯片通常被理解为是指传感器电路，其电气和电子部件被施加在半导体衬底上或被集成在其中。半导体衬底通常被指定为晶片或基板，其作为整体被制造有多个传感器电路以便于随后将这些传感器电路彼此分开并且在制造过程之后对它们进行布线。
这样的传感器芯片被用在计算机断层探测器(CT探测器)，其被用于医学成像。如果高分辨率(即每个表面的高数量的像素)得到保证，计算机断层允许更好的诊断。一个传感器芯片通常对应一个像素，由此实现期望的分辨率，其通常需要多个传感器芯片。在半导体衬底中的光刻集成已经有利于为了所需的该多个像素而降低成本。
此外，传感器芯片必须适于与附加的传感器芯片以预定义的二维方式布置，以便于精确地定义像素间距。每个维度需要两个相邻的传感器芯片的平坦布置。因此，横向地布置总共四个传感器芯片必须是可能的。特别是针对如对于大面积CT探测器而言常规的该四边形布置要求，基于半导体衬底的传感器也是非常合适的。
例如，DE102007022197A1公开了在X射线计算机断层中使用的用于X射线探测器的探测器元件。该探测器元件具有基于半导体衬底的若干部件(即检测元件)，具有电子电路的模块，以及被布置在前述两者之间并且具有两个功能的触点元件，该两个功能即在一方面确保传感器元件的机械稳定并且在另一方面将检测元件的信号输出触点的几何布置通过其导体路径适配到模块的信号输入触点的几何布置。
用于辐射探测器的探测器模块从DE102010011582B4中已知，其具有使得下游重新布线在关联的衬底上的光电转换器层的功能，由此，因为信号输出触点的新颖布置，外部读出电子器件的基于导线的连接变得更加容易。
现有方案的制造和材料成本非常高昂，特别是因为通常必须采用所谓的晶片键合方法或者仅仅接触成本就非常高。
本发明的任务在于针对前述特性以及正面性质(诸如质量或服务寿命)的传感器芯片改进制造过程并且减少材料成本。
根据本发明，该目的被具有权利要求1的特征的传感器芯片、具有权利要求9的特征的计算机断层探测器、具有权利要求10的特征的传感器芯片的制造方法以及具有权利要求11的特征的传感器的操作方法所实现。
根据本发明，一种特别是用于计算机断层扫描探测器的传感器芯片具有被电气连接到辐射检测元件的模数转换器以及晶体基板，其中辐射检测元件的部件以及模数转换器的部件被光刻地集成在晶体基板的一个探测器侧上。这是极为有利的，因为两个晶体基板不需要通过必要电路的光刻集成工艺以便于随后以同样昂贵方式的键合方法被联接到彼此。进而，根据本发明的传感器芯片确保电子电路的鲁棒性非常好，特别是在CT探测器中的多个传感器芯片的情况下帮助后者实现更稳定的操作以及更长的服务寿命。此外，获得了安装空间的同样有利的优化。
辐射检测元件可以是光电二极管或者光电二极管阵列，其各种掺杂的转换基于光刻掩膜通过一层接一层的半导体层沉积而被实现。在该过程中，辐射检测元件可以检测分析辐射，换言之，在断层的情况下该分析辐射也是已经经由活体的身体透射并且因此携载医学信息的辐射。辐射检测元件将该分析辐射转换为模拟电气信号，使得在其中包含的医学信息可以被电气地传递。
可替代地，间接检测可以被辐射检测元件实现，例如，来自闪烁元件的闪烁光将来自身体的分析辐射转换为不同的辐射，例如，可见光。闪烁光在传感器芯片的辐射检测元件中被检测到并且在该处被转换为模拟的电气信号。中间步骤因此是必要的，因为半导体探测器(如通常在传感器芯片中使用的)仅在电磁辐射的特定波长范围内是敏感的。如果例如为X射线断层之类的医学设备的辐射源的波长处于该范围以外，则必须追求间接检测。
模数转换器被设计为将辐射检测元件的模拟电气输出信号转换为数字信号。模数转换器的该电路被光刻地施加在晶体基板上并且使用多个不同的半导体层、导体路径和/或集成电路的其它部件。
晶体基板可以是单晶基板，换言之，所谓晶片的一段。可替代地，取决于本发明的实施例，也可以使用多晶基板。这样的基板的典型材料是硅、碳化硅、砷化镓或磷化铟，各自处于单晶或多晶态。如果待被检测的辐射透射穿过基板，还必须考虑相应材料的光谱透射特性以避免不必要的吸收。
光刻集成被理解为是指在晶体基板上的应用特定的集成电路的施加。出于该理由，传感器芯片还可以是所谓的专用集成电路(ASIC)，其被实现为标准化的集成电子电路。ASIC的功能不能被随后操纵，但制造成本比起非标准化集成电路而言被显著降低。
本发明的特定优点在于模数转换器和辐射检测元件的部件两者均被光刻地集成在晶体基板的第一侧即探测器侧上。因而，成本高昂的集成工艺必须在基板上仅被执行一次并且所有的电气和电子部件可以被同时且在空间上平行并且不连续地(迄今为止)产生。
有利地，模数转换器经由晶体基板的过孔触点被电气连接到在晶体基板的与探测器侧相反的第二侧上的电气连接元件。在基板的相反侧上的导体路径之间的这样的过孔触点可以通过蚀刻工艺而实现，该蚀刻工艺在未覆盖的区域相对于两侧的表面垂直地化学移除基板，直到一些100微米之后暴露出特别针对该目的设置的导体路径或者触点。绝缘之后跟着金属电镀，随着其既安置在暴露出的触点上或暴露出的导体路径上，又安置在通过蚀刻产生的凹部的内部横向表面上，也安置在基板开始蚀刻的侧的触点或导体路径上，金属电镀产生两侧的导体路径的导电连接。因而，前者再分配触点可以被减少到材料和所占空间的最低限度。
在有利的实施例中，过孔触点具有金属镀层，该金属镀层被提供以用于将数字信号从探测器侧通过晶体基板向晶体基板的第二侧传输。数字信号是被模数转换器转换的信号，其被传递到可以存储、显示和/或否则处理该信号的分析单元。通过比较，针对数字信号的过孔触点的设计并不像针对模拟信号的那样严格。其理由在于数字信号利用检测值0与1的阈值而操作，而利用模拟信号的电压或电流中的任何变化直接影响信号的信息内容。出于该理由，在数字信号的情况下，具有过孔触点则更少注意力需要放在泄漏电流或者不想要的电容。
过孔触点至少部分地由在晶体基板中的凹部形成，该凹部特别是蚀刻凹部。然而，该过孔触点可具有进一步特征。例如，凹部可以再次填充有介电，或者可替代的或附加的机械方法可以被用来产生诸如孔之类的凹部。
电气连接元件可以被施加在探测器侧上以及晶体基板的与探测器侧相反的侧上。其用作产生尽可能安全和简单的与诸如计算机之类的分析单元的触点。连接元件可以是焊球、印刷电路板触点、插座或插头，其被相应地集成到基板中或者可以导电地连接到基板。
在有利的实施例中，晶体基板对于能够由辐射检测元件检测到的辐射是可透过的，并且电气连接元件被施加在晶体基板的探测器侧。为了进一步最小化基板中的辐射损失，这些可以被变薄以便于减小基板的厚度。对于该实施例而言过孔触点不是必要的，特别是当所有的部件(模数转换器、辐射检测元件、连接元件)被布置在基板的探测器侧上并且仅有要被检测到的辐射被透射穿过基板时。因此，这是特别具有成本效益的实施例。
探测器侧通常被理解为辐射检测元件被体现的一侧。探测器侧可以既是面向要被记录的辐射的探测器的前面也是避免要被记录的辐射的探测器的反面。
辐射检测元件的部件、模数转换器的部件以及连接元件的部件是电气或电子部件，特别是导电的导体路径、未掺杂和/或掺杂的半导体层。处于该目的，从半导体技术已知的任何元件可以被采用，只要它们可以用于上述部件或附加的部件。
如果传感器芯片针对平坦布置设置有横向相邻的、特别是结构上相同的传感器芯片，CT探测器的构建是有利的。如果传感器芯片可以布置为使得附加的传感器芯片最佳地利用在四个侧上的空间，并且这些传感器芯片可以被布置在平坦平面上或者圆柱表面上(如CT探测器中通常习惯的)，则优点特别大。对于传感器芯片至关重要的是辐射检测元件应当与相邻的传感器芯片的每个辐射检测元件相距定义的距离，理想的是尽可能短。为了该目的，传感器芯片的尺寸和横向条件可以在四个方向上相应地调节。理想的形状因此显现为诸如长方体形之类的具有方形基底的棱。
具有多个传感器芯片的计算机断层探测器实现了高分辨率，即使每个传感器芯片仅向医学图像贡献一个像素。
一种传感器芯片的制造方法是有利的，其中
在第一步骤，将辐射检测元件的部件和模数转换器的部件光刻地集成在晶体基板的探测器侧，
-在第二步骤，使得探测器侧与辐射检测元件的部件以及模数转换器的部件绝缘，
-在第三步骤，体现用于探测器侧的导体路径与晶体基板的第二侧的导体路径的导电连接的过孔触点，以及
-在第四步骤，使晶体基板的第二侧绝缘。
最终，连接元件仍必须被施加在第二侧上，否则到分析范元或计算机的连接将不可能。
在制造中，重要的是探测器侧的绝缘以定义的方式通过过孔触点从基板移除，以便于能够使得过孔触点导电。在探测器侧上的部件与第二侧上的部件之间的导电接触已经通过基板实现之后，第二侧的最终绝缘可以发生。
相同地，本发明包括用于操作传感器芯片的方法，其中在传感器芯片的晶体基板的一个探测器侧上检测辐射并且检测到的辐射被转换为模拟信号并且模拟信号通过模数转换器被转换为数字信号。
数字信号从探测器侧通过基板的过孔触点向基板的第二侧传导的结果是，大量布线成本得以节省。针对CT探测器以及针对采用多个传感器芯片的其它探测器，该节省导致与像素的数量对应的多个线不再需要以常规方式被制造。反而，必要的触点可以通过半导体技术以很少的成本被实现。
有利地，在基板的第二侧上的数字信号可以被电气或电子部件传导。出于该理由，数字信号仍可以在基板的第二侧上被处理，例如被在该处布置的附加部件处理。即使进一步的处理不会在基板上发生，数字信号可以有利地经由布置在基板的第二侧上的连接元件从传感器芯片转移，而不必须围绕传感器芯片对电缆引线。
本发明的进一步有利实施例和优选发展可以在附图和/或子权利要求的描述中找到。
本发明随后参照以附图示出的示例性实施例而被具体阐述。
附图说明
图1是第一传感器芯片在过孔触点的制造阶段之前的剖视图，
图2是图1的第一传感器芯片在到探测器侧的导体路径的过孔触点之后的剖视图，
图3是图2的第一传感器芯片在体现为焊球的连接元件的施加之前的剖视图，
图4是具有辐射可穿透的基板的第二传感器芯片的剖视图，其中所有的部件被布置在探测器侧，以及
图5是图4的第一传感器芯片在探测器侧的绝缘以及焊球的施加之后的剖视图。
如在X射线计算机断层中使用的CT探测器需要在圆柱或其它表面上被布置为一侧接一侧的多个传感器元件，以便于直接或间接检测X射线并且将它们转换为数字信号。半导体技术被用于制造这些传感器元件。根据本发明的传感器芯片的两个示例性实施例通过示例的方式在后文中呈现为传感器元件。
图1示出了第一传感器芯片在过孔触点的制造阶段之前的剖视图。使得部件布置在该处的基板1的探测器侧12已经是绝缘的。这些部件包括光电二极管9和模数转换器10的一部分，提供用于过孔触点的导体路径2从该部分显现。导体路径2在面向传感器芯片以内的传感器侧12的层8的一侧上。当制作过孔触点时，在导体路径2上的层8必须被移除。导体路径14和部件3同样地构成模数转换器10的部分。
图2示出了在蚀刻、绝缘和金属电镀之后的图1的传感器芯片。现在模数转换器10可以经由导体路径2、经由过孔触点6，换言之也经由金属镀层5而传递数字信号到基板1的相反的第二侧13的导体路径15，以用于进一步的使用。
电气触点通过在导体路径2上的金属过孔触点6的附加下侧施加而被实现，该导体路径仅当基板1的例如硅之类的材料通过蚀刻工艺被完全垂直地移除时才是导电的。在该情况下，过孔触点也被称为“硅通孔”(TSV)。流过TSV的信号需要一些10pA(微微安培)的电流。
在过孔触点之后，第二侧13的绝缘和焊球7的施加可以发生。这些焊球7用作将数字信号传递至绝缘电缆(未示出)，因而产生到例如为计算机的分析单元的电气连接。
探测器侧12可以被定义为上侧，因为存在要被闪烁元件(未示出)检测到或者被冲击在传感器芯片上的断层的辐射源检测到的辐射11。因此，第二侧13可以被称为下侧。
图3示出了图2的第一传感器芯片在体现为焊球的连接元件的施加之前的剖视图。
图1至图3的第一传感器芯片的示例性实施例是有利的，因为部件即光电二极管9和模数转换器10可以在常规的CMOS工艺中产生(CMOS为互补金属氧化物半导体)。因此完全不需要对两个基板和它们的电气连接进行处理。节省的潜力是相当大的。除了制造成本降低之外，传感器芯片的鲁棒性、服务寿命和可靠性也得以改进。
大部分的空间节省的优点是由于图1至图3的第一传感器芯片的操作过程，特别是由于在辐射检测元件9的紧邻即在基板1的探测器侧12上发生的模数转换。经由过孔触点6的金属镀层5的数字信号的分布节省空间，因为探测器侧12不需要配备有阻碍辐射监测的电缆连接。反而，在任何情况下都避免辐射的第二侧13可以配备有连接元件7或者附加部件。
此外，与通过过孔触点的模拟信号传输相比存在优点，因为模拟信号对于在微微安范围中的泄漏电流反应敏感。这是数字信号不会发生的情况。从而，进一步的鲁棒性得以实现。
图4示出了第二传感器芯片的剖视图，不像图1至图3的第一传感器芯片，所有的部件均不旨在探测器侧12上的辐射穿透基板1。
第一个优点在于光电二极管9和模数转换器10可以在相同的CMOS工艺中同时产生。
第二个优点在于可以实现模数转换器10接近于辐射检测元件9而不需要使用过孔触点。反而，辐射被用于穿过基板1的相对没有问题的透射。出于该理由，该示例性实施例是特别成本高效的方案。应当仅确保的是基板1的材料对于要被检测到的辐射11而言是尽可能辐射透射的，以便于实现光电二极管9的充分的信号强度。
总之，本发明涉及传感器芯片，特别是用于计算机断层探测器的传感器芯片，其具有被电气连接到辐射检测元件9的模数转换器10。由本发明解决的问题是限定了尽可能成本高效且可靠的传感器芯片。这通过使用在其上施加传感器芯片的所有所需的部件7、9、10的一个单晶基板1而实现，其中在导体路径14、15或者基板1的两侧的触点之间的过孔触点6被用作适用以将两侧12、13的部件7、9、10连接到彼此。
Claims (15)
1.一种传感器芯片，具有被电气连接到辐射检测元件(9)的模数转换器(10)以及晶体基板(1)，其中所述辐射检测元件(9)的部件以及所述模数转换器(10)的部件被光刻地集成在所述晶体基板(1)的一个探测器侧(12)上，
其中所述模数转换器(10)经由所述晶体基板(1)的过孔触点(6)被电气连接到所述晶体基板(1)的与所述探测器侧(12)相反的第二侧(13)上的电气连接元件(7)。
2.根据权利要求1所述的传感器芯片，
其特征在于，所述过孔触点(6)具有金属镀层(5)，所述金属镀层(5)被设置以用于将数字信号从所述探测器侧(12)通过所述晶体基板(1)向所述晶体基板(1)的所述第二侧(13)传输。
3.根据权利要求2所述的传感器芯片，
其特征在于，所述过孔触点(6)至少部分地由在所述晶体基板(1)中的凹部(4)形成。
4.根据权利要求3所述的传感器芯片，
其特征在于，所述电气连接元件(7)被施加在所述晶体基板(1)的所述第二侧(13)上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器芯片，其特征在于，所述辐射检测元件(9)的部件、所述模数转换器(10)的部件以及所述连接元件(7)的部件是电气部件或电子部件。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器芯片，其特征在于，所述传感器芯片旨在用于具有横向相邻的传感器芯片的平坦的布置。
7.根据权利要求1所述的传感器芯片，其中所述传感器芯片是用于计算机断层扫描探测器的。
8.根据权利要求3所述的传感器芯片，其中所述凹部(4)是蚀刻的凹部。
9.根据权利要求5所述的传感器芯片，其中所述辐射检测元件(9)的部件、所述模数转换器(10)的部件以及所述连接元件(7)的部件是导电的导体路径(14)、未掺杂和/或掺杂的半导体层。
10.根据权利要求6所述的传感器芯片，其中所述横向相邻的传感器芯片结构上相同。
11.一种具有根据权利要求6所述的多个传感器芯片的计算机断层扫描探测器。
12.一种传感器芯片的制造方法，其中
-在第一步骤，在晶体基板(1)的一个探测器侧(12)上，光刻地集成辐射检测元件(9)的部件以及模数转换器(10)的部件，
-在第二步骤，使得所述晶体基板(1)在所述探测器侧(12)与所述辐射检测元件(9)的部件以及所述模数转换器(10)的部件绝缘，
-在第三步骤，设计用于所述探测器侧(12)的导体路径(14)与所述晶体基板(1)的与所述探测器侧(12)相对的第二侧(13)的导体路径(15)的导电连接的过孔触点(6)，以及
-在第四步骤，使所述晶体基板(1)在所述第二侧(13)被绝缘。
13.一种用于操作传感器芯片的方法，其中
在所述传感器芯片的晶体基板(1)的一个探测器侧(12)上检测辐射，并且所检测到的辐射被转换为模拟信号并且所述模拟信号通过模数转换器(10)被转换为数字信号，
其特征在于，来自所述探测器侧(12)的所述数字信号经由所述基板(1)的过孔触点(6)被传导到所述基板(1)的第二侧。
14.根据权利要求13所述的方法，
其特征在于，在所述基板(1)的所述第二侧上的所述数字信号被电气部件或电子部件传导。
15.根据权利要求14所述的方法，其中在所述基板(1)的所述第二侧上的所述数字信号被连接元件(7)的部件传导。
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