CN107195647A - 一种非晶硅平板探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种非晶硅平板探测器及其制备方法，包括：于基板上制备图像传感器阵列，在图像传感器阵列上形成平坦化的聚焦微透镜材料层；于聚焦微透镜材料层上形成光刻胶层；对光刻胶层曝光、显影，形成光刻胶阵列，光刻胶阵列中的各光刻胶单元与图像传感器阵列中的各像素单元一一对应；通过热熔使各光刻胶单元形成球冠状；通过刻蚀将球冠状转移到聚焦微透镜材料层上，形成聚焦微透镜阵列；于聚焦微透镜阵列上形成闪烁体层。通过聚光作用，使得更多的光束进入到图像传感器的光敏区，从而提高图像传感器阵列的光收集效率，提高非晶硅平板探测器的灵敏度；同时，通过会聚作用降低相邻像素之间光串扰，提高非晶硅平板探测器的空间分辨率。

Description

一种非晶硅平板探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及医疗辐射成像、工业探伤、安检等领域，特别是涉及一种非晶硅平板探测器及其制备方法。
背景技术
X射线数字摄影技术在当今医疗影像诊断领域得到了越来越广泛的应用，在各种X射线数字摄影设备中，X射线探测器是该类设备中最核心、技术含量最高的关键零部件，在整个图像的成像采集过程中，起到了不可或缺的关键作用。
如图1所示，非晶硅X射线平板探测器1主要包括闪烁体11，粘结剂层12，图像传感器阵列13及基板14。非晶硅X射线平板探测器的成像过程需要经历“X射线”到“可见光”到“电子”的转化过程。在图像拍摄过程中，X射线首先会入射到所述闪烁体11，所述闪烁体11将入射的X射线转化为可见光，可见光激发所述图像传感器阵列13上的PD光电二极管产生光生电子，随后通过外围积分放大电路将光生电子积分读出。
如图2所示为所述图像传感器阵列13的电路结构示意图，包括：像素单元131，所述像素单元131以二维阵列排布在基板上，每个像素单元131包括一个光电二极管PD(PhotoDiode)和一个薄膜晶体管TFT(Thin Film Transistor)；用于控制各像素131的扫描线132、数据线133；以及用于提供所述光电二极管PD电压的公共电极134。目前，非晶硅TFT技术发展非常成熟，并且非晶硅材料对可见光的光电转化效率高，因此，薄膜晶体管TFT及光电二极管PD的有源半导体层都采用非晶硅材料。如图3所示为所述图像传感器阵列13的俯视图，其中，光电二极管PD形成光敏区，用于接收光信号；而薄膜晶体管TFT、扫描线132、数据线133形成非光敏区，对光不敏感。由于所述非光敏区的存在，所述图像传感器阵列13的填充因子(Fill Factor)就是光电二极管的面积，约为70％。如图1所示，由于非光敏区的存在，入射到所述非光敏区的可见光无法被吸收和检测到，降低了整个像素对可见光的吸收，进而降低了平板探测器的灵敏度。
此外，非晶硅X射线平板探测器1的闪烁体11一般选材掺铊的碘化铯(CSI：Tl)或掺铽的硫氧化钆(GOS：Tb)。如图4所示，闪烁体GOS为粉体状结构，粉体状结构增加了对入射可见光的散射作用，如图1所示，相邻像素单元之间的光会发生串扰，降低了平板探测器的图像分辨率。闪烁体CSI为柱状结构，其对入射可见光的散射作用相对小于闪烁体GOS，分辨率也高于闪烁体GOS，但是其存在的可见光散射问题仍会限制平板探测器的图像分辨率。由于闪烁体GOS相比于闪烁体CSI成本更加低廉，因此，闪烁体GOS被广泛的应用。所以，闪烁体的散射问题是影响平板探测器图像分辨率的不可忽视的问题之一。
因此，如何解决非晶硅像素填充因子局限引起的光收集效率限制，以及闪烁体散射引起的图像分辨率降低等问题已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种非晶硅平板探测器及其制备方法，用于解决现有技术中非晶硅像素填充因子局限引起的光收集效率限制、闪烁体散射引起的图像分辨率降低等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种非晶硅平板探测器，所述非晶硅平板探测器至少包括：
闪烁体，用于将接收到的X射线转化为可见光；
聚焦微透镜阵列，位于所述闪烁体的下层，用于会聚从所述闪烁体出射的杂散可见光；
图像传感器阵列，位于所述聚焦微透镜阵列的下方，用于检测入射的可见光，并产生相应的电信号；
所述聚焦微透镜阵列中的各聚焦微透镜与所述图像传感器阵列中的各像素单元一一对应。
优选地，所述闪烁体的材料包括掺铊碘化铯或掺铽硫氧化钆。
优选地，所述闪烁体通过粘结剂粘贴于所述聚焦微透镜阵列上。
更优选地，所述粘结剂包括环氧树脂胶或光学透明胶带。
优选地，所述闪烁体的厚度为400μm～600μm。
优选地，所述聚焦微透镜阵列的填充因子为90％～100％。
优选地，所述聚焦微透镜阵列的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯，聚酰亚胺，苯并环丁烯，二氧化硅或氮化硅中的一种。
优选地，所述聚焦微透镜的厚度为20μm～100μm，所述聚焦微透镜的球冠高度为1μm～10μm。
优选地，所述图像传感器阵列的像素尺寸为80μm～200μm，所述图像传感器阵列的填充因子为60％～80％。
本发明还提供一种非晶硅平板探测器的制备方法，所述非晶硅平板探测器的制备方法至少包括：
提供一基板，于所述基板上制备图像传感器阵列，在所述图像传感器阵列上形成平坦化的聚焦微透镜材料层；
于所述聚焦微透镜材料层上形成光刻胶层；
对所述光刻胶层曝光、显影，形成光刻胶阵列，所述光刻胶阵列中的各光刻胶单元与所述图像传感器阵列中的各像素单元一一对应；
对所述光刻胶阵列进行热熔以使所述光刻胶阵列中的各光刻胶单元形成球冠状；
通过刻蚀将所述光刻胶阵列的形状转移到所述聚焦微透镜材料层上，以形成聚焦微透镜阵列；
于所述聚焦微透镜阵列上形成闪烁体层。
优选地，所述聚焦微透镜的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯，聚酰亚胺，苯并环丁烯，二氧化硅或氮化硅中的一种。
优选地，所述光刻胶的厚度为1μm～10μm。
优选地，所述光刻胶为正性光刻胶，将所述正性光刻胶加热至170℃～200℃进行热熔。
优选地，采用反应离子刻蚀工艺形成所述聚焦微透镜阵列。
优选地，通过粘结剂将所述闪烁体层粘贴于所述聚焦微透镜阵列上。
如上所述，本发明的非晶硅平板探测器及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明的非晶硅平板探测器及其制备方法在图像传感器阵列上引入聚焦微透镜阵列，通过聚光作用，使得更多的光束进入到图像传感器的光敏区，从而提高图像传感器阵列的光收集效率，提高非晶硅平板探测器的灵敏度；同时，通过会聚作用降低相邻像素之间光串扰，提高非晶硅平板探测器的空间分辨率。
附图说明
图1显示为现有技术中的非晶硅X射线平板探测器示意图。
图2显示为现有技术中的图像传感器阵列的电路结构示意图。
图3显示为现有技术中的图像传感器阵列的俯视示意图。
图4显示为现有技术中的闪烁体GOS存在可见光散射的原理示意图。
图5显示为本发明的非晶硅平板探测器示意图。
图6显示为本发明的非晶硅平板探测器剖视示意图。
图7显示为本发明的聚焦微透镜阵列与图像传感器阵列的尺寸示意图。
图8显示为本发明的非晶硅平板探测器的器件结构示意图。
图9～图13显示为本发明的非晶硅平板探测器的制备流程示意图。
元件标号说明
1 非晶硅X射线平板探测器
11 闪烁体
12 粘结剂层
13 图像传感器阵列
131 像素单元
132 扫描线
133 数据线
134 公共电极
14 基板
2 非晶硅平板探测器
21 闪烁体
22 粘结剂层
23 聚焦微透镜阵列
231 聚焦微透镜材料层
24 图像传感器阵列
240 薄膜晶体管的栅极
241 栅极绝缘层
242 有源层
243 源极和漏极
244 光电二极管
245 保护层
246 光电二极管绝缘保护层
247 挡光层
248 绝缘覆盖层
249 公共电极
25 基板
26 光刻胶层
261 光刻胶单元
W1 像素单元的宽度
W2 像素单元等效感光区域的宽度
W3 聚焦微透镜的宽度
H1 聚焦微透镜的球冠高度
H2 聚焦微透镜的厚度
S1～S6 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图5～图13。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图5～图8所示，本该发明提供一种非晶硅平板探测器2，所述非晶硅平板探测器2包括：
闪烁体21、粘结剂层22、聚焦微透镜阵列23、图像传感器阵列24以及基板25。
如图5所示，所述闪烁体21位于所述粘结剂层22的上方，用于将接收到的X射线转化为可见光。
具体地，所述闪烁体21的材料包括但不限于掺铊碘化铯以及掺铽硫氧化钆，任意可以将X射线转化为可见光的材料均适用于本发明。在本实施例中，基于成本考量，所述闪烁体21的材料为掺铽硫氧化钆。所述闪烁体21的厚度为400μm～600μm，在本实施例中，所述闪烁体21的厚度设定为500μm。
如图5所示，所述粘结剂层22位于所述闪烁体21及所述聚焦微透镜阵列23之间，用于将所述闪烁体21层通过粘结剂粘贴于所述聚焦微透镜阵列23上，所述粘结剂包括但不限于环氧树脂胶、光学透明胶带(OCA，Optically clear adhesive)，在本实施例中，采用环氧树脂A/B胶。
如图5所示，所述聚焦微透镜阵列23位于所述粘结剂层22的下层，用于会聚从所述闪烁体21出射的杂散可见光。
具体地，所述聚焦微透镜阵列23包括多个聚焦微透镜，以二维阵列形式排布。如图5～图7所示，所述聚焦微透镜阵列23中的各聚焦微透镜与所述图像传感器阵列24中的各像素单元一一对应。
具体地，所述聚焦微透镜阵列23的填充因子为90％～100％。如图7所示，所述图像传感器24中的各像素单元的宽度为W1，各像素单元中等效感光区域(光电二极管PD)的宽度为W2，所述聚焦微透镜阵列23中各聚焦微透镜的宽度为W3，则各宽度满足如下关系式：W2<W3<＝W1。若所述聚焦微透镜的宽度W3等于所述像素单元的宽度W1，则所述聚焦微透镜阵列23的填充因子为100％。在本实施例中，所述聚焦微透镜阵列23的填充因子为95％。
具体地，所述聚焦微透镜阵列23的材料可采用有机材料或无机材料，其中，有机材料包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，Polymethyl Methacrylate)，聚酰亚胺(PI，Polyimide)，苯并环丁烯(BCB，Benzocyclobutene)；无机材料包括但不限于二氧化硅及氮化硅。
具体地，所述聚焦微透镜的球冠高度H1设定为1μm～10μm，所述聚焦微透镜的厚度H2设定为20μm～100μm。在本实施例中，所述聚焦微透镜的球冠高度H1设定为8μm，所述聚焦微透镜的厚度H2设定为50μm。
如图5所示，所述图像传感器阵列24位于所述聚焦微透镜阵列23的下方，用于检测入射的可见光，并产生相应的电信号。
具体地，如图6所示，所述图像传感器阵列24包括多个像素单元，以二维阵列形式排布，每个像素单元包括一个光电二极管PD(PhotoDiode)和一个薄膜晶体管TFT(ThinFilm Transistor)；用于控制各像素单元的扫描线Gateline、数据线Dataline；以及用于提供所述光电二极管PD电压的公共电极(图中未显示)。如图5及图7所示，所述像素单元中光电二极管PD形成光敏区，用于接收光信号；而薄膜晶体管TFT、扫描线Gateline、数据线Dataline形成非光敏区，对光不敏感。在本实施例中，所述图像传感器阵列24的填充因子为60％～80％，所述图像传感器阵列24的像素尺寸为80μm～200μm。
如图5所示，所述基板25位于所述图像传感器阵列24的下方，用于作为排布所述图像传感器阵列24的介质。在本实施例中，所述基板25的材质为玻璃。
如图8所示为所述非晶硅平板探测器2中聚焦微透镜阵列23、图像传感器阵列24以及基板25的截面图。所述基板25位于底层，厚度为0.3mm～1.0mm；所述薄膜晶体管TFT的栅极240位于所述基板25上，栅极材料为复合金属铝钕/钼(AlNd/Mo)或铝钼(Al/Mo)，厚度为100nm～300nm；栅极绝缘层241位于所述基板25及所述栅极240上，其材料为SiNx或SiOx，厚度为350nm～500nm；有源层242形成于所述栅极绝缘层241上，其材料为非晶硅，厚度为150nm～200nm；所述薄膜晶体管TFT的源极和漏极为243形成于所述有源层242上，材料为Mo/AlNd/Mo或Mo/Al/Mo，厚度为300nm～500nm；光电二极管244是PIN型结构，由P型Si(p+a-Si)和N型Si(n+a-Si)组成，总厚度为800nm～1000nm；保护层245用于光电二极管绝缘层刻蚀时保护光电二极管，材料为铟锡金属氧化物(Indium Tin Oxides，ITO)，厚度为40nm～60nm；光电二极管绝缘保护层246用于保护光电二极管，由SiNx或SiOx组成，厚度为2000nm～3000nm；挡光层247用于保护所述薄膜晶体管TFT的沟道不受光照，减小有光照时薄膜晶体管TFT的漏电流；绝缘覆盖层238将整个像素AA区(有源区)覆盖，起保护作用，由SiNx组成，厚度为800nm～900nm；公共电极249用于为光电二极管提供P极公共电位，材料为铟锡金属氧化物(Indium Tin Oxides，ITO)，厚度为80nm～140nm；所述聚焦微透镜阵列23覆盖于所述公共电极249及所述绝缘覆盖层248上。
如图5所示，在本发明中，X射线通过所述闪烁体21，所述闪烁体21将X射线转换为杂散的可见光束，产生的杂散可见光经过所述聚焦微透镜阵列23的聚焦作用形成会聚光束，会聚光束入射到所述图像传感器阵列24上，经过所述图像传感器阵列24中光电二极管PD的转化形成电荷信号，产生的电荷信号通过薄膜晶体管TFT而读出。由于聚焦微透镜的引入，通过聚光作用使得更多的光束进入到图像传感器阵列的光敏区，从而提高图像传感器阵列的光收集效率，进而提高非晶硅平板探测器的灵敏度；与此同时，由于会聚作用，聚焦微透镜与像素单元一一对应，降低了相邻像素之间的光串扰，提高了非晶硅平板探测器的空间分辨率。
如图9～图13所示，本发明提供一种非晶硅平板探测器的制备方法，所述非晶硅平板探测器的制备方法至少包括：
步骤S1：提供一基板25，于所述基板25上制备图像传感器阵列24，在所述图像传感器阵列24上形成平坦化的聚焦微透镜材料层231。
具体地，如图9所示，提供一基板25，所述基板25的材料为玻璃。在所述基板25表面通过光刻、刻蚀等工艺依次制备所述图像传感器阵列24中的各器件，所述图像传感器阵列24的结构如上所述，在此不一一赘述。在所述图像传感器阵列24的表面形成聚焦微透镜材料层231，并对所述聚焦微透镜材料层231进行平坦化处理。形成所述聚焦微透镜材料层231的方法包括但不限于旋涂、化学气相沉积、物理气相沉积。所述聚焦微透镜材料包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，Polymethyl Methacrylate)，聚酰亚胺(PI，Polyimide)，苯并环丁烯(BCB，Benzocyclobutene)，二氧化硅及氮化硅。所述聚焦微透镜材料层221的厚度设定为20μm～100μm。
步骤S2：于所述聚焦微透镜材料层231上形成光刻胶层26。
具体地，如图10所示，在所述聚焦微透镜材料层231表面涂胶，形成所述光刻胶层26。光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶，在本实施例中，所述光刻胶层26采用正性光刻胶AZ1500，所述光刻胶层的厚度为1μm～10μm。
步骤S3：对所述光刻胶层26曝光、显影，形成光刻胶阵列，所述光刻胶阵列中的各光刻胶单元261与所述图像传感器阵列24中的各像素单元一一对应。
具体地，如图11所示，对所述光刻胶层26使用紫外光曝光，并使用显影液TMAH对其显影，形成光刻胶阵列，所述光刻胶阵列包括多个光刻胶单元251，各光刻胶单元261分别位于一像素单元的正上方。所述光刻胶单元261的面积大于所述像素单元的等效感光区面积，且小于所述像素单元的面积，所述光刻胶单元261的大小决定了后续聚焦微透镜的填充因子大小，在本实施例中，所述聚焦微透镜的填充因子为90％～100％，因此，所述光刻胶单元261的填充因子也设定为90％～100％。
步骤S4：对所述光刻胶阵列进行热熔以使所述光刻胶阵列中的各光刻胶单元261形成球冠状。
具体地，如图12所示，在本实施例中，正性光刻胶的玻璃化转变温度为130℃～170℃，因此，将所述光刻胶阵列加热至170℃～200℃，此时，所述正性光刻胶产生从橡胶态到玻璃态的相变，成为可以流动的流体，在流动的过程中，由于表面张力的作用，各光刻胶单元261的表面形成球冠状。
步骤S5：通过刻蚀将所述光刻胶阵列的形状转移到所述聚焦微透镜材料层231上，以形成聚焦微透镜阵列23。
具体地，如图13所示，在本实施例中，采用反应离子刻蚀工艺(RIE，Reactive IonEtching)将球冠状转移到所述聚焦微透镜材料层231上，形成所述聚焦微透镜阵列23。由于图形的转移，所以光刻胶层26的厚度决定了所述聚焦微透镜的球冠高度，在本实施例中，所述聚焦微透镜的球冠高度在1μm～10μm。
步骤S6：于所述聚焦微透镜阵列23上形成闪烁体层。
具体地，通过粘结剂将所述闪烁体层粘结固定在所述聚焦微透镜阵列23上，粘结剂包括但不限于环氧树脂胶、光学透明胶带，在本实施例中，采用环氧树脂A/B胶。
本发明的非晶硅平板探测器及其制备方法的可见光束由于聚焦微透镜的聚光作用而进入到像素的光敏区，从而提高了光敏区的光采集量，进而提高了探测器的灵敏度；同时可见光束经过聚焦微透镜会聚进入到自身像素的光敏区，降低了相邻像素光串扰，提高了探测器的空间分辨率。
综上所述，本发明提供一种非晶硅平板探测器及其制备方法，包括：提供一基板，于所述基板上制备图像传感器阵列，在所述图像传感器阵列上形成平坦化的聚焦微透镜材料层；于所述聚焦微透镜材料层上形成光刻胶层；对所述光刻胶层曝光、显影，形成光刻胶阵列，所述光刻胶阵列中的各光刻胶单元与所述图像传感器阵列中的各像素单元一一对应；对所述光刻胶阵列进行热熔以使所述光刻胶阵列中的各光刻胶单元形成球冠状；通过刻蚀将所述光刻胶阵列的形状转移到所述聚焦微透镜材料层上，以形成聚焦微透镜阵列；于所述聚焦微透镜阵列上形成闪烁体层。通过聚光作用，使得更多的光束进入到图像传感器的光敏区，从而提高图像传感器阵列的光收集效率，提高非晶硅平板探测器的灵敏度；同时，通过会聚作用降低相邻像素之间光串扰，提高非晶硅平板探测器的空间分辨率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种非晶硅平板探测器，其特征在于，所述非晶硅平板探测器至少包括：
闪烁体，用于将接收到的X射线转化为可见光；
聚焦微透镜阵列，位于所述闪烁体的下层，用于会聚从所述闪烁体出射的杂散可见光；
图像传感器阵列，位于所述聚焦微透镜阵列的下方，用于检测入射的可见光，并产生相应的电信号；
所述聚焦微透镜阵列中的各聚焦微透镜与所述图像传感器阵列中的各像素单元一一对应。
2.根据权利要求1所述的非晶硅平板探测器，其特征在于：所述闪烁体的材料包括掺铊碘化铯或掺铽硫氧化钆。
3.根据权利要求1所述的非晶硅平板探测器，其特征在于：所述闪烁体通过粘结剂粘贴于所述聚焦微透镜阵列上。
4.根据权利要求3所述的非晶硅平板探测器，其特征在于：所述粘结剂包括环氧树脂胶或光学透明胶带。
5.根据权利要求1所述的非晶硅平板探测器，其特征在于：所述闪烁体的厚度为400μm～600μm。
6.根据权利要求1所述的非晶硅平板探测器，其特征在于：所述聚焦微透镜阵列的填充因子为90％～100％。
7.根据权利要求1所述的非晶硅平板探测器，其特征在于：所述聚焦微透镜阵列的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯，聚酰亚胺，苯并环丁烯，二氧化硅或氮化硅中的一种。
8.根据权利要求1所述的非晶硅平板探测器，其特征在于：所述聚焦微透镜的厚度为20μm～100μm，所述聚焦微透镜的球冠高度为1μm～10μm。
9.根据权利要求1所述的非晶硅平板探测器，其特征在于：所述图像传感器阵列的像素尺寸为80μm～200μm，所述图像传感器阵列的填充因子为60％～80％。
10.一种非晶硅平板探测器的制备方法，其特征在于，所述非晶硅平板探测器的制备方法至少包括：
提供一基板，于所述基板上制备图像传感器阵列，在所述图像传感器阵列上形成平坦化的聚焦微透镜材料层；
于所述聚焦微透镜材料层上形成光刻胶层；
对所述光刻胶层曝光、显影，形成光刻胶阵列，所述光刻胶阵列中的各光刻胶单元与所述图像传感器阵列中的各像素单元一一对应；
对所述光刻胶阵列进行热熔以使所述光刻胶阵列中的各光刻胶单元形成球冠状；
通过刻蚀将所述光刻胶阵列的形状转移到所述聚焦微透镜材料层上，以形成聚焦微透镜阵列；
于所述聚焦微透镜阵列上形成闪烁体层。
11.根据权利要求10所述的非晶硅平板探测器的制备方法，其特征在于：所述聚焦微透镜的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯，聚酰亚胺，苯并环丁烯，二氧化硅或氮化硅中的一种。
12.根据权利要求10所述的非晶硅平板探测器的制备方法，其特征在于：所述光刻胶的厚度为1μm～10μm。
13.根据权利要求10所述的非晶硅平板探测器的制备方法，其特征在于：所述光刻胶为正性光刻胶，将所述正性光刻胶加热至170℃～200℃进行热熔。
14.根据权利要求10所述的非晶硅平板探测器的制备方法，其特征在于：采用反应离子刻蚀工艺形成所述聚焦微透镜阵列。
15.根据权利要求10所述的非晶硅平板探测器的制备方法，其特征在于：通过粘结剂将所述闪烁体层粘贴于所述聚焦微透镜阵列上。
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