CN108140658A - 具有单片cmos集成像素检测器的光子计数锥形束ct装置 - Google Patents

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Abstract

包括用于需要实时3D成像的医疗应用(比如乳房X射线摄影、介入性引导规程或外部束放射疗法)的单片光子计数FPD的CBCT包括通过接近室温的共价晶片结合与单晶X射线吸收体单片集成的CMOS处理的读出电子装置，并且适于提供高能量、时间和空间分辨率的单光子计数。

Description

具有单片CMOS集成像素检测器的光子计数锥形束CT装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年12月21日提交的PCT申请号PCT/IB2015/002385和2015年8月31日提交的美国临时申请号62/211,958的优先权和权益，其内容通过引用的方式被合并在本文中并且受到信赖；本申请还要求2016年2月16日提交的美国临时申请号62/295,720的优先权，其内容通过引用的方式被合并在本文中并且受到信赖。
技术领域
本发明涉及计算机断层扫描(CT)成像装备，更具体来说涉及具有单片集成半导体检测器的锥形束计算机断层扫描(CBCT)，其中所述检测器具有能量区分能力。
背景技术
通过更快、更高效并且更高分辨率的检测器的可用性，许多需要3D实时X射线成像的医疗应用可以得到增强，比如包括血管支架和支架移植物放置的血管造影介入，经导管栓塞术和目标化血管内肿瘤规程，或者非血管造影规程，比如图像引导整形、胸部、腹部、头部和颈部以及神经外科手术，活组织检查，近距离放射疗法或外部束放射疗法，经皮引流和支架放置或射频消融。显而易见的是，患者的辐射剂量吸收仍然是一个重大问题，并且应当尽可能被减少。
此外，胸部成像要求辐射剂量的高效使用下的高分辨率以便对软组织的钙化和勾画进行可靠的检测，但是在当前的成像技术下仍未得到满足。在此应用领域内，还观察到趋向3D成像的趋势(例如参见I.Sechopoulos在Med Phys.(2013年)中的40(1)014302，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。断层合成是这些新的成像技术当中的一种，其把CBCT重建与数字图像处理相融合以便从单次断层扫描生成指定剖面的图像。这些设备借助于新的更高效的检测器也可以得到很大的改进。
平板检测器(FPD)被广泛用于医疗成像，并且大大提高了最小侵入性和血管内规程的安全性，然而代价是由于有限的检测效率而增加了患者和操作员辐射。FPD有两种基本上不同的设计。第一种(I)是基于间接转换，也就是两级处理，其中入射在吸收层上的X射线被变换成可见光子，其随后被普通的光电检测器检测到。第二种设计(II)依赖于在半导电吸收层内把X射线直接转换成电信号。
间接检测器的物理学与主导实时放射成像超过五十年的医疗X射线图像增强器(XII)保持基本上不变。X射线到可见光子的转换发生在例如CsI(TI)之类的闪烁层中。除了有限的空间和能量分辨率之外，两级转换处理还受困于低转换效率和有限的频谱分辨率的缺点。CsI(TI)中的波长转换效率例如可以是大约10％，并且光电检测器中的可见光到电子-空穴(e-h)对的后续转换通常具有低于50％的效率。其结果是，读出电路所收集到的电子-空穴对的数目处于每keV的X射线能量25个的量级(例如参见授予H.von的美国专利号8,237,126，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。
这些缺点在通过半导体吸收体的X射线的直接检测中基本上是不存在的，其中X射线被转换成电子-空穴(e-h)对，从而产生电信号。然而出于可制造性和成本的原因，当前的设备是基于多晶或无定形材料以及从薄膜晶体管制成的读出电路。这样的FPD可以在单片形式中生产，其中吸收层在低温处理中被直接沉积在读出电子装置上。使用直接转换模式并且对于医疗应用可以买到的仅有的FPD实际上是基于无定形硒(a-Se)吸收体。所述无定形硒(a-Se)吸收体提供较大尺寸并且制作起来相对便宜(例如参见S.Kasap等人的Sensors11，5112(2011年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。但是由于其较差的电输运属性，利用多晶和/或无定形半导体所能实现的检测量子效率同样相当低，从而使得从这样的材料得出的FPD不适合于介入放射医疗。
到目前为止，涉及空间、时间和能量分辨率以及检测量子效率方面最好的直接X射线成像检测器是基于单晶吸收体的那些检测器。适合用于制作单晶X射线吸收体的材料列表相当有限，这是因为其需要具有适当的带隙并且必须具有足够的尺寸和完整性。该列表主要包括硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、碲化镉(CdTe)和碲化镉锌(CdZnTe)。
基于这些材料当中的任一种的半导体吸收体给出频谱分辨率，这是因为入射X射线光子的能量与所生成的e-h对的数目成比例，并且从而可以通过单光子计数中的脉冲高度分析来测量。
在Si中，需要平均3.6eV来产生单个e-h对(例如参见R.C.Alig等人的Phys.Rev.B22，5565(1980年)以及R.C.Alig的Phys.Rev.B 27，968(1983年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。这对于每keV所吸收的X射线能量平均得到280个e-h对，从而可以看到其转换效率比闪烁体-光电二极管这超出多于十倍。另一方面，其低原子数Z使得Si对于高于大约20keV的光子能量是较差的吸收体。此外，在高光子能量下(>57keV)与光电效应竞争的Compton效应往往会抵消光子计数中的能量分辨率。但是根据近来的研究，这一问题可以被解决(例如参见授予Bornefalk等人的美国专利号8,378,310以及H.Bornefalk等人的Phys.Med.Biol.55，1999(2010年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。类似地，相邻像素之间的串扰以及对于高计数率的信号堆积的问题看起来是可以解决的(例如参见授予Bornefalk的美国专利号8,318,310以及Bornefalk等人的Nucl.Instr.Meth.Phys.Res.A 621，371(2010年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。
与此同时，具有能量区分能力的Si条带检测器已经达到用于胸部成像的商用阶段(参见H.-M.Cho的Med Phys.41 091903(2014年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。正在开发为了覆盖使用在计算机断层扫描(CT)中的大部分光子能量范围的侧立(edge-on)几何结构中的分段式Si条带检测器(例如参见X.Liu等人的IEEETrans.Nucl.Sci.61，1099(2014年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。
在通常的检测器几何结构中，比如在FPD的检测器几何结构中，Si的使用由于其低Z而被限制到低光子能量。具有更高的Z并且具有能够商用的高质量大晶片的仅有的元素半导体是Ge。但是其缺点是仅有0.66eV的小带隙Eg，从而导致其即使在无掺杂并且高度纯净时在室温下也仅有50Ωcm的电阻率。其结果是，Ge检测器需要被冷却到至少大约-50℃，以便减少与低电阻率有关的过多暗电流(例如参见D.Pennicard等人的Jinst 6，C11009(2011年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。SiGe合金给出更高的室温电阻率，其中所述合金的Ge含量(大约80％)达到使得带隙的性质从类Si改变到类Ge的程度(例如参见J.Weber等人的Phys.Rev.B 40，5683(1989年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。但是由于大SiGe晶片不可商用，因此必须转向Si衬底上的外延生长以便实现基于SiGe的FPD。但是Ge和Si的晶格参数和热膨胀系数的较大失配导致用以充当X射线吸收体的具有100μm量级或更大的足够厚度的外延SiGe层中的高缺陷密度(比如错配和穿透位错以及堆垛层错)和裂缝。此外，由于热错配所导致的过多晶片弓曲，设备处理可能完全不被允许。
晶片弓曲和层开裂的问题已经通过一种涉及微米尺度下的深度Si衬底模制连同远离平衡外延生长的方法而得到解决。这例如产生通过微小间隙分开的空间填充三维(3D)SiGe晶体(例如参见授予H.von的国际专利申请号WO 2011/135432以及C.V.Falub等人的Science 335，1330(2012年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。对于晶体的足够大的长宽比，鉴于其表现出小面化(faceted)表面，所述方法还导致排出所有穿透位错，从而使得与界面相距几微米处的晶体区段是完全无缺陷的(例如参见C.V.Falub等人的Sci.Rpts.3，2276(2013年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。但是所述方法没有消除存在于SiGe/Si界面处的错配位错的高密度。为了消除这一缺陷，3D SiGe晶体中的Ge含量必须从零缓慢增大到某一最终数值。这种组成分级(compositional grading)方法在过去已被用来降低外延SiGe/Si膜中的穿透位错密度，但是不会影响错配位错密度(例如参见E.A.Fitzgerald等人的Appl.Phys.Lett.59，811(1991年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。在适合于X射线吸收体的高3D SiGe晶体中，鉴于分级率(gradingrate)被保持得足够低，可以预期错配应力会被弹性地释放。由于不存在错配位错，因此这些结构应当是完全无缺陷的(例如参见M.Salvalaglio的J.Appl.Phys.116，104306(2014年)以及F.Isa等人的Acta Materialia 114，97(2016年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。
虽然外延SiGe吸收体可以被生长在尺寸至少为200mm的大晶片上，但是例如出于成本原因，其厚度必须被限制到大约100-200μm的范围。在这些条件下，只有对于低于大约35keV的管电压才会发现接近100％的高效X射线吸收。因此在医疗应用中，这样的吸收体最适合用于乳房X射线摄影。
显而易见的是，对于体Ge晶片不存在这样的厚度限制，其对于1mm和2mm吸收分别由操作在40keV和50keV下的管发出的辐射的接近100％。由于类似的Z，GaAs的X射线吸收类似于Ge，并且大晶片也是可以商用的。GaAs的带隙是～1.4eV，其可以被制成半绝缘并且具有高达109Ωcm的电阻率，从而使得冷却不再必要(例如参见M.C.Veale等人的NuclInstr.Meth.Phys.Res.A 752，6(2014年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。另一方面，迁移率-寿命乘积与例如Si和Ge之类的元素半导体差很多，从而会对由这种材料制成的检测器的电荷收集效率和能量分辨率造成负面影响。
因此，为了补偿在较大的吸收体厚度下降低的电荷收集效率，设想了一种三维检测器结构，其中电极被钻到吸收体体积中，从而允许通过横向输运来收集电子-空穴对(例如参见E.Gros d’Aillon等人的Nucl.Instr.Meth.Phys.Res.A 727，126(2013年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。
在原理上，由于其更高的Z，CdTe和具有大约10％的Zn含量的CdZnTe应当是用于高效X射线吸收的最佳材料，特别对于CT所需的更高光子能量(高达大约140keV)尤其是如此。这些是比III-V半导体(比如前面提到的GaAs)具有更高离子性的II-VI半导体。其包含特别会影响空穴输运的多个深阱水平，从而导致极化现象，其中正电荷在高X射线通量水平下在阴极前方堆积(例如参见D.S.Bale等人的Phys.Rev.B 77，035205(2008年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。这在检测器的光子计数模式下会强烈地修改吸收体内部的电场分布并且对电荷收集效率和所测量的能谱造成负面影响。降低检测器性能的其他效应有脉冲堆积(由于较低的载流子迁移率，与GaAs相比更加严重)、相邻像素之间的电荷共享、产生较低能量光子的荧光以及Compton散射(例如参见T.Taguchi等人的MedicalPhysics 40，100901(2013年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。然而当前可能最大的缺点是缺少大的高质量晶片，从而使得这些材料不适合用于FPD的制作以及其中要求高能量分辨率的应用。
不管被用于X射线吸收体的材料是何种类，X射线吸收体都需要与读出电子装置进行通信，通过读出电子装置可以对由被吸收的光子生成的模拟电荷脉冲进行放大、整形并且变换成数字信号。通过把吸收体直接沉积到读出晶片上来制作单片结构(前面对于多晶和无定形吸收体材料进行了讨论)对于单晶吸收体是不可能的，这是由于外延(单晶)生长所需的高热预算、导致高缺陷密度的大晶格错配以及会导致晶片弓曲和层开裂的热失配。在模制CMOS处理的Si衬底上以高晶体形式生长的外延SiGe吸收体可能是给出足够的材料质量的仅有的例外，但是这里也存在热预算约束，并且对于读出电路需要特殊的高温金属化方案，因此现有技术的CMOS处理无法被使用(例如参见授予von的美国专利号8,237,126，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。
迄今为止可用的仅有的具有单晶吸收体的单片像素传感器被设计用于高能物理中的粒子检测，其中Si吸收层不需要很厚(例如参见S.Mattiazzo等人的Nucl.Instr.Meth.Phys.Res.A 718，288(2013年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。
在实践中，建立由入射X射线光子在吸收体中生成的电荷脉冲借以被传送到读出单元的电连接需要二者之间的某种形式的结合处理。用于现今使用的二维检测器的常见结合技术是凸块结合(bump bonding)，例如由CERN的Medipix协作采用(http://medipix.web.cern.ch)或者由Dectris AG采用(http://www.dectris.ch，Baden-Daettwil，瑞士)。这种混合方法非常灵活，在原理上适用于能够获得其足够大的单晶体的适合于进行X射线检测的任何半导体材料(例如参见授予Collins等人的欧洲专利号0571135，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。这样的凸块结合的检测器有许多应用：生物学(例如参见E.Bertolucci的Nucl Sci.Meth.Phys.Res.A 442，242(1999年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)；材料科学(例如参见R.Ballabriga等人的Jinst 8，C02016(2013年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)，包括材料科学中的CT(例如参见S.Procz等人的Jinst 8，C01025(2013年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。最近，具有GaAs吸收体的Medipix3RX光谱法像素检测器已被介绍并且被证明适合于光谱法CT采集，并且可能很快用于小动物成像(例如参见E.Hamann等人的IEEETrans.Med.Imaging 34，707(2015年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。
但是凸块结合技术相当昂贵，因此不适合于制作例如对于锥形束计算机断层扫描(CBCT)所需要的大面积检测器(FPD)。为了使得单个读出芯片是可对接的，必须使用最初针对微电子芯片的3维集成所开发的硅通孔(TSV)技术，从而增加了凸块结合的复杂度(例如参见Z.Vykydal等人的Nucl.Instr.Meth.in Phys.Res.A 591，241(2008年)以及D.Henry等人的IEEE Electronic Components&Technology Conference 2013第568页，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。克服这些限制的一种方式将是用直接晶片结合取代昂贵的凸块结合，其中吸收体晶片被结合到包含读出电路的晶片。通过读出和吸收体晶片的直接结合而制成的检测器无法再与具有外延读出/吸收体界面的那些检测器作出区分，因此可以被称作“单片”，并且与以直接生长到读出晶片上的吸收体层为特征的检测器具有同样正当的如此称呼的理由。通过直接晶片结合来制作检测器需要低温晶片结合技术，在这方面最近有几种方法可用。
第一种方法是基于两个氢钝化晶片的疏水结合(hydrophobic bonding)。疏水结合已被证明适用于两个Si晶片的直接结合，其中每一个在结合之前已经过设备处理。疏水结合的优点是提供了电透明界面，这是因为通过H钝化步骤去除了自然氧化物(nativeoxide)。但是在结合之后必须去除界面氢，以便得到高结合强度。这可以通过高于氢脱附温度的热退火来实现，由于对于标准铝金属化不允许高于450℃的温度的热预算约束，这是一个关键步骤。退火的另外的缺点是界面处的气体逸出(gas evolution)，即导致电绝缘空隙的气泡。为了去除这样的气泡，可以在结合之前蚀刻沟槽(例如参见授予Esser等人的美国专利号6,787,885，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。疏水的主要缺点仍然存在，也就是需要通过热退火来去除界面氢。具体来说，这排除了具有不同热膨胀系数的晶片的结合，比如Si到SiGe、GaAs或CdTe的结合。
因此需要一种在无需任何高温退火步骤的情况下得到具有块体强度(bulkstrength)的电透明直接晶片结合的低温处理。在例如由EV Group针对低于100℃或者甚至低至室温的温度下的Si晶片结合所开发的共价晶片结合处理中实现了块体结合强度(例如参见C.等人的ECS Transactions 64，103(2014年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。但是电输运实验已表明，通过共价结合之前的干法蚀刻的氧化物去除可能导致阻碍载荷子跨越结合界面的界面势垒。因此必须避免氧化物去除期间的表面无定形化，或者必须例如通过本领域内已知的氢钝化步骤来钝化无定形层(例如参见A.Loshachenko等人的Phys.Stat.Sol.C 10，36(2013年)以及T.Jiang等人的Phys.Stat.Sol.A 209，990(2012年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。
本发明可以被应用于制作大面积单片像素传感器，甚至对于当前无法以可承担的成本制造大晶片的高Z吸收体材料也是如此。
需要克服在现今的FPD下使得患者暴露于过多辐射的计算机断层扫描(CT)装备。因此通过具有能量区分能力、高灵敏度和优良的空间分辨率的FPD来取代当前的能量积分FPD。通过使用光子计数模式对于许多医疗成像规程给出显著更低的辐射剂量。
CBCT单元可以包括安放在台架盘(gantry disk)上的至少一个X射线源和FPD，从而允许患者在检查期间保持静止(例如参见R.Baba等人的Comp.Med.Imaging andGraphics 26，153(2002年)以及R.Gupta等人的Eur.Radiol.16，1191(2006年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。或者，C形臂安放的CBCT单元理想地适合于介入放射治疗室中的成像(例如参见S.Hirota等人的Cardiovasc.Intervent.Radiol.29，1034(2006年)以及R.C.Orth等人的J.Vasc.Interv.Radiol.19，814(2008年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。采用这样的能量解析FPD的C形臂安放的CBCT单元将允许在射线源和FPD的单次旋转中进行实时2D组织特定成像和体积数据采集。光子计数模式将允许减少对比剂的数量或者辐射剂量，同时把对比噪声比保持在当前的FPD的水平。正如K.Taguchi等人所表明的那样(Med Phys.，2013年10月，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)，对比剂剂量可以被减少例如23％，或者辐射剂量可以被减少41％。基于Si的光子计数检测器甚至可以贡献近似40％的平均剂量减少，正如通过Philips MicroDose SI乳房X射线摄影系统所表明的那样(Philips Healthcare白皮书，2012年，“Comparison of DoseLevels in a National Mammography Screening Program”)。
发明内容
本发明的CBCT装备的结构包括用于需要实时3D成像的医疗应用(比如乳房X射线摄影、介入性引导规程或者外部束放射疗法)的单片光子计数FPD。CBCT单元包括由共价结合到包含CMOS处理的读出电子装置的Si晶片的X射线吸收体制成的单片FPD。由入射在吸收体上的辐射生成的电信号由CMOS晶片中的植入物收集，并且由读出电子装置处理。
本发明的目的是通过具有新的光子计数FPD的CBCT拓宽X射线医疗成像的使用，从而促进许多需要3D实时成像的介入性引导规程，比如血管造影介入或非血管造影规程，例如乳房X射线摄影，整形、胸部、腹部、头部和颈部以及神经外科手术中的图像引导外科手术，活组织检查，近距离放射疗法或外部束放射疗法，经皮引流和支架放置或射频消融。
本发明的一个目的是提供适合于软组织区别的允许具有高对比噪声比的高分辨率X射线图像的CBCT装备。
本发明的另一个目的是提供适合于高能X射线成像的包括具有能量区分能力的单片FPD的CBCT装备，所述单片FPD是通过把X射线吸收体结合到具有读出电子装置的CMOS处理的晶片上而制作的。
本发明的另一个目的是提供具有光子计数能力的CBCT以便减少医疗规程期间的辐射剂量吸收。
附图说明
图1是示出作为Ge含量x的函数的Si1-xGex合金的带隙的相依性的曲线图。
图2是C形臂锥形束计算机断层扫描单元的示意图。
图3A是在晶片的背面具有吸收体并且在正面具有CMOS处理的读出单元的单片像素检测器的剖面图。
图3B是构成FPD的一部分的9个可对接像素检测器贴片的顶视图。
图3C是构成FPD的一部分的两个可对接像素检测器贴片的剖面图。
图4A是在CMOS处理的读出单元的背面具有所结合的吸收体晶体的单片像素检测器的剖面图。
图4B是具有结合到CMOS处理的读出单元的背面的像素化吸收体晶体的单片像素检测器的剖面图。
图4C是具有衬底的单片像素检测器的剖面图，所述衬底具有结合到CMOS处理的读出单元的背面的外延吸收体层。
图4D是具有衬底的单片像素检测器的剖面图，所述衬底具有结合到CMOS处理的读出单元的背面的像素化外延吸收体层。
图5A是具有读出单元的CMOS处理的晶片的剖面图。
图5B是具有读出单元和处置晶片(handling wafer)的CMOS处理的晶片的剖面图。
图5C是结合到处置晶片的减薄CMOS处理的晶片的剖面图。
图5D是具有读出单元和吸收体层的减薄CMOS处理的晶片的剖面图。
图5E是具有结合到正面的读出单元和处置晶片以及结合到背面的吸收体层的减薄CMOS处理的晶片的剖面图。
图5F是具有读出单元、结合到正面的处置晶片以及结合到背面的像素化并且钝化的吸收体层的减薄CMOS处理的晶片的剖面图。
图5G是具有读出单元、结合到正面的处置晶片以及结合到背面的像素化、钝化并且接触的吸收体层的减薄CMOS处理的晶片的剖面图。
图6A是具有读出单元的CMOS处理的晶片的剖面图。
图6B是具有像素化并且钝化的外延吸收体层的晶片的剖面图。
图6C是具有读出单元和处置晶片的CMOS处理的晶片的剖面图。
图6D是具有像素化并且钝化的外延吸收体层和处置晶片的晶片的剖面图。
图6E是结合到处置晶片的减薄CMOS处理的晶片的剖面图。
图6F是具有结合到处置晶片的像素化外延吸收体层的减薄衬底的剖面图。
图6G是具有结合到处置晶片的像素化外延吸收体层的翻转减薄衬底的剖面图。
图6H是结合到具有像素化外延吸收体层的减薄衬底的减薄CMOS处理的晶片的剖面图。
图6I是去除处置晶片之后的结合到具有像素化外延吸收体层的减薄晶片的减薄CMOS处理的晶片的剖面图。
图6J是去除处置晶片和结合残留物之后的结合到具有像素化外延吸收体层的减薄晶片的减薄CMOS处理的晶片的剖面图。
图6K是结合到具有像素化、电接触的外延吸收体层的减薄晶片的减薄CMOS处理的晶片的剖面图。
图7A是具有读出单元的CMOS处理的晶片的剖面图。
图7B是具有像素化并且钝化的外延吸收体层的晶片的剖面图。
图7C是具有读出单元和处置晶片的CMOS处理的晶片的剖面图。
图7D是化学机械抛光之后的具有像素化并且钝化的外延吸收体层的晶片的剖面图。
图7E是结合到处置晶片的减薄CMOS处理的晶片的剖面图。
图7F是结合到像素化外延吸收体层的减薄CMOS处理的晶片的剖面图。
图7G是衬底去除之后的结合到像素化外延吸收体层的减薄CMOS处理的晶片的剖面图。
图7H是衬底去除和电接触形成之后的具有结合到像素化外延吸收体层的读出单元的减薄CMOS处理的晶片的剖面图。
图8示出锗检测器的实例的透视图。
图9是示出“典型分辨率与能量关系”的图示。
图10示出关于“结构代码”和“检测器类型”的信息。
图11是示出“对应于具有2.5cm源到端帽间距的各种Ge检测器的典型绝对效率曲线”的图示。
图12示出典型检测器的实际性能数据。
图13示出表明用于高能物理中的跟踪应用的混合硅像素检测器的潜力的图像。
具体实施方式
本发明的目的是通过克服检测器和制造处理中的实际吸收材料的限制，在更低的辐射剂量下对于例如乳房X射线摄影和介入放射治疗室中的X射线3D成像实现许多改进的能力和新的应用。
本发明特别解决了阻碍例如用在C形臂锥形束计算机断层扫描(CBCT)单元中的灵敏的大面积单片像素检测器(FPD)的制作的材料不相容问题，所述FPD采用高Z材料以便特别增强具有通常高于40keV的能量的X射线光子的吸收。本发明是基于优选地低于100℃或者甚至室温下的低温直接晶片结合技术，通过所述技术将CMOS处理的读出单元和单晶吸收体组合在单片检测器结构中。本发明在原理上适用于现在可以获得或者将来可能获得其由高质量单晶体构成的大晶片的任何吸收体材料，比如GaAs、Ge、CdTe、Cd1-xZnxTe(x通常是大约10％)和SiGe。或者，本发明适用于可以在基本上不存在缺陷的大Si晶片上外延生长的吸收体材料。已被确定特别适合于乳房X射线摄影的一类优选的材料是Si1-xGex合金，其Ge含量x处于大约0.2≤x≤0.8之间或者更加优选地处于大约0.6≤x≤0.8之间。根据图1，Si1- xGex合金的能带结构类似于Si，并且对于0≤x≤0.8具有高于0.9eV的带隙(例如参见J.Weber等人的Phys.Rev.B 40，5683(1989年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。这些带隙与等于0.66eV的Ge的带隙相比是较大的。因此，载荷子的热生成相应地被降低，从而导致基于这样的合金吸收体的检测器的高得多的电阻率并且因此导致更低的暗电流。预期这又会大大放松针对这些检测器的冷却要求。
现在参照图2，本领域内已知的具有能量积分FPD的CBCT单元被具有FPD 8的CBCT系统1取代，其中所述能量积分FPD是基于通过闪烁体和薄膜光电二极管的间接检测或者是基于具有多晶或无定形吸收体层和薄膜晶体管的直接检测器，FPD 8则装备有与CMOS处理的读出单元通信的单晶吸收体，由吸收体中的X射线生成的模拟电信号在所述读出单元中被进一步放大、整形并且变换成数字信号。所述读出单元具有光子计数能力，从而与多晶或无定形吸收体系统相比把X射线检测的灵敏度增强了近似十倍。FPD 8具有达到大约100μm或者大约50μm或者甚至大约20μm的空间分辨率，并且与至少一个X射线源9一起被安放在C形臂2上。读出单元与提供数据收集、计算和/或存储功能的一个或多个设备(例如数据收集设备、计算设备和存储设备)进行通信，所述设备被布置成接收来自FPD的电信号并且在至少一个计算机屏幕上生成计算机断层扫描图像。
现在参照图3A的FPD的一般性实施例100，该实施例具有由CMOS处理的芯片12构成的单片CMOS集成像素检测器，所述CMOS处理的芯片12在正面16具有读出单元14并且在背面20具有通过直接晶片结合而附着的吸收体18。CMOS处理的芯片12优选地是本领域内已知的Si芯片。入射在吸收体18上的X射线22可以产生电子-空穴对24，当在厚度为h的吸收体18中并且在厚度为d的Si芯片12的漂移区段28中存在由电场线26表示的电场时，所述电子-空穴对24可以被拉开，其中单独的电荷分别朝向芯片12的正面16和吸收体18的表面34漂移。建立该电场的一种优选的方式是使用非常低的掺杂为芯片12给出第一导电类型(例如n型掺杂)。优选的是，芯片12的低掺杂导致0.5-2kΩcm或者2-5kΩcm或者甚至5-20kΩcm的高电阻率。类似地，吸收体晶片18优选地无掺杂或者也被低掺杂，并且表现出与芯片12相反类型的导电性(例如p型掺杂)。只要其导电类型与芯片12相反，吸收体晶片18不需要被活性掺杂。因此芯片12和吸收体18形成异质结p-n二极管，其特征在于当通过施加具有适当符号的电压30将二极管反向偏置时，在空间电荷区段中存在大电场。
取决于掺杂序列和施加到吸收体18的金属化背面接触件32的电压30的符号，空穴42或电子44可以沿着电场线26朝向芯片12的正面16漂移，以便由定义尺寸为L的检测器的像素的植入物38收集。像素尺寸L可以处于大约5-200μm的范围内，或者优选地处于大约10-100μm的范围内，或者甚至更加优选地处于大约20-50μm的范围内。由植入物38收集的电荷42或44感生出的电信号可以随后由读出单元14的电路40处理。把漂移区段28的厚度d保持得较低是合理的，以便限制对于其耗尽所需的电压30。厚度d优选地处于10-200μm的范围内，或者甚至更加优选地处于大约10-50μm的范围内。吸收体18的最优厚度h取决于吸收体材料和将要检测的粒子的能量。所述厚度h的范围可以是从大约20μm到200μm，或者是从200μm到1mm，或者甚至是到几mm。例如对于乳房X射线摄影应用，厚度为100-200μm的Ge富集Si1-xGex吸收体可能是足够的。对于需要显著高于30keV的X射线能量的应用，必须使用更厚的吸收体以及/或者来自具有更高的Z的材料的吸收体。包括所有金属化层的完全CMOS处理的芯片12例如可以具有大约2x2cm2或者更大的尺寸，比如4x4cm2或6x6cm2或10x10cm2或者甚至15x15cm2或更大，这取决于吸收体18的可用尺寸。在限制性情况下，芯片12例如可以覆盖整个200mm晶片或者甚至300mm晶片的一大部分。
现在参照图3B，本发明的直接晶片结合方法的一个主要优点例如是读出芯片54-78优选地在四面是可对接的，并且在贴片之间具有最小的死区(dead space)80、84。间距80、84例如可以小于100μm，或者甚至小于50μm。在图3B的实例中，CMOS处理的读出芯片被直接晶片结合到吸收体晶片50，所述吸收体晶片例如可以大到200mm或者甚至300mm。应当提到的是，比图3B中所示出的多得多的贴片可以被结合到吸收体晶片50。在实践中，整个CMOS处理的读出晶片可以被结合到吸收体50。或者，当吸收体面积的尺寸较小时，例如具有单个读出芯片的尺寸，则可以通过直接晶片结合把各个吸收体片结合到读出晶片。例如通过拼贴几个图3B的结构，可以制作远大于晶片尺度的FPD。通过这种方式，可以制作例如具有20x20cm2或更大尺寸的FPD，例如大约40x40cm2。
现在参照图3C，本发明的直接晶片结合方法的另一个主要优点是针对读出晶片的电接触件不需要制作TSV。实际上，所有电接触件(小吸收体面积情况下的防护环接触件可能除外)都可以被制作在读出芯片12的正面16。这与凸块结合像素检测器的方法相比是很大的不同，在凸块结合像素检测器的方法中，吸收体覆盖读出芯片12的上面，从而需要TSV来电接触芯片。特别对于无法获得大晶片的吸收体材料，可能有利的是在直接晶片结合之前围绕贴片的外围植入防护环。在这种情况下，防护环优选地被TSV接触。或者，可以在读出芯片本身上预见防护环，在这种情况下完全不需要TSV。
现在参照图4A，单片集成像素检测器210的第一实施例200由在正面216具有读出单元214并且在背面220具有吸收体218的CMOS处理的晶片212构成。实施例200可以特别适合于其热膨胀系数不会与Si偏离很多的吸收体层218，比如SiC。只要检测器210的操作温度不会与室温偏离很多，该实施例还可以适用于与Si热失配的吸收体层218，比如GaAs、Ge、CdTe和CdZnTe。温度升高到50℃或者甚至100℃可以仍然被视为是可允许的。在室温或接近室温下通过直接晶片结合250将单晶吸收体层218结合到CMOS处理的晶片212的背面220。直接晶片结合250优选地是共价结合，从而提供密切的电接触，并且优选地只具有很少的或者不具有界面态或者具有例如通过氢钝化的界面态，以便改进晶片212的整个背面220上的吸收体层218与漂移区段228之间的界面电荷输运(也就是说为了获得欧姆行为)。为了建立密切的电接触，晶片212的背面和吸收体层218的结合表面必须是原子平坦的，并且不具有微粒和氧化物。可能合理的做法是在对于无氧化物共价结合所需的表面处理之前对晶片212的背面220和吸收体层218的结合表面实施化学机械抛光步骤。结合处理可以包括以下步骤：对于仍被氧化的表面的可选的结合前退火以便减少水分，以及可选的温和结合后退火。结合前和结合后退火在低温下实施。退火温度的范围可以是100℃到200℃之间，或者200℃到300℃之间，或者300℃到400℃之间。在任何情况下，退火温度必须低于大约450℃，以避免CMOS处理的晶片212的金属化发生解体。
当大电压230被施加到吸收体的金属化背面接触件232从而基本上导致CMOS处理的晶片212的吸收体218和漂移区段228耗尽时，由所吸收的高能材料粒子或光子生成的e-h对在相关联的电场中被分离，并且分别由定义像素尺寸的植入物238和金属电极232收集。
现在参照图4B，单片集成像素检测器210’的第二实施例200’由在正面216具有读出单元214并且在背面220具有吸收体218’的CMOS处理的晶片212构成。实施例200’可以特别适合于与Si晶格匹配但是热失配的吸收体层218’，比如GaP。该实施例还可以适用于与Si热失配并且晶格失配的吸收体层218’，比如GaAs、Ge、CdTe和CdZnTe和SiC。吸收体层218’被像素化，也就是说其由通过宽度为w2的沟槽254分开的宽度为w1的不同吸收体贴片252构成。不同吸收体贴片252的宽度w1可以大于、等于或小于由植入物238定义的像素尺寸L。沟槽254的宽度w2优选地小于不同吸收体贴片252的宽度w1，或者甚至更加优选的是小得多。沟槽254的宽度w2可以窄至通过本领域内已知的光刻和深反应离子蚀刻技术所能实现的最小宽度(例如参见X.Li等人的Sensors and Actuators A87，139(2001年)以及E.H.Klaassen的Sensors and Actuators A52，132(1996年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。优选的是，CMOS处理的晶片212的背面220和吸收体贴片252通过共价结合250’被结合，从而提供密切的电接触，并且优选地只具有很少的或者不具有界面态或者具有例如通过氢钝化的界面态，以便改进晶片212的整个背面220上的吸收体层218’与漂移区段228之间的界面电荷输运(也就是说为了获得欧姆行为)。为了建立密切的电接触，晶片212的背面和吸收体层218’的结合表面必须是原子平坦的，并且不具有微粒和氧化物。可能合理的做法是在对于无氧化物共价结合所需的表面处理之前对晶片212的背面220和吸收体层218’的结合表面实施化学机械抛光步骤。结合处理优选地包括以下步骤：可选的结合前退火以便减少仍被氧化的表面上的水分，以及结合后退火。优选地在可选的低温结合前退火之后将吸收体218’模制成吸收体贴片252，以避免由于晶片212和吸收体层218’的不同热膨胀系数而在可选的更高温结合后退火期间所施加的应力。结合前和结合后退火在低温下实施。退火温度的范围可以是100℃到200℃之间，或者200℃到300℃之间，或者300℃到400℃之间。在任何情况下，退火温度必须低于大约450℃，以避免CMOS处理的晶片212的金属化发生解体。不同吸收体贴片252可以通过基本上在吸收体的整个表面上延伸的金属化背面接触件232’被电连接。
当大电压230被施加到吸收体218’的金属化背面接触件232’从而基本上导致CMOS处理的晶片212的吸收体218’和漂移区段228耗尽时，由所吸收的高能材料粒子或光子生成的e-h对在相关联的电场中被分离，并且分别由定义像素尺寸L的植入物238和金属电极232’收集。
现在参照图4C，单片集成像素检测器210”的第三实施例200”由在正面216具有读出单元214并且在背面220具有吸收体218”的CMOS处理的晶片212构成。实施例200”特别适合于这样的吸收体层218”，其无法以适合于晶片制作的大单晶体的形式生长，但是能够以大Si衬底256上的外延层的形式生长。吸收体层218”优选地由基本上晶格匹配到Si衬底的半导体材料制成，例如GaP，以避免在衬底与外延层之间的界面258处存在高密度的错配位错。吸收体层218”还可以包括组成分级的各层，其中最靠近与Si衬底的界面的各层是晶格匹配的，比如GaP1-xAsx，其中x在几μm的厚度内具有从0到1的范围，随后达到作为纯GaAs的特性的大约4％的完全晶格失配。取决于分级率，也就是组成x作为层厚度的函数而改变的速率，位错分布在分级层的更小或更大的体积上。分级率越小，该层的每体积分数的错配位错的密度就越低。随着分级率减小，延伸到分级层的生长前沿的穿透位错的密度相应地被降低。
在实施例200”中，直接晶片结合250”是CMOS处理的晶片212的背面220与在其上外延生长吸收体218”的衬底256之间的共价Si-Si结合。为了建立密切的电接触，晶片212的背面和衬底256的结合表面必须是原子平坦的，并且不具有微粒和氧化物。可能合理的做法是在对于无氧化物共价结合所需的表面处理之前对晶片212的背面220和衬底256的结合表面实施化学机械抛光步骤。结合处理优选地包括以下步骤：可选的结合前退火以便减少仍被氧化的表面上的水分，以及结合后退火。结合前和结合后退火在低温下实施。退火温度的范围可以是100℃到200℃之间，或者200℃到300℃之间，或者300℃到400℃之间。在任何情况下，退火温度必须低于大约450℃，以避免CMOS处理的晶片212的金属化发生解体。
当大电压230被施加到吸收体的金属化背面接触件232从而基本上导致CMOS处理的晶片212的吸收体218”和漂移区段228耗尽时，由所吸收的高能材料粒子或光子生成的e-h对在相关联的电场中被分离，并且分别由定义像素尺寸L的植入物238和金属电极232收集。
现在参照图4D，单片集成像素检测器210”’的第四实施例200”’由在正面216具有读出单元214并且在背面220具有像素化吸收体218”’的CMOS处理的晶片212构成。实施例200”’是用于这样的吸收体层218”’的优选实施例，其无法以适合于晶片制作的大单晶体的形式生长，但是能够以大Si衬底256上的通过宽度为w4的沟槽254分开的宽度为w3的外延贴片的形式生长。不同吸收体贴片252的宽度w3可以大于、等于或小于由植入物238定义的像素尺寸L。沟槽254的宽度w4优选地小于吸收体贴片252的宽度w3，或者甚至更加优选的是小得多。对于由ART中的电介质掩模开口的间距定义的吸收体贴片252，所述沟槽可以窄至通过光刻和深反应离子蚀刻技术所能实现的最小宽度，例如1-5μm。通过吸收体贴片252的自我限制的横向生长而获得的宽度w4可以甚至更小，例如100nm-1μm，或者甚至20nm-100nm。
实施例200”’对于与Si衬底256晶格失配并且热失配的吸收体层是最优选的实施例。吸收体层218”’的最优选的材料可以是Si1-xGex合金，其优选地可以具有高于20％的Ge含量。在该实施例的一个优选方面中，Si1-xGex合金可以具有大约0.6≤x≤0.8的高Ge含量x。当具有厚度大约是100-200μm的这样的SiGe合金吸收体时，实施例200”’特别适合于被限制到低于40keV的X射线能量的应用，比如乳房X射线摄影应用。在该实施例的一个更加优选的方面中，Si1-xGex合金可以被组成分级到大约0.6≤x≤0.8的高Ge含量x，并且可选地具有基本上等于分级部分的最终组成的恒定组成的帽区(cap region)，所述分级部分例如可以被线性地分级。在实施例200”’的一个最优选的方面中，Si衬底256与像素化吸收体218”’之间的界面258基本上是无缺陷的。这例如可以通过选择形成像素化吸收体218”’的半导体贴片252的宽度w3和分级率从而使得二者都足够小以便允许吸收体218”’的外延生长期间的错配应力的弹性松弛而实现(例如参见M.Salvalaglio等人的J.Appl.Phys.116，104306(2014年)以及F.Isa等人的Acta Materialia 114，97(2016年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。分级率可以优选地被选择成低于大约3％，或者低于大约2％，或者甚至低于1％。在该实施例的其他方面中，像素化吸收体218”’的衬底256与贴片252之间的界面区域258可以不是基本上无缺陷的，但是其尺寸足够小，从而当大电压230被施加到CMOS处理的晶片212的吸收体218”’的金属化背面接触件232’和植入物238时，把暗电流保持在可接受的水平。正如本领域技术人员已知的那样，这样的小界面区段通常例如被采用在长宽比捕获(ART)的技术中，其中穿透位错被捕获在将半导体选择性地生长到其中的电介质掩模中的窗口的侧壁处(例如参见I.等人的IEDM San Francisco，2010年，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。此外，借助于ART，可以使用SiGe以外的其他吸收体材料，比如GaAs、CdTe或CdZnTe。
沟槽254的宽度w4优选地小于(大约1:2_的比值)吸收体贴片252的尺寸w3，或者甚至更加优选的是小得多(大约1:10_或者甚至1:100的比值)。当使用自我限制外延生长处理和深度模制衬底来定义吸收体贴片252的尺寸w3时，沟槽的宽度w4可以低于1μm，或者低于200nm，或者甚至低于100nm(例如参见授予von等人的国际专利申请号WO 2011/135432，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。或者，当使用ART的方法来定义吸收体贴片252的尺寸w3时，沟槽253的宽度w4可以由电介质窗口的间距定义，并且可以是窄至通过被用于模制电介质掩模的光刻和深反应离子蚀刻技术所能实现的最小宽度。优选的是，CMOS处理的晶片212的背面220和衬底256通过共价结合250”被结合，从而提供密切的电接触，并且优选地只具有很少的或者不具有界面态或者具有例如通过氢钝化的界面态，以便改进晶片212的整个背面220上的吸收体层218”’与漂移区段228之间的界面电荷输运(也就是说为了获得欧姆行为)。为了建立密切的电接触，晶片212的背面和衬底256的结合表面必须是原子平坦的，并且不具有微粒和氧化物。可能合理的做法是在对于无氧化物共价结合所需的表面处理之前对晶片212的背面220和吸收体层256的结合表面实施化学机械抛光步骤。结合处理优选地包括以下步骤：可选的结合前退火以便减少仍被氧化的表面上的水分，以及可选的结合后退火。结合前和结合后退火步骤在低温下实施。退火温度的范围可以是100℃到200℃之间，或者200℃到300℃之间，或者300℃到400℃之间。在任何情况下，退火温度必须低于大约450℃，以避免CMOS处理的晶片212的金属化发生解体。不同吸收体贴片252可以通过基本上在吸收体的整个表面上延伸的金属化背面接触件232’被电连接。
当大电压230被施加到吸收体218”’的金属化背面接触件232’从而基本上导致CMOS处理的晶片212的吸收体218”’和漂移区段228耗尽时，由所吸收的高能材料粒子或光子生成的e-h对在相关联的电场中被分离，并且分别由定义像素尺寸L的植入物238和金属电极232’收集。
现在参照图5A-5G，单片像素检测器310的制作300可以包括以下步骤。在第一步骤(图5A)中，对可以是轻度n型掺杂或轻度p型掺杂并且具有优选地高于500Ωcm的电阻率的Si晶片312进行CMOS处理，以便获得读出电子装置314，其部分340可以被包含在每一个尺寸为L的像素中，所述尺寸L由电荷收集植入物338的间距定义。在第二步骤(图5B)中，可以把处置晶片360结合到晶片312的可选地化学机械抛光的表面316上。CMOS晶片312的表面316与处置晶片360的表面362之间的结合370可以不是永久性结合，但是必须足够强从而允许在第三步骤(图5C)中例如在一个化学机械抛光步骤中减薄CMOS晶片，以便把轻度掺杂区块328’的厚度d1减小到低于200μm。在该实施例的一个优选方面中，厚度d1低于100μm，并且在一个更加优选的方面中可以低至例如10-20μm。在第四步骤(图5D)中，正如本领域内已知的那样，可以通过在中性化等离子体中对表面氧化物进行溅射蚀刻来准备减薄CMOS晶片312的表面320’和厚度为d2的吸收体晶片318(其具有下表面334)的上表面336(其也可能经历了化学机械抛光和可选的浅氢植入)，以供进行无氧化物共价结合(例如参见C.的ECS Trans.64，103(2014年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。第五步骤(图5E)中的低温下的可选的结合前退火和可选的结合后退火(其范围优选的是大约100℃到200℃之间，或者200℃到300℃之间，或者300℃到400℃之间)提供CMOS处理的减薄晶片312’的背面320’与吸收体晶片318的表面336之间的强力并且导电的结合350。可选的结合后退火可以帮助消除阻断跨越结合界面的电荷输运的任何界面势垒，这例如是通过使得可选地植入的氢钝化悬挂键，从而获得欧姆行为。
如果吸收体材料的特性在于其热膨胀系数关于Si晶片312’的热膨胀系数的较大失配，则优选地在结合后退火之前在第六步骤(图5F)中以通过宽度为w2的沟槽354分开的宽度为w1的不同贴片352的形式模制吸收体晶片318’。不同吸收体贴片352的宽度w1可以大于、等于或小于由植入物338定义的像素尺寸L。沟槽354的宽度w2优选地小于吸收体贴片352的尺寸w1，或者甚至更加优选的是小得多。沟槽354的宽度w2可以窄至通过本领域内已知的光刻和深反应离子蚀刻技术所能实现的最小宽度(例如参见X.Li等人的Sensors andActuators A87，139(2001年)以及E.H.Klaassen的Sensors and Actuators A52，132(1996年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。可能合理的做法是用电介质膜376涂覆不同吸收体贴片352的侧壁374，从而提供表面钝化并且从而减小像素传感器的操作期间的泄漏电流。在第七步骤(图5G)中，可以可选地用绝缘材料372填充沟槽354，并且可以把金属接触件332’优选地形成为将不同吸收体贴片352并联的连续金属化层。
当大电压330被施加到吸收体318’的金属化背面接触件332’从而基本上导致减薄CMOS处理的晶片312’的吸收体318’和漂移区段328’耗尽时，由所吸收的高能材料粒子或光子生成的e-h对在相关联的电场中被分离，并且由像素检测器310的植入物338收集。
现在参照图6A-6K，单片像素检测器410的制作400可以包括以下步骤，但是不一定按照所示出的顺序来执行。在第一步骤(图6A)中，对例如可以是轻度n型掺杂或轻度p型掺杂并且具有优选地高于500Ωcm的电阻率的具有正面416和背面420的Si晶片412进行CMOS处理，以便获得读出电子装置414，其部分440可以被包含在每一个尺寸为L的像素中，所述尺寸L由电荷收集植入物438的间距定义。在第二步骤(图6B)中，可以对Si晶片456进行模制和清洁以便充当衬底，从而用于以通过宽度为w4的沟槽454分开的宽度为w3并且高度为h2的不同贴片452的形式外延生长吸收体418。不同吸收体贴片452的宽度w3可以大于、等于或小于由植入物438定义的像素尺寸L。当使用自我限制外延生长处理和深度模制衬底来定义吸收体贴片452的尺寸w3时，沟槽的宽度w4可以低于1μm，或者低于200nm，或者甚至低于100nm(例如参见授予von等人的国际专利申请号WO 2011/135432，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。或者，当使用ART的方法来定义吸收体贴片452的尺寸w3时，沟槽的宽度w4可以由电介质窗口的间距定义，并且可以是窄至通过本领域内已知的光刻和深反应离子蚀刻技术所能实现的最小宽度(例如参见X.Li等人的Sensors and Actuators A87，139(2001年)以及E.H.Klaassen的Sensors and Actuators A52，132(1996年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。在外延生长之后，可以可选地通过电介质钝化层来钝化不同贴片452的侧壁474。所述钝化层例如可以包括被设计成在像素传感器410处于操作中时控制沿着侧壁474的表面泄漏的第一电介质层436。第一电介质层可以是热氧化物或者通过原子层沉积(ALD)形成的氧化物。所述钝化层可以可选地包括第二电介质层476，其可以为侧壁474提供针对环境影响的附加保护。第二电介质层例如可以由Al2O3制成，正如本领域内已知的那样，可以通过原子层沉积来沉积Al2O3。可以附加地通过电介质填充材料472来填充沟槽454，以便在用于针对后续的晶片结合步骤准备吸收体表面434的可选的化学机械抛光步骤中提供稳定性。
参照图6C，在第三步骤中，Si晶片412的表面416在被结合到处置晶片460的表面462之前可以经历可选的化学机械抛光步骤，以作为例如在化学机械抛光步骤中的漂移区段428的后续减薄中提供机械稳定性的一种手段。参照图6D，在类似的第四步骤中，可以把外延吸收体418的表面434结合到处置晶片480的表面482，以作为例如在化学机械抛光步骤中的衬底456的后续减薄中提供机械稳定性的一种手段。现在参照图6E，在第五步骤中，例如在等离子蚀刻或化学机械抛光步骤中减薄CMOS处理的晶片412的漂移区段428。具有漂移区段428’的减薄晶片412’的厚度d1优选地处于大约10-100μm之间，并且甚至更加优选的是处于大约10-20μm之间。现在参照图6F，在第六步骤中，例如在等离子蚀刻或化学机械抛光步骤中减薄衬底456。减薄衬底456’的厚度d2优选地处于大约10-100μm之间，并且甚至更加优选的是处于大约10-20μm之间。可以可选地为减薄晶片412’的表面420’和减薄衬底456’的表面490’提供浅氢植入，并且例如通过在中性化等离子体中对表面氧化物进行溅射蚀刻而准备所述表面以供进行共价结合，正如本领域内已知的那样(例如参见C.的ECSTrans.64，103(2014年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。现在参照图6G，在第七步骤中，将减薄衬底456’或减薄CMOS晶片412’上下翻转，从而使得被准备用于晶片结合的表面420’和490’彼此面对，以便在去除表面氧化物之前的可选的结合前退火之后的第八步骤(图6H)中在共价结合450中联结所述表面。可选的结合前和结合后退火步骤都在低温下实施。退火温度的范围可以是100℃到200℃之间，或者200℃到300℃之间，或者300℃到400℃之间。在任何情况下，退火温度必须低于大约450℃，以避免CMOS处理的晶片412’的金属化发生解体。可选的结合后退火可以帮助消除阻断跨越结合界面的电荷输运的任何界面势垒，这例如是通过使得可选地植入的氢钝化悬挂键，从而获得欧姆行为。在可选的结合后退火之后，在第九步骤(图6I)中去除处置晶片480，从而再次暴露出吸收体贴片452的表面434。现在参照图6J，在第十步骤中，可以对吸收体贴片452的表面434实施可选的清洁步骤，以便去除处置晶片480的结合残留物。随后，除非在第二步骤(图6B)中已经用填充材料472填充了沟槽454，否则可以可选地用填充材料472’填充所述沟槽。现在参照图6K，在第十一步骤中，可以通过用充当金属接触件的金属层432对吸收体贴片452的表面434进行金属化而最终获得完成的像素检测器410，其中高压引线430可以被附着到金属层432以便耗尽漂移区段428’、456’和吸收体418。
制作400对于与Si衬底456晶格失配并且热失配的吸收体层418可以是像素检测器410的最优选的制作方法。吸收体层418的最优选的材料可以是Si1-xGex合金，其优选地可以具有高于20％的Ge含量。具有大约0.6≤x≤0.8的高Ge含量x的Si1-xGex合金可以是特别适合用于吸收体层418的合金。由具有高Ge含量的Si1-xGex合金制成的厚度为100-200μm的吸收体层特别适合于被限制到低于40keV的X射线能量的应用，比如乳房X射线摄影应用。最优选的Si1-xGex合金可以被组成分级到大约0.6≤x≤0.8的高Ge含量x，并且可选地具有基本上等于分级部分的最终组成的恒定组成的帽区，所述分级部分例如可以被线性地分级。在像素检测器410的最优选的制作400中，Si衬底456与像素化吸收体418之间的界面458基本上是无缺陷的。这例如可以通过选择形成像素化吸收体418的半导体贴片452的宽度w3和分级率从而使得二者都足够小以便允许吸收体418的外延生长期间的错配应力的弹性松弛而实现，正如在阶梯式分级SiGe纳米结构的更简单的实例中被证明是有效的那样(例如参见M.Salvalaglio等人的J.Appl.Phys.116，104306(2014年)以及F.Isa等人的ActaMaterialia 114，97(2016年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。分级率可以优选地被选择成低于大约3％，或者低于大约2％，或者甚至低于1％。在该实施例的其他方面中，像素化吸收体418的衬底456与贴片452之间的界面区域458可以不是基本上无缺陷的，但是其尺寸足够小，从而当大电压430被施加到减薄CMOS处理的晶片412’的吸收体418的金属化背面接触件432和植入物438时，把暗电流保持在可接受的水平。这样的小界面区段通常例如被采用在长宽比捕获(ART)的技术中，其中穿透位错被捕获在将半导体选择性地生长到其中的电介质掩模中的窗口的侧壁处(例如参见I.等人的IEDM 2014，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。借助于ART，还可以使用SiGe之外的其他吸收体材料，比如GaAs、Ge、CdTe或CdZnTe。
现在参照图7A-7K，单片像素检测器510的替换制作500可以包括以下步骤，但是不一定按照所示出的顺序来执行。现在参照图7A，在第一步骤中，对例如可以是轻度n型掺杂或轻度p型掺杂并且具有优选地高于500Ωcm的电阻率的具有正面516和背面520的Si晶片512进行CMOS处理，以便获得读出电子装置514，其部分540可以被包含在每一个尺寸为L的像素中，所述尺寸L由电荷收集植入物538的间距定义。现在参照图7B，在第二步骤中，可以对Si晶片556进行模制和清洁以便充当衬底，从而用于以形成与Si衬底556的界面558的不同贴片552的形式外延生长吸收体518。贴片552具有宽度w3和高度为h2，并且通过宽度为w4的沟槽554分开。不同吸收体贴片552的宽度w3可以大于、等于或小于由植入物538定义的像素尺寸L。吸收体贴片552的高度可以是大约20-50μm，或者优选的是大约50-100μm，或者甚至更加优选的是大约100-200μm。当使用自我限制外延生长处理和深度模制衬底来定义吸收体贴片552的尺寸w3时，沟槽的宽度w4可以低于1μm，或者低于200nm，或者甚至低于100nm(例如参见授予von等人的国际专利申请号WO 2011/135432，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。或者，当使用ART的方法来定义吸收体贴片552的尺寸w3时，沟槽的宽度w4可以由电介质窗口的间距定义，并且可以是窄至通过本领域内已知的光刻和深反应离子蚀刻技术所能实现的最小宽度(例如参见X.Li等人的Sensors and Actuators A87，139(2001年)以及E.H.Klaassen的Sensors and Actuators A52，132(1996年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。在外延生长之后，可以可选地通过电介质钝化层来钝化不同贴片552的侧壁574。所述钝化层例如可以包括被设计成在像素传感器510处于操作中时控制沿着侧壁574的表面泄漏的第一电介质层536。第一电介质层可以是热氧化物或者通过原子层沉积(ALD)形成的氧化物。所述钝化层可以可选地包括第二电介质层576，其可以为侧壁574提供针对环境影响的附加保护。第二电介质层例如可以由Al2O3制成，正如本领域内已知的那样，可以通过原子层沉积来沉积Al2O3。可以附加地通过电介质填充材料572来填充沟槽554，以便在用于针对后续的共价晶片结合步骤准备吸收体表面534的可选的化学机械抛光步骤中提供稳定性。
现在参照图7C，在第三步骤中，Si晶片512的表面512在被结合到处置晶片560的表面562之前可以经历可选的化学机械抛光步骤，以作为例如在化学机械抛光步骤中的漂移区段528的后续减薄中提供机械稳定性的一种手段。现在参照图7D，在第四步骤中，可以对外延吸收体518的表面534实施化学机械抛光步骤，从而可以把外延吸收体的高度略微减小例如1-4μm到高度h3。现在参照图7E，在第五步骤中，例如在等离子蚀刻或化学机械抛光步骤中减薄CMOS处理的晶片512的漂移区段528。具有漂移区段528’的减薄晶片512’从而取得厚度d1，其优选地处于大约10-100μm之间，并且甚至更加优选的是处于大约10-20μm之间。在第六步骤中，正如本领域内已知的那样，可以可选地为减薄晶片512’的表面520’和吸收体518的表面534提供浅氢植入，并且例如通过在中性化等离子体中对表面氧化物进行溅射蚀刻而准备所述表面以供进行共价结合(例如参见C.的ECS Trans.64，103(2014年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)，并且在可选的结合前退火之后在共价结合550中联结所述表面(图7F)。随后可以对共价结合550实施可选的结合后退火。可选的结合前和结合后退火步骤都在低温下实施。退火温度的范围可以是100℃到200℃之间，或者200℃到300℃之间，或者300℃到400℃之间。在任何情况下，退火温度必须低于大约450℃，以避免CMOS处理的晶片512’的金属化发生解体。可选的结合后退火可以帮助消除阻断跨越结合界面的电荷输运的任何界面势垒，这例如是通过使得可选地植入的氢钝化悬挂键，从而获得欧姆行为。在可选的结合后退火之后，可以在第七步骤(图7G)中去除外延吸收体518，这是通过化学机械抛光或等离子蚀刻步骤暴露出吸收体贴片552的表面558’。特别在其与衬底512、512’的界面不是无缺陷的情况下，可能有利的是在该蚀刻步骤期间还蚀刻掉吸收体贴片552的一部分以便将其高度减小到h4。高度h4可以比高度h3小几μm，从而除了错配位错之外，在该蚀刻步骤中还去除穿透位错。现在参照图7H，在第八步骤中，可以通过用充当金属接触件的金属层532对吸收体贴片552的表面558’进行金属化而最终获得完成的像素检测器510，其中高压引线530可以被附着到金属层532以便耗尽漂移区段528和吸收体518。
像素检测器510的制作500的优点在于，在检测器操作期间只需要耗尽减薄漂移区段528’的厚度d1连同吸收体贴片552的h4。制作500对于与Si衬底556晶格失配并且热失配的吸收体层518也可以是像素检测器510的优选制作方法。吸收体层518的优选材料可以是Si1-xGex合金，其优选地可以具有高于20％的Ge含量。具有大约0.6≤x≤0.8的高Ge含量x的Si1-xGex合金可以是特别适合用于吸收体层518的合金。由具有高Ge含量的Si1-xGex合金制成的厚度为100-200μm的吸收体层也特别适合于被限制到低于40keV的X射线能量的应用，比如乳房X射线摄影应用。最优选的Si1-xGex合金可以被组成分级到大约0.6≤x≤0.8的高Ge含量x，并且可选地具有基本上等于分级部分的最终组成的恒定组成的帽区，所述分级部分例如可以被线性地分级。在像素检测器510的最优选的制作500中，Si衬底556与像素化吸收体518之间的界面558基本上是无缺陷的。这例如可以通过选择形成像素化吸收体518的半导体贴片552的宽度w3和分级率从而使得二者都足够小以便允许吸收体518的外延生长期间的错配应力的弹性松弛而实现，正如在阶梯式分级SiGe纳米结构的更简单的实例中被证明是有效的那样(例如参见M.Salvalaglio等人的J.Appl.Phys.116，104306(2014年)以及F.Isa等人的Acta Materialia 114，97(2016年)，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。分级率可以优选地被选择成低于大约3％，或者低于大约2％，或者甚至低于1％。在该实施例的其他方面中，像素化吸收体518的衬底556与贴片552之间的界面区域558可以不是基本上无缺陷的，但是其尺寸足够小，从而当大电压530被施加到减薄CMOS处理的晶片512’的吸收体518的金属化背面接触件532和植入物538时，把暗电流保持在可接受的水平。正如本领域技术人员已知的那样，这样的小界面区段通常例如被采用在长宽比捕获(ART)的技术中，其中穿透位错被捕获在将半导体选择性地生长到其中的电介质掩模中的窗口的侧壁处(例如参见I.等人的IEDM San Francisco，2010年，其全部公开内容通过引用的方式被合并在此)。借助于ART，还可以使用SiGe之外的其他吸收体材料，比如GaAs、Ge、CdTe或CdZnTe。
具有单片CMOS集成像素检测器的光子计数CBCT的示例性应用
本发明的CBCT被集成到并且使用在后面的医疗应用(人类或兽医)以及后面所描述的其他应用的方法中。
投影放射照相实例
本发明的CBCT被用作数字放射照相系统，其中透射过对象的X射线在FPD中被转换成电信号，从而生成数字信息，所述数字信息被传送并且转换成在本地或者远程地显示在计算机屏幕上的图像。
存在许多病况，其中通过普通X光片与合并本发明的CBCT的系统和方法相组合而获得经典诊断。系统和方法的实例包括用以诊断各种类型的关节炎和肺炎、骨肿瘤、骨折、先天性骨骼异常等等的那些系统和方法。
介入放射医疗实例
通过引入单片CMOS集成像素FPD允许取代荧光屏设计中的碘化铯(CsI)屏幕。因此，即使在应用领域相同的情况下，“四维CT”(4DCT)也会比“荧光检查”更准确地定义本发明的CBCT。具有单片CMOS集成像素检测器的光子计数CBCT允许对运动中的解剖结构进行实时成像，并且可选地通过放射性对比剂来增强所述方法。通过吞咽或注射到患者体内而施用放射性对比剂以便勾画血管和各种系统的解剖结构、机能，例如生殖泌尿系统或胃肠道。当前通常使用两种放射性对比剂。通过口服或直肠给药向病患施用硫酸钡(BaSO4)以用于对胃肠道进行评估。通过口服、直肠给药、动脉内或静脉内途径给出各种剂型中的碘。这些放射性对比剂吸收或散射X射线，并且与实时成像相结合允许对消化道中的动态生理过程或者血管系统中的血流进行成像。碘对比剂还以不同于正常组织中的浓度集中在异常区域中，从而使得异常(例如肿瘤、囊肿、发炎区域)可见。
更一般来说，CBCT被使用在介入放射医疗系统和方法中。介入放射医疗包括由成像系统利用具有本文中描述的FPD的系统和方法而引导的最小侵入性规程。这些规程是诊断性的或者涉及治疗，比如血管造影介入以及随之使用的系统。示例性的系统包括应以诊断和/或治疗周围性血管疾病、肾动脉狭窄、下腔静脉滤器放置、胃造口管放置、胆管支架介入以及肝脏介入的那些规程。此外还包括非血管造影规程，比如图像引导整形、胸部、腹部、头部和颈部以及神经外科手术，活组织检查，近距离放射疗法或外部束放射疗法，经皮引流和支架放置或射频消融。借助于利用像素检测器的系统而产生的图像被用于引导。借助于光子计数FPD产生的图像提供映射图，从而允许介入放射科医师引导仪器经过病患的身体到达包含病状的区域。这些系统和方法比如在血管造影介入或非血管造影规程中最小化对病患造成的身体组织创伤、减少感染率、恢复时间和住院时间，其中非血管造影规程比如有图像引导整形、胸部、腹部、头部和颈部以及神经外科手术，活组织检查，近距离放射疗法或外部束放射疗法，经皮引流和支架放置或射频消融。
附录
下面的美国专利文献、外国专利文献以及附加的出版物通过引用的方式被合并在本文中并且受到信赖：
美国专利文献
5,712,484 1/1998，Harada等人
6,787,885 B2 9/2004，Esser等人
8,237,126 B2 8/2012，von等人
8,378,310 B2 2/2009，Bornefalk等人
8,792,965 B2 7/2014，Ning等人
其他专利文献
EP0571135 A2 11/1993，Collins等人
WO02/067271 A2 8/2002，Ruzin
EP1691422 A1 8/2006，Yasuda等人
WO2006117720 A2 11/2006，Proksa等人
WO2011102779 A1 8/2011，Danielsson等人
WO2011/135432 A1 11/2011，von 等人
WO2014123726 A1 8/2014，Ning等人
附加的出版物
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http://www.canberra.com/products/detectors/germanium-detectors.asp
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锗检测器
图8示出锗检测器的实例的透视图。
介绍
锗检测器是具有p-i-n结构的半导体二极管，其中本征(i)区段对电离辐射敏感，特别是x射线和γ射线。在反向偏置下，电场延伸跨越本征或耗尽区段。当光子与检测器的耗尽体积内的材料相互作用时，载荷子(空穴和电子)被产生并且被电场扫到p和n电极。该电荷与进入的光子在检测器中储蓄的能量成比例，并且由积分电荷灵敏前置放大器转换成电压脉冲。
由于锗具有相对较低的带隙，因此这些检测器必须被冷却，以便把载荷子的热生成(从而把反向泄漏电流)减小到可接受的水平。否则，泄漏电流引发的噪声会破坏检测器的能量解析。图9是示出“典型分辨率与能量关系”的图示。具有77°K的温度的液态氮是用于此类检测器的常用冷却介质。检测器被安放在真空腔室中，所述真空腔室被附着到或者插入到LN2杜瓦瓶中。敏感的检测器表面从而受到针对水分和可冷凝污染物的保护。
锗检测器
锗检测器的类型
CANBERRA给出行业内的检测器类型的最广泛的选择。通过在材料和处理技术方面都采用适当的技术，CANBERRA可以给出用于多种应用的最优检测器。我们使用p型和n型锗全部二者，并且我们使用扩散、植入和势垒接触来实现这一产品多样性。
低温恒温器
在确保Ge检测器系统的可靠长期性能方面，液态氮低温恒温器是最重要的并且可能是被认识最少的组件。CANBERRA按照严格的质量标准制造其自身的低温恒温器，以便在最严苛的操作条件下确保长检测器寿命。
标准的CANBERRA低温恒温器是我们的Slimline Design，其中检测器腔室和前置放大器被一起包装在紧凑的圆筒中。
低能量检测器(比如Ultra-LEGe和Si(Li))使用我们的带凸缘的低温恒温器，所述带凸缘的低温恒温器与这种类型的检测器的相关联的小直径(25mm)端帽是相容的。带凸缘的低温恒温器可以作为用于其他检测器类型的额外成本选项。
CANBERRA还给出一系列可折叠的低温恒温器，所述可折叠的低温恒温器与包装在小真空腔室中的检测器相结合可以在现场被重新配置。
对于需要无液态氮操作的应用，CANBERRA给出Cryolectric II。这一电冷却的低温恒温器使用无CFC的制冷剂，并且非常适合于使用在工业和实验室应用中。
图10示出关于“结构代码”和“检测器类型”的信息。
图11是示出“对应于具有2.5cm源到端帽间距的各种Ge检测器的典型绝对效率曲线”的图示。
锗检测器
前置放大器
仅有两种基本类型的前置放大器使用在Ge检测器上。这些前置放大器是采用动态电荷恢复(RC反馈)或脉冲电荷恢复(脉冲光学或晶体管重置)方法对积分器进行放电的电荷灵敏前置放大器。后图示出了作为反馈电阻器数值和被限制到大约20伏特的积分器的动态输出电压范围的函数的解耦RC反馈前置放大器的能率限制。
每单位储蓄能量由Ge产生的载荷子＝1/2.98
其中，Detector Current——检测器电流；Energy Rate——能率
charge——电荷；energy——能量；Coulomb——库仑；Charge per chargecarrier——每载荷子电荷；To second stage——去往第二级；
The energy rate limit…and dynamic range——RC前置放大器的能率限制是反馈电阻器数值(Rf)和动态范围的函数
Assuming——假设；Energy Rate Limit——能率限制
For 2 Gigohms–Limit is 200 000MeV/s——对于2吉欧，限制是200000MeV/s
For 0 5 Gigohms–Limit is 800 000MeV/s——对于0.5吉欧，限制是800000MeV/s
通过选择更低数值的反馈电阻器可以非常显著地增大能率限制，当然伴随着噪声的增加。图12示出了典型的检测器上的实际性能数据。
脉冲光学重置前置放大器被广泛地使用在其中分辨率是极重要的考虑因素的低能量检测器。只要每个事件的平均能量是低到中等，去除反馈电阻器就会减少噪声而不会对停滞时间(dead time)有严重影响。在5.9keV/事件下，CANBERRA 2008前置放大器可以在重置之间处理几乎1000个脉冲。由于重置恢复时间是2-3个前置放大器脉冲宽度，因此在这种情况下只丢失很少的数据。但是由于FET中的光激活的表面态，光学反馈系统可以表现出较长的恢复时间。对于组件的适当选择和处理可以最小化所述问题，但是所述问题在脉冲光学系统中通常在某种程度上存在。对于其中重置必然会非常频繁地发生(可能在少至10个事件之后发生)的高能量，这一乱真响应可能是严重的问题。其结果是，脉冲光学反馈系统通常不与同轴检测器一起使用。
为了尝试克服与高能量、高速率系统中的脉冲光学重置前置放大器相关联的问题而开发了晶体管重置前置放大器。通过连接到FET栅极的晶体管开关对反馈电容器进行放电。该晶体管对输入电路增加了一些电容和噪声，但是这在涉及高技术或能率的大多数应用中是可以容忍的。与具有针对高速率性能选择的反馈电阻器的RC前置放大器相比，晶体管重置前置放大器将表现出更少的噪声，但是将牺牲停滞时间，这是因为放大器将需要2-3个脉冲宽度从前置放大器的周期性重置恢复。因此，在需要高吞吐率的应用中，晶体管重置前置放大器不是好的选择。晶体管重置前置放大器可以被使用在其中能率高到使得RC前置放大器可能饱和的情况中——但是在这种情况下吞吐率可能逐渐变小。
系统
除了NIM、MCA以及在本目录中的别处所描述的计算系统之外，CANBERRA还给出被设计成补充我们的锗检测器系列的许多选项和配件。下面是我们给出的装备和系统的部分列表。这些系统当中的一些在分开的规范清单和手册中进行了描述，其他的则是定制的。我们准备好提出并且提供将满足您的具体需求的系统。请联系您的本地CANBERRA代表或工厂，描述您的问题或应用，我们将立即向您发送提案。
配件
液态氮供应杜瓦瓶
LN2运输设备
自动LN2运输系统
LN2水平警报器
用于低水平计数的铅屏蔽
Compton抑制谱仪
细化结果
示出165个结果当中的1到10
出版物
Helical cardiac cone beam reconstruction using retrospective ECGgating
Due to the increased detector width，true cone beam reconstructionmethods are needed instead of adapted 2D reconstruction schemes.
出版物
The n-PI method for helical cone beam CT
These acquisition schemes are based on a new detector shape that isbounded by the helix.
出版物
Determination of temporal and spatial resolution of retrospectivelygated cardiac cone beam CT
The projection data were generated using a 16-slice cone beam CTsystem in low-pitch helical mode with parallel ECG recording.
案例研究
Cen r l Gipps an eal h Se·ces upgrades to a v nced imaging cpabilities
Nano-Panel Detector Philips leadership in future-proof detectortechnology continues with the miniaturization of detector components.
白皮书
ClearRay reconstruction：Scatter and beam hardening correction
The correction curve is calculated uniquely for each detector at allof the system′s X-ray tube potential settings and is applied to eachdetector′s reading at each angle of the gantry.
Evolve to Essence
Fig 3：Segmented Anode Fig 4：Spiral Groove Bearing Fig 5：Smart FocalSpot Nano-Panel detector system MDCT scanning with thin slices(e.g.，0.625mm)，wide coverage，high resolution.and fast rotation speeds requires a highlyadvanced detector system tocomplement the MRC tube.
新闻
The Essence of good image quality
Smart focal spot-Dynamic focal spot motion doubles the number ofprojections and improves in-plane spatial resolution(up to 24lp/cm)Nano-PanelDetector philips leadership in future-proof detector technology continueswith the miniaturization of detector components.
白皮书
Considerations in cardiac CT：understanding temporal resolution androtation speed for improve cardiac imaging
Comparison of“64”detector CT systems currently on market(12/06).
出版物
Automatic phase determination for retrospectively gated cardiac CT
Automatic phase detennination for retrospectively gated cardiac CTPublication Philips CTClinical Science·Philips Healthcare Manzke R，Kohler T，Nielsen T，Hawkes D，Grass M Philips Research Laboratories，Sector TechnicalSystems，Roentgenstrasse，24-26，D-22335Hamburg.Germanyrobert.manzke@philips.comThe recent improvements in CT detector and gantry technol...
新闻
Step&Shoot delivers patient focused care at Sydney X-Ray
Thin-stice images are reconstructed using dedicated advanced conebeamreconstruction algorithms that minimize artifacts.
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图13示出了表明用于高能物理中的跟踪应用的混合硅像素检测器的潜力的图像。该图像示出在1995年的WA97实验中飞过具有50万像素的望远镜的153道高能粒子轨迹。该图像中的每一个红点表明被一道轨迹命中的一个像素，并且没有给出错误命中(falsehit)的像素。因此通过1毫秒快门时间拍摄的该图像是无噪声的！这是使得几乎所有的LHC实验对于其顶点检测器(vertex detector)都采取混合像素技术的关键参数。这也是该技术对于成像应用是如此独特的原因。
通过Medipix芯片系列，我们致力于把由于CERN的大型强子对撞机实验的需求所开发的技术传播到其他科学领域。
这项活动开始于90年代，当时4个机构的小范围协作产生了Medipix1或光子计数芯片(PCC)，从而表明了所述新技术提供无噪声单光子计数的潜力。
在1990年代末形成了Medipix2协作，其目的是利用深亚微米CMOS的潜力缩小像素尺寸并且增加每个芯片的像素数目。Medipix2芯片就是这一努力的结果。
在该芯片的广泛表征期间我们认识到，传感器内的电荷扩散最终限制了所述芯片对于小像素尺寸的性能。随着超深亚微米CMOS处理的出现，现在有可能通过允许像素在逐个事件的基础上彼此通信来缓解电荷扩散的效应。此外，现在有可能把2个计数器集成在单个小像素上，从而允许在拍摄一幅图像的同时读出前一幅图像。这正是Medipix3协作希望实现的目标。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种锥形束计算机断层扫描(CBCT)系统，包括：
a、至少一个X射线源(9)；以及
b、被布置成用于直接检测X射线的单片平板检测器(8，10，210，210’，210”，210”’，310，410，510)(FPD)，其中由单晶材料制成的至少一个吸收体晶片(18，50，218，218’，218”，218”’，318’，418，518)与具有CMOS处理的正面(16，216，316，416，516)和背面(20，220，320’，420’，520’)的至少一个读出晶片(12，212，312’，412’，512’)通过共价晶片结合(250，250’，250”，350’，450，550)被晶片结合，并且所述至少一个CMOS处理的读出晶片(12，212，312’，412’，512’)通过植入物(38，238，338，438，538)与所述至少一个吸收体晶片进行通信，所述植入物被布置成收集由入射在吸收体晶片上的X射线(22)生成的电信号；以及
c、提供数据收集、计算和/或存储功能的一个或多个设备，其被安排并且连接成接收来自FPD(8，10，210，210’，210”，210”’，310，410，510)的电信号并且在至少一个计算机屏幕上生成计算机断层扫描图像。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个X射线源和FPD被安放在C形臂上从而允许介入放射医疗。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个X射线源和FPD被安放在C形臂上从而允许用于乳房X射线摄影的3D成像。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，FPD(8，10，210，210’，210”，210”’，310，410，510)和所述提供数据收集的一个或多个设备被配置成提供光子计数能力从而允许能量解析单光子计数。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个CMOS处理的读出单元包括厚度为大约10-100μm的至少一个薄硅晶片。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个CMOS处理的读出单元包括厚度为大约10-20μm的至少一个薄硅晶片。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述单片FPD(8，10，210，210’，210”，210”’，310，410，510)包括所述至少一个吸收体晶片(18，50，218，218’，218”，218”’，318’，418，518)与所述至少一个CMOS处理的读出晶片(12，212，312’，412’，512’)的背面(20，220，320’，420’，520’)之间的无氧化物共价晶片结合(250，250’，250”，350’，450，550)。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，FPD包括可对接贴片，并且FPD包括至少20x20cm2的面积。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述可对接贴片之间的间距处于50-100μm的范围内。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，FPD适于提供100-200μm范围内的空间分辨率。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，FPD适于提供50-100μm范围内的空间分辨率。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，FPD适于提供20-50μm范围内的空间分辨率。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个X射线源、FPD以及提供数据收集、计算和/或存储功能的一个或多个设备适于使用在包括投影放射照相、乳房X射线摄影和介入放射治疗的一组应用当中的一种应用中。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个X射线源、FPD以及提供数据收集、计算和/或存储功能的一个或多个设备适于使用在乳房X射线摄影中。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述吸收体包括其原子数大于Si的原子数的至少一种元素。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述吸收体由包括以下各项的一组吸收体材料当中的至少一种制成：Si，具有0≤x≤1的Ge分数的Si1-xGex合金，GaAs，CdTe，以及具有大约10％的x的Cd1-xZnxTe。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述吸收体由具有0≤x≤1的Ge分数的Si1-xGex合金制成。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述吸收体是Si衬底上的100-200μm厚的外延层。
19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述吸收体由具有0.6≤x≤0.8的Ge分数的Si1- xGex合金制成。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述吸收体是Si衬底上的100-200μm厚的外延层。
21.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个CMOS处理的读出晶片在前表面上包括被配置成接收由所述至少一个吸收体晶片中所吸收的X射线光子生成的模拟电信号的植入物，并且另外的电路将这些电信号放大、整形并且变换成数字信号，以便在所述提供数据收集、计算和/或存储功能的一个或多个设备中进一步进行处理，从而作为计算机断层扫描图像显示在至少一个计算机屏幕上。
22.一种用于实施锥形束计算机断层扫描(CBCT)的方法，所述方法包括以下步骤：
a、提供至少一个X射线源(9)；
b、通过把至少一个单晶吸收体晶片(18，50，218，218’，218”，218”’，318’，418，518)共价结合到至少一个CMOS处理的读出晶片(12，212，312’，412’，512’)而形成单片FPD(8，10，210，210’，210”，210”’，310，410，510)；
c、把FPD以及提供数据收集、计算和存储功能的至少一个设备布置成提供单光子计数能力；
d、对于安放在C形臂(2)上的所述至少一个X射线源和FPD以及被定位在适当的操作位置处的患者，激活所述至少一个读出晶片(12，212，312’，412’，512’)以便与所述提供数据收集、计算和存储功能的至少一个设备进行通信；
e、把所述至少一个设备布置成接收来自FPD的电信号；以及
f、扫描患者；以及
g、在至少一个计算机屏幕上生成计算机断层扫描图像。

Claims (21)

1.一种锥形束计算机断层扫描(CBCT)系统，包括：
a、至少一个X射线源；以及
b、被布置成用于直接检测X射线的平板检测器(FPD)，其中由单晶材料制成的至少一个吸收体与至少一个CMOS处理的读出单元进行通信并且与之形成单片单元，并且所述吸收体被配置成把X射线光子变换成由读出单元收集的电信号；以及
c、提供数据收集、计算和/或存储功能的一个或多个设备，其被安排并且连接成接收来自FPD的电信号并且在至少一个计算机屏幕上生成计算机断层扫描图像。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个X射线源和FPD被安放在C形臂上从而允许介入放射医疗。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个X射线源和FPD被安放在C形臂上从而允许用于乳房X射线摄影的3D成像。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，FPD包括：
a、至少一个CMOS处理的读出单元；以及
b、通过电透明、无氧化物的共价晶片结合与所述至少一个读出单元电通信的至少一个X射线吸收体，并且
其中，FPD被配置成提供光子计数能力从而允许能量解析单光子计数。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个CMOS处理的读出单元包括厚度为大约10-100μm的至少一个减薄硅晶片。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个CMOS处理的读出单元包括厚度为大约10-20μm的至少一个减薄硅晶片。
7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个吸收体在无氧化物共价晶片结合中被结合到所述至少一个CMOS处理的读出单元的后表面上。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，FPD包括可对接贴片，并且FPD包括至少20x20cm2的面积。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述可对接贴片之间的间距处于50-100μm的范围内。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，FPD适于提供100-200μm范围内的空间分辨率。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，FPD适于提供50-100μm范围内的空间分辨率。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个X射线源、FPD以及提供数据收集、计算和/或存储功能的一个或多个设备适于使用在包括投影放射照相、乳房X射线摄影和介入放射治疗的一组应用当中的一种应用中。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个X射线源、FPD以及提供数据收集、计算和/或存储功能的一个或多个设备适于使用在乳房X射线摄影中。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述吸收体包括其原子数大于Si的原子数的至少一种元素。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述吸收体由包括以下各项的一组吸收体材料当中的至少一种制成：Si，具有0≤x≤1的Ge分数的Si1-xGex合金，GaAs，CdTe，以及具有大约10％的x的Cd1-xZnxTe。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述吸收体由具有0≤x≤1的Ge分数的Si1-xGex合金制成。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述吸收体是Si衬底上的100-200μm厚的外延层。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述吸收体由具有0.6≤x≤0.8的Ge分数的Si1- xGex合金制成。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述吸收体是Si衬底上的100-200μm厚的外延层。
20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个CMOS处理的读出单元包括被配置成接收由所述至少一个吸收体中所吸收的X射线光子生成的模拟电信号的植入物，并且另外的电路将这些电信号放大、整形并且变换成数字信号，以便在所述提供数据收集、计算和/或存储功能的一个或多个设备中进一步进行处理，从而作为计算机断层扫描图像显示在至少一个计算机屏幕上。
21.一种用于实施锥形束计算机断层扫描(CBCT)的方法，所述方法包括以下步骤：
a、提供至少一个X射线源；
b、使用来自被共价结合到至少一个CMOS处理的读出单元的至少一个单晶吸收体的FPD，所述至少一个读出单元具有单光子计数能力；
c、对于安放在C形臂上的所述至少一个X射线源和FPD以及被定位在适当的操作位置处的患者，激活所述至少一个读出单元以便与提供数据收集、计算和存储功能的至少一个设备进行通信；
d、把所述至少一个设备布置成接收来自FPD的电信号；以及
e、扫描患者；以及
f、在至少一个计算机屏幕上生成计算机断层扫描图像。
CN201680058267.3A 2015-08-31 2016-08-31 具有单片cmos集成像素检测器的光子计数锥形束ct装置 Pending CN108140658A (zh)

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