CN108369285B - 半导体x射线检测器的封装方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于制作适合于检测X射线的装置的方法，该方法包括：使多个晶片(810,910)接合到衬底(830)；其中该衬底(830)包括X射线吸收层(110)，X射线吸收层(110)包括第一多个电触点(119B)；其中每个多个晶片(810,910)包括电子层(120)，电子层(120)包括第二多个电触点(125)和电子系统(121)，其配置成处理或解释X射线吸收层(110)上入射的X射线光子产生的信号；使第一多个电触点(119B)与第二多个电触点(125)对齐；将晶片(810,910)安装到衬底(830)使得第一多个电触点(119B)电连接到第二多个电触点(125)；其中第二多个电触点(125)配置成将信号馈送到电子系统(121)。

Description

半导体X射线检测器的封装方法
【技术领域】
本公开涉及X射线检测器，特别涉及用于封装半导体X射线检测器的方法。
【背景技术】
X射线检测器可以是用于测量X射线的通量，空间分布，光谱或其他性质的设备。
X射线检测器可用于许多应用。一个重要应用是成像。X射线成像是放射摄影技术，并且可以用于揭示组成不均匀和不透明物体(例如人体)的内部结构。
早期用于成像的X射线检测器包括照相底片和照相胶片。照相底片可以是具有感光乳剂涂层的玻璃底片。尽管照相底片被照相胶片取代，由于它们所提供的优越品质和它们的极端稳定性而仍可在特殊情形中使用它们。照相胶片可以是具有感光乳剂涂层的塑胶胶片(例如，带或片)。
在20世纪80年代，出现了光激励萤光板(PSP板)。PSP板可包含在它的晶格中具有色心的萤光材料。在将PSP板暴露于X射线时，X射线激发的电子被困在色心中直到它们受到在板表面上扫描的激光光束的激励。在激光扫描板时，捕获的激发电子发出光，其被光电倍增管收集。收集的光转换成数字图像。与照相底片和照相胶片相比，PSP可以被重复使用。
另一种X射线检测器是X射线图像增强器。X射线图像增强器的部件通常在真空中密封。与照相底片，照相胶片和PSP板相比，X射线图像增强器可产生即时图像，即不需要曝光后处理来产生图像。X射线首先撞击输入萤光体(例如，碘化铯)并且被转换成可见光。可见光然后撞击光电阴极(例如，包含铯和锑复合物的薄金属层)并且促使电子发射。发射电子数量与入射X射线的强度成比例。发射电子通过电子光学器件投射到输出萤光体上并且促使该输出萤光体产生可见光图像。
闪烁体的操作与X射线图像增强器有些类似之处在于闪烁体(例如，碘化钠)吸收X射线并且发射可见光，其然后可以被对可见光合适的图像感测器检测到。在闪烁体中，可见光在各个方向上传播和散射并且从而降低空间解析度。使闪烁体厚度减少有助于提高空间解析度，但也减少X射线吸收。闪烁体从而必须在吸收效率与解析度之间达成妥协。
半导体X射线检测器通过将X射线直接转换成电信号从而在很大程度上克服该问题。半导体X射线检测器可包括半导体层，其在感兴趣波长吸收X射线。当在半导体层中吸收X射线光子时，产生多个载流子(例如，电子和空穴)并且在朝向半导体层上的电触点的电场下扫过它们。当前可用半导体X射线检测器(例如，Medipix)中需要的繁琐的热管理可能使得具有大面积和大量像素的检测器难以生产或不可能生产。
【发明内容】
本文公开用于制作适合于检测X射线的装置的方法，该方法包括：使多个晶片接合到衬底，其中该衬底包括X射线吸收层，其包括第一多个电触点；其中该每个多个晶片包括电子层，该电子层包括第二多个电触点和电子系统，其配置成处理或解释X射线吸收层上入射的X射线光子产生的信号；使第一多个电触点与第二多个电触点对齐；将晶片安装到衬底使得第一多个电触点电连接到第二多个电触点；其中第二多个电触点配置成将信号馈送到电子系统。
根据实施例，所述方法进一步包括使多个晶片附连到支承晶片。
根据实施例，多个晶片利用粘合剂附连到支承晶片。
根据实施例，多个晶片在多个晶片安装到衬底后附连到支承晶片。
根据实施例，多个晶片安装到第二衬底。
根据实施例，所述方法进一步包括去除支承晶片。
根据实施例，去除支承晶片包括研磨或蚀刻支承晶片。
根据实施例，所述方法进一步包括在基体中封装多个晶片。
根据实施例，所述基体包括聚合物或玻璃。
根据实施例，所述基体填充晶片之间的间隙。
根据实施例，所述方法进一步包括使每个晶片的表面暴露。
根据实施例，将晶片安装到衬底包括安装已封装在基体中的晶片。
根据实施例，电子层包括延伸到与X射线吸收层相对的表面的通孔。
根据实施例，所述方法进一步包括使通孔与插入衬底上的接触垫对齐，并且使晶片接合到插入衬底使得通孔电连接到接触垫。
根据实施例，插入衬底包括传输线，其电连接到接触垫并且配置成将接触垫上的信号路由到插入衬底边缘上的接合垫。
根据实施例，所述方法进一步包括将插入衬底安装到印刷电路板或与印刷电路板并排安置插入衬底。
根据实施例，电子层包括第三多个电触点，其配置成读取来自电子系统的输出或向电子系统提供电力或参考电压。
根据实施例，X射线吸收层包括第四多个电触点，其配置成在晶片安装到衬底时与第三电触点连接。
根据实施例，X射线吸收层进一步包括传输线，其配置成将第四多个电触点处的信号路由到X射线吸收层上的接触垫。
【附图说明】
图1A示意示出根据实施例的检测器的横截面图。
图1B示意示出根据实施例的检测器的详细横截面图。
图1C示意示出根据实施例的检测器的备选详细横截面图。
图2示意示出根据实施例设备可具有像素阵列。
图3示意示出根据实施例的检测器中的电子层的横截面图。
图4A-4C图示意示出根据实施例封装检测器100的过程。
图5A-图5F示意示出根据实施例将多个晶片安装到衬底上的过程。
图6A-图6E示意示出根据实施例将多个晶片安装到衬底上的过程。
图7A-7C图示意示出根据实施例将多个晶片安装到衬底上的过程。
图8A-8E图示意示出根据实施例将多个晶片安装到衬底上的过程。
图8F-8I示意示出X射线吸收层和电子层中的信号的路由。
图9示意示出根据实施适合于医学成像(例如胸部X射线放射摄影，腹部X射线放射摄影等)的系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图10示意示出根据实施例适合于牙齿X射线放射摄影的系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图11示意示出根据实施例的货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图12示意示出根据实施例的另一个货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图13示意示出根据实施例的全身扫描器系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图14示意示出根据实施例的X射线电脑断层摄影(X射线CT)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图15示意示出根据实施例的电子显微镜，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图16A和图16B各自示出根据实施例，图1A或图1B中的检测器的电子系统的部件图。
图17示意示出根据实施例流过暴露于X射线的X射线吸收层的二极管的电极或电阻器的电触点的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)，电流由X射线吸收层上入射的X射线光子产生的载流子引起。
图18示意示出根据实施例在采用图8中示出的方式操作的电子系统中噪音(例如，暗电流)引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。
图19示意示出根据实施例在电子系统操作来检测处于较高速率的入射X射线光子时流过暴露于X射线的X射线吸收层的电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)，电流由X射线吸收层上入射的X射线光子产生的载流子引起。
图20示意示出根据实施例在采用图10中示出的方式操作的电子系统中噪音(例如，暗电流)引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。
图21示意示出根据实施例在采用图10中示出的方式(其中RST在TE之前终止)操作的电子系统中由X射线吸收层上入射的一系列X射线光子产生的载流子引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。
【具体实施方式】
图1A示意示出根据实施例的检测器100的横截面图。该检测器100可包括X射线吸收层110和电子层120(例如，ASIC)，用于处理或分析入射X射线在X射线吸收层110中产生的电信号。在实施例中，检测器100不包括闪烁体。X射线吸收层110可包括半导体材料，例如硅、锗、砷化镓、碲化镉、碲锌镉或其组合。半导体对于感兴趣的X射线能量可具有高的质量衰减系数。
如在图1B中的检测器100的详细横截面图中示出的，根据实施例，X射线吸收层110可包括由第一掺杂区111，第二掺杂区113的一个或多个离散区114形成的一个或多个二极管(例如，p-i-n或p-n)。第二掺杂区113可通过可选的本征区112而与第一掺杂区111分离。离散部分114通过第一掺杂区111或本征区112而彼此分离。第一掺杂区111和第二掺杂区113具有相反类型的掺杂(例如，区111是p型并且区113是n型，或区111是n型并且区113是p型)。在图1B中的示例中，第二掺杂区113的每个离散区114与第一掺杂区111和可选的本征区112一起形成二极管。即，在图1B中的示例中，X射线吸收层110具有多个二极管，其具有第一掺杂区111作为共用电极。第一掺杂区111还可具有离散部分。
在X射线光子撞击包括二极管的X射线吸收层110时，X射线光子可被吸收并且通过许多机制产生一个或多个载流子。一个X射线光子可产生10至100000个载流子。载流子可在电场下向二极管中的一个的电极漂移。场可以是外部电场。电触点119B可包括离散部分，其中每个离散部分与离散区114电接触。在实施例中，载流子可在多个方向上漂移使得单个X射线光子产生的载流子大致未被两个不同离散区114共用(“大致未被共用”在这里意指这些载流子中不到2％，不到0.5％，不到0.1％或不到0.01％流向与余下载流子不同的离散区114中的一个)。在这些离散区114中的一个的足迹内入射的X射线光子产生的载流子大致未与这些离散区114中的另一个共用。与离散区114关联的像素150可以是围绕离散区114的区域，由其中入射的X射线光子产生的载流子中的大致全部(超过98％，超过99.5％，超过99.9％或超过99.99％)流向离散区114。即，这些载流子中不到2％，不到1％，不到0.1％或不到0.01％流到像素外。
如在图1C中的检测器100的备选详细横截面图中示出的，根据实施例，X射线吸收层110可包括具有半导体材料(例如硅、锗、砷化镓、碲化镉、碲锌镉或其组合)的电阻器，但不包括二极管。半导体对于感兴趣的X射线能量可具有高的质量衰减系数。
在X射线光子撞击X射线吸收层110(其包括电阻器但不包括二极管)时，它可被吸收并且通过许多机制产生一个或多个载流子。一个X射线光子可产生10至10万个载流子。载流子可在电场下向电触点119A和119B漂移。场可以是外部电场。电触点119B包括离散部分。在实施例中，载流子可在多个方向上漂移使得单个X射线光子产生的载流子大致未被电触点119B的两个不同离散部分共用(“大致未被共用”在这里意指这些载流子中不到2％，不到0.5％，不到0.1％或不到0.01％流向与余下载流子不同的离散区114中的一个)。在电触点119B的这些离散部分中的一个的足迹内入射的X射线光子产生的载流子大致未与电触点119B的这些离散部分中的另一个共用。与电触点119B的离散部分关联的像素150可以是围绕离散部分的区域，由其中入射的X射线光子产生的载流子中的大致全部(超98％，超过99.5％，超过99.9％或超过99.99％)流向电触点119B的离散部分。即，这些载流子中不到2％，不到0.5％，不到0.1％或不到0.01％流到与电触点119B的一个离散部分关联的像素外。
电子层120可包括电子系统121，其适合于处理或解释X射线吸收层110上入射的X射线光子产生的信号。电子系统121可包括例如滤波网路、放大器、积分器和比较器等类比电路或例如微处理器等数字电路和内存。电子系统121可包括像素共用的部件或专用于单个像素的部件。例如，电子系统121可包括专用于每个像素的放大器和在所有像素之间共用的微处理器。电子系统121可通过通孔131电连接到像素。通孔之间的空间可用填充材料130填充，其可使电子层120到X射线吸收层110的连接的机械稳定性增加。在不使用通孔的情况下使电子系统121连接到像素的其他接合技术是可能的。
图2示意示出检测器100可具有像素150的阵列。阵列可以是矩形阵列、蜂窝状阵列、六边形阵列或任何其他适合的阵列。每个像素150可配置成检测其上入射的X射线光子，测量X射线光子的能量或两者兼而有之。例如，每个像素150可配置成在一段时间内对其上入射的、能量落在多个仓中的X射线光子的数目计数。所有像素150可配置成在相同时段内对其上入射的、能量在多个仓内的X射线光子的数目计数。每个像素150可具有它自己的模数转换器(ADC)，其配置成使代表入射X射线光子的能量的类比信号数字化为数字信号。ADC可具有10位或更高的解析度。每个像素150可配置成测量它的暗电流，例如在每个X射线光子入射在其上之前或与之并发。每个像素150可配置成从其上入射的X射线光子的能量减去暗电流的贡献。像素150可配置成平行作业。例如，在一个像素150测量入射X射线光子时，另一个像素150可等待X射线光子到达。像素150可独立寻址但不必如此。
图3示意示出根据实施例的电子层120。电子层120包括衬底122，其具有第一表面124和第二表面128。如本文使用的“表面”不一定被暴露，而可以全部或部分被掩埋。电子层120包括第一表面124上的一个或多个电触点125。该一个或多个电触点125可配置成电连接到X射线吸收层110的一个或多个电触点119B。电子系统121可在衬底122中或衬底122上。电子层120包括一个或多个通孔126，其从第一衬底124延伸到第二表面128。
衬底122可以是变薄衬底。例如，衬底可具有750微米或更少，200微米或更少，100微米或更少，50微米或更少，20微米或更少或5微米或更少的厚度。衬底122可以是硅衬底或其他适合的半导体或绝缘体衬底。衬底122可通过将较厚衬底研磨到期望厚度而产生。
一个或多个电触点125可以是金属或掺杂半导体的层。例如，电触点125可以是金、铜、铂、钯、掺杂硅等。
通孔126经过衬底122并且使第一表面124上的电部件(例如，电触点125和电子系统121)电连接到第二表面128上的电部件。通孔126有时称为“硅直通孔”，但它们可在除硅以外的材料的衬底中制造。第一表面124上的多个电子部件可共用一个通孔126。
图3进一步示意示出在电触点119B和电触点125处X射线吸收层110与电子层120之间的接合。该接合可以通过适合的技术，例如直接接合或倒装接合。
直接接合是没有任何额外中间层(例如，焊料凸点)的晶片接合工艺。接合工艺基于两个表面之间的化学接合。直接接合可在升高的温度下进行但不一定如此。
倒装接合使用沉积到接触垫(例如X射线吸收层110的电触点119B，或电触点125)上的焊料凸点199。X射线吸收层110或电子层120翻转并且X射线吸收层110的电触点119B与电触点125对齐。焊料凸点199可熔化以将电触点119B和电触点125焊接在一起。焊料凸点199之间的任何空隙空间可用绝缘材料填充。
图4A-4C图示意示出根据实施例封装检测器100的过程。
图4A示意示出获得多个晶片。晶片中的每个包括电子层120和电触点125。晶片可通过将晶片切块成具有多个裸片而获得。
图4B示意示出晶片的电触点125与X射线吸收层110的电触点119B对齐。在该视图中，电触点125因为它们面对X射线吸收层110而不可见，但电触点119B可见。
图4C示意示出晶片使用适合的接合方法接合到X射线吸收层110。X射线吸收层110的电触点119B现在电连接到电子层120的电触点125。
图5A-图5F示意示出根据实施例将多个晶片安装到衬底上的过程。该过程可在安装图4C中描绘的晶片中使用。
图5A示意示出可获得晶片810(例如，晶片包括电子层120，如在图4C中示出的)并且将其置入阵列或任何其他适合的设置。
图5B示意示出晶片810附连到支承晶片820。例如，晶片810可用粘合剂附连。
图5C示意示出晶片810安装到衬底830，同时仍附连到支承晶片820。衬底830可以是图4C中描绘的X射线吸收层110。
图5D示意示出备选方案，其中附连到单个支承晶片820的晶片810可安装到多个衬底830。
图5E示意示出备选方案，其中晶片810安装到多个衬底830，但晶片810之间的边界以及衬底830之间的边界可不吻合。即，指定晶片810上的电触点125可连接到不同的衬底830，并且指定衬底830上的电触点119B可连接到不同的晶片810。晶片810和衬底830都可包括传输线和触点，这些触点配置成使它们中的传输线连接。为了清楚起见，晶片810和衬底830的一些部件在图5E中被省略。
图5F示意示出去除支承晶片820。例如，支承晶片820可以被磨损，蚀刻掉或与晶片810分离。
图6A-6E图示意示出根据实施例将多个晶片安装到衬底上的过程。该过程可在安装图4C中描绘的晶片中使用。
图6A示意示出可获得晶片910(例如，晶片包括电子层120，如在图4C中示出的)并且将其置入阵列或支承晶片920上任何其他适合的设置。
图6B示意示出在基体925中封装晶片910。基体925靠支承晶片920支承。基体925可以是聚合物、玻璃或其他适合的材料。基体925可填充晶片910之间的间隙。
图6C示意示出去除支承晶片920。例如，支承晶片920可被磨损、蚀刻掉或与晶片910分离。基体925在去除支承晶片920后支承晶片910。接触支承晶片920的晶片910的表面可通过去除支承晶片920而暴露。
图6D示意示出封装晶片910与衬底930对齐。晶片910然后可与衬底930(例如，图4C中描绘的X射线吸收层110)或其上的结构(例如，电触点)对齐。
图6E示意示出封装晶片910附连到衬底930。
图7A示意示出包括电子层120的晶片可具有通孔126，其延伸到与晶片安装到的X射线吸收层110相对的表面。
图7B示意示出通孔126可与插入衬底400(例如，硅晶片)上的接触垫410对齐。
图7C示意示出晶片的电子层120接合到插入衬底400。在接合后，通孔126是电连接的接触垫410。插入衬底400可具有掩埋在插入衬底400中或插入衬底400的表面上的传输线。这些传输线电连接到接触垫410，并且配置成将接触垫410上的信号路由到插入衬底400的边缘上的接触垫430。插入衬底400安装到印刷电路板500。备选地，插入衬底400可与印刷电路板500并排安置。不只一个插入衬底可安装到相同印刷电路板。插入衬底400与印刷电路板500之间的电接触可利用线接合来进行。
图8A示意示出包括电子层120的晶片接合到X射线吸收层110。
图8B示意示出X射线吸收层110可选地连接到印刷电路板600。备选地，X射线吸收层110可选地与印刷电路板600并排安置。X射线吸收层110与印刷电路板600之间的电接触可利用线接合来进行。
图8C示意示出电子层120的第一表面124除电触点125外还具有一组电触点129。这些电触点129可对电子系统121充当I/O介面。例如，电触点129可配置成读取来自电子系统121的输出从而控制电子系统121，或向电子系统121提供电力或参考电压。
如在图8D和图8E中示意示出的，X射线吸收层110可具有电触点119C，其配置成在晶片安装到X射线吸收层110后与电触点129连接。X射线吸收层110可具有传输线119E，其配置成将电触点119C处的信号路由到X射线吸收层110的边缘附近的接合垫119D。接合垫119D可用于进行到PCB或到另一个积体电路的电连接。电触点119C可处于电触点119B中的一些所处的位点处，如在图8D中示出的。电触点119C可位于电触点119B之间的区域中，如在图8E中示出的。
图8F-8I示意示出X射线吸收层110和电子层120中的信号的路由。X射线吸收层110的特征(例如电触点119A和119B以及离散区114)通常按微米尺度。X射线吸收层110的特征可通过进行全晶片光刻来制造。电子层120的特征通常小得多并且可未通过进行全晶片光刻来制造。相反，电子层120的特征可通过进行逐裸片光刻来制造。因此，在X射线吸收层110上制作长距离传输线(例如，跨整个8英寸晶片)要比跨越裸片之间的边界制作传输线容易得多。
如在图8F中示出的，在这里包含X射线吸收层110的多个晶片和包含电子层120的多个晶片附连，包含X射线吸收层110的晶片可包括电触点891、接合垫892、使电触点891连接到接合垫892的传输线893；包含电子层120的晶片可包括电触点894和在电触点894之间连接的传输线895。传输线895并未跨越裸片的边界。电触点891和电触点894可对齐并且连接，使得信号跨包含电子层120的晶片之间的间隙通过传输线893和跨越包含X射线吸收层110的晶片之间的间隙通过传输线895桥接。
如在图8G中示出的，在这里包含X射线吸收层110的多个晶片和包含电子层120的晶片附连，包含X射线吸收层110的晶片可包括电触点891、接合垫892、，使电触点891连接到接合垫892的传输线893；包含电子层120的晶片可包括电触点894和在电触点894之间连接的传输895。传输线895并未跨越裸片的边界。电触点891和电触点894可对齐并且连接，使得信号跨越包含X射线吸收层110的晶片之间的间隙通过传输线895桥接。
如在图8H中示出的，在这里包含X射线吸收层110的晶片和包含电子层120的多个晶片附连，包含X射线吸收层110的晶片可包括电触点891、接合垫892、使电触点891连接到接合垫892的传输线893；包含电子层120的晶片可包括电触点894，但不必包括在电触点894之间连接的传输线。电触点891和电触点894可对齐并且连接使得信号跨越包含电子层120的晶片之间的间隙通过传输线893桥接。
如在图8I中示出的，在这里包含X射线吸收层110的晶片和包含电子层120的晶片附连，包含X射线吸收层110的晶片可包括电触点891、接合垫892、使电触点891连接到接合垫892的传输线893；包含电子层120的晶片可包括电触点894，但不必包括在电触点894之间连接的传输线。电触点891和电触点894可对齐并且连接使得来自电子层120的信号通过传输线893路由。
图9示意示出这样的系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该系统可用于医学成像，例如胸部X射线放射摄影、腹部X射线放射摄影等。系统包括X摄影源1201。从X射线源1201发射的X射线穿过物体1202(例如，例如胸部、肢体、腹部等人体部位)，由于物体1202的内部结构(例如，骨头、肌肉、脂肪和器官等)而衰减不同程度并且被投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测X射线的强度分布来形成图像。
图10示意示出这样的系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该系统可用于医学成像，例如牙齿X射线放射摄影。系统包括X射线源1301。从X射线源1301发射的X射线穿过物体1302，其是哺乳动物(例如，人类)口腔的部分。物体1302可包括上颚骨、颚骨、牙齿、下颚或舌头。X射线由于物体1302的不同结构而衰减不同程度并且被投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测X射线的强度分布来形成图像。比龋齿，感染和牙周膜，牙齿吸收更多的X射线。牙科患者接收的X射线辐射的剂量典型地是小的(对于全口系列是近似0.150mSv)。
图11示意示出货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。系统可用于在例如海运集装箱、车辆、轮船、行李等传输系统中检查和识别物品。系统包括X射线源1401。从X射线源1401发射的X射线可从物体1402(例如，海运集装箱、车辆、轮船等)背散射并且被投射到半导体X射线检测器100。物体1402的不同内部结构可有差异地背散射X射线。半导体X射线检测器100通过检测背散射X射线的强度分布和/或背散射X射线光子的能量来形成图像。
图12示意示出另一个货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。系统可用于公交站和机场处的行李筛查。系统包括X射线源1501。从X射线源1501发射的X射线可穿过一件行李1502，由于行李的内含物而有差异地衰减并且被投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测透射的X射线的强度分布来形成图像。系统可揭示行李的内含物并且识别公共交通上禁用的专案，例如枪支、毒品、锋利武器、易燃物。
图13示意示出全身扫描器系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该全身扫描器系统可为了安全筛查目的来检测人体上的物体而不物理脱衣或进行物理接触。全身扫描器系统能够检测非金属物体。全身扫描器系统包括X射线源1601。从X射线源1601发射的X射线可从被筛查的人1602和其上的物体背散射，并且被投射到半导体X射线检测器100。物体和人体可有差异地背散射X射线。半导体X射线检测器100通过检测背散射X射线的强度分布来形成图像。半导体X射线检测器100和X射线源1601可配置成在线性或旋转方向上扫描人。
图14示意示出X射线电脑断层摄影(X射线CT)系统。X射线CT系统使用电脑处理的X射线来产生被扫描物体的特定区域的断层摄影图像(虚拟“切片”)。断层摄影图像在各种医学学科中可用于诊断和治疗目的，或用于缺陷检测、失效分析、计量、元件分析和逆向工程。X射线CT系统包括本文描述的半导体X射线检测器100和X射线源1701。半导体X射线检测器100和X射线源1701可配置成沿一个或多个圆形或螺旋形路径同步旋转。
图15示意示出电子显微镜。该电子显微镜包括电子源1801(也叫作电子枪)，其配置成发射电子。电子源1801可具有各种发射机制，例如热离子、光电阴极、冷发射或等离子体源。发射的电子经过电子光学系统1803，其可配置成使电子成形、加速或聚焦。电子然后到达样本1802并且图像检测器可从其处形成图像。电子显微镜可包括本文描述的半导体X射线检测器100，用于进行能量色散X射线光谱分析(EDS)。EDS是用于样本的元素分析或化学表征的分析技术。当电子入射在样本上时，它们促使从样本发射特征X射线入射。电子可激发样本中原子的内壳层中的电子，从壳层逐出电子，同时在电子所在的地方形成电子空穴。来自外部较高能量壳层的电子然后填充该空穴，并且较高能量壳层与较低能量壳层之间的能量差可采用X射线的形式释放。从样本发射的X射线的量和能量可以被半导体X射线检测器100测量。
这里描述的半导体X射线检测器100可具有其他应用，例如在X射线望远镜、X射线乳房摄影、工业X射线缺陷检测、X射线显微镜或显微放射摄影、X射线铸件检查、X射线无损检验、X射线焊缝检查、X射线数字减影血管摄影等中。可使用该半导体X射线检测器100来代替照相底片、照相胶片、PSP板、X射线图像增强器、闪烁体或另一个半导体X射线检测器。
图16A和16B各自示出根据实施例的电子系统121的部件图。该电子系统121可包括第一电压比较器301，第二电压比较器302，计数器320，开关305，电压表306和控制器310。
第一电压比较器301配置成将二极管300的电极的电压与第一阈值比较。该二极管可以是由第一掺杂区111，第二掺杂区113的离散区114中的一个和可选的本征区112形成的二极管。备选地，第一电压比较器301配置成将电触点(例如，电触点119B的离散部分)的电压与第一阈值比较。第一电压比较器301可配置成直接监测电压，或通过使一段时间内流过二极管或电触点的电流整合来计算电压。第一电压比较器301可由控制器310可控地启动或停用。第一电压比较器301可以是连续比较器。即，第一电压比较器301可配置成被连续启动，并且连续监测电压。配置为连续比较器的第一电压比较器301使系统121错过由入射X射线光子产生的信号的机会减少。配置为连续比较器的第一电压比较器301在入射X射线强度相对高时尤其适合。第一电压比较器301可以是钟控比较器，其具有较低功耗的益处。配置为钟控比较器的第一电压比较器301可导致系统121错过由一些入射X射线光子产生的信号。在入射X射线强度低时，错过入射X射线光子的机会因为两个连续光子之间的间隔相对长而较低。因此，配置为钟控比较器的第一电压比较器301在入射X射线强度相对低时尤其适合。第一阈值可以是一个入射X射线光子可在二极管或电阻器中产生的最大电压的5-10％，10％-20％，20-30％，30-40％或40-50％。最大电压可取决于入射X射线光子的能量(即，入射X射线的波长)中，X射线吸收层110的材料和其他因素。例如，第一阈值可以是50mV的、100mV、150mV或200mV。
第二电压比较器302配置成将电压与第二阈值比较。第二电压比较器302可配置成直接监测电压，或通过使一段时间内流过二极管或电触点的电流整合来计算电压。第二电压比较器302可以是连续比较器。第二电压比较器302可由控制器310可控地启动或停用。在停用第二电压比较器302时，第二电压比较器302的功耗可以是启动第二电压比较器302时的功耗的不到1％、不到5％、不到10％或不到20％。第二阈值的绝对值大于第一阈值的绝对值。如本文使用的，术语实数x的“绝对值”或“模数”||是x的非负值而不考虑它的符号。即
Figure BDA0001682404820000151
第二阈值可以是第一阈值的200％-300％。第二阈值可以是一个入射X射线光子可在二极管或电阻器中产生的最大电压的至少50％。例如，第二阈值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二电压比较器302和第一电压比较器301可以是相同部件。即，系统121可具有一个电压比较器，其可以在不同时间将电压与两个不同阈值比较。
第一电压比较器301或第二电压比较器302可包括一个或多个运算放大器或任何其他适合的电路。第一电压比较器301或第二电压比较器302可具有高的速度，以允许系统121在高的入射X射线通量下操作。然而，具有高的速度通常以功耗为代价。
计数器320配置成记录到达二极管或电阻器的X射线光子的数目。计数器320可以是软件部件(例如，电脑内存中存储的数目)或硬体部件(例如，4017IC和7490IC)。
控制器310可以是例如微控制器和微处理器等硬体部件。控制器310配置成从第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值(例如，电压的绝对值从第一阈值的绝对阈值以下增加到等于或超过第一阈值的绝对值的值)的时间启动时间延迟。在这里因为电压可以是负的或正的而使用绝对值，这取决于是使用二极管的阴极还是阳极的电压或使用哪个电触点。控制器310可配置成在第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值的时间之前保持停用第二电压比较器302，计数器320和第一电压比较器301的操作不需要的任何其他电路。时间延迟可在电压变稳定(即，电压的变化率大致为零)之前或之后终止。短语“电压的变化率大致为零”意指电压的时间变化小于0.1％/纳秒。短语‘电压的变化率大致为非零’意指电压的时间变化是至少0.1％/纳秒。
控制器310可配置成在时间延迟期间(其包括开始和终止)启动第二电压比较器。在实施例中，控制器310配置成在时间延迟开始时启动第二电压比较器。术语“启动”意指促使部件进入操作状态(例如，通过发送例如电压脉冲或逻辑电平等信号，通过提供电力等)。术语“停用”意指促使部件进入非操作状态(例如，通过发送例如电压脉冲或逻辑电平等信号，通过切断电力等)。操作状态可具有比非操作状态更高的功耗(例如，高10倍、高100倍、高1000倍)。控制器310本身可被停用直到第一电压比较器301的输出电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值时才启动控制器310。
如果在时间延迟期间第二电压比较器302确定电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值，控制器310可配置成促使计数器320记录的数目增加一。
控制器310可配置成促使电压表306在时间延迟终止时测量电压。控制器310可配置成使电极连接到电接地，以便使电压重定并且使电极上累积的任何载流子放电。在实施例中，电极在时间延迟终止后连接到电接地。在实施例中，电极持续有限复位时期地连接到电接地。控制器310可通过控制开关305而使电极连接到电接地。开关可以是电晶体，例如场效应电晶体(FET)。
在实施例中，系统121没有类比滤波器网路(例如，RC网路)。在实施例中，系统121没有类比电路。
电压表306可将它测量的电压作为类比或数字信号馈送给控制器310。
系统121可包括电容器模组309，其电连接到二极管300的电极或电触点，其中电容器模组配置成从电极收集载流子。电容器模组可以包括放大器的回馈路径中的电容器。如此配置的放大器叫作电容跨阻放大器(CTIA)。CTIA通过防止放大器饱和而具有高的动态范围并且通过限制信号路径中的频宽来提高信噪比。来自电极的载流子在一段时间(“整合期”)(例如，如在图17中示出的，在t0-t1或t1-t2之间)内在电容器上累积。在整合期终止后，对电容器电压采样并且然后由重定开关将其重定。电容器模组可以包括直接连接到电极的电容器。
图17示意示出由二极管或电阻器上入射的X射线光子产生的载流子引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极的电压的对应时间变化(下曲线)。电压可以是电流关于时间的整合。在时间t0时，X射线光子撞击二极管或电阻器，载流子开始在二极管或电阻器中产生，电流开始流过二极管的电极或电阻器，并且电极或电触点的电压的绝对值开始增加。在时间t1时，第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超出第一阈值V1的绝对值，并且控制器310启动时间延迟TD1并且控制器310可在TD1开始时停用第一电压比较器301。如果控制器310在t1之前被停用，在t1启动控制器310在TD1期间，控制器310启动第二电压比较器302。如这里使用的术语在时间延迟“期间”意指开始和终止(即，结束)和中间的任何时间。例如，控制器310可在TD1终止时启动第二电压比较器302。如在TD1期间，第二电压比较器302确定在时间t2的电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值，控制器310促使计数器320记录的数目增加一。在时间te，X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110在时间ts，时间延迟TD1终止在图17的示例中，时间ts在时间te之后；即TD1在X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110之后终止。电压的变化率从而在ts大致为零。控制器310可配置成在TD1终止时或在t2或中间的任何时间停用第二电压比较器302。
控制器310可配置成促使电压表306在时间延迟TD1终止时测量电压。在实施例中，在电压的变化率在时间延迟TD1终止后大致变为零之后，控制器310促使电压表306测量电压。该时刻的电压与X射线光子产生的载流子的数量成比例，该数量与X射线光子的能量有关。控制器310可配置成基于电压表306测量的电压确定X射线光子的能量。确定能量的一个方式是通过使电压装仓。计数器320对于每个仓可具有子计数器。在控制器310确定X射线光子的能量落在仓中时，控制器310可促使该仓的子计数器中记录的数目增加一。因此，系统121可以检测X射线图像并且可以分辨每个X射线光子的X射线光子能量。
在TD1终止后，控制器310在复位期RST使电极连接到电接地以允许电极上累积的载流子流到地面并且使电压重定。在RST之后，系统121准备检测另一个入射X射线光子。系统121在图17的示例中可以应对的入射X射线光子的速率隐式地受限于1/(TD1+RST)。如果第一电压比较器301被停用，控制器310可以在RST终止之前的任何时间启动它。如果控制器310被停用，可在RST终止之前启用它。
图18示意示出在采用图17中示出的方式操作的系统121中噪音(例如，暗电流、背景辐射、散射X射线、萤光X射线，来自相邻像素的共用电荷)引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极的电压的对应时间变化(下曲线)。在时间t0时，噪音开始。如果噪音未大到足以促使电压的绝对值超出V1的绝对值，控制器310未启动第二电压比较器302。如果在时间t1噪音大到足以促使电压的绝对值超出如由第一电压比较器301确定的V1的绝对值，控制器310启动时间延迟TD1并且控制器310可在TD1开始时停用第一电压比较器301。在TD1期间(例如，在TD1终止时)，控制器310启动第二电压比较器302。在TD1期间，噪音不太可能大到足以促使电压的绝对值超出V2的绝对值。因此，控制器310未促使计数器320记录的数目增加。在时间te，噪音结束。在时间ts，时间延迟TD1终止。控制器310可配置成在TD1终止时停用第二电压比较器302。如果在TD1期间电压的绝对值未超出V2的绝对值，控制器310可配置成未促使电压表306测量电压。在TD1终止后，控制器310在复位期RST使电极连接到电接地，以允许电极上由于噪音而累积的载流子流到地面并且使电压重定。因此，系统121在噪音抑制方面可非常有效。
图19示意示出使用系统121操作来检测处于比1/(TD1+RST)更高速率的入射X射线光子时，由二极管或电阻器上入射的X射线光子产生的载流子所引起的流过电极的电流时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。电压可以是电流关于时间的整合。在时间t0时，X射线光子撞击二极管或电阻器，载流子开始在二极管或电阻器中产生，电流开始流过二极管的电极或电阻器的电触点，并且电极或电触点的电压的绝对值开始增加。在时间T1，第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超出第一阈值V1的绝对值，并且控制器310启动比时间延迟TD1还短的时间延迟TD2，并且控制器310可在TD2开始时停用第一电压比较器301。如果控制器310在T1之前被停用，在T1启动控制器310在TD2期间(例如，在TD2终止时)，控制器310启动第二电压比较器302。如果在TD2期间，第二电比较器302确定在时间t2的电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值，控制器310促使计数器320记录的数目增加一。在时间te，X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110。在时间th，时间延迟TD2终止。在图19的示例中，时间th在时间te之前；即TD2在X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110之前终止。电压的变化率从而在th大致为非零。控制器310可配置成在TD2终止时或在T2或中间的任何时间停用第二电压比较器302。
控制器310可配置成从在TD2期间作为时间函数的电压推断在te的电压并且使用推断的电压来确定X射线光子的能量。
在TD2终止后，控制器310在复位期RST使电极连接到电接地，以允许电极上累积的载流子流到地面并且使电压重定。在实施例中，RST在te之前终止。当RST在te之前终止时，RST后电压的变化率可因为X射线光子产生的所有载流子未漂移出X射线吸收层110而大致为非零。电压的变化率在te后大致变为零并且电压在te后稳定为残余电压VR。在实施例中，RST在te或te之后终止，并且RST后电压的变化率可因为X射线光子产生的所有载流子在te漂移出X射线吸收层110而大致为零。在RST后，系统121准备检测另一个入射X射线光子。如果第一电压比较器301被停用，控制器310可以在RST终止之前的任何时间启动它。如果控制器310被停用，可在RST终止之前启动它。
图20示意示出在采用图19中示出的方式操作的系统121中噪音(例如，暗电流、背景辐射、散射X射线、萤光X射线、来自相邻像素的共用电荷)引起的流过电极的电流时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。在时间t0时，噪音开始。如果噪音未大到足以促使电压的绝对值超出V1的绝对值，控制器310未启动第二电压比较器302。如果在时间t1噪音大到足以促使电压的绝对值超出如由第一电压比较器301确定的V1的绝对值，控制器310启动时间延迟TD2，并且控制器310可在TD2开始时停用第一电压比较器301。在TD2期间(例如，在TD2终止时)，控制器310启动第二电压比较器302。在TD2期间噪音不太可能大到足以促使电压的绝对值超出V2的绝对值。因此，控制器310未促使计数器320记录的数目增加一。在时间te，噪音结束。在时间th，时间延迟TD2终止。控制器310可配置成在TD2终止时停用第二电压比较器302。在TD2终止后，控制器310在复位期RST使电极连接到电接地，以允许电极上由于噪音而累积的载流子流到地面并且使电压重定。因此，系统121在噪音抑制方面可非常有效。
图21示意示出在采用图19中示出的方式(其中RST在TE之前终止)操作的系统121中由二极管或电阻器上入射的一系列X射线光子产生的载流子所引起的流过电极的电流时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。由每个入射X射线光子产生的载流子引起的电压曲线在该光子之前偏移了残余电压。残余电压的绝对值随每个入射光子而依次增加。当残余电压的绝对值超出V1时(参见图21中的虚线矩形)，控制器启动时间延迟TD2，并且控制器310可在TD2开始时停用第一电压比较器301。如果在TD2期间在二极管或电阻器上没有其他X射线光子入射，控制器在TD2结束时在复位时期RST期间使电极连接到电接地，由此使残余电压重定。残余电压从而未促使计数器320记录的数目增加。
由于本文公开了各种方面和实施例，其他方面和实施例对于本领域内技术人员将变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的而不意为限制性的，其真正范围和精神由下列权利要求指示。

Claims (19)

1.一种用于制作适合于检测X射线的装置的方法，所述方法包括：
使多个晶片接合到衬底；
其中所述衬底包括X射线吸收层，其包括第一多个电触点；
其中所述多个晶片中的每个包括电子层，所述电子层包括第二多个电触点和电子系统，所述电子系统配置成处理或解释所述X射线吸收层上入射的X射线光子产生的信号；
使所述第一多个电触点与所述第二多个电触点对齐；
将所述晶片安装到所述衬底使得所述第一多个电触点电连接到所述第二多个电触点；
其中所述第二多个电触点配置成将所述信号馈送到所述电子系统。
2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括使所述的多个晶片附连到支承晶片。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述的多个晶片利用粘合剂附连到支承晶片。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述的多个晶片在所述多个晶片安装到所述衬底后附连到所述支承晶片。
5.如权利要求2所述的方法，其中所述的多个晶片安装至第二衬底。
6.如权利要求2所述的方法，其中所述方法进一步包括去除所述支承晶片。
7.如权利要求6所述的方法，其中去除所述支承晶片包括研磨或蚀刻所述支承晶片。
8.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在基体中封装所述多个晶片。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述基体包括聚合物或玻璃。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述基体填充所述晶片之间的间隙。
11.如权利要求8所述的方法，其进一步包括使所述晶片中的每个表面暴露。
12.如权利要求11所述的方法，其中将所述晶片安装至所述衬底包括安装已封装于基体中的晶片。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述电子层包括通孔，所述通孔延伸到与所述X射线吸收层相对的表面。
14.如权利要求13所述的方法，其进一步包括使所述通孔与插入衬底上的接触垫对齐，并且使所述晶片接合到所述插入衬底使得所述通孔电连接到所述接触垫。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述插入衬底包括传输线，所述传输线电连接到所述接触垫并且配置成将所述接触垫上的信号通路到所述插入衬底边缘上的接合垫。
16.如权利要求15所述的方法，其进一步包括将所述插入衬底安装到印刷电路板或与印刷电路板并排安置所述插入衬底。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述的电子层包括第三多个电触点，所述第三多个电触点配置成读取来自所述电子系统的输出或向电子系统提供电力或参考电压。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述X射线吸收层包括第四多个电触点，所述第四多个电触点配置成在所述晶片安装至所述衬底时与所述第三多个 电触点连接。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述X射线吸收层进一步包括传输线，所述传输线配置成将所述第四多个电触点处理的信号通路至所述X射线吸收层上的接触垫。
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