DE102008025199B3

DE102008025199B3 - Strahlungsdetektor und Herstellungsverfahren sowie Strahlungserfassungseinrichtung

Info

Publication number: DE102008025199B3
Application number: DE200810025199
Authority: DE
Inventors: Björn-Oliver Dr. Eversmann; Peter Dr. Hackenschmied; Harald Dr. Kuhn; Matthias Dr. Strassburg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2028-05-28

Abstract

Die Erfindung betrifft insbesondere einen Strahlungsdetektor (7, 9) für Röntgen- (8), Gamma- oder Korpuskularstrahlung, mit einer Wandlerschicht (10) zur direkten Wandlung der Röntgen- (8), Gamma- oder Korpuskularstrahlung in elektrische Ladungen und ein elektronisches Bauelement (11). Zur Vereinfachung der Herstellung und zur Vermeidung herstellungsbedingter Defekte in der Wandlerschicht (10) wird vorgeschlagen, dass die Wandlerschicht (10) mittels eines Abscheideverfahrens unmittelbar auf das elektronische Bauelement (11) abgeschieden ist.

Description

Die Erfindung betrifft insbesondere einen Strahlungsdetektor für Röntgen-, Gamma- oder Korpuskularstrahlung und ein Herstellungsverfahren für einen solchen Strahlungsdetektor.
Zur Erfassung von Röntgen- oder Gammastrahlung werden u. a. so genannte direkt konvertierende Strahlungsdetektoren verwendet. Diese Art von Strahlungsdetektoren weist eine Wandlerschicht auf, durch welche die Strahlung in einem einzigen Wandlungsprozess in elektrische Ladungen gewandelt wird. Die elektrischen Ladungen werden mittels Elektroden der Wandlerschicht als elektrische Signale erfasst. Zur Verarbeitung der elektrischen Signale sind die Elektroden mit Signaleingangskontakten eines elektronischen Bauelements, beispielsweise eines ASIC, verbunden. Die Elektroden und die Signaleingangskontakte werden in der Regel über Bonding-Verfahren oder Klebeverfahren miteinander elektrisch verbunden.
Bei den bekannten direkt konvertierenden Strahlungsdetektoren ist die Wandlerschicht üblicherweise aus einem Halbleitermaterial hergestellt. Damit die Strahlung effektiv erfasst werden kann, ist es u. a. von entscheidender Bedeutung, dass die Störstellenkonzentration im Halbleitermaterial so gering als möglich ist.
Ferner sind für eine effektive Erfassung der Strahlung qualitativ hochwertige und zuverlässige elektrische Kontaktierungen zwischen den Elektroden und den Signaleingangskontakten erforderlich.
Ausgehend davon sollen ein Strahlungsdetektor und ein Herstellungsverfahren für einen Strahlungsdetektor angegeben werden, welche eine effektive Erfassung von Röntgen-, Gamma- oder Korpuskularstrahlung ermöglichen. Insbesondere sollen ein Strahlungsdetektor mit Herstellungsverfahren angegeben werden, bei welchen eine aus einem Halbleitermaterial hergestellte Wandlerschicht eine besonders geringe Störstellenkonzentration aufweist, und bei welchem die elektrische Kontaktierung des elektronischen Bauelements mit der Wandlerschicht in besonders einfacher und vergleichsweise kostengünstiger Weise realisiert ist bzw. realisiert werden kann. Ferner soll eine entsprechende Strahlungserfassungseinrichtung angegeben werden.
Aus Halbleitermaterial hergestellte Strahlungsdetektoren und entsprechende Herstellungsverfahren sind beispielsweise aus der US 5 886 353 A , US 5 235 195 A , US 6 242 324 B1 , US 7 038 214 B2 , US 5 998 794 A und der EP 0 930 657 A1 bekannt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 9 und 10. Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 8 und 11 bis 20.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor für Röntgen-, Gamma- oder Korpuskularstrahlung. Der Strahlungsdetektor umfasst eine Wandlerschicht zur direkten Wandlung der Röntgen-, Gamma- oder Korpuskularstrahlung in elektrische Ladungen.
Unter dem Begriff direkte Wandlung wird dabei verstanden, dass die Röntgen-, Gamma- oder Korpuskularstrahlung, im Weiteren auch kurz Strahlung genannt, in einem einstufigen Wandlungsprozess in elektrische Ladungen um gewandelt wird. Zur Begriffsabgrenzung werden in diesem Zusammenhang so genannte Szintillations-Detektoren genannt, bei welchen die Strahlung in einem zweistufigen Wandlungsprozess in einem ersten Wandlungsschritt zunächst in Licht und in einem zweiten Wandlungsschritt in elektrische Ladungen gewandelt wird.
Der Strahlungsdetektor umfasst des Weiteren ein elektronisches Bauelement, welches zur Verarbeitung von durch die elektrischen Ladungen induzierten elektrischen Signalen aus gebildet ist.
Bei dem elektronischen Bauelement kann es sich um eine Ausleseelektronik bzw. eine oder mehrere elektronische Schaltungen, bspw. Anwendungsspezifische Integrierte Schaltungen (ASIC, engl.: Application Specific Integrated Circuit), han deln. Im Allgemeinen kann es sich bei dem elektronischen Bauelement um beliebige, zur Verarbeitung der elektrischen Signale ausgebildete elektronische Komponenten handeln, welche, insbesondere hinsichtlich ihrer Makrostruktur, ihren Abmessungen, ihrer Strahlungsunempfindlichkeit und dgl., für den erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor und jeweilige Strahlungsart in Frage kommen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wandlerschicht mittels eines Abscheideverfahrens auf das elektronische Bauelement abgeschieden ist. Im Rahmen der Erfindung liegt es, wenn der Strahlungsdetektor eine einzige oder mehrere, z. B. kachelartig nebeneinander angeordnete Wandlerschichten, umfasst. Ferner liegt es im Rahmen der Erfindung, wenn der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor mehrere elektronische Bauelemente umfasst, beispielsweise entsprechend der Anzahl der Wandlerschichten.
Indem die Wandlerschicht auf das elektronische Bauelement abgeschieden wird bzw. ist, kann insbesondere bei den für die Wandlerschicht zur Erfassung von Röntgen- oder Gammastrahlung üblicherweise verwendeten Halbleitermaterialien eine besonders geringe Defektdichte im Halbleitermaterial erreicht werden. Es kann eine Defektdichte erreicht werden, welche deutlich unter derjenigen der mit herkömmlichen Kristallzüchtungsverfahren hergestellten Halbleitermaterialien liegt. Das ermöglicht eine besonders effektive Erfassung der Strahlung.
Des Weiteren kann durch das Abscheiden der Wandlerschicht auf dem elektronischen Bauelement die Herstellung des Strahlungsdetektors dadurch vereinfacht werden, dass Herstellungsschritte, wie z. B. Sägen, Polieren usw., wie sie bei herkömmlichen Strahlungsdetektoren erforderlich sind, in der Regel entfallen.
Ferner kann in einfacher Weise eine qualitativ besonders hochwertige elektrische Kontaktierung von Kontaktierungsstellen der Wandlerschicht mit Signaleingangskontakten des elekt ronischen Bauelements erreicht werden. Insbesondere werden Unzulänglichkeiten herkömmlicher Aufbau- und Verbindungstechniken, wie z. B. Fehlkontaktierungen bei Bondingverfahren oder mangelhafte Kontaktierung bei Klebeverbindungen, vermieden.
Darüber hinaus kann durch das Abscheiden der Wandlerschicht auf dem elektronischen Bauelement ein besonders kompakter, mechanisch stabiler Aufbau und eine vergleichsweise feste Verbindung zwischen Wandlerschicht und elektronischem Bauelement erreicht werden.
Bei dem Strahlungsdetektor kann es sich um ein einzelnes Modul zur Herstellung einer Strahlungsdetektoreinheit mit z. B. kachelartig aneinander gereihten Modulen handeln. Es kann sich jedoch auch um einen eigenständigen Flächendetektor handeln.
Das elektronische Bauelement umfasst auf einer der Wandlerschicht zugewandten Seite eine Zwischenschicht. Auch die Zwischenschicht ist mittels eines, vorzugsweise niederdruck- oder vakuumbasierten, Abscheideverfahrens auf das elektronische Bauelement abgeschieden.
Mit der Zwischenschicht können unterschiedliche Vorteile erreicht werden: Die Zwischenschicht kann beispielsweise so gewählt sein, dass ein besonders defektarmes Abscheiden oder Aufwachsen der Wandlerschicht auf dem elektronischen Bauelement möglich ist. Ferner kann die Zwischenschicht beispielsweise zur Umkontaktierung verwendet werden, um Signaleingangskontakte des elektronischen Bauelements mit korrespondierenden Kontaktierungsstellen der Wandlerschicht zu verbinden. Darüber hinaus kann die Zwischenschicht ein gut wärmeleitendes Material umfassen, so dass die im Strahlungsdetektor bei dessen Betrieb entstehende Wärme effektiv abgeführt werden kann.
Die Wandlerschicht kann als Halbleitermaterialschicht, vorzugsweise auf der Grundlage der Elemente Cadmium (Cd), Zink (Zn), Tellur (Te) und/oder Selen (Se), ausgebildet sein. In Frage kommen also insbesondere Halbleitermaterialien wie CdTe, CdZnTe oder CdZnTeSe. Solche Halbleitermaterialien eignen sich insbesondere zur Detektion von Röntgenstrahlung, insbesondere zur Detektion von Röntgenstrahlung in der humanmedizinischen Radiologie.
Insbesondere bei aus den vorgenannten Halbleitermaterial hergestellten Wandlerschichten ist es zur mechanischen und wärmetechnischen Optimierung von Vorteil, dass die Zwischenschicht zumindest ein ausfolgender Gruppe ausgewähltes Halbleitermaterial InAs, InP, GaSb, ZnO, GaN, Si, SiC, GaAs, sowie Verbindungen derselben, und/oder ein Halbleiter strukturell ähnliches Material und/oder einen amorphen Kohlenstoff, insbesondere DLC (engl. Diamond Like Carbon), und/oder eine Keramik umfasst. Durch Wahl eines auf die Wandlerschicht abgestimmten Halbleitermaterials für die Zwischenschicht kann eine besonders geringe Defektdichte bei der Wandlerschicht erreicht werden. Analoges gilt für Halbleiter strukturell ähnliche Materialien. Amorphe Kohlenstoffe bieten darüber hinaus den Vorteil einer besonders hohen mechanischen Stabilität und eines vergleichsweise hohen elektrischen Widerstands, so dass Kriechströme weitestgehend vermieden werden können. Um eine besonders effektive Wärmeabfuhr aus dem Strahlungsdetektor zu erreichen können z. B. geeignet gewählte Keramiken verwendet werden. Es soll bemerkt werden, dass die vorgenannten Vorteile nicht zwingend auf die im jeweiligen Zusammenhang genannten Materialien beschränkt sind, sondern mit ein und demselben Material u. U. mehrere oder auch andere der vorgenannten Vorteile erreicht werden können. Davon abgesehen liegt es durchaus im Rahmen der Erfindung, wenn die Zwischenschicht einen Schichtaufbau aus mehreren Einzelschichten aufweist. Für die Einzelschichten kommen insbesondere die vorgenannten Materialien in Betracht.
Die Wandlerschicht kann pixeliert ausgebildet sein, beispielsweise indem ein vorstrukturiertes elektronisches Bauelement oder eine Abscheidemaske bei der Abscheidung verwen det wird. Unter dem Begriff pixeliert wird dabei verstanden, dass die Wandlerschicht eine Vielzahl an Detektorelementen aufweist, welche einzelne Bildpunkte bzw. Pixel des Strahlungsdetektors ausbilden. Bei pixeliert ausgebildeten Wandlerschichten kann es vorkommen, dass die geometrische Anordnung der Kontaktierungsstellen der einzelnen Detektorelemente zumindest teilweise verschieden ist von den Signaleingangskontakten des elektronischen Bauelements. Zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktierungsstellen mit jeweiligen Signaleingangskontakten ist es dabei von Vorteil, wenn die Zwischenschicht Durchkontaktierungen und Umkontaktierungen umfasst.
Auf einer der Wandlerschicht gegenüber liegenden Seite des elektronischen Bauelements kann eine weitere Wandlerschicht abgeschieden sein. Die weitere Wandlerschicht kann entsprechend der bisher beschriebenen Wandlerschicht ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Wandlerschicht und die weitere Wandlerschicht aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, so dass beispielsweise bei entsprechender gewählten Halbleitermaterialien eine energieselektive Erfassung der Strahlung ermöglicht wird. Die weitere Wandlerschicht kann weitere Kontaktierungsstellen umfassen, welche mit weiteren Signaleingangskontakten des elektronischen Bauelements elektrisch verbunden bzw. kontaktiert sein können.
Je nach Verwendungszweck des Strahlungsdetektors können die Wandlerschicht und die weitere Wandlerschicht voneinander verschiedene Absorberdicken aufweisen. Zur energieselektiven Erfassung der Strahlung kann beispielsweise die der Strahlungsquelle näher gelegene Wandlerschicht dünner ausgebildet sein als die entfernter gelegene Wandlerschicht. Mit einem derartigen Aufbau können vergleichsweise energiearme Strahlungsquanten mit der dünner ausgebildeten Wandlerschicht erfasst werden, während vergleichsweise energiereiche Strahlungsquanten mit dicker ausgebildeten Wandlerschicht erfasst werden können.
Das elektronische Bauelement kann auf einer der weiteren Wandlerschicht zugewandten Seite eine weitere Zwischenschicht umfassen. Die weitere Zwischenschicht kann entsprechend der bereits beschriebenen Zwischenschicht ausgebildet sein, so dass die bereits genannten Vorteile und vorteilhaften Wirkungen in analoger Weise erreicht werden können.
Insbesondere bei einer aus einem Halbleitermaterial hergestellten Wandlerschicht ist es möglich, dass die Wandlerschicht als Dotierstoff zumindest ein ausfolgender Gruppe ausgewähltes Element umfasst: Chlor (Cl), Indium (In), Aluminium (Al), Gallium (Ga), Osmium (Os), Ruthenium (Ru). Da die Wandlerschicht unmittelbar auf das elektronische Bauelement abgeschieden wird, können unterschiedlichste Dotierstoffprofile erzeugt werden. Die Dotierstoffprofile können auf diese Weise mit einer Genauigkeit von zumindest 20 nm, und sogar mit einer Genauigkeit von 0,5 nm bis 5 nm erzeugt werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Strahlungserfassungseinrichtung, insbesondere eine Computertomographieeinrichtung, umfassend einen Strahlungsdetektor nach dem ersten Aspekt der Erfindung. Vorteile und vorteilhafte Wirkungen des zweiten Aspekts der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den oben beschriebenen Vorteilen und vorteilhaften Wirkungen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für einen Strahlungsdetektor nach dem ersten Aspekt der Erfindung. Das Herstellungsverfahren umfasst die folgenden Schritte:

– Bereitstellen eines elektronischen Bauelements; und
– Abscheiden der Wandlerschicht auf das elektronische Bauelement mittels eines Abscheideverfahrens.

Im Rahmen der Erfindung liegt es dabei, wenn bei dem Herstellungsverfahren gleichzeitig eine Vielzahl elektronischer Bau elemente mittels des Abscheideverfahrens mit einer oder jeweils einer Wandlerschicht versehen werden. Auf diese Weise ist es möglich, in einem einzigen Herstellungslauf mehrere Strahlungsdetektoren nach dem ersten Aspekt der Erfindung herzustellen. Bei den Strahlungsdetektoren kann es sich sowohl um Detektormodule zur Herstellung einer Strahlungsdetektoreinheit mit mehreren Detektormodulen, als auch um eine Strahlungsdetektoreinheit als solche handeln.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann in besonders einfacher Weise durchgeführt werden. Durch die Abscheidung der Wandlerschicht auf dem elektronischen Bauelement kann in vorteilhafter Weise der Entstehung von Defekten entgegengewirkt werden. Bei herkömmlichen Strahlungsdetektormodulen entstehen Defekte beispielsweise bei der Herstellung von Volumen-Halbleiterkristallen und bei deren Weiterverarbeitung und Bearbeitung zur Herstellung der Wandlerschicht und des Strahlungsdetektors.
Durch eine besonders kleine Defektkonzentration in der Wandlerschicht weist der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor eine besonders vorteilhafte Detektionseffizienz auf. Aufgrund dessen ist der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor insbesondere geeignet für Anwendungen mit vergleichsweise hohen Quantenflussraten, wie z. B. in der humanmedizinischen Computertomographie.
Darüber hinaus erübrigen sich bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren Kontaktierungsschritte, in welchen Kontaktierungsstellen der Wandlerschicht mit Signaleingangskontakten des elektronischen Bauelements elektrisch verbunden werden. Auch das trägt gegenüber herkömmlichen Strahlungsdetektoren zu einer besonders kleinen Defektkonzentration bei, da die Wandlerschicht beispielsweise bei der elektrischen Kontaktierung über Lotverbindungen in nicht unerheblicher Weise thermisch belastet wird. Ferner kann gegenüber herkömmlich verwendeten Löt- bzw. Bond- und Klebeverbindungen eine besonders zuverlässige Kontaktierung erreicht werden.
Sofern das elektronische Bauelement eine Zwischenschicht umfasst, kann diese bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren vor dem Abscheiden der Wandlerschicht auf einer zur Abscheidung der Wandlerschicht vorgesehenen Seite des elektronischen Bauelements abgeschieden werden. Zur Abscheidung der Zwischenschicht kann ein für das jeweilige Material der Zwischenschicht geeignetes Abscheideverfahren verwendet werden. Als Abscheideverfahren eignen sich dabei insbesondere die im Zusammenhang mit der Abscheidung der Wandlerschicht genannten Abscheideverfahren.
Die Wandlerschicht kann als Halbleitermaterialschicht abgeschieden werden, wobei, insbesondere für Strahlungsdetektoren zur Detektion von Röntgenstrahlung, binäre, tertiäre oder quaternäre Halbleitermaterialien, beispielsweise auf der Grundlage der Elemente Cadmium (Cd), Zink (Zn), Tellur (Te) und Selen (Se), in Frage kommen.
Die Zwischenschicht ist aus einem Halbleitermaterial, wie z. B. InAs, InP, GaSb, ZnO, GaN, Si, SiC, GaAs, sowie Verbindungen derselben, einem Halbleitermaterial strukturell ähnlichen Material, insbesondere einem Diamant ähnlichen Kohlenstoff (DLC, engl. Diamond Like Carbon), und/oder einer Keramik hergestellt. Mit geeignet gewählten, derartigen Zwischenschichten kann in einfacher Weise ein besonders verspannungsfreies Abscheiden der Wandlerschicht erreicht werden. Des Weiteren kann/können bei entsprechender Wahl des Materials für die Zwischenschicht beispielsweise eine mechanische Stabilisierung des Strahlungsdetektors, eine verbesserte Wärmeableitung aus dem Volumen des Strahlungsdetektors, eine Unterbindung von Kriechströmen und/oder eine ggf. erforderliche Passivierung von Oberflächenschichten ohne hohen Zusatzaufwand erreicht werden.
Zur elektrischen Kontaktierung von Kontaktierungsstellen der Wandlerschicht mit Signaleingangskontakten des elektronischen Bauelements können vor der Abscheidung der Wandlerschicht in und/oder auf der Zwischenschicht mehrere Durchkontaktierungen und/oder Umkontaktierungen hergestellt werden. Das ermöglicht eine einfache elektrische Kontaktierung der Kontaktierungsstellen mit den Signaleingangskontakten, insbesondere dann, wenn die geometrische Anordnung der Kontaktierungsstellen von derjenigen der Signaleingangskontakten verschieden ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann auch vorgesehen sein, dass gegenüberliegend einer zur Abscheidung der Wandlerschicht vorgesehenen Seite des elektronischen Bauelements eine weitere Wandlerschicht abgeschieden wird. Die weitere Wandlerschicht kann vor, während oder nach der Abscheidung der Wandlerschicht abgeschieden werden, wobei weitere Kontaktierungsstellen der weiteren Wandlerschicht mit weiteren Signaleingangskontakten des elektronischen Bauelements elektrisch verbunden werden können. Auf diese Weise kann in einfacher Weise, und insbesondere in einem einzigen Herstellungslauf ein komplexer Strahlungsdetektor hergestellt werden, welcher beispielsweise eine energieselektive Erfassung der Strahlung ermöglicht.
Vor Abscheiden der weiteren Wandlerschicht auf der zur Abscheidung vorgesehenen Seite des elektronischen Bauelements eine weitere Zwischenschicht abgeschieden werden. Mit der weiteren Zwischenschicht können analoge Vorteile erreicht werden wie mit der Zwischenschicht.
Die Wandlerschicht und/oder die weitere Wandlerschicht können/kann, wie bereits erwähnt, aus einem Halbleitermaterial hergestellt sein. Das Halbleitermaterial kann als Dotierstoff zumindest ein Element der folgenden Gruppe umfassen: Chlor (Cl), Indium (In), Aluminium (Al), Gallium (Ga), Eisen (Fe), Osmium (OS), Ruthenium (Ru). Dabei kann die Dotierung während der Abscheidung des Halbleitermaterials auf dem elektronischen Bauelement erfolgen. Das eröffnet die Möglichkeit zur Herstellung im Wesentlichen beliebiger Dotierstoffprofile mit vergleichsweise hoher Genauigkeit. Es können Dotierstoffprofile mit einer Genauigkeit von zumindest 20 nm, insbesondere von 0,5 nm bis 5 nm erzeugt werden. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise liegt insbesondere darin, dass die jeweils gewünschten Detektionseigenschaften der Wandlerschicht bzw. der weiteren Wandlerschicht optimal eingestellt werden können.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann bei Verwendung geeigneter Abscheideverfahren bei einer Prozesstemperatur von weniger als 500°C durchgeführt werden. Unter Prozesstemperaturen wird dabei diejenige Temperatur verstanden, welche während der Abscheidung der Wandlerschicht bzw. der weiteren Wandlerschicht vorherrscht. Bei entsprechend gewählten Abscheideverfahren können sogar Prozesstemperaturen von 350°C bis 450°C bzw. von 250°C bis 350°C erreicht werden. Bei solchen Prozesstemperaturen können, insbesondere bei den binären, tertiären oder quaternären Halbleiterwandlermaterialen umfassend die Elemente Cd, Zn, Te, Se, wie z. B. CdTe oder CdZnTe, Wandlerschichten mit besonders geringer Defektkonzentration abgeschieden werden. Zur Abscheidung der Wandlerschicht und/oder der weiteren Wandlerschicht eignen sich insbesondere niederdruck- oder vakuumsbasierte Abscheideverfahren, wie beispielsweise CVD (Chemische Gasphasenabscheidung, engl.: Chemical Vapour Deposition), MOCVD (Metallorganische Gasphasenabscheidung, engl.: Metal Organic Chemical Vapour Deposition), MOVPE (Metallorganische Gasphasenepitaxie, engl.: Metal Organic Chemical Vapour Phase Epitaxy) und ALE (Atomschichtepitaxie, engl.: Atomic Layer Epitaxy), MBE (Molekularstrahlepitaxie, engl.: Molecular Beam EpitaxY). Es wird daraufhingewiesen, dass die vorgenannte Aufzählung keineswegs abschließend ist und zur Abscheidung der Wandlerschicht bzw. der weiteren Wandlerschicht, insbesondere bei Nicht-Halbleiterwandlermaterialien, auch andere Abscheideverfahren in Betracht kommen.
Zur Vermeidung von übermäßigen thermischen Belastungen des elektronischen Bauelements kann die Zwischenschicht beziehungsweise die weitere Zwischenschicht bei einer Prozesstemperatur von weniger als 200°C, vorzugsweise bei einer Prozesstemperatur von 50°C bis 150°C abgeschieden werden.
Die Wandlerschicht und/oder die weitere Wandlerschicht können/kann als durchgehende Schicht auf dem elektronischen Bauelement abgeschieden werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Wandlerschicht und oder die weitere Wandlerschicht nach Bereitstellen einer Abscheidemaske auf der jeweiligen Seite des elektronischen Bauelements abgeschieden werden/wird. Auf diese Weise können/kann die Wandlerschicht und oder die weitere Wandlerschicht in einfacher Weise strukturiert werden. Es soll bemerkt werden, dass auch zur Abscheidung der Zwischenschicht und/oder der weiteren Zwischenschicht eine jeweils geeignete Abscheidemaske verwendet werden kann.
Bei verwenden einer Abscheidemaske ist es beispielsweise möglich die Wandlerschicht pixeliert auf das elektronische Bauelement abzuscheiden. Auf diese Weise entfallen üblicherweise anfallende Strukturierungs- und Präparationsschritte wie z. B. Sägen, Polieren und dgl.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch eine Röntgen-Computertomografieeinrichtung als Beispiel einer erfindungsgemäßen Strahlungserfassungseinrichtung;
2 einen Querschnitt durch ein Detektormodul, als Beispiel eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors;
3 Herstellungsschritte eines Herstellungsverfahrens für das Detektormodul;
4 Herstellungsschritte zur Herstellung einer Variante des Detektormoduls;
5 Herstellungsschritte zur Herstellung einer weiteren Variante des Detektormoduls; und
6 Herstellungsschritte zur Herstellung einer noch weiteren Variante des Detektormoduls;
In den Figuren sind, sofern nichts anderes erwähnt ist, gleiche oder funktionsgleiche Elemente durchwegs mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu und Maßstäbe zwischen den Figuren können variieren. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird die Erfindung nachfolgend anhand eines Strahlungsdetektors für eine Röntgen-Computertomografieeinrichtung beschrieben. Soweit sinnvoll kann die Erfindung auch bei anderen Strahlungserfassungseinrichtungen für Gamma- oder Korpuskularstrahlung Anwendung finden.
1 zeigt schematisch ein Röntgen-Computertomografieeinrichtung 1, umfassend einen Patientenlagerungstisch 2 zur Lagerung eines zu untersuchenden Patientenkörpers 3. Die Röntgen-Computertomografieeinrichtung 1 umfasst ferner eine Gantry 4, mit einem um eine Systemachse 5 drehbar gelagerten Röhren-Detektor-System. Das Röhren-Detektor-System wiederum umfasst eine Röntgenröhre 6 und einen dieser gegenüber liegend angeordneten Röntgendetektor 7.
Im Betrieb der Röntgen-Computertomografieeinrichtung 1 geht von der Röntgenröhre 6 Röntgenstrahlung 8 in Richtung des Röntgendetektors 7 aus und wird mittels des Röntgendetektors 7 erfasst. Zur Erfassung der Röntgenstrahlung 8 weist der Röntgendetektor 7 mehrere, in einer oder zwei Dimensionen, z. B. kachelartig, aneinander gereihte, pixelierte Detektormodule 9 auf. Jedes pixelierte Detektormodul 9 umfasst eine Vielzahl von Bildpunkten, bzw. Detektorpixeln, welche eine ortsaufgelöste Erfassung der Röntgenstrahlung 8 ermöglichen.
Das Detektormodul 9 umfasst – zumindest eine – eine Wandlerschicht 10 zur direkten Wandlung der Röntgenstrahlung 8 in elektrische Ladungen. Ferner umfasst das Detektormodul 9 ein elektronisches Bauelement 11, ausgebildet zur Verarbeitung von durch die elektrischen Ladungen induzierten elektrischen Signalen. Wie in dem in 2 dargestellten, den prinzipiellen Aufbau des Detektormoduls 9 wiedergebenden Querschnitt zu erkennen ist, ist die Wandlerschicht 10 auf das elektronische Bauelement 11 aufgebracht.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Gedanken ist die Wandlerschicht 10 mittels eines Abscheideverfahrens auf das elektronische Bauelement 11 abgeschieden, was im Folgenden, unter Einbeziehung weiterer Ausführungsbeispiele, näher erläutert werden soll.
In 3 sind einzelne Herstellungsschritte S1 und S2 eines Herstellungsverfahrens für das Detektormodul 9 in schematische Darstellung gezeigt.
In einem ersten Herstellungsschritt S1 wird das elektronische Bauelement 11 bereitgestellt. Dazu kann das elektronische Bauelement 11 beispielsweise mittels einer schematisch dargestellten Halteeinrichtung 12 gehaltert werden.
In einem zweiten Herstellungsschritt S2 wird die Wandlerschicht 10 unmittelbar auf das elektronische Bauelement 11 abgeschieden.
Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt u. a. darin, dass bei herkömmlichen Detektormodulen erforderliche Kontaktierungsschritte zur elektrischen Kontaktierung von Kontaktierungsstellen der Detektorpixel mit Signaleingangskontakten des elektronischen Bauelements 11 entfallen, wodurch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren besonders einfach ist. Davon abgesehen birgt die bei herkömmlich hergestellten Detektormodulen durchgeführte Kontaktierung über Lotverbindungen die Gefahr, dass in der Wandlerschicht zusätzliche Fehl- beziehungsweise Störstellen erzeugt werden, beispielsweise durch die während der Kontaktierung vorherrschenden, vergleichsweise hohen Temperaturen. Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren werden solche Fehlstellen von vorneher ein vermieden, wodurch eine besonders vorteilhafte Detektionseffizienz für das Detektormodul 9 erreicht werden kann.
Ferner ist es bei herkömmlichen Kontaktierungsverfahren, wie z. B. Bonden, Kleben usw., möglich, dass fehlerhafte elektrische Kontaktierungen entstehen, was zum Ausfall einzelner Detektorpixel führt. Demgegenüber ist bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ein separater Kontaktierungsschritt nicht erforderlich, so dass die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten Defekter Detektorpixel erheblich vermindert werden kann.
Zum Abscheiden der Wandlerschicht 10 kommen niederdruck- oder vakuumbasierte Abscheideverfahren wie z. B. CVD, MOCVD, MOVPE, ALE, MBE in Betracht. Solche Abscheideverfahren bieten den Vorteil, dass die Wandlerschicht 10 mit besonders geringer Defektkonzentration und hoher Reinheit hergestellt werden kann. Unter anderem können solche Abscheideverfahren bei Prozesstemperaturen von weniger als 500°C, beispielsweise von 350°C bis 450°C, oder von 375°C bis 450°C oder von 250°C bis 350°C, durchgeführt werden. Auf diese Weise können, insbesondere bei herkömmlichen für die Wandlerschicht verwendeten Halbleitermaterialien auf der Grundlage der Elemente Cadmium, Zink, Tellur und/oder Selen, temperaturinduzierte Defekte weitestgehend vermieden werden. Bei geeigneter Wahl der Ausgangsstoffe kann die Konzentration von Verunreinigungen der Wandlerschicht unter 10¹⁷/cm³, z. B. im Bereich von 10¹⁴/cm³ bis 10¹⁶/cm³, gehalten werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens besteht darin, dass die Wandlerschicht in einfacher Weise und mit hoher Präzision dotiert werden kann. Für die vorgenannten Halbleitermaterialien kommen beispielsweise Dotierstoffe wie Cl, In, Al, Ga, Fe, Os und Ru in Betracht, mit welchen elektronische Eigenschaften der Wandlerschicht je nach Bedarf verändert bzw. eingestellt werden können. Es können Dotierstoffprofile in der Wandlerschicht mit einer Genau igkeit von weniger als 20 nm, und sogar von 0,5 nm bis 5 nm erreicht werden.
In 4 sind Herstellungsschritte zur Herstellung einer Variante des Detektormoduls 9 gezeigt. Im Unterschied zu 3 wird bei dem alternativen Herstellungsverfahren gemäß 4 in einem alternativen ersten Schritt S1' ein elektronisches Bauelement 11 mit einer Zwischenschicht 13 bereitgestellt.
Die Zwischenschicht 13 ist auf einer der Wandlerschicht 10 zugewandten Seite des elektronischen Bauelements 11 angeordnet. Mit anderen Worten umfasst das elektronische Bauelement 11 bei dem Herstellungsverfahren gemäß 4 auf einer der Wandlerschicht 10 zugewandten Seite des Weiteren eine Zwischenschicht 13.
Die Zwischenschicht 13 kann mittels eines geeigneten Abscheideverfahrens abgeschieden sein/werden. In Frage kommen die im Zusammenhang mit der Wandlerschicht 10 genannten Abscheideverfahren. Sofern zur Abscheidung der Zwischenschicht 13 und der Wandlerschicht 10 das gleiche Abscheideverfahren verwendet werden kann – und auch wird – ist es möglich in einem einzigen Prozessgang, zunächst die Zwischenschicht 13 und dann die Wandlerschicht 10 abzuscheiden. Dadurch der Herstellungsaufwand deutlich verringert werden.
Die Zwischenschicht 13 kann beispielsweise Signalleitungen zur Durch- und/oder Umkontaktierung umfassen. Beispielsweise kann eine Umkontaktierung erforderlich sein, wenn die geometrische Anordnung bzw. Lage der Kontaktierungsstellen der Wandlerschicht von derjenigen der Signaleingangskontakte des elektronischen Bauelements verschieden ist. Sofern Kontaktierungsstellen der Detektorpixel mit Signaleingangskontakten fluchten, können Durchkontaktierungen verwendet werden.
Die Zwischenschicht 13 kann ferner dazu verwendet werden, optimale Bedingungen für die Abscheidung der Wandlerschicht 10 zu erzeugen. Bei Wandlerschichten 10 aus kristallinen Halb leitermaterialien können bei geeigneter Wahl des Materials für die Zwischenschicht 13 beispielsweise Bedingungen geschaffen werden, bei welchen ein besonders defektarmes Abscheiden der Wandlerschicht 10 möglich ist. Vorteilhaft ist insbesondere bei Halbleiter-Wandlerschichten, dass die Zwischenschicht 13 ein aus folgender Gruppe ausgewähltes Halbleitermaterial InAs, InP, GaSb, ZnO, GaN, Si, SiC, GaAs sowie, insbesondere ternäre und quaternäre Verbindungen derselben, und/oder ein Halbleiter strukturell ähnliches Material und/oder einen amorphen Kohlenstoff umfasst, welche ein verspannungsfreies Abscheiden einer kristallinen Halbleiterwandlerschicht ermöglichen. Bei geeigneter Wahl des Materials für die Zwischenschicht 13 kann ferner die Wärmeleitung aus dem Volumen des Detektormoduls 9 verbessert werden. Hier kommen unter anderem z. B. Keramiken in Frage.
5 zeigt Herstellungsschritte zur Herstellung einer weiteren Variante des Detektormoduls 9. Im Unterschied zur Variante nach 4 umfasst das elektronische Bauelement 11 im vorliegenden Beispiel auf einander gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Zwischenschicht 13. Auf jede der Zwischenschichten 13 wird, entweder gleichzeitig oder sukzessive eine Wandlerschicht 10 entsprechend einem der vorgenannten Abscheideverfahren abgeschieden. Dabei werden/sind Kontaktierungsstellen der Wandlerschichten 10 mit Signaleingangskontakten des elektronischen Bauelements 11 verbunden. Ein solcher Aufbau ermöglicht beispielsweise eine energieselektive Erfassung der Röntgenstrahlung 8. Die Wandlerschichten 10 können aus gleichen, oder aber aus verschiedenen Materialien hergestellt sein.
Ferner ist es möglich, dass die Wandlerschichten 10 voneinander verschiedene Absorberdicken aufweisen. Letzteres ist in 5 dargestellt, wobei die obere Wandlerschicht 10 eine kleinere Absorberdicke aufweist als die untere Wandlerschicht 10. In der oberen Wandlerschicht 10 können vergleichsweise energiearme Röntgenquanten erfasst werden, während in der unteren Wandlerschicht 10 die vergleichsweise energiereichen Röntgenquanten des Röntgenspektrums der Röntgenstrahlung 8 erfasst werden können.
Im Rahmen der Erfindung liegt es ferner, wenn die jeweilige Zwischenschicht an das Material der jeweiligen Wandlerschicht 10 angepasst ist, die Zwischenschichten unterschiedliche Dicken aufweisen und dgl. Es ist auch möglich, dass lediglich eine oder gar keine Zwischenschicht 13 bereitgestellt wird.
6 zeigt Herstellungsschritte zur Herstellung einer noch weiteren Variante des Detektormoduls. Bei dieser Variante wird nach Bereitstellen einer – lediglich schematisch dargestellten – Abscheidemaske 14 im Schritt S1'' die Wandlerschicht 10 auf dem elektronischen Bauelement 11 abgeschieden. Mit einer solchen Abscheidemaske 14 kann in einfacher Weise eine Strukturierung, beispielsweise zur Pixelierung, der Wandlerschicht 10 erreicht werden. Die Abscheidemaske 14 kann in beliebiger Weise bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die Abscheidemaske 14 auf das elektronische Bauelement 10 abgeschieden werden, und, wie im vorliegenden Fall, nach Abscheiden der Wandlerschicht 10 in einem Schritt S3 wieder abgetragen werden. Verbleibende Freiräume können ggf. mit einem Füllmaterial verfüllt werden. Alternativ ist es auch möglich, dass die Abscheidemaske 14 lediglich vorgehalten wird.
Die Verwendung einer Abscheidemaske 14 kommt auch dann in Frage wenn eine Zwischenschicht 13 verwendet werden soll.
Das elektronische Bauelement 11 kann beispielsweise auf Siliziumbasis hergestellt sein, und beispielsweise einen ASIC (Anwenderspezifische elektronische Schaltung, engl.: Application Specific Integrated Circuit) umfassen.
Das Herstellungsverfahren wurde im Zusammenhang mit der Herstellung eines Detektormoduls 9 beschrieben. Im Rahmen der Erfindung liegt es, wenn gleichzeitig mehrere Detektormodule 9 hergestellt werden. Dabei kann ein mehrere elektronische Bauelemente 11 aufweisender Wafer bereitgestellt werden. Auf diese Weise können u. a. mehrere Detektormodule gleichzeitig, großflächigere Detektormodule, oder – bei ausreichend großer Wafergröße – sogar ganze Strahlungsdetektoreinheiten hergestellt werden. Ein damit erreichbarer Kostenvorteil liegt auf der Hand.
Bei der Herstellung mehrerer Detektormodule 9 kann die Abscheidemaske 14 dazu verwendet werden, Freiräume zur physikalischen Trennung der einzelnen Detektormodule 9 bzw. Wandlerschichten, z. B. durch Sägen und dgl., dienen.
Schließlich wird noch darauf hingewiesen, dass die Wandlerschicht 10 im Beispiel gemäß 6 je nach gewünschtem Produkt, bei welchem es sich z. B. um ein einzelnes Detektormodul mit Strukturierung, um mehrere Detektormodule oder um eine ganze Strahlungsdetektoreinheit handeln kann, zusammenhängend sein kann, oder mehrere separate Wandlerschichtsegmente umfassen kann.
Insgesamt, und insbesondere durch die anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele, wird deutlich, dass die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst wird.

Claims

Strahlungsdetektor (7, 9) für Röntgen- (8), Gamma- oder Korpuskularstrahlung, umfassend eine Wandlerschicht (10) zur direkten Wandlung der Röntgen- (8), Gamma- oder Korpuskularstrahlung in elektrische Ladungen und ein elektronisches Bauelement (11), ausgebildet zur Verarbeitung von durch die elektrischen Ladungen induzierten elektrischen Signalen, wobei die Wandlerschicht (10) mittels eines Abscheideverfahrens auf das elektronische Bauelement (11) abgeschieden ist, wobei das elektronische Bauelement (11) auf einer der Wandlerschicht (10) zugewandten Seite eine Zwischenschicht (13) umfasst, wobei die Zwischenschicht (13) auf das elektronische Bauelement (11) mittels eines, vorzugsweise niederdruck- oder vakuumbasierten, Abscheideverfahrens abgeschieden ist, und wobei die Zwischenschicht (13) zumindest ein aus folgender Gruppe ausgewähltes Halbleitermaterial InAs, InP, GaSb, ZnO, GaN, Si, SiC, GaAs sowie Verbindungen derselben, und/oder ein Halbleiter strukturell ähnliches Material und/oder einen amorphen Kohlenstoff und/oder eine Keramik umfasst.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, wobei die Wandlerschicht als Halbleitermaterialschicht, vorzugsweise auf der Grundlage der Elemente Cadmium, Zink, Tellur und/oder Selen, ausgebildet ist.
Strahlungsdetektor (7, 9) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Wandlerschicht (10) pixeliert ausgebildet ist.
Strahlungsdetektor (7, 9) nach Anspruch 1, wobei die Zwischenschicht (13) mehrere Durchkontaktierungen und/oder Umkontaktierungen, zur elektrischen Kontaktierung von Kontak tierungsstellen der Wandlerschicht (10) mit Signaleingangskontakten des elektronischen Bauelements (11) umfasst.
Strahlungsdetektor (7, 9) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei auf einer der Wandlerschicht (10) gegenüberliegenden Seite des elektronischen Bauelements (11) eine weitere Wandlerschicht (10) abgeschieden ist, mit weiteren Kontaktierungsstellen, welche mit weiteren Signaleingangskontakten des elektronischen Bauelements (11) elektrisch verbunden sind.
Strahlungsdetektor (7, 9) nach Anspruch 5, wobei die Wandlerschicht (10) und die weitere Wandlerschicht (10) voneinander verschiedene Absorberdicken aufweisen.
Strahlungsdetektor (7, 9) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei das elektronische Bauelement (11) auf einer der weiteren Wandlerschicht (10) zugewandten Seite eine weitere Zwischenschicht (13) umfasst.
Strahlungsdetektor (7, 9) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Wandlerschicht (10) aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist und als Dotierstoff zumindest ein ausfolgender Gruppe ausgewähltes Element umfasst: Cl, In, Al, Ga, Fe, Os, Ru.
Strahlungserfassungseinrichtung, insbesondere Computertomographieeinrichtung (1), umfassend zumindest einen Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Herstellungsverfahren für einen Strahlungsdetektor (7, 9) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Schritte (S1, S2): – Bereitstellen eines elektronischen Bauelements (11); und – Abscheiden der Wandlerschicht (10) auf das elektronische Bauelement (11) mittels eines Abscheideverfahrens, wobei das elektronische Bauelement (11) eine Zwischenschicht (13) umfasst, welche vor Abscheiden der Wandlerschicht (10) auf einer zur Abscheidung der Wandlerschicht (10) vorgesehenen Seite des elektronischen Bauelements (11) mittels eines Abscheideverfahrens abgeschieden wird, und wobei die Zwischenschicht (13) aus zumindest einem aus folgender Gruppe ausgewählten Halbleitermaterial InAs, InP, GaSb, ZnO, GaN, Si, SiC, GaAs, sowie Verbindungen derselben, einem Halbleitermaterial strukturell ähnlichen Material, insbesondere DLC, und/oder einer Keramik hergestellt wird/ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, wobei die Wandlerschicht (10) als Halbleitermaterialschicht, vorzugsweise auf der Grundlage der Elemente Cadmium, Zink, Tellur und/oder Selen, abgeschieden wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, wobei in und/oder auf der Zwischenschicht (13) mehrere Durchkontaktierungen und/oder Umkontaktierungen, zur elektrischen Verbindungen von Kontaktierungsstellen der Wandlerschicht (10) mit Signaleingangskontakten des elektronischen Bauelements (11) hergestellt werden.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei gegenüberliegend einer zur Abscheidung der Wandlerschicht (10) vorgesehenen Seite des elektronischen Bauelements (11) vor, während oder nach der Abscheidung der Wandlerschicht (10) eine weitere Wandlerschicht (10) abgeschieden wird, mit weiteren Kontaktierungsstellen, welche mit weiteren Signaleingangskontakten des elektronischen Bauelements (11) elektrisch verbunden werden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 13, wobei vor Abscheiden der weiteren Wandlerschicht (10) auf der zur Abscheidung vorgesehenen Seite des elektronischen Bauelements (11) eine weitere Zwischenschicht (13) abgeschieden wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Wandlerschicht (10) und/oder die weitere Wandlerschicht (10) aus einem Halbleitermaterial hergestellt werden/wird und mit zumindest einem aus folgender Gruppe ausgewählten Element, vorzugsweise während der Abscheidung, dotiert werden/wird: Cl, In, Al, Ga, Fe, Os, Ru.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 15, wobei die Dotierung der Wandlerschicht (10) derart erfolgt, dass ein Dotierstoffprofil in der Wandlerschicht (10) eine Genauigkeit von zumindest 20 nm, vorzugsweise von 0,5 nm bis 5 nm aufweist.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei die Wandlerschicht (10) und/oder die weitere Wandlerschicht (10) bei einer Prozesstemperatur von weniger als 500°C, vorzugsweise bei einer Prozesstemperatur von 350°C bis 450°C, vorzugsweise bei einer Prozesstemperatur von 250°C bis 350°C, abgeschieden werden/wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei zur Abscheidung der Wandlerschicht (10) und/oder der weiteren Wandlerschicht (10) ein, vorzugsweise aus folgender Gruppe ausgewähltes, niederdruck- oder vakuumbasiertes Abscheideverfahren verwendet wird: CVD, MOCVD, MOVPE, ALE, MBE.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, wobei die Zwischenschicht und/oder die weitere Zwischenschicht bei einer Prozesstemperatur von weniger als 200°C, vorzugsweise bei einer Prozesstemperatur von 50°C bis 150°C abgeschieden werden/wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, wobei die Wandlerschicht (10) und/oder die weitere Wandlerschicht (10) nach Bereitstellen einer Abscheidemaske (14) auf der jeweiligen Seite des elektronischen Bauelements (11) abgeschieden werden/wird.