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Die
Erfindung betrifft insbesondere einen sog. direkt konvertierenden
Strahlungswandler, d. h. einen Strahlungswandler mit einer Wandlerschicht zur
direkten Wandlung von Röntgen- und/oder Gammastrahlung
in elektrische Ladungen. Auf einer Wandlerschichtoberfläche ist
eine Vielzahl an Pixelelektroden angeordnet, durch welche einzelne
Pixel bzw. Bildpunkte des Strahlungswandlers definiert werden.
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Über die
Pixelelektroden können
die elektrischen Ladungen in Form elektrischer Signale abgegriffen
werden.
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Üblicherweise
werden die Pixelelektroden in einem Lötprozess direkt mit einer Auswerteelektronik,
beispielsweise einem ASIC (Anwendungsspezifische elektronische Schaltung),
verbunden. Dazu wird auf die Pixelelektroden zunächst ein Lotdepot, z. B. in
Form von Lotkugeln oder durch Bedrucken, aufgebracht. Dann wird
die Auswerteelektronik aufgesetzt und Signaleingangskontakte der
Auswerteelektronik werden mit den Pixelelektroden verlötet.
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Damit
eine effektive Erfassung der Röntgen- oder
Gammastrahlung möglich
ist, sind insbesondere an die Lötverbindungen
zwischen Pixelelektroden und Signaleingangskontakten hohe Anforderungen im
Hinblick auf mechanische und elektrische Qualität und Zuverlässigkeit
gestellt. Bei dem aus der
WO 2006/018767 A2 bekannten direkt konvertierenden Strahlungswandler
wird die elektrische Verbindung zwischen den Pixelelektroden und
den Signaleingangskontakten beispielsweise mittels einer elektrisch
leitfähigen
Membran hergestellt, welche elastisch ausgeführt ist, so dass eine störungsfreie
Kontaktierung auch bei Temperaturschwankungen oder bei Beschleunigungen
durch Rotation einer den Strahlenwandler tragenden Gantry in einem
CT-Gerät
gegeben ist.
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Von
entscheidender Bedeutung ist dabei nicht nur der Aufbau der Pixelelektroden,
die sog. UBM (engl. Under Bump Metallization), sondern auch weitere
Faktoren wie laterale Ausdehnung der Pixelelektroden und deren Abstand,
sowie der Abstand zwischen Pixelelektroden und den Signaleingangskontakten
spielen eine wesentliche Rolle.
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Allerdings
sind die genannten weiteren Faktoren in der Regel technisch bedingten
Randbedingungen unterworfen, und können nicht ohne weiteres frei
verändert
werden. Beispielsweise ist die jeweils optimale Größe der Pixelelektroden
u. a. abhängig von
der gewünschten
Ortsauflösung,
der Quantenflussrate und der Leistungsfähigkeit der Auswertelektronik.
Der Abstand zwischen Pixelelektroden und Signaleingangskontakten,
der zur Vermeidung unnötiger
parasitärer
Widerstände
und zugunsten eines besonders vorteilhaften Signal-zu-Rauschverhältnisses besonders
klein sein sollte, wird unter anderem bestimmt durch das verwendete
Lötverfahren,
beispielsweise durch den Durchmesser auf die Pixelelektroden aufgebrachter
Lotkugeln.
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Davon
ausgehend ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen direkt konvertierenden
Strahlungswandler bereitzustellen, welcher Pixelelektroden aufweist,
die in mechanischer und elektrischer Hinsicht qualitativ besonders
hochwertige und zuverlässige Lotverbindungen
ermöglichen.
Ferner sollen ein Strahlungsdetektor und ein Strahlungserfassungsgerät bereitgestellt
werden.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der Ansprüche
1, 17 und 18. Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Ein
erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Strahlungswandler zur
direkten Wandlung von Röntgen-
und/oder Gammastrahlung in elektrische Ladungen. Der Strahlungswandler
umfasst eine Wandlerschicht und auf einer Wandlerschichtoberfläche eine
Vielzahl an Pixelelektroden. Dabei soll nicht ausgeschlossen sein,
dass Elemente oder Bestandteile der Pixelelektroden in die Wandlerschicht
hineinreichenden, was im Weiteren jedoch nicht weiter thematisiert
wird.
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Die
Pixelelektroden weisen auf der Wandlerschicht abgewandten Seite
jeweils eine durch eine Oberfläche
eines Lotbenetzungsmaterials ausgebildete Lotbenetzungsfläche auf.
Zweck des Lotbenetzungsmaterials, und damit der Lotbenetzungsfläche, ist
es, eine für
ein jeweils verwendetes Lotmaterial benetzende Kontaktfläche bereitzustellen, über welche
eine elekt risch leitende Lotverbindung mit einem korrespondierenden
Signaleingangskontakt eines der Signalverarbeitung dienenden elektronischen Bauelements
hergestellt werden kann.
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Indem
die Lotbenetzungsfläche
jeweils an der Wandlerschicht abgewandten Seite der Pixelelektroden
ausgebildet ist, kann das Lotmaterial, beispielsweise durch Bekugeln
oder Screen-Printing,
d. h. durch Aufdrucken des Lotmaterials unter Verwendung einer Schablone,
unmittelbar aufgebracht werden.
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Die
räumlich
laterale Erstreckung einer jeden Lotbenetzungsfläche, d. h. die räumliche
Erstreckung in einer Richtung parallel zur Wandlerschichtoberfläche, ist
jeweils kleiner als die laterale Gesamterstreckung der jeweiligen
Pixelelektrode.
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Jede
Pixelelektrode weist ferner ein Lotstoppmaterial auf, welches lateral
an die jeweilige Lotbenetzungsfläche
angrenzt. Dabei soll der Begriff ”Angrenzen” insbesondere die Fälle umfassen,
bei welchen das Lotstoppmaterial lateral allseitig oder lediglich
abschnittsweise an der Lotbenetzungsfläche vorgesehen ist.
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Unter
einen Lotstoppmaterial soll ein Material verstanden werden, welches
nicht mit einem zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen den Pixelkontakten
und Signaleingangskontakten eines der Signalverarbeitung dienenden
elektronischen Bauelements verwendeten Lotmaterials legiert. Insoweit kann
ein Auslaufen bzw. Verlaufen des Lotmaterials in lateraler Richtung
zumindest dort vermieden werden, wo Lotstoppmaterial an die Lotbenetzungsfläche angrenzt.
Die Lötverbindung
wird insoweit in lateraler Richtung auf die Lotbenetzungsfläche beschränkt, was
der mechanischen und elektrischen Qualität zuträglich ist.
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Dadurch,
dass die Lotbenetzungsfläche
in lateraler Richtung kleiner als die jeweilige Gesamterstreckung
der Pixelelektrode ist und die Lotbenetzungsfläche zumindest abschnittsweise
durch das Lotstoppmaterial begrenzt ist, kann erreicht wer den, dass
die Lotverbindung zwischen Pixelelektrode und Signaleingangskontakten
im Wesentlichen unabhängig
von der lateralen Erstreckung der jeweiligen Pixelelektrode ist.
Das bedeutet, dass die Lötverbindung
im Wesentlichen unabhängig
von der lateralen Gesamterstreckung der Pixelelektroden optimiert werden
kann. Insbesondere ist es möglich,
den Abstand zwischen Lotbenetzungsflächen und Signaleingangskontakten
dahingehend zu optimieren, dass eine Beeinträchtigung der Signalqualität durch
parasitäre
Widerstände
und Erhöhung
des Signalrauschens verringert werden kann. Ferner kann durch Beschränkung der
legierungsfähigen
Fläche
durch das Lotstoppmaterial eine deutlich verbesserte Formstabilität eines
auf die legierungsfähige
Fläche, d.
h. die Lotbenetzungsfläche,
aufgebrachten Lotdepots erreicht werden. Die Gesamtheit der vorgenannten
Vorteile und vorteilhaften Wirkungen führt dazu, dass elektrisch und
mechanisch besonders hochwertige und zuverlässige Lotverbindungen hergestellt werden
können.
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Für den Fall,
dass die Erstreckung der Lotbenetzungsflächen jeweils in allen lateralen
Richtungen kleiner ist als die Gesamterstreckung der jeweiligen Pixelelektroden,
ist es von besonderem Vorteil, wenn das Lotstoppmaterial derart
vorgesehen ist, dass die Lotbenetzungsflächen vom Lotstoppmaterial eingegrenzt,
d. h. lateral von Lotstoppmaterial umgeben, sind. Dadurch kann ein
Auslaufen bzw. ein Verlaufen des Lotmaterials in allen lateralen
Richtungen eingedämmt
werden. Einhergehend damit kann die Formstabilität des Lotmaterials verbessert
werden, was sich Vorteilhaft auf die mechanischen und elektrischen
Eigenschaften der Lotverbindung auswirkt.
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Für die relative
Lage von Lotstoppmaterial zu Lotbenetzungsmaterial gibt es verschiedene
Möglichkeiten.
Unter anderem besteht eine Möglichkeit darin,
dass das Lotstoppmaterial bei jeder Pixelelektrode eine separate
Lotstoppschicht ausbildet. In diesem Fall kann Lotstoppschicht eine über die
laterale Gesamterstreckung der Pixelelektrode verlaufende, zusammenhängende Schicht
ausbilden. Auf diese Lotstoppschicht kann Wandlerschicht abgewandt
jeweils das Lotbenetzungsmaterial, beispielsweise in Form einer
Lotbenetzungsschicht, aufgebracht sein/werden. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, dass das Lotstoppmaterial und das Lotbenetzungsmaterial
einer jeden Pixelelektrode in einer, sich vorzugsweise über die
laterale Gesamterstreckung der Pixelelektrode erstreckenden, Kombinationsschicht angeordnet
sind. Dabei bilden das Lotbenetzungsmaterial und das Lotstoppmaterial
einzelne Abschnitte der Kombinationsschicht aus. Weitere, im Rahmen der
Erfindung liegende Möglichkeiten
sind denkbar, wobei insbesondere auf die Ausführungsbeispiele verwiesen wird.
Bei den zwei genannten Möglichkeiten
kann ein Auslaufen des Lotmaterials über die Lotbenetzungsfläche hinaus
durch das Lotstoppmaterial vermieden werden.
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Abgesehen
von Schichten, die durch das Lotstoppmaterial und/oder das Lotbenetzungsmaterial
ausgebildet werden, können
die Pixelelektroden einen Schichtaufbau mit weiteren Schichten aufweisen.
Beispielsweise können
die Pixelelektroden unmittelbar auf der Wandlerschichtoberfläche eine
Haftschicht aufweisen, um eine verbesserte mechanische und elektrische
Verbindung zwischen Pixelelektrode und Wandlermaterial zu vermitteln.
Die Haftschicht kann zugleich die Funktion einer Barrierewirkung
aufweisen, die verhindern soll, dass Materialien der Pixelelektroden
in die Wandlerschicht diffundieren und umgekehrt, so dass die Wandlungseffizienz auf
hohem Niveau gehalten werden kann. Unmittelbar auf der Haftschicht
kann eine, sich vorzugsweise über
die laterale Gesamterstreckung der Pixelelektrode erstreckende,
Kontaktschicht aufgebracht sein. Der Zweck der Kontaktschicht besteht
u. a. darin, einen guten Wärmekontakt
bereitzustellen und eine gute elektrische Anbindung zu ermöglichen.
Bei der Wahl mechanisch vergleichsweise weicher Materialien kann
erreicht werden, dass, insbesondere innere, Verspannungen der Pixelelektroden
entgegengewirkt werden kann. Davon abgesehen kann die Kontaktschicht
bei geeigneter Materialwahl Eigenschaften aufweisen, welche einem
Eindiffundieren oder Einlegieren von Pixelelektrodenmaterialien,
insbesondere von Metallen, in die Wandlerschicht unterbinden. Damit
kann vermieden werden, dass die Wandlungseffizienz der Wandlerschicht
durch Eindiffundieren bzw. Einlegieren von Pixelelektrodenmaterialien
herabgesetzt wird.
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Zur
Vermeidung von Beeinträchtigungen
der Wirkungsweise des Lotstoppmaterials bzw. des Lotbenetzungsmaterials
durch Einlegieren oder Eindiffundieren von Materialien oder Substanzen
der Kontaktschicht kann es von Vorteil sein, wenn unmittelbar auf
der Kontaktschicht eine Barriereschicht angeordnet ist. Zweck der
Barriereschicht ist es also, das Eindiffundieren bzw. Einlegieren
von Materialien oder Substanzen der Kontaktschicht in das Lotstoppmaterial
bzw. das Lotbenetzungsmaterial zu unterbinden.
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Eine
besonders hohe Effektivität
der Barriereschicht kann mit Schichtdicken, gemessen in Richtung
des Schichtaufbaus der Pixelelektroden, d. h. senkrecht zur Wandlerschichtoberfläche, von
600 nm, vorzugsweise 100 nm, vorzugsweise 20 nm bis 1 μm erreicht
werden.
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Durch
die Kontaktschicht und gegebenenfalls die Barriereschicht kann erreicht
werden, dass der Schichtaufbau der Pixelelektroden und deren elektrische
Leitfähigkeit,
weitestgehend erhalten bleibt. Auf diese Weise kann eine besonders
hohe Zuverlässigkeit
der Pixelelektroden in ihrer Funktion als Vermittler eines elektrischen
Kontakts zwischen Wandlerschicht und Signaleingangskontakten erreicht
werden. Das ist insbesondere erforderlich, um die jeweils erforderlichen
elektrischen Anforderungen im Hinblick auf Signalbreite und Signal-zu-Rauschverhältnis zu
gewährleisten.
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Die
Wandlerschicht kann aus einem, im Wesentlichen beliebigen, zur direkten
Wandlung von Röntgen-
und/oder Gammastrahlung geeigneten Halbleitermaterial hergestellt
sein. Insbesondere kommen Halbleitermaterialien der Zusammensetzung
Zn1-xCdxSe1-yTey mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 in Frage.
Dabei bezeichnen Zn, Cd, Se und Te die Elemente Zink, Cadmium, Selen
und Tellur. Solche Halbleitermaterialien eignen sich beson ders gut
zur direkten Wandlung von Röntgen-
und/oder Gammastrahlung.
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Für die vorweg
konkret genannten Halbleitermaterialien, und insbesondere für Strahlungswandler
für die
Röntgen-Computertomographie,
haben sich für
die Haftschicht als besonders vorteilhaft die Elemente Platin (Pt)
und Titan (Ti) erwiesen, die insbesondere in einer Abfolge einzelner
Schichten aus Pt oder Ti vorgesehen sein können. Für die Kontaktschicht hat sich
das Element Gold (Au) als besonders vorteilhaft erwiesen. Insbesondere
für die
vorgenannten Elemente haben sich für die Barriereschicht als besonders
vorteilhaft die Elemente Kupfer (Cu) und Titan (Ti) erwiesen, die
beispielsweise in einer Abfolge von Schichten aus Cu und Ti angeordnet sein
können.
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Bei
dem Lotstoppmaterial kann es sich insoweit um ein beliebiges Material
handeln, als durch dieses eine Benetzung mit Lotmaterial verhindert werden
kann, oder dieser zumindest erheblich entgegengewirkt. Erwähnt sei,
dass es sich bei dem Lotstoppmaterial sowohl um elektrisch nicht
leitfähige als
auch um elektrisch leitfähige
Materialien handeln kann. Als elektrisch leitfähiges Material kommt insbesondere
das Element Nickel (Ni) in Betracht, bei welchem natürlich ausgebildete
Oxidschichten benetzungsmindernd wirken. Das Element Ni ist insbesondere
für zinnhaltige
Lotmaterialien geeignet. Solche Lotmaterialien sind wegen ihres
vergleichsweise geringen Schmelzpunkts, z. B. von weniger als 180°C, besonders
gut geeignet für
temperatursensitive Wandlermaterialien wie CdTe oder CdZnTe und ähnliche
Halbleitermaterialien.
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Als
bevorzugtes Lotbenetzungsmaterial kommt das Element Gold (Au) nicht
nur wegen vorteilhafter elektrischer Leitfähigkeitseigenschaften in Betracht.
Zumindest für
die meisten Lotmaterialien kann mit dem Element Gold als Lotbenetzungsmaterial
eine sehr gute elektrische und mechanische Verbindung erreicht werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Lotbenetzungsmaterial eine Schicht
ausbildet, dessen Dicke, gemessen in senkrechter Richtung zur Wandlerschichtoberfläche, zwischen
500 nm, vorzugsweise 100 nm, vorzugsweise 50 nm bis 1 μm, liegt.
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Der
Strahlungswandler kann ein der Signalverarbeitung dienendes elektronisches
Bauelement mit einer der Anzahl der Pixelelektroden entsprechenden
Anzahl an Signaleingangskontakten umfassen. Bei einem derartigen
Strahlungswandler kann jeder Signaleingangskontakt mittels einer,
vorzugsweise zinnhaltigen und im Wesentlichen nickelfreien, Lotverbindung
mit jeweils einer durch das Benetzungsmaterial ausgebildeten Lotbenetzungsfläche elektrisch
verbunden sein.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor mit
zumindest einem Strahlungswandler nach dem ersten Aspekt der Erfindung. Wegen
Vorteilen und vorteilhaften Wirkungen des Strahlungsdetektors wird
auf die Ausführungen
zum ersten Aspekt der Erfindung verwiesen. Hervorgehoben werden
soll insbesondere die hohe Zuverlässigkeit der Lotverbindungen,
die sich unmittelbar auf den Strahlungsdetektor überträgt.
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Ein
dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Strahlungserfassungsgerät, insbesondere
ein Röntgen-Computertomografiegerät, umfassend
einen Strahlungsdetektor nach dem zweiten Aspekt der Erfindung.
Vorteile und vorteilhafte Wirkungen zum dritten Aspekt der Erfindung
ergeben sich aus den Ausführungen
zum ersten und zweiten Aspekt der Erfindung.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch
ein Röntgen-Computertomografiegerät als Beispiel
eines Strahlungserfassungsgeräts;
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2 eine
Schnittdarstellung eines Strahlungswandlers nach dem ersten Aspekt
der Erfindung;
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3 einen
Abschnitt des Strahlungswandlers der 2 mit einer
aus Veranschaulichungszwecken vergrößert dargestellten Pixelelektrode
einer ersten Ausgestaltung;
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4 einen
Querschnitt einer Pixelelektrode einer zweiten Ausgestaltung;
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5 einen
Querschnitt einer Pixelelektrode einer dritten Ausgestaltung und
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6 einen
Querschnitt einer Pixelelektrode einer vierten Ausgestaltung.
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In
den Figuren sind 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 der Röntgen-Computertomografie
beschrieben.
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1 zeigt
schematisch ein Röntgen-Computertomografiegerät 1,
umfassend einen Patientenlagerungstisch 2 zur Lagerung
eines zu untersuchenden Patienten 3. Das Röntgen-Computertomografiegerät 1 umfasst
ferner eine Gantry 4, mit einem um eine Systemachse 5 in
Azimutalrichtung drehbar gelagerten Röhren-Detektor-System. Das Röhren-Detektor-System
wiederum umfasst eine Röntgenröhre 6 und
einen dieser gegenüber
liegend angeordneten Röntgendetektor 7.
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Im
Betrieb des Röntgen-Computertomografiegeräts 1 geht
von der Röntgenröhre 6 Röntgenstrahlung
R in Richtung des Röntgendetektors 7 aus und
kann vom Röntgendetektors 7 erfasst
werden. Zur Erfassung der Röntgenstrahlung
R weist der Röntgendetektor 7 mehrere
Strahlungswandler 8 auf.
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2 zeigt
eine Schnittdarstellung eines Strahlungswandlers 8. Der
Strahlungswandler 8 umfasst eine Wandlerschicht 9 zur
direkten Wandlung der Röntgenstrahlung
R in elektrische Ladungen. Die Wandlerschicht ist aus einem Halbleitermaterial
der Zusammensetzung Zn1-xCdxSe1-yTey mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 hergestellt.
Insoweit kann es sich bei dem Halbleitermaterial um CdTe oder um
CdZnTe handeln.
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Zur
Erfassung der elektrischen Ladungen sind auf gegenüberliegenden
Seiten der Wandlerschicht 9 Elektroden aufgebracht. Bei
der in der Darstellung der 2 an der
Oberseite der Wandlerschicht 9 angebrachten Elektrode handelt
es sich um eine Flächenelektrode 10.
Bei den in der Darstellung der 2 an der
Unterseite der Wandlerschicht 9 angebrachten Elektroden
handelt es sich um Pixelelektroden 11, die, was nicht explizit
dargestellt ist, auf der Unterseite matrixartig verteilt angeordnet
sind.
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Die
Pixelelektroden 11 bewirken eine Pixelierung der Wandlerschicht,
d. h. eine fiktive Zergliederung der Wandlerschicht 9 in
einzelne Bildpunkte. im Hinblick auf die Erfassung der Röntgenstrahlung
R ermöglicht
die Pixelierung eine ortsaufgelöste
Erfassung der Röntgenstrahlung
R.
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Zwischen
der Flächenelektrode 10 und
den Pixelelektroden 11 ist im Betrieb des Strahlungswandlers 8 eine
Spannung angelegt. Durch die Spannung werden die elektrischen Ladungen,
bei welchen es sich wegen der aus einem Halbleitermaterial hergestellten
Wandlerschicht um Elektronen und Löcher handelt, entsprechend
ihres Ladungszustands zur Flächenelektrode 10 bzw.
zu einer der Pixelelektroden 11 beschleunigt.
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In
der Regel ist die Spannung so gepolt, dass die Elektronen zu den
Pixelelektroden 11 und die Löcher zur Flächenelektrode 10 beschleunigt
werden. Die Flächenelektrode 10 bildet
eine Gegenelektrode zu den Pixelelektroden 11 und muss
nicht zwingend als Flächenelektrode
ausgebildet sein.
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Infolge
der durch die Spannung bewirkten Ladungstrennung induzieren die
elektrischen Ladungen elektrische Signale auf die Pixelelektroden 11.
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Zur
Verarbeitung oder Vorverarbeitung der elektrischen Signale weist
der Strahlungswandler 8 ein elektronisches Bauelement 12,
beispielsweise einen ASIC, auf.
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Das
elektronische Bauelement 12 umfasst eine der Anzahl und
geometrischen Anordnung der Pixelelektroden 11 korrespondierende
Anzahl an Signaleingangskontakten 13. Die Pixelelektroden 11 sind
mit jeweils einem Signaleingangskontakt 13 über jeweils
eine Lotverbindung 14 elektrisch leitend verbunden, so
dass die elektrischen Signale an das elektronische Bauelement 12 übertragen
werden können.
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Für Wandlermaterialien
wie CdTe und CdZnTe, bei welchen bei Temperaturen ab ca. 160°C eine Beeinträchtigung
der Wandlungseffizienz zu erwarten ist, sind niedrig schmelzende
Lotmaterialien, wie z. B. zinnhaltige Lotmaterialien, mit Schmelzpunkten unter
180°C von
besonderem Vorteil.
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Für die Qualität der Übertragung
der elektrischen Signale an das elektronische Bauelement 12 sind
u. a. Eigenschaften der Lotverbindungen 14 und der Pixelelektroden 11 von
entscheidender Bedeutung. Dabei liegt der Erfindung u. a. die Erkenntnis
zu Grunde, dass die, insbesondere mechanische und elektrische, Qualität der Lotverbindungen 14 und
deren Zuverlässigkeit
wesentlich durch die Eigenschaften der Pixelelektroden 11 mitbestimmt
wird. Jedoch kann die Qualität
der Lotverbindung für
ein vorgegebenes Lotmaterial nur insoweit beeinflusst werden als
dies über
eine Anpassung und Optimierung des Aufbaus der Pixelelektroden 11 möglich ist.
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Da
das Lotmaterial, beispielsweise wegen temperaturempfindlicher Wandlermaterialien,
nicht beliebig variiert werden kann, liegt der Ansatz darin, einen
optimalen Aufbau der Pixelelektroden 11 bereitzustellen.
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3 zeigt
einen Abschnitt des Strahlungswandlers der 2 mit einer – aus Veranschaulichungszwecken
vergrößert dargestellten – Pixelelektrode 11 einer
ersten Ausgestaltung. Die Pixelelektrode 11 der ersten
Ausgestaltung weist, insbesondere unter dem Aspekt einer hohen mechanischen
und elektrischen Qualität
der Lotverbindungen 14, einen besonders vorteilhaften Aufbau
auf, worauf im Folgenden näher
eingegangen werden soll. Dabei wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit von
einem Wandlermaterial der Zusammensetzung Zn1-xCdxSe1-yTey mit
0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 ausgegangen.
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Die
Pixelelektrode 11 weist, ausgehend von der Wandlerschicht 9,
eine Haftschicht 15 aus Platin oder Titan oder einer Schichtabfolge
derselben Elemente, eine Kontaktschicht 16 aus Gold, eine
Lotstoppschicht 17 aus Nickel und eine Lotbenetzungsschicht 18 aus
Gold auf. Die Funktionen der einzelnen Schichten sind wie folgt:
Durch
die Haftschicht 15 kann, durch Ausbildung eines Halbleiter-Metall-Kontakts,
eine den jeweiligen Anforderungen gerecht werdende mechanische und elektrisch
leitende Verbindung mit der Wandlerschicht hergestellt werden. Ferner
kann durch die Haftschicht 15 zumindest weitgehend vermieden werden,
dass eine Interdiffusion von Materialien der Pixelelektroden 11 und
der Wandlerschicht 9 erfolgt. D. h. einer Diffusion und
dgl. von Materialien der Pixelelektroden 11 in die Wandlerschicht 9 und
ungekehrt kann entgegengewirkt werden.
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Durch
die Haftschicht 15 wird gleichzeitig die an der Wandlerschicht 9 gemessene
laterale Gesamterstreckung einer Pixelelektrode 11 festgelegt. Hierbei
soll bemerkt werden, dass die Größe der Bildpunkte
der Wandlerschicht u. a. durch die laterale Gesamterstreckung der
Pixelelektrode 11 und den Abstand benachbarter Pixelelektroden 11,
auch bekannt als Pitch, beeinflusst wird.
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Durch
die Kontaktschicht 16 wird – zumindest weitestgehend – vermieden,
dass Metalle in die Wandlerschicht 9 eindiffundieren bzw.
einlegieren. Ein Eindiffundieren bzw. Einlegieren von Metallen in die
Wandlerschicht 9, kann eine erhebliche Beeinträchtigung
der Wandlungseffizienz nach sich ziehen. Des Weiteren kann durch
die Kontaktschicht 16 eine besonders vorteilhafte elektrische
Anbindung der Pixelelektrode 11 an die Wandlerschicht erreicht
werden.
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Die
Lotstoppschicht 17 weist zumindest an ihrer frei liegenden
Oberfläche
eine durch natürliche Oxidation
des Nickels ausgebildete Nickeloxidschicht auf. Diese Nickeloxidschicht
verhindert, dass die Lotstoppschicht 17 von dem für die Lotverbindung 14 verwendeten
Lotmaterial benetzt wird. Folglich kann ein laterales Auslaufen
bzw. Verlaufen des Lotmaterials bei der Herstellung der Lotverbindung 14 vermieden
werden.
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Die
Lotbenetzungsschicht 18 weist auf ihrer von der Wandlerschicht 9 abgewandten
Seite eine Lotbenetzungsfläche 19 auf,
die im Gegensatz zur Lotstoppschicht 17 vom Lotmaterial
benetzt wird. Die Lotbenetzungsschicht 18 dient somit als
Kontaktschicht zum Lotmaterial.
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Im
Gegensatz zur Haftschicht 15, Kontaktschicht 16 und
Lotstoppschicht 17, ist die laterale Erstreckung der Lotbenetzungsschicht 18 kleiner
als die laterale Gesamterstreckung der Pixelelektrode 11.
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Durch
das Zusammenwirken der Lotstoppschicht 17 und der Lotbenetzungsschicht 18,
wird die Lotverbindung 14 lateral auf die Größe der Lotbenetzungsfläche 19 eingeschränkt. Es
kann eine Art Selbstjustierung und Zentrierung der Lotverbindung 14 erreicht
werden. Die Lotverbindung 14 ist also im Wesentlichen auf
die Größe der Lotkontaktfläche 19 beschränkt, wobei
mechanisch und elektrisch qualitativ besonders hochwertige und zuverlässige Lotverbindungen 14 erreicht
werden können.
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Beispielhaft
erwähnt
sei hier der Fall einer lateralen Gesamterstreckung der Pixelelektrode
von 190 μm
und einer lateralen Erstreckung der Lotbenetzungsschicht 18 bzw.
der Lotbenetzungsfläche 19 von
etwa 90 μm.
Wird auf eine solche Lotbenetzungsfläche 19 eine Lotkugel
mit etwa demselben Durchmesser, beispielsweise durch Screen-Printing oder
Bekugeln aufgebracht, so kann zwischen Lotbenetzungsfläche 19 und
Signaleingangskontakt 13 ein Abstand von unter 100 μm, beispielsweise
im Bereich von ca. 90 μm,
erreicht werden, wobei sich die Lotverbindung 14 nahezu über die
gesamte Lotbenetzungsfläche 19 hinweg
erstreckt. Der angegebene Abstand von weniger als 100 μm zwischen
Lotbenetzungsfläche 19 und
Signaleingangskontakten 13 ist von besonderem Vorteil,
da parasitäre
Widerstände verringert
und eine Beeinträchtigung
des Signal-zu-Rauschverhältnisses
vermieden werden können.
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Mit
dem angegebenen Aufbau der Pixelelektroden 11 ist es möglich, dass
die laterale Geometrie der Lotverbindungen 14 unabhängig von
der lateralen Geometrie und Größe der Pixelelektrode 11 zu gestalten.
Das bedeutet insbesondere einen größeren Gestaltungsfreiraum für die in
der Regel vorgegebene Größe der Pixelelektroden 11.
Ferner kann die laterale Geometrie der Lotbenetzungsschicht 18 unabhängig von
der lateralen Geometrie der Pixelelektroden gewählt werden. Damit können die
Lotbenetzungsflächen 19 im
Wesentlichen unabhängig
von der lateralen Geometrie der Pixelelektroden 11 an die Form
der Signaleingangskontakte 13 angepasst werden. Für die Lotbenetzungsfläche 19 kommen
kreisförmige
Geometrien, rechteckige und quadratische Geometrien, jeweils auch
mit abgerundeten Ecken, und jeweils geeignete, beliebige andere
Formen in Betracht.
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4 zeigt
einen Querschnitt einer Pixelelektrode 11 einer zweiten
Ausgestaltung. Im Unterschied zur Pixelelektrode 11 der
ersten Ausgestaltung umfasst die Pixelelektrode 11 der
zweiten Ausgestaltung eine zwischen der Lotstoppschicht 17 und der
Kontaktschicht 16 angeordnete Barriereschicht 20.
Die Barriereschicht 20 kann beispielsweise aus Kupfer oder
Titan, insbesondere aus einzelnen Schichten aus Cu oder Ti, hergestellt
sein und eine Dicke von 100 nm bis 600 nm aufweisen. Zweck der Barriereschicht 20 ist
es, ein Legieren des Lotmaterials mit der aus Gold hergestellten
Kontaktschicht 16 zu vermeiden. So kann vermieden werden,
dass der gewünschte
Schichtaufbau der Pixelelektroden 11 durch Legierungsprozesse
und dgl. maßgeblich
verändert
wird. Es kann ein in sich stabiler Aufbau der Pixelelektroden 11 erreicht
werden, wodurch mit dem Aufbau angestrebte, vorteilhafte Signalbreiten
und Signal-zu-Rauschverhältnisse
erreicht werden können.
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Hinsichtlich
der Wirkungen der restlichen Schichten wird auf die Ausführungen
zur ersten Ausgestaltung verwiesen, die im Falle der zweiten Ausgestaltung
in analoger Weise gelten.
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5 zeigt
einen Querschnitt einer Pixelelektrode 11 einer dritten
Ausgestaltung. Im Vergleich zur zweiten Ausgestaltung weist die
Pixelelektrode 11 der dritten Ausgestaltung Unterschiede
im Bereich der Lotstoppschicht 17 und der Lotbenetzungsschicht 18 auf.
Im vorliegenden Fall sind das Lotstoppmaterial und das Lotbenetzungsmaterial
in einer einzelnen Kombinationsschicht 21 enthalten. Bei dieser
Ausgestaltung ist ein besonders kompakter Aufbau der Pixelelektrode 11 möglich. Das
Lotstoppmaterial ist nach Art eines lateral um das Lotbenetzungsmaterial
umlaufenden Lotstopprings ausgebildet. Dabei ist es von Vorteil,
wenn der Lotstoppring in lateraler Richtung zumindest etwa halb
so breit ist, wie die Erstreckung der durch das Lotbenetzungsmaterial
ausgebildeten Lotbenetzungsfläche 19.
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6 zeigt
einen Querschnitt einer Pixelelektrode 11 einer vierten
Ausgestaltung. Bei der vierten Ausgestaltung erstrecken sich die
Haftschicht 15 und die Kontaktschicht 16 über die
laterale Gesamterstreckung der Pixelelektrode 11, während die Erstreckung
der Barriereschicht 20 und der Lotbenetzungsschicht 18 in
lateraler Richtung kleiner ist als die laterale Gesamterstreckung
der Pixelelektrode 11. Das Lotstoppmaterial ist, ähnlich wie
bei der dritten Ausgestaltung, als Lotstoppring ausgebildet, der sich
im Unterschied zur dritten Ausgestaltung in Richtung des Schichtaufbaus
der Pixelelektrode 11 sowohl über die Barriereschicht 20 als
auch über
die Lotbenetzungsschicht 18 erstreckt.
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Bei
der vorliegenden Ausgestaltung ist der Lotstoppring – in lateraler
Richtung betrachtet – vom Rand
der Pixelelektrode 11 beabstandet. Allerdings ist es auch
möglich,
dass der Lotstoppring bis an den Rand der Pixelelektrode 11 reicht.
Bei der vierten Ausgestaltung ergeben sich durch Zusammenwirken des
Lotstoppmaterials, d. h. des Lotstopprings, und der Lotbenetzungsschicht 18 die
im Zusammenhang mit den vorangehenden Ausführungsbeispielen genannten
Vorteile.
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Die
unterschiedlichen Ausführungsbeispiele zeigen
insbesondere, dass die Geometrie der Pixelelektrode in unterschiedlichster
Weise ausgebildet, und in einfacher Weise an unterschiedlichste
Anforderungen angepasst werden kann.
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Insgesamt,
und insbesondere durch die anhand der Figuren erläuterten
Ausführungsbeispiele, wird
deutlich, dass die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst wird.