DE102011089776B4

DE102011089776B4 - Detektorelement, Strahlungsdetektor, medizinisches Gerät und Verfahren zum Erzeugen eines solchen Detektorelements

Info

Publication number: DE102011089776B4
Application number: DE102011089776.3A
Authority: DE
Inventors: Fabrice Dierre; Noriyuki Kishi; Hiroyuki Shiraki; Matthias Strassburg; Peter Hackenschmied; Hiroshi KATAKABE; Christian Schröter; Mitsuru TAMASHIRO
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2031-12-24
Also published as: CN103219399B; US20130161773A1; CN103219399A; DE102011089776A1

Abstract

Detektorelement (1) mit einem halbleitenden Konverterelement (3) und einer Anzahl darauf angeordneter, pixellierter Kontakten (5), wobei die Kontakte (5) mittels eines fotolithographischen Prozesses unter Verwendung einer lithographischen Maske (9) auf mindestens einer oxidischen, nitridischen oder polymeren Konverterelement-Schutzschicht (4) hergestellt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Detektorelement mit einem halbleitenden Konverterelement und einer Anzahl darauf angeordneter pixellierter Kontakte, einen Strahlungsdetektor mit einem solchen Detektorelement, ein medizintechnisches Gerät mit einem solchen Strahlungsdetektor und ein Verfahren zum Erzeugen eines Detektorelements mit einem halbleitenden Konverterelement und einer Anzahl darauf angeordneter pixellierter Kontakte.
Für die Detektion von ionischer Strahlung, insbesondere von hochenergetischer Röntgen- und Gammastrahlung, werden im Allgemeinen direkt konvertierende Strahlungsdetektoren auf Basis von Halbleitermaterialien eingesetzt. In direkt konvertierenden Strahlungsdetektoren werden einzelne auf das Halbleitermaterial auftreffende Photonen gezählt, so dass diese folglich die Strahlung direkt nachweisen können.
Direktkonvertierende Strahlungsdetektoren weisen hierfür üblicherweise Detektorelemente auf, die zusätzlich zu dem zur Detektion von ionischer Strahlung verwendeten Strahlungsdetektionsmaterial mindestens zwei Kontakte für wenigstens eine Anode und eine Kathode aus einem geeigneten Kontaktmaterial aufweisen. Das Strahlungsdetektionsmaterial und das Kontaktmaterial weisen dabei jeweils eine spezifische Anregungsenergie der Ladungsträger auf und im idealen Fall besteht an der Grenzfläche ein idealer Ohmscher Kontakt zwischen beiden Materialien. Denn über die Anode bzw. Kathode mit den Kontakten wird das Strahlungsdetektionsmaterial elektrisch leitend mit der Ausleseelektronik und der Spannungsversorgung des Detektors verbunden.
Direktkonvertierende Strahlungsdetektoren basieren zum Beispiel auf Strahlungsdetektionsmaterialien aus Halbleiterverbindungen mit einer hohen Atomzahl, wie zum Beispiel Cadmiumtellurid- oder Cadmiumselenid-Halbleitersysteme. Diese Materialien eignen sich auf Grund einer hohen Röntgenabsorption insbesondere für die Energiebereiche der medizinischen Bildgebung.
Ein Nachteil dieser Strahlungsdetektoren ist jedoch der schlechte Lochtransport in dem Halbleitermaterial und der damit verbundene Einfang von Ladungsträgern in Defekten, welche in einem Realkristall immer vorhanden sind, insbesondere an Korngrenzen und Grenzflächen wie z. B. Elektroden. Um diesen Nachteil auszugleichen, wird beim Stand der Technik die Ausbildung von Streifen, Pixeln und anderen Strukturen der jeweiligen Sammelelektrode, herkömmlicherweise der Anode, vorgeschlagen. Alle diese Oberflächenstrukturen nutzen den so genannten „small-pixel-effect”. Dieser beruht darauf, dass bei im Vergleich zu der Wandlerschichtdicke (Dicke der Halbleiterschicht des Konverterelements) sehr kleinen pixellierten Elektroden das Gewichtsfeld in einem weiten Bereich des Detektors sehr klein wird und erst in unmittelbarer Nähe der pixellierten Elektroden stark ansteigt. Dies führt dazu, dass der größte Teil des Ladungssignals erst entsteht, wenn die Ladungsträger die Nähe der Elektrode erreichen. Diesen Effekt kann man zum Beispiel ausnutzen, um den Beitrag des durch Löcher induzierten Signals zu reduzieren. Dabei korreliert die Effizienz des „small-pixel-effects” direkt mit dem Verhältnis zwischen der Pixelgröße und der Wandlerschichtdicke.
Um eine mit einer Oberflächenstruktur, z. B. einer Anzahl von Pixelelementen, versehenen Wandlerschicht zu erzeugen, wird herkömmlicherweise ein fotolithographisches Verfahren mit mehreren Schritten, u. a. Ätzschritten, Belichtungsschritten, Entwicklungsschritten und Reinigungsschritten, eingesetzt. Üblicherweise sind mit diesem fotolithographischen Verfahren jedoch Kontaminationen und Defektbildungen verbunden, welche die Herstellungskosten für solche Wandlerschichten bzw. Detektorelemente ansteigen lassen und deren Leistungen häufig vermindern (siehe z. B. Milor et al. in „Photoresist Process Optimization for Defects Using a Rigorous Lithography Simulator”, IEEE 1997, S. 57–60).
Auch die bei der Herstellung von Detektorelementen verwendeten Reinigungsmittel für die Reinigung der Oberfläche des Halbleiterkonverters, insbesondere für die Entfernung von störenden Verbindungen von der Oberfläche des Konverterelements vor Abscheidung von Kontakten, führt zu Defekten. Zur Reinigung von Halbleiterelementen wird in der Regel ein Ätzmittel, z. B. eine Mischung aus Brom und Methanol eingesetzt. Jedoch sind die frisch geätzten Oberflächen der Halbleiterelemente hoch reaktiv. In internen Versuchen haben die Erfinder herausgefunden, dass eine lithographische Weiterbehandlung von frisch hergestellten oder gereinigten Konverterelementen häufig zu Produkten mit unerwünschten Charakteristiken führt. So kommt es durch die Aufbringung eines Fotoresists und des danach notwendigen Lithographie- und Aushärteschrittes zu einer nicht unwesentlichen Oberflächenalterung, z. B. durch Oxidbildung, oder zu einem Einbau von Fremdionen in die Konverterelementoberfläche. Alle diese Einflüsse verändern die Eigenschaften des Kontaktmaterial-Strahlungsdetektionsmaterial-Übergangs, so dass das elektrische Feld im Detektorelement gestört sein kann. So kann es zum Beispiel zu Polarisationseffekten kommen. Polarisation ist dabei ein Phänomen, bei dem sich das elektrische Feld an der Konverterelementoberfläche verändert und sich daher auch die Zählrate des Detektors im Betrieb, die Ladungsspeicherung an der Grenzfläche, die Homogenität des Detektorsignals oder mehrere dieser Eigenschaften gleichzeitig verändern.
Solche direktkonvertierenden Röntgendetektoren mit einem halbleitenden Konverterelement, auf dem mehrere stromlos abgeschiedene Gold- bzw. Nickelschichten vorgesehen sind, sind zum Beispiel in der WO 2009/072056 A2 beschrieben.
US 2004/0007671 A1 beschreibt ein Röntgendetektorelement aus einem halbleitenden Konverterelement mit einer pixellierten Halbleiterstruktur aus dotiertem GaAs, auf der die Kontakte abgeschieden werden.
US 2008/0245967 A1 beschreibt einen Photodetektor aus einem Konvertermaterial, in dem pixellierte Halbleiterstrukturen während der Ausbildung der fotolithographischen Erzeugung von pixellierten Kontakten ausgebildet worden sind. Die Zwischenräume oder die Oberflächen der Halbleiterstrukturen werden nach dem fotolithographischen Prozess oder während des Plasmaätzens oxidiert.
US 2003/0038329 A1 beschreibt direktkonvertierende Photodetektoren und die Vorsehung von verschiedenen intrinsischen bzw. dielektrischen Schichten zwischen den Elektroden und dem Halbleiterelement zur Erzeugung einer Kondensator- bzw. Diodenstruktur.
Die vorstehenden Nachteile wurden bisher durch die Verwendung von planaren Detektoren, d. h. Konverterelementen ohne eine pixellierte Elektrodenstruktur, umgangen. Die planaren Detektoren mit einem oder zwei kontinuierlichen Metallkontakten können durch einen direkten Abscheideprozess des Kontaktmaterials auf die frisch gereinigte, bevorzugt geätzte Kontaktmaterialoberfläche hergestellt werden, so dass keine Alterung auftreten kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Detektorelemente mit halbleitenden, bevorzugt direkt konvertierenden, Konverterelementen und darauf angeordneten pixellierten Kontakten zur Detektion von ionischer Strahlung, Strahlungsdetektoren und medizintechnische Geräte mit solchen Detektorelementen sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Detektorelemente zu finden.
Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Detektorelement nach Anspruch 1, durch einen Strahlungsdetektor nach Anspruch 6 und ein medizintechnisches Gerät nach Anspruch 7 und zum anderen durch ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst.
Das erfindungsgemäße Detektorelement umfasst ein halbleitendes Konverterelement und eine Anzahl darauf angeordneter, pixellierter Kontakte. Erfindungsgemäß können die Kontakte, insbesondere ihre pixellierte Struktur, mittels eines fotolithographischen Prozesses unter Verwendung einer lithographischen Maske auf mindestens einer oxidischen, nitridischen oder polymeren Konverterelement-Schutzschicht erzeugt werden. Das halbleitende Konverterelement besteht dabei aus einem Strahlungsdetektionsmaterial, in dem die einzelnen, in das Material einfallenden Photonen direkt oder indirekt gezählt werden können. Bei einem direkt konvertierenden Material kann durch die Erzeugung von Ladungsträgern in dem Strahlungsdetektionsmaterial die einfallende Strahlung über eine Zählratenerfassung direkt nachgewiesen werden. Bei einem indirekt konvertierenden Strahlungsmaterial von sogenannten Szintillationsdetektoren erfolgt in dem Strahlungsdetektionsmaterial in der Regel eine Anregung von Elektronen und deren Umwandlung in Photonen.
Das erfindungsgemäße Detektorelement umfasst zudem auf dem Konverterelement angeordnete Kontakte für wenigstens eine Anode und eine Kathode. Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe ist wenigstens einer der Kontakte ein sogenannter pixellierter Kontakt mit einzelnen Pixelelementen. Unter die vorstehende Definition des Detektorelements fällt auch, dass nur auf der Anodenseite oder nur auf der Kathodenseite ein pixellierter Kontakt auf dem Konverterelement ausgebildet ist, wobei es bevorzugt ist, dass sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite ein solcher Kontakt ausgebildet ist.
Die Anforderungen an die Dimensionen der Pixelelemente werden immer höher, wobei die bisherigen Verfahren zur Herstellung von möglichst kleinen Pixelelementen schon bei etwa 500 μm an ihre Grenzen stoßen. Insbesondere durch die Ungenauigkeiten der herkömmlichen Herstellungsprozesse kommt es immer wieder zu Variationen der Pixeldimensionen der einzelnen Elemente in einem Detektorelement. Die Folge sind Inhomogenitäten bei der Zählratenerfassung. Wenn die Kontakte in dem erfindungsgemäßen Detektorelement erfindungsgemäß mittels eines fotolithographischen Prozesses hergestellt werden, kann jedoch die für die in Strahlungsdetektoren erforderliche Genauigkeit der Pixelstruktur erzielt werden.
Das erfindungsgemäße Detektorelement umfasst mindestens einen pixellierten Kontakt. „Pixellierter Kontakt” im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Kontaktschicht (optional auch mehrere Kontaktschichten) eine Struktur besitzt, welche die Kontaktschicht in einzelne definierte Pixelelemente (sogenannte „Pixel”) unterteilt. Die Form und Gestalt der Pixelelemente kann beliebig gewählt sein, wobei die Seitenlänge oder der Durchmesser der einzelnen Pixelelemente im Vergleich zu der Schichtdicke der Wandlerschicht (Halbleiterschicht) des Konverterelements bevorzugt klein ist, um den so genannten „small-pixel-effect” zu erzielen. Bevorzugte Strukturen sind kreisförmige oder viereckige und insbesondere quadratische Pixel, aber auch Pixel mit einer viereckigen Grundfläche und abgerundeten Ecken, mit einer definierten Pixelgröße, d. h. Pixelfläche in der Ebene der Pixelelemente. Beispielhafte Durchmesser bzw. Kantenlängen der Pixel sind kleiner als 10 mm, bevorzugt, kleiner oder gleich 5 mm, weiter bevorzugt zwischen 100 μm und 500 μm, beispielhaft 250 μm. Zwischen den einzelnen Pixelelementen werden in der Kontaktschicht bevorzugt Zwischenräume, z. B. in Form von Hohlräumen bzw. Furchen, ausgebildet, die eine elektrische Abschottung der einzelnen Pixelelemente gewährleisten. Diese Hohlräume und Furchen können auch mit geeigneten Materialen, deren Widerstand typischerweise mehr als eine Größenordnung höher ist als der des Bulkmaterials, ausgefüllt werden. Solche Füllungen dienen gleichzeitig als Oberflächenschutz.
Da die Größe der einzelnen Pixelelemente in der Kontaktschicht in einer bisher nicht erreichbaren Dimension liegt und insbesondere die Homogenität der einzelnen Pixelelemente in den erfindungsgemäßen Detektorelementen verbessert ist, sind die erfindungsgemäßen Detektorelemente hinsichtlich ihrer Polarisationseigenschaften und der Homogenität des elektrischen Feldes gegenüber den herkömmlicherweise hergestellten Detektorelementen verbessert.
Diese und weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Detektorelements machen es für den Einsatz in Strahlungsdetektoren und insbesondere in Detektoren zur Zählratenerfassung von Röntgen- und/oder Gammabestrahlung geeignet. Deshalb richtet sich die Erfindung auch auf einen Strahlungsdetektor mit einer Anzahl von erfindungsgemäßen Detektorelementen. Das erfindungsgemäße Detektorelement kann pixellierte Kontakte auf einer Anodenseite und/oder einer Kathodenseite umfassen. Optional kann der Strahlungsdetektor auch über eine Auswerteelektronik zum Auslesen eines Detektorsignals verfügen, die z. B. direkt als ein Bestandteil des Strahlungsdetektors ausgebildet sein kann. Alternativ kann die Auswerteelektronik auch als separates, mit dem Strahlungsdetektor verbindbares System ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäßen Strahlungsdetektoren eignen sich auf Grund der vorstehend erläuterten Vorteile und insbesondere wegen der Verbesserung hinsichtlich der Polarisationseffekte und wegen der verbesserten Homogenität des elektrischen Feldes auch bei gewöhnlichen Einsatzbedingungen für den Einsatz in medizintechnischen Geräten. Insbesondere geeignet sind sie für den Einsatz in Geräten mit einer Zählratenerfassung unter Röntgen- und/oder Gammabestrahlung, insbesondere mit höherer Strahlungsintensität. Deshalb richtet sich die Erfindung auch auf ein medizintechnisches Gerät mit einem erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor. Ein solches erfindungsgemäßes medizintechnisches Gerät umfasst demgemäß einen vorstehend im Detail erläuterten Strahlungsdetektor und ein Röntgensystem, Gammastrahlensystem, CT-System oder Radionuklid-Emissions-Tomographiesystem wie z. B. PET-System oder SPECT-System.
Das Detektorelement kann erfindungsgemäß durch ein Verfahren erzeugt werden, welches zumindest den Schritt des Ausbildens von pixellierten Kontakten mittels eines fotolithographischen Prozesses auf dem halbleitenden Konverterelement unter Verwendung einer auf einer oxidischen, nitridischen oder polymeren Konverterelement-Schutzschicht angeordneten lithographischen Maske umfasst. In einem fotolithographischen Prozess (Fotolithographie) wird in einem ersten Belichtungsschritt mittels Belichtung das Bild einer Fotomaske auf einen lichtempfindlichen Fotoresist (auch „Fotolack” genannt) übertragen. Anschließend werden in einem Entwicklungsschritt die belichteten Stellen des Fotoresists aufgelöst (negative Fotolithographie). Alternativ ist auch die Auflösung der unbelichteten Stellen möglich, wenn der Fotoresist unter Licht aushärtet (positive Fotolithographie). So entsteht eine lithographische Maske, welche die weitere Bearbeitung des darunter liegenden Materials, hier des Konverterelements, durch chemische und physikalische Prozesse ermöglicht. Dies kann zum Beispiel durch das Einbringen von Material in die Aussparungen der lithographischen Maske oder durch das Ätzen von Vertiefungen bzw. das Abtragen von Material unterhalb der Aussparungen in der lithographischen Maske erfolgen.
Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, wobei explizit darauf hingewiesen wird, dass der erfindungsgemäße Strahlungsdetektor, das erfindungsgemäße medizintechnische Gerät und das erfindungsgemäße Verfahren auch entsprechend den abhängigen Ansprüchen zum Detektorelement weitergebildet sein können und umgekehrt.
Die pixellierten Kontakte können in einer bevorzugten Ausführungsform eine oder mehrere Kontaktschichten, insbesondere Metallschichten, umfassen. Die einzelnen Kontaktschichten können aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung bestehen und weiter bevorzugt ein Edelmetall bzw. eine Edelmetalllegierung umfassen. Beispiele für bevorzugt einsetzbare Metalle bzw. Edelmetalle, und zwar entweder einzeln oder in Mischung bzw. Legierung, sind Palladium, Platin, Gold, Ruthenium, Iridium, Rhodium, Kupfer, Nickel, Titan, Indium, Aluminium, Wolfram und Molybdän.
Mehrschichtige Kontakte, die nicht nur aus einer Kontaktschicht, sondern aus zwei, drei oder mehreren übereinander angeordneten Kontaktschichten bestehen, sind bevorzugt. Die Anzahl der Schichten kann beliebig gewählt werden, solange keine oder nur geringe Leitungsverluste dadurch entstehen. Durch mehrschichtige Kontakte können zum Beispiel die elektronischen Übergänge zu dem Strahlungsdetektionsmaterial, Polarisationseffekte, die Elektronenableitung zur Auswerteelektronik etc. durch eine entsprechende Einstellung der Leitfähigkeiten bzw. elektronischen Niveaus auf das Halbleitermaterial oder die Elektroden abgestimmt werden. Auch bei der Herstellung der Pixelelemente können unterschiedliche Schichtaufbauten zweckmäßig sein, um zum Beispiel die Ätzraten in den fotolithographischen Prozessen an die jeweiligen Materialien anpassen zu können. So kann eine Platinschicht, gefolgt von einer Goldschicht den Ätzprozess mit Kaliumhydroxid (Platin wird ca. 100 mal schneller geätzt als Gold) verbessern, da die zuletzt aufgetragene Schicht beständiger gegenüber dem verwendeten Ätzmittel ist. Das Gleiche gilt für physikalische Abtragungsprozesse wie Reaktivionenätzen, Plasmaätzen etc. Insbesondere bevorzugte Metallschichtfolgen sind Pt/Au oder Au/Ni/Au.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Detektorelements umfasst die Konverterelement-Schutzschicht eine an der Oberfläche des Konverterelements angeordnete Isolatorschicht, insbesondere eine Oxid- oder Nitridschicht, und/oder eine Schicht aus organischen und/oder polymeren Verbindungen. Beispiele für solche Schichten sind SiO₂, Si₃N₄ oder Wachse. Eine solche oxidische, nitridische oder polymere Schutzschicht kann in einer definierten Dicke, Struktur und Zusammensetzung die Eigenschaft haben, den elektronischen Übergang zwischen Halbleitermaterial und Kontaktmaterial in beständiger und reproduzierbarer Weise zu liefern. Eine solche Schutzschicht ist gewöhnlich gerade bei Umgebungsbedingungen deutlich weniger anfällig bzw. reaktiv als die hochreaktive Oberfläche des Konverterelements nach dessen Reinigung. Insbesondere wenn die Schutzschicht kurze Zeit oder möglichst unmittelbar nach der Reinigung der Oberfläche erzeugt wird, können Alterungsprozesse und weitere Verunreinigungen verhindert oder zumindest auf ein geringfügiges Maß reduziert werden, so dass insbesondere die Reproduzierbarkeit verbessert wird. Bevorzugte Zeitspannen für die Erzeugung der Schutzschicht nach Reinigung der Oberfläche liegen bei wenigen Minuten bis Sekunden, z. B. bei weniger als etwa 10 min, weiter bevorzugt bei weniger als etwa 5 min.
Die Schichtdicke einer Schutzschicht, insbesondere in Form einer Oxidschicht, ist bevorzugt kleiner als etwa 1 μm, weiter bevorzugt zwischen etwa 1 nm und etwa 500 nm, insbesondere bevorzugt kleiner als etwa 100 nm, z. B. etwa 20 nm oder sogar noch kleiner.
Eine solche Oxidschicht kann entweder durch Auftragen eines Oxids auf die Konverterelementoberfläche oder durch Implementieren einer entsprechenden Oxidphase in der Oberflächenschicht des vorhandenen Konverterelements erzeugt werden. Der Begriff „Anordnen” umfasst diese beiden Varianten und dem Fachmann als Variationen bekannte Herstellungsverfahren für oberflächige Oxidschichten. Eine bevorzugte Alternative ist die Verwendung eines Sauerstoffplasmas zur Erzeugung eines Oxids an der Oberfläche des Halbleiterelements. Aber auch dazu alternative Plattierungs- oder Abscheideverfahren für Oxidschichten können verwendet werden, um eine solche Schutzschicht auf oder an der Konverterelementoberfläche zu erzeugen. Fremdionen wie z. B. Halogenide, insbesondere Chlor, Iod, Brom, können bevorzugt in die Oxidschicht eingebaut werden, um die elektronischen Eigenschaften noch weiter zu verbessern. Diese Fremdionen ermöglichen die Erzeugung von spezifischen elektronischen Niveaus, um so die Polarisation zu verringern. Ionenimplantationstechniken für das Einbringen solcher Oxide bzw. halogenhaltiger Oxide in die oberen Schichten des Konverterelements sind eine bevorzugte Alternative zu den additiven Verfahren zur Erzeugung von Oxidschichten auf der Oberfläche des Konverterelements.
Je nach Schichtdicke der Oxidschicht können Ohmsche Kontakte oder Schottky-Kontakte ausgebildet werden. Weitere Vorteile sind eine verbesserte, d. h. verringerte Veränderung des elektrischen Feldes im Betrieb und somit eine konstantere Zählrate. Dies führt bei Anwendung in einem Strahlungsdetektor insgesamt zu einer verbesserten Detektorcharakteristik, insbesondere hinsichtlich der Homogenität und der zeitlichen Signalstabilität, d. h. Drift der Zählrate mit der Zeit.
Zusätzlich zu den vorstehend genannten Vorteilen kann die Oxidschicht nicht nur die Funktion einer Schutzschicht vor Verunreinigungen bei der Herstellung haben, sondern kann auch die Funktion einer Passivierungsschicht zwischen den Elektroden haben.
Alternativ zu einer oxidischen Schutzschicht, wie sie vorstehend erläutert wurde, kann die Konverterelement-Schutzschicht des Detektorelements in einer weiteren Variante eine oder mehrere Kontaktschichten der Kontakte umfassen. Genauer gesagt können die Kontakte selbst oder zusammen mit einer bevorzugt darunter angeordneten Oxidschicht die Konverterelement-Schutzschicht aufbauen. Auch hier können Verunreinigungen durch Alterungsprozesse etc. der gereinigten und hochreaktiven Oberfläche des Konverterelements verringert bzw. ausgeschlossen werden und die lithographische Weiterbearbeitung, d. h. die Erzeugung von pixellierten Kontakten unter Verwendung einer auf der Kontaktschicht aufgebrachten bzw. erstellten lithographischen Maske, wird dadurch ermöglicht. Die mit solchen Detektorelementen hergestellten Strahlungsdetektoren haben dadurch eine verbesserte Homogenität der gesamten Detektorcharakteristik, insbesondere im Betrieb eine verbesserte Veränderung des elektrischen Feldes und dadurch eine konstantere Zählratenerfassung.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Detektorelement ein halbleitendes Konverterelement mit einem Strahlungsdetektionsmaterial, das aus Halbleiterverbindungen und insbesondere Halbleiterverbindungen mit direkt konvertierenden Eigenschaften aufgebaut ist. Beispiele für direkt konvertierende Halbleiterverbindungen, die in den erfindungsgemäßen Detektorelementen eingesetzt werden können, sind II–VI- oder III–V-Halbleiterverbindungen, insbesondere Selenide, Telluride, Antimonide, Nitride, Arsenide und Phosphide, wie zum Beispiel Materialsysteme auf Basis von CdSe, CdZnTe, CdTeSe, CdZnTeSe, CdMnTeSe, GaSb, GaInSb, GaInAsSb, GaInPSb, AlInSb, AlInAsSb, GaN, GaInN, GaAsN, GaInAsN und InP.
Ein besonders bevorzugtes Halbleitermaterial ist auf Grund der hohen Atomzahlen CdTe oder CdZnTe, CdZnTe bzw. die entsprechenden Selenide oder Mischformen, Cd_xZn_1-xTe_ySe_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1) und Cd_xMn_1-xTe_ySe_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1).
Andere Halbleiterverbindungen sind analog zu dem vorstehend beispielhaft erläuterten CdTe-System zusammengesetzt. Die Erfindung kann mit diesem Wissen auch auf weitere Halbleiterverbindungssysteme übertragen werden. Außerdem können die vorstehend aufgeführten Halbleiterverbindungen zusätzlich mit Dotierstoffen dotiert sein. Solche Dotierstoffe sind dem Fachmann ebenfalls bekannt.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors umfasst eines der vorstehend im Detail erläuterten Detektorelemente mit mindestens einem pixellierten Kontakt und optional eine Auswerteelektronik zum Auslesen eines Detektorsignals.
Erfindungsgemäße Strahlungsdetektoren können je nach eingesetztem Detektorelement als Schottky-Detektoren oder als Ohmsche Detektoren ausgeführt werden. Bei einem Schottky-Detektor findet ein Übergang vom Halbleiter zum Metall (Elektrode) nur in einer Richtung statt, d. h. ein solcher Detektor sperrt in einer Richtung. Bei einem Ohmschen Detektor können die Elektronen in beide Richtungen fließen, d. h. vom Halbleiter ins Metall und umgekehrt. Ein Ohmscher Detektor hat also nicht diesen Sperreffekt wie ein Schottky-Detektor.
Ein solcher Strahlungsdetektor kann als singuläres Element oder als kombiniertes Element aus zwei oder mehreren einzelner Detektoren ausgeführt werden. Bei mehreren Detektoren spricht man gewöhnlich auch von einem Detektorarray, welches häufig aus einem einzelnen Halbleitergrundelement aufgebaut ist, das mit Septen als isolierenden Sperrelementen und Elektroden versehen worden ist. In einem solchen Detektorarray erfolgt der Einfall der Bestrahlung bevorzugt von Seiten der Kathode, die auf das Halbleitergrundelement aufgebracht bzw. aufgedampft worden ist. In einem singulären Detektorelement ist die Einstrahlungsrichtung grundsätzlich unabhängig von der Ausbildung der Elektroden und kann auch seitlich oder ebenfalls von der Seite der Kathode oder der Anode erfolgen.
Aufgrund ihrer verbesserten Leistung hinsichtlich des Kontakts zwischen dem Konverterelement und den Kontakten und der dadurch erreichten Verhinderung von Raumladungseffekten und Polarisation sowie des homogeneren elektrischen Feldes sind die erfindungsgemäßen Detektoren für die Anwendung in einem medizintechnischen Gerät mit Anwendung von Röntgen- und/oder Gammastrahlung mit hohen Flussdichten geeignet. Ein solches erfindungsgemäßes medizintechnisches Gerät umfasst demgemäß einen vorstehend im Detail erläuterten Strahlungsdetektor und ein Röntgensystem, ein Gammastrahlensystem, ein PET-System, ein CT-System oder ein SPECT-System.
In solchen Geräten ist die Messung von hohen Strahlenflüssen, wie sie insbesondere in der Computertomographie vorkommen, aufgrund der Vermeidung bzw. Verringerung der Polarisation an den Grenzflächen zwischen Konverterelement und Kontakt(en) und auf Grund des homogeneren elektrischen Feldes und des stabileren Signals (verbesserter zeitlicher Drift der Zählrate) möglich. Somit kann ohne großen apparatetechnischen Aufwand auch bei Umgebungstemperatur eine gute Energieauflösung bei hohen Strahlenflüssen erzielt werden. Ein weiterer Vorteil der Anwendung von Detektorelementen mit erfindungsgemäßen pixellierten Kontakten liegt darin, dass sehr kleine pixellierte Kontaktelemente mit einer hohen Genauigkeit erzeugt werden können.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst den Schritt des Reinigens einer Oberfläche des halbleitenden Konverterelements mit einem Reinigungsmittel und/oder Ätzmittel. Dieser Reinigungsschritt wird bevorzugt vor der Weiterverarbeitung des Konverterelements, das heißt vor Aufbringung einer Schutzschicht durchgeführt.
Alternativ kann der Reinigungsschritt aber auch nach einem lithographischen Schritt zur Erzeugung der lithographischen Maske erfolgen.
Falls es erforderlich ist, kann eine zweckmäßige Passivierung oder Modifizierung der Oberfläche nach dem Ätzen durchgeführt werden. Wenn zum Beispiel der Ätzvorgang zu einer sehr hydrophoben Oberfläche führt, kann es zweckmäßig sein, diese für den Metallisierungsschritt mit einem hydrophilen Mittel entsprechend zu behandeln. Der Vorteil hiervon ist, dass eine weniger hydrophobe Oberfläche herkömmliche Lithographieprozesse und ein direktes Ätzen vor der Abscheidung der Kontakte ermöglicht.
Beispielhafte Reinigungsmittel bzw. Ätzmittel sind Mischungen aus Halogenen (z. B. Iod, Brom, etc.) und/oder Halogenverbindungen (z. B. Bromnaphthalin) und Lösungsmitteln, bevorzugt organischen Lösungsmitteln wie z. B. Alkoholen (z. B. Methanol, Isopropanol, Ethylenglykol). Besonders bevorzugte Mischungen sind Iod und/oder Brom in Isopropylalkohol und/oder Ethylenglykol, Bromnaphthalin in Isopropylalkohol. Die Halogenkonzentration in diesen Lösungen ist bevorzugt in einem Bereich von etwa 0,01% bis etwa 20%, weiter bevorzugt von etwa 0,05% bis etwa 15%, besonders bevorzugt von etwa 0,1% bis etwa 10%. Die Konzentrationsangaben beziehen sich, falls nicht anders angegeben, immer auf Volumenprozente.
Alternative Reinigungsmittel sind zum Beispiel Säuren, bevorzugt schwache Säuren (z. B. Ameisensäure, Essigsäure, Phosphorsäure), starke Säuren (z. B. Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure) oder Mischungen daraus. Die Konzentration der Säure in diesen Reinigungsmitteln liegt bevorzugt bei etwa 0,1% bis zu 100%.
Die vorstehend aufgeführten Reinigungsmittel, d. h. die säurehaltigen und die halogenhaltigen Reinigungsmittel, können einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander eingesetzt werden, solange sie für eine Reinigung der Halbleiteroberfläche von den üblichen Verunreinigungen wie zum Beispiel Ablagerungen und/oder Fremdionen wie zum Beispiel Oxiden geeignet sind. Diese alternativen Reinigungsmittel sind zum Beispiel auch bevorzugt dafür geeignet, Rückstände eines Fotoresists oder eines Entwicklers aus einem lithographischen Prozess von der Halbleiteroberfläche zu entfernen.
Ein weiterer Vorteil eines solchen Reinigungsschrittes ist, dass weniger Rückstände auf der Oberfläche auch zu einer geringeren Inhomogenität in der Kontakt-Halbleiter-Grenzfläche führen. Der daraus hergestellte Strahlungsdetektor hat dadurch eine homogenere Detektorleistung. Außerdem führt eine homogenere Grenzfläche auch zu einer Reduzierung der Veränderung des elektrischen Feldes während des Betriebs des Strahlungsdetektors und somit zu einer konstanteren Zählratenerfassung.
Insgesamt kann ein solcher Reinigungsschritt die Gesamtleistung eines Strahlungsdetektors bzw. eines medizintechnischen Gerätes verbessern. Insbesondere die Homogenität und die zeitlich konstante Signalantwort sind als weitere Vorteile aufgrund der besseren Homogenität der Kontakt-Halbleiter-Grenzfläche hervorzuheben.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Oxidschicht an der gereinigten Oberfläche des halbleitenden Konverterelements als Konverterelement-Schutzschicht angeordnet werden. Unter Anordnen ist hierbei zu verstehen, dass auf der Oberfläche eine zusätzliche Schutzschicht mit definierter Dicke, Struktur und Zusammensetzung aufgebracht wird. Die Oxidschicht dient in erster Linie zur Ausbildung einer Zwischenschicht zwischen der untersten Kontaktschicht des Kontakts und der Konverteroberfläche. Beispielhafte Oxidationsverfahren sind ein Sauerstoffplasma-Verfahren zur Erzeugung eines Oxides oder ein Plattierungsprozess zur Erstellung einer zweckmäßigen Oxidschicht auf der Konverterelementoberfläche. Die abgeschiedenen Oxidschichten können andere Fremdionen wie zum Beispiel Halogene (z. B. Chlor) in Mischung umfassen.
Alternativ kann der Schritt des Erzeugens der Oxidschicht auch durch das Einbringen von Oxidionen in die an der Oberfläche liegenden Schichten des Konverterelements, zum Beispiel durch ein Ionenimplantationsverfahren, erfolgen. Auch eine Kombination von beiden Verfahren, d. h. ein Einbringen bzw. Aufbringen von Oxidionen in bzw. auf die Konverterelementoberfläche, ist zweckmäßig, solange dadurch eine Schutzschicht mit definierten Eigenschaften erzeugt wird.
Bevorzugt umfassen die Schichten eine Dicke von weniger als 500 nm, weiter bevorzugt von weniger als 20 nm, so dass jede Abscheidungsmethode bzw. Ionen-Implementierungsmethode verwendet werden kann, die definierte Oxidschichten in und/oder auf der Oberfläche, insbesondere mit reproduzierbaren Ergebnissen erzeugen kann.
Der in dem erfindungsgemäßen Verfahren angewendete fotolithographische Prozess zum Erzeugen einer lithographischen Maske umfasst bevorzugt die folgenden Schritte:

– Aufbringen einer Fotoresistschicht direkt oder indirekt oberhalb einer Konverterelement-Schutzschicht,
– Belichten der Fotoresistschicht, und
– Entwickeln der Fotoresistschicht unter Ausbildung einer lithographischen Maske.

Bevorzugt wird die Fotoresistschicht direkt oberhalb der Konverterelement-Schutzschicht, zum Beispiel der Oxidschicht bzw. der Kontaktschicht, über ein Standardverfahren, z. B. ein Rakel- oder Spincoating-Verfahren, aufgebracht. Als Fotoresist können herkömmliche Verbindungen eingesetzt werden, solange sie unter den gegebenen Bedingungen belichtet und entwickelt werden können. Falls erforderlich, kann ein erster Aushärteschritt, z. B. durch Erwärmen, folgen, um die Fotoresistschicht für die Entwicklung vorzubereiten.
Die Fotoresistschicht wird danach durch eine Fotomaske und/oder durch eine selektive Belichtung einzelner Bereiche des Fotoresists belichtet, um gemäß einer positiven bzw. negativen fotolithographischen Methode die Pixelelementbereiche zu definieren. Dabei werden die im Entwicklungsschritt zurückbleibenden Bereiche entweder durch fotochemische Quervernetzung und/oder durch Wärmevernetzung ausgehärtet.
Im nächsten Schritt wird nach der Definierung der Pixelelementbereiche und der entsprechenden Aushärtung die Fotoresistschicht unter Ausbildung der lithographischen Maske entwickelt. Der Entwicklungsschritt wird durch Auflösen der nicht ausgehärteten Fotoresistbereiche (zum Beispiel mit Alkali-basierten Mitteln, bevorzugt einer flusssäure-haltigen Kaliumhydroxid-Lösung, etc.) durchgeführt. Es kann ein weiterer Reinigungsschritt, zum Beispiel mit den vorstehend aufgeführten Reinigungsmitteln, durchgeführt werden.
Die so hergestellte lithographische Maske kann entweder auf der Kontaktelementschicht aufgetragen werden, so dass durch die Aussparungen der lithographischen Maske hindurch die Kontaktelementschicht geätzt bzw. mechanisch abgetragen werden kann. Unterhalb der Fotoresistschicht, d. h. in den Bereichen, in denen nicht geätzt wird, können dabei die Kontaktelemente erzeugt werden. Deshalb umfasst das erfindungsgemäße Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform die folgenden Schritte:

– Erzeugen von einer oder mehreren Kontaktschichten zusätzlich zu der Konverterelement-Schutzschicht,
– Aufbringen einer lithographischen Maske, und
– Strukturieren der einen oder mehreren Kontaktschichten durch die Maske hindurch.

Alternativ kann die lithographische Maske auch auf der Oxidschicht aufgetragen werden, so dass in die Aussparungen der lithographischen Maske durch Einbringen des Kontaktmaterials, zum Beispiel einer Plattierung von einer oder mehreren Metallschichten, die einzelnen Kontaktelemente aufgebaut werden können. Demgemäß ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:

– Erzeugen einer lithographischen Maske mit Aussparungen für die pixellierten Kontakte, und
– Erzeugen von einer oder mehreren Kontaktschichten in den Aussparungen der lithographischen Maske.

Das Verfahren gemäß der Erfindung umfasst in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ferner den Schritt des Ablösens der lithographischen Maske unter Freilegung der pixellierten Kontakte. Unter „Ablösen” ist sowohl das mechanische Entfernen der lithographischen Maske, zum Beispiel mittels Aufquellen des Fotoresistmaterials und Abziehen des gequollenen Materials, oder ein chemisches Entfernen, zum Beispiel durch Auflösen des Fotoresistmaterials, zu verstehen. Dieser Schritt kann von einem Spülschritt zur Reinigung der pixellierten Kontaktelementstruktur gefolgt werden. Die in dem Ablöseschritt und Spülschritt eingesetzten Mittel sind sowohl hinsichtlich der Eigenschaften des Fotoresistmaterials als auch des Konverterelementmaterials bzw. Kontaktelementmaterials angepasst, um eine möglichst hohe Effizienz und eine möglichst geringe Schädigung des Produkts zu erzielen.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden besonders bevorzugt pixellierte Kontakte direkt oder indirekt auf einer Konverterelementoberfläche durch ein fotolithographisches Verfahren erzeugt, wobei die Kontakte aus einer oder mehreren Kontaktschichten aufgebaut werden. Diese umfassen bevorzugt ein Metall und/oder eine Metalllegierung. Falls mehrere Schichten unterschiedlicher Materialien als Kontaktelement eingesetzt werden, kann zum Beispiel die oberste Schicht derart ausgestaltet werden, dass ein für die Lithographie benötigtes Entwicklermittel diese Schicht nicht oder nur schwer angreift bzw. löst. Ein Beispiel hierfür ist ein Kontakt aus einer Platinschicht und einer darauf angeordneten Goldschicht. Da die Löslichkeit von Gold gegenüber Hydroxiden 300 Mal geringer ist als die von Platin, kann ein kaliumhydroxidhaltiges Entwicklermittel für den auf der Goldschicht angebrachten Fotoresist verwendet werden. Zusätzlich fungiert die Goldschicht als hervorragender Ableiter zu den Elektroden.
Ebenso ist die Verwendung von einer oder mehreren Metallschichten als Kontaktelement vorteilhaft bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Detektorelemente, um geeignete Mittel bzw. Abtragungsverfahren für die Ausbildung der einzelnen Pixelelemente einzusetzen. Beispiele für solche Strukturbildungsverfahren sind ein Trockenätzen oder Flüssigätzen mit geeigneten Chemikalien bzw. Lösungen, ein Reaktivionenätzen (RIE) oder ein Plasmaätzen, z. B. mit einem induktiv gekoppelten Plasma (ICP), ein Ionenstrahlätzen und analoge Verfahren. Das Trockenätzen hat unter anderem den Vorteil, dass das Ätzen in einem Schritt durchgeführt werden kann. Falls mehrere unterschiedliche Kontaktschichten geätzt werden müssen, kann das Trockenätzen besonders vorteilhaft gegenüber einem Ätzen mit Flüssigkeiten oder Lösungen sein, da möglicherweise mehrere unterschiedliche Ätzmittel für die unterschiedlichen Materialien eingesetzt werden müssten. Entsprechende Ätzmittel sowohl für das Trockenätzen als auch für das Flüssigätzen können auf die jeweiligen Materialien in den Kontaktschichten angepasst werden.
Falls ein oder mehrere Schichten, insbesondere Metallschichten, zwischen bzw. in die Aussparungen einer fotolithographischen Maske eingebracht werden sollen, eignen sich hierfür bekannte Abscheideverfahren, wie z. B. Aufdampfen, Plattieren bzw. Sputtern, und ähnliche Verfahren wie z. B. ein elektrochemisches oder stromloses Abscheiden von Metallen aus Lösungen.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind, dass Standardprozesse wie Lithographie, Trockenätzen, Metallabscheidungsverfahren, usw. in den einzelnen Verfahrensschritten eingesetzt werden können. Die hohe Genauigkeit des lithographischen Verfahrens führt dabei zu einer verbesserten Struktur und ermöglicht eine kleinere Dimensionierung der pixellierten Kontaktelemente. Deshalb eignet sich ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Detektorelement bzw. ein danach hergestellter Strahlungsdetektor für die Verwendung in medizintechnischen Geräten zur Messung von hohen Strahlungsintensitäten (z. B. größer 1 × 10⁹ Photonen/mm²·s) und somit zur Anwendung beispielsweise bei Computertomographie-Untersuchungen.
Wenn Detektorelemente mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind, unterscheiden sie sich von herkömmlicherweise hergestellten Detektorelementen in ihrer Morphologie von zum Beispiel den geätzten Kontaktschichten, der Dicke und der Struktur der Oxidschicht bzw. der Halbleiter-Kontaktelement-Grenzfläche. Untersuchungsmethoden für die Untersuchung der Oxidschicht wären zum Beispiel elektronenmikroskopische Untersuchungen (z. B. mittels SEM). Für die Untersuchung der Grenzfläche zwischen Konverterelement und Metallkontakt bevorzugte Methoden sind z. B. die Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) oder Strom-Spannungs-Messungen (IV-Messungen).
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Daher sollen die Zeichnungen lediglich zur Veranschaulichung der Erfindung dienen, aber die Erfindung soll nicht darauf eingeschränkt werden. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Abfolge der einzelnen Herstellungsschritte für ein erfindungsgemäßes Detektorelement nach einer ersten Ausführungsform,
2 eine schematische Darstellung der Abfolge der einzelnen Herstellungsschritte für ein erfindungsgemäßes Detektorelement nach einer zweiten Ausführungsform,
3 eine schematische Darstellung der Abfolge der einzelnen Herstellungsschritte für ein erfindungsgemäßes Detektorelement nach einer dritten Ausführungsform,
4 eine schematische Darstellung der Abfolge der einzelnen Herstellungsschritte für ein Detektorelement (außerhalb der Erfindung),
5 eine Abbildung eines Detektorelements vor dem Ätzschritt (außerhalb der Erfindung),
6 eine Abbildung eines Detektorelements nach dem Ätzschritt (außerhalb der Erfindung),
7 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors und
8 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen medizintechnischen Geräts.
In der 1 ist die Abfolge der einzelnen Herstellungsschritte für ein erfindungsgemäßes Detektorelement nach einer ersten Ausführungsform gezeigt.
Als erstes wird im Schritt a1) ein Halbleiter-Konverterelement 3 vorgelegt und einer Reinigungsbehandlung mit einem Reinigungsmittel, in diesem Fall einer Mischung aus Brom und Methanol (10% Bromanteil), auf wenigstens einer Seite des Konverterelements (hier die Oberseite) unterzogen. Dadurch werden Verunreinigungen aus der Halbleiterherstellung bzw. durch eine Alterung der Oberfläche, insbesondere darauf gebildete Oxide, von der Oberfläche durch Ätzen entfernt. Es entsteht dadurch eine hochreaktive Halbleiteroberfläche.
Die frisch gereinigte Halbleiteroberfläche des Konverterelements wird im Schritt b1) möglichst schnell mit einer Schutzschicht, hier einer ersten Metallschicht 51, abgedeckt. In dieser Ausführungsform wird durch stromloses Abscheiden von Platin (Pt) eine etwa 20 nm dicke, die hoch reaktive Halbleiteroberfläche schützende Metallschicht als eine erste Kontaktschicht 51 erzeugt.
Eine zusätzliche Metallschicht wird als zweite Kontaktschicht 52 aufgebracht. Optional können weitere Schichten oder Abdeckschichten (nicht gezeigt) die Kontaktschicht vervollständigen und dienen zum Schutz der darunter liegenden Konverterelementoberfläche. (Schritt c1) – Dieser Schritt umfasst die Bildung der Schutzschicht 4 gemäß Anspruch 1.
Im Schritt d1) wird eine vollflächige Fotoresistschicht 8 auf die Schutzschicht 4 mittels eines Spin-Coating-Verfahrens aufgebracht. Zur Trocknung und Aushärtung wird der gesamte Schichtenaufbau in einem Ofen erwärmt.
Danach wird die Fotoresistschicht 8 durch eine Fotomaske (nicht gezeigt) hindurch mit Licht, zum Beispiel Laserlicht mit spezifischer Wellenlänge, an den nicht von der Fotomaske abgedeckten Bereichen 7 belichtet, wodurch diese Bereiche 7 der Fotoresistschicht 8 vernetzt werden. Die Vernetzung führt zu einer Änderung der Löslichkeit des Fotoresistmaterials.
Die nicht vernetzten Bereiche der Fotoresistschicht 8 werden im Schritt f1), dem Entwicklungsschritt des Lithographieprozesses, durch ein Entwicklungsmittel, hier KOH und HF, herausgelöst. Dadurch verbleibt eine lithographische Maske 9 auf der Metallschicht 52.
Durch diese lithographische Maske hindurch werden im Schritt g1) die pixellierten Kontaktelemente aus der darunter liegenden Kontaktschichten heraus strukturiert. Dafür eignen sich Strukturierungsprozesse bzw. Abtragungsprozesse, wie zum Beispiel Trockenätzen oder Lösungsmittelätzen. Je nach Materialauswahl der Metallschichten 51 und 52 können entsprechende Ätzmittel verwendet werden. Das Ätzmittel wird so ausgewählt, dass es sie Metallschichten 51 und 52 relativ selektiv abträgt bzw. auflöst, jedoch die lithographische Maske 9 möglichst wenig angreift. Der Entwicklungsschritt erfolgt so, dass die Metallschichten 51 und 52 in den Bereichen, in denen die lithographische Maske 9 nicht vorgesehen ist, im Wesentlichen vollständig abgetragen bzw. aufgelöst werden. D. h., an diesen Stellen wird die Oberfläche des Konverterelements 3 freigelegt und dabei die einzelnen Pixelelemente 5 entsprechend elektrisch voneinander getrennt.
Im nächsten Schritt h1) wird die lithographische Maske 9 mechanisch oder chemisch von den obersten Metallschichten 52 abgelöst bzw. abgehoben, um somit die pixellierten Kontakte 5 auf dem Konverterelement freizulegen. Das so hergestellte erfindungsgemäße Detektorelement 1 kann danach noch gereinigt oder weiterverarbeitet werden.
In der 2 ist eine schematische Darstellung der Abfolge der einzelnen Herstellungsschritte für ein erfindungsgemäßes Detektorelement nach einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Das Verfahren in den Schritten a2) und b2) bis h2) ist im Wesentlichen identisch zu den Schritten a1) bis h1) aus 1. Der Unterschied zu dem Verfahren aus 1 besteht darin, dass nach dem Reinigungsschritt a2) eine Oxidschicht als Schutzschicht 4 auf dem Konverterelement 3 im Schritt m) ausgebildet wird. Die Oxidschicht 4 wird mittels eines Sauerstoffplasmas in einer definierten Dicke auf der Oberfläche des Konverterelements 3 angeordnet, um so dessen hoch reaktive Oberfläche zu schützen.
Auf diese Oxidschicht 4 folgend wird eine erste Kontaktschicht 51 sowie eine zweite Kontaktschicht 52 in den Schritten b2) und c2) aufgebracht.
Danach folgt mittels eines lithographischen Prozesses die Ausbildung einer lithographischen Maske 9 (Schritte d2) bis f2)), bevor durch Reaktivionenätzen die pixellierten Kontaktelemente 5 aus dem darunter liegenden Schichtaufbau (Stack) heraus strukturiert werden (Schritte g2) und h2)). Je nach verwendetem Ätzmittel können sowohl die Metallschichten 51 und 52 als auch die Oxidschicht 4 geätzten werden. Falls gewünscht, kann die Oxidschicht 4 auch als Schutzschicht teilweise oder vollständig auf der Konverterelementoberfläche 3 verbleiben. Dieser Ausführungsform ist hier nicht gezeigt, kann aber zum Schutz der Konverterelementoberfläche auch für spätere Weiterverarbeitungsschritte vorteilhaft sein.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Abfolge der einzelnen Herstellungsschritte für ein erfindungsgemäßes Detektorelement nach einer dritten Ausführungsform.
Im Schritt a3) erfolgt eine Reinigung des Konverterelements 3, gefolgt von einer Erzeugung einer Oxidschicht 4 (Schritt m)) in Analogie zu dem in 2 beschriebenen Verfahren.
In den Schritten d3) bis f3) erfolgt auf der Oxidschicht 4 eine Ausbildung einer lithographischen Maske 9 wie in den 1 und 2 beschrieben worden ist.
In die Aussparungen 19 der lithographischen Maske 9 wird im Schritt n) mittels einer stromlosen Abscheidung ein Kontaktelement aus einer ersten Metallschicht 51 und einer zweiten Metallschicht 52 auf der Oxidschicht 4 abgeschieden.
Im Schritt h3) wird die lithographische Maske 9 mechanisch oder chemisch abgelöst. Dies kann z. B. mittels eines Quellens durch ein Lösungsmittel erfolgen, wodurch sich die lithographische Maske 9 einfacher von der Oxidschicht 4 ablösen lässt, zum Beispiel mittels eines Abhebens der über die Metallschichten hervorragenden Maske 9. Dadurch wird das fertige Detektorelement 1 mit einer Konverterelementschicht 3, einer Oxidschicht 4 und darüber angeordneten pixellierten Kontakten 5 erzeugt. Auch hier können sich weitere Bearbeitungsschritte, insbesondere Reinigungsschritte oder Veredelungsschritte, anschließen.
In der 4 ist eine schematische Darstellung der Abfolge der einzelnen Herstellungsschritte für ein Detektorelement gezeigt, welches nicht unter die Erfindung fällt.
Im Schritt a4) wird ein Konverterelement 3 vorgelegt, dessen Ober- und Unterseite im nachfolgenden Schritt b4) gereinigt wird, und zwar mit einer Mischung aus Brom und Methanol.
Sowohl von der Ober- als auch von der Unterseite wird im Schritt c4) jeweils eine Metallschicht 51 abgeschieden. Optional können auch weitere Metallschichten bzw. Kontaktelementschichten (nicht gezeigt) folgen.
Auf der Oberseite wird im Schritt f4) eine lithographische Maske 9 mittels eines Lithographieprozesses erzeugt.
Anschließend wird im Schritt g4) durch diese lithographische Maske 9 hindurch die darunter liegende Metallschicht 51 in den nicht abgedeckten Bereichen heraus geätzt bzw. mechanisch abgetragen.
Durch das Ablösen der fotolithographischen Maske 9 im Schritt h4) werden die Kontakte 5, welche eine pixellierte Struktur aufweisen, freigelegt. Das daraus resultierende Detektorelement 1 weist in dieser Reihenfolge eine untere, vollflächig ausgebildete Metallschicht 51, ein Konverterelement 3 und pixellierte Kontakte 5 auf. Die Kontakte können dabei aus einer oder mehreren Kontaktschichten, bevorzugt Metallschichten, ausgebildet sein. Falls erwünscht, kann auch die untere Metallschicht 51 als eine pixellierte Schicht strukturiert werden.
Die 5 zeigt eine Abbildung eines Detektorelements, das gemäß den in der 4 schematisch dargestellten Herstellungsschritten erzeugt wurde, nach dem Erzeugen einer fotolithographischen Maske 9, das heißt nach dem Schritt f4). Man sieht in der Draufsicht die ausgehärteten und nach dem Entwicklungsschritt verbliebenen Bereiche der Maske 9 mit den herausgelösten Aussparungen 19. Dies ist der Zustand vor dem folgenden Ätzschritt.
Die 6 zeigt eine Abbildung des Detektorelements aus 5 nach dem Ätzschritt g4). Die durch die Maske 9 abgedeckten Bereiche bleiben bei dem Ätzschritt nahezu unverändert, d. h. eine Materialabtragung findet hier im Wesentlichen nicht statt. In den Bereichen der Aussparungen 19 wurde die in den Aussparungen zu sehende Metallschicht bis auf das Konverterelement (dunklere Bereiche) abgetragen.
Nach dem Ablösen der fotolithographischen Maske 9 werden die darunter liegenden Kontakte (nicht gezeigt) freigelegt. Diese haben im Wesentlichen die gleiche Dimension und Form der Maskenbereiche 9. Dadurch kann mit hoher Genauigkeit und auf einfache Art und Weise ein wohl definiertes Pixelmuster aus Kontaktmaterial auf einem Konverterelement erzeugt werden, auch wenn die einzelnen Pixelelemente eine Seitenlänge von kleiner als etwa 250 nm haben. Die so erzeugten Detektorelemente eignen sich hervorragend für Strahlungsdetektoren bzw. medizintechnische Geräte, welche hohe Strahlungsintensitäten (z. B. > 1 × 10⁹) messen können. Daher können sie hervorragend in computertomographischen Anwendungen eingesetzt werden.
Die 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor 10, welcher hier mit einer Auswerteelektronik 13 ausgestattet ist. Das Detektorelement umfasst hier erfindungsgemäß ein Konverterelement 3 mit einer vollflächigen Kontaktschicht 11 auf Seiten der Kathode K. Die pixellierten Kontakte 12 auf Seiten der Anode A sind matrixartig (in 7 ist nur ein Ausschnitt einer Reihe dieses Detektorelements dargestellt) nebeneinander angeordnet und durch Aussparungen bzw. Septen 24 voneinander getrennt.
Die zu detektierende ionisierende Strahlung, z. B. Röntgenstrahlung R, trifft hier auf die Kathodenseite des Strahlungsdetektors 10. Grundsätzlich kann ein erfindungsgemäßer Strahlungsdetektor aber auch so ausgebildet sein, dass die zu detektierende Strahlung R von einer anderen Einfallsrichtung aus auf den Strahlungsdetektor fällt, beispielsweise, dass der Strahlungsdetektor so ausgerichtet ist, dass die Kathodenseite und die Anodenseite parallel zur Einfallsrichtung der Strahlung liegen.
Der Strahlungsdetektor 10 ist hier mit einer Auswerteelektronik 13 versehen, welche für jedes pixellierte Kontaktelement 12 einen Vorverstärker 14 aufweist, um ein in dem Konverterelement 3 entstehendes und zu einem pixellierten Kontaktelement 12 abgeleitetes Signal zunächst vorzuverstärken. Die Kopplung der Vorverstärker 14 an die Anoden A ist in der Figur sehr vereinfacht dargestellt. Dem Fachmann sind die grundsätzlichen Methoden, wie Signale von einem Strahlungsdetektor ausgelesen und weiterverarbeitet werden können, bekannt. Die Vorverstärker 14 sind mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 15 verbunden, in der die Signale weiter verarbeitet und dann z. B. an eine Auswerteeinheit (nicht dargestellt) weitergegeben werden.
Die 8 zeigt ein sehr einfaches Ausführungsbeispiel für ein medizintechnisches Gerät 20, hier ein Röntgensystem 20. Dieses weist einen Röntgenstrahler 21, einen erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor 10 mit einer Auswerteelektronik 13 sowie eine Systemsteuereinrichtung 22 auf. Der Röntgenstrahler 21 und der Strahlungsdetektor 10 sind im Betrieb so einander gegenüberliegend angeordnet, dass die Abstrahlrichtung des Röntgenstrahlers 21 in Richtung des Strahlungsdetektors 10 weist. Ein Untersuchungsobjekt P, beispielsweise ein Patient bzw. ein Körperteil des Patienten, wird dann passend zwischen dem Röntgenstrahler 21 und dem Strahlungsdetektor 10 positioniert, um zur Aufnahme eines Röntgenbildes mit dem Strahlungsdetektor 10 die vom Röntgenstrahler 21 ausgesendete und durch das Untersuchungsobjekt P abgeschwächte Röntgenstrahlung R ortsaufgelöst zu erfassen. Die Ansteuerung des Röntgenstrahlers 21 erfolgt hier mittels einer sehr vereinfacht dargestellten Systemsteuereinrichtung 22, welche auch die von der Auswerteelektronik 13 verarbeiteten Detektorsignale zur weiteren Bearbeitung übernimmt, um beispielsweise ein Bild aus den Detektorsignalen zu rekonstruieren und einem Benutzer auszugeben oder in einem Speicher zu hinterlegen.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Detektorelementen, Strahlungsdetektoren, medizintechnischen Geräten und Verfahren zur Erzeugung von Detektorelementen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedener Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Insbesondere können die gleichen oder zumindest ähnlichen Effekte erzielt werden, wenn ein pixellierter Kontakt lediglich auf der einen Seite, entweder der Anoden- oder der Kathodenseite, eines solchen Detektorelements eingesetzt wird. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein” bzw. „eine” nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Element” als Bauteil nicht aus, dass dieses aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.

Claims

Detektorelement (1) mit einem halbleitenden Konverterelement (3) und einer Anzahl darauf angeordneter, pixellierter Kontakten (5), wobei die Kontakte (5) mittels eines fotolithographischen Prozesses unter Verwendung einer lithographischen Maske (9) auf mindestens einer oxidischen, nitridischen oder polymeren Konverterelement-Schutzschicht (4) hergestellt sind.
Detektorelement nach Anspruch 1, wobei die Kontakte (5) eine oder mehrere Kontaktschichten (51, 52) aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung umfassen.
Detektorelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Konverterelement-Schutzschicht (4) eine an der Oberfläche des Konverterelements (3) angeordnete Isolatorschicht und/oder eine Schicht aus organischen und/oder polymeren Verbindungen umfasst.
Detektorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Konverterelement-Schutzschicht (4) eine oder mehrere Kontaktschichten (51, 52) der Kontakte (5) umfasst.
Detektorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das halbleitende Konverterelement (3) ein Strahlungsdetektionsmaterial aus Cd_xZn_1-xTe_ySe_1-y (mit 0 ≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1) und/oder Cd_xMn_1-xTe_ySe_1-y (mit 0≤ x ≤ 1; 0 ≤ y ≤ 1) umfasst.
Strahlungsdetektor (10) mit einer Anzahl von Detektorelementen (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Detektorelement pixellierte Kontakte (5) auf einer Anodenseite (11) und/oder einer Kathodenseite (12) und optional eine Auswerteelektronik (13) zum Auslesen eines Detektorsignals umfasst.
Medizintechnisches Gerät (20) mit einem oder mehreren Strahlungsdetektoren (10) nach Anspruch 6.
Verfahren zum Erzeugen eines Detektorelements (1) mit einem halbleitenden Konverterelement (3) und einer Anzahl darauf angeordneter pixellierter Kontakte (5), umfassend den Schritt des Ausbildens von pixellierten Kontakten (5) mittels eines fotolithographischen Prozesses auf dem halbleitenden Konverterelement (3) unter Verwendung einer auf einer oxidischen, nitridischen oder polymeren Konverterelement-Schutzschicht (4) angeordneten lithographischen Maske (9).
Verfahren zum Erzeugen eines Detektorelements nach Anspruch 8, umfassend den Schritt des Reinigens einer Oberfläche des halbleitenden Konverterelements (3) mit einem Reinigungsmittel und/oder Ätzmittel.
Verfahren zum Erzeugen eines Detektorelements nach Anspruch 8 oder 9, umfassend das Anordnen einer Oxidschicht an der gereinigten Oberfläche des halbleitenden Konverterelements (3) als Konverterelement-Schutzschicht (4).
Verfahren zum Erzeugen eines Detektorelements nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der fotolithographische Prozess das Erzeugen einer lithographischen Maske (9) mit den folgenden Schritten umfasst: – Aufbringen einer Fotoresistschicht (8) direkt oder indirekt oberhalb einer Konverterelement-Schutzschicht (4), – Belichten der Fotoresistschicht (8), und – Entwickeln der Fotoresistschicht (8) unter Ausbildung einer lithographischen Maske (9).
Verfahren zum Erzeugen eines Detektorelements nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Schritt des Ausbildens von pixellierten Kontakten (5) die folgenden Schritte umfasst: – Erzeugen von einer oder mehreren Kontaktschichten (51, 52) als Konverterelement-Schutzschicht (4) oder zusätzlich zu der Konverterelement-Schutzschicht (4), – Aufbringen einer lithographischen Maske (9), und – Strukturieren der einen oder mehreren Kontaktschichten (51, 52) durch die Maske hindurch.
Verfahren zum Erzeugen eines Detektorelements nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Schritt des Ausbildens von pixellierten Kontakten (5) die folgenden Schritte umfasst: – Erzeugen einer lithographischen Maske (9) mit Aussparungen (19) für die pixellierten Kontakte (5), und – Erzeugen von einer oder mehreren Kontaktschichten (51, 52) in den Aussparungen (19) der lithographischen Maske (9).
Verfahren zum Erzeugen eines Detektorelements nach einem der Ansprüche 8 bis 13, umfassend den Schritt des Ablösens der lithographischen Maske (19) unter Freilegung der pixellierten Kontakte (5).
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die Kontakte (5) aus einer oder mehreren Kontaktschichten (51, 52) aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung hergestellt werden.