DE102014213039A1

DE102014213039A1 - Verfahren zur Kantenbeschichtung an Halbleiterdetektoren

Info

Publication number: DE102014213039A1
Application number: DE102014213039.5A
Authority: DE
Inventors: Carl Mikael Ahlstedt; Stefan Denneler; Mario Eichenseer; Christian Schröter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2016-01-07

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer intransparenten elektrisch isolierenden Abdeckschicht (4, 4a–4g) für einen halbleitenden Röntgenkonverter beschrieben, welches eine Abdeckschicht (4, 4a bis 4g) durch wenigstens ein, die Abdeckschicht bildendes, Abdeckschichtmaterial dargestellt wird, als Abdeckschichtmaterial ein keramisches Material eingesetzt wird und das Abdeckschichtmaterial mittels Aerosolabscheidung bei Raumtemperatur zumindest partiell auf wenigstens einer Oberfläche eines halbleitenden Röntgenkonverters (7) abgeschieden wird. Einsatz: halbleitender Röntgenkonverter

Description

Die Erfindung betrifft die Bildgebung bei Röntgenaufnahmen mit direkt konvertierenden Halbleitern als Röntgendetektoren.
In verschiedenen Bereichen, wie etwa der medizinischen Röntgenbildgebung, werden Röntgendetektoren eingesetzt. Typischerweise kommen Szintillatoren in Kombination mit einer Photodiode oder direktkonvertierende Halbleiter zum Einsatz. Röntgendetektoren werden meist in voll verkapselter Form eingesetzt, um die Röntgenwandler vor Streulicht abzuschirmen. Streulicht überlagert das Sensorsignal in negativer Weise und würde zu einem schlechteren Signal/Rausch-Verhältnis führen.
Halbleitende Röntgendetektoren sind meist mit Metallelektroden versehen. Diese bieten eine hinreichende Abschattung des Streulichts. Jedoch sind die Metallelektroden meist flächig ausgebildet, so dass Teilbereiche der Oberfläche eines Röntgendetektors nicht metallisiert und damit nicht gegen Streulicht abgeschattet sind. Bei halbleitenden Röntgendetektoren besteht eine zusätzliche Herausforderung darin, dass Hochspannung zwischen Anode und Kathode anliegt und eine Kantenbeschichtung mit entsprechend hochisolierendem Material ausgeführt werden muss.
Bei bestimmten Halbleitern, wie etwa CdTe oder CdZnTe, besitzt die Kantenbeschichtung häufig noch die Funktion einer mechanischen Schutzschicht. Die vorgenannten Halbleiter sind sehr spröde, wodurch insbesondere die gesägte Kante des Detektors zu Materialausbrüchen neigt.
Bisher existieren verschiedene Methoden, die Kanten der Detektoren zu beschichten. Häufig werden organische Verbindungen, wie Lacke oder Harze, zur Darstellung einer Abdeckschicht eingesetzt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Silikon aufgrund seiner hohen Isolierfähigkeit zu verwenden.
Sowohl Lacke wie auch Harze und Silikone werden mit Füllstoffen versetzt, um eine optische Intransparenz zu erreichen.
Auf organischen Erzeugnissen basierende Abdeckschichten, wie beispielsweise Lacke, haben den Nachteil, dass sie im Verlauf der Zeit oder durch die Umgebungsbedingungen degradieren können. Dies kann zum Verlust von vorteilhaften Eigenschaften führen und ist verbunden mit einer Versprödung, Rissbildung oder mit Abplatzen der Abdeckschichten. Weiterhin kann die Exposition in Luft zu einer Eindiffusion von Wasser führen, wodurch der elektrische Widerstand der Schicht reduziert wird. Dies führt insgesamt zu einer Erhöhung des Dunkelstroms und somit zu Reduktion der Sensitivität bei einer Röntgenbildgebung bis hin zur Zerstörung des Detektors.
Ein aerosolbasiertes Abscheideverfahren stellt sich wie folgt dar:
Die Aerosolabscheidung kann als Kaltabscheidung bezeichnet werden, da sie etwa bei Raumtemperatur abläuft. Die aerosolbasierte Kaltabscheidung wurde 1998 von Jun Akedo erstmalig unter dem Begriff „Aerosol Deposition“ veröffentlicht. Diese Methode ermöglicht die Herstellung von hochdichten Schichten mit Dicken zwischen ca. 1 bis 500 µm auf verschiedensten Substraten bei sehr niedrigen Temperaturen des Verfahrens. Einzige Spitzenwerte bis zu 300°C treten auf, wenn das Material auf ein Substrat trifft. Als Substrate eignen sich dabei Glas und Keramiken, Metalle und Halbleiter, wie beispielsweise Silizium. Harte Kunststoffe können ebenfalls als Substrat verwendet werden.
Im Grundsatz wird bei dem genannten Verfahren aus einem Pulver ein Aerosol hergestellt, welches in einer Vakuumstrecke beschleunigt wird. Die Pulverpartikel treten anschließend aus einer in drei Achsen verfahrbaren Düse aus und treffen mit einer sehr hohen kinetischen Energie auf das Substrat auf. Alternativ kann das Substrat unter einer feststehenden Düse hin und her verfahren werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung wenigstens einer intransparenten Abdeckschicht auf halbleitenden Röntgenkonvertern zu beschreiben, welche stabil, Temperatur beständig und elektrisch isolierend ist.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch jeweils einen unabhängig formulierten Patentanspruch.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mittels Aerosolabscheidung eine elektrisch isolierende und intransparente Abdeckschicht darstellbar ist, indem ein vollkeramisches Material bzw. ein vollkeramisches Materialkomposit eingesetzt wird und wobei die Abscheidung in einem Sprühprozess bzw. Aerosolabscheideverfahren bei Raumtemperatur geschieht.
Wesentliche Vorteile werden dadurch erzielt, dass die Aerosolabscheidung bei Raumtemperatur in Verbindung mit hoher Materialgeschwindigkeit abläuft, wobei Temperaturspitzen bis 300°C durch die hohe kinetische Energie des Materials in situ auftreten können.
Eine weitere Erkenntnis der Erfindung besteht darin, dass die Herstellung von dünnen, hochstabilen, optisch intransparenten Abdeckschichten auf temperatursensitiven und mechanisch sensitiven elektrischen Bauteilen auch durch den Einsatz keramischer Materialien zur Darstellung von Abdeckschichten möglich ist.
Die Abscheidung von oxid- und/oder nitrid-basierten keramischen Materialien, wie beispielsweise AlN oder TiN, wird durch den Einsatz der Beschichtungstechnologie in Form der Aerosolabscheidung ermöglicht, wobei die Prozesstemperatur bei Raumtemperatur liegt. Da das Verfahren der Aerosolabscheidung bei sehr niedrigen Prozesstemperaturen, wie beispielsweise Raumtemperatur, abläuft, können bei diesem Verfahren keramische oder polymere Schichten bzw. Materialkomposite dargestellt werden. Da Material in Form von Pulver gleichzeitig mit einem Aerosol in eine Vakuumstrecke eingebracht und beschleunigt wird, wird das Material oder der Materialkomposit, welcher durch eine hohe Beschleunigung in der Vakuumstrecke eine hohe kinetische Energie besitzt, beim Auftreffen teilweise bis zu 300°C erhitzt.
Durch die Wahl eines dunklen keramischen Werkstoffes, wie beispielsweise Nitridkeramik, -Aluminiumnitrid oder -Titannitrid, kann somit bei Raumtemperatur eine Abdeckschicht auf einem Substrat abgeschieden werden. Derartige Schichten zeichnen sich durch drei wesentliche Eigenschaften aus:

– eine hohe Lichtabsorption,
– eine hohe Lichtreflexion,
– eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit.

Weiterhin lassen sich Materialien vorteilhaft als Materialkomposit verwenden, wobei etwa ein reflektierendes mit einem absorbierenden Material gemischt werden kann. Die Abscheidung des Materialgemisches auf einem Substrat oder Röntgenkonverter kann durch vorherige Mischung zu einem Pulver mit einem System der Aerosolabscheidung geschehen oder gemeinsam, gleichzeitig oder alternierend in Form von zwei Systemen, welches jeweils ein Material in Reinform abscheidet.
Eine Kombination von absorbierenden und reflektierenden Schichten können vorteilhaft dadurch ausgebildet werden, dass eine absorbierende Schicht aus Titannitrid, TiN, sowie eine reflektierende Schicht aus Titandioxid, TiO₂, in Form von mehrlagigen Spiegeln alternierend aufgebaut werden.
Der mehrlagige Aufbau einer Absorptionsschicht kann vorteilhaft durch einen Mehrlagenaufbau realisiert werden, wobei die jeweiligen Anteile der Absorptionsschichtmaterialien insgesamt von dem gesamten Mehrlagenaufbau festgestellt werden können. Der Einsatz eines Komposits, eines Gemisches aus Abdeckschichtmaterialien, ergibt eine in ihrer Homogenität einstellbare einzige Schicht. Je nach Anwendungsfall kann der Mehrlagenaufbau oder die Schicht aus Komposit besondere Vorteile erzielen.
Beispielsweise können Abdeckschichtmaterialien eingesetzt werden, welche unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Eine Ausbildung von Mehrlagenspiegeln, sogenannten Bragg-Spiegeln, kann realisiert werden, wenn Schichten aus Materialien mit einem hohen und einem niedrigen Brechungsindex alternierend abgeschieden werden. Dabei sind als Materialien zu nennen Siliziumdioxid, SiO₂, mit einem Brechungsindex n ~ 1,4 oder Titandioxid, TiO_2, mit einem Brechungsindex von n ~ 2,4.
Weitere Vorteile einer Abdeckschicht aus keramischem Material, welches mittels Aerosolabscheidung aufgebracht wurde, bestehen darin, dass dünne Schichten herstellbar sind, diese Schichten sehr stabil ausgebildet sind und optisch intransparent sind. Derartige Abdeckungen können auf temperatursensitiven und mechanisch sensitiven elektrischen Bauteilen aufgebracht werden, wie beispielsweise auf Röntgendetektoren.
Im Folgenden werden anhand der begleitenden schematischen Figuren die Erfindung nicht einschränkende Ausführungsbeispiele beschrieben:
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Röntgendetektors 1 mit einem Röntgenkonverter 7 sowie einer elektronischen Auslesung 6,
2 zeigt ein Gefüge einer Abdeckschicht nach der Aerosolabscheidung, welches als Schliffbild ausgeführt ist,
3, 4 und 5 zeigen jeweils schematisch einen Schnitt durch den Röntgenkonverter 7, in dem Be- reich der Auftragung der Abdeckschicht 4, anstoßend an die obere Elektrode 2, so dass die Darstellung entsprechend der 3 bis 5 etwa um 90° zur 1 gedreht sind.
Vorteile der Erfindung sind wie folgt:

– Die Darstellung einer keramischen Schicht auf einem halbleitenden Konverterelement zur Reduktion des Streulichteinfalls ergibt die Vorteile, dass die Temperaturbeständigkeit, Härte, chemische Beständigkeit, Durchlässigkeit von Wasser oder elektrische Isolationsfähigkeit, besonders vorteilhafte Werte annimmt.
– Die Wahl des keramischen Materials und die Einstellung der Gefügestruktur der Abdeckschicht 4 ergeben in Kombination besonders vorteilhafte Eigenschaften für die Abdeckschicht, wobei die Reflektionseigenschaften durch diffuse Streuung positiv beeinflusst werden.
– Der Einsatz des aerosolbasierten Beschichtungsverfahrens bei Raumtemperatur ermöglicht die Wahl von schonenden Auftragsparametern, wie beispielsweise geringer Aerosoldichte bei hoher Partikelgeschwindigkeit, woraus sich besonders vorteilhafte Verfahrensvorteile ergeben.
– Da die Abscheidung der keramischen Schicht aus der Festphase in Form von Pulver geschieht, kann in vorteilhafterweise die Partikelgröße durch die Pulverherstellung beeinflusst werden. Somit können Partikelgrößen von < 1 µm, sowie eine enge Partikelgrößenverteilung eingehalten werden.

Die 1 zeigt schematisch einen Röntgendetektor 1, aufgebaut durch ein Mittel zur elektronischen Auslesung 6 und einen darauf aufgebrachten Röntgenkonverter 7. Auf dem Röntgenkonverter 7 ist flächig aufgebracht eine obere Elektrode 2.
Die Elektrode 2 verhindert großflächig den Einfluss von Streulicht auf den Röntgendetektor 7. Einzig frei bleibende Flächen sind die umlaufenden Seitenflächen 3 des Röntgenkonverters 7. Der Schutz vor Streulicht ist damit nicht vollständig.
Die 2 zeigt ein Schliffbild, welches das Gefüge der Abdeckschicht 4 nach der Abscheidung einer 2,5 µm dicken Schicht aus TiN auf einem Substrat, hier Glas, darstellt. Das Substrat 5 ist am unteren Rand zu erkennen. Die Abdeckschicht 4 ist die stark strukturierte breite mittlere Schicht. Die obere schlierige Schicht zeigt einen Teil der Oberseite des Bauteiles durch eine geringfügig dreidimensionale Darstellung der Abbildung.
Die 3, 4 und 5 zeigen schematische Darstellungen jeweils eines Schnittes durch den Röntgenkonverter 7 in dem Bereich, auf dem die Abdeckschicht 4 in verschiedener Form aufgebracht ist. Zur Klarstellung ist die Position der Elektrode 2 jeweils angedeutet.
3 zeigt eine zweigeteilte Abdeckschicht 4, bestehend aus einer reflektierenden Abdeckschicht 4a und einer absorbierenden Abdeckschicht 4b. Die Wirkung der gesamten Abdeckschicht 4 kann durch die Wirkung der reflektierenden Schicht 4a und der absorbierenden Schicht 4b einzeln wiedergegeben werden. Eine ebenfalls mögliche Betrachtungsweise besteht darin, die Wirkung der Eigenschaften der gesamten Abdeckschicht 4 zu bezeichnen, wobei nicht zwischen den einzelnen Schichten unterschieden wird, sondern die gesamte Schicht beurteilt wird.
Die 5 zeigt die Abdeckschicht 4, dargestellt als eine aus Komposit, einem Materialgemisch, aufgebaute einzelne Schicht. Im Extremfall kann als Abdeckschicht 4 ein einzelner Stoff verwendet werden. In der Regel besteht ein Komposit jedoch aus einem Materialgemisch, welches durch die aerosolbasierte Abscheidung aufgebracht ist. Da die Temperatur beim Abscheideprozess sehr niedrig ist, liegen in der Regel keine Verbindungen vor, es sei denn, diese sind durch das eingesetzte Pulver oder Pulvergemisch mit eingebracht worden. So kann bei dem angewandten aerosolbasierten Abscheideverfahren die Herstellung von sehr dichten keramischen, polymeren oder metallischen Schichten mit Dicken zwischen 1 und 500 µm auf unterschiedlichen Substraten dargestellt werden.
Die 4 zeigt eine aus insgesamt vier Teilschichten bestehende Abdeckschicht 4. Die Schichten 4c, 4d, 4e, 4f stellen Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex dar. Beispielsweise ist bei einer Mehrfachschicht der Brechungsindex der untersten Abdeckschicht n ~ 1, bei der darauffolgenden Abdeckschicht größer n > 1, bei der wiederum folgenden Abdeckschicht ist der Brechungsindex n ~ 1 und bei der abschließenden Abdeckschicht ist der Brechungsindex n > 1.
Bei der Darstellung von unterschiedlichen Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes zur Herstellung einer gesamten Abdeckschicht 4 werden beispielsweise alternierend die Materialien SiO₂ und TiO₂ eingesetzt. Dabei weist Siliziumdioxid einen Brechungsindex von n ~ 1,4 auf und Titandioxid einen Brechungsindex von n ~ 2,4.

Claims

Verfahren zur Herstellung wenigstens einer intransparenten elektrisch isolierenden Abdeckschicht (4, 4a–4g) für einen halbleitenden Röntgenkonverter, wobei – die wenigstens eine Abdeckschicht (4, 4a bis 4g) durch wenigstens ein, die Abdeckschicht bildendes, Abdeckschichtmaterial dargestellt wird, – als Abdeckschichtmaterial ein keramisches Material eingesetzt wird, – das Abdeckschichtmaterial mittels Aerosolabscheidung bei Raumtemperatur zumindest partiell auf wenigstens einer Oberfläche eines halbleitenden Röntgenkonverters (7) abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Herstellung wenigstens einer intransparenten elektrisch isolierenden Abdeckschicht (4, 4a–4g) als Abdeckschichtmaterial das keramische Material mit Anteilen wenigstens eines Polymers eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Herstellung wenigstens einer intransparenten elektrisch isolierenden Abdeckschicht (4, 4a–4g) als Abdeckschichtmaterial eine Oxid-Keramik oder eine Nitrid-Keramik oder eine Kombination daraus dargestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei zur Herstellung wenigstens einer intransparenten elektrisch isolierenden Abdeckschicht (4, 4a–4g) als Oxid-Keramik Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) oder Titandioxid (TiO2), und/oder als Nitrid-Keramik Aluminiumnitrid (AlN) oder Titannitrid (TiN), eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei zur Herstellung einer intransparenten elektrisch isolierenden Abdeckschicht (4, 4a bis 4g) eine mehrlagige Abdeckschicht aus wenigstens einem reflektierenden Abdeckschichtmaterial und wenigstens einem absorbierenden Abdeckschichtmaterial alternierend dargestellt wird und als absorbierendes Abdeckschichtmaterial Titannitrid, TiN, sowie als reflektierendes Abdeckschichtmaterial, Titandioxid, TiO₂, insbesondere in Form mehrlagiger Spiegel, abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei zur Herstellung wenigstens einer intransparenten elektrisch isolierenden Abdeckschicht (4, 4a–4g) eine Abdeckschicht aus wenigstens einem Materialkomposit, umfassend wenigstens ein reflektierendes Abdeckschichtmaterial, sowie wenigstens ein absorbierendes Abdeckschichtmaterial eingesetzt wird, so dass die elektrisch isolierende und intransparente Abdeckschicht dargestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, wobei zur Herstellung wenigstens einer intransparenten elektrisch isolierenden Abdeckschicht (4, 4a–4g) eine mehrlagige Abdeckschicht (4) durch wenigstens zwei Abdeckschichten aus jeweils unterschiedlichem Abdeckschichtmaterial mit unterschiedlichen Brechungsindizes oder einer Abdeckschicht aus wenigstens einem Materialkomposit aus Abdeckschichtmaterialien unterschiedlicher Brechungsindizes abgeschieden werden, und als Abdeckschichtmaterialien insbesondere Siliziumdioxid, SiO₂, und/oder Titandioxid, TiO₂, eingesetzt werden.
Röntgenkonverter (7) für einen halbleitenden Röntgendetektor (1), wobei der Röntgenkonverter gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Röntgendetektor, insbesondere halbleitender Röntgendetektor, umfassend wenigstens einen Röntgenkonverter (7) nach Anspruch 8.