DE19513678C2 - Detektoranordnung bestehend aus mehreren Submodulen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Detektoranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung ist insbesondere von Bedeutung für optische Detektorelemente und nachfolgend anhand des bevorzugten Anwendungsfalls zur Detektion von Infrarotstrahlung beschrieben, ohne auf diesen Strahlungsbereich beschränkt zu sein.

Zur Erderkennung und Erdbeobachtung aus dem Weltraum wird u. a. die Eigenstrahlung der nachzuweisenden Objekte im infraroten Wellenlängenbereich verwendet. Je nach gewünschtem Nachweis ist man aufgrund der Transmissionseigenschaften der Atmosphäre auf den Wellenlängenbereich von 3-5 µm bzw. 8-12 µm beschränkt bzw. auf charakteristi­ sche Absorptionsbanden, z. B. für den Nachweis von Gasen, im ähnlichen Wellenlängenbereich.

Von besonderer Bedeutung sind Detektoren mit einer Viel­ zahl von Detektorelementen, die in einer oder mehrere li­ nearen Zeilen angeordnet sind.

Bei Raumtemperatur liefert das Eigenrauschen der Detektor­ elemente einen hohen evtl. sogar überwiegenden Anteil im Detektorausgangssignal. Die Detektoranordnungen werden da­ her für den Detektionsbetrieb abgekühlt, z. B. bis auf 77 K Betriebstemperatur.

Bei einen typischen hybriden Aufbau eines Detektormoduls, ist das Detektormaterial, z. B. HgCdTe, als epitaktische Schicht auf ein Substrat aus CdZnTe aufgewachsen und die­ ses Substrat ist z. B. durch Aufkleben oder insbesondere über Indium-Lötsäulen fest mit einem Silizium-Auslese­ schaltkreis verbunden.

Durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten zwischen Detektormodul, Indium und Si-Auslese­ schaltkreis entstehen beim Abkühlen auf Betriebstemperatur im Hybridverbund Spannungen bzw. Dehnungen, die zu De­ tektordegradationen, im schlimmsten Fall zu Ablösungen führen können. Die Gefahr solcher Schäden wächst mit zu­ nehmender Zeilenlänge schnell an.

Aus der US 4,467,342 ist eine Detektoranordnung mit einer Vielzahl von mindestens in einer linearen Zeile auf einer Trägerplatte angeordneten Strahlungs- Detektorelementen bekannt, wobei die Anordnung in Zeilenrichtung in mehrere Submodule unterteilt ist, die jeweils eine Mehrzahl von Detektorelementen auf einem Detektorsubstrat enthalten und wobei in Zeilenrichtung aufeinanderfolgende Detektorsubstrate alternierend in unterschiedlichen Abständen von der Trägerplatte angeordnet sind und in ihren Randbereichen überlappen.

Der Artikel F-.H. M. Heijne et al.: First operation of a 72 k element hybrid silicon micropattern pixel detector array. In: Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, ISSN 0168-9002, A 349 (1994), S. 138-155, beschreibt eine Detektoranordnung mit einer Vielzahl von mindestens in einer linearen Zeile angeordneten Strahlungs-Detektorelementen, wobei die Anordnung in Zeilenrichtung in mehrere Submodule unterteilt ist, die jeweils eine Mehrzahl von Detektorelementen auf einem Detektorsubstrat enthalten und wobei in Zeilenrichtung aufeinanderfolgende Detektorsubstrate alternierend in unterschiedlichen Abständen angeordnet sind und in ihren Randbereichen überlappen. Bei diesem Detektor befinden sich die Submodule auf zwei einander gegenüberliegenden dünnen Keramikträgern. Diese müssen aber relativ zueinander fixiert werden.

Nachteilig bei den bekannten Detektoranordnungen ist jedoch, dass sich durch die unterschiedlichen Detektorelementebenen in den verschiedenen Submodulen eine nicht vernachlässigbare Verschiebung der Fokalebene eines abbildenden Systems ergibt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Detektoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 3 anzugeben, bei der die Fokalebene jeweils auf den Detektorelementebenen in den verschiedenen Submodulen liegt.

Diese Aufgabe wird durch eine Detektoranordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Durch die Aufteilung in Submodule können die mechanischen Spannungen innerhalb der einzelnen Submodule auf ein unschädliches Maß begrenzt werden, ohne daß die Gesamtlänge der Detektorzeilen eingeschränkt ist. Durch die Überlappung bleibt die insgesamt lineare Zeilenanordnung aus der Blickrichtung der einfallenden, zu detektierenden Strahlung erhalten. Unterschiede in der Detektorposition senkrecht zu der gemeinsamen Trägerplatte werden optisch kompensiert.

Die Überlappung ermöglicht insbesondere einen Abstand der Randelemente der Submodule zum Substratrand, der Elementschädigungen beim Vereinzeln der Submodul-Substrate aus einem Waferverband weitgehend ausschließt. Die Submodule sind vorzugsweise als hybride Gruppe, die die Detektorelemente und Ausleseschaltkreise enthält, ausgeführt und können dadurch vor dem Zusammenfügen zu der gesamten Detektoranordnung einzeln auf Elementausfälle überprüft werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von vorteilhaften Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem typischen hybriden Aufbau eines Detektormoduls

Fig. 2 einen Randabschnitt eines Detektorsubstrats

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel in Aufsicht und Querschnitt

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel in Aufsicht und Querschnitt.

Zur Herstellung eines in Fig. 1 skizzierten Detektormoduls wird in an sich bekannter Weise auf ein Substrat S, insbe­ sondere ein einkristallines CdZnTe-Substrat, eine Schicht E aus Detektormaterial aufgewachsen. Die Schicht E ist beispielsweise epitaktisch aufgewachsenes p-leitendes HgCdTe. Durch die Ausbildung n-leitender Gebiete D auf oder z. B. durch Implantation in dieser Schicht werden p-n- Übergänge als für die zu detektierende IR-Strahlung emp­ findliche getrennte Detektorelemente (Pixel) mit einem ge­ genseitigen Abstand LD erzeugt. In einem getrennten Prozeß werden Ausleseschaltkreise (z. B. Multiplexer oder CCD) als monolithisch integrierte Schaltkreise in einem Schalt­ kreissubstrat R, insbesondere einem Si-Substrat herge­ stellt. Sowohl Detektorsubstrate S als auch Schaltkreis­ substrate R werden jeweils zu mehreren in einem Waferver­ band hergestellt und danach vereinzelt. Für eine Anordnung mit Rückseitenbeleuchtung des Detektorsubstrats ist das Substrat S transparent für die zu detektierende Strahlung. Sowohl das Detektorsubstrat S als auch das Schaltkreissub­ strat R sind mit strukturierten Kontaktmetallisierungen M und Isolations- und Separationsschichten I versehen. Auf Kontaktflächen des prozessierten Schaltkreissubstrats R werden Indium-Lotkugeln aufgebracht. Schaltkreissubstrat und Detektorsubstrat werden in Flip-Chip-Anordnung, d. h. mit einander zugewandten Kontaktmetallisierungen zusammengesetzt und in einem Lötprozeß, in welchem sich aus den Indium-Lotkugeln die Lotsäulen (Bumps) B zwischen gegenüberliegenden Kontaktflächen bilden, elektrisch und mechanisch verbunden. Die Hybridanordnung in Flip-Chip-Technik ermöglicht besonders hohe Pixelzahlen und -dichten in Rückseitenbeleuchtung.

Andere Hybridaufbauten für Rückseitenbeleuchtung sehen eine strukturiert metallisierte Verbindungsplatte vor, auf die sowohl das Detektorsubstrat als auch das Schaltkreissubstrat in Flip-Chip-Technik aufgebracht sind. Für eine Hybridanordnung mit Vorderseitenbeleuchtung werden vorzugsweise Bondverbindungen zwischen Kontaktflächen des Schaltkreissubstrats und Kontaktflächen des Detektorsubstrat hergestellt.

In Fig. 2 ist die Ausbildung des Randbereichs eines Detektorsubstrats im Überlappungsbereich von Submodulen als Ausschnitt X skizziert. Die beim Vereinzeln der Detektorsubstrate aus dem Waferverband, z. B. durch Sägen entstehende Kante K in Zeilenrichtung weist gegen das randständige Detektorelement W einen Abstand LW auf, der größer ist als der halbe Abstand LD von in Zeilenrichtung benachbarten Detektorelementen, LW < LD/2.

Hierdurch kann zuverlässig vermieden werden, daß sich beim Vereinzeln und ggf. einer weiteren Kantenbearbeitung entstehende Kristalldefekte bis in den aktiven Bereich des p-n-Übergangs des Randelements W ausbreiten und zur Degradation oder zum Ausfall dieses Elements führen.

Durch die Überlappung aufeinanderfolgender Submodule kann dennoch das Rastermaß der Elemente über die gesamte Zeile konstant gehalten werden.

Der Abstand LW kann insbesondere auch größer sein als der gegenseitige Elementabstand LD. Bei der Überlappung der Submodule ergibt sich dann durch den Randbereich eines be­ züglich der Einfallsrichtung der Strahlung vorneliegenden Submoduls eine teilweise oder vollständige Überdeckung des Randelements des dahinterliegenden Submoduls. Um eine Ab­ schattung des überdeckten Randelements zu vermeiden, ist das transparente Substrat S des überdeckenden Submoduls im Überdeckungsbereich frei von dem für die zu detektierende Strahlung nicht oder nur eingeschränkt transparenten De­ tektormaterial und die Schicht E erstreckt sich nach dem Randelement W in Richtung der Submodulkante K des überdec­ kenden Detektorsubstrats nur über einen Abschnitt, der kürzer ist als der Elementabstand LD. Vorzugsweise wird das Detektormaterial einer ganzflächig aufgewachsenen De­ tektorschicht nach photolithographischer Maskierung in den Überdeckungsbereichen durch Ätzen entfernt.

Bei einer in Fig. 3 skizzierten ersten Ausführungsform sind in Zeilenrichtung Submodule N1, N2, N3 aufeinander­ folgend auf einer gemeinsamen Trägerplatte T angeordnet, wobei die aufeinanderfolgenden Submodule alternierend für Rückseitenbeleuchtung der Detektorsubstrate SR (N1, N3) oder Vorderseitenbeleuchtung des Detektorsubstrat SV (N2) ausgeführt sind. Die rückseitenbeleuchteten Detektorsub­ strate SR sind in Flip-Chip-Technik auf den zugeordneten Schaltkreissubstraten RR der Submodule angeordnet und über die Bumps B elektrisch und mechanisch mit diesen verbun­ den.

Das vorderseitenbeleuchtete Substrat SV des Submoduls N2 (und ggf. weiterer Submodule in alternierend fortgesetzter Submodulfolge) ist auf einem Zwischensubstrat ZV befe­ stigt, wobei die Detektorschicht der Einfallsrichtung der Strahlung zugewandt ist. Ebenfalls auf dem Zwischensub­ strat befestigt sind Schaltkreissubstrate RV. Die elektri­ sche Verbindung der Detektorelemente mit den Auslese­ schaltkreisen erfolgt über Bondverbindungen zwischen Kon­ taktflächen F auf Detektorsubstrat SV und Schaltkreissub­ straten RV.

Die in Zeilenrichtung aufeinanderfolgenden Detektorsub­ strate überlappen in ihren Randbereichen durch alternie­ rende Anordnung in verschiedenen Abständen von der Träger­ platte. Die Abstände der randständigen Detektorelemente WO, WU zur jeweiligen Substratkante können daher ausrei­ chend groß gemacht werden, um eine Degradation dieser Ran­ delemente zu vermeiden. Die Randelemente WU des vordersei­ tenbelichteten Submoduls N2 können dabei durch die Randbe­ reiche der Substrate SR der rückenseitenbeleuchteten Sub­ module N1, N3 ganz oder teilweise überdeckt werden. In den Überdeckungsbereichen ist das Detektormaterial entfernt wie zu Fig. 2 beschrieben. Der durch die Dicke der Schalt­ kreissubstrate RR und die Höhe der Bumps B bestimmte Ab­ stand zwischen Trägerplatte und rückseitenbeleuchteten De­ tektorsubstraten SR ist größer als die gesamte Dicke von Zwischensubstat ZV und vorderseitenbeleuchtetem Detektor­ substrat SV. Erforderlichenfalls können weitere Zwischen­ lagen zum Höhenausgleich vorgesehen sein. Durch die unterschiedlichen Detektorelementebenen in den verschiedenen Modulen, insbesondere aber aufgrund des Brechungsindexes des Detektorsubstratmaterials CdZnTe kann sich zwischen den einzelnen Submodulen eine nicht mehr vernachlässigbare Verschiebung der Fokalebenen einer abbildenden optischen Anordnung ergeben. Zum Ausgleich dieser Einflüsse wird ein zusätzliches optisches Element eingesetzt, vorugsweise eine strahlungstransparente Platte P1 über dem vorderseitenbeleuchteten Modul N2 zwischen den Detektorsubstraten SR der rückseitenbeleuchteten Module N1, N3.

Die Platte ist vorzugsweise aus einem Material mit einem gleichen oder einem ähnlichen Brechungsindex wie das Material CdZnTe der Detektorsubstrate SR. Das optische Ausgleichselement kann sich auch als einstöckige Platte über die ganze Detektorzeilenlänge erstrecken und eine die Submodulfolge wiederholende Reliefstruktur besitzen. Mit dem optischen Element können auch durch die Überdeckung der Randelemente WU bewirkte Inhomogenitäten ausgeglichen werden.

Die in Fig. 4 skizzierte Ausführungsform sieht ausschließlich rückseitenbeleuchtete Submodule N1, N2 vor, wobei eine Überlappung der Detektorsubstrate SR aufeinanderfolgender Submodule durch alternierend unterschiedliche Abstände der Detektorsubstrate von der Trägerplatte T erreicht wird. Diese Anordnung ermöglicht den Einsatz gleichartiger Submodule in der vorteilhaften Flip-Chip-Technik, wobei der erforderliche Abstandsunterschied durch alternierendes Anordnen der Submodule unmittelbar auf der Trägerplatte oder unter Einfügung eines Zwischensubstrats Z2 bzw. durch Einfügung von Zwischensubstraten unterschiedlicher Dicke erreicht werden kann.

Die unterschiedliche Lage der Fokalebene eines abbildenden optischen Systems für die verschiedenen Submodule kann wiederum durch ein optisches Element, beispielsweise eine sich über die ganze Zeilenlänge erstreckende in Dicke und Brechungsindex angepaßte transparente Platte P2 mit Reli­ efstruktur ausgeglichen werden, wobei gleichzeitig auch etwaige verfälschende Einflüsse der überdeckenden Sub­ stratränder kompensiert werden können.

Die für eine einzeilige Detektoranordnung angegebenen Bei­ spiele und Überlegungen gelten in gleicher Weise für De­ tektorarrays für mehrere parallele Zeilen und matritzen­ förmigen Elementanordnungen. Die Metallisierungen für die Verbindung von Detektorelementen und Ausleseschaltkreisen sind in an sich bekannter Weise herstellbar und in Einzel­ heiten einfach an die jeweiligen Problemstellungen an­ paßbar.

Claims (8)

1. Detektoranordnung mit einer Vielzahl von in mindestens einer linearen Zeile auf einer Trägerplatte angeordneten Strahlungs-Detektorelementen, wobei die Anordnung in Zeilenrichtung in mehrere Submodule unterteilt ist, die jeweils eine Mehrzahl von Detektorelementen auf einem Detektor-Substrat enthalten, und wobei in Zeilenrichtung aufeinanderfolgende Detektor-Substrate alternierend in unterschiedlichen Abständen von der Trägerplatte angeordnet sind und in ihren Randbereichen überlappen, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen zwei gleich angeordneten Substraten eine transparente Platte eingefügt ist.

2. Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Platte aus einem Material besteht mit dem gleichen oder einem ähnlichen Brechungsindex wie das Material der Detektorsubstrate.

3. Detektoranordnung mit einer Vielzahl von in mindestens einer linearen Zeile auf einer Trägerplatte angeordneten Strahlungs-Detektorelementen, wobei die Anordnung in Zeilenrichtung in mehrere Submodule unterteilt ist, die jeweils eine Mehrzahl von Detektorelementen auf einem Detektor-Substrat enthalten, und wobei in Zeilenrichtung aufeinanderfolgende Detektor-Substrate alternierend in unterschiedlichen Abständen von der Trägerplatte angeordnet sind und in ihren Randbereichen überlappen, gekennzeichnet durch eine alle Submodule überdeckende transparente Platte, die als optisches Korrekturelement strukturiert ist.

4. Detektoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Korrekturelement auch eine durch die Überlappung der Submodule in den Randbereichen bewirkte Inhomogenität ausgleicht.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein in Zeilenrichtung durchgehend einheitliches Rastermaß der Detektorelemente.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Zeilenrichtung aufeinanderfolgende Substrate alternierend für Vorderseiten­ beleuchtung und für Rückenseitenbeleuchtung ausgeführt sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass alle Submodule für Rückseitenbeleuchtung ausgeführt sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes zweite Submodul unter Einfügung eines Zwischensubstrats auf der Trägerplatte angeordnet ist.