DE19914701B4

DE19914701B4 - Verfahren zur Herstellung eines Festkörperbilddetektors sowie Festkörperbilddetektor

Info

Publication number: DE19914701B4
Application number: DE19914701A
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Phys. Dr. Spahn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2019-04-01
Also published as: US6429414B1; DE19914701A1; JP2000338253A; JP4812155B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Festkörperbilddetektors, umfassend eine aus mehreren nebeneinander angeordneten Panels bestehende, mit einer Passivierungsschicht belegte Pixelmatrix aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus amorphem Silizium und eine Szintillatorschicht zum Konvertieren von auf die Szintillatorschicht einfallender Strahlung in von der Pixelmatrix verarbeitbare Strahlung, bei dem auf die Passivierungsschicht eine für die von der Szintillatorschicht emittierte Strahlung transparente Schicht aufgebracht wird, wonach die Szintillatorschicht auf die Schicht aufgedampft wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperbilddetektors, umfassend eine aus mehreren nebeneinander angeordneten Teildetektoren, sogenannte Panels bestehende, mit einer Passivierungsschicht belegte Pixelmatrix aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus amorphem Silizium, und eine Szintillatorschicht zum Konvertieren von auf die Szintillatorschicht einfallender Strahlung in von der Pixelmatrix verarbeitbare Strahlung.
Bekannte derartige Festkörperbilddetektoren basieren auf einer aktiven Auslesematrix in Form der Pixelmatrix aus einem Halbleitermaterial, z.B. aus amorphem Silizium (a-Si). Die Bildinformation wird in einem Röntgenkonverter, einer sogenannten Szintillatorschicht (z.B. aus Cäsiumjodid (CsI)) in eine Strahlung gewandelt, die von der Pixelmatrix verarbeitbar ist. In den aktiven Pixeln der Pixelmatrix wird die Bildinformation als elektrische Ladung gespeichert und anschließend mit einer dedizierten Elektronik ausgelesen und analog-digital gewandelt. Röntgenquanten werden in der Szintillatorschicht in Strahlung, im Falle des Cäsiumjodids in Licht gewandelt und anschließend zu den Fotodioden umfassenden Pixeln des amorphen Siliziums transportiert. Dieser optische Prozess muss optimiert sein, um eine gute Bildqualität zu erreichen. Wesentlich entscheidend ist dabei die Ankopplung der Szintillatorschicht an die Pixelmatrix, da eine schlechte Ankopplung die wichtigsten bildqualitätsrelevanten Parameter negativ beeinflusst. Diese Parameter sind die Auflösung, die – im Frequenzraum – durch die MTF (Modulations-Transfer Funktion) quantifiziert wird, und das frequenzabhängige Signal-zu-Rausch-Übertragungsvermögen, das durch DQE (Detective Quanten Effizienz) beschrieben wird. Um für diese Parameter gute Werte zu erhalten ist es wesentlich, das erzeugte Signal, al so die vom Szintillator erzeugte Strahlung ohne nennenswerte Schwächung (durch Verlust- und Streuprozesse) und ohne wesentliche Aufweichung der Ortsinformation (durch Streuung oder Brechung) auf die Pixelmatrix zu bringen.
Die beste bekannte Methode zur Erhaltung von Signal und Ortsinformation ist die direkte Bedampfung der Pixelmatrix bzw. der auf dieser ausgebildeten Passivierungsschicht mit der Szintillatorschicht. Dies ist – unter Einhaltung von gewissen Temperaturrandbedingungen – für Festkörperdetektoren bestehend aus einem einzelnen Panel möglich. Probleme ergeben sich jedoch bei großflächigen Detektoren, die aus mehreren Teildetektoren, die nebeneinander angeordnet sind bestehen. An den Stoßkanten dieser Teildetektoren entstehen stets mikroskopisch kleine Gräben, die das Kristallwachstum der Szintillatorschicht stark stören und ein gleichmäßiges Wachstum verhindern. Im umgebenden Bereich dieser Stoßkanten kann keine befriedigende Signalübertragung und damit Bildqualität erreicht werden. Eine direkte Bedampfung solcher großflächiger Festkörperbilddetektoren ist bisher nicht möglich.
Um aber dennoch auf eine derart großflächige Pixelmatrix den Szintillator aufbringen zu können, behilft man sich damit, dass die Szintillatorschicht zunächst auf ein Substrat, in der Regel eine dünne Aluminiumfolie aufgedampft und anschließend mit der Szintillatorschicht zur Pixelmatrix weisend auf die Teildetektoren des Festkörperbilddetektors geklebt wird. Durch diese Klebung werden jedoch die optischen Ankopplungseigenschaften erheblich beeinträchtigt, sodass sowohl MTF als auch DQE, insbesondere bei höheren Ortsfrequenzen schlechter sind als beim direkten Prozess.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches die Herstellung eines großflächigen Festkörperbilddetektors mit verbesserter optischer Ankopplung der Szintillatorschicht ermöglicht.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass auf die Passivierungsschicht eine für die von der Szintillatorschicht emittierte Strahlung transparente Schicht aufgebracht wird, wonach die Szintillatorschicht auf die Schicht aufgedampft wird.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird auf die Passivierungsschicht (z.B. Siliziumnitrid) der aus mehreren nebeneinander angeordneten Teildetektoren bestehenden Pixelmatrix zunächst eine strahlungstransparente Schicht aufgebracht, was dazu führt, dass eine ebene Fläche auch im Bereich der Stoßnähte der Panelkanten geschaffen wird. Dies ermöglicht es, das Szintillatormaterial direkt auf diese Schicht aufzudampfen und eine homogene Szintillatorschicht auch im Bereich der Stoßnähte der Teildetektoren aufwachsen zu lassen. Da die strahlungstransparente Schicht unmittelbar auf der Passivierungsschicht der Pixelmatrix aufgebracht ist, und da die Szintillatorschicht unmittelbar auf dieser Schicht aufgebracht ist, ergibt sich somit eine sehr gute optische Ankopplung.
Zur weiteren Verbesserung der optischen Ankopplung kann erfindungsgemäß eine Schicht verwendet werden, deren Brechungsindex im wesentlichen mittig zwischen dem Brechungsindex der Szintillatorschicht und der Passivierungsschicht bzw. des Halbleitermaterials liegt. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Brechung beim Einkoppeln der von der Szintillatorschicht erzeugten Strahlung in die hierfür strahlentransparente Schicht sowie beim Einkoppeln der diese durchdringenden Strahlung in die Passivierungsschicht bzw. das Halbleitermaterial auftretende Brechung möglichst gering gehalten wird.
Gemäß einer ersten Erfindungsausgestaltung kann als Schicht eine Folie verwendet werden, die entweder auf die Passivierungsschicht aufgeklebt oder aber adhäsiv befestigt wird. Dabei kann ein Kleber verwendet werden, dessen Brechungsindex zwischen dem Brechungsindex der Folie und der Passivierungsschicht bzw. des Halbleitermaterials liegt. Da auch die Kleberschicht eine gewisse Dicke aufweist kann durch entsprechende Wahl des Brechungsindex derselben eine weitere Verbesserung der Strahlungsführung im Hinblick auf die Brechung erreicht werden. Schließlich kann auch eine Folie bestehend aus mehreren verschiedene Brechensindices aufweisenden Folienschichten verwendet werden.
Die Dicke der Folie sollte möglichst gering sein und im Bereich weniger μm liegen. Da unmittelbar auf die Folie aufgedampft wird, diese also den beim Aufdampfen herrschenden Temperaturen ausgesetzt ist, sollte sie bis wenigstens 180°C, insbesondere bis wenigsten 250°C temperaturstabil sein.
Eine zur Ausbildung der Schicht mittels einer Folie alternative Erfindungsausführung sieht dem gegenüber vor, dass die Schicht durch Aufgießen eines viskosen Schichtmaterials und anschließendes Aushärten desselben gebildet. wird. Die Teildetektoren werden quasi oberseitig vergossen, wodurch eine sehr ebene Oberflächenschicht (auf welche dann das Szintillatormaterial aufgedampft werden kann) erhalten wird. Als Schichtmaterial kann ein Kleber verwendet werden, wobei auch hier die Dicke der Schicht wenige μm betragen sollte. Das verwendete Schichtmaterial sollte im ausgehärteten Zustand bis wenigstens 180°C, insbesondere bis wenigstens 250°C stabil sein.
Insbesondere im Falle der Verwendung einer Folie hat es sich aus Stabilitätsgründen als zweckmäßig erwiesen, wenn vor dem Aufbringen der Schicht die Stoßnähte der nebeneinander angeordneten Teildetektoren, die auf einem Glassubstrat angeordnet sind, zumindest teilweise mit einem Füllmaterial gefüllt werden. Im Falle des Aufgießens der Schicht werden die Stoß nähte ohnehin mit dem Schichtmaterial verfüllt, sodass sich hierdurch eine hinreichende Stabilität ergibt.
Um jedoch zu vermeiden, dass über die Stossnähte seitlich Strahlung in das Halbleitermaterial und damit in die randseitigen Pixel eingekoppelt wird, sollte das Füllmaterial für die von der Szintillatorschicht emittierte Strahlung nicht transparent sein. Auch hierfür eignet sich ein Kleber. Dieses Füllmaterial, insbesondere der Kleber wird sowohl im Falle der Verwendung einer Folie als auch im Falle der Ausbildung einer Gießschicht vorher in die Stoßnähte eingeführt, wonach erst die Folie aufgebracht oder aber das Schichtmaterial aufgegossen wird. Die Stoßnähte sollten dabei möglichst vollständig mit dem nicht strahlungstransparenten Material gefüllt werden. Hierdurch kann ein unbeabsichtigtes, zu einer Informationsverfälschung im Kantenbereich führendes Einkoppeln von vom Szintillator emittierter Strahlung vermieden werden.
Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung ferner einen Festkörperbilddetektor, umfassend eine aus mehreren nebeneinander angeordneten Teildetektoren bestehende, mit einer Passivierungsschicht belegte Pixelmatrix aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus amorphem Silizium, und eine Szintillatorschicht zum Konvertieren von auf die Szintillatorschicht einfallender Strahlung in von der Pixelmatrix verarbeitbare Strahlung. Dieser Festkörperbilddetektor zeichnet sich dadurch aus, dass auf die Passivierungsschicht eine diese bedeckende Schicht aufgebracht ist, auf welcher die Szintillatorschicht aufgebracht ist.
Weitere zweckmäßige Erfindungsausgestaltungen sind den abhängigen Unteransprüchen zu entnehmen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines aus mehreren einzelnen Panels bestehenden Festkörperbilddetektors,
2 eine Schnittansicht in Form einer Prinzipskizze durch den Festkörperbilddetektor mit einer Schicht in Form einer Folie,
3 eine Ansicht entsprechend 2 mit einer durch Aufgießen erzeugten Schicht und
4 eine Schnittansicht durch einen Festkörperbilddetektor zur Darstellung der sich aus einem direkten Aufdampfen der Szintillatorschicht ohne Einbringen der erfindungsgemäßen Schicht ergebenden Konfiguration.
1 zeigt in Form einer Pririzipdarstellung einen erfindungsgemäßen Festkörperbilddetektor 1 bestehend aus vier separaten Teildetektoren, sogenannten Panels 2 aus einem Halbleitermaterial, die jeweils eine Pixelmatrix bestehend aus einer Vielzahl einzelner Pixel 3 aufweisen. Die Panels 2 sind unter Bildung von Stoßnähten 4 nebeneinander geordnet. Die Stoßnähte 4 sind einige μm breit, ihre Breite hängt im wesentlichen von der Kantenqualität der aneinander gegenüberstehenden Panelkanten ab. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich Nahtbreiten im Bereich von 20–80 μm, mitunter aber auch mehr ergeben. Die in 1 gezeigten Panels 2 sind mit ihrer Unterseite auf einem gemeinsamen Substrat in Form eines Glasträgers angeordnet. Auf die aktive Bildfläche, gebildet von den Pixeln 3, ist eine nicht näher gezeigte Passivierungsschicht 5 aufgebracht, z.B. aus Siliziumnitrid. Auf diese Passivierungsschicht wiederum wird, wie wir nachfolgend noch beschreiben die Szintillatorschicht aufgebracht. In 1 gezeigt sind ferner noch die Zeilentreiber 6 sowie die Auslesechips 7 der Ansteuer- und Ausleseelektronik.
Wie beschrieben ist auf die in 1 gezeigte Panelanordnung eine Szintillatorschicht aufzubringen. Die sich aus den vorhandenen Stoßnähten ergebenden Probleme bei einer direkten Bedampfung der nebeneinander angeordneten Panels zeigt 4. Zwischen den beiden Panels 2 auf dem Substrat 8 befindet sich die Stoßnaht 4. Wie 4 deutlich zeigt ergibt sich beim Aufwachsen der Szintillatorschicht 9, die im vorliegenden Fall aus nadelförmigen Cäsiumjodid-Kristallen 10 besteht, auf die Passivierungsschicht ein gestörtes Kristallwachstum. Dies führt zu einer in Bereich der Stoßnaht unbefriedigenden Bildqualität.
2 zeigt einen Schnitt durch einen Festkörperbilddetektor 11. Bei diesem ist die Stoßnaht 12 zwischen den beiden Panels 13 mittels eines Füllmaterials 14 z.B. in Form eines Klebers aufgefüllt. Das Füllmaterial 14 ist für die vom Szintillator 15 emittierte Strahlung nicht transparent, sodass ein seitliches Einkoppeln von Strahlung in die Randbereiche der Panels 13 vermieden wird. Auf die Passivierungsschicht 16, die die Pixelmatrizen 17 der Panels 13 bedeckt, ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Schicht 18 in Form einer für die von der Szintillatorschicht 15 emittierte Strahlung transparente Folie 19 aufgebracht. Die Folie 19 überdeckt sowohl die Passivierungsschicht 16 als auch die Stoßnaht 12 und bildet eine ebene Fläche, auf die die Szintillatorschicht 15 unmittelbar aufgedampft ist. Die Befestigung der Folie 19 erfolgt mittels einer Kleberschicht 20. Der Brechungsindex der Folie 19, gegebenenfalls auch der Brechungsindex der Kleberschicht 20 sind zur Optimierung der Strahlungsführung von der Szintillatorschicht 15 hin zu den Pixelmatrizen 17 entsprechend den Brechungsindices der Szintillatorschicht 15 sowie der Passivierungsschicht 16 und gegebenenfalls des Halbleitermaterials der Panels 13 gewählt. Alternativ zum Befestigen der Folie 19 mittels der Kleberschicht 20 ist es auch möglich, die Folie adhäsiv zu befestigen.
Eine weitere Erfindungsausführung zeigt 3. Bei der dort gezeigten Schnittansicht eines Festkörperbilddetektors 21 ist die Schicht 22 durch Aufgießen eines viskosen Schichtmaterials auf die Panels 23 und anschließendes Aushärten des Schichtmaterials, bei dem bevorzugt ein Kleber verwendet wird, gebildet. Die Schicht 22 bedeckt homogen die Passivierungsschichten 24 der Panels 23, ferner füllt sie die auch hier mit einem nicht transparenten Füllmaterial 25 gefüllte Stoßnaht 26 auf. Auch hier bildet sich eine ebene Oberfläche aus, auf die die Szintillatorschicht 27 aufgedampft werden kann.
Die Dicken der Schichten 18 und 22 betragen wenige μm. Sie sind resistent gegen die vom Szintillator emittierte Strahlung und hinsichtlich der während des Aufdampfens herrschenden Temperaturen stabil. Die in 2 gezeigte Folie kann weiterhin aus mehreren aufeinander angeordneten Folienschichten bestehen, wobei jede Schicht einen anderen Brechungsindex aufweisen kann, um hierdurch eine Verbesserung der optischen Ankopplung zu erzielen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Festkörperbilddetektors, umfassend eine aus mehreren nebeneinander angeordneten Panels bestehende, mit einer Passivierungsschicht belegte Pixelmatrix aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus amorphem Silizium und eine Szintillatorschicht zum Konvertieren von auf die Szintillatorschicht einfallender Strahlung in von der Pixelmatrix verarbeitbare Strahlung, bei dem auf die Passivierungsschicht eine für die von der Szintillatorschicht emittierte Strahlung transparente Schicht aufgebracht wird, wonach die Szintillatorschicht auf die Schicht aufgedampft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht verwendet wird, deren Brechungsindex im wesentlichen mittig zwischen dem Brechungsindex der Szintillatorschicht und der Passivierungsschicht und/oder des Halbleitermaterials liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Schicht eine Folie verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie auf die Passivierungsschicht aufgeklebt oder adhäsiv befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kleber verwendet wird, dessen Brechungsindex zwischen dem Brechungsindex der Folie und der Passivierungsschicht bzw. des Halbleitermaterials liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie bestehend aus mehreren verschiedene Brechungsindices aufweisenden Folienschichten verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie mit einer Dicke von wenigen μm verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine bis wenigstens 180°C, insbesondere bis wenigstens 250°C stabile Folie verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht durch Aufgießen eines viskosen Schichtmaterials und anschließendes Aushärten desselben gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Schichtmaterial ein Kleber verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht mit einer Dicke von wenigen μm ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtmaterial verwendet wird, das im ausgehärteten Zustand bis wenigstens 180°C, insbesondere bis wenigstens 250°C stabil ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Schicht die Stoßnähte der nebeneinander angeordneten Panels zumindest teilweise mit einem Füllmaterial gefüllt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllmaterial ein für die von der Szintillatorschicht emittierte Strahlung nicht transparentes Material verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllmaterial ein Kleber verwendet wird.
Festkörperbilddetektor, umfassend eine aus mehreren nebeneinander angeordneten Panels bestehende, mit einer Passivierungsschicht belegte Pixelmatrix aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus amorphem Silizium und eine Szintillatorschicht zum Konvertieren von auf die Szintillatorschicht einfallender Strahlung in von der Pixelmatrix verarbeitbare Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Passivierungsschicht (16, 24) eine diese bedeckende Schicht (18, 22) aufgebracht ist, auf welche die Szintillatorschicht (15, 27) aufgebracht ist.
Festkörperbilddetektor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex der Schicht (18, 22) im wesentlichen mittig zwischen dem Brechungsindex der Szintillatorschicht (15, 27) und der Passivierungsschicht (16, 24) und/oder gegebenenfalls des Halbleitermaterials liegt.
Festkörperbilddetektor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (18) eine Folie (19) ist, die auf die Pixelmatrix (17) aufgeklebt oder adhäsiv befestigt ist.
Festkörperbilddetektor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex des Klebers zwischen dem Brechungsindex der Folie (19) und der Passivierungsschicht (16, 24) und/oder gegebenenfalls des Halbleitermaterials liegt.
Festkörperbilddetektor nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie aus mehreren verschiedene Brechungsindices aufweisenden Folienschichten besteht.