DE69123563T2

DE69123563T2 - Hochempfindliches, hochauflösendes festkörperröntgen-abbildungsgerät mit sperrschicht

Info

Publication number: DE69123563T2
Application number: DE69123563T
Authority: DE
Inventors: Jack Kingsley; Robert Kwasnick; Richard Saia; Ching-Yeu Wei
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-10-01
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 1997-07-03
Anticipated expiration: 2011-09-28
Also published as: JP3118254B2; WO1992006501A2; EP0503062B1; EP0503062A1; DE69123563D1; WO1992006501A3; JPH05502764A; US5187369A

Description

Das Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Strahlungsbildgebung und insbesondere das Gebiet der Festkörper- Röntgenstrahlbildgeber, die ein optisch mit einem Fotodetektor-Array gekoppeltes Szintillator-Array enthalten.

Hintergrund der Erfindung

Derzeit steht eine Vielfalt von Verfahren zur Gewinnung von Röntgenbildern zur Verfügung. Eine übliche Technik verwendet einen Röntgenstrahlen absorbierenden Leuchtstoff- bzw. Phosphorschirm, der optische Strahlung emittiert, welche ihrerseits einen benachbart zum Phosphorschirm gehaltenen fotografischen Film belichtet. Diese Technik bietet den Vorteil einer hohen Auflösung, sie ist jedoch wegen der Notwendigkeit der Entwicklung des fotografischen Films, um ein sichtbares Röntgenbild zu erhalten, nicht zweckmäßig.
Ein anderes Bildgebungsgerät ist die Röntgenbildverstärkerröhre Bei diesem Gerät werden Röntgenstrahlen von einem fluoreszierenden Schirm absorbiert, der Photonen emittiert, welche ihrerseits in einer Schicht aus Photoelektronen emittierenden Material absorbiert werden. Dieses Material emittiert Elektronen, die dann beschleunigt und auf einem Phosphorschirm fokussiert werden, um ein sichtbares Bild mit höherer Intensität zu erzeugen. Obwohl dieses System in Echtzeit arbeitet, leidet es unter dem Nachteil, daß es Bilder mit relativ geringer Auflösung erzeugt, und zwar als Ergebnis von optischer Streuung, einer unvollkommenen Elektronenoptik, eines Schärfeverlustes in der Optik, welche den Bildverstärker mit der Kamera verbindet, sowie aufgrund anderer Effekte. Zusätzlich ist es sperrig, zerbrechlich, teuer und erfordert Hochspannung zum Betrieb.
Das US-Patent 4,011,454 für Lubowski et al, ausgegeben am 8. März 1977 und mit dem Titel "Structured X-Ray Phosphor Screen" welches Patent auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung lautet und hier durch Bezugnahme für Zwecke der Darstellung des Hintergrunds einbezogen wird, beschreibt einen modifizierten Röntgenbildverstärker, der durch den Einsatz eines strukturierten Szintillatormaterials für den floureszierenden Schirm eine erhöhte Auflösung liefert. Dieser strukturierte Szintillatorschirm wird mittels eines Vakuumaufdampfverfahrens erzeugt, bei dem CsI von einem Quellenschiffchen (source boat) verdampft und zur Erzeugung säulenförmiger Szintillator-Elemente auf einer topografisch strukturierten Oberfläche abgeschieden wird. Während des Abscheidens wird die strukturierte Oberfläche auf einer Temperatur im Bereich von 50ºC bis 150ºC gehalten. Der Szintillator wird dann bei 450ºC bis 500ºC gebrannt, um den Szintillator zu verdichten. Der Abscheidungsschritt wird sodann wiederholt, um größere Szintillator-Elemente herzustellen. Daran schließt sich ein weiterer Brennschritt bei 450ºC bis 500ºC zum Verdichten des Szintillators an. Im Anschluß an das letzte Abscheiden wird der Szintillator bei 615ºC gebrannt.
In den letzten Jahren hat sich das Fachgebiet der elektronischen Bildverarbeitung schnell weiterentwickelt. Diese Fortschritte haben die Computertomographie(CT)- Apparate nicht nur ausführbar sondern zu sehr wertvollen medizinischen Diagnosewerkzeugen gemacht. Solche Apparate sind jedoch wesentlich größer und teurer als typische Röntgenapparate und eher geeignet zum Gewinnen von Schichtbildern durch den Körper statt eines kastenförmigen Röntgenbildes des Körpers.
Es besteht ein Bedarf für hochauflösende Röntgenbildgebungssysteme, die eine verbesserte Modulationstransferfunktion (MTF) aufweisen. Die Modulationstransferfunktion ist gleich dem Ausgangskontrast geteilt durch die Eingangsmodulation und ist eine Funktion der räumlichen Frequenz der Modulation.
Fotosensitive Abbildungsarrays auf Halbleiterbasis sind heute weithin verfügbar für den Einsatz in Fernsehkameras, Facsimilegeräten sowie für eine breite Vielfalt von anderen Anwendungen. Das im US-Patent Nr. 4,906,850 für Beerlage, ausgegeben am 6. März 1990, beschriebene Gerät ist ein Beispiel für eine radiografische Vorrichtung zur Bilddetektion unter Verwendung einer Halbleiter-Fotodetektormatrix und eines Szintillator-Arrays. Die Vorrichtung nach Beerlage beschreibt den Einsatz einer Schutzschicht aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, die über der Halbleiter-Fotodetektormatrix angeordnet ist, und zwar mit eingeschnittenen Vertiefungen zur Bildung von Stegbereichen (land portions), auf denen Szintillator-Kristalle gebildet werden.
Auch die US-A-4694177 zeigt eine Vorrichtung mit einer lichtübertragenden Schicht, die über einem Fotodetektor-Array vorgesehen ist, wobei auf der lichtübertragenden Schicht ein Szintillator-Array angebracht ist.
Vorrichtungen der von Beerlage beschriebenen Art zeigen sich in der Weise als problematisch, als daß die Bildung von gleichmäßigen Schutzschichten sowohl in der gewunschten Dicke als auch mit guten optischen Übertragungseigenschaften zur Bildung der Stegbereiche schwierig ist, wenn man Siliziumnitrid oder Siliziumoxid allein verwendet. Andere Materialien, z.B. Polyimid, lassen sich für Schutz- und/oder Isolierschichten bei einer solchen Vorrichtung benutzen, da sie gute optische Transmissionscharakteristiken aufweisen und sich leicht, selbst bei dicken Schichten, mustern lassen. Solche Polymerschichten bringen jedoch zusätzliche Probleme mit sich, als die früher abgeschiedenen Polymerschichten in einem Fotodetektor-Array aufquellen, platzen oder in anderer Weise entarten können, wenn sie den organischen Lösungsmitteln ausgesetzt werden, die notwendigerweise vorhanden sind, wenn anschließend ungehärtete Polymerschichten abgeschieden werden. Diese organischen Lösungsmittel sickern leicht durch das erwünschtermaßen dünne übliche Elektrodenmaterial, z.B. Indium-Zinnoxid, hindurch und können dabei eine strukturelle Beschädigung an einer Vorrichtung mit einer darunterliegenden Polymerschicht verursachen. Die Elektrode dicker zu machen, um solchen Lösungsmitteln zu widerstehen, ist nicht wünschenswert, weil das die optische Transparenz der Elektrode vermindert und ihren elektrischen Widerstand erhöht, wobei beide diese Änderungen die insgesamte Leistungsfähigkeit der Vorrichtung nachteilig beeinflussen.
Es besteht somit ein Bedarf für eine einfach herzustellende wirksame Vorrichtung zum Bereitstellen einer Echtzeit- Strahlungsbildgebung mit erhöhter Auflösung für Röntgenbilder des typischerweise auf einem Röntgenfilm vorgesehenen Typs sowie für ein elektronisches Ausgangssignal des Strahlungsbildes anstelle eines optischen Ausgangs, um die elektronische Bearbeitung der Bilddaten zu erleichtern.
Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Röntgenstrahlen erfassendes zweidimensionales Bildgebungs-Array mit hoher Auflösung und einem elektronischen Ausgang bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe einer Bildgebungsvorrichtung, die einfach herstellbar ist, und zwar unter Verwendung eines organischen Films, z.B. eines Polymers, um topografisch gemusterte Oberflächenmerkmale als Grundflächen zur Abstützung einzelner Szintillator-Elemente zu bilden, die zur Erzielung von Bildgebungssignalen hoher Auflösung über einem Fotodetektor-Array angebracht sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Strahlungsbildgeber geschaffen enthaltend: mehrere Fotodetektoren, die in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind, wobei jeder der Fotodetektoren eine aktive Fläche aufweist, in der Lumineszenz in ein elektrisches Signal umgewandelt wird; eine Grenzschicht, die über der aktiven Fläche von jedem der Fotodetektoren angeordnet ist, wobei die Grenzschicht für organische Lösungsmittel im wesentlichen undurchlässig ist; mehrere Szintillator-Stützinseln, wobei jede Insel einen organischen Film aufweist und auf der Grenzschicht angeordnet ist, die mit wenigstens einer aktiven Fläche von entsprechenden Fotodetektoren im wesentlichen auszurichten ist, wobei jede der Stützinseln eine erste Endfläche und zweite Endfläche aufweist, wobei die erste Endfläche an der Grenzschicht angrenzt; und ein Szintillator-Array, das mehrere einzelne Szintillator-Elemente aufweist, wobei jedes einzelne Szintillator-Element eine säulenförmige Konfiguration hat und auf entsprechenden von den Stützinseln angeordnet ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zum Erzeugen eines Strahlungsbildgebers, enthaltend: Bereitstellen eines Fotodetektor-Arrays, das aus mehreren Fotodetektoren gebildet ist, die in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind, wobei jeder der Fotodetektoren eine aktive Fläche hat, das Fotodetektor-Array topografisch gemusterte Oberflächenmerkmale mit im Abstand angeordneten, erhöhten Stützinseln aufweist, das Muster der Mitten der Stützinseln im wesentlichen das gleiche ist wie das Muster der Mitten der Fotodetektoren, die Mitten der Stützinseln im wesentlichen ausgerichtet sind mit den Mitten von entsprechenden aktiven Fotodetektor-Flächen, und Formen eines strukturierten Szintillatormaterials auf den Stützinseln, wobei das strukturierte Szintillatormaterial getrennte Szintillator-Elemente bildet, die über und im wesentlichen in Ausrichtung mit den Stützinseln angeordnet sind; wobei der Schritt der Bereitstellung eines Fotodetektor-Arrays mit topografisch gemusterten Oberflächenmerkmalen gekennzeichnet ist durch: Abscheiden einer Grenzschicht, die ein Material enthält, das gegenüber organischen Lösungsmitteln im wesentlichen undurchlässig ist, über den Fotodetektoren; Abscheiden eines organischen Films über der Grenzschicht und Mustern von wenigstens dem organischen Film, um die im Abstand angeordneten Stützinseln zu bilden. Eine schützende Abdeckung ist vorzugsweise zwischen der Stützinsel und dem Szintillator-Element angeordnet. Die Grenzschicht trennt chemisch die Stützinseln von den Fotodetektoren und weist vorzugsweise ein anorganisches dielektrisches Material auf, das im wesentlichen gegenüber organischen Lösungsmitteln undurchlässig ist, wie diese beim Herstellprozeß zur Bildung der Isolierschichten aus Polyimid eingesetzt werden. Vorteilhafterweise wird Siliziumoxid zur Bildung der Grenzschicht benutzt.
Entsprechend einer Ausführungsform ist jede Stützinselstruktur und das zugeordnete Szintillator-Element mit der aktiven Fläche eines der einzelnen Fotodetektoren des Arrays ausgerichtet. Ein Szintillator-Material, z.B. dotiertes CsI, wird auf der Stützinsel abgeschieden unter Bedingungen, die in einem Aufwachsen von Szintillatormaterial in einer strukturierten säulenförmigen Art resultieren, wobei ein getrenntes Element des strukturierten Szintillatormaterials auf jeder der Stützinseln aufwächst. Die Prozesse beim Bilden der Bildgebungsvorrichtung setzen die Vorrichtung keinen Temperaturen über 250ºC hinaus aus.
Um ein Ansprechen bei räumlichen Frequenzen bis hin zu fünf Zeilenpaaren pro Millimeter zu bieten, sind die Stützinseln vorzugsweise 60 bis 90 Mikrometer breit und auf Mitten von 100 Mikrometern angeordnet. Die Szintillator-Elemente weisen vorzugsweise eine Höhe von etwa 150 bis 450 Mikrometer auf, um ein ausreichendes Röntgenstrahl-Bremsvermögen bei geringen Röntgendosen wirksam werden zu lassen.
Die Lücken zwischen den Szintillator-Elementen, welche diese voneinander beabstanden, können mit einem reflektierenden Material gefüllt sein, z.B. Titandioxid, um die Wirksamkeit hinsichtlich der Lichtaufnahme zu verbessern und ein Übersprechen zwischen benachbarten Elementen zu minimieren.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun in größerem Detail im Wege eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher be schrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine stilisierte perspektivische Ansicht eines Teils eines Fotodetektor-Arrays gemäß dieser Erfindung;
Figur 2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A eines Teils der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung;
Figur 3 eine Querschnittsansicht der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung während eines Schritts des Herstellungsprozesses gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Figur 4 eine Querschnittsansicht einer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebauten Vorrichtung;
Figur 5 eine stilisierte perspektivische Ansicht eines Teils einer Strahlungsbildgebungsvorrichtung, die entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.

Detaillierte Beschreibung

In Figur 1 ist in einer stilisierten perspektivischen Ansicht ein kleiner Teil aus einem Fotodetektor-Array 5 einer Strahlungsbildgebervorrichtung dargestellt. Das Fotodetektor-Array 5 weist mehrere separate Fotodetektoren 50 auf, die in Durchsicht skizziert sind. Dieses Fotodetektor- Array kann vorzugsweise eines von dem allgemeinen Typ sein, der in einer Matrix (Array) von Zeilen und Spalten angeordnete Dünnfilmtransistoren mit darüber angeordneten Fotodioden aufweist. Die Dünnfilmtransistoren steuern das Auslesen von Ladung von den Fotodioden, indem man die Gate-Elektroden der Dünnfilmtransistoren entlang jeder Zeile parallel schaltet und indem man die Source- oder Ausgangselektrode der Dünnfilmtansistoren entlang jeder Spalte verbindet. Ein solches Fotodetektor-Array kann typischerweise eine Größe von 20cm x 20cm bis 40cm x 40cm und einen Mittenabstand einzelner Pixel von 100 bis 200 Mikrometer aufweisen. Die gesamte Anzahl von Fotodetektoren kann daher in einer zusammengefügten Bildgebervorrichtung von etwa 1 Million bis etwa 17 Millionen oder mehr reichen.
Figur 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in Figur 1 durch einen repräsentativen Teil des Fotodetektor-Arrays 5 mit einem Fotodetektor 50. Wie in Figur 2 dargestellt, ist das Fotodetektor-Array auf einem Substrat 10 angeordnet, das typischerweise von einem Gate-Dielektrikumsfilm 15 bedeckt ist. Bei dem Fotodetektor 50 handelt es sich vorzugsweise um eine Silizium-Fotodiode, wie nachfolgend im gößeren Detail beschrieben wird; der Fotodetektor 50 kann alternativ andere bekannte Festkörper-Fotodetektoren aufweisen. Eine Fotodiode aus amorphem Silizium enthält in typischen Fällen für den Bodenkontakt eine Metallisierungsschicht 30, die so über einer dielektrischen Schicht 15 angeordnet ist, daß sie eine Basis bildet, auf der die übrigen Komponenten hergestellt werden können. Ebenfalls angeordnet auf der dielektrischen Schicht 15 und im Abstand von der Kontaktmetallisierungsschicht 30 sind Datenleitungen 20 angeordnet und werden typischerweise benutzt, um die Source (oder Drain) der (nicht gezeigten) Dünnfilmtransistoren zu verbinden, die das Auslesen aus den Fotodetektoren 50 in den Spalten des Arrays steuern. Die Datenleitungen 20 sowie die Randbereiche der Kontaktmetallisierungsschicht 30 werden typischerweise von der dielektrischen Überzugsschicht 25 der Dünnfilmtransistoren (TFT thin film transistors) bedeckt, welche Schicht als Teil der Herstellung der Dünnfilmtransistoren im wesentlichen über das gesamte Substrat abgeschieden wird. Vorteilhafterweise enthält das Substrat 10 Glas oder ähnliche Substratmaterialien, wie sie auf dem Fachgebiet bekannt sind, und der Gate-Dielektrikumsfilm 15 enthält vorteilhafterweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder ähnliche dielektrische Materialien. Die Kontaktmetallisierungsschicht 30 enthält vorteilhafterweise Molybdän oder einen ähnlichen Leiter, der eine gute Haftung auf der dielektrischen Schicht 15 aufweist; die dielektrische TFT-Überzugsschicht 25 enthält typischerweise ähnliche Materialien wie die Gate-Dielektrikumsschicht 15.
Der Fotodetektor 50 weist in typischen Fällen eine Schicht aus fotoempfindlichem Material 54 auf, die hydriertes amorphes Silizium oder dergleichen enthält und über sowie in ohmschen Kontakt mit der Kontaktmetallisierungsschicht 30 angeordnet ist. Die dielektrische Schicht 60 des Fotodetektors ist über der dielektrischen TFT-Überzugsschicht 25 und über den Randbereichen 54A, 54B der Schicht 54 aus fotoempfindlichen Material angeordnet. Die dielektrische Schicht 60 des Fotodetektors weist vorzugsweise eine Dicke auf, die so ausgewählt ist, daß sie die Kapazität zwischen den Signal- oder Datenleitungen und der Elektrode vermindert, die über dem zusammengesetzten Bildgeber liegt. Es ist wünschenswert, daß die Dicke der dielektrischen Schicht 60 des Fotodetektors zwischen etwa 1,0 und 2,0 Mikrometer liegt und einigermaßen gleichmäßig über allen topografischen Merkmalen zwischen den Fotodetektoren in dem Array ist, so daß sie eine annehmbar glatte abgeschrägte obere Oberfläche aufweist, nachdem sie über dem Array abgeschieden worden ist. Die dielektrische Schicht 60 für den Fotodetektor weist vorteilhafterweise einen organischen dielektrischen Film auf, z.B. Polyimid, der leicht aufgebracht wird, eine im wesentlichen gleichmäßige Struktur in solch einer relativ dicken Schicht bereitstellt und gute dielektrische Eigenschaften zeigt.
Über der dielektrischen Schicht 60 des Fotodetektors ist eine gemeinsame Elektrode 70 angeordnet und steht in ohmschen Kontakt mit dem Teil der Schicht 54 aus fotoempfindlichen Material, der nicht von der dielektrischen Schicht 60 des Fotodetektors bedeckt ist. Die gemeinsame Elektrode 70 weist vorteilhafterweise ein optisch transparentes Material mit niedrigem elektrischen Widerstand auf, z.B. Indium-Zinnoxid oder dergleichen, und besitzt eine Dicke zwischen etwa 50nm und 300nm. Der Teil der gemeinsamen Elektrode 70, der über der Schicht 54 aus fotoempfindlichem Material liegt sowie das fotoempfindliche Material weisen einen aktiven Bereich 56 des Fotodetektors 50 auf, d.h. den Bereich des Fotodetektor-Arrays, auf dem einfallendes Licht vom Fotodetektor 50 detektiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann.
Eine Vorrichtung zur Strahlungsbildgebung kann vorgesehen werden, indem man optisch das Fotodetektor-Array mit einem Szintillatormaterial koppelt, das leuchtet, wenn es einfallende Strahlung, wie z.B. Röntgenstrahlen, absorbiert. Die Vorrichtung wandelt somit die von dem Szintillatormaterial emittierte Lumineszenz in ein elektronisches Abbildungssignal um. Obwohl ein gleichförmiger Block aus Szintillatormaterial benutzt werden könnte, würde eine solche Anordnung lediglich eine geringe Auflösung ergeben, weil die vom Szintillator auf die Absorption von Röntgenstrahlen hin emittierte Lumineszenz in Zufallsrichtungen innerhalb des Szintillators emittiert würde. Diese Emission von Lumineszenz in allen Richtungen innerhalb des Szintillators würde bewirken, daß jeder Fotodetektor auf die Lumineszenz anspräche, die in Richtung auf ihn von direkt über ihm emittiert wird als auch auf die über anderen nahegelegenen Fotodetektoren emittierte Lumineszenz in einer Emissionsrichtung, die in einer Absorbierung innerhalb des betreffenden Fotodetektors resultiert. Dies würde in einer Verschmierung des Bildes resultieren derart, daß es die Modulationstransferfunktion reduziert und deshalb eine elektronische Abbildung erzeugt, die wesentlich weniger Auflösung zeigt, als das Fotodetektor-Array selbst.
Um einen Röntgenstrahlbildgeber mit hoher Auflösung zu bilden, ist es nötig, eine Szintillator-Struktur bereitzustellen, die im wesentlichen das in der Ausrichtung mit einem der Fotodetektoren erzeugte Licht so beschränkt, daß es von diesem Fotodetektor aufgenommen wird. Um ferner ein ausreichendes Röntgenstrahl-Bremsvermögen zum Erhalt einer hohen Empfindlichkeit bereitzustellen, müssen die meisten verfügbaren Szintillatormaterialien etwa zwischen 150 bis 450 Mikrometer dick sein. Daher ist ein Verbinden (Bonden) eines derartigen einheitlichen Szintillators mit dem fotoempfindlichen Bildgeber-Array und danach der Versuch, den Szintillator zur Bildung einzelner mit dem fotoempfindlichen Bildgeber-Array ausgerichteter Elemente zu ätzen, von fragwürdiger Machbarkeit und würde übermäßig zeitaufwendig sein.
Die Verwendung eines Szintillators mit einzelnen Szintillator-Elementen, deren Struktur jede darin emittierte Lumineszenz zurückhält und auf einen damit ausgerichteten Fotodetektor in einem Array richtet, stellt die gewünschte Struktur für eine optimale Auflösung bereit, bei der die in einem bestimmten Bereich des Szintillators erzeugte Lumineszenz von dem mit diesem Bereich ausgerichteten Fotodetektor aufgenommen wird. Eine solche Struktur kann erzeugt werden, indem man einzelne Szintillator-Elemente mit reflektierenden Seitenflächen zur Ausbildung eines Szintillator-Arrays zusammenfaßt und das Szintillator-Array mit dem Fotodetektor-Array ausrichtet. Jedoch würde bei einem System mit auf 100 bis 200 Mikrometer Mittenabstand vorgesehenen Fotodetektoren und mit Millionen von Pixeln das Zusammenfügen eines solchen Arrays aus einzelnen Elementen schwierig, zeitaufwendig und derzeit nicht durchführbar sein.
Eine derartige erwünschte Strahlungsbildgebervorrichtung kann gemäß dieser Erfindung aufgebaut werden, indem man topografisch gemusterte Oberflächenmerkmale auf dem Fotodetektor-Array vorsieht, über denen die Szintillator-Elemente angeordnet werden können. Solche topografisch gemusterten Oberflächenmerkmale weisen im Abstand angeordnete erhabene Szintillator-Stützinseln 90 auf, auf denen ein strukturiertes Szintillator-Array mit den gewünschten Abmessungen aufgewachsen werden kann. Um die einzelnen Szintillator-Elemente am besten voneinander zu isolieren, hat jede Szintillator-Stützinsel vorzugsweise eine Höhe über dem Fotodetektor-Array von zwischen etwa 10 bis etwa 40 Mikrometer, haftet gut auf einem darunter liegenden Material, auf dem es angeordnet ist, weist relativ vertikale Seitenwände auf und ist in der Lage, ohne nachteilige Beeinflussung anderer Strukturen in der Strahlungsbildgebungsvorrichtung ausgebildet zu werden. Organische Schichten, z.B. Polymere und insbesondere Polyimide, werden vorteilhafterweise bei der Bildung der Stützinseln verwendet, da sie leicht in der gewünschten Dicke abgeschieden werden, relativ leicht zur Bildung der gewünschten Inselstruktur gemustert werden können und während der Herstellung und der Benutzung der Strahlungsgebervorrichtung eine gute strukturelle Stabilität aufweisen. Das Aufbringen einer anschließenden Polyimidschicht auf eine bereits Polyimid in ihrer Struktur enthaltenden Vorrichtung kann Probleme mit sich bringen, wenn die in der ungehärteten nachfolgend aufgebrachten Schicht enthaltenen organischen Lösungsmittel mit der darunterliegenden Polyimidstruktur in Kontakt kommen. Somit kann das Aufbringen einer zusätzlichen Polyimidschicht über dem Fotodetektor-Array (vgl. Figur 1), wie oben beschrieben, die strukturelle Integrität der dielektrischen Schicht 60 des Fotodetektors insofern nachteilig beeinflussen, als daß die in der ungehärteten anschließend aufgebrachten Polyimidschicht befindlichen Lösungsmittel durch die gemeinsame Elektrodenschicht 70 in die darunter liegende Poyimidschicht durchsickern und bewirken kann, daß sie reißt, aufquillt, sich auflöst, die Haftung verliert oder in anderer Weise in ihrer strukturellen Integrität entartet.
Gemäß dieser Erfindung ist eine Grenzschicht 80 über der gemeinsamen Elektrode 70 angeordnet, wie in Figur 3 gezeigt ist. Die Grenzschicht 80 trennt auf chemischem Wege die darunterliegenden Fotodetektoren von den Stützinselstrukturen insofern, als während des Herstellprozesses die Grenzschicht im wesentlichen eine chemische Wechselwirkung zwischen den bei der Bildung der Inselstrukturen und der darunterliegenden Fotodetektor-Arraystruktur verhindert. Die Grenzschicht weist ein Material auf, das im wesentlichen undurchlässig für organische Lösungsmittel ist, z.B. ein anorganisches dielektrisches Material wie Siliziumoxid oder dergleichen. Die Grenzschicht 80 ist vorteilhafterweise im wesentlichen optisch transparent, um die optische Transmission der Lumineszenz vom Szintillatormaterial durch die Stützinselstruktur zum Fotodetektor-Array zu optimieren. Ferner enthält die Grenzschicht 80 vorzugsweise ein Material, das sich bei relativ niedrigen Temperaturen, z.B. bei ungefähr 250ºC oder weniger, abscheiden läßt, und das seine strukturelle Integrität beibehält, d.h. es dehnt sich nicht nennenswert aus, platzt nicht, verliert nicht die Haftung oder entartet nicht auf andere Weise, wenn es Temperaturen von etwa 250ºC ausgesetzt wird. Die Temperatur von etwa 250ºC wird gewählt, weil die Fotodetektoren in dem Array beschädigt werden können, wenn sie höheren Temperaturen als den beim Herstellprozeß des Szintillators ausgesetzt werden. Zusätzlich ist es vorzuziehen, jedoch nicht nötig für die Ausführung dieser Erfindung, daß die Grenzschicht ein Material aufweist, das ein selektives Ätzen hinsichtlich des Materials der Stützinseln sowie des Materials der gemeinsamen Elektrode aufweist, d.h. die Stützinsel kann mit einem gegebenen Ätzmittel hinunter bis auf - jedoch nicht notwendigerweise durch - die Grenzschicht geätzt werden, und die Grenzschicht kann mit einem gegebenen Ätzmittel hinunter bis auf - jedoch nicht durch - die gemeinsame Elektrode geätzt werden. Die Grenzschicht dient ebenfalls zum Schutz der relativ dünnen gemeinsamen Elektrode während des Musterns der viel dickeren Polyimidschicht zur Bildung der Stützinseln, weil das Ätzen der Polyimidschicht notwendigerweise etwas Überätzen erfordert, selbst wenn die Schicht eine Gleichmäßigkeit in ihrer Dicke (z.B. 5%) besitzt, um sicherzustellen, daß eine ausreichende Menge des Polyimidmaterials in den Bereichen entfernt wird, wo sie am dicksten ist. Selbst ein sorgfältiges Ätzen der Polyimidschicht kann darin resultieren, daß bis zu etwa 30 nm des Indium-Zinnoxids in einigen Bereichen der gemeinsamen Elektrode abgetragen wird.
Die Grenzschicht 80 weist vorzugsweise eine Dicke zwischen etwa 100 und 1500 nm auf und wird durch chemischen Niederschlag aus der Dampfphase (chemical vapor deposition) oder ähnliche bekannte Verfahren abgeschieden. Wenn beispielsweise die Grenzschicht mit einer Dicke von etwa 500 nm bis 750 nm in einem plasmaverstärkten chemischen Niederschlagsprozeß aus der Dampfphase bei etwa 250ºC abgeschieden wurde, bei dem Tetraethoxysilicat (TEOS) als Siliziumquelle verwendet wird, ist die Grenzschicht 80 im wesentlichen undurchlässig für organische Lösungsmittel.
Über der Grenzschicht 80 wird eine Polyimidschicht 92 (vgl.Figur 3) angeordnet. Die Polyimidschicht 92 wird vorzugsweise aufgebracht durch Aufsprühen oder Auf schleudern (spinning) eines Polyimidvorläufers (precursor), z.B. Dupont Serie 2500 oder Ciba-Geigy Serie 200 Polyimid, welcher dann gehärtet wird, um ihn in Polyimid umzuwandeln, während er sich auf der Grenzschicht 80 befindet. Die Dicke der Polyimidschicht 92 beträgt vorzugsweise zwischen etwa 10 und Mikrometer. Als Alternative kann diese Polyimidschicht 92 gebildet werden, indem man eine vorgeformte Schicht aus Polyimid, z.B. Kapton Polyimid von E.I. du Pont de Nemours, in Kombination mit einer Klebeschicht, z.B. ULTEM Polyetherimid-Harz, der von General Electric Company erhältlich ist, verwendet und indem man den ULTEM Harz zum Auflaminieren des Kapton Polyimids auf die Grenzschicht bei einer Temperatur im Bereich von etwa 220ºC bis 250ºC benutzt, wie das von C. W. Eichelberger et al im US-Patent 4,933,042 mit dem Titel "Method for Packaging Integrated Circuit Chips Employing a Polymer Film Overlay Layer" angegeben ist.
Eine schützende Abdeckschicht 94 wird vorteilhafterweise über der Polyimidschicht 92 angeordnet, um chemische Wechselwirkungen zwischen der Polyimidschicht und dem auf den gemusterten Stützinselstrukturen aufzubringenden Szintillatormaterial zu minimieren. Die Schutzschicht 94 weist vorzugsweise ein anorganisches Dielektrikum ähnlich dem für die Grenzschicht 80 benutzten auf, z.B. Siliziumdioxid, und besitzt eine Dicke zwischen etwa 0,4 und 1,5 Mikrometer.
Die in Figur 3 dargestellte Mehrschichtstruktur wird zur Ausbildung mehrerer Inselstrukturen 90 gemustert (patterned). Im Einzelnen werden die Schutzschicht 94 sowie die Polyimidschicht 92 selektiv geätzt, um Stützinseln 90, von denen eine stellvertretend in Figur 4 dargestellt ist, über dem Fotodetektor-Array 5 angeordnet übrig zu lassen, und zwar in Positionen, die im wesentlichen mit den aktiven Flächen 56 von jedem entsprechenden Fotodetektor ausgerichtet sind. Bekannte chemische Ätzverfahren können zum Mustern der Schutzschicht wie der Polyimidschicht eingesetzt werden, und zwar in Form von Naßätzen oder Dampfätzen oder einer Kombination daraus, was als jeweils geeignet angesehen werden mag. Als Alternative lassen sich Laserabtragsoder ähnliche Musterungsverfahren benutzen. In den Fällen, in denen der Polyimid-Vorläufer als ein Vorläufer aufgeschleudert und dann zur Bildung des Polyimids gehärtet oder behandelt wird, kann der Prozeß des Entfernens von Bereichen der Polyimidschicht zur Bildung der Stützinseln vereinfacht werden, indem man das Material vor dem völligen Härten des Polyimidvorläufers ätzt. Es wird vorgezogen, alles nicht direkt unter der Stützinsel liegende Polyimid zu entfernen, um eine Streuung der Lumineszenz von einem Element des Röntgenstrahl-Bildgeberarrays zu einem anderen Element zu minimieren. Die Grenzschicht 80 kann durch ähnliche Prozesse geätzt werden, wie oben für die Polyimidschicht beschrieben wurde. Wie in Figur 4 dargestellt ist, kann die Grenzschicht 80 von der Oberfläche der gemeinsamen Elektrode mit Ausnahme der Stellen entfernt werden, wo sie unter einer Stützinsel 90 liegt; als Alternative kann die Grenzschicht 80 im wesentlichen nach dem Mustern der Stützinseln an ihrem Platz belassen werden, solange genügende Mengen an ausgewählten Stellen entfernt werden, um das Herstellen der notwendigen elektrischen Kontakte zur gemeinsamen Elektrode 70 zu ermöglichen.
Jede Stützinsel 90 ist im wesentlichen über der aktiven Fläche eines der Fotodetektoren in dem Array ausgerichtet. Für eine rechteckige Fotodetektor-Matrix, deren Fotodetektoren auf 100 Mikrometer Mitten(abständen) angeordnet sind, sind die Stützinseln vorzugsweise 60 bis 90 Mikrometer breit, und der Abstand zwischen den Seitenwänden benachbarter Stützinseln beträgt vorzugsweise 10 bis 40 Mikrometer.
Ein gegenwärtig vorgezogenes Szintillatormaterial ist dotiertes Caesiumjodid (CsI), das mit Natrium, Thallium oder irgendeinem anderen geeigneten Dotierungsmittel dotiert sein kann. Da das Fotodetektor-Array 5 auf Temperaturen unterhalb etwa 250ºC gehalten werden muß, um eine übermäßige Verschlechterung (deterioration) zu verhindern, kann der im US-Patent 4,011,454 angegebene Prozeß nicht direkt benutzt werden. Man kann jedoch von dem Prozeß die Brennschritte bei 450ºC bis 500ºC und bei 615ºC auslassen und gleichwohl eine zufriedenstellende Szintillator-Arraystruktur erzielen.
Somit wird das Szintillatormaterial aus Caesiumjodid vorzugsweise in der nach dem oben angegebenen US-Patent 4,011,454 von Lubowski et al vorgeschlagenen Weise aufgewachsen, während man die Brennschritte ausläßt, so daß das Fotodetektor-Array im gesamten Prozeß bei Temperaturen etwa unterhalb 250ºC gehalten wird. Dieses Aufwachsen wird erreicht, indem man das Fotodetektor-Array mit den zur Steuerung des Aufwachsmusters des CsI gemusterten Stützinseln in eine Verdampferabscheidekammer einbringt, und zwar zusammen mit einem pulverförmiges Caesiumjodid enthaltenen Bedampfungsschiffchen.
Das Fotodetektor-Array mit den zugeordneten Stützinselstrukturen wird so angeordnet, daß es das sich abscheidende Material lediglich unter relativ großen Winkeln zu seiner Flächennormalen erhält. Dies verhindert oder minimiert ein Abscheiden des CsI auf anderen Bereichen des Arrays als den Stützinseln und resultiert im Aufwachsen einer Vielzahl von einzelnen Szintillator-Elementen 100 auf jeder von entsprechenden Stützinseln. Dieser Effekt läßt sich erzielen mit einem Leitblech oder einem anderen Hindernis, das zwischen dem Bedampfungsschiffchen und dem Fotodetektor-Array angeordnet wird, und indem man die Wände der Aufdampfkammer auf erhöhten Temperaturen hält oder indem man das Fotodetektor- Array unter einem Winkel zur Transportrichtung des auftreffenden Materials anordnet. Unter diesen Bedingungen trifft das Caesiumjodid unter einem ausreichend großen Winkel zur Normalen auf dem Fotodetektor-Array auf, so daß es sich im wesentlichen ausschließlich auf den Stützinseln 90 abscheidet. Da Caesiumjodid von Natur aus dazu tendiert, in einer säulenförmigen Konfiguration aufzuwachsen, erlaubt eine genaue Prozeßsteuerung das Aufwachsen einzelner Szintillator- Elemente bis zu einer Höhe von 150 bis 450 Mikrometer oder mehr ohne ein Verschmelzen mit benachbarten Elementen. Es wurde gefunden, daß sich zufriedenstellende Szintillator- Elemente erhalten lassen, ohne die in dem Patent von Lubowski et al angegebenen Hochtemperaturschritte zu benutzen. Insbesondere wird die gesamte Struktur über den ganzen Herstellprozeß unterhalb von 250ºC gehalten. Als eine Alternative zum Aufdampfen kann beim Aufwachsen der Szintillator-Elemente Zerstäuben (sputtering) oder chemisches Abscheiden aus der Dampfphase (chemical vapor deposition) eingesetzt werden.
Nach dem Aufwachsen der strukturierten Szintillator-Elemente 100 tendiert die im allgemeinen rechteckige, mit parallelen Kanälen ausgebildete Konfiguration der einzelnen Szintillator-Elemente dazu, jegliches darin erzeugte Licht in den einzelnen Elementen einzufangen, und zwar mit dem Ergebnis, daß das darin erzeugte Licht von dem darunterliegenden Fotodetektor aufgenommen wird. Etwas Licht wird jedoch von einem einzelnen Element entkommen, indem es seine seitliche Oberfläche entsprechend nahe zur Normalen trifft, so daß es nicht total intern reflektiert wird. Ein derart entweichendes Licht kann in ein benachbartes Element eintreten und von seinem jeweiligen Fotodetektor aufgenommen werden. Ein solches Übersprechen (crosstalk) vermindert sowohl die Bildauflösung als auch den Kontrast und wird somit als unerwünscht angesehen. Das Ausmaß eines solchen Übersprechens läßt sich reduzieren, indem man die Lücken 96 (vgl. Figur 5) zwischen den einzelnen Szintillator-Elementen 100 entweder mit einem optischen Absorber oder einem optischen Reflektor (nicht dargestellt) auffüllt. Optische Reflektormaterialien enthalten Titandioxid, Magnesiumoxid und Bleioxid, die als feines Pulver eingeführt werden können. Ein vorsichtiges Rütteln der Szintillatorstruktur kann das Sich-Absetzen dieses Pulvers in den Lücken zwischen den benachbarten Szintillator-Säulen unterstützen.
Über dem oberen Ende der Caesiumjodid-Elemente wird vorzugsweise ein reflektierendes Material zum Reflektieren von Licht aufgebracht, das andernfalls von diesen Enden ausgehen würde. Diese reflektierende Schicht läßt sich entweder direkt auf das so aufgewachsene Ende der Caesiumjodid-Elemente aufbringen oder diese Elemente können, falls das vorgezogen wird, zuvor leicht poliert werden, um eine besser planare Oberfläche vorzusehen. Falls gewünscht, kann eine Schutzschicht gegen Umgebungseinflüsse, z.B. als Silikon- Vergußgel, sowie ein schützendes Röntgenfenster über dem gesamten Strahlungsbildgeber 110 abgeschieden werden, um die von außen verursachten Änderungen in der Struktur möglichst gering zu halten.
Nachdem dieser Strahlungsbildgeber nun fertiggestellt ist, kann dieses Bildgeber-Array verwendet werden zum Erfassen von Röntgenstrahlen und zu deren Umwandlung in elektronische Signale, die dann zu einem Auslesebild umgesetzt werden können, und zwar entweder direkt oder nach einer Datenreduktion, um die Bildqualität oder den Informationsinhalt zu verbessern, wie das für wünschbar angesehen werden mag. Dieses Röntgenbildgeber-Array erfordert lediglich die niedrigen für den Betrieb des Fotodetektor-Arrays benötigten Spannungen und ist stabil sowie wartungsfrei.
Dieses Array bietet den Vorteil einer hohen Auflösung aufgrund seiner kleinen Zellgröße und seiner Fähigkeit, im wesentlichen alle innerhalb jeder Zelle erzeugte Lumineszenz auf diese Zelle selbst zu beschränken. Es bietet weiterhin den Vorteil einer relativ hohen Empfindlichkeit aufgrund seiner dicken Röntgenstrahlen absorbierenden Szintillator- Elemente, die in der Lage sind, einen wesentlichen Teil der auftreffenden Röntgenstrahlen zu absorbieren.
Obwohl dotiertes CsI gegenwärtig für das Szintillatormaterial bevorzugt wird, kann auch ein anderes Szintillatormaterial, das sich in solch einem strukturierten Array vorsehen läßt, verwendet werden. Derartige strukturierte Arrays können hergestellt werden durch ein mustermäßiges Aufwachsen wie mit CsI oder durch Umwandeln eines Blocks aus Szintillatormaterial in einzelne Elemente mit geeigneten Größen und Eigenschaften unter Einsatz von Sägen, Laserabtrag, chemischem Ätzen oder anderen Techniken.

Claims

1. Strahlungsbildgeber (110) enthaltend:

mehrere Fotodetektoren (50) , die in einer zweidimensionalen Array (5), wobei jeder der Fotodetektoren (50) eine aktive Fläche (56) aufweist, in der Lumineszenz in ein elektrisches Signal umgewandelt wird;

eine Grenzschicht (80), die über der aktiven Fläche (56) von jedem der Fotodetektoren (50) angeordnet ist, wobei die Grenzschicht für organische Lösungsmittel im wesentlichen undurchlässig ist;

mehrere Szintillator-Stützinseln (90), wobei jede Insel (90) einen organischen Film aufweist und auf der Grenzschicht (90) angeordnet ist, die mit wenigstens einer aktiven Fläche (56) von entsprechenden Fotodetektoren (50) im wesentlichen auszurichten ist, wobei jede der Stützinseln (90) eine erste Endfläche und eine zweite Endfläche aufweist, wobei die erste Endfläche an der Grenzschicht angrenzt; und

eine Szintillator-Array, die mehrere einzelne Szintillator-Elemente (100) aufweist, wobei jedes einzelne Szintillator-Element (100) eine säulenförmige Konfiguration hat und auf entsprechenden von den Stützinseln (90) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner einen Schutzüberzug (94) enthaltend, der über den zweiten Endflächen der Szintillator-Stützinseln (90) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Grenzschicht (80) und der Schutzüberzug (94) jeweils ein anorganisches Dielektrikum aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Grenzschicht (80) Siliziumoxid aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Szintillator- Stützinseln (90) jeweils ein Polymer aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Polymer ein Polimid aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Fotodetektor- Array ferner eine dielektrische Schicht (60) des Fotodetektors aufweist, wobei die dielektrische Schicht (60) das gleiche Material wie die Stützinseln (90) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Szintillator- Stützinseln (90) ein Material aufweisen, das durch ein Verfahren ätzbar ist, gegen das die Grenzschicht (80) im wesentlichen immun ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Grenzschicht (80) im wesentlichen optisch transparent ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Grenzschicht (80) ein Material aufweist, das auf der Fotodetektor-Array bei Temperaturen unter etwa 250ºC abgeschieden werden kann.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Grenzschicht (80) ein Material aufweist, das seine strukturelle Stabilität bis zu Temperaturen von etwa 250ºC beibehält.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jedes der Szintillator-Elemente (100) eine Höhe hat, die wenigstens doppelt so groß ist wie die Breite der Basis.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Szintillator- Array Caesiumjodid aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Grenzschicht (80) eine Dicke zwischen etwa 100 und 1500 nm hat.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Stützinseln (90) eine Dicke zwischen den ersten und zweiten Endflächen zwischen etwa 10 und 40 Mikrometer haben.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Stützinseln (90) mit nur einer der aktiven Flächen (56) ausgerichtet ist.

17. Verfahren zum Erzeugen eines Strahlungsbildgebers (110) enthaltend:

Bereitstellen einer Fotodetektor-Array (5), die aus mehreren Fotodetektoren (50) gebildet ist, die in einer zweidimensionalen Array angeordnet sind, wobei jeder der Fotodetektoren (50) eine aktive Fläche (56) hat, die Fotodetektor-Array (5) topografisch gemusterte Oberflächenmerkmale mit im Abstand angeordneten, erhöhten Stützinseln (90) aufweist, das Muster der Mitten der Stützinseln (90) im wesentlichen das gleiche ist wie das Muster der Mitten der Fotodetektoren (50), die Mitten der Stützinseln (90) im wesentlichen ausgerichtet sind mit den Mitten von entsprechenden aktiven Fotodetektor-Flächen (56), und

Formen eines strukturierten Szintillatormaterials auf den Stützinseln (90), wobei das strukturierte Szintillatormaterial getrennte Szintillator-Elemente (100) bildet, die über und im wesentlichen in Ausrichtung mit den Stützinseln (90) angeordnet sind;

wobei der Schritt der Bereitstellung einer Fotodetektor-Array (5) mit topografisch gemusterten Oberflächenmerkmalen gekennzeichnet ist:

Abscheiden einer Grenzschicht (80), das ein Material enthält, das gegenüber organischen Lösungsmitteln im wesentlichen undurchlässig ist, über den Fotodetektoren (50);

Abscheiden eines organischen Films (92) über der Grenzschicht (80) und Mustern von wenigstens dem organischen Film (92), um die im Abstand angeordneten Stützinseln (90) zu bilden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Bereitstellens einer Fotodetektor-Array (5) mit einem topografisch gemusterten Oberflächenmerkmal ferner enthält:

Abscheiden eines Schutzüberzuges (94) über dem ogranischen Film (92); und

Mustern des Schutzüberzuges (94) entsprechend dem organischen Film (92).

19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Formschritt enthält:

Aufwachsen der Szintillator-Elemente (100) auf die Stützinseln (90) durch Aufdampfen, Zerstäuben oder chemische Dampfabscheidung.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Abscheidungsdampf bereitgestellt wird durch Verdampfen eines Körpers aus Szintillator-Quellmaterial mit der Zusammensetzung, die für das Szintillatormaterial gewünscht wird.

21. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Abscheidens einer Grenzschicht (80) eine plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung von Siliziumdioxid unter Verwendung von Teträthoxysilicat als Quelle des Siliziums enthält.

22. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Fotodetektor-Array (5) auf einer Temperatur von weniger als 250ºC gehalten wird während der Schritte des Abscheidens der Grenzschicht (80), des Abscheidens des organischen Films (92), des Abscheidens des Schutzüberzuges (94) und der Bildung des strukturierten Szintillatormaterials.