EP2791705A1 - Imageur d'une source de lumiere isotrope presentant un rendement de detection augmente - Google Patents

Imageur d'une source de lumiere isotrope presentant un rendement de detection augmente

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Publication number
EP2791705A1
EP2791705A1 EP12806431.8A EP12806431A EP2791705A1 EP 2791705 A1 EP2791705 A1 EP 2791705A1 EP 12806431 A EP12806431 A EP 12806431A EP 2791705 A1 EP2791705 A1 EP 2791705A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
portions
block
photodetectors
radiation
radiation imager
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12806431.8A
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German (de)
English (en)
Inventor
Eric Gros D'aillon
Luc Andre
Vincent REBOUD
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Publication of EP2791705A1 publication Critical patent/EP2791705A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/2002—Optical details, e.g. reflecting or diffusing layers
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
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    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/2018—Scintillation-photodiode combinations
    • G01T1/20185—Coupling means between the photodiode and the scintillator, e.g. optical couplings using adhesives with wavelength-shifting fibres
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/011—Manufacture or treatment of image sensors covered by group H10F39/12
    • H10F39/024—Manufacture or treatment of image sensors covered by group H10F39/12 of coatings or optical elements
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
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    • H10F39/10—Integrated devices
    • H10F39/12—Image sensors
    • H10F39/18—Complementary metal-oxide-semiconductor [CMOS] image sensors; Photodiode array image sensors
    • H10F39/189—X-ray, gamma-ray or corpuscular radiation imagers
    • H10F39/1892—Direct radiation image sensors
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
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    • H10F39/18—Complementary metal-oxide-semiconductor [CMOS] image sensors; Photodiode array image sensors
    • H10F39/189—X-ray, gamma-ray or corpuscular radiation imagers
    • H10F39/1898—Indirect radiation image sensors, e.g. using luminescent members

Definitions

  • the present invention relates to an imager of an isotropic light source offering an increased detection efficiency, and in particular to imagers of radiation, for example of ionizing radiation.
  • Imagers for ionizing radiation are intended to detect ionizing radiation, such as for example X-ray or gamma radiation.
  • ionizing radiation imager uses a scintillator, also called a "detector" that converts ionizing radiation into visible radiation. It is this visible radiation which is then detected by photodetectors arranged downstream of the scintillator in the direction of propagation of the radiation.
  • the photodetectors are generally divided into matrices.
  • the photodetectors may be of the CMOS type ("Complementary Metal Oxide Semiconductor" in English terminology).
  • Each photodetector comprises an active part, which serves to detect the light radiation forming the signal, and electronic means.
  • the set forms the reading block.
  • Electronic means are assembled in the immediate vicinity of the photodetectors and are carried on the sides.
  • the scintillator is disposed on a transparent substrate which forms a mechanical support for it, this substrate is chosen transparent to visible radiation.
  • This set called a detector block, is located above the photodetectors
  • the reading block and the detection block are separated by an air gap.
  • This air gap has the effect that a large part of the visible radiation is trapped in the detector block. The detection efficiency is therefore very low.
  • the scintillator has an optical index equal to 1.82
  • 92% of the visible radiation is trapped in the detector block.
  • a layer of glue fills the space between the reading block and the detection block, the amount of light collected is limited to 39%.
  • the isotropic light source being then formed by a scintillator, by an imager comprising a detector block and a read block formed of a plurality of photodetectors, the photodetectors being arranged at a distance from the detector block, one or more portions of a first material transparent to visible radiation having a first optical index connecting the detector block to N photodetectors, and a second material having a second optical index lower than the first optical index or being a reflective material said second material at least partly surrounding one of the first material portions, said at least one portion being structured so that its cross section (s) monotonically increases from the detection block to the photodetector (s) over at least part of their height.
  • the latter comprises a reading block formed of a plurality of photodetectors and a substrate transparent to light. visible glass plate remote from the photodetectors, and / or a plurality of portions made of a first material transparent to visible radiation having a first optical index connecting the detector block to N photodetectors, and a second material having a second optical index less than the first optical index or being a reflective material, said second material at least partly surrounding one of the portions of a first material, said portion being structured such that its cross section (s) increases monotonously of the detection block to the photodetector (s) over at least part of their height.
  • light guides are formed flaring towards one or more photodetectors in order to capture the visible photons and bring them to the photodetectors.
  • These light guides make it possible to collect the strongly inclined light with respect to the normal to the plane of the sensor, said light at high angles, for example having an angle relative to the normal to the plane of the sensor greater than 50 °.
  • the amount of light at high angles is greater than that at low angles, therefore by efficiently collecting light at high angles, more light is collected quantitatively.
  • the second material When the second material is reflective, it reflects a portion of the light exiting said portion to the latter.
  • the amount of light at high angles collected by the photodetectors is significantly increased.
  • the angle formed between the lateral edge of the portions of a first material and the normal at their base of smaller area is between 0 °; 20 °].
  • the second material is air.
  • the detector block comprises a scintillator, preferably having a reflective surface, for example an input mirror so as to reflect the light generated in the scintillator.
  • the second material separates two adjacent portions. In other words, it extends between two adjacent portions.
  • N 1, ie each photodetector is optically connected to the detector block by its own light guide.
  • the first material is formed by an adhesive, for example an adhesive, also serving to secure the detector block and the reading block.
  • the second material is advantageously air.
  • the subject of the present invention is therefore a radiation imager, intended to detect the radiation produced by a light source comprising:
  • a read block intended to convert said radiation into an electrical signal, comprising a plurality of photodetectors
  • each portion extending between a lower base and an upper base, the lower base being in contact with the photodetectors,
  • each first material portion extends at a given height between the lower base and the upper base, and has at least a portion of its height an area of increasing cross section from the upper base to the lower base.
  • upper base and lower base do not limit the orientation of the imager and are intended only to distinguish the base of the portion of a first material from the side of the reading block. other base of the portion in a first material.
  • the imager includes a transparent substrate, said plurality of portions extending between said substrate and the read block.
  • the imager comprises a detector block, said detector block being able to produce light radiation, said plurality of portions extending between said detector block and the read block.
  • the detector block comprises a scintillator, a light-transparent substrate, said plurality of portions extending between said substrate and the read block.
  • the detector block comprises a reflecting surface, for example a mirror, on an input face of the scintillator opposite to the exit face.
  • said portions comprise a side wall connecting the upper base and the lower base, the tangent to the side wall at the upper base level forming an angle with the upper base.
  • the angle is such that 0 ⁇ ⁇ 60 °, or even 0 ⁇ ⁇ 20 °.
  • each portion of a first material extends at a given height, and has, from the upper base to the lower base, a decreasing or constant cross section over a portion of said height, and a cross-section growing on another part of said height.
  • the portions of a first material may have a form of revolution.
  • the portions of a first material have a truncated paraboloidal shape. In another variant, the portions of a first material have a truncated cone shape.
  • the first material has an index close to that of the detector material, preferably between 1.4 and 3.
  • the first material is an adhesive material, in particular a polymer such as an SU8 resin or a resin Epotek353ND, Epotek360ND, Polycarbonate.
  • the second material is preferably a gas, for example air.
  • the radiation imager has as many portions of a first material as photodetectors so that each photodetector is individually connected to the detector block by a portion of a first material.
  • the photodetectors are advantageously in the same plane
  • the present invention also relates to a method for producing a radiation imager according to the present invention, comprising the steps:
  • the first material being a resin
  • the present invention also relates to a method for producing a radiation imager according to the present invention, comprising the steps:
  • the first material being a resin
  • the deposition of the layer of the first material is for example made by centrifugal coating.
  • One or other of the manufacturing methods according to the invention may comprise the step of producing via and connection by means of metal balls.
  • FIG. 1 is a side view of an exemplary embodiment of a radiation imager according to the present invention
  • FIG. 2A is a schematic representation of an exemplary embodiment of a portion made of a first material implemented in the imager of FIG. 1;
  • FIG. 2B is a schematic representation of another exemplary embodiment of a portion made of a first material implemented in the imager of FIG. 1,
  • FIG. 4 is a graphical representation of the fraction of light collected as a function of the angle of incidence for different structures
  • FIGS. 5A and 5B are views in perspective and from above of a matrix of pixels provided with light guides implemented in the imager of FIG. 1,
  • FIGS. 6A and 6B are views in perspective and from above of a pixel of the matrix of FIGS. 5A and 5B,
  • FIG. 7 is a sectional view of an exemplary embodiment of a CMOS imager according to the present invention.
  • Figures 9A and 9B are side views of other embodiments of the first material portions.
  • the present invention also relates to a CMOS imager capable of imaging visible radiation emitted by a point light source.
  • the angle of incidence a of the light radiation to be detected is measured relative to a normal to the plane of the imager.
  • FIG. 1 an example of an ionizing radiation imager according to the present invention shown diagrammatically can be seen.
  • the imager comprises a detector block 1 which is formed in the example shown of a scintillator 2 and a substrate 4 transparent to visible radiation, for example glass on which is deposited the scintillator 2, and a reading block 6 , placed at a distance from the substrate 4 opposite the detector 2.
  • the detector converts the ionizing photons into visible photons.
  • the substrate 4 ensures the rigidity of the detector, especially when the reading block 6 has a small thickness. This substrate may however be omitted in the case where the thickness of the reading block 6 is sufficient to ensure its own rigidity.
  • the scintillator 2 can be likened to the substrate 4, because it is a rigid material and transparent to the radiation that it is desired to detect. Transparency is understood to mean a material that is transparent at the wavelengths detected by the photodetectors.
  • the read block 6 comprises a plurality of photodetectors 8, in the example shown, these are advantageously distributed in a plane.
  • the photodetectors are for example avalanche photodiodes ("Avalanche PhotoDiode” in English terminology), for example SPAD's (Single Photon Avalanche Diode in English terminology), or simple photodiodes.
  • the photodetectors 8 are, in our example, SPAD photodetectors arranged at a distance from each other, each photodetector 8 being delimited by a guard ring 9.
  • a guard ring 9 delimits the active part of the photodetector 8.
  • the guard ring 9 has a function of confining the charges created in the photodiode.
  • the photodetectors 8 are grouped in pixels.
  • Each pixel has an electronic circuit for processing the information from the photodetectors 8.
  • the pixels 10 are, themselves, arranged in a matrix. In FIGS. 5A and 5B, a matrix of pixels 10 can be seen. In FIGS. 6A and 6B, a single pixel can be seen.
  • the pixel comprises an active part 10.1 which compotes the photodetectors 8, intended to collect the light radiation coming from the detector block and an electronic circuit 10.2 disposed on one side of the active part 10.1.
  • the imager according to the invention further comprises a structure intended to optically connected the detector block 1 to the reading circuit 6.
  • this interconnection structure is intended to be intercalated:
  • This interconnection structure comprises portions of a first material 12 disposed between the detection block and the reading block, each portion of a first material 12 optically connecting the substrate 4 and a group of one or more photodetectors.
  • the portions of first material 12 are separated from each other by a second material 14 whose optical index is less than that of the first material.
  • the first material portions 12 have a flaring shape from the detector block to the read block. In the example shown, it has a truncated cone shape in the small base 12.1 is on the side of the detector block and the large base 12.2 is on the side of the read block.
  • L is the height of the portions, ⁇ the diameter of the large base 12.2 of a portion 12 of a first material, P is the diameter of the zone containing a photodetector.
  • said first material portions 12 can be arranged: or between each photodetector 8 and the detector block, which constitutes the preferred embodiment,
  • a portion made of a first material 12 extends between the detector block and several photodetectors 8, by example all the photodetectors of the active zone 10.1 of the same pixel.
  • ⁇ is strictly greater than 0, with 0 ° ⁇ ⁇ 90 °, but most frequently 0 ° ⁇ ⁇ 60 °, preferably 0 ° ⁇ ⁇ 20 °.
  • the read block consists of silicon photodiodes, for example previously mentioned SPADs, 0 ° ⁇ ⁇ 20 ° is preferred.
  • the optimum angle ⁇ is defined case by case, in particular by optical path simulation.
  • the portions made of a first material 112 have the form of a truncated bottom paraboloid, the bottom of a smaller surface being oriented towards the detection block.
  • Each portion of a first material covers one or more photodetectors.
  • the tangent T at the lateral edge 112.3 forms an angle ⁇ with the small base 112.1.
  • the tangent T coincides with the lateral edge.
  • any other shape having an increasing section over all or part of its height, from the upper base to the lower base on the side of the photodetector (that is to say to the photodetector), is not outside the scope of the present invention, for example a portion of a first material formed by the portion of a hyperboloid having an increasing cross section is not outside the scope of the present invention.
  • the cross section may be constant, or even decreasing, on a part of the height, then increasing on another part of said height, the increasing and decreasing terms ranging from the upper base to the lower base.
  • said portions may have a section decreasing or constant between their upper base, intended to be contiguous to the detector block, and a given height, then an increasing section between said height and their lower base, the latter being intended to be contiguous to the read circuit.
  • Such a geometry increases the incident photon collection efficiency at the photodetector at a low angle of incidence, typically less than 20 °.
  • the pads may have a section that increases and then a constant section.
  • the effect is substantially the same as that obtained with portions whose section increases.
  • the advantage of this form is to be able to adjust the height of pads to the geometry of the system in the case where the height between the reading block and the detection block is fixed.
  • each portion, or pad, of first material 12 extends between an upper base, intended to be contiguous to the detector block, and a lower base intended to be contiguous to the reading circuit, and presents an increasing cross section over all or part of the height separating said bases.
  • the perimeter of a cross section of a portion may be circular, elliptical or polygonal.
  • the cross section corresponds to the intersection between the portion and a plane parallel to the plane of the imager.
  • FIGS. 9A and 9B examples of such portions seen from the side can be seen.
  • the portion 312 has a portion 312.1 of constant section in contact with the substrate 4 and a portion 312.2 of increasing section of the portion 312.1 to the photodetectors.
  • the portion 412 has a portion 412.1 of constant section in contact with the substrate 4 of decreasing section of the substrate 4 towards the photodetectors and a portion 412.2 of increasing section of the portion 412.1 towards the photodetectors.
  • the portions 12 of a first material each cover a pixel, the base of larger surface 12.2 is in contact with the active part 10.1 of the pixel and leaving the electronic part 10.2 uncovered, and the smaller surface area 12.1 parallel to the face 12.1 is in contact with the substrate 4.
  • the network of photodetectors 8 with the guard rings 9 can be seen by transparency, this network forming the active part.
  • the lower surface of the pad corresponds to the active surface of the latter, or is inscribed in FIG. the latter.
  • the portions of material covering several photodetectors have the advantage of improving the mechanical strength of the structure.
  • a pixel comprises 64 photodetectors, 64 portions of a first columnar material can then advantageously be formed.
  • the scintillator comprises a reflecting surface 15 such as a mirror, on its upper face reflecting the light rays generated in the scintillator.
  • the first material has an optical index close to that of the substrate material 4 or scintillator 2 when the latter is attached to the interconnection structure.
  • the optical index of the first material is between 1.4 and 3.
  • this first material is an adhesive material, for example a resin used in microelectronic processes.
  • a resin used in microelectronic processes.
  • the use of resin is particularly advantageous for the realization of these light guides because it is commonly used in microelectronics processes, but for other purposes.
  • FIG. 3 shows a graphical representation of the percentage of light collected LC as a function of the angle of incidence a for an imager comprising portions made of a first material according to the invention (curve A) and by an imager of which the space between the transparent substrate and the reading block is filled with resin (curve B).
  • the portions are surrounded by air.
  • the scintillator comprises a mirror on its upper face opposite to that opposite the reading block.
  • curve A the fraction of the light collected by the imager according to the invention is greater than that collected by an imager comprising a resin layer (curve B) for a between about 15 ° and about 54 °.
  • the imager comprises a matrix of silicon photodetectors distributed over a period of 19 ⁇ , with a filling ratio of 40%.
  • the surface of the matrix is 10 ⁇ 10 mm 2 .
  • the diameter of each photodetector is approximately 13 ⁇ .
  • Curve I corresponds to an imager in which the area between the glass substrate and the reading block is filled with resin.
  • Curve II corresponds to an imager in which the area between the glass substrate and the reading block comprise portions of cylindrical shape with constant section.
  • Curves III and IV correspond to imagers in which the zone between the glass substrate and the reading block comprise portions whose angle ⁇ is equal to -30 ° and -10 ° respectively, ie the portions are narrowed strictly from detector block to the reading block.
  • the curves V and VI correspond to imagers according to the invention in which the zone between the glass substrate and the reading block comprise portions whose angle ⁇ is equal to 10 ° and 20 ° respectively, the portions being those by example of Figure 1.
  • the curves I and V correspond to the curves A and B of FIG.
  • the invention therefore makes it possible to increase the performance of the device in terms of energy resolution. Indeed, the higher the radiation collection efficiency with a high angle of incidence, the better the energy resolution. This is because, in the case of an isotropic light source, the amount of photons emerging from the detector block at a high angle of incidence (for example a> 25 °) is larger than the amount of photons emerging from the detector. at a low angle of incidence.
  • the photons emerging from the detector at a low angle of incidence can locate the light source, in this case the interaction in the scintillator, the photons emerging at an angle of incidence high allow the determination of the energy of said interaction. This determination is all the more precise as the number of photons detected is important.
  • the dot designates FG as the amount of light collected by an imager having a resin layer between the read block and the detector block in a 56 ° apex half-angle light cone. It is equal to 39%.
  • fraction of filling is meant the ratio between the surface of the detector block comprising photodetectors on the total surface of the detector block.
  • the ratio (TC-FG) / FG shows the gain obtained by virtue of the invention with respect to an imager comprising a resin layer.
  • the invention therefore makes it possible to increase not only the collected light by 21% but also to increase by 28% the quantity of light directly collected in a cone whose half-angle at the apex is 45 °.
  • the imager according to the invention is of particular interest for strong angles.
  • the height of the pads may vary, for example between 1 ⁇ and 100 ⁇ , preferably between 5 ⁇ and 30 ⁇ .
  • each portion is coupled to a single photodetector
  • the surface of the lower base of each pad is preferably substantially equal to the surface of the active portion of a photodetector.
  • the portions may be delimited by a second reflective material, for example a metal, or with a lower index than that of the material of the pads, so that a portion of the photons emerging towards the outside of a pad are reemitted in this plot.
  • a second reflective material for example a metal
  • reflective is meant a material for which the majority of the incident light is reflected rather than being absorbed or transmitted.
  • the photons are reflected: the light is guided by reflection, because of the presence of metal, and therefore of the reflecting material, at the interface between the first material and the second material.
  • the radiation is in the visible, metals, and for example copper, are good reflectors.
  • the portions made of a first material may be deposited either solely on the photodetectors, for example patterns of a few microns to a few hundred microns depending on the size of the photodetector, or on a set of photodetectors to mask a portion of electronics located next to these photodiodes, routing etc., the patterns can then be from a few hundred ⁇ to a few mm.
  • the first material may be a resin or resin SU8 type EPO-TEK ® 353ND, EPO-TEK ® 360ND, Polycarbonate, Si0 2 ...
  • the second material is a reflective material
  • Portions of a first material 212 are formed between and in contact with the glass substrate and the photodetectors, the cross section of the first material portions 212 being increased from the glass plate to the photodetectors.
  • the portions of a first material 212 are of truncated conical shape, they may also be truncated paraboloid form or formed of a portion of hyperboloid or any other form whose cross section is increasing.
  • the read block is formed which is formed of a substrate comprising photodetector pixel arrays, without the electrical connections that will subsequently be made by vias.
  • a layer of photosensitive resin is formed on the reading block by spin coating ("spin coating" in English terminology).
  • the mold is aligned with the photodetectors and then the resin is printed by means of the mold, the mold comprising a plurality of frustoconical recesses corresponding to the shape of the portions in a first material 12 process known under the name imprint).
  • the large base of the cone frustums is in contact with the reading module 4.
  • the glass substrate or directly the scintillator is bonded to the frustoconical portions.
  • the resin portions 12 are then in contact with the glass substrate 2 and photodetectors 8.
  • the reading block comprises a glass substrate
  • the substrate of the reading block for example by polishing
  • the mechanical rigidity of the assembly is ensured mainly by the glass substrate 4.
  • the electrical connections of the read block are then made by means of vertical connections or via (or TSV) via the substrate and via connecting balls.
  • the scintillator and the reading block are assembled if it has not yet been assembled on the reading block.
  • the use of a mold allows the production of resin portions having a truncated lens shape, truncated cone, truncated paraboloid whose angle ⁇ can be relatively large.
  • a third material may be used, the refractive index of which is preferably lower than that of the first material.
  • This third material is adhesive, so that it allows good adhesion between the pads and the detection module.
  • the portions of a first material may also be made by photolithography, preferably in the case where ⁇ is weak, that is to say when ⁇ ⁇ 20 °.
  • a matrix of photodetectors is for example coated with a photoresist, for example JR 335 resin. Then, by controlling the doses and focusing distances, it is possible to obtain different types of structures having low slope.
  • the scintillator block After development of the unexposed areas, the scintillator block is assembled on the waveguides.
  • the dose is of the order of 300 mJ / cm 2 and the defocusing can vary from -
  • This process comprises, for example, the steps of:
  • a resin layer on the photodetectors or on the glass substrate, for example a layer of 3 ⁇ of JR 355,
  • a low temperature annealing to activate the polymerization
  • etching is carried out to remove the parts of the resin that have been insolated.
  • a current resin is the JSR M78Y whose thickness between 500 nm and 1 ⁇ is deposited by spin (designated by "spin coating" in English terminology).
  • the resin is then annealed a first time at 130 ° C to remove the solvents. After exposure, the resin is heated a second time at the same temperature in order to be cured.
  • the developer used is TMAH (Tetramethylammonium hydroxide).
  • an interconnection structure comprising pads 12, intended to be disposed between a transparent substrate (substrate 4 or scintillator 2) and a read circuit comprising photodetectors.
  • the light source corresponds to a interaction of an ionizing radiation (for example X, ⁇ , a or ⁇ ) in a scintillator material, this interaction being assimilable to an isotropic light source.
  • the invention can be applied to the detection of the radiation produced by another light source, in particular isotropic, in a transparent medium different from a scintillator, when it is desired to increase the photon collection efficiency.

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Abstract

Imageur de rayonnement comportant:un bloc détecteur (1) comprenant au moins un détecteur (2) apte à émettre un signal optique à partir d'un rayonnement incident à imager, un bloc de lecture (6) destiné à convertir le signal optique en signal électrique, comportant une pluralité de photo détecteurs(8), une pluralité de portions en résine (12) entre le bloc détecteur (1) et les photodétecteurs (8), en contact avec le bloc détecteur (1) et en contact avec les photodétecteurs (8), le portions de résine (12) étant séparées par de l'air, les portions de résine (12) présentant au moins une partie dont la section transversale est croissante du bloc détecteur vers le bloc de lecture.

Description

IMAGEUR D'UNE SOURCE DE LUMIERE ISOTROPE PRESENTANT UN RENDEMENT DE
DETECTION AUGMENTE
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR
La présente invention se rapporte à un imageur d'une source de lumière isotrope offrant un rendement de détection augmenté, et notamment à des imageurs de rayonnements, par exemple de rayonnements ionisants.
Les imageurs de rayonnements ionisants sont destinés à détecter des rayonnements ionisants, comme par exemple un rayonnement X ou gamma. Un type d'imageur de rayonnements ionisants utilise un scintillateur, appelé également "détecteur" qui convertit le rayonnement ionisant en rayonnement visible. C'est ce rayonnement visible qui est ensuite détecté par des photodétecteurs disposés en aval du scintillateur dans le sens de propagation du rayonnement. Les photodétecteurs sont généralement répartis en matrices.
Les photodétecteurs peuvent être du type CMOS ("Complementary Métal Oxide Semiconductor" en terminologie anglo-saxonne). Chaque photodétecteur comporte une partie active, qui sert à détecter le rayonnement lumineux formant le signal, et des moyens électroniques. L'ensemble forme le bloc de lecture. Des moyens électroniques sont assemblés à proximité immédiate des photodétecteurs et sont reportés sur les côtés.
Le scintillateur est disposé sur un substrat transparent qui forme un support mécanique pour celui-ci, ce substrat est choisi transparent au rayonnement visible. Cet ensemble, appelé bloc détecteur, est situé au dessus des photodétecteurs
Le bloc de lecture et le bloc de détection sont séparés par une lame d'air. Or cette lame d'air a pour effet qu'une gra nde partie du rayonnement visible est piégée dans le bloc détecteur. Le rendement de détection est donc très faible.
Par exemple, dans le cas où le scintillateur a un indice optique égal à 1,82, 92% du rayonnement visble sont piégés da ns le bloc détecteur. Il existe également des imageur dans lequel une couche de colle remplit l'espace entre le bloc de lecture et le bloc de détection, la quantité de lumière collectée est limitée à 39%.
Il existe également des imageurs dans lesquels des structures en forme de colonnes à section constante s'étendent entre le bloc de lecture et le bloc de détection. La quantité de lumière collectée atteint 60%.
Il existe également des imageurs de rayonnement dans lesquels des structures en forme de colonnes s'étendent entre le bloc de lecture et le bloc de détection et dont la section se réduit du bloc de détection vers le bloc de lecture. Ces imageurs collecte la lumière qui est faiblement inclinée par rapport la normale au plan de l'imageur.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un imageur d'une source de lumière isotrope offrant un rendement de détection amélioré par rapport aux imageurs de l'état de la technique.
Le but précédemment énoncé est atteint, dans le cas d'un imageur de rayonnement, la source de lumière isotrope étant alors formée par un scintillateur, par un imageur comportant un bloc détecteur et un bloc de lecture formé de plusieurs photodétecteurs, les photodétecteurs étant disposés à distance du bloc détecteur, une ou plusieurs portions en un premier matériau transparent au rayonnement visible présentant un premier indice optique reliant le bloc détecteur à N photodétecteurs, et un deuxième matériau ayant un deuxième indice optique inférieur au premier indice optique ou étant un matériau réfléchissant, ledit deuxième matériau entourant au moins en partie une des portion en un premier matériau, ladite ou lesdites portions étant structurée de telle sorte que sa ou leurs section(s) transversale(s) augmente(nt) de manière monotone du bloc de détection vers le ou les photodétecteurs sur au moins une partie de leur hauteur.
Dans le cas d'un imageur de type CMOS, celui-ci comporte un bloc de lecture formé de plusieurs photodétecteurs et d'une substrat transparent à la lumière visible plaque de verre à distance des photodétecteurs, et ou plusieurs portions en un premier matériau transparent au rayonnement visible présentant un premier indice optique reliant le bloc détecteur à N photodétecteurs, et un deuxième matériau ayant un deuxième indice optique inférieur au premier indice optique ou étant un matériau réfléchissant, ledit deuxième matériau entourant au moins en partie une des portion en un premier matériau, ladite portion étant structurée de telle sorte que sa ou leurs section(s) transversale(s) augmente(nt) de manière monotone du bloc de détection vers le ou les photodétecteurs sur au moins une partie de leur hauteur.
En d'autres termes, on forme des guides de lumière s'évasant vers un ou plusieurs photodétecteurs afin de capter les photons visibles et les amener jusqu'aux photodétecteurs.
Ces guides de lumière permettent de collecter la lumière fortement inclinée par rapport à la normale au plan du capteur, lumière dite aux forts angles, par exemple présentant un angle par rapport à la normale au plan du capteur supérieur à 50°.
Or la quantité de lumière aux forts angles est plus importante que celle aux faibles angles, par conséquent en collectant efficacement la lumière aux forts angles on collecte quantitativement plus de lumière.
Lorsque le deuxième matériau est réfléchissant, il réfléchit une partie de la lumière, sortant de ladite portion, vers cette dernière.
Grâce à l'invention, la quantité de lumière aux forts angles collectée par les photodétecteurs est augmentée de manière sensible.
De préférence, l'angle formé entre le bord latérale des portions en un premier matériau et la normale à leur base de plus petite surface est comprise entre ]0°; 20°].
De préférence, le deuxième matériau est de l'air.
Dans le cas d'un imageur de rayonnement, le bloc détecteur comporte un scintillateur, comportant de préférence une surface réfléchissante, par exemple un miroir en entrée de sorte à réfléchir la lumière générée dans le scintillateur.
De préférence, le deuxième matériau sépare deux portions adjacentes. Autrement dit, il s'étend entre deux portions adjacentes. De manière très avantageuse N = 1, i.e. chaque photodétecteur est connecté optiquement au bloc détecteur par son propre guide de lumière.
Par exemple, le premier matériau est formé par un adhésif, par exemple un colle, servant également à solidariser le bloc détecteur et le bloc de lecture. Le deuxième matériau est avantageusement de l'air.
La présente invention a alors pour objet un imageur de rayonnement, destiné à détecter le rayonnement produit par une source de lumière comportant:
- un bloc de lecture destiné à convertir ledit rayonnement en signal électrique, comportant une pluralité de photodétecteurs,
- une pluralité de portions en un premier matériau de premier indice optique, chaque portion s'étendant entre une base inférieure et une base supérieure, la base inférieure étant en contact avec les photodétecteurs,
- un deuxième matériau à la périphérie d'au moins une desdites portions, le deuxième matériau :
- ayant un deuxième indice optique inférieur au premier indice optique,
ou
- étant un matériau réfléchissant,
dans lequel chaque portion en un premier matériau s'étend selon une hauteur donnée entre la base inférieure et la base supérieure, et comporte sur au moins une partie de sa hauteur une zone dont la section transversale est croissante de la base supérieure vers la base inférieure.
Il sera comprise que les termes "base supérieure" et "base inférieure" ne limitent pas l'orientation de l'imageur et ne sont destinés qu'à distinguer la base de la portion en un premier matériau du côté du bloc de lecture de l'autre base de la portion en un premier matériau.
Dans un mode de réalisation, l'imageur comporte un substrat transparent, ladite pluralité de portions s'étendant entre ledit substrat et le bloc de lecture. Dans un autre mode de réalisation, l'imageur comporte un bloc détecteur, ledit bloc détecteur étant apte à produire un rayonnement lumineux, ladite pluralité de portions s'étendant entre ledit bloc détecteur et le bloc de lecture. De préférence, le bloc détecteur comporte un scintillateur, un substrat transparent à la lumière, ladite pluralité de portions s'étendant entre ledit substrat et le bloc de lecture.
De manière préférée, le bloc détecteur comporte une surface réfléchissante, par exemple un miroir, sur une face d'entrée du scintillateur opposée à la face de sortie.
Dans un exemple de réalisation, lesdites portions comportent une paroi latérale reliant la base supérieure et la base inférieure, la tangente à la paroi latérale au niveau de base supérieure formant un angle avec la base supérieure. De manière préférée, l'angle est tel que 0 < β < 60°, voire 0 < β < 20°.
Dans un autre exemple de réalisation, chaque portion en un premier matériau s'étend selon une hauteur donnée, et présente, de la base supérieure vers la base inférieure, une section transversale décroissante ou constante sur une partie de ladite hauteur, et une section transversale croissante sur une autre partie de ladite hauteur.
Les portions en un premier matériau peuvent présenter une forme de révolution.
Dans une variante de réalisation, les portions en un premier matériau ont une forme de paraboloïde tronquée. Dans une autre variante, les portions en un premier matériau ont une forme de cône tronquée.
De préférence, le premier matériau à un indice proche de celui du matériau du détecteur, de préférence compris entre 1,4 et 3. Par exemple, le premier matériau est un matériau adhésif, notamment un polymère telle qu'une résine SU8 ou une résine de type Epotek353ND, Epotek360ND, Polycarbonate. Le second matériau est de préférence un gaz, par exemple de l'air.
Dans un exemple préféré, l'imageur de rayonnement comporte autant de portions en un premier matériau que de photodétecteurs de sorte que chaque photodétecteur est relié individuellement au bloc détecteur par une portion en un premier matériau. Les photodétecteurs sont avantageusement dans un même plan
La présente invention a également pour objet un procédé de réalisation d'un imageur de rayonnement selon la présente invention, comportant les étapes:
- préparation du bloc de lecture,
- formation d'une couche en un premier matériau sur les photodétecteurs du bloc de lecture, le premier matériau étant une résine,
- mise en place d'un moule muni de cavités ayant la forme extérieure desdites portions au-dessus de la couche en un premier matériau,
- alignement des cavités avec un ou des photodétecteurs,
- pressage du premier matériau par le moule,
- chauffage du premier matériau au dessus de sa température de transition vitreuse,
- refroidissement du premier matériau, en dessous de sa température de transition vitreuse, suivi du retrait du moule,
- assemblage du bloc détecteur et du bloc de lecture ou du substrat transparent par l'intermédiaire des portions en un premier matériau.
La présente invention a également pour objet un procédé de réalisation d'un imageur de rayonnement selon la présente invention, comportant les étapes :
- préparation du bloc de lecture,
- formation d'une couche du premier matériau sur les photodétecteurs du bloc de lecture, le premier matériau étant une résine,
- insolation du premier matériau à travers un masque définissant les portions en un premier matériau,
- activation de la polymérisation par un recuit à basse température,
- retrait des parties du premier matériau qui ont été insolées,
- assemblage du bloc détecteur et du bloc de lecture ou du substrat transparent par l'intermédiaire des portions en un premier matériau.
Le dépôt de la couche du premier matériau est par exemple réalisé par enduction centrifuge. L'un ou l'autre des procédés de fabrication selon l'invention peut comporter l'étape de réalisation de via et de connexion au moyen de billes métalliques.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels :
- la figure 1 est une vue de côté d'un exemple de réalisation d'un imageur de rayonnement selon la présente invention,
- la figure 2A est une représentation schématique d'un exemple de réalisation d'une portion en un premier matériau mis en œuvre dans l'imageur de la figure 1,
- la figure 2B est une représentation schématique d'un autre exemple de réalisation d'une portion en un premier matériau mis en œuvre dans l'imageur de la figure 1,
- la figure 3 est une représentation graphique de la fraction de lumière collectée par un cône de lumière de demi-angle au sommet a = 56° en fonction de l'angle d'inclinaison de la paroi d'une portion en un premier matériau selon la présente invention,
- la figure 4 est une représentation graphique de la fraction de lumière collectée en fonction de l'angle d'incidence pour différentes structures,
- les figures 5A et 5B sont des vues en perspective et de dessus d'une matrice de pixels muni de guides de lumière mises en œuvre dans l'imageur de la figure 1,
- les figures 6A et 6B sont des vues en perspective et de dessus d'un pixel de la matrice des figures 5A et 5B,
- la figure 7 est une vue en coupe d'un exemple de réalisation d'un imageur de type CMOS selon la présente invention ;
- la figure 8 est une représentation graphique de la variation du pourcentage de lumière collectée grâce à la mise en œuvre d'une portion en un premier matériau pour un cône de lumière de demi-angle au sommet a = 56°, en fonction de l'angle β; - les figures 9A et 9B sont des vues de côtés d'autres exemples de réalisation des portions en premier matériau.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Dans la description qui va suivre, sera décrit en détail un imageur de rayonnement. Cependant la présente invention porte également sur un imageur de type CMOS apte à imager un rayonnement visible émis par une source de lumière ponctuelle.
L'angle d'incidence a du rayonnement lumineux à détecter est mesuré par rapport à une normale au plan de l'imageur.
Sur la figure 1, on peut voir un exemple de d'imageur de rayonnements ionisants selon la présente invention représenté schématiquement.
L'imageur comporte un bloc détecteur 1 qui est formé dans l'exemple représenté d'un scintillateur 2 et d'un substrat 4 transparent au rayonnement visible, par exemple en verre sur lequel est déposé le scintillateur 2, et un bloc de lecture 6, disposé à distance du substrat 4 à l'opposé du détecteur 2. Le détecteur convertit les photons ionisants en photons visibles.
Le substrat 4 assure la rigidité du détecteur, notamment lorsque le bloc de lecture 6 présente une épaisseur faible. Ce substrat peut cependant être omis dans le cas où l'épaisseur du bloc de lecture 6 est suffisante pour assurer sa propre rigidité. Dans ce cas, le scintillateur 2 peut être assimilé au substrat 4, car il s'agit d'un matériau rigide et transparent au rayonnement que l'on souhaite détecter. Par transparent, on entend un matériau transparent aux longueurs d'onde détectées par les photodétecteurs.
Le bloc de lecture 6 comporte une pluralité de photodétecteurs 8, dans l'exemple représenté, ceux-ci sont avantageusement répartis dans un plan. Les photodétecteurs sont par exemple des photodiodes à avalanche ("Avalanche PhotoDiode" en terminologie anglo-saxonne), par exemple SPAD's (Single Photon Avalanche Diode en terminologie anglo-saxonne), ou de simples photodiodes.
Les photodétecteurs 8 sont, dans notre exemple, des photodétecteurs SPADs disposés à distance les uns des autres chaque photodétecteur 8 étant délimité par un anneau de garde 9. Ainsi, un anneau de garde 9 délimite la partie active du photodétecteur 8.
L'anneau de garde 9 a une fonction de confinement des charges crées dans la photodiode. Les photodétecteurs 8 sont regroupés en pixel.
Chaque pixel présente un circuit électronique, pour traiter l'information issue des photodétecteurs 8. Les pixels 10 sont, eux-mêmes, disposés en matrice. Sur les figures 5A et 5B, on peut voir une matrice de pixels 10. Sur les figures 6A et 6B, on peut voir un pixel seul. Le pixel comporte une partie active 10.1 qui compote les photodétecteurs 8, destinés à collecter le rayonnement lumineux provenant du bloc détecteur et un circuit électronique 10.2 disposé sur un côté de la partie active 10.1.
L'imageur selon l'invention comporte en outre une structure destinée à connectée optiquement le bloc détecteur 1 au circuit de lecture 6. Autrement dit, cette structure d'interconnexion est destinée à être intercalée :
- soit entre le bloc de lecture 6 et le substrat 4,
- soit entre le bloc de lecture 6 et le scintillateur 2, en l'absence de substrat 4.
Cette structure d'interconnexion comporte des portions en un premier matériau 12 disposées entre le bloc de détection et le bloc de lecture, chaque portion en un premier matériau 12 connectant optiquement le substrat 4 et un groupe de un ou plusieurs photodétecteurs.
Les portions de premiers matériau 12 sont séparées les uns des autres par un deuxième matériau 14 dont l'indice optique est inférieur à celui du premier matériau. Les portions en un premier matériau 12 ont une forme s'évasant du bloc détecteur vers le bloc de lecture. Dans l'exemple représenté, elle présente un forme de cône tronqué dans la petite base 12.1 est du côté du bloc détecteur et la grande base 12.2 est du côté du bloc de lecture. L est la hauteur des portions, Φ le diamètre de la grande base 12.2 d'une portion 12 en un premier matériau, P est le diamètre de la zone contenant un photodétecteur. Ainsi, d'une façon générale, lesdites portions en premier matériau 12 peuvent être disposées : - soit entre chaque photodétecteur 8 et le bloc détecteur, ce qui constitue le mode de réalisation préféré,
- soit entre une pluralité de photodétecteurs 8 et le bloc détecteur 1, ce cas étant représenté sur la figure 1. Dans un tel cas de figure, une portion en un premier matériau 12 s'étend entre le bloc détecteur et plusieurs photodétecteurs 8, par exemple l'ensemble des photodétecteurs de la zone active 10.1 d'un même pixel.
Sur la figure 2A, on peut voir une portion en un premier matériau 12 représentée seul, sa paroi latérale 12.3 forme un angle β par rapport à la normale à la petite base 12.1. β est considéré dans le sens contraire au sens trigonométrique.
β est strictement supérieur à 0, avec 0° < β < 90°, mais le plus fréquemment 0° < β < 60°, de préférence 0° < β < 20°. Dans le cas ou le bloc de lecture est constitué de photodiodes en silicium, par exemple des SPADs précédemment évoquées, on préfère 0° < β < 20°. L'angle β optimal est défini au cas par cas, notamment par simulation de trajets optiques.
Dans un autre exemple de réalisation, représenté sur la figure 2B, les portions en un premier matériau 112 ont la forme de paraboloïde à fond tronqué, le fond de plus petite surface étant orienté du côté du bloc de détection. Chaque portion en un premier matériau recouvre un ou plusieurs photodétecteurs.
Dans ce cas, la tangente T au bord latéral 112.3 forme un angle β avec la petite base 112.1. Dans le cas de portions de forme tronconique, la tangente T est confondu avec le bord latéral.
Tout autre forme présentant une section croissante sur tout ou partie de sa hauteur, de la base supérieure vers la base inférieure du côté du photodétecteur (c'est-à-dire vers le photodétecteur), ne sort pas du cadre de la présente invention, par exemple une portion en un premier matériau formée par la partie d'une hyperboloïde présentant une section transversale croissante ne sort pas du cadre de la présente invention. De même, la section transversale peut être constante, voire même décroissante, sur une partie de la hauteur, puis croissante sur une autre partie de ladite hauteur, les termes croissants et décroissants s'entendant de la base supérieure vers la base inférieure. En particulier, lesdites portions peuvent présenter une section décroissante ou constante entre leur base supérieure, destinée à être accolée au bloc détecteur, et une hauteur donnée, puis une section croissante entre ladite hauteur et leur base inférieure, cette dernière étant destinée à être accolée au circuit de lecture. Une telle géométrie augmente le rendement de collecte de photons incidents au photodétecteur selon un angle d'incidence faible, typiquement inférieur à 20°.
En variante, les plots peuvent présenter une section qui s'accroit puis une section constante. L'effet est sensiblement le même que celui obtenu avec des portions dont la section s'accroit. L'avantage de cette forme est de pouvoir ajuster la hauteur de plots à la géométrie du système dans le cas où la hauteur entre le bloc de lecture et le bloc de détection est fixé.
Ainsi, d'une façon générale, chaque portion, ou plot, en premier matériau 12 s'étend entre une base supérieure, destinée à être accolée au bloc détecteur, et une base inférieure, destinée à être accolée au circuit de lecture, et présente une section transversale croissante sur tout ou partie de la hauteur séparant lesdites bases. Le périmètre d'une section transversale d'une portion peut être circulaire, elliptique ou polygonal.
La section transversale correspond à l'intersection entre la portion et un plan parallèle au plan de l'imageur.
Sur les figures 9A et 9B, on peut voir des exemples de tels portions vues de côté. Sur la figure 9A, la portion 312 présente une partie 312.1 de section constante en contact avec le substrat 4 et une partie 312.2 de section croissante de la partie 312.1 vers les photodétecteurs.
Sur la figure 9B, la portion 412 présente une partie 412.1 de section constante en contact avec le substrat 4 de section décroissante du substrat 4 vers les photodétecteurs et une partie 412.2 de section croissante de la partie 412.1 vers les photodétecteurs.
Dans l'exemple représenté, les portions 12 en un premier matériau recouvrent chacune un pixel, la base de plus grande surface 12.2 est en contact avec la partie active 10.1 du pixel et laissant découverte la partie électronique 10.2, et la face de plus petite surface 12.1 parallèle à la face 12.1 est en contact avec le substrat 4. Sur la figure 6B, on peut voir par transparence le réseau de photodétecteurs 8 avec les anneaux de garde 9, ce réseau formant la partie active.
De préférence, la surface inférieure du plot (dans la représentation de la figure 1), c'est-à-dire la surface destinée à être mise en contact avec le photodétecteur, correspond à la surface active de ce dernier, ou est inscrite dans cette dernière.
Les portions de matériau recouvrant plusieurs photodétecteurs présentent l'avantage d'améliorer la solidité mécanique de la structure.
Plus le nombre de photodétecteurs par portions en un premier matériau est petit, jusqu'à atteindre un seul photodétecteur par portion en un premier matériau, plus la résolution spatiale de l'imageur est améliorée. En effet, plus la section des portions en un premier matériau qui forment des guides de lumière se rapproche de la surface d'un photodétecteur, plus la zone de collecte des photons visibles produits dans le détecteur à partir des photons ionisants est proche de la zone de génération de ces photons visibles, en considérant une direction perpendiculaire à l'empilement du bloc de détection.
Dans cet exemple, un pixel comporte 64 photodétecteurs, 64 portions en un premier matériau en forme de colonne peuvent alors être avantageusement formées.
Un imageur dans lequel certains photodétecteurs ne seraient pas recouverts par une portion en un premier matériau ne sort pas du cadre de la présente invention.
De manière avantageuse, le scintillateur comporte une surface réfléchissante 15 telle qu'un miroir, sur sa face supérieure réfléchissant les rayons lumineux générés dans le scintillateur.
Le premier matériau présente un indice optique proche de celui du matériau du substrat 4 ou du scintillateur 2 lorsque ce dernier est accolé à la structure d'interconnexion. De préférence, l'indice optique du premier matériau est compris entre 1,4 et 3.
De manière avantageuse, ce premier matériau est un matériau adhésif, par exemple une résine utilisée dans les procédés microélectroniques. Comme nous le verrons par la suite, l'utilisation de résine est particulièrement avantageuse pour la réalisation de ces guides de lumière car elle est couramment utilisée dans les procédés de microélectronique, mais à d'autres fins.
Sur la figure 3, on peut voir une représentation graphique du pourcentage de lumière collectée LC en fonction de l'angle d'incidence a pour un imageur comportant des portions en un premier matériau selon l'invention (courbe A) et par un imageur dont l'espace entre le substrat transparent et le bloc de lecture est rempli de résine (courbe B).
L'imageur utilisé présente une hauteur L de 2 μιη, un diamètre φ = 10 μιη, un diamètre P = 14 μιη et un angle β = 10°. Le portions sont entourés par de l'air. Le scintillateur comporte un miroir sur sa face supérieure opposée à celle en regard du bloc de lecture.
On constate que la fraction de la lumière collectée par l'imageur selon l'invention (courbe A) est supérieure à celle collectée par un imageur comportant une couche de résine (courbe B) pour a compris entre environ 15° et environ 54°.
Sur la figure 4, on peut voir représentation graphique du pourcentage de lumière collectée (LC) en fonction de l'angle d'incidence pour différentes structures.
L'imageur comporte une matrice de photodétecteurs en silicium répartis selon une période de 19 μιη, avec un taux de remplissage de 40 %. La surface de la matrice est de 10 χ 10 mm2. Le diamètre de chaque photodétecteur est d'environ 13 μιη.
La courbe I correspond à un imageur dans lequel la zone entre le substrat en verre et le bloc de lecture est remplie de résine.
La courbe II correspond à un imageur dans lequel la zone entre le substrat en verre et le bloc de lecture comportent des portions de forme cylindrique à section constante.
Les courbes III et IV correspondent à des imageurs dans lesquels la zone entre le substrat en verre et le bloc de lecture comportent des portions dont l'angle β est égal à -30° et -10° respectivement, i.e. les portions se rétrécissent strictement du bloc détecteur vers le bloc de lecture. Les courbes V et VI correspondent à des imageurs selon l'invention dans lesquels la zone entre le substrat en verre et le bloc de lecture comportent des portions dont l'angle β est égal à 10° et 20° respectivement, les portions étant celles par exemple de la figure 1.
Les courbes I et V correspondent aux courbes A et B de la figure 3.
Nous constatons que les portions présentant un angle β positif (10° (courbe V) et 20° (courbe VI)), i.e. s'évasant du bloc détecteur au bloc de lecture, permettent d'augmenter l'efficacité de collecte pour des forts angles entre environ 50° et 55°.
Par conséquent, pour une interaction donnée dans le matériau scintillateur, le nombre de photons collectés est accru. L'invention permet donc d'augmenter les performances du dispositif en termes de résolution énergétique. En effet, plus on augmente l'efficacité de collecte du rayonnement ayant un angle d'incidence a élevé, plus on améliore la résolution en énergie. Cela provient du fait que, dans le cas d'une source lumineuse isotrope, la quantité de photons émergeant du bloc détecteur selon un angle d'incidence élevé (par exemple a > 25°) est plus importante que la quantité de photons émergeant du détecteur selon un angle d'incidence faible. Alors que les photons émergeant du détecteur selon un angle d'incidence faible, (par exemple < 5 °) permettent de localiser la source de lumière, en l'occurrence l'interaction dans le scintillateur, les photons émergeant selon un angle d'incidence élevé permettent la détermination de l'énergie de ladite interaction. Cette détermination est d'autant plus précise que le nombre de photons détectés est important.
On constate que pour des portions présentant un angle β < 0 (courbes III et IV) permettent une meilleure efficacité de collecte aux faibles angles. Cependant, à ces angles, la quantité de photons détectés est plus faible qu'aux angles plus élevés, puisque cette quantité augmente avec la surface d'un arc de cercle de rayon da, a étant l'angle d'incidence.
Sur la figure 8, on peut voir la variation du pourcentage de lumière collectée (LC) grâce à la mise en œuvre d'une portion en un premier matériau pour un cône de lumière de demi-angle au sommet a = 56°, en fonction de l'angle β. On constate que les portions en un premier matériau ayant un angle β > 0 permettent une meilleure efficacité de collecte pour un angle de 56°, et la fraction de lumière collectée augmente avec la valeur de l'angle β.
Le point désigne FG correspond à la quantité de lumière collectée par un imageur comportant une couche de résine entre le bloc de lecture et le bloc détecteur dans un cône de lumière de demi-angle au sommet a de 56°. Elle est égale à 39%.
Le point désigné SP qui correspond à la structure pour un angle β = 0 °, i.e. des portions de forme cylindrique à section circulaire, la quantité de lumière est de 60%.
Grâce à l'invention, dont les points sont ceux situés à droite du point SP,
(β>0), la quantité de lumière collectée est augmentée et peut atteindre 67% pour un angle β = 20°.
Le tableau ci-dessous regroupe des valeurs de détectivité calculées à partir de la formule suivante
dans laquelle η(α)=-^ — —
v
La détectivité μ% est calculée en considérant que toute la lumière produite dans un demi-espace est collectée (a = 90°) et μ(45°) correspond à la lumière directement collectée dans un cône de demi-angle au sommet a = 45°.
Couche de résine Portions conique (TC-FG)/FG
(FG) selon l'invention(TC)
FF μ% μ(45°) μ% μ(45°)
40% 17 11 22 16 +29 +45
62% 28 18 34 23 +21 +28 FF est la fraction de remplissage. Par fraction de remplissage, on entend le ratio entre la surface du bloc détecteur comprenant des photodétecteurs sur la surface totale du bloc détecteur.
Le rapport (TC-FG)/FG montre le gain obtenu grâce à l'invention par rapport à un imageur comportant un couche de résine. L'invention permet donc d'augmenter non seulement la lumière collectée de 21% mais également d'augmenter de 28% la quantité de lumière directement collectée dans un cône dont le demi-angle au sommet est 45°.
L'imageur selon l'invention présente un intérêt tout particulier pour les forts angles.
La hauteur des plots, c'est-à-dire la distance entre leur base supérieure et leur base inférieure, peut varier, par exemple entre 1 μιη et 100 μιη, de préférence entre 5 μιη et 30 μιη.
Dans le cas où chaque portion est couplée à un unique photodétecteur, la surface de la base inférieure de chaque plot est de préférence sensiblement égale à la surface de la partie active d'un photodétecteur.
Les portions peuvent être délimitées par un deuxième matériau réfléchissant, par exemple un métal, ou d'indice plus faible que celui du matériau des plots, de telle sorte qu'une partie des photons émergeant vers l'extérieur d'un plot soient réémis dans ce plot. Par "réfléchissant", on entend un matériau pour lequel la majorité de la lumière incidente est réfléchie plutôt que d'être absorbée ou transmise.
Si on considère une structure dans laquelle le premier matériau des plots est du Si02 et le deuxième matériau est du cuivre ou un autre métal ; les photons sont réfléchis : le guidage de la lumière est réalisé par réflexion, du fait de la présence de métal, donc du matériau réfléchissant, à l'interface entre le premier matériau et le deuxième matériau. Lorsque le rayonnement est dans le visible, les métaux, et par exemple le cuivre, sont de bons réfléchissants.
Comme décrite ci-dessus, les portions en un premier matériau peuvent être déposées soit uniquement sur les photodétecteurs, par exemple des motifs de quelques microns à quelques centaines de microns selon la taille du photodétecteur, soit sur un ensemble de photodétecteurs pour masquer une partie d'électronique située à coté de ces photodiodes, du routage etc., les motifs peuvent alors être de quelques centaines de μιη à quelques mm.
Il sera compris que la présente invention s'applique à d'autres types d'imageurs qu'aux imageurs de rayonnements ionisants, comme par exemple des imageurs infrarouge, UV, ou convertisseurs de longueurs d'onde ("wavelenght shifter" en terminologie anglo-saxonne).
A titre d'exemple, le premier matériau peut être une résine SU8 ou résine de type EPO-TEK®353ND, EPO-TEK®360ND, Polycarbonate, Si02...
Dans le cas où le deuxième matériau est un matériau réfléchissant, on peut choisir un métal, par exemple du cuivre d'indice n = 0.95 ou de l'aluminium.
Sur la figure 7, on peut voir un exemple de réalisation représenté schématiquement d'un imageur de type CMOS.
Celui-ci comporte un bloc de lecture 206 comprenant des photodétecteurs 208 et un substrat transparent à la lumière visible, par exemple une plaque en verre 218, fixé au bloc de lecture au-dessus des photodétecteurs et à distance de celui-ci. Des portions en un premier matériau 212 sont formées entre le substrat en verre et les photodétecteurs et en contact avec ceux-ci, la section transversale des portions en un premier matériau 212 étant croissante de la plaque de verre vers les photodétecteurs. Dans l'exemple représenté, les portions en un premier matériau 212 sont de forme conique tronquée, elles peuvent être également de forme paraboloïde tronquée ou formé d'une partie d'hyperboloïde ou de tout autre forme dont la section transversale est croissante.
Nous allons maintenant décrire des exemples de procédé de réalisation d'un imageur de rayonnement selon la présente invention par impression. Ce procédé s'applique également à la réalisation de capteurs CMOS.
On réalise le bloc de lecture qui est formé d'un substrat comportant des matrices de pixels de photodétecteurs, sans les connexions électriques qui seront réalisées ultérieurement par des vias. D'autre part, on forme sur le bloc de lecture une couche de résine photosensible par enduction centrifuge ("spin coating" en terminologie anglo-saxonne).
Lors d'une étape suivante, on aligne le moule avec les photodétecteurs et ensuite on imprime la résine au moyen du moule, le moule comportant une pluralité d'évidements tronconiques correspondant à la forme des portions en un premier matériau 12 procédé connu sous le nom de imprint). La grande base des troncs de cône est en contact avec le module de lecture 4. A lieu alors une étape de chauffage au dessus de la température de transition vitreuse du premier matériau, après remplissage, sous pression, des cavités du moule par le premier matériau, a lieu un refroidissement de ce dernier en dessous de la température de transition vitreuse, ce refroidissement étant réalisé sous pression, le moule étant appliqué contre les photodétecteurs.
Lors d'une étape suivante, on colle le substrat en verre ou directement le scintillateur sur les portions tronconique. Les portions de résine 12 sont alors au contact du substrat en verre 2 et des photodétecteurs 8.
Dans le cas où le bloc de lecture comporte un substrat en verre, a lieu une étape d'amincissement du substrat du bloc de lecture, par exemple par polissage, celui-ci est par exemple en silicium. La rigidité mécanique de l'ensemble est assurée principalement par le substrat en verre 4.
On réalise ensuite les connexions électriques du bloc de lecture au moyen de connexions verticales ou via (ou TSV "Through-silicon via en terminologie anglo-saxonne) à travers le substrat et de billes de connexion.
On assemble le scintillateur et le bloc de lecture s'il n'a pas encore été assemblé sur le bloc de lecture.
L'utilisation d'un moule permet la réalisation de portions de résine ayant une forme de lentille tronquée, de tronc de cône, de paraboloïde tronquée dont l'angle β peut être relativement grand.
Lorsque le premier matériau constituant les plots, n'est pas suffisamment adhésif, un troisième matériau peut être utilisé, dont l'indice de réfraction est de préférence inférieur à celui du premier matériau. Ce troisième matériau est adhésif, de telle sorte qu'il permet une bonne adhésion entre les plots et le module de détection.
Les portions en un premier matériau peuvent également être réalisées par photolithographie, de préférence dans le cas où β est faible, c'est-à-dire lorsque β < 20 °. Pour cela, une matrice de photodétecteurs est par exemple enduite d'une résine photosensible, par exemple de la résine JR 335. Ensuite, en contrôlant les doses et les distances de focalisation, il est possible d'obtenir différents types de structures ayant de faible pente.
Après développement des zones non-exposées, le bloc scintillateur est assemblé sur les guides d'onde.
La dose est de l'ordre de 300 mJ/cm2 et la défocalisation peut varier de -
ΙΟμιη à 10 μιη.
Ce procédé comporte par exemple les étapes de :
- formation d'une couche de résine sur les photodétecteurs ou sur le substrat en verre, par exemple d'une couche de 3 μιη de JR 355,
- formation d'un masque sur la couche de résine,
- insolation UV de la résine à travers un masque, définissant dans la résine des portions de résine,
- développement des zones insolées, pour cela on effectue un recuit à basse température pour activer la polymérisation, puis on effectue une attaque chimique pour retirer les parties de la résine qui ont été insolées. Pour cela, une résine courante est la JSR M78Y dont une épaisseur comprise entre 500 nm et 1 μιη est déposée à la tournette (désigné par "spin coating" en terminologie anglo-saxonne). La résine est ensuite recuite une première fois à 130°C afin d'éliminer les solvants. Après insolation, la résine est chauffée une seconde fois à la même température afin d'être durcie. Le développeur utilisé est du TMAH (Tetramethylammonium hydroxide).
Dans le mode de réalisation précédemment exposé, on a décrit une structure d'interconnexion, comportant des plots 12, destinée à être disposée entre un substrat transparent (substrat 4 ou scintillateur 2) et un circuit de lecture comportant des photodétecteurs. Dans ce mode de réalisation, la source de lumière correspond à une interaction d'un rayonnement ionisant (par exemple X, γ, a ou β) dans un matériau scintillateur, cette interaction pouvant être assimilée à une source lumineuse isotrope.
L'invention peut s'appliquer à la détection du rayonnement produit par une autre source lumineuse, notamment isotrope, dans un milieu transparent différent d'un scintillateur, lorsqu'on souhaite augmenter l'efficacité de collecte de photons.

Claims

REVENDICATIONS
1. Imageur de rayonnement, destiné à détecter le rayonnement produit par une source de lumière comportant:
- un bloc de lecture (6) destiné à convertir ledit rayonnement en signal électrique, comportant une pluralité de photodétecteurs (8),
- une pluralité de portions (12) en un premier matériau de premier indice optique, chaque portion s'étendant entre une base inférieure et une base supérieure, la base inférieure étant en contact avec les photodétecteurs (8),
- un deuxième matériau à la périphérie d'au moins une desdites portions (12), le deuxième matériau :
- ayant un deuxième indice optique inférieur au premier indice optique,
Ou
- étant un matériau réfléchissant,
dans lequel chaque portion en un premier matériau s'étend selon une hauteur donnée entre la base inférieure et la base supérieure, et comporte sur au moins une partie de sa hauteur une zone dont la section transversale est croissante de la base supérieure vers la base inférieure.
2. Imageur de rayonnement selon la revendication 1, comportant un substrat transparent (4, 2), ladite pluralité de portions (12) s'étendant entre ledit substrat (4) et le bloc de lecture (6).
3. Imageur de rayonnement selon la revendication 1, comportant un bloc détecteur (1), ledit bloc détecteur étant apte à produire un rayonnement lumineux, ladite pluralité de portions (12) s'étendant entre ledit bloc détecteur (1) et le bloc de lecture (6).
4. Imageur de rayonnement selon la revendication 3, dans lequel le bloc détecteur (1) comporte un scintillateur (2), un substrat 4) transparent à la lumière, ladite pluralité de portions (12) s'étendant entre ledit substrat (4) et le bloc de lecture (6).
5. Imageur de rayonnement selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le bloc détecteur comporte une surface réfléchissante, par exemple un miroir, sur une face d'entrée du scintillateur opposée à la face de sortie.
6. Imageur de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel lesdites portions comportent une paroi latérale reliant la base supérieure et la base inférieure, la tangente à la paroi latérale au niveau de base supérieure formant un angle (β) avec la base supérieure compris tel que 0 < β < 60°, voire 0 < β < 20°.
7. Imageur de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel chaque portion en un premier matériau s'étend selon une hauteur donnée, et présente, de la base supérieure vers la base inférieure, une section transversale décroissante ou constante sur une partie de ladite hauteur, et une section transversale croissante sur une autre partie de ladite hauteur.
8. Imageur de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les portions en un premier matériau (12) présentent une forme de révolution.
9. Imageur de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel les portions en un premier matériau ont une forme de paraboloïde tronquée.
10. Imageur de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel les portions en un premier matériau ont une forme de cône tronquée.
11. Imageur de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel le premier matériau à un indice proche de celui du matériau du détecteur, de préférence compris entre 1,4 et 3.
12. Imageur de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel le premier matériau est un matériau adhésif, notamment un polymère telle qu'une résine SU8 ou une résine de type Epotek353ND, Epotek360ND, Polycarbonate.
13. Imageur de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel le second matériau est un gaz, par exemple de l'air.
14. Imageur de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 13, comportant autant de portions en un premier matériau (12) que de photodétecteurs (8) de sorte que chaque photodétecteur (8) est relié individuellement au bloc détecteur (1) par une portion en un premier matériau (12).
15. Imageur de rayonnement selon l'une des revendications 1 à 14, dans lequel les photodétecteurs (8) sont dans un même plan
16. Procédé de réalisation d'un imageur de rayonnement selon l'une de revendications 1 à 15, comportant les étapes:
- préparation du bloc de lecture,
- formation d'une couche en un premier matériau sur les photodétecteurs du bloc de lecture, le premier matériau étant une résine,
- mise en place d'un moule muni de cavités ayant la forme extérieure desdites portions (12) au-dessus de la couche en un premier matériau,
- alignement des cavités avec un ou des photodétecteurs,
- pressage du premier matériau par le moule,
- chauffage du premier matériau au dessus de sa température de transition vitreuse, - refroidissement du premier matériau, en dessous de sa température de transition vitreuse, suivi du retrait du moule,
- assemblage du bloc détecteur et du bloc de lecture ou du substrat transparent par l'intermédiaire des portions en un premier matériau.
17. Procédé de réalisation d'un imageur de rayonnement selon l'une de revendications 1 à 15, comportant les étapes :
- préparation du bloc de lecture,
- formation d'une couche du premier matériau sur les photodétecteurs du bloc de lecture, le premier matériau étant une résine,
- insolation du premier matériau à travers un masque définissant les portions en un premier matériau,
- activation de la polymérisation par un recuit à basse température,
- retrait des parties du premier matériau qui ont été insolées,
- assemblage du bloc détecteur et du bloc de lecture ou du substrat transparent par l'intermédiaire des portions en un premier matériau.
18. Procédé de réalisation selon la revendication 16 ou 17, dans lequel le dépôt de la couche du premier matériau est réalisé par enduction centrifuge.
19. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 16 à 18, comportant l'étape de réalisation de via et de connexion au moyen de billes métalliques.
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