JP2011525238A - 放射線検出器及び放射線検出器を製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、画素１のアレイを有する放射線検出器１０に関し、各画素１は、入射放射線を電気信号に変換する半導体材料４の変換層を有し、各画素１は、前記入射放射線により生成される光子の少なくとも一部を吸収するバリア材料で少なくとも部分的に充填されるトレンチ３により囲まれる。本発明は、このような放射線検出器１０を製造する方法にも関する。

Description

本発明は、放射線検出器及び放射線検出器を製造する方法に関する。更に、本発明は、このような放射線検出器を有するＸ線検出器及び撮像システムに関する。

画素のアレイを持つ放射線検出器は、例えば、ＣＴ撮像システムにおいて、スキャンされる対象を離れた後に前記検出器に入射する放射線の十分に正確な測定を提供するように使用される。前記放射線検出器に対する、シリコンのような、製造しやすい半導体材料の使用は、例えばコストの観点から、センサ材料として、例えば、Cd(Zn)Teと比較して有益である。Cd(Zn)Teは、シリコンより大幅に高い阻止能を持ち、画素間クロストークに帰着する大幅に少ないコンプトン散乱を示すが、Cd(Zn)Teは、かなりのＫ蛍光（K-fluorescence）を示し、これは、エネルギ分解能を劣化させ、画素間クロストークを引き起こすこともできる。更に、Cd(Zn)Teは、高価な材料であり、大きなサイズで製造するのが難しく、脆弱性のため、層の厚さに関して制限を示す。対照的に、シリコンのような半導体材料に基づく放射線検出器のＫ蛍光は、無視できる。シリコンは、上位Ｘ線エネルギ（約１００ｋｅＶ）に対してほとんど透明であるのに対し、３５ｋｅＶより低い光子エネルギは、良好に吸収される。しかしながら、中位の光子エネルギに対して、コンプトン散乱に対する高い確率が存在し、これは、光子方向及びエネルギを変更し、近隣画素及び離れた画素の間で空間及びスペクトルクロストークを引き起こす。また、Cd(Zn)Teと対照的に、半導体ベースの放射線検出器は、日常的に工業において使用される熟達した周知の半導体技術から利益を得ることができる。

このような半導体ベースの放射線検出器の１つの主要な不利点は、主にコンプトン散乱による画素間のクロストークの量であり、これは、画質を低減させる。これは、コンプトン散乱された光子がシリコン内の数センチメートルの範囲まで長い距離を横切り、したがって隣接していない画素間の空間的クロストークを容易に引き起こすので、如何なる関連した画素サイズに対しても当てはまる。

JP59064587は、Ｘ線ＣＴユニット内の放射線検出器において散乱する放射線により引き起こされる隣接した放射線検出期間のクロストークを減少する放射線検出器を開示している。半導体放射線検出器及び信号取り出しマウントは、放射線を阻止する能力が高い金属からなるコリメータボード上に固定される。前記コリメータボードは、隣接した放射線検出期間の放射線の散乱の効果を減衰すると同時に、散乱された放射線により引き起こされる隣接した放射線検出期間のクロストークを大幅に低減させる負極として機能する。この放射線検出器の不利点は、隣接した放射線検出器間のクロストークのみが低減され、各放射線検出器の画素間のクロストークが低減されないことである。更に、これは、前記放射線検出器が、前記放射線間のクロストークを低減させるコリメータボード上に取り付けられる複雑な製造工程を必要とする。

本発明の目的は、クロストークが、異なる検出器の間だけでなく、各放射線検出器の異なる画素の間でも低減され、その製造が既存の製造工程に容易に統合する放射線検出器を提供することである。

本発明は、独立請求項により規定される。有利な実施例は、従属請求項により規定される。

この目的は、半導体材料内にトレンチを設けることにより達成され、前記トレンチは、各画素を囲み、入射放射線により生成される光子の少なくとも一部を吸収するバリア材料で少なくとも部分的に充填される。したがって、各画素を囲む前記トレンチは、放射線生成光子の一部を吸収することができる性質をもち、これにより前記画素間の前記入射放射線のクロストーク散乱を低減する。このようにして、１つの画素から隣接した画素に入る放射線クロストークの量は低減される。更に、前記トレンチは、本発明による放射線検出器を製造するために標準的な半導体プロセスに単純な形で統合されることができる。例えば、本発明による放射線検出器の製造に対するＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）プロセスは、前記トレンチの製造が単純な形で統合される本発明による放射線検出器の単純かつ安価な製造を提供する。有利には、前記半導体材料は、標準的かつ安価な製造プロセスが利用可能であるシリコンを有する。

本発明による放射線検出器の一実施例において、各画素は、サブ画素のアレイを有し、各サブ画素が、前記トレンチにより囲まれる。これは、前記放射線検出器のクロストークの量を更に低減させる。他の実施例において、隣接したサブ画素のクラスタが、前記トレンチにより囲まれる。これは、前記トレンチが、前記画素及びサブ画素のアクティブ面積を低減させる面積を占めるが、他方で前記クロストークを低減させるので、前記クロストークの低減及び前記サブ画素のアクティブ面積のサイズの最適化を可能にする。これは、例えば、前記アレイのサブ画素間の一部の空間的クロストークを許容するコストで前記サブ画素のアレイのアクティブ面積の増大されたカバー範囲を可能にする。

本発明による放射線検出器の一実施例において、前記バリア材料は、３５ｋｅＶのエネルギより上でＫ蛍光を示さない材料である。したがって、不所望なクロストーク効果は最小化されることができる。

本発明による放射線検出器の一実施例において、前記トレンチにおける前記バリア材料の充填率は、前記検出器を横切るにつれてプログラム可能に変化する。このようにして、前記トレンチの第１の部分が、前記トレンチの第２の部分の充填率又は充填体積とは異なる前記バリア材料の充填率又は充填体積を持つことが達成される。例えば、前記トレンチの前記第１の部分は、１つの画素を囲み、前記トレンチの前記第２の部分は、サブ画素又はサブ画素のクラスタを囲む。これは、有利に、充填に使用される材料、前記トレンチのサイズ、及び充填プロセスの結果の品質の間の最適化を提供する。

本発明による放射線検出器の一実施例において、前記バリア材料は、中位の原子番号Ｚを持つ材料である。これは、前記入射放射線により生成される前記トレンチ内の光子の有効吸収を提供する。前記バリア材料に対する有利な材料は、モリブデン、銀又はタングステンである。

本発明による放射線検出器の一実施例において、前記トレンチは、２０μｍないし６００μｍの範囲の変換層の深度を提供する。これは、光子が前記半導体材料の層に浸透する最大深度に対応する前記トレンチの深度を提供し、これにより前記クロストークを最小化する。

前記目的は、トレンチが半導体材料の基板に設けられ、この後に前記トレンチの表面が絶縁層で覆われる、本発明による放射線検出器を製造する方法によっても達成される。この後に、画素のアレイが、前記基板上に製造され、これにより各画素が前記トレンチにより囲まれる。最後に、前記トレンチは、入射放射線により生成される光子の少なくとも一部を吸収するバリア材料で少なくとも部分的に充填される。前記トレンチを設け、前記トレンチを少なくとも部分的に充填するのに必要とされるステップは、全て、標準的な半導体製造プロセスに統合されることができる加工ステップであり、したがって本発明による放射線検出器の安価かつ単純な製造に帰着する。

前記基板内の前記トレンチの作成は、例えば、前記トレンチの形状又は幾何構成が主に垂直である深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）により行われることができる。代替的には、ウェットエッチング技術が、前記基板内の前記トレンチを作成するのに使用されることができる。これらの異なるエッチング技術は、前記バリア材料による前記トレンチの最適化された充填を達成するように前記トレンチの形状を調節するのに使用されることができる。

本発明による方法の一実施例において、前記トレンチを少なくとも部分的に充填するステップは、ディスペンサ装置により前記トレンチ内部の前記バリア材料を選択的に配置するステップを有する。このようにして、前記バリア材料は、前記トレンチにおいて順次的に塗布されることができる。例えば、インクジェットプリンタは、前記バリア材料を前記トレンチ内部に配置する。これは、前記トレンチ内部に前記バリア材料を塗布する単純な方法の一例である。更に、これは、異なる体積のバリア材料での前記トレンチの部分の選択的配置を提供する。例えば、前記トレンチの第１の部分は、前記トレンチの第２の部分とは異なる充填体積の前記バリア材料で充填されることができる。

一例として、エポキシ樹脂系接着剤に埋め込まれた金属粉は、本発明による方法において前記バリア材料として塗布されることができる。有利には、前記エポキシ樹脂系接着剤は、同時に、前記トレンチの上部に他の装置、例えば散乱線除去グリッドを取り付ける接着剤として使用されることができる。

本発明による方法の他の実施例において、前記トレンチを少なくとも部分的に充填するステップは、前記トレンチの少なくとも部分的に充填されるべき部分に対する開口を規定するマスキング層を使用するステップを有する。これは、前記基板全体の前記トレンチにおいて１つの加工ステップで前記バリア材料を塗布することを可能にする。

前記目的は、本発明による放射線検出器を有するＸ線検出器により、及び本発明によるＸ線放射線検出器を有する撮像システム、特にＸ線、ＣＴ、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴ又は核医学撮像装置によっても達成される。

本発明による放射線検出器は、電磁放射線、特にＸ線又はγ線の定量的及び／又は定性的検出に役立つ。

前記放射線検出器は、通常、当業者に対して明らかであるので明示的に述べられなかったシャッタ、散乱線除去グリッド、電子回路、及びハウジング等のような追加の部品を持ち、これらの部品は、通常、この検出器に対して特定の入射方向から前記検出器上に光子を照射するのが道理にかなうように構成される。

本発明による放射線検出器の一部の上面図を概略的に示す。 本発明による放射線検出器を製造する方法を概略的に示し、放射線検出器の一部の断面図を示す。 本発明による放射線検出器を製造する方法を概略的に示し、放射線検出器の一部の断面図を示す。 本発明による放射線検出器を製造する方法を概略的に示し、放射線検出器の一部の断面図を示す。 本発明による放射線検出器を概略的に示し、放射線検出器の一部の断面図を示す。

"スペクトルＣＴ"は、Ｘ線管により生成され、スキャンされる対象を通過する多色性Ｘ線ビームに含まれるスペクトル情報が新しい診断的に重要な情報を提供するのに使用されるように現在のＣＴシステムを改革する可能性を持つと考えられる。スペクトルＣＴ撮像システムに対する実現技術は、前記スキャンされる対象の後ろの検出器に当たる光子のエネルギスペクトルの十分に正確な推定を提供することができる検出器である。画像再構成の理由から、前記検出器も、直接的なビームにさらされるので、前記直接的なビームを見る検出器画素における光子計数率は莫大である（ｍｍ²及び秒毎に約１０⁹個の光子、すなわちｍｍ²毎に１０００Ｍｃｐｓ）。しかしながら、読み出し電子素子は、１０Ｍｃｐｓ以下で対処することができると期待される。前記計数率を制限するために、（Ｘ線光子が相互作用し、前記読み出し電子素子により更に評価される荷電パルスを生成する）検出器のセンサ部分を、小さなサブ画素（例えば３００μｍ×３００μｍ）に及び複数の異なるセンサ層（３次元サブストラクチャリング）にサブストラクチャリングすることが可能であり、センサ層内の各サブ画素は、各エネルギに対するサブチャネルを持つ独自のエネルギ分解読み出し電子素子チャネルを持つ。

スペクトルＣＴに対するセンサ材料として、ＣＺＴ又はＣｄＴｅは、比較的高いＸ線阻止能のため関心がある（約３ｍｍ厚のＣＺＴは、現在使用されているＧＯＳシンチレータを完全に置き換えるのに十分であると見なされる）。しかしながら、この高い阻止能は、ある程度、不利点でもあり、働いている読み出し電子素子チャネルが稀にしかパルス集積を経験しないようにセンサ層内のサブ画素の最大計数率を約１０Ｍｃｐｓに制限するために、（３００μｍ×３００μｍ画素の）第１のセンサ層は、１００μｍより大幅に下の厚さを必要とする。ＣＺＴのこれらの薄い層がＣＺＴの脆弱性のため製造されることができるかどうかは疑わしい。加えて、"横拡張（lateral extension）"により分割される厚さとして規定される大幅に小さいアスペクト比のため、小さな画素の効果の利点は、１００μｍの厚さより下の非常に薄い層において失われる。

上記の問題に対処するために、シリコンのような低い阻止能を持つ材料が、場合により計数モードでも使用されるＣＺＴ又はＣｄＴｅと併せて、又は更にエネルギ集積ＧＯＳ層とともに、スペクトルＣＴに対するセンサ材料として提案される。Ｓｉの小さい原子番号Ｚ＝１４のため、Ｘ線減衰は、ＣＺＴ又はＣｄＴｅの場合により大幅に小さい。結果として、１０Ｍｃｐｓより高くない計数率を達成するためのエネルギ分解計数検出器におけるＳｉからなる積層検出器の最上層の層厚は、１．７ｍｍの範囲内である。前記最上層の下の変換層の厚さは、更に層から層へ順次的に増大してもよい。したがって、直接変換材料としてＳｉの複数の層からなるスペクトルＣＴ検出器は、容易に製造されることができる。Ｓｉの他の利点は、Ｋ端（K-edge）エネルギが２ｋｅＶより下であり、蛍光収率（すなわちＫ蛍光との相互作用が起こる頻度に対する尺度）が４．１％だけであるのでＫ蛍光クロストークがほとんどなく、ＣＺＴより大幅に安価であり、（潜在的には標準的なＣＭＯＳファブでさえ）製造するのが大幅に単純であることである。

図１は、画素１の２×３のアレイ及び各画素に対してサブ画素２の３×３のアレイを持つ放射線検出器１０の一部の上面図を示す。画素１及びサブ画素２において生成される光子は、画素１及びサブ画素２に接続された読み出し電子素子（図示されない）により検出される。この場合、トレンチ３が、各画素１及び各サブ画素２を囲む。トレンチ３は、画素１及びサブ画素２が設けられる基板４（図示されない）に設けられる。トレンチ３は、放射線検出器１０に入射する放射線により生成される光子の一部を吸収することにより画素１間及びサブ画素２間のクロストークの量を低減させるバリア材料で充填される。最も効果的なバリア材料は、中位のｚ番号を持つ。例えばモリブデン、銀又はタングステンが、適切なバリア材料である。高いｚ番号を持つ材料は、クロストークが主に生じる３５−７０ｋｅＶのエネルギ間隔の内又は上にＫ端がある場合に適切でなく、この場合、前記バリア材料は、Ｋ蛍光及び前記Ｋ端より下の低い吸収効率に苦しむ。

図２ａ−ｃは、本発明による放射線検出器１０を製造する方法を示し、放射線検出器１０の一部の断面図を示す。この例ではシリコンを有する、基板４において、トレンチ３は、この場合、図２ａに示されるようにトレンチ３に対する比較的真っ直ぐかつ垂直な壁に帰着するＤＲＩＥ（深堀り反応性イオンエッチング）を適用することにより形成される。例えば、酸化マスキング層は、トレンチ３が形成される領域を規定するために使用されることができる。トレンチ３の深度は、好ましくは、基板４の厚さに依存して２０μｍないし６００μｍの範囲であり、最大深度において、Ｘ線光子が基板４の内部に到達し、クロストークを生じる。近隣の画素１及びサブ画素２間の距離を規定するトレンチ３の幅又はサイズは、例えば、画素１及びサブ画素２のサイズに依存して、５０μｍないし３００μｍの範囲である。

次に、画素１は、図２ｂに示されるように、例えば、標準的なＣＭＯＳプロセスによりトレンチ３の間に設けられる。更に、前記トレンチの壁及び底部は、絶縁層６を設けられる。このプロセスステップは、熱酸化又はパッシベーションのような周知の絶縁層形成ステップにより行われることができる。絶縁層６を形成するこのステップは、画素１の製造の前、間又は後に行われることができる。次いで、トレンチ３は、図２ｃに示されるように、適切なバリア材料で充填される。絶縁層６は、トレンチ３内である前記バリア材料と、画素１及びサブ画素２との間の少なくとも電気的絶縁を提供する。トレンチ３の充填は、完全に又は部分的に行われることができる。適切な技術を使用することにより、前記バリア材料でのトレンチ３の充填率が前記放射線検出器を横切るにつれて変化する放射線検出器１０を製造することさえ可能である。例えば、画素１を囲むトレンチ３は、サブ画素を囲むトレンチ３とは異なる程度で充填される。適切な技術は、例えば、トレンチ３が一種の順次的方法で充填されるインクジェット印刷である。このようにして、トレンチ３内に前記バリア材料を選択的に配置し、基板４上のトレンチ３の部分の位置の関数としてトレンチ３の充填率をプログラム又は調整することが可能である。他の適切な技術は、例えば、トレンチ３の部分が少なくとも部分的に充填されるべき位置において開口を規定するマスキング層が使用されるスクリーン印刷である。この後に、他の充填ステップが使用されることができ、又はオプションとして第２のマスキング層が、トレンチ３の残りの部分を充填し、前のマスキング層ステップにより少なくとも部分的に既に充填されたトレンチ３の充填率を増大するように使用されることができる。

例えば、エポキシ樹脂系接着剤に埋め込まれた金属粉が、前記バリア材料として使用されることができる。前記エポキシ樹脂及び前記金属粉の粒子サイズは、トレンチ３の深度に依存してトレンチ３の最適な充填を達成するように最適化されることができる。加えて、前記エポキシ樹脂は、例えば検出器１０の上部にＡＳＧ（散乱線除去グリッド）を取り付ける接着剤としても使用され、放射線検出器１０と前記ＡＳＧとの間の最適化された温度係数マッチングに帰着する。

アニーリング前加工ステップ及び前側ウエハ洗浄ステップは、有利に、最終的な硬化ステップが前記バリア材料を硬化する前に使用されることができる。

他のエッチング技術が使用され、ＤＲＩＥエッチングを使用する場合とは異なる幾何構成のトレンチ３に帰着することができる。例えば、ウェットエッチング技術は、エッチャントとしてＫＯＨを使用して使用されることができ、これは、ドライエッチングより速いエッチングプロセスであり、図３に示されるように、トレンチ３に対する真っ直ぐではないがより傾いた壁に帰着する。

少なくとも部分的に充填されたトレンチ３の上に、反射材料の層が、前記放射線が前記バリア材料に入ることを防ぐように設けられることができる。

本発明による放射線検出器は、エネルギ分解Ｘ線光子計数を用いるＣＴにおけるクロストーク抑制に限定されず、画素を有するＳｉ検出器におけるクロストークの抑制にも有益である。

最後に、本出願において、用語"有する"は、他の要素又はステップを除外せず、"１つの"（"a"又は"an"）は、複数を除外せず、単一のプロセッサ又は他のユニットが、複数の手段の機能を満たしてもよいことが指摘される。本発明は、あらゆる新規の特徴的フィーチャ及び特徴的フィーチャのあらゆる組み合わせにある。更に、請求項内の参照符号は、前記請求項の範囲を限定すると解釈されるべきでない。

Claims (13)

1. 画素のアレイを有する放射線検出器において、各画素が、入射放射線を電気信号に変換する半導体材料の変換層を有し、各画素が、前記入射放射線により生成される光子の少なくとも一部を吸収するバリア材料で少なくとも部分的に充填されるトレンチにより囲まれる、放射線検出器。
2. 各画素が、サブ画素のアレイを有し、各サブ画素が、前記トレンチにより囲まれる、請求項１に記載の放射線検出器。
3. 各画素が、サブ画素のアレイを有し、隣接したサブ画素のクラスタが、前記トレンチにより囲まれる、請求項１に記載の放射線検出器。
4. 前記トレンチ内の前記バリア材料の充填率が、前記検出器を横切るにつれてプログラム可能に変化する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の放射線検出器。
5. 前記バリア材料が、３５ｋｅＶより上でＫ蛍光を示さない材料を有する、請求項１に記載の放射線検出器。
6. 前記バリア材料が、モリブデン、銀又はタングステンを有する、請求項１に記載の放射線検出器。
7. 前記バリア材料が、中位の原子番号Ｚを持つ材料である、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の放射線検出器。
8. 前記トレンチが、２０μｍないし６００μｍの範囲の前記変換層の深度を持つ、請求項１に記載の放射線検出器。
9. 放射線検出器を製造する方法において、
   半導体材料の基板を備えるステップと、
   前記基板にトレンチを設けるステップと、
   絶縁層で前記トレンチの表面を覆うステップと、
   前記基板上に画素のアレイを設けるステップであって、各画素が前記トレンチにより囲まれる当該画素のアレイを設けるステップと、
   入射放射線により生成される光子の少なくとも一部を吸収するバリア材料で前記トレンチを少なくとも部分的に充填するステップと、
   を有する方法。
10. 前記トレンチを少なくとも部分的に充填するステップが、ディスペンサ装置により前記トレンチの内側に前記バリア材料を選択的に配置するステップを有する、請求項９に記載の方法。
11. 前記トレンチを少なくとも部分的に充填するステップが、前記トレンチの少なくとも部分的に充填されるべき部分に対する開口を規定するマスキング層を使用するステップを有する、請求項９に記載の方法。
12. 請求項１に記載の放射線検出器を有するＸ線検出器。
13. 請求項１に記載のＸ線放射線検出器を有する撮像システム、特にＸ線、ＣＴ、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴ又は核医学撮像装置。

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