JP6903662B2

JP6903662B2 - モノリシックｃｍｏｓ集積ピクセル検出器を備えた光子計数コーンビームｃｔ装置

Info

Publication number: JP6903662B2
Application number: JP2018529749A
Authority: JP
Inventors: メイラン，クロード; カーネル，ハンスヴォン
Original assignee: ジーレイスイッツァーランドエスアー
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2021-07-14
Anticipated expiration: 2036-08-31
Also published as: US20180240842A1; CN108140658A; KR20180074671A; JP2018534087A; WO2017037527A1; US10636834B2; EP3345220A1; EP3345220B1

Description

関連出願の相互参照

本発明は、２０１５年１２月２１日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＩＢ２０１５／００２３８５および２０１５年８月３１日に出願された米国仮出願６２／２１１，９５８を優先権としてその便益を主張し、その内容は参照として組み込まれ、さらに２０１６年２月１６日に出願された米国仮出願６２／２９５，７２０を優先権としてその便益を主張し、その内容は参照として組み込まれる。

本発明は、コンピュータ断層（ＣＴ）撮像装置に関連し、より詳細には、エネルギー識別能力を有するモノリシックに集積化された半導体検出器を備えたコーンビームコンピュータ断層撮影（ＣＢＣＴ）に関連する。

脈管ステントおよびステント移植片の配置、経カテーテル塞栓形成、標的脈管内腫瘍の処置を含む血管造影的処置や、画像誘導式の整形外科手術、胸部、腹部、頭部、頸部および神経の外科手術、生検、近接照射療法または外部ビーム放射線療法、経皮ドレーンおよびステントの配置やラジオ波焼灼療法などの血管造影が介入しない処置や３ＤのリアルタイムＸ線撮像を必要とする多くの医療処置は、より早く、より効率的で、より分解能の高い検出器の能力を用いて改良することができる。患者の放射線吸収量は依然として重大な懸念であり、可能な限り抑えることが必要となる。

また、胸部撮像では、信頼性のある石灰化の検出と軟組織の描写を行うために放射線量を効果的に使用した高分解能が必要とされるが、現在の撮像技術では未だ満たされていない。この応用分野では、３Ｄ撮像へのトレンドも見られる（Ｉ．ＳｅｃｈｏｐｏｕｌｏｓによるＭｅｄＰｈｙｓ．（２０１３）；４０（１）０１４３０２を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。トモシンセシスとは、ＣＢＣＴ再構成をデジタル画像処理に融合し、１回のトモグラフィー（断層撮影）スキャンから特定の断面の画像を生成することが可能な新しい撮像技術の１つである。これらの装置もまた、新規のより効率的な検出器の介助によりさらに改善することができる。

フラットパネル検出器（ＦＰＤ）は医用撮像で広く用いられ、低侵襲および血管内の処置において非常に高い安全性を有するが、検出効率が限られているため患者および操作者への照射量の増加を伴う。ＦＰＤには、根本的に異なる２つの設計がある。１つ目（Ｉ）は、例えば、吸収層に入射するＸ線が可視光子に変換され、標準的な光子検出器によって検出されるという２段階のプロセスからなる間接変換に基づく。２つ目（ＩＩ）の設計は、Ｘ線を半導体吸収層内の電気信号に直接変換することに基づく。

間接検出器の物理は、５０年以上の間リアルタイム放射線撮像で主要とされてきた医用Ｘ線イメージインテンシファイア（ＸＩＩ）のそれと本質的に変わっていない。Ｘ線光子の可視光子への変換は、ＣｓＩ（ＴＩ）などのシンチレーション層で行われる。限られた空間およびエネルギー分解能の他にも、２段階変換プロセスは変換効率が低く、スペクトル分解能が限定されるという欠点を有する。ＣｓＩ（ＴＩ）における波長変換の効率は、例としては約１０％となり、その後の光子検出器の正孔対（ｅ−ｈ）への可視光子の変換の効率は通常５０％以下となる。結果として、読み出し回路によって収集された正孔対の数はＸ線エネルギー１ＫｅＶ当たり約２５となる（Ｈ．ｖｏｎＫａｎｅｌによる米国特許第８，２３７，１２６を例として参照とし、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。

Ｘ線が電子正孔対（ｅ−ｈ）に変換され電気信号が生成される、半導体吸収体を用いたＸ線の直接検出では、これらの不利点は実質的に生じない。しかしながら現在の装置は、製造の容易性およびコストの理由から、多結晶材料または非晶質材料と薄層トランジスタからなる読み出し回路に基づいて形成される。このようなＦＰＤは、吸収体層が読み出し回路上に低温プロセスによって直接蒸着されるモノリシックな形状で形成されることも可能である。直接変換モードが用いられ、医療用として流通している唯一のＦＰＤは、実際非晶質セレニウム（ａ−Ｓｅ）吸収体を基に形成される。これらは大面積で提供され、比較的安価に製造できる（Ｓ．Ｋａｓａｐｅｔａｌ．によるＳｅｎｓｏｒｓ１１，５１１２（２０１１）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。しかしながら、多結晶および／または非晶質半導体を用いて達成可能な検出量子効率は、電気輸送特性が乏しいことによりむしろ低く、このためこれら材料からなるＦＰＤは画像化治療（インターベンショナル・ラジオロジー）には適さないものとなる。

空間、時間およびエネルギー分解能に関しても、また検出量子効率に関しても、Ｘ線撮像検出器として群を抜いて最良のものは単結晶Ｘ線吸収体をベースにしたものである。単結晶Ｘ線吸収体の製造に適した材料は適切なバンドギャップを有し、十分な面積と完成度が必要とされるため、そのリストに含まれる数はむしろ限定されている。リストには、主にシリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）およびテルル化亜鉛カドミウム（ＣｄＺｎＴｅ）が含まれる。

入射Ｘ線光子のエネルギーは発生した正孔対の数量に比例するため、これらのどの材料をベースとした半導体吸収体でも空間分解能が提供され、これにより単一光子計数におけるパルス高分析による測定が可能となる。

Ｓｉでは、１つの正孔対を作り出すには平均して３．６ｅＶが必要とされる（Ｒ．Ｃ．Ａｌｉｇｅｔａｌ．によるＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ２２，５５６５（１９８０）を例として参照とし、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。平均すると、吸収されたＸ線エネルギー１ＫｅＶにつき正孔対は２８０となり、これからも変換効率がシンチレータフォトダイオードの組み合わせの１０倍以上となるのが分かる。一方で、Ｓｉはその低い原子番号Ｚにより、約２０ＫｅＶ以上の光子エネルギーのための吸収体としては役不足となる。さらに、高光子エネルギー（５７ＫｅＶ以上）での光電効果と対抗するコンプトン効果は、光子計数におけるエネルギー分解能をオフセットする傾向がある。しかし、最近の研究によると、この問題は解決が可能である（Ｂｏｒｎｅｆａｌｋの米国特許第８，３７８，３１０およびＨ．Ｂｏｒｎｅｆａｌｋｅｔａｌ．によるＰｈｙｓ．Ｍｅｄ．Ｂｉｏｌ．５５、１９９９（２０１０）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。同様に、隣接するピクセル間のクロストークや信号パイルアップの高い計数率の問題もまた解決可能と思われる（Ｂｏｒｎｅｆａｌｋの米国特許第８，３７８，３１０およびＢｏｒｎｅｆａｌｋｅｔａｌ．によるＮｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒ．Ｍｅｔｈ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．Ａ６２１，３７１（２０１０）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。

その一方で、エネルギー識別能力を有するＳｉストリップ検出器は胸部撮像では商業的な段階まで到達している（Ｈ．-Ｍ．Ｃｈｏ，ＭｅｄＰｈｙｓ．４１０９１９０３（２０１４）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。コンピュータ断層撮影（ＣＴ）で用いられる光子エネルギー範囲のほとんどを網羅するように、真横に配置された分割Ｓｉストリップ検出器は現在開発中である（Ｘ．Ｌｉｕｅｔａｌ．ｉｎＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｎｕｃｌ．Ｓｃｉ．６１，１０９９（２０１４）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。

例えばＦＰＤなどの通常の検出器配置では、Ｚの低さに起因して、Ｓｉの使用は低光子エネルギーに限定される。商業化が可能な優れた品質の大面積ウェハのための高Ｚを有する唯一の元素半導体はＧｅのみである。しかし、その欠点としては、バンドギャップＥ_ｇがほんの０．６６ｅＶと小さく、このため、ドープされていない高純度の場合でも抵抗率は常温で僅か５０Ωｃｍとなる。この結果、低い抵抗率に伴う過度の暗電流を抑制するため、Ｇｅ検出器は最低でも約−５０℃まで冷却されなければならない（Ｄ．Ｐｅｎｎｉｃａｒｄｅｔａｌ．によるＪｉｎｓｔ６，Ｃ１１００９（２０１１）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。より高い常温での抵抗率は、バンドギャップの性質が疑似Ｓｉ（Ｓｉ−ｌｉｋｅ）から疑似Ｇｅ（Ｇｅ−ｌｉｋｅ）に変化するＧｅ含有率（約８０％）を最高とするＳｉＧｅ合金によって提供される（Ｊ．Ｗｅｂｅｒｅｔａｌ．によるＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ４０．５６８３（１９８９）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。しかし、大面積ＳｉＧｅウェハは商用とされていないため、ＳｉＧｅに基づくＦＰＤを実現するためにはＳｉ基板上にエピタキシャル成長する手段を用いる他ない。しかし、ＧｅおよびＳｉの格子パラメータおよび熱膨張係数に大きな不整合があることから、Ｘ線吸収体となる１００μｍかそれ以上の十分な厚みのエピタキシャルＳｉＧｅ層に高い欠陥密度（例えば、ミスフィットおよび貫通転位や積層欠陥など）および亀裂が生じる原因となる。加えて、熱ミスフィットによる過度のウェハ反りが原因となり、デバイス処理が全く行われない可能性もある。

ウェハの反りおよび層の亀裂の問題は、平衡とは程遠い成長の問題と共に、ミクロンスケールでのＳｉ基板の深掘パターニングを含む方法によって解決される。これにより、例えば、小さい間隙で隔たれた空間を充填する３次元（３Ｄ）ＳｉＧｅ結晶が生じる（Ｈ．ｖｏｎＫａｎｅｌによる国際特許出願第ＷＯ２０１１／１３５４３２およびＣ．Ｖ．Ｆａｌｕｂｅｔａｌ．によるＳｃｉｅｎｃｅ３３５，１３３０（２０１２）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。結晶がファセット面を有することを前提として、結晶が十分に大きいアスペクト比を得るために、インターフェースから数ミクロンの距離にある結晶領域がすべて無欠陥となるように、上記方法によってすべての貫通転位が排除される（Ｃ．Ｖ．Ｆａｌｕｂｅｔａｌ．によるＳｃｉ．Ｒｐｔｓ．３，２２７６（２０１３）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。しかし、この方法ではＳｉＧｅ／Ｓｉインターフェースに存在するミスフィット転位の高密度は排除できない。この欠陥を排除するには、３ＤＳｉＧｅ結晶のＧｅ含有量を０から最終的な数値までゆっくりと増加する必要がある。組成傾斜のこのような方法は、ミスフィット転位密度に影響を及ぼすことなく、エピタキシャルＳｉＧｅ／Ｓｉ膜における貫通転位密度を低下させるために過去にも利用されてきた（Ｅ．Ａ．Ｆｉｔｚｇｅｒａｌｄｅｔａｌ．によるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５９，８１１（１９９１）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。Ｘ線吸収体に適した高さのある３ＤＳｉＧｅ結晶では、傾斜率が十分に低く維持される限り、ミスフィット応力は弾性的に緩和されることが予想される。ミスフィット転位の欠如により、これらの構造はすべて無欠陥となる（Ｍ．ＳａｌｖａｌａｇｌｉｏによるＪ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１１６，１０４３０６（２０１４）およびＦ．Ｉｓａｅｔａｌ．によるＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ１１４，９７（２０１６）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。

エピタキシャルＳｉＧｅ吸収体は大面積ウェハ上に最低でも２００ｍｍの大きさで成長できるが、その厚みは、価格の理由から、例えば約１００〜２００μｍの範囲に必然的に限定される。これらの条件の下、１００％に近い効率的なＸ線吸収は約３５ＫｅＶ以下の管電圧でのみ見られる。このため、このような吸収体は医療用途においてマンモグラフィーに最も適している。

明白ではあるが、４０ＫｅＶおよび５０ＫｅＶで作動する管によって放出される放射線の１００％近くを１ｍｍおよび２ｍｍがそれぞれ吸収するバルクＧｅウェハに、上記のような厚み制限は存在しない。Ｚが同様のため、ＧａＡｓのＸ線吸収はＧｅのそれと非常に類似し、大面積ウェハもまた市販されている。ＧａＡｓのバンドギャップは１．４ｅＶ以下とされ、冷却が不要となるように抵抗率が最大１０９Ωｃｍとなる半絶縁性に形成されることもできる（Ｍ．Ｃ．Ｖｅａｌｅｅｔａｌ．によるＮｕｃｌＩｎｓｔｒ．Ｍｅｔｈ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．Ａ７５２，６（２０１４）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。その一方で、移動性−寿命（ｍｏｂｉｌｉｔｙ−ｌｉｆｅｔｉｍｅ）製品はＳｉやＧｅなどの素子半導体のそれよりも劣り、この材料から形成された検出器の電荷回収効率およびエネルギー分解能に悪影響を及ぼす。

吸収体の厚みが大きい際に生じる電荷回収効率の低下を補償するために、電極が吸収体の厚みにドリルで詰め込まれることで、正孔対が水平輸送によって収集可能となる３次元検出器構造が考え出された（Ｅ．Ｇｒｏｓｄ‘Ａｉｌｌｏｎｅｔａｌ．によるＮｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒ．Ｍｅｔｈ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．Ａ７２７，１２６（２０１３）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。

原則として、とりわけＣＴに必要とされる高い光子エネルギー（最高約１４０ｋｅＶ）のＸ線の効率的な吸収のためには、より高いＺを有することから、Ｚｎ含有量が約１０％のＣｄＴｅおよびＣｄＺｎＴｅが最適な材料となる。これらは、上記したようなＧａＡｓなどのIII−Ｖ半導体よりも類像性（ｉｃｏｎｉｃｉｔｙ）の程度が高いII−VI半導体である。これらは複数の深いトラップ準位を含み、とりわけ全体の輸送に影響し、高いＸ線束レベルの条件下で陰極の前で陽電荷が重積するという分極現象につながる（Ｄ．Ｓ．Ｂａｌｅｅｔａｌ．によるＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ７７，０３５２０５（２００８）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。これによって、吸収体の内部の電界分布にかなりの変更が生じ、検出器の光子計数モードにおける電荷回収効率および計測されたエネルギースペクトルに悪影響を及ぼす。その他の検出器のパフォーマンスを低下させる影響には、パルスのパイルアップ（キャリア移動性が低いためＧａＡｓに比べてより酷くなる）、隣接するピクセル間の電荷共有、蛍光を発する低エネルギー光子およびコンプトン散乱が含まれる（Ｋ．Ｔａｇｕｃｈｉｅｔａｌ．によるＭｅｄｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ４０１００９０１（２０１３）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。しかし、高エネルギー分解能が必要とされるＦＰＤ製造や適用に上記材料を不適合とする、大面積の高品質ウェハの欠如こそが現在の最大の不利点であるとも言える。

Ｘ線吸収体に使用される材料の種類に関係なく、吸収された光子によって発生されたアナログ電荷パルスが増幅、形成および変換されてデジタル信号となるよう、Ｘ線吸収体は読み出し回路と連通されなければならない。多結晶または非晶質の吸収体材料について上記で説明されたような、吸収体を読み出しウェハに直接蒸着して行うモノリシック構造の製造は、エピタキシャル（単結晶）成長に必要とされる高いサーマルバジェット、高い欠陥密度を引き起こす大面積の格子ミスフィット、そしてウェハの反りおよび層亀裂の原因となる熱ミスフィットにより、単結晶吸収体では実行不可能である。パターニングされたＣＭＯＳ処理されたＳｉ基板上に高さを有する結晶の形状で成長されたエピタキシャルＳｉＧｅ吸収体は、十分な材質を提供できる唯一の例外であるかもしれないが、ここでもサーマルバジェットによる拘束が存在するため、読み出し回路には特別な高温金属化の方法が必要とされ、最先端のＣＭＯＳ処理を用いることができない（ｖｏｎＫａｎｅｌによる米国特許第８，２３７，１２６を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。

利用可能な最新の単結晶吸収体を具備した唯一のモノリシックなピクセルセンサは、Ｓｉ吸収層の厚みを必要としない、高エネルギー物理で用いられる粒子検出のために設計されたものである（Ｓ．ＭａｔｔｉａｚｚｏｅｔａｌによるＮｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒ．Ｍｅｔｈ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．Ａ７１８，２８８（２０１３）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。

実際には、入射Ｘ線光子によって吸収体で生成された電荷パルスが読み出しユニットに送信されるための電気接続を確立するには、双方の間で何らかの形の接合工程が必要とされる。今日利用される２次元の検出器に通常用いられる接合技術は、例えばＭｅｄｉｐｉｘｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎのＣＥＲＮ（http://medipix.web.cern.ch）やＤｅｃｔｒｉｓＡＧ（スイス、バーデン−ダトヴィル所在、http://www.dectris.ch）によって用いられるようなバンプボンディングである。このハイブリッドな方法は非常に柔軟性があり、原理上、十分な面積の単結晶が利用可能なＸ線検出に適した半導体材料であればどれでも適用できる（Ｃｏｌｌｉｎｓｅｔａｌ．による欧州特許第０５７１１３５を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。このようなバンプボンディングされた検出器は生物（Ｅ．ＢｅｒｔｏｌｕｃｃｉによるＮｕｃｌ．Ｓｃｉ．Ｍｅｔｈ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．Ａ４２２，２４２（１９９９）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）、材料科学におけるＣＴ（Ｓ．Ｐｒｏｃｚｅｔａｌ．によるＪｉｎｓｔ８，Ｃ０１０２５（２０１３）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）を含む材料科学（Ｒ．Ｂａｌｌａｂｒｉｇａｅｔａｌ．によるＪｉｎｓｔ８，Ｃ０２０１６（２０１３）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）において多くの利用用途がある。つい最近、ＧａＡｓ吸収体を備えたＭｅｄｉｐｉｘ３ＲＸ分光ピクセル検出器が導入され、分光ＣＴに適することが示され、おそらく小動物の撮像にも適することが近いうちに示されるであろう（Ｅ．Ｈａｍａｎｎｅｔａｌ．によるＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｍｅｄ．Ｉｍａｇｉｎｇ３４，７０７（２０１５）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。

しかし、バンプボンディング技術は比較的高価であるため、例えばコーンビームコンピュータ断層撮影（ＣＢＣＴ）に必要とされるもののような、大面積検出器（ＦＰＤ）の製造には不向きとなる。単一読み出しチップがバタブル（ｂｕｔｔａｂｌｅ）となるには、ミクロ電子チップの３次元統合のために元々開発されたＳｉ貫通電極（ＴＳＶ）技術が用いられなければならず、バンプボンディングがより複雑となる（Ｚ．ＶｙｋｙｄａｌｅｔａｌによるＮｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒ．Ｍｅｔｈ．ｉｎＰｈｙｓ．Ｒｅｓ．Ａ５９１，２４１（２００８）ｏｙｏｂｉＤ．Ｈｅｎｒｙｅｔａｌ．ｎｉｙｏｒｕＩＥＥＥＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ２０１３，ｐｐ５６８を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。これらの制限を解消するための方法の１つは、高価なバンプボンディング技術を、読み出し回路を有するウェハに吸収体ウェハが接合されるウェハ直接接合に代えることである。読み出しウェハと吸収体ウェハを直接接合することで形成された検出器は、エピタキシャル読み出し／吸収体インターフェースを有するものともはや区別ができなくなり、このため読み出しウェハに吸収体層が直接成長されてなる検出器と同様の正当性で「モノリシック」であると言える。ウェハ直接接合による検出器の製造には低温ウェハ接合技術が必要となり、このためのいくつかの方法はつい最近利用されるようになった。

１つ目の方法は、２つの水素不動態化されたウェハの疎水性接合に基づくものである。この方法は、接合の前に予め装置が処理された２つのＳｉウェハの直接接合に適用可能であることが分かっている。疎水性接合は、水素の不動態化工程により自然酸化膜が除去されるため、電気的に透明なインターフェースを提供するという利点がある。しかし、高接着力を得るためには界面上の水素は接合後に除去されなければならない。これは水素放出温度より高い熱アニールによって達成可能となり、標準アルミニウムの金属化には４５０℃以上の温度が許容されないサーマルバジェットの拘束があるため、重要なステップとなる。アニールにはさらなる不利な点があり、インターフェースにおけるガス放散によって、ガス気泡による電気絶縁性のくぼみが生じる。このようなガス気泡を除去するために、接合前にトレンチがエッチングされてもよい（Ｅｓｓｅｒｅｔａｌによる米国特許第６，７８７，８８５を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。疎水性である故の主な不利点は残存し、すなわち熱アニールによる界面上の水素除去が必要とされる。とりわけ、熱膨張係数が異なるウェハ、例えばＳｉとＳｉＧｅ、またはＧａＡｓとＣｄＴｅなどの接合がこれにより排除される。

したがって、高温でのアニール工程を必要とせず、バルク強度（ｂｕｌｋｓｔｒｅｎｇｔｈ）を有する電気的に透明なウェハ直接接合が可能な低温工程が必要とされる。バルク結合強度は、例えばＥＶグループによって開発された１００℃または常温に至るまで低い温度で行われるＳｉウェハ接合のための共有結合性のウェハ接合工程で得られる（Ｃ．Ｆｌｏｔｇｅｎｅｔａｌ．によるＥＣＳＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ６４，１０３（２０１４）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。しかし、電気輸送実験から、共有結合の前にドライエッチングによる酸化物除去を行うと、界面障壁によって電荷キャリアの結合インターフェースの通過が妨げられる可能性があることが判明した。このため、酸化物除去の際に表面のアモルファス化の発生が防止されるか、またはアモルファス層は、例えば従来の水素不動態化工程などによって不動態化されなければならない（Ａ。Ｌｏｓｈａｃｈｅｎｋｏｅｔａｌ．によるＰｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．Ｃ１０，３６（２０１３）およびＴ．Ｊｉａｎｇｅｔａｌ．によるＰｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌ．Ａ２０９，９９０（２０１２）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。

本発明は、現在では負担にならないコストでの大面積ウェハの製造が不可能とされる高Ｚの吸収体材料からさえも、大面積モノリシックピクセルセンサの製造に適用することができる。

必要とされるのは、現在利用されているＦＰＤで被験者が晒される過剰な放射線被ばくを解消するコンピュータ断層撮影（ＣＴ）装置である。このため、現在のエネルギー積分ＦＰＤは、エネルギー識別能力、高感度および高空間分解能を有するＦＰＤに代替される必要がある。光子計数モードを用いることで、幅広い医用撮像工程において放射線量は大幅に低くなる。

ＣＢＣＴユニットは、診察中に被験者が静止した状態になるように、ガントリ型ディスクに取り付けられた少なくとも１つのＸ線源から構成されてもよい（Ｒ．Ｂａｂａｅｔａｌ．によるＣｏｍｐ．Ｍｅｄ．ＩｍａｇｉｎｇａｎｆＧｒａｐｈｉｃｓ２６，１５３（２００２）およびＲ．Ｇｕｐｔａｅｔａｌ．によるＥｕｒ．Ｒａｄｉｏｌ．１６，１１９１（２００６）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。また代替的には、Ｃアームが取り付けられたＣＢＣＴユニットはインターベンショナルスイート（ｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎａｌｓｕｉｔｅ）における撮像に最適と言える（Ｓ．Ｈｉｒｏｔａｅｔａｌ．によるＣａｒｄｉｏｖａｓｃ．Ｉｎｔｅｒｖｅｎｔ．Ｒａｄｉｏｌ．２９，１０３４（２００６）およびＲ．Ｃ．Ｏｒｔｈｅｔａｌ．によるＪ．Ｖａｓｃ．Ｉｎｔｅｒｖ．Ｒａｄｉｏｌ．１９、８１４（２００８）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。上記のようなエネルギー分解デジタルＦＰＤを用いたＣアーム付きのＣＢＣＴユニットによって、Ｘ線源およびＦＰＤの１回転でリアルタイムでの２Ｄ組織特異性の撮像および体積データの取得が可能となる。光子計数モードを利用することで、コントラスト・ノイズ比を現在利用されているＦＰＤの水準に維持しつつ、造影剤の量または放射線量のいずれかを抑制することができる。Ｋ．Ｔａｎｉｇｕｃｈｉｅｔａｌ．によって（開示された内容全体は本件に組み込まれるＭｅｄ．Ｐｈｙｓ．Ｏｃｔ２０１３において）実証されているように、造影剤の量は例として２３％、放射線量は４１％減少することが可能となる。Ｓｉに基づく光子計数検出器は、ＰｈｉｌｉｐｓＭｉｃｒｏＤｏｓｅＳＩマンモグラフィーシステム（ＰｈｉｌｉｐｓＨｅａｌｔｈｃａｒｅ、Ｗｈｉｔｅｐａｐｅｒ，２０１２．ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＤｏｓｅＬｅｖｅｌｓｉｎａＮａｔｉｏｎａｌＭａｍｍｏｇｒａｐｈｙＳｃｒｅｅｎｉｎｇＰｏｒｇｒａｍ）によって実証されているように、平均量の約４０％の減少に貢献する。

ＣＢＣＴ装置の進歩的な構造は、マンモグラフィー、介入性の誘導処置または外部ビーム放射線療法などのリアルタイム３Ｄ撮像を必要とする医療用途のためのモノリシック光子計数ＦＰＤを含んでなる。ＣＢＣＴユニットは、ＣＭＯＳ処理読み出し回路を備えたＳｉウェハに共有結合されたＸ線吸収体から形成されたモノリシックＦＰＤを含んでなる。吸収体への放射線入射によって生成される電気信号は、ＣＭＯＳウェハのインプラントによって収集され、読み出し回路で処理される。

本発明は、血管造影的介入方法や、マンモグラフィー、画像誘導式の整形外科手術、胸部、腹部、頭部、頸部および神経の外科手術、生検、近接照射療法または外部ビーム放射線療法、経皮ドレーンおよびステントの配置やラジオ波焼灼療法などの血管造影を用いない処置などの、３ＤリアルタイムＸ線撮像を必要とする多くの介入性の誘導処置を容易にする、新規の光子計数ＦＰＤを備えたＣＢＣＴによってＸ線医療撮像の利用を拡大することを目的とする。

また、本発明の目的は、軟組織識別に適した高コントラスト・ノイズ比を有する高分解能Ｘ線撮像を可能とするＣＢＣＴ装置を提供することである。

本発明のさらなる目的は、高エネルギーＸ線撮像に適したエネルギー識別性能を有し、読み出し回路を備えたＣＭＯＳ処理ウェハにＸ線吸収体を接合して製造されたモノリシックＦＰＤを含んでなるＣＢＣＴ装置を提供することである。

本発明のまた別の目的は、医療処置の際に放射線吸収量を抑制するための光子計数処理能力を有するＣＢＣＴを提供することである。

Ｓｉ_１−ＸＧｅ_Ｘ合金のバンドギャップの依存性を、Ｇｅ含有量ｘを関数として示したグラフである。Ｃアームコーンビームコンピュータ断層撮影ユニットの概略図である。ウェハの裏面側に吸収体を、表面側にＣＭＯＳ処理された電子回路をそれぞれ有するモノリシックピクセル検出器の断面図である。ＦＰＤの一部を構成する９つのバタブルピクセル検出タイルの平面図である。ＦＰＤの一部を構成する２つのバタブルピクセル検出タイルの断面図である。ＣＭＯＳ処理された読み出し電子回路の裏面側に接合された吸収体結晶（ａｂｓｏｒｂｅｒｃｒｙｓｔａｌ）を有するモノリシックピクセル検出器の断面図である。ＣＭＯＳ処理された読み出し電子回路の裏面側にピクセル化された吸収体結晶が接合されたモノリシックピクセル検出器の断面図である。ＣＭＯＳ処理された読み出し電子回路の裏面側にエピタキシャル吸収体層を有する基板が接合されたモノリシックピクセル検出器の断面図である。ＣＭＯＳ処理された読み出し電子回路の裏面側にピクセル化されたエピタキシャル吸収体層が接合されたモノリシックピクセル検出器の断面図である。読み出し回路を有するＣＭＯＳ処理されたウェハの断面図である。読み出し回路を有するＣＭＯＳ処理されたウェハとハンドリングウェハの断面図である。ハンドリングウェハに接合された、薄層化されＣＭＯＳ処理されたウェハの断面図である。読み出し電子回路を有し、薄層化されＣＭＯＳ処理されたウェハと吸収体層の断面図である。表面側にはハンドリングウェハが、裏面側には吸収体層がそれぞれ接合された、読み出し電子回路を有し、薄層化されＣＭＯＳ処理されたウェハの断面図である。表面側にはハンドリングウェハが、裏面側にはピクセル化および不動態化された吸収体層がそれぞれ接合された、読み出し電子回路を有し、薄層化されＣＭＯＳ処理されたウェハの断面図である。表面側にはハンドリングウェハが、裏面側にはピクセル化、不動態化および接触された吸収体層がそれぞれ接合された、読み出し電子回路を有し、薄層化されＣＭＯＳ処理されたウェハの断面図である。読み出し回路を有するＣＭＯＳ処理されたウェハの断面図である。ピクセル化および不動態化されたエピタキシャル吸収体層を有するウェハの断面図である。読み出し電子回路を有しＣＭＯＳ処理されたウェハとハンドリングウェハの断面図である。ピクセル化および不動態化されたエピタキシャル吸収体層を有するウェハとハンドリングウェハの断面図である。ハンドリングウェハに接合された、薄層化されＣＭＯＳ処理されたウェハの断面図である。ハンドリングウェハに接合された、ピクセル化されたエピタキシャル吸収体層を有する薄層化された基板の断面図である。ハンドリングウェハに接合された、ピクセル化されたエピタキシャル吸収体層を有する薄層化された基板を裏返した断面図である。ピクセル化されたエピタキシャル吸収体層を有する薄層化された基板に接合された、薄層化されＣＭＯＳ処理されたウェハの断面図である。ハンドリングウェハが除去された後の、ピクセル化されたエピタキシャル吸収体層を有する薄層化されたウェハに接合された、薄層化されＣＭＯＳ処理されたウェハの断面図である。ハンドリングウェハおよびボンディング残渣が除去された後の、ピクセル化されたエピタキシャル吸収体層を有する薄層化されたウェハに接合された、薄層化されＣＭＯＳ処理されたウェハの断面図である。ピクセル化され電気的に接触されたエピタキシャル吸収体層を有する薄層化されたウェハに接合された、薄層化されＣＭＯＳ処理されたウェハの断面図である。読み出し回路を有するＣＭＯＳ処理されたウェハの断面図である。ピクセル化および不動態化されたエピタキシャル吸収体層を有するウェハの断面図である。読み出し電子回路を有しＣＭＯＳ処理されたウェハとハンドリングウェハの断面図である。化学機械的研磨を施した後の、ピクセル化および不動態化されたエピタキシャル吸収体層を有するウェハの断面図である。ハンドリングウェハに接合された、薄層化されＣＭＯＳ処理されたウェハの断面図である。ピクセル化されたエピタキシャル吸収体層に接合された、薄層化されＣＭＯＳ処理されたウェハの断面図である。基板が除去された後の、ピクセル化されたエピタキシャル吸収体層に接合された薄層化されたウェハの断面図である。基板が除去され、電気的接触が形成された後の、ピクセル化されたエピタキシャル吸収体層を有する薄層化された基板に接合された、読み出し電子回路を有する薄層化されＣＭＯＳ処理されたウェハの断面図である。ゲルマニウム検出器の一例の斜視図である。「典型的な分解能ＶＳエネルギー」を示した図である。「構造コード」と「検出器別」に関する情報を示すものである。「線源（ｓｏｕｒｃｅ）からエンドキャップまでの間隔が２．５ｃｍの様々なＧｅ検出器の典型的な絶対効率曲線」を示した図である。標準的な検出器における実際のパフォーマンスデータを示す。高エネルギー物理におけるトラッキングアプリケーションのためのハイブリッドシリコンピクセル検出器の可能性を示した画像である。

好適な実施形態の詳細な説明

本発明の目的は、検出器の実際の吸収材料および製造工程の限界を克服することによって、例えばマンモグラフィーやインターベンショナルスイートなどにおけるＸ線３Ｄ撮像を、多くの性能を向上すると共に新しい用途をより低い放射線量で可能にすることである。

本発明は、高Ｚ材料を用いた高感度の大面積モノリシックピクセル検出器（ＦＰＤ）の製造の妨げとなる、材料の不適合性に関する問題を特に解消し、例えばＣアームコーンビームコンピュータ断層撮影（ＣＢＣＴ）ユニットなどにおける使用のために、通常４０ｋｅＶ以上のエネルギーを有するＸ線光子の吸収をとりわけ向上させる。本発明は、好ましくは１００℃以下、または常温での低温ウェハ直接接合技術に基づいており、これによってＣＭＯＳ処理された読み出し回路と単結晶吸収体はモノリシックな検出器構造に結合される。また本発明は、例えばＧａＡｓ、Ｇｅ、ＣｄＴｅ、一般的に約１０％のｘを有するＣｄ_１−ｘＺｎ_ｘＴｅおよびＳｉＧｅなどの、原則的に高品質単結晶からなる大面積ウェハが流通している、または今後流通する可能性のある吸収体材料のいずれにも適用可能である。代替的に、本発明は実質的に欠陥がないことを前提に、大面積Ｓｉウェハ上にエピタキシャル成長することができる吸収体材料に適用可能とされる。とりわけマンモグラフィーにおける適用に適すると特定された好適な材料の種別は、Ｇｅ含有量ｘが約０．２≦ｘ≦０．８、より好ましくは０．６≦ｘ≦０．８のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ合金である。Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ合金のバンド構造は、図１によると０≦ｘ≦０．８では０．９ｅＶ以上のバンドギャップを有するＳｉに疑似する（Ｊ．Ｗｂｅｒｅｔａｌ．によるＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ４０，５６８３（１９８９）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。このバンドギャップはＧｅの０．６６ｅＶと比較すると大きい。したがって、電荷キャリアの熱発生は対応して低くなり、結果としてより高い抵抗率が生じ、これによりこのような合金吸収体に基づく検出器の暗電流は低くなる。その結果、これら検出器の冷却要件が大きく緩和されることが予想される。

次に図２を参照すると、シンチレータおよび薄層フォトダイオードによる間接検出、または多結晶または非晶質吸収体層および薄層トランジスタを有する直接検出器に基づくエネルギー積算ＦＰＤを備えたＣＢＣＴユニットは、ＣＭＯＳ処理された読み出し部と連通する単結晶吸収体を備え、吸収体でＸ線によって生成されるアナログ電気信号がデジタル信号に増幅、形成および変換されるＦＰＤ８を有するＣＢＣＴシステム１に代替される。上記読み出し部は、Ｘ線検出のための感度を、多結晶または非晶質吸収体システムと比較して約１０倍も向上させる光子計数処理能力を有する。ＦＰＤ８は、最大で約１００μｍまたは約５０μｍまたは約２０μｍの空間分解能を有し、少なくとも１つのＸ線源と共にＣアーム上に取り付けられる。読み出し部は、ＦＰＤから電気信号を受信し少なくとも１つのコンピュータ画面にコンピュータ断層の画像を生成するように配置された、データ収集、演算および／または貯蔵機能を提供する１つまたはそれ以上の装置（例としては、データ収集装置、演算装置および貯蔵装置）と連通する。

次に図３Ａに示されるＦＰＤの一般的な実施態様１００を参照すると、該実施態様では
表面側１６に読み出し電子部１４が接合され、裏面側２０に吸収体１８がウェハ直接接合により接合されたＣＭＯＳ処理されたチップ１２からなるモノリシックＣＭＯＳ集積ピクセル検出器が用いられる。ＣＭＯＳ処理されたチップ１２は、当該技術分野で周知のようにＳｉチップであることが好ましい。吸収体１８にＸ線２２が入射すると電子−正孔対２４が生成され、電界線２６として表される電界が厚みｈを有する吸収体１８および厚みｄを有するＳｉチップ１２のドリフト領域２８に存在する場合、各電荷はチップ１２の表面側１６と吸収体１８の表面３４に向かってそれぞれドリフトして引き離される。この電界を確立するための好ましい方法の１つは、チップ１２を第１導電型とする非常に低いドーピング（例えば、ｎドーピングなど）を用いることである。好ましくは、チップ１２の低ドーピングによって、０．５〜２ｋΩｃｍまたは２〜５ｋΩｃｍまたは５〜２０ｋΩｃｍの高い抵抗率が得られる。同様に、吸収体ウェハ１８は好ましくはアンドープまたは低ドープされ、チップ１２とは逆の導電型を示す（例えば、ｐドーピングなど）。導電型がチップ１２のそれと逆でありさえすれば、吸収体ウェハ１８は全くドープされなくてもよい。これにより、チップ１２および吸収体１８は、ダイオードに適切な符号の電圧３０を印加して逆バイアスされると空間電荷領域に大きい電界が生成されることを特徴とするヘテロ接合ｐ−ｎダイオードを形成する。

吸収体１８の金属化されたバックコンタクト３２に印加されるドーピング系列と電圧３０の符号に応じて、正孔４２または電子４４のいずれかがチップ１２の表面側１６に向かって電界線２６に沿ってドリフトし、サイズＬとされる検出器のピクセルを定義するインプラント３８によって収集される。ピクセルのサイズＬは約５〜２００μｍの範囲、好ましくは約１０〜１００μｍの範囲、より好ましくは約２０〜５０μｍの範囲とされる。インプラント３８に収集された電荷４２または４４によって誘起される電気信号は、その後、読み出し部１４の回路４０によって処理されてデジタル信号となる。空乏化に必要とされる電圧３０を制限するために、ドリフト領域２８の厚みｄは低く抑えられることが望ましい。厚みｄは、好ましくは１０〜２００μｍ、より好ましくは約１０〜５０μｍの範囲とされる。吸収体１８の最適な厚みｈは、吸収体の材料および検出する粒子のエネルギーに依拠する。その厚みは約２０〜２００μｍ、または２００μｍ〜１ｍｍ、または数ｍｍまでの範囲とされる。例として、マンモグラフィーの用途には１００〜２００μｍの厚みのＧｅに富んだＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘの吸収体で十分事足りる。実質的に約３０ｋｅＶ以上のＸ線エネルギーを必要とする用途においては、より厚みのある吸収体および／または高Ｚの材料からなる吸収体が使用される必要がある。すべての金属化された層を含む完全ＣＭＯＳ処理チップ１２は、吸収体１８の入手可能な寸法に応じて、例えば約２×２ｃｍ^２、またはより大きい４×４ｃｍ^２または６×６ｃｍ^２または１０×１０ｃｍ^２または１５×１５ｃｍ^２またはそれ以上の大きさであってもよい。限定された場合ではあるが、チップ１２は例えば完全な２００ｍｍウェハまたは３００ｍｍウェハの大部分を覆うことも可能である。

次に図３Ｂを参照すると、本発明におけるウェハ直接接合のアプローチの最大の利点は、例えば読み出しチップ５４〜７８が好ましくは４面においてバタブルとされ、タイル間で最小のデッドスペース８０、８４を有する点である。間隔８０、８４は、例としては１００μｍまたは５０μｍよりも小さくてもよい。図３Ｂに示される実施例では、ＣＭＯＳ処理された読み出しチップは、２００ｍｍまたは３００ｍｍの大きさを有する吸収体ウェハ５０にウェハ直接接合される。図３Ｂにて示されるよりもさらに多くのタイルが吸収体５０に接合可能であることを留意されたい。原則的に、ＣＭＯＳ処理された読み出しウェハ全体は吸収体５０に接合される。代替的に、吸収体の領域が、例えば読み出しチップ１つの大きさと同等の、より小さなサイズである場合、吸収体片はウェハ直接接合によって読み出しウェハに接合されてもよい。例えば図３Ｂで示される構造をいくつか組み合わせることでウェハＦＰＤを形成することも可能である。このようにすると、たとえば２０×２０ｃｍ^２、またはそれ以上の例えば４０×４０ｃｍ^２のサイズのＦＰＤが形成可能となる。

次に図３Ｃを参照すると、本発明のウェハ直接接合へのアプローチのもう１つの最大の利点は、読み出しウェハへの電気的接触がＴＳＶの製造を必要としない点である。実際、吸収体の面積が小さい場合のガードリング接触を除き、すべての電気的接触は読み出しチップ１２の表面側１６で行うことが可能である。これは、吸収体が読み出しチップ１２の上面１６を被覆し、チップに電気的に接触するためにはＴＳＶが必要となるバンプボンディングされたピクセル検出器のアプローチと比較すると大きな違いがある。特に大面積のウェハが流通していない吸収体材料を使用する場合、ウェハ直接接合を行う前にタイルの周囲にガードリングを移植することが有利となる。この場合、ガードリングは好適にはＴＳＶによって接触される。代替的に、ガードリングは読み出しチップ自体に備えられてもよく、この場合ＴＳＶは全く不要となる。

次に図４Ａを参照すると、第１実施形態２００ではモノリシックに集積されたピクセル検出器２１０は、表面側２１６には読み出し部２１４が、裏面側２２０には吸収体２１８が備えられたＣＭＯＳ処理されたウェハ２１２から構成される。実施形態２００は、例えばＳｉＣなど、その熱膨張係数がＳｉのそれから大きく外れない材料から構成される吸収体層２１８に特に適している。例えばＧａＡｓ、Ｇｅ，ＣｄＴｅやＣｄＺｎＴｅなどの、Ｓｉと熱的に不整合な吸収体層２１８にも、検出器２１０の動作温度が常温から大きく外れていない限り適用可能である。５０℃または１００℃までの温度の上昇でさえも許容可能とされる。単結晶吸収体層２１８は常温または常温に近い温度で、ＣＭＯＳ処理されたウェハ２１２の裏面側２２０にウェハ直接接合２５０によって接合される。ウェハ直接接合２５０は、密接な電気的接触を提供する共有結合であることが好ましく、インターフェース状態をいくつか有するか、全く有さず、ウェハ２１２の裏面側２２０全体に渡って吸収体層２１８とドリフト領域２２８の間で酸化物を有さないことが好ましい。電気的接触が密接に行われるように、ウェハ２１２の裏面側２２０と吸収体層２１８の接合面は原子的に平坦で、粒子のない状態でなければならない。ウェハ２１２の裏面側２２０と吸収体層２１８の接合面には、酸化物ゼロの共有結合に必要とされる表面加工を行う前に、化学機械的研磨工程を施すことが勧められる。接合工程には、まだ酸化されていない表面の水分を低減するために任意的な仮接合アニール工程と、任意的な適度な接合後アニール工程とが含まれてもよい。アニール温度は１００℃から２００℃の範囲、または２００℃から３００℃の範囲、または３００℃から４００℃の範囲とされる。いかなる場合も、ＣＭＯＳ処理されたウェハ２１２の金属化の分解を防ぐために、温度は約４５０℃以下でなくてはならない。

吸収体の金属化されたバック接点２３２に大きい電圧２３０が印加され、吸収体２１８およびＣＭＯＳ処理ウェハ２１２のドリフト領域２２８が空乏化すると、吸収された高エネルギー物質粒子または光子によって生成された電子−正孔対は対応する電界において分離され、それぞれピクセルサイズを定義するインプラント２３８および金属電極２３２によって収集される。

次に図４Ｂを参照すると、第２実施形態２００’のモノリシック集積ピクセル検出器２１０’は、表面側２１６に読み出し部２１４を、裏面側２２０に吸収体２１８’を有するＣＭＯＳ処理ウェハ２１２からなる。実施形態２００’は、例えばＧａＰなどの、Ｓｉと格子整合するが熱的に不整合の吸収体層２１８’にとりわけ適する。また、例えばＧａＡｓ、Ｇｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅおよびＳｉＣなどの、Ｓｉと熱的および格子的に不整合の吸収体層２１８’にも適用可能である。吸収体層２１８’はピクセル化され、すなわち幅ｗ_２のトレンチ２５４によって隔たれた幅ｗ_１を有する吸収体パッチ２５２からなる。各吸収体パッチ２５２の幅ｗ_１は、インプラント２３８によって決定されるピクセルサイズＬよりも大きくても、同等でも、小さくてもよい。トレンチ２５４の幅ｗ_２は、各吸収体パッチ２５２の幅ｗ_１よりも好適には小さく、より好適にはｗ_１よりもはるかに小さい。トレンチ２５４の幅ｗ_２は、周知のリソグラフィおよび深反応性イオンエッチング技術で達成可能な最小幅に至るまで狭くてもよい（Ｘ．Ｌｉｅｔａｌ．，ｉｎＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ８７、１３９（２００１）およびＥ．Ｈ．Ｋｌａａｓｅｅｎ，ｉｎＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ５２，１３２（１９９６）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。ＣＭＯＳ処理ウェハ２１２の裏面側２２０および吸収体パッチ２５２は、密接な電気的接触を提供する共有結合２５０’によって、好適にはインターフェース状態をいくつか有するか全く有さないか、あるいは吸収体層２１８’とドリフト領域２２８の間におけるインターフェース間の電荷輸送を向上する（すなわちオーム挙動を得る）ために、ウェハ２１２の裏面側２２０全体に渡ってインターフェース状態が例えば水素によって不動態化されて接合される。密接な電気接触が行われるためには、ウェハ２１２の裏面側と吸収体層２１８’の接合面は原子的に平坦で粒子のない状態で、尚且つ酸化物ゼロでなければならない。ウェハ２１２の裏面側２２０と吸収体層２１８’の接合面には、酸化物ゼロの共有結合に必要とされる表面加工を行う前に、化学機械的研磨工程を施すことが勧められる。接合工程には、まだ酸化されていない表面の水分を低減するために任意的な仮接合アニール工程と、接合後アニール工程とが好ましくは含まれる。吸収体ウェハ２１８’から吸収体パッチ２５２へのパターニングは、ウェハ２１２と吸収体ウェハ２１８’の異なる熱膨張係数により接合後アニール工程の際に応力が加わるのを防ぐために、任意の低温接合後アニール工程の後に行われることが好ましい。仮接合アニール工程および接合後アニール工程は低温で行われる。アニール温度は１００℃から２００℃、または２００℃から３００℃、または３００℃から４００℃の範囲とされる。いかなる場合も、ＣＭＯＳ処理されたウェハ２１２の金属化の分解を防ぐために、温度は約４５０℃以下でなくてはならない。各吸収体パッチ２５２は、吸収体ウェハの表面全体に渡って延長する金属化されたバック接点２３２’によって電気的に接続されてもよい。

吸収体ウェハ２１８’の金属化されたバック接点２３２’に大きい電圧２３０が印加されると、吸収体ウェハ２１８’およびＣＭＯＳ処理ウェハ２１２のドリフト領域２２８の空乏化につながり、吸収された高エネルギー物質粒子または光子によって生成された電子−正孔対は対応する電界において分離され、ピクセルのサイズＬを定義するインプラント２３８および金属電極２３２’によってそれぞれ収集される。

、
次に図４Ｃを参照すると、モノリシック集積ピクセル検出器２１０”の第３実施形態２００”は、表面側２１６に読み出し部２１４、裏面側２２０に吸収体ウェハ２１８”を有するＣＭＯＳ処理されたウェハ２１２からなる。実施形態２００”は、ウェハを製造するのに大面積単結晶の形態では育成できないが、大面積Ｓｉ基板２５６上にエピタキシャル層の形態で育成が可能な吸収体層２１８”にとりわけ適している。吸収体層２１８”は、基板とエピタキシャル層の間のインターフェース２５８でミスフィット転位による高密度が生じるのを防ぐために、Ｓｉ基板に概ね格子整合した半導体材料から形成されていることが好ましい。また、例えばｘが０から１、厚みが数μｍのＧａＰ_１−ｘＡｓ_ｘ合金などの、Ｓｉ基板とのインターフェースに最も近い層が格子整合された組成傾斜層から構成されてもよく、その後、純ＧａＡｓの特性の約４％の完全な格子不整合が到達される。傾斜率、すなわち層厚みを関数とした組成ｘの変化率に応じて、傾斜層の小さなまたは大きな体積に渡って転位が分布される。傾斜率が小さいほど、層の体積分率当たりのミスフィット転位の密度は低くなる。傾斜層の成長フロントに向かって延長する貫通転位の密度は、傾斜率の低下に従って低くなる。

実施形態２００”において、ウェハ直接接合２５０”は、ＣＭＯＳ処理ウェハ２１２の裏面側２２０とエピタキシャル吸収体層２１８”が成長される基板２５６の間で形成される共有結合性のＳｉ−Ｓｉ結合である。密接な電気的接触が形成されるには、ウェハ２１２の裏面側と基板２５６の接合面は原子的に平坦で粒子のない状態で、尚且つ酸化物ゼロでなければならない。ウェハ２１２の裏面側２２０と基板２５６の接合面には、酸化物ゼロの共有結合に必要とされる表面加工を行う前に、化学機械的研磨工程を施すことが勧められる。接合工程は、まだ酸化されていない表面の水分を低減するために、任意的な仮接合アニール工程と、任意的な接合後アニール工程とからなることが望ましい。仮接合アニールおよび接合後アニールは低温で行われる。アニール温度は１００℃から２００℃、または２００℃から３００℃、または３００℃から４００℃の範囲とされる。いかなる場合も、ＣＭＯＳ処理されたウェハ２１２の金属化の分解を防ぐために、温度は約４５０℃以下でなくてはならない。

吸収体の金属化されたバック接点２３２に大きい電圧２３０が印加されると、吸収体２１８”およびＣＭＯＳ処理ウェハ２１２のドリフト領域２２８の空乏化につながり、吸収された高エネルギー物質粒子または光子によって生成された電子−正孔対は対応する電界において分離され、ピクセルのサイズＬを定義するインプラント２３８および金属電極２３２によってそれぞれ収集される。

次に図４Ｄを参照すると、モノリシック集積ピクセル検出器２１０’’’の第４実施形態２００’’’は、表面側２１６に読み出し部２１４と、裏面側２２０にピクセル化された吸収体２１８’’’を有するＣＭＯＳ処理ウェハ２１２からなる。実施形態２００’’’は、ウェハ製造に適した大面積単結晶の形態では成長できないが、幅ｗ_４のトレンチ２５４によって幅ｗ_３に隔てられたエピタキシャル吸収体パッチ２５２の形態のピクセル化されたエピタキシャル吸収体層２１８’’として大面積Ｓｉ基板２５６上で成長可能な吸収体層２１８’’’に好適な実施形態である。各吸収体パッチ２５２の幅ｗ_３は、インプラント２３８によって定義されるピクセルサイズＬよりも大きくても、同等でも、小さくてもよい。トレンチ２５４の幅ｗ_４は、各吸収体パッチ２５２の幅ｗ_３よりも好適には小さく、より好適にははるかに小さい。ＡＲＴの誘電体マスク開口部の間隔によって定義される吸収体パッチ２５２のために、トレンチの幅ｗ_４は、周知のリソグラフィおよび深反応性イオンエッチング技術で達成可能な最小幅、例えば１〜５μｍに至るまで狭くてもよい。吸収体パッチ２５２の本質的に制約された横方向成長によって得られるトレンチの幅ｗ_４はさらに小さく、例えば１００ｎｍ〜１μｍ、または２０ｎｍ〜１００ｎｍであってもよい。

実施形態２００’’’は、Ｓｉ基板２５６と格子的および熱的に不整合な吸収体層に最も好適な形態である。エピタキシャル吸収体層２１８’’’に最適な材料は、好適にはＧｅ含有率が２０％以上のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ合金であってもよい。本実施形態の望ましい態様において、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ合金は約０．６≦ｘ≦０．８という高いＧｅ含有量を有してもよい。約１００〜２００μｍの厚みを有するこのようなＳｉＧｅ合金が使用される場合、マンモグラフィーでの利用などのＸ線エネルギーが４０ｋｅＶ以下に制限された適用にとりわけ適する。本実施形態のさらに望ましい態様では、Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ合金は約０．６≦ｘ≦０．８という高いＧｅ含有量まで組成傾斜され、任意的に、例えば直線的に傾斜された傾斜部の最終組成と等しいキャップ領域を有する。実施形態２００’’’の最も望ましい態様において、Ｓｉ基板２５６とピクセル化された吸収体２１８’’’の間のインターフェース２５８は、本質的に欠陥を有さない。これは、例えばピクセル化された吸収体２１８’’’を形成する半導体パッチ２５２の幅ｗ_３と傾斜率の両方を、吸収体２１８’’’がエピタキシャル成長する際のミスフィット応力の弾性的な緩和を可能にするほど十分に小さく選択することで達成できる（Ｍ．Ｓａｌｖａｌａｇｌｉｏ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１１６，１０４３０６（２０１４）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。傾斜率は好ましくは約３％以下、約２％以下、または１％以下として選択される。本実施形態の他の態様では、基板２５６とピクセル化された吸収体２１８’’’のパッチ２５２の間のインターフェース領域２５８は、本質的に欠陥がない状態ではなくても、吸収体２１８’’’の金属化されたバック接点２３２’とＣＭＯＳ処理ウェハ２１２のインプラント２３８に大きな電圧が印加された際に、暗電流を許容可能なレベルに抑えるのに十分小さいサイズとされる。当業者には周知のように、このような小さいインターフェース領域は、例えば貫通転位が窓の側壁でトラップされ、半導体がそこに向かって選択的に成長される誘電体マスク内に閉じ込められるアスペクト比トラッピング（ＡＲＴ）技術などによく利用される（Ｉ．Ａｂｅｒｇｅｔａｌ．，ＩＥＤＭＳａｎＦｒａｎｃｉｓｃｏ，２０１０を例として参照とし、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。ＡＲＴの介助により、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅなどのＳｉＧｅ以外の吸収体材料を用いることも可能となる。

トレンチ２５４の幅ｗ_４は、吸収体パッチ２５２の幅ｗ_３よりも好適には小さく（比率約１：２）、より好適にははるかに小さい（比率約１：１０または約１：１００）。自己抑制（ｓｅｌｆ−ｌｉｍｉｔｅｄ）エピタキシャル成長工程と深掘パターニング基板が吸収体パッチ２５２のサイズｗ_３を定義するために用いられる場合、トレンチの幅ｗ_４は１μｍ以下、または２００ｎｍ以下、または１００ｎｍ以下であってもよい（ＶｏｎＫａｎｅｌによる国際特許出願第ＷＯ２０１１／１３５４３２を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。代替的に、ＡＲＴの方法が吸収体パッチ２５２のサイズｗ_３を定義するために用いられる場合、トレンチ２５４の幅ｗ_４は誘電体窓の間隔によって定義されてもよく、誘電体マスクのパターニングに用いられるリソグラフィおよび深反応性イオンエッチング技術で達成可能な最小幅に至るほど狭くてもよい。ＣＭＯＳ処理ウェハ２１２の裏面側２２０および基板２５６は、密接な電気的接触を提供する共有結合２５０”によって、好適にはインターフェース状態をいくつか有するか全く有さないか、あるいは吸収体層２１８’’’とドリフト領域２２８の間におけるインターフェース間の電荷輸送を向上する（すなわちオーム挙動を得る）ために、ウェハ２１２の裏面側２２０全体に渡りインターフェース状態が例えば水素によって不動態化されて接合される。密接な電気接触が行われるためには、ウェハ２１２の裏面側２２０と吸収体層２５６の接合面は原子的に平坦で粒子のない状態で、尚且つ酸化物ゼロでなければならない。ウェハ２１２の裏面側２２０と吸収体層２５６の接合面には、酸化物ゼロの共有結合に必要とされる表面加工を行う前に、化学機械的研磨工程を施すことが勧められる。接合工程には、まだ酸化されていない表面の水分を低減するために任意的な仮接合アニール工程と、接合後アニール工程とが好ましくは含まれる。仮接合アニール工程および接合後アニール工程は低温で行われる。アニール温度は１００℃から２００℃、または２００℃から３００℃、または３００℃から４００℃の範囲とされる。いかなる場合も、ＣＭＯＳ処理されたウェハ２１２の金属化の分解を防ぐために、温度は約４５０℃以下でなくてはならない。各吸収体パッチ２５２は、吸収体ウェハの表面全体に渡って延長する金属化されたバック接点２３２’によって電気的に接続されてもよい。

吸収体２１８’’’の金属化されたバック接点２３２’に大きい電圧２３０が印加されると、吸収体ウェハ２１８’’’およびＣＭＯＳ処理ウェハ２１２のドリフト領域２２８の空乏化につながり、吸収された高エネルギー物質粒子または光子によって生成された電子−正孔対は対応する電界において分離され、ピクセルのサイズＬを定義するインプラント２３８および金属電極２３２’によってそれぞれ収集される。

次に図５Ａ〜５Ｇを参照すると、モノリシックピクセル検出器３１０の製造方法３００は次の工程を含む。第１ステップ（図５Ａ）では、好ましくは５００Ωｃｍ以上の抵抗率で軽くｎドープまたは軽くｐドープされたＳｉウェハ３１２は、電荷収集インプラント３３８の間隔によって定義されるサイズＬの各ピクセルにその一部３４０が含まれる読み出し電子回路３１４を得るためにＣＭＯＳ処理が施される。第２ステップ（図５Ｂ）では、ハンドリングウェハ３６０は、ウェハ３１２の任意で化学機械的研磨が施された表面側３１６に接合される。ＣＭＯＳウェハ３１２の表面側３１６とハンドリングウェハ３６０の表面３６２との接合は永久的な接合ではなくても、第３ステップ（図５Ｃ）においてＣＭＯＳウェハ３１２を、例えば化学機械的研磨などによって軽くドープされた領域３２８’の厚みｄ_１が２００μｍ以下となるように薄層化するのに十分な強度を有していなければならない。本実施形態の好適な態様では、厚みｄ_１は１００μｍ以下、より好ましい態様では例えば１０〜２０μｍに至るまで小さい。第４ステップ（図５Ｄ）では、薄層化されたＣＭＯＳウェハ３１２の裏面側３２０’と、共有結合に必要とされる化学機械的研磨および任意的な浅い水素注入が施されることも可能な（下面３３４を有する）厚みｄ_２の吸収体ウェハ３１８の上面３３６に、例えば従来技術から周知の中性化プラズマによる表面酸化物のスパッタエッチングなどによって、酸化物ゼロの共有結合を行うための処理が行われる（Ｃ．Ｆｌｏｔｇｅｎｅｔａｌ．によるＥＣＳＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ６４，１０３（２０１４）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。第５ステップ（図５Ｅ）における好ましくは１００℃から２００℃の範囲、または２００℃から３００℃の範囲、または３００℃から４００℃の範囲の低温での任意的な仮接合アニール工程および接合後アニール工程によって、ＣＭＯＳ処理および薄層化されたウェハ３１２’の裏面側３２０’と吸収体ウェハ３１８の表面３３６との間で強力かつ導電性の接合３５０が提供される。任意的な接合後アニール工程は、例えば、オーム挙動が得られるようダングリングボンドを不動態化するために任意的に注入された水素を発生させることで、接合インターフェースに渡って電荷輸送を妨げるインターフェースバリアの排除に役立つこともある。

吸収体材料がＳｉウェハ３１２’に対して熱膨張係数の不整合が大きいことを特徴とする場合、吸収体ウェハ３１８’はステップ６（図５Ｆ）として、望ましくない熱応力が加わるのを防ぐために、任意の接合後アニールの前に、幅ｗ_２のトレンチ３５４で隔たれた幅ｗ_１を有する個別のパッチ３５２の形態に任意でパターニングされてもよい。各吸収体パッチ３５２の幅ｗ_１は、インプラント３３８によって定義されるピクセルのサイズＬよりも大きくても、同等でも、小さくてもよい。トレンチ３５４の幅ｗ_２は、吸収体パッチ３５２の幅ｗ_１よりも好適には小さく、より好適にはｗ_１よりもはるかに小さい。トレンチ３５４の幅ｗ_２は、周知のリソグラフィおよび深反応性イオンエッチング技術で達成可能な最小幅に至るほど狭くてもよい（Ｘ．Ｌｉｅｔａｌ．，ｉｎＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ８７、１３９（２００１）およびＥ．Ｈ．Ｋｌａａｓｅｅｎ，ｉｎＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ５２，１３２（１９９６）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。各吸収体パッチ３５２の側壁３７４は、表面を不動態化することでピクセルセンサの作動時に漏洩電流を低減する誘電体膜３７６でコーティングされることが勧められる。第７ステップ（図５Ｇ）では、トレンチ３５４は任意で絶縁材３７２が充填されてもよく、金属接点３３２’は好適には各吸収体パッチ３５２を平行に接続する連続金属層として形成されてもよい。

吸収体ウェハ３１８’の金属化されたバック接点３３２’に大きい電圧３３０が印加されると、吸収体ウェハ３１８’および薄層化されたＣＭＯＳ処理ウェハ３１２’のドリフト領域３２８’の空乏化につながり、吸収された高エネルギー物質粒子または光子によって生成された電子−正孔対は対応する電界において分離され、ピクセル検出器３１０のインプラント３３８に収集される。

次に図６Ａ〜６Ｋを参照すると、モノリシックピクセル検出器４１０の製造方法４００は以下のステップを含むとされるが、開示される順番通りに実行される必要はない。第１ステップ（図６Ａ）では、表面側４１６と裏面側４２０を有するＳｉウェハ４１２は、例えば好ましくは５００Ωｃｍ以上の抵抗率で軽くｎドープまたはｐドープされ、電荷収集インプラント４３８の間隔によって定義されるサイズＬを有する各ピクセルにその一部４４０が含まれる読み出し電子回路４１４を得るためにＣＭＯＳ処理が施される。第２ステップ（図６Ｂ）では、幅ｗ_４のトレンチ４５４によって隔たれた幅ｗ_３と高さｈ_２を有する各パッチ４５２の形態でエピタキシャル成長される吸収体４１８の基板となるように、Ｓｉ基板ウェハ４５６はパターニングおよび清浄されてもよい。各吸収体パッチ４５２の幅ｗ_３は、インプラント４３８によって定義されるピクセルのサイズＬよりも大きくても、同等でも、小さくてもよい。従来技術から周知のように、自己抑制エピタキシャル成長工程と深掘パターニング基板が吸収体パッチ４５２のサイズｗ_３を定義するために用いられる場合、トレンチの幅ｗ_４は１μｍ以下、または２００ｎｍ以下、または１００ｎｍ以下であってもよい（ＶｏｎＫａｎｅｌによる国際特許出願第ＷＯ２０１１／１３５４３２を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。代替的に、ＡＲＴの方法が吸収体パッチ４５２のサイズｗ_３を定義するために用いられる場合、トレンチの幅ｗ_４は誘電体窓の間隔によって定義されてもよく、リソグラフィおよび深反応性イオンエッチング技術で達成可能な最小幅に至るほど狭くてもよい（Ｘ．Ｌｉｅｔａｌ．，ｉｎＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ８７、１３９（２００１）およびＥ．Ｈ．Ｋｌａａｓｓｅｎ，ｉｎＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ５２，１３２（１９９２）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。エピタキシャル成長が行われた後、各パッチ４５２の側壁４７４は、任意で誘電体不動態化層によって不動態化されてもよい。不動態化層は、一例としてピクセル検出器４１０が動作中に側壁４７４に沿った表面漏洩を制御するように設計された第１誘電体層４３６からなる。第１誘電体層は、熱酸化物または原子層蒸着（ＡＬＤ）によって形成された酸化物であってもよい。任意的に、不動態化層は側壁４７４の環境的な影響に対する付加的な保護を提供する第２誘電体層４７６から構成されてもよい。それは、従来技術から周知のように原子層蒸着によって蒸着されるＡｌ_２Ｏ_３から形成されてもよい。後に行われるウェハ接合工程のための処理として、吸収体層表面４３４に施される化学機械的研磨の任意の工程において安定性を提供するために、トレンチ４５４には誘電体充填材４７２が付加的に充填されてもよい。

図６Ｃを参照として第３ステップでは、Ｓｉウェハ４１２の表面側４１６は、後に行われる例えば化学機械的研磨工程などによるドリフト領域４２８の薄層化において機械的安定性を与えるために、ハンドリングウェハ４６０の表面４６２と接合される前に任意の化学機械的研磨が施される。図６Ｄを参照として類似する第４ステップ（図６Ｄ）では、エピタキシャル吸収体４１８の表面４３４は、例えば化学機械的研磨工程などによる基板４５６の薄層化において機械的安定性を与えるために、ハンドリングウェハ４８０の表面４８２に接合される。次に図６Ｅを参照として第５ステップでは、ＣＭＯＳ処理ウェハ４１２のドリフト領域４２８は、例えばプラズマエッチングや化学機械的研磨工程を行うことで薄層化される。薄層化されたドリフト領域４２８’を有する薄層化ウェハ４１２’の厚みはｄ_１とされ、好ましくは約１０〜１００μｍ、より好ましくは約１０〜２０μｍの範囲とされる。次に図６Ｆを参照として第６ステップでは、基板４５６’は、例えばプラズマエッチングや化学機械的研磨工程を行うことで薄層化される。薄層化基板４５６’の厚みはｄ_２とされ、好ましくは約１０〜１００μｍ、より好ましくは約１０〜２０μｍの範囲とされる。薄層化されたウェハ４１２’の表面４２０’および薄層化基板４５６’の表面４９０’は、任意的に浅い水素注入が施されてもよく、例えば従来技術から周知の中性化プラズマによる表面酸化物のスパッタエッチングなどによって、酸化物ゼロの共有結合を行うための処理が行われる（Ｃ．Ｆｌｏｔｇｅｎｅｔａｌ．によるＥＣＳＴｒａｎｓ．６４，１０３（２０１４）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。図６Ｇを参照とした第７ステップでは、薄層化基板４５６’または薄層化ＣＭＯＳウェハ４１２’は、任意の仮接合アニール後に表面の酸化物除去を行う前に、第８ステップ（図６Ｈ）で共有結合４５０によって接合されるべく、ウェハ接合のために準備された表面４２０’と４９０’が互いに向き合うように上下逆に返される。任意的な仮接合アニールおよび接合後アニール工程は双方ともに低温で行われる。アニール温度は１００℃から２００℃、または２００℃から３００℃、または３００℃から４００℃の範囲とされる。いかなる場合も、ＣＭＯＳ処理されたウェハ４１２の金属化の分解を防ぐために、温度は約４５０℃以下でなくてはならない。任意的な接合後アニール工程は、例えば、オーム挙動が得られるようダングリングボンドを不動態化するために任意的に注入された水素を発生させることで、接合インターフェースに渡って電荷輸送を妨げるインターフェースバリアの排除に役立つこともある。任意の接合後アニール工程の後、第９ステップ（図６Ｉ）においてハンドリングウェハ４８０は除去され、吸収体パッチ４５２の表面４３４は再び露出される。図６Ｊを参照とした第１０ステップでは、吸収体パッチ４５２の表面４３４はハンドリングウェハ４８０の接合残渣を除去するための任意的な清浄工程にかけられる。その後、トレンチ４５４は、第２ステップ（図６Ｂ）ですでに充填材４７２が充填されている場合を除き、充填材４７２’で任意で充填される。最後に図６Ｋを参照とした第１１ステップにおいて、ドリフト領域４２８’、４５６’および吸収体４１８を空乏化させるために高圧リード４３０が取り付けられた、連続する金属接点として作用する金属層４３２で吸収体パッチ４５２の表面４３４を金属化することで、完全なピクセル検出器４１０を得ることができる。

Ｓｉ基板４５６に格子的にも熱的にも不整合のエピタキシャル吸収体層４１８のためのピクセル検出器４１０を製造するための方法としては、製造方法４００が最も望ましい。吸収体層４１８の好適な材料は、好ましくはＧｅ含有率が２０％以上のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ合金であってもよい。約０．６≦ｘ≦０．８という高いＧｅ含有量のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ合金は、吸収体層４１８にとりわけ適した合金とされる。高Ｇｅ含有率のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ合金から形成された１００〜２００μｍの厚みを有する吸収体層が、マンモグラフィーなどの４０ｋｅＶ以下のＸ線エネルギーに限定された適用に特に適切とされる。最も好ましいＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ合金は、約０．６≦ｘ≦０．８という高いＧｅ含有量ｘまで組成的に傾斜され、例えば直線的に傾斜された傾斜部の最終組成とほぼ等しいキャップ領域を有する。ピクセル検出器４１０の最も望ましい製造方法４００において、Ｓｉ基板４５６とピクセル化された吸収体４１８の間のインターフェース４５８は本質的に欠陥を有さないものとされる。ステップ状の勾配を有するＳｉＧｅナノ構造のより単純な例では効果的であると実証されているように、ｗ_３と傾斜率の両方を、吸収体４１８がエピタキシャル成長する際のミスフィット応力の弾性的な緩和を可能とするほど十分小さく選択することで、これを達成することかできる（Ｍ．Ｓａｌｖａｌａｇｌｉｏ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１１６，１０４３０６（２０１４）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。傾斜率は、好ましくは約３％以下、約２％以下、または約１％以下で選択されてもよい。本実施形態の他の態様では、基板４５６とピクセル化された吸収体４１８のパッチ４５２の間のインターフェース領域４５８は、本質的に欠陥がない状態ではなくても、吸収体４１８の金属化されたバック接点４３２と薄層化ＣＭＯＳ処理ウェハ４１２’のインプラント４３８に大きな電圧を印加した際に暗電流を許容可能なレベルに抑えるのに十分小さいサイズとされる。このような小さなインターフェース領域は、例えば貫通転位が窓の側壁でトラップされ、半導体がそこに向かって選択的に成長される誘電体マスク内に閉じ込められるアスペクト比トラッピング（ＡＲＴ）技術などによく利用される（Ｉ．Ａｂｅｒｇｅｔａｌ．，ＩＥＤＭＳａｎＦｒａｎｃｉｓｃｏ，２０１０を例として参照とし、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。ＡＲＴの介助により、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅなどのＳｉＧｅ以外の吸収体材料を用いることも可能となる。

次に図７Ａ〜７Ｈを参照すると、モノリシックピクセル検出器５１０の代案的な製造方法５００は以下のステップを含むとされるが、開示される順番通りに実行される必要はない。図７Ａを参照すると、第１ステップでは、表面側５１６と裏面側５２０を有するＳｉウェハ５１２は、例えば好ましくは５００Ωｃｍ以上の抵抗率で軽くｎドープまたは軽くｐドープされ、電荷収集インプラント５３８の間隔によって定義されるサイズＬを有する各ピクセルに、その一部５４０が含まれる読み出し電子回路５１４を得るためにＣＭＯＳ処理が施される。次に第７Ｂを参照すると、第２ステップでは、Ｓｉウェハ５５６が、吸収体５１８がＳｉ基板５５６とのインターフェース５５８を形成する個別の吸収体パッチ５５２の形態でエピタキシャル成長する基板となるように、Ｓｉウェハ５５６はパターニングされてもよい。パッチ５５２は幅ｗ_３と高さｈ_２を有し、幅ｗ_４のトレンチ５５４によって隔たれてなる。各吸収体パッチ５５２の幅ｗ_３は、インプラント５３８によって定義されるピクセルのサイズＬよりも大きくても、同等でも、小さくてもよい。吸収体パッチ５５２の高さは約２０〜５０μｍ、好ましくは約５０〜１００μｍ、さらに好ましくは約１００〜２００μｍとされる。従来技術から周知のように、自己抑制エピタキシャル成長工程と深掘パターニング基板が吸収体パッチ５５２のサイズｗ_３を定義するために用いられる場合、トレンチの幅ｗ_４は１μｍ以下、または２００ｎｍ以下、または１００ｎｍ以下とされる（ＶｏｎＫａｎｅｌによる国際特許出願第ＷＯ２０１１／１３５４３２を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。代替的に、ＡＲＴの方法が吸収体パッチ５５２のサイズｗ_３を定義するために用いられる場合、トレンチの幅ｗ_４は誘電体窓の間隔によって定義されてもよく、リソグラフィおよび深反応性イオンエッチング技術で達成可能な最小幅に至るほど狭くてもよい（Ｘ．Ｌｉｅｔａｌ．，ｉｎＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ８７、１３９（２００１）およびＥ．Ｈ．Ｋｌａａｓｓｅｎ，ｉｎＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ５２，１３２（１９９２）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。エピタキシャル成長が行われた後、各パッチ５５２の側壁５７４は、任意で誘電体不動態化層によって不動態化されてもよい。不動態化層は、一例としてピクセル検出器５１０が動作中に側壁５７４に沿った表面漏洩を制御するように設計された第１誘電体層５３６から構成されることも可能である。第１誘電体層は熱酸化物または原子層蒸着（ＡＬＤ）によって形成された酸化物であってもよい。任意的に、不動態化層は、側壁５７４の環境的な影響からの付加的な保護を提供する第２誘電体層５７６から構成されてもよい。それは、従来技術から周知のように、原子層蒸着によって蒸着されるＡｌ_２Ｏ_３から形成されてもよい。後に行われるウェハ接合のための処理として、吸収体表面５３４に施される化学機械的研磨の任意の工程において安定性を提供するために、トレンチ５５４には誘電体充填材５７２が付加的に充填されてもよい。

次に図７Ｃを参照すると、第３ステップでは、Ｓｉウェハ５１２の表面５１６には、後に行われる、例えば化学機械的研磨工程などのドリフト領域５２８の薄層化において機械的安定性を与えるために、ハンドリングウェハ５６０の表面５６２と接合される前に任意で化学機械的研磨が施される。第７Ｄを参照として第４ステップでは、エピタキシャル吸収体５１８の表面５３４は化学機械的研磨工程にかけられ、それによりエピタキシャル吸収体の高さは、例えば高さｈ_３から１〜４μｍだけわずかに低減される。次に図７Ｅを参照とした第５ステップでは、ＣＭＯＳ処理ウェハ５１２のドリフト領域５２８は、例えばプラズマエッチングまたは化学機械的研磨工程などによって薄層化される。ドリフト領域５２８’を有する薄層化ウェハ５１２’の厚みはｄ_１とされ、好ましくは約１０〜１００μｍ、より好ましくは約１０〜２０μｍの範囲とされる。第６ステップでは、薄層化ウェハ５１２’の表面５２０’および吸収体５１８の表面５３４は任意的に浅い水素注入が施され、例えば従来技術から周知のように（Ｃ．Ｆｌｏｔｇｅｎｅｔａｌ．によるＥＣＳＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ６４，１０３（２０１４）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）中性化プラズマにより表面酸化物をスパッタエッチングすることで共有結合のための処理が施され、任意の仮接合アニール工程の後に共有結合５５０で接合される（図７Ｆ）。共有結合５５０には、任意の接合後アニール工程が施されてもよい。任意の仮接合アニール工程および接合後アニール工程は双方ともに低温で行われる。アニール温度は１００℃から２００℃の範囲、または２００℃から３００℃の範囲、または３００℃から４００℃の範囲とされる。いかなる場合も、ＣＭＯＳ処理されたウェハ５１２’の金属化の分解を防ぐために、温度は約４５０℃以下でなくてはならない。任意的な接合後アニール工程は、例えば、オーム挙動が得られるようにダングリングボンドを不動態化するために任意的に注入された水素を発生させることで、接合インターフェースに渡って電荷輸送を妨げるインターフェースバリアの排除に役立つこともある。任意の接合後アニール工程が行われた後、第７ステップにおいて、吸収体パッチ５５２の表面５５８’を露出させるように化学機械的研磨あるいはプラズマエッチングによって、エピタキシャル吸収体５１８の基板５５６は除去されてもよい（図７Ｇ）。特に基板５１２、５１２’とのインターフェースに欠陥を有する場合、高さをｈ_４に低減するために、上記エッチング工程で吸収体パッチ５５２の一部をエッチングで除去することが好ましい。このエッチング工程により、ミスフィット転位だけでなく貫通転位もまた除去されるように、高さｈ_４は高さｈ_３よりも数μｍだけ小さい数値とされる。図７Ｈを参照すると、第８ステップでは、ドリフト領域５２８および吸収体５１８を空乏化させるための高圧リード５３０が取り付けられることも可能な、金属接点として作用する金属層５３２を備えた吸収体パッチ５５２の表面５５８’を金属化することで、完全なピクセル検出器５１０を得ることができる。

ピクセル検出器５１０の製造方法５００は、検出器の動作中に薄層化ドリフト領域５２８’の厚みｄ_１と吸収体パッチ５５２の高さｈ_４のみが空乏化されればよいという利点を有する。また、Ｓｉ基板５５６と格子的および熱的に不整合の吸収体層５１８のためのピクセル検出器５１０に好ましい製造方法でもある。吸収体層５１８に好ましい材料は、好ましくはＧｅ含有率が２０％以上のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ合金であってもよい。約０．６≦ｘ≦０．８という高いＧｅ含有量を有するＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ合金は、エピタキシャル吸収体層５１８に特に適した合金とされる。このような高いＧｅ含有率を有するＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ合金からなる約１００〜２００μｍの厚みを有する吸収体層は、マンモグラフィーでの利用などのＸ線エネルギーが４０ｋｅＶ以下に制限された適用にとりわけ適する。最も好ましいＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ合金は、約０．６≦ｘ≦０．８という高いＧｅ含有量まで組成傾斜され、任意的には例えば直線的に傾斜された傾斜部の最終組成と等しいキャップ領域を有する。ピクセル検出器５１０の最も好ましい製造方法５００において、Ｓｉ基板５５６とピクセル化された吸収体５１８の間のインターフェース５５８は本質的に欠陥を有さない。ステップ状の勾配を有するＳｉＧｅナノ構造のより単純な例では効果的であると実証されているように（Ｍ．Ｓａｌｖａｌａｇｌｉｏ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１１６，１０４３０６（２０１４）を例として参照し、開示された内容全体は本件に組み込まれる）、ピクセル化された吸収体５１８を形成する半導体パッチ５５２の幅ｗ_３と傾斜率の両方を、吸収体５１８がエピタキシャル成長する際のミスフィット応力の弾性的な緩和を可能とするほど十分小さく選択することで、これを達成することかできる。傾斜率は約３％以下、より好ましくは約２％以下または１％以下で選択されることが好ましい。本実施形態の他の態様では、基板５５６とピクセル化された吸収体５１８のパッチ５５２の間のインターフェース領域５５８は、本質的に欠陥がない状態ではなくても、吸収体５１８の金属化されたバック接点５３２と薄層化ＣＭＯＳ処理ウェハ５１２’のインプラント５３８に大きな電圧を印加した際に暗電流を許容可能なレベルに抑えるのに十分小さいサイズとされる。当業者には周知のように、このような小さなインターフェース領域は、例えば貫通転位が窓の側壁でトラップされ、半導体がそこに向かって選択的に成長される誘電体マスク内に閉じ込められるアスペクト比トラッピング（ＡＲＴ）技術などによく利用される（Ｉ．Ａｂｅｒｇｅｔａｌ．，ＩＥＤＭＳａｎＦｒａｎｃｉｓｃｏ，２０１０を例として参照とし、開示された内容全体は本件に組み込まれる）。ＡＲＴの介助により、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅ合金などのＳｉＧｅ以外の吸収体材料を用いることも可能となる。

（モノリシックＣＭＯＳ集積ピクセル検出器を備えた光子計数ＣＢＣＴの例示的な適用）
本発明のＣＢＣＴは、以下に記載される人間または動物のいずれかの医療用途、そして以下で説明されるその他の用途のための方法に組み込まれると共に使用される。

（投影Ｘ線撮影法（ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ）の実施例）
本発明のＣＢＣＴは、被写体を透過するＸ線がデジタル情報を生成する電気信号に変換され、さらに局所的または遠隔的にコンピュータの画面上に表示される画像に変換されるデジタルＸ線撮影システムとして用いられる。

単純Ｘ線撮影に本発明のＣＢＣＴを用いたシステムおよび方法を組み合わせることで、典型的な診断が得られる病態は数多くある。それらのシステムおよび方法の例としては、様々な種類の関節炎、肺炎、骨腫瘍、骨折、先天性骨格異常およびその類の病理を診断するものを含む。

（画像化治療の実施例）
モノリシックＣＭＯＳ集積ピクセル検出器を導入することで、Ｘ線透視装置の設計においてヨウ化セシウム（ＣｓＩ）スクリーンの置換が可能となる。このため、応用分野は同様であっても、本発明のＣＢＣＴの定義としては「Ｘ線透視装置」よりも「４次元ＣＴ」（４ＤＣＴ）の方がより正確とされる。モノリシックＣＭＯＳ集積ピクセル検出器を備えた光子計数ＣＢＣＴは、運動中の解剖学的構造のリアルタイムでの撮像を可能とし、この方法は任意で造影剤によって増補される。造影剤は、解剖学的な輪郭の描写および血管や例えば泌尿生殖システムまたは胃腸管などの様々なシステムの機能をみるために、嚥下または患者の体内に注射されて投与される。現在常用されている造影剤には２つある。バリウム硫酸（ＢａＳｏ_４）は胃腸管の評価のために被検体に経口または直腸から投与される。様々な配合のヨウ素は、経口、直腸、動脈内、静脈内の経路から投与される。これらの造影剤はＸ線を吸収または散乱し、リアルタイム撮像に伴い、血管系における消化管または血流内の力学的な生理的工程の撮像を可能にする。また、ヨード造影剤は、異常（例えば腫瘍、嚢胞、炎症部など）が可視できるように、異常部位では通常の組織とは異なる濃度で濃縮される。

より一般的には、ＣＢＣＴは画像化治療システムおよび方法において使用される。画像化治療には、本件で説明されたピクセル検出器を有するシステムおよび方法を用いた画像化システムによってガイドされる低侵襲処置が含まれる。それらの処置は診断的なものか、血管造影法や血管形成法などの治療やそれに用いられるシステムに関する。この例示的なシステムは、末梢血管疾患、腎動脈狭窄、下大静脈フィルター配置、胃瘻チューブ配置、胆管ステント介入および肝性介入（ｈｅｐａｔｉｃｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎ）を診断および／または治療するためのシステムを含む。また、画像誘導型の整形、胸部、腹部、頭頸部および神経の外科処置や、生検、近接照射治療、体外放射線治療、経皮ドレナージおよびステント配置、または高周波アブレーションなどの非血管造影処置も含まれる。ピクセル検出器を用いたシステムの介助により生成された画像は、誘導のために用いられる。ピクセル検出器の介助により生成された画像は、介入的な放射線科医が被検体の病状が見られる部位まで体内に機器を誘導することを可能にするマップを提供する。これらのシステムおよび方法により、例えば血管造影的介入のある処置、画像誘導型の整形、胸部、腹部、頭頸部および神経の外科処置や、生検、近接照射治療、体外放射線治療、経皮ドレナージおよびステント配置、または高周波アブレーションなどの非血管造影処置において、被検体の身体的組織の外傷を最小限に抑え、感染率、回復期間および入院日数を低減する。

以下の米国特許文献、外国特許文献およびその他の公開文書は参照により、本件に記載されたかのように本件に組み込まれ、依拠される。

米国特許文献
５，７１２，４８４１／１９９８Ｈａｒａｄａ他
６，７８７，８８５Ｂ２９／２００４Ｅｓｓｅｒ他
８，２３７，１２６Ｂ２８／２０１２ｖｏｎＫａｎｅｌ他
８，３７８，３１０Ｂ２２／２００９Ｂｏｒｎｅｆａｌｋ他
８，７９２，９６５Ｂ２７／２０１４Ｎｉｎｇ他

その他の特許文献
ＥＰ０５７１１３５Ａ２１１／１９９３Ｃｏｌｌｉｎｓ他
ＷＯ０２／０６７２７１Ａ２８／２００２Ｒｕｚｉｎ
ＥＰ１６９１４２２Ａ１８／２００６Ｙａｓｕｄａ他
ＷＯ２００６１１７７２０Ａ２１１／２００６Ｐｒｏｋｓａ他
ＷＯ２０１１１０２７７９Ａ１８／２０１１Ｄａｎｉｅｌｓｓｏｎ他
ＷＯ２０１１／１３５４３２Ａ１１１／２０１１ｖｏｎＫａｎｅｌ他
ＷＯ２０１４１２３７２６Ａ１８／２０１４Ｎｉｎｇ他

付加的な公開文書
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http://www.canberra.com/products/detectors/germanium-detectors.asp
http://.dectris.ch
ttp://www.healthcare.philips.com

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（ゲルマニウム検出器）
図８はゲルマニウム検出器の例の斜視図を示す。

（序文）
ゲルマニウム検出器は、ｐ−ｉ−ｎ構造を有する半導体ダイオードであり、その真性（ｉ）領域は特にＸ線およびガンマ線などの電離放射線に対する感応性を有する。逆バイアス下において、電界は真性領域または空乏化領域に渡って延長する。検出器の空乏化された体積内で光子が材料と相互作用すると、電荷キャリア（正孔と電子）が生成され、電界によってｐおよびｎ電極へ移動される。この電荷は、入射する光子によって検出器に堆積されるエネルギーに比例し、積分電荷有感型プリアンプによって電圧パルスに変換される。

ゲルマニウムは比較的低いバンドギャップを有するため、電荷キャリアの熱的生成（従って逆漏れ電流）を許容可能なレベルまで低下させるために、検出器は冷却されなければならない。さもなければ、漏れ電流から発生するノイズによって検出器のエネルギー分解能が破壊されてしまう。図９は「一般的な分解能対エネルギー」を示した図である。７７°Ｋの温度を有する液体窒素は、このような検出器のための冷却媒体として一般的に用いられる。検出器は、ＬＮ２デュワに取り付けられるか、挿入された真空チャンバに設けられる。感応性検出器の表面は、このように水分および凝縮性汚染物質から保護される。

ゲルマニウム検出器
（ゲルマニウム検出器の種別）
キャンベラ社は業界で最も多くの種類の検出器を提供している。適切な技術を材料および処理技術の両方に用いることで、キャンベラ社は幅広い用途に最適となる検出器を提供することが可能である。このような多種多様な製品を得るために、ｐ型とｎ型の両方のゲルマニウムと、拡散、注入およびバリア接点（ｂａｒｒｉｅｒｃｏｎｔａｃｔ）式のものが用いられる。

（クライオスタット）
液体窒素クライオスタットは、Ｇｅ検出器システムの信頼性のある長期的なパフォーマンスを保証するうえで、最も重要でおそらく最も評価されていない要素であるだろう。キャンベラ社は、最も過酷な動作条件における検出器の長寿命を保証する厳しい品質基準で、独自のクライオスタットを製造している。

標準的なキャンベラ社のクライオスタットは、コンパクトシリンダに検出器チャンバとプリアンプが共に搭載されるスリムデザイン型である。

Ｕｌｔｒａ−ＬＥＧｅやＳｉ（Ｌｉ）などの低エネルギー検出器には、この種別の検出器に関連する小径（２５ｍｍ）のエンドキャップに互換性のあるフランジ型クライオスタットが用いられる。フランジ型クライオスタットは、検出器のその他の種類でも別途有料のオプションとして入手可能である。

キャンベラ社は、小真空チャンバに搭載された検出器と併せて、当分野で再構成されることが可能な変換式クライオスタットの一連の製品も提供する。

液体窒素不使用の操作を求められる適用には、ＣｒｙｏｌｅｃｔｒｉｃIIがキャンベラ社から提供される。この電気的に冷却されるクライオスタットは、ＣＦＣを有さない冷却材を使用し、産業上および実験室での用途に適する。

図１０は「構造コード」および「検出器の種類」に関する情報を表示する。

図１１は「線源からエンドキャップまでの間隔が２．５ｃｍの様々なＧｅ検出器の典型的な絶対効率曲線」を描いた図を示す。

ゲルマニウム検出器
（プリアンプ）
Ｇｅ検出器で使用されるプリアンプには２つの種類しかない。これらは、インテグレータを放電するために動的な充電回復（ＲＣフィードバック）またはパルス式の充電回復（パルス式光学またはトランジスタリセット）のいずれかの方法を用いる電荷感応型プリアンプである。以下の図は、フィードパック抵抗器の数値と約２０ボルトに制限されたインテグレータの動的出力電圧範囲の関数である、分離されたＲＣフィードバックプリアンプのエネルギー比率の限界を表す。

エネルギー比率の限界は、低い数値の帰還抵抗を選択することで大幅に上げることができるが、もちろんそれに伴いノイズも増加する。図１２は一般的な検出器の実際のパフォーマンスデータを示す。

パルス式光学リセットプリアンプは、分解能が最も重要視される低エネルギー検出器で幅広く用いられている。イベント当たりの平均エネルギーが低いまたは適度で抑えられている限り、帰還抵抗を排除することでデッドタイムに重大な影響を及ぼすことなくノイズを削減できる。５．９ｋｅＶ／イベントでは、キャンベラ社の２００８プリアンプはリセット間でおおよそ１０００パルスを処理可能とする。リセット回復時間は２〜３増幅器パルス幅となるため、この場合データの損失は少ない。しかし、光学フィードパックシステムは、ＦＥＴにおける光活性化表面状態により長い回復時間を要することもある。構成要素の選択および加工を適正に行うことで、この問題は最小限に抑えることも可能ではあるが、一般的にパルス式光学システムではある程度は生じるものとされる。リセットが、例えばわずか１０イベント毎の頻度で頻繁に行われる必要のある高エネルギーでは、スプリアス応答が深刻な問題になり得る。このため、同軸検出器ではパルス式光学フィードパックシステムは通常使用されない。

抵抗器リセットプリアンプは、高エネルギーでのパルス式光学リセットプリアンプに関連する問題を克服するための試みとして開発された。帰還コンデンサは、ＦＥＴゲートに接続されたトランジスタスイッチによって解放される。このトランジスタによって入力回路にキャパシタンスおよびノイズが生じるが、ほとんどの高カウントまたは高エネルギー比率での適用において許容されるものである。高効率パフォーマンスのために選択された帰還抵抗を備えたＲＣプリアンプと比較して、トランジスタリセットプリアンプでは生じるノイズは少ないが、増幅器はプリアンプの周期的なリセットから回復するには２〜３パルス幅を必要とするため、デッドタイムを犠牲とする。このように、高いスループットレートが要求される適用では、トランジスタリセットプリアンプは良い選択とはならない。ＲＣプリアンプが飽和するほどエネルギー比率が高い場合に使用することもできるが、この場合スループットレートは非常に小さくなる。

（システム）
本カタログの他所で説明されるＮＩＭ、ＭＣＡおよびコンピュータシステムに加え、キャンベラ社はゲルマニウム検出器の一連の製品を補完するように設計された多くのオプションや付属品を提供する。以下は提供される機器およびシステムの一部のリストである。これらシステムのいくつかは、別の仕様書やパンフレットにて説明されるが、その他の物は特注品となる。所望する特定の要件に合致するシステムを提案および供給する準備はできている。キャンベラ社の地域の代理店または工場に連通を取り、問題や用途を説明すると、直ちに提案書を送る。

（付属品）
液体窒素供給デュワ
ＬＮ２移送装置
自動ＬＮ２移送システム
ＬＮ２レベル警報機
低レベル計数のための鉛遮蔽体
コンプトン抑制分光計

Ｍｅｄｉｐｉｘホームページへようこそ！
図１３は、高エネルギー物理におけるアプリケーショントラッキングのためのハイブリッドシリコンピクセル検出器の能力を示した画像である。１９９５年のＷＡ９７実験での、５０万ピクセルのテレスコープを通り抜ける１５３の高エネルギー粒子飛跡を示す。この画像の赤い点はそれぞれ飛跡が衝突したピクセルを表し、誤った衝突をするピクセルは１つもない、つまり、この１マイクロ秒のシャッタータイムで撮られた画像はノイズを有さないのだ。これが、ほとんど全てのＬＨＣ実験でバーテックス検出器にハイブリッドピクセル技術が導入されるようになった主要なパラメータである。また、これはこの技術が撮像応用に非常にユニークである理由でもある。

Ｍｅｄｉｐｉｘのチップ系列をもって、ＣＥＲＮにおけるＬａｒｇｅＨａｄｒｏｎＣｏｌｌｉｄｅｒ実験の必要性から開発された技術を科学のその他の分野への普及を図ってきた。

４つの研究所からなる小規模の共同研究がＭｅｄｉｐｉｘ１または光子計数チップ（ＰＣＣ）を作成し、ノイズのない単一光子計数を提供する新しい技術の可能性を示した９０年代にこの活動は開始した。

１９９０年代の終わりには、画素サイズを縮小し、チップ当たりの画素数を増加させるために、ディープサブミクロンＣＭＯＳの潜在能力を利用することを目的としてＭｅｄｉｐｉｘ２が形成された。その努力の賜物がＭｅｄｉｐｉｘ２チップである。

チップの広範に及ぶ特性評価において、小さい画素サイズに対するチップのパフォーマンスがセンサ内での電荷拡散により最終的に制限されることが認められた。深いディープサブミクロンＣＭＯＳ処理が利用可能となったことで、イベント毎での画素の相互の連通を可能にすることによって、電荷拡散の影響を軽減することが現在では可能となった。さらに、単一の小さいピクセルに２つのカウンターを一体化することが可能となり、１つの画像が撮像される間に前の画像の読み出しが可能となる。これが、Ｍｅｄｉｐｉｘ３が成し遂げたいと望んでいることである。

Claims

コーンビームコンピュータ断層（ＣＢＣＴ）システムであって、
ａ．少なくとも１つのＸ線源（９）と、
ｂ．Ｘ線の直接検出のために配置された平面パネル検出器（８、１０、２１０、２１０’、２１０’’、２１０’’’、３１０、４１０、５１０）（ＦＰＤ）であって、
ＦＰＤは、
ｉ．ＣＭＯＳ処理された表面側（１６、２１６、３１６、４１６、５１６）と裏面側（２０、２２０、３２０’、４２０’、５２０’）を有し、読み出し電子部（１４、２１４、３１４、４１４、５１４）を表面に有する少なくとも１つのＣＭＯＳ処理された読み出しウェハ（１２、２１２、３１２’、４１２’、５１２’）と、
ｉｉ．読み出し電子部と通信する表面側に設けられる埋め込み電荷収集器（３８、２３８、３３８、４３８、５３８）であって、各埋め込み電荷収集器は当該埋め込み電荷収集器の間隔によって定義されるサイズＬの画素に関連付けられた埋め込み電荷収集器と、
ｉｉｉ．単結晶材料からなる少なくとも１つの吸収体ウェハ（１８、５０、２１８、２１８’、２１８’’、２１８’’’、３１８’、４１８、５１８）と、
を備え、
上記少なくとも１つのＣＭＯＳ処理された読み出しウェハと上記吸収体ウェハは、共有結合性のウェハ接合（２５０、２５０’、２５０’’、３５０’、４５０、５５０）によってウェハ接合され、前記埋め込み電荷収集器（３８、２３８、３３８、４３８、５３８）は、前記吸収体ウェハに入射するＸ線によって生成される電気信号を収集するように配置され、
ｃ．上記ＦＰＤ（８、１０、２１０、２１０’、２１０’’、２１０’’’、３１０、４１０、５１０）からの電気信号を受信し、少なくとも１つのコンピュータ画面でコンピュータ断層画像を生成するように配置および接続された、データ収集、計算および／または記憶の機能性を提供する１つまたはそれ以上の装置と
からなることを特徴とするコーンビームコンピュータ断層（ＣＢＣＴ）システム。
上記少なくとも１つのＸ線源と上記ＦＰＤは、画像化治療またはマンモグラフィーのための３Ｄイメージングを可能とするＣアームに取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
上記ＦＰＤ（８、１０、２１０、２１０’、２１０’’、２１０’’’、３１０、４１０、５１０）および上記データ収集を提供する１つまたはそれ以上の装置は、エネルギー分解された単一光子の計数を可能とする光子計数能力を提供するように形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
上記少なくとも１つのＣＭＯＳ処理された読み出しウェハは、１０〜１００μｍの厚みを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
共有結合性のウェハ接合（２５０、２５０’、２５０’’、３５０’、４５０、５５０）は、上記少なくとも１つの吸収体ウェハ（１８、５０、２１８、２１８’、２１８’’、２１８’’’、３１８’、４１８、５１８）と上記少なくとも１つのＣＭＯＳ処理された読み出しウェハ（１２、２１２、３１２’、４１２’、５１２’）の上記裏面側との酸化物を有さない共有結合性のウェハ接合であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
上記ＦＰＤは、５０〜１００μｍの間隔で離隔したバタブルタイルからなり、上記ＦＰＤは少なくとも２０×２０ｃｍ２の面積からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
上記ＦＰＤは１００〜２００μｍの範囲の空間分解能を提供するように適合されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステム。
上記少なくとも１つのＸ線源、ＦＰＤおよびデータ収集、計算および／または記憶の機能性を提供する１つまたはそれ以上の装置は、投影Ｘ線撮影、マンモグラフィーおよび画像化治療からなる応用群の１つにおける利用に適合されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のシステム。
上記吸収体は、Ｓｉよりも大きい原子番号を有する少なくとも１つの元素からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のシステム。
上記吸収体は、Ｓｉ、０≦ｘ≦１の割合のＧｅを有するＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ合金、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅおよび約１０％のｘを含むＣｄ_１−ｘＺｎ_ｘＴｅからなる吸収体材料群のうち１つから作られることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のシステム。
上記吸収体は、０≦ｘ≦１の割合のＧｅを有するＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ合金から作られ、Ｓｉ基板上のエピタキシャル層の厚みが１００〜２００μｍであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のシステム。
上記吸収体は、０．６≦ｘ≦０．８の割合のＧｅを有するＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ合金から作られ、Ｓｉ基板上のエピタキシャル層の厚みが１００〜２００μｍであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のシステム。
上記少なくとも１つのＣＭＯＳ処理された読み出しウェハは、上記少なくとも１つの吸収体で吸収されたＸ線光子によって生成されたアナログ電気信号を受信するように形成されたインプラントを表面側に有してなり、上記データ収集、計算および／または記憶の機能性を提供する１つまたはそれ以上の装置で処理され、少なくとも１つのコンピュータ画面でコンピュータ断層画像として表示されるように、電気回路によってこれら電気信号を増幅、成型してデジタル信号に変換することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のシステム。
コーンビームコンピュータ断層撮影（ＣＢＣＴ）を行う方法であって、
ａ．少なくとも１つのＸ線源（９）を提供し、
ｂ．ＣＭＯＳ処理された表面側（１６、２１６、３１６、４１６、５１６）と裏面側（２０、２２０、３２０’、４２０’、５２０’）を有し、読み出し電子部（１４、２１４、３１４、４１４、５１４）を表面に有する少なくとも１つのＣＭＯＳ処理された読み出しウェハ（１２、２１２、３１２’、４１２’、５１２’）を提供し、
ｃ．読み出し電子部と通信する表面側に設けられる埋め込み電荷収集器（３８、２３８、３３８、４３８、５３８）であって、各埋め込み電荷収集器は当該埋め込み電荷収集器の間隔によって定義されるサイズＬの画素に関連付けられた埋め込み電荷収集器を提供し、
ｄ．単結晶材料からなる少なくとも１つの吸収体ウェハ（１８、５０、２１８、２１８’、２１８’’、２１８’’’、３１８’、４１８、５１８）を提供し、
ｅ．少なくとも１つの単結晶材料からなる前記吸収体ウェハ（１８、５０、２１８、２１８’、２１８’’、２１８’’’、３１８’、４１８、５１８）を少なくとも１つのＣＭＯＳ処理された前記読み出しウェハ（１２、２１２、３１２’、４１２’、５１２’）に共有結合し、前記埋め込み電荷収集器（３８、２３８、３３８、４３８、５３８）が、前記吸収体ウェハに入射するＸ線によって生成される電気信号を収集するように配置されることでモノリシックなＦＰＤを形成し、
ｆ．上記ＦＰＤおよびデータ収集、計算および／または記憶の機能性を提供する少なくとも１つの装置を単一光子の計数能力を提供するように配置し、
ｇ．上記少なくとも１つのＸ線源およびＦＰＤをＣアーム（２）に取り付け、患者が適切な施術位置に配置された状態で、上記データ収集、計算および記憶の機能性を提供する少なくとも１つの装置と連通するように、少なくとも１つの読み出しウェハ（１２、２１２、３１２’、４１２’、５１２’）を作動し、
ｈ．上記ＦＰＤから電気信号を受信するように上記少なくとも１つの装置を配置し、
ｉ．少なくとも１つのコンピュータ画面にコンピュータ断層画像を生成する
ステップからなる方法。