KR100383867B1 - 방사선검출시스템및그의제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다수개의 다결정 입자로부터 형성된 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체인 방사선 검출 다결정 물질로 이루어진 연속 막을 포함하는 방사선 검출 시스템을 제공한다. 상기 입자는 응집성 있는 단일 연속 막을 형성하기 위해 동시에 소성된다.
Description
요오드화 제2 수은(mercuric iodide)(이하, 'HgI2'라 칭함), 카드뮴 텔루라이드(이하,"CdTe"라 칭함), 카드뮴 진크 텔루라이드(이하, "CdZnTe"라 칭함), 요오드화납(이하, "PbI2"라 칭함)의 단결정들(single crystals)은 상온(room temperature)에서 동작하는 널리 알려진 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체의 X선 및 감마선 방사 검출기이다.
문제는 고품질의 단결정을 생산하는데 많은 비용이 소모된다는 것이다; 상대적으로 작은 영역(area)을 갖는 결정으로 넓은 영역을 커버할 경우에, 모자이크 형태로 결정을 교대로 배열해야 하므로 검출 시스템의 비용을 증가시킨다. CdTe 및 CdZnTe와 같이 높은 용융점을 갖는 결정과 PbI2와 같이 낮은 용융점을 갖는 결정을 성장시키기 위해서는 매우 비싼 성장 비용을 필요로 한다. 그러므로, 매우 넓은 영역을 갖는 검출 시스템을 위해 모자이크 형태로 상기 결정을 이용할 때 이용이 곤란한 매우 작은 크기(
10㎟)와 두께(
100㎛)를 갖는 결정만이 생산되어 왔다.
1995년의 PbI2단결정에 대한 기술 상황은 현재까지 매우 작은 결정이 저 에너지 검출기(low energy detector) 내에 조립되어 왔다는 것이다.
최저의 용융점을 갖는 반도체(HgI2)는 또 다른 문제점을 갖고 있다; HgI2단결정은 기체 상태로 생성되고, 5× 5 ㎠의 검출기 플레이트로 절단할(slice) 수 있는 커다란 크기를 갖는 결정은 거의 3개월의 성장 기간을 필요로 한다. 더욱이, 소잉(sawing) 동작과 연마(polishing) 동작은 물질의 60% 손실을 초래한다.
따라서 상기한 모든 요인은 결정과 상기 결정으로부터 제조된 검출기의 제조원가를 상승시킨다.
이 발명은 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체인 방사선 검출 다결정 물질(wide band gap semiconductor, radiation-detecting, polycrystalline material)로 이루어진 연속 막을 포함하는 방사선 검출 시스템(radiation detection system) 및 상기 방사선 검출 시스템에 사용하기 위한 연속 막의 제조 방법에 관한 것이며, 또한 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체인 방사선 검출 물질로 이루어진 연속 박막을 구비하는 영상 시스템(imaging system)을 위한 영상 수신기(image receptor)에 관한 것이다.
도 1은 반도체 다결정 플레이트를 생산하기 위한 고온 압축 시스템의 구성도.
도 2는 요오드화 제2 수은(mercuric iodide) 또는 요오드화 납(lead iodide)을 위한 고온 프레싱 가열 처리 시간의 프로파일(profile)을 도시하는 그래프.
도 3은 본 발명의 방법에 따라 생산되는 다결정 요오드화 제2 수은(HgI2) 검출 플레이트(detector plate)가 60keV의 감마선(gamma radiation)에 대해 응답하는 방사선 응답도의 예를 도시하는 그래프.
도 4는 50× 50㎟ 픽셀을 나타내는 금속/HgI2/금속의 다층 박막 구조의 포토리소그래픽.
도 5는 50× 50㎟ 픽셀을 도시하는, Si/HgI2/금속의 다층 박막 구조의 포토리소그래픽.
도 6은 HgI2박막 증착 시스템의 개략도.
도 7은 박막 검출기 카메라(thin film detector camera)에 적합한 벌크 HgI2검출기 카메라의 전자 시스템에 대한 블록도.
다음에 기술되고 예시된 바와 같이, 본 발명은 상이한 다결정 반도체로부터 생성되는 원하는 소정 크기와 두께를 갖도록 형성된(textured) 대형 플레이트(plates)의 생성을 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 방사선 검출 시스템을 위한 다결정 연속 막(continuous film)을 제조할 수 있도록 한다. 상기 "연속 막"이란 용어는 본 명세서에서 사용된것처럼 상부 전극과 하부 전극 사이의 단락(short circuit)이 불가능하다는 것을 의미한다.
또한 본 발명은 다수의 결정 입자(grains)로부터 형성되는 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체인 방사선 검출 다결정 물질의 연속 막을 포함하는 방사선 검출 시스템을 제공한다. 상기 입자는 응집성 있는(coherent) 단일 연속 막을 형성하기 위해 함께 소성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 연속 막은 HgI2, CdTe, CdZnTe, 및 PbI2막으로 이루어져 있는 군(group)으로부터 선택된다.
그러므로, 본 발명에 따르면, 1㎛ 내지 5mm의 크기를 갖는 입자로 부분적으로 형성되거나 전체(50∼100%) 형성될(textured) 수 있는 바람직하게 102㎠과 104㎠사이의 영역과 약 1㎛ 내지 500㎛사이의 두께를 갖는 넓은 영역의 응집성 있는 반도체 연속 막을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 막의 제조 방법을 제공한다. 더욱 상세하게, 본 발명은 (a) 적어도 99.9999(6N)%의 순도를 가지는 다결정 분말 물질의 입자를 준비하는 단계, (b) 도전성 기판 상에 상기 입자 물질(granular material)을 증착하는 단계, 및 (c) 응집성 있는 단일 연속 막을 형성하기 위해, 다결정 물질의 상기 입자를 함께 소성하는 단계를 포함하는 넓은 밴드 값을 갖는 반도체인 방사선 검출 다결정 물질의 연속 막을 제조하는 방법(process)을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제조 방법에서, 상기 다결정 분말 물질의정제된 입자는 약 100℃ 내지 300℃의 온도의 진공 매체(medium)에서 연속적으로 반복되는 증발(evaporation)에 의해 증발되어 제조된다.
상기 제조 방법에 대한 본 발명의 바람직한 제1 실시예에서, 도전성 금속의 상부 플레이트가 상기 분말 위에 놓여지고, 최종 어셈블리(resulting assembly)는 약 100℃ 내지 220℃의 온도에서 약 100∼5,000kg/㎠의 압력으로 압축된다.
상기 제조 방법에 대한 본 발명의 제2 실시예에서, 상기 단계 (a)로부터 준비된 상기 입자 물질은 용매(solvent) 속에서 유기 결합제(organic binder)와 혼합된 후, 약 60℃ 내지 120℃의 온도에서 어닐링(annealing) 되어, 상기 기판 상에 증착된다. 상기 증착 동작은 기판 상에서 페인팅 동작(painting), 스프레이 동작(spraying), 또는 프린팅 동작(printing)에 의해 실행될 수 있고, 특히, 바람직한 증착 동작은 마스크 프린팅 동작(mask printing)에 의해 실행된다.
본 발명의 제조 방법에 대한 제3 실시예에서, 상기 단계(a)로부터 준비된 상기 정제된 입자 물질은 약 90℃ 내지 220℃ 온도의 진공 챔버(chamber)의 가열영역에 놓여지고, 상기 도전성 기판은 상기 진공 챔버의 LN2냉각된 영역에 놓여져, 상기 정제된 입자 물질은 승화(sublime)되어 상기 기판 상에 증착되고, 상기 멜딩 동작(melding)은 질소(N2)가 존재할 때 약 50℃ 내지 100℃ 온도로 가열되고 어닐링되어 이루어진다.
본 발명의 제조 방법에 의해 생성된 막은 반도체 막 검출기에 기초한 에너지 분산 X선과 감마선 영상 시스템(energy-dispersive X-ray and gamma ray imagingsystem)과 같은 다양한 방사선 검출 시스템에 사용될 수 있다.
상기에 기재된 제조 방법은 특별히 다음에 기술되지만, (이후, "고온 프레싱공정(hot pressing)", "슬러리 증착(slurry deposition)", 기상 증착(vapor phase deposition)으로 언급되는) 청구범위에서 청구된 제조 방법의 여러 단계를 구비하는 바람직한 실시예에 대한 일반적이고 개락적인 기술은 본 발명을 좀더 명료하게 하기 위해 이루어진다는 것은 자명하다.
1.고온 프레싱(hot pressing)
상기 공정은 다음의 단계로 이루어진다.
(a) 유리 앰풀(ampoule)속에서 진공 펌프에 의한 연속적인 펌핑 중에, 100℃ 내지 200℃의 온도에서 4시간 동안의 승화에 의한 출발 물질(staring material)의 정제; 250℃ 내지 300℃ 온도로 1시간 내지 3일 동안 용융, 및 닫혀짐 앰플에서의 승화.
(b) 몰드(mold)의 하부로 사용되는 플레이트를 선택. 상기 플레이트는 유리, 다결정 알루미나(alumina), 또는 테프론(teflon)이 될 수 있고, 바람직하게는 조밀한(fine) 스트립(strips)의 사진 식각(photolithographic) 증착 형태로 금속 전극(metal electrodes)과 예비 접촉(precontact)되어야 한다. 대안적으로, 상기 기판 플레이트가 금(gold), 팔라듐(palladium), 실리콘(silicon; Si), 또는 게르마늄(germanium; Ge)과 같은 금속일 경우, 상기 기판 플레이트(substrate plate)는 하부 전극(bottom electrode)으로 사용된다.
(c) 정제된 분말은 단계 (b)의 기판 상부로 유입된다.
(d) 팔라듐 또는 금으로 된 상부 플레이트(upper plate)는 금속(steel) 몰드의 상부 프레싱 펀치(pressing punch)에 의한 반동(reaction)을 방지하기 위하여, 분말 위에 놓여진다.
(e) 어셈블리는 압축되고, 약 100℃ 내지 200℃로 온도는 상승되며, 상기 어셈블리는 100kg/㎠ 내지 5,000kg/㎠)의 압력에서 최소 4시간 동안 유지된다.
(f) 완료된 후, HgI2플레이트는 몰드로부터 제거된다. 상부의 팔라듐 또는 금은 전극으로 사용될 수 있다; 그러나, 상기 팔라듐이나 금은 제거되는 것이 바람직하고, 다른 전극이 팔라듐, 금, 탄소(carbon), 게르마늄 등의 스트립 형태나 연속 막 형태로 증착된다.
2.슬러리 증착(slurry deposition)
공정은 다음 단계로 이루어진다.
(a) 고온 프레싱 공정의 (a) 단계와 같고,
(b) 고온 프레싱 공정의 (b) 단계와 같고,
(c) 정제된 분말은 용매속에서 유기 결합제와 혼합되고, 하부 전극을 갖는 플레이트 상에 페인팅 동작, 스프레이 동작, 또는 프린팅 동작에 의해 증착된다.
(d) 플레이트는 60℃ 내지 120℃로 가열되고, 제거된다.
(e) 고온 프레싱 공정의 (f) 단계와 같다.
3.기상 증착(vappor phase deposition)
공정은 다음 단계로 이루어진다.
(a) 고온 프레싱 공정의 (a) 단계와 같고,
(b) 정제된 HgI2는 90℃ 내지 220℃ 온도의 좀더 고온인 진공 챔버의 공간에 놓여진다.
(c) 고온 프레싱 공정의 (b) 단계에서처럼, 기판과 하부 전극은 진공 챔버의 LN2냉각된 단부에 놓여진다.
(d) HgI2가 승화되어 기판 위에 증착된다.
(e) HgI2상(phase)의 재 증발을 방지하기 위하여 상기 공정에 질소(N2)를 첨가한 후에, 30분 내지 60분 동안 50℃ 내지 100℃로 가열 동작(thermal heating)과 어닐링 동작이 행해진다.
(f) 플레이트는 제거된다. 고온 프레싱 공정의 (f)단계에서처럼, 상부 전극이 증착된다.
원하는 소정 크기나 두께를 가질 수 있는 최종 검출기 플레이트는 하부 금속 전극으로 덮혀지고, 6keV 내지 660keV의 에너지 범위(range)에서 X선 및 핵(nuclear) 방사선 카운터로서 동작할 수 있다. 특히 대형 플레이트는 아날로그 광전자 방사 신호(photo electric radiation signal)가 디지털 신호로 카운트될 수 있고, 연산되고, 제어되는 영상 시스템에 사용될 수 있는 대형 X선 카메라 시스템내에 집적되도록 제작된다. 상기 영상 시스템은 필요한 영상 정보를 저장할 수 있고, 예를 들면, 의료 장비나 치과 장비, 또는 다른 영상 시스템 장치에서 X선 필름의 대체용으로 사용될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 현재까지 매우 고가이었던 장비를 저가이며 대형인 검출기로 제공하는 것이다.
공지된 것처럼, 상온에서 동작하는 X선 또는 감마선 방사 반도체 검출기는 넓은 밴드 갭을 요구한다. 하기의 (표 1)은 이러한 목적을 위해 오늘날 사용되고 있는 가장 공지된 반도체 검출기의 목록이다. [M. Schieber, et al., in:"Semiconductors for Room Temperature Radiation Detector Application," R.B.James, T.E. Schlesinger, P. Siffert, and E. Franks, Eds.,Materials Research Soc. Sympos. Proc., Vol. 302, p.189(1993)]. 상온에서 동작될 수 있게, 물질은 열 전자 노이즈(thermal electronic noise)를 극복하기 위한 밴드 갭 즉,
1.5eV 이상의 큰 밴드 갭을 요구한다. 양호한 차단력(stopping power)과 방사 에너지 흡수력을 갖기 위해, 그리고 방사선에 의해 생성되는 전하 캐리어(electrical charge carriers)를 효율적으로 전송(transport)하기 위해서는 높은 원자번호(Z)가 요구된다. 검출기는 큰 드리프트 길이(draft length; λ)를 요구한다. (여기에서, λ = μτε 임(μ =전하 캐리어의 이동도(mobility), τ =지속 시간(lift time), ε =전계(electric field)). 상기 전계는 전기적인 저항(resistance)에 따라 달라진다: 즉, 저항이 증가하면 전하를 전송할 수 있는 전계가 증가한다.
[표1]
고체 상태의 반도체 X선 및 감마선 검출기
상기 (표1)에 기재되어 있는 반도체 물질을 연구함으로써, 가장 잘 알려진 반도체 검출기의 물질인 Si(리듐(Li))와 수소 인 게르마늄(이하,"HPGe"라 칭함))의 작은 밴드 갭은 극저온(cryogenic)의 냉각 동작을 필요로 하고 매우 양호한 드리프트 길이에도 불구하고, 상온에서의 동작을 방해한다는 것을 알 수 있다. 더욱이, 낮은 원자 번호(Z) 때문에, 비화 갈륨(이하,"GaAs"라 칭함)을 제외한 다른 모든 검출기 물질과 비교할 때, Si(Li) 및 HPGe은 방사선 플럭스(flux)를 차단하기 위해 매우 두꺼운 두께를 필요로 한다는 것을 알 수 있다.
넓은 밴드 갭을 갖는 물질들 중에서, HgI2와 PbI2는 가장 커다란 원자 번호를 갖고 있으므로[J. Zhang, et al.Nucl. Instr. and Meth., Vol. A322, p.499(1992)], 상기 (표1)에 기재된 바와 같이 양호한 흡수 성능을 가진다. 다른 기술적인 고려 사항은 물질이 생성되는 온도이다. 보다 낮은 용융점은 상기 (표1)에 도시된 다른 반도체에 비해 상대적으로 HgI2와 PbI2의 생산 공정을 단순화시키고 생산 비용을 감소시킨다. 그럼에도 불구하고, 상기에 언급된 바와 같이, 오직 기체 상태에서만 성장되고[M. Schieber, et al., J. Cryst. Growth, Vol. 65, p.353(1983)], 좀더 커다란 결정을 성장시키기 위해서는 거의 3개월을 소모해야 하므로 HgI2단결정의 생성 비용은 매우 비싸다. PbI2결정은, 많은 방사선을 흡수하지 못하는 수 ㎟의 영역과 매우 얇은 두께를 갖는 매우 소형인 검출기의 결정용으로만 사용될 수 있다[V.M. Gerrish, in: Semiconductors for Room Temperature Radiation Detector Application, R.B. James, T.E. Schlesinger, F. Siffert, and E. Franks,Eds., Materials Research Soc. Sympos. Proc., Vol.302, p.189(1993)].
[발명의 상세한 설명]
본 발명은 스펙트로미터(spectrometers)로서 동작하고 입사하는 방사선 에너지를 인식할 수 있는 고가의 단결정 방사선 검출기를 종래와 동일한 물질의 단결정으로 종래와 동일한 넓은 밴드 갭을 갖는 다결정 막으로부터 생성하여 고가인 종래 검출기를 저가인 검출기로 대체하기 위한 것이다. 이러한 대체는 에너지를 알고 있거나, 에너지를 인식하는 것이 중요하지 않기 때문에 에너지를 인식하지 않고 방사선 플럭스를 측정할 수 있는 장비에 적합하다. 이러한 검출기는 방사선의 발생빈도수(radiation events) 카운트하기 때문에, 방사선 카운터라고도 지칭된다. 상기 카운터는 좀더 성능이 양호한 스펙트로미터처럼 매우 많은 비용이 소모되는 동일한 제조 공정을 통해 생성되는 저 품질의 단결정으로부터 제작된다. 이를테면 영상화를 위해 커다란 영역의 검출 시스템이 요구되는 장비에서, 약 50mm× 50mm의 크기를 갖는 커다란 단결정 예를 들면, HgI2는 잘라지고(slice) 연마(polish)되어야 하므로, 결정 전체 부피의 약 60%의 손실을 초래한다. 검출 시스템이 요구하는 크기가 될 때까지, 조각은 커다란 모자이크 형태로 나란하게 배치된다. 이러한 영상시스템은 결정을 생성하고 절단하며, 커다란 영역의 검출 시스템으로 상기 절단된 결정을 모자이크해야하는 많은 시간을 필요로 하기 때문에 매우 고가이다.
본 발명의 바람직한 특정 실시예에서는 반도체 박막 검출기에 기초한 에너지 분산 X선 및 감마선 영상 시스템을 제공한다.
X선의 영상화는 X선 촬영(x-ray radiography), X선 컴퓨터 단층 촬영(x-ray computed topography; CT), 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영(single photon emission computed topography; SPECT), 위치 방출 촬영(position emission topography; PET)에 사용되는 시스템과 같은 의료용 진단 시스템(diagnostic system)에 적용된다. 더욱이, X선 영상 시스템은 X선 분야(field), 태양 표면의 대폭발(solar flare) 영상, X선 천체 관측(sky survey), 및 인공위성 관련 장치(satellite-borne instruments)로 인해 이루어지는 은하계 관측(survey)을 형상화(mapping)하기 위해 천문학 및 천체 물리학에도 역시 사용된다.
다양한 형태의 영상 수신기가 현대 X선 영상 시스템을 위해 사용된다. 이러한 영상 수신기는 직접-노출 X선 필름(direct-exposure x-ray film), 영상 플레이트(image plates), 영상 증폭기(image intensifier), 가스 필드 이온화실(gasfield ionization chamber), 섬광 검출 시스템(scintillation detector system), 및 고순도의 Ge 및 Si(Li) 시스템을 포함한다. 흡수 효율(absorption efficiency), 에너지 분해능, 냉각 요구 조건은 다음의 (표2)에 도시되고, 모든 영상 수신기는 양호한 공간 분해능(spatial resolution)을 보여준다.
[표2]
광선(ray)-영상 장치를 위한 흡수 효율, 에너지 분해능, 및 냉각 요구 조건
상기 (표2)에 도시된 영상 수신기는 X선 필름, 영상 플레이트, 영상 증배기(image intensifier)와 같이 2차원(2D)이고, 가스 이온화 카운터, 섬광기(scintillator), 및 반도체 검출기 또는 방사선 검출기 [Si(Li)], HgI2, CdTe, 및 CdZnTe와 같은 벌크 검출기(bulk detector)이다.
흡수 효율은 상기 (표2)에서 열거된 다른 모든 고체 상태의 검출기보다 HgI2가 좀더 큰, 원자 번호(Z)에 크게 의존한다. 에너지 분해능은 X선 광자(photon)를 가시광선(visible light)으로 변환한 후 다이오드나 광전 배증관(photomultiplier)에 의해 전기적인 전하로 변환하는 섬광기와는 반대로, X선 광자를 전하로 직접 변환하는 반도체 검출기가 가장 좋다. 극저온 냉각 동작은 Eq
0.8eV를 갖고 있는 고 순도의 (Ge)(HPGe)과 Eq
1.1eV를 갖고 있는 Li 드리프트된 [Si(Li)]와 같이, 좀더 작은 에너지 밴드 갭(Eq)을 갖는 반도체 검출기를 위해 요구된다. HgI2, CdTe, CdZnTe는 극저온 냉각 동작이 불필요한 상온에서 동작 가능한 충분한 크기인 2.2eV, 1.45eV, 1.5eV 중 어느 하나의 에너지 밴드 갭(Eq)을 각각 갖는다.
(표 2)에 도시된 다양한 영상 수신기로 인해, 높은 원자 번호(Z)와 넓은 에너지 밴드 갭(Eq)을 갖는 반도체 방사선 검출기가 X선 영상 장비에서 요구되는 최적의 특성(properties)을 가지고 있다는 것은 자명하다. 영상 장비에 대해 지금까지 보고된 문헌(literature)은 HgI2의 벌크 검출기를 사용하고, 한 픽셀의 크기는 0.8× 0.8㎟이고, 두께는 2mm이며, 소자가 간격이
2mm로 32× 32 픽셀 어레이[see, e.g.,B.E. Patt, et al.,Nucl. Inst. and Methods,Vol. 282,p.215(1989)]로까지 발전하는 8× 8 픽셀(pixel)[C. Ortale, et al.,Nucl. Inst. and Methods,Vol.213, P.95(1983)]을 사용하는 감마선 카메라 분야에 관한 것이다. 후자의 감마선 카메라는 5× 5㎠ 전후의 영역을 갖는다. 품질이 우수하고 균일한 단결정을 생성할 때 여전히 존재하는 제조상의 문제들로 인해, CdTe나 CdZnTe를 이용하는 감마선 카메라는 아직 보고되지 않는다.
벌크 HgI2영상 어레이를 생산하는데 발생하는 문제점은 다음과 같다.
(a) 커다란 크기의 조각이 절단될 수 있는 매우 커다란 결정의 성장이 매우 어렵고 많은 시간을 요구한다. 하나의 커다란 결정을 성장시키는 필요한 시간은 2개월 내지 3개월이다.
(b) 물질의 60% 이상의 손실이 발생되는 연마 동작을 필요로 하는 매우 불균일한 표면을 갖고, 절단 동작과 연마 동작에 의해 구조적인 결함이 발생하는 결정은 요오드화 칼륨(KI) 수성 용액(aqueous solution)을 사용하여 절단되어야 한다.
지금까지 사용되고 있는 상기 기재된 종래 시스템과 비교하면, 본 발명은 3차원의 결정을 성장시키고 절단하며, 절단된 조각을 연마하는 대신에 도전성 기판상에 반도체 방사선 검출 물질의 연속 박막을 증착하는 것에 기초를 둔다.
특히 본 발명은 하부 전극을 형성하는 도전성 기판 층 상에 증착된 넓은 밴드 갭을 갖은 반도체인 방사선 검출 물질의 연속 박막을 포함하는 영상 시스템을 위한 영상 수신기를 제공하는 것이다. 상기 연속 박막은 상부 전극을 형성하는 상부 도전성 층으로 덮여지고, 상기 층들 중 적어도 하나는 다수개의 비도전성 영역에 의해 서로 분리되는 다수개의 도전성 영역을 제공하며, 상기 다수개의 도전성 영역은 전하 검출 전치 증폭기(charge-sensitive pre-amplifier)를 경유하여 영상 전자 시스템에 각각 개별적으로 접속된다.
본 발명의 제1 실시예에 기재된 것처럼, 상기 하부 전극 또는 상부 전극 중 어느 하나는 비도전성 영역에 의해 서로 분리되는 다수개의 도전성 영역으로 세분화된다. 예를 들면, 상기 기판은
20∼200㎛의 너비와
~20∼200㎛의 길이를 갖는 상부에 패터닝된(top-patterned) 전극 픽셀의 그리드(grid)에 의해 연속적으로 덮여지고, 각 검출기는 전자 회로에 개별적으로 연결된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 상기 영상 시스템은 하부 전극을 형성하는 다수개의 비도전성 영역에 의해 서로 분리되는 다수개의 도전성 영역을 갖는 기판 층 상에 증착된 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체인 방사선 검출 물질의 연속 박막을 포함한다. 상기 박막은 다수개의 비도전성 영역에 의해 서로 분리되는 다수개의 도전성 영역을 갖는 상부 층에 의해 덮여진다.
바람직하게, 상기 실시예에서, 상기 기판 층의 도전성 영역은 일정 간격으로 이격된(spaced-apart) 제1 스트립 열(strip series)로서 정렬되고 상기 상부 층의 도전성 영역은 일정 간격으로 이격된 제2 스트립 열로서 정렬되며, 상기 제1 및 제 2 스트립 열은 그리드형 어레이를 형성하기 위하여 서로 연관되게 배열된다.
특히, 상기 상부 층 및 기판 층은 약 20㎛ 내지 200㎛의 너비와 약 20㎛ 내지 200㎛의 길이를 갖는 픽셀을 나타내는 크로스-그리드(cross-grid)를 생산하도록 수직 및 수평 도전성 스트립으로 각각 패터닝되어 정렬되는 것이 바람직하다.
그러므로, 본 발명은 벌크(bulk) 결정보다 반도체 박막에 기초한 신규한 X선 및 저 에너지 감마선 시스템을 제공한다. 상기 시스템은 주로 에너지 분산 모드(energy dispersive mode)에서 동작하지만, 또한 일반 모드(current mode)에서도 이용될 수 있다.
하부 전극으로 직접 사용될 수 있는 Si, Ge, 및 GaAs와 같은 패터닝된 좀더 도전성이 큰 반도체 기판 상에, 또는 하부 전극으로 역시 사용될 수 있고 패터닝된 도전성(금 또는 팔라듐) 스트립으로 증착되기 전에 코팅된 산화 마그네슘(이하,"MgO"칭함) 또는 사파이어(산화 알루미늄(Al2O3))와 같은 절연 기판상에 1㎛ 내지 100㎛의 두께로 일정하게 형성된(textured) 막으로 증착되는 HgI2, CdTe, CdZnTe, 또는 PbI2와 같은 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체 방사선 검출기는 상온에서의 동작을 기본으로 한다. 상기 스트립의 너비는 10㎛ 내지 100㎛이다.
HgI2형성된 막의 제조 공정은 전혀 보고되지 않았기 때문에, 본 발명도 역시 신규한(novel) 박막 증착 시스템에 관한 것이다. 상기에 기술된 바와 같이, 반도체 막은 상부 전극에 해당하는 패터닝된 도전성(금 또는 팔라듐) 스트립으로 코팅된다. 그런 다음 검출 시스템은 파라렌(paralene), 휴미실(humiseal), 또는 다른 불활성 코팅제로 매우 얇은 층으로 코팅되어 보호된다(passivate). 검출 시스템은 인쇄 회로(printed circuit)를 경유하여 검출 시스템을 바이어스하기 위해 저노이즈를 갖는 고전압의 전원 공급기에 연결되고, 전자 측정 시스템에 연결된다.
반도체 벌크 결정 방사선 검출기(semiconducting bulk crystals radiation detector)의 이용은 미국 특허 제5,245,919호에 기재되어 있다. 선택된 반도체 물질은 CdZnTe이다. 상기 시스템은 감마선 지형 영상 시스템(gamma ray topographic imaging system)을 위해 설계된다. 동작 원리는 시준된(collimated) γ선은 섬광기 결정 카메라(일반적으로 요오드화 나트륨(sodium iodide))에 의해서라기보다는 반도체에 의해 검출된다는 것이다. 반도체는 감쇄된(attenuated) γ선을 가시 광선으로 변환시키기 전에 먼저 전하로 직접 변환시키고, 후에, 광전 배증관 또는 다이오드를 통해 상기 가시 광선이 전하로 변환한다.
상기 발명의 교시 내용과는 반대로, 본 발명 중 신규한 것은 벌크 결정 블록보다는 박막을 사용하고, 시준된 방사선보다는 넓은 범위의 방사선을 사용한다는 것이다.
또한 본 발명의 신규한 특징을 교시하지 않은 다른 영상화 방법은 다음의 것들을 포함한다:
(a) 광 용량성 영상 변환기(photocapacitive image converter)가 미국 특허 제4,331,813호에 기재되어 있다. 상기 발명은 반도체가 Si, Ge, 또는 GaAs인 금속-절연체-반도체(metal-insulator-semiconductor)에 기초한다. 방사선은 전기 신호로 변환된다. 상기 발명의 단점은 핵 방사선을 구분하지 못하여, 사실상 모든 종류의 방사선용으로도 사용될 수 있다는 것이다.
(b) 실시간(real time) 영상을 위하여 멀티-소자-아몰퍼스-실리콘-어레이(multi-Element-Amorphous-Silicon-Array)가 미국 특허 제5,079,426호에 기재되어 있다. 상기 발명은 유전체의 커다란 아몰퍼스 실리콘으로 이루어지고, 방사선을 신호로 변환하는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor; FET)에 기초한다. 광 도전성(Photoconductive)을 이용하는 방법에서처럼, 상기 발명은 특별히 핵 방사선용으로 설계되지는 않았지만, 대신에 적외선 방사선(infra red radiation)을 포함하는 넓은 소정 범위의 방사선도 측정할 수 있다.
본 발명에 대한 기술은 일반 모드에서보다 에너지 분산 모드에 한정될 것이다.
전자 카운팅 시스템(electronic counting system)은 하부 전극스트립(행(row))과 상부 전극 스트립(열(column)) 각각이 정형화 증폭기(shaping amplifier)에 의해 좀더 증폭되는 첫 번째 단의 저 노이즈의 전하 검출 하이브리드(또는 ASIC) 전치 증폭기에 연결되는 펄스 카운트 시스템으로 이루어진다. 수집된 전하는 비교되고 판별되며, 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환되고, 컴퓨터에 저장되며, 연산된 영상이 표시된다. 100keV에서, 반도체 막 검출기는 막 두께에 따라서 방사선의
0.1% - 10%를 차단할 수 있다. 모든 문제들, 특히, 박막 카메라에서 박막 카메라로의 변환이 제기되어(addressed) 해결된다.
5× 5㎠인 카메라의 전단부(front end)는 각각 100㎛× 5cm로 이루어지고 66㎛의 코팅되지 않은 스트립에 의해 분리되는 300개의 수직 스트립과 300개의 수평 스트립으로 구성된다. 그러므로 5× 5㎠의 검출기 전단 플레이트 당 모두 90,000개의 픽셀을 갖는 하나의 카메라 모듈 내에는 수평 90,000개의 스트립과 수평 스트립 교차점 존재한다.
20×15㎠ 플레이트가 사용되는 X선 영상 유방 뢴트겐션 조영 장치(mammography)와 같은, 좀더 커다란 영상 영역을 위해서, 12개의 교차점을 갖는 5 × 5㎠ 모듈이 조립될 수 있다.
다음에 본 발명은 첨부된 예시 도면 및 예들을 참조하여 소정의 바람직한 실시예에 관해 기술하므로, 좀더 자세하게 이해할 것이다.
상세하게 도면 및 예들을 특별히 참조함에 따라, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 특정 예에 의해 그리고 예시적인 기술을 목적으로 특정 예가 기술되고, 본 발명의 원리와 개념적인 특징에 대한 가장 유용하고 바르게 이해될 것이라고 생각되는 것이 제공된다. 이에 관하여, 본 발명의 기본적인 이해를 위해 필요해서라기 보다는 보다 상세하게 본 발명의 구조에 대한 상세한 기술을 도시하기 위한 의도는 아니고, 본 발명의 여러 형태가 어떻게 실질적으로 구현될 수 있는지를 해당 분야의 당업자에겐 자명한 소정 예와 도면을 참조하여 기술된다.
상기에 기재된 바와 같이, 본 발명은 다결정 검출기 물질로서 상기 (표1)에서 기술된 반도체 물질 중 하나를 사용한다는 것을 기초로 한다. 이것은 HgI2의 경우에서처럼 여러 개월을 필요로 하는 매우 긴 시간-소모 주기(time-consuming cycle)동안 단결정으로 결정을 성장시키는 것 대신에, 본 발명은 최대 약 24시간동안, 원하는 두께와 크기를 갖는 다결정 세라믹 물질인 HgI2나 다른 반도체를 생산하는 기술을 제공한다는 것을 의미한다.
제조 공정은 알콜(alcohol), CCl4, 또는 결합제로서 사용되는 큰 분자(long molecule)를 갖는 특정 폴리머와 같은 유기 용매와 HgI2또는 PbI2혼합물과 같은 반도체 분말의 고온 프레싱이나 슬러리 증착에 기초하고, 상기 반도체 분말은 페인팅 동작이나 스프레이 동작으로 증착된 후 상 변환((phase transformation) 온도 또는 용융점 이하의 온도 범위에서 스크린 프린트되고 어닐링된다(screen printing annealing).
정제된 다결정 HgI2분말 물질은 두 가지 경우에 바람직하게 사용된다. 고온 프레싱 기술에서, 분말은 도 1에 도시된 것처럼, 프레스(press)에서 약 1ton/㎠의 압력으로 압축된 후, 도 2에 도시된 온도 주기에 따라 압력이 가해지는 동안 가열된다. 이런 높은 압력은 매우 높은 증기 압력(vapor pressure)(끓는점(boilingpoint)은 354℃)을 갖는 HgI2의 증발을 방지하고, 220℃ 근처의 어닐링 온도는 변형된 입자(strained grains)의 재결정화(recrystallisation)가 일어날 수 있도록 한다. 소성 동작은 매우 높은 고밀도의 공정(high density process)을 초래하므로, 생산된 HgI2플레이트는 상부 전극과 하부 전극에 의해 접촉될 수 있고 방사선에 의해 발생된 전하를 수집하기 위해 필요한 적정 바이어스 전압(
104V/cm)을 견딜 수 있다. HgI2는 125℃에서 불리한 상 변환이 일어나기 때문에, 도 2에 도시되 바와 같이, 약 125℃에서 부가적인 어닐링 시간을 필요로 한다.
그러므로, 고온 프레싱 기술의 다른 장점은 생산된 검출기 플레이트가 매우 조밀(compact)하고, 매우 고밀도이며, 플레이트 두께와 크기는 단지 다이(die)의 크기와 프레스에 의해 발생되는 전체 압력 크기에 의해서만 제한된다는 것이다. HgI2플레이트의 상부 전극은 금, 팔라듐, 게르마늄, 또는 실리콘으로 만들어지며, 원하는 소정 형상으로 만들어질 수 있다.
커다란 영역(large-area)의 다결정 검출기 시트(sheet)를 생성하기 위한 대안적인 방법은 슬러리 증착에 의한 것이다. 정제된 다결정 분말은 폴리비닐 아크릴레이트(polyvinyl acrylate) 및 트리메틸 소르비텐트(trimethyl sorbitant)와 같은 유기 결합제와 같은 양으로 혼합되고, 약 65%의 에탄올(ethanol)/물(water) 용해제(solution)에서 용해된 후(dissolved), 다결정 알루미나, 테프론, 또는 플라티늄(platinum)나 또는 금과 같은 금속 전극, 또는 실리콘과 게르마늄과 같은 반도체 중 어느 하나로 될 수 있는 절연 기판(insulating substrate) 상에 스프레이 동작(spraying), 페인트 동작(painting), 스핀 동작(spinning) 또는 스크린 페인트 동작(screen painting)에 의해 증착된다. 상기 절연 기판은 이미 팔라듐이나 금으로 이루어진 전극 스트립 또는 다른 형상의 전극과 같은 부가적인 전기 콘택(contact)을 갖도록 패터닝된다. 반도체 분말의 기판 플레이트와 슬러리-증착된 서스펜션(suspension)은 대기중으로 알콜(alcohol)을 증발시키기 위하여 50℃ 내지 95℃의 온도에서 가열된 후, 4시간 내지 24시간 동안의 가열처리 동안 HgI2의 경우처럼, 거의 110℃로 가열된다. 불활성(inert)이고 접촉된(contacted) HgI2플레이트는 테프론 절연체로 안을 댄 어두운 금속 박스(dark metal box) 내로 도입되고, 방사선을 수신(radiation-receiving)하는 단부는 탄소 또는 매우 얇은 알루미늄 포일 윈도우(aluminum foil window)로 덮여져 있다. 그런 다음, 검출기 박스는 전기적인 판독시스템(read out system)과 연결된다. 60eV 감마 방사선에 대한 상기 다결정 HgI2검출기 플레이트 반응의 한 예를 도 3에 도시한다. 유사한 크기와 두께를 갖는 단결정 HgI2결정과 비교하면, 본 발명에 따라 생산되는 다결정 HgI2검출기 플레이트는 단결정 스펙트로미터에 의해 검출되는 방사선에 대해 상대적으로 약 15%를 검출한다.
[예시예 1]
테스트실 내로 도입된 후, 생산된 플레이트는 도 3에 도시된 바와 같이 X선에 대한 응답도(response)를 나타낸다(도 2).
또한 다른 예시예는 도 3에 도시한 것과 유사한 X선 응답도를 나타낸다.
[예시예 2]
예시예 2는 예시예 1의 공정을 반복한다. 그러나, HgI2플레이트는 금 포일로부터 분리되고, 팔라듐(Pd) 콘택은 도 1에 도시된 바와 같이 증발된다.
[예시예 3]
예시예 3은 예시예 1의 공정을 반복한다; 그러나 고온 압력(hot pressure)에서의 가열 주기(heating cycle)가 200℃에서 10시간 동안 이루어진 후, 10시간동안 127℃로 냉각되어 상온으로 서서히 냉각된다.
[예시예 4]
예시예 4는 예시예 1의 공정을 반복한다; 그러나 금 기판은 도 1에 도시된 바와 같이 패터닝된 금 스트립으로 코팅된 2mm두께의 소성된 알루미나로 대체된다.
[예시예 5]
예시예 5는 예시예 1의 공정을 반복하고, HgI2플레이트로부터 보다 용이하게 분리되는 테프론-코팅된 금속 포일을 사용한다. 전극은 예시예 2처럼 코팅된다.
[예시예 6]
예시예 6은 예시예 5의 공정을 따르고, 금속 몰드에서 상부와 하부에 전극을 구비하는 코팅된 유리 플레이트를 사용한다.
[예시예 7]
예시예 7은 예시예 1의 공정을 따르고, 비정제된(non-purified) 분말을 진공증발하여 정제한 HgI2의 좀더 큰 입자(
1mm)를 사용한다.
[예시예 8]
예시예 8은 예시예 7의 공정을 따르고, HgI2대신에 정제된 요오드화 납(PbI2)을 사용한다. PbI2플레이트가 생산된다.
[예시예 9]
HgI2100mg이 폴리비닐 메타크릴레이트(polyvinyl metacrylate)와 트리메틸 소르비텐트(trimethyl sorbitate)로 혼합된다. 상기 혼합물은 기판 상에 페인트되고, 약 2시간동안 건조되며, 1시간동안 120℃에서 가열 처리된다. 그런 다음, 팔라듐(Pd)의 상부 전극이 증착되고, 샘플은 시험실(도 2) 내로 유입된다. 결과는 도 3에 도시된 것과 유사하다.
[예시예 10]
예시예 10은 예시예 9의 공정을 따르고, 도 1에 도시된 바와 같이 미리 패터닝된 (prepatterned) 1mm두께의 유리 기판을 사용한다.
[예시예 11]
예시예 11은 예시예 10의 공정을 따른다. 0.5mm의 두께를 갖는 금 기판을 사용한다.
[예시예 12]
예시예 12는 예시예 9, 예시예 10 및 예시예 11의 공정을 따르지만, 도 1에 도시된 바와 같이 패터닝된 HgI2기판 상에 팔라듐(Pd) 또는 금(Au) 전극을 증발시킨다.
[예시예 13]
예시예 13은 실시예 9의 공정을 따른다. 그러나 사진 식각 공정 동안 포토레지스트(photoresist) 용해제가 도포되는(apply) 방식과 유사한 스핀잉 방법을 사용하여 유기 결합제와 혼합된 두꺼운 HgI2층을 도포한다. 하부 전극으로 덮혀진 알루미나 기판이 5,000rpm으로 회전된다. 거의 100㎛ 두께의 층을 도포하기에 충분한 소량의 슬러리 혼합물이 기판에 부착된다. 회전 속도는 슬러리 층을 매우 평평하고균일(homogeneous)하게 할 수 있을 정도면 된다. 상부 콘택이 다른 예시예에서처럼 도포되고, 플레이트는 X선 응답도를 위해 테스트된다.
[예시예 14]
예시예 14는 예시예 13의 공정을 따른다. 그러나 HgI2의 증착은 미리 접촉된(precontacted) 유리 플레이트 상에 슬러리가 분사되는 것을 통해, 노즐(nozzle)과 공기압을 사용하는 상업적으로 이용 가능한 분사 시스템으로 이루어진다.
[실시예 15]
HgI2분말은 유리 진공 챔버(glass vacuum chamber) 바닥에 놓여지고, 약 100℃로 가열되며, 하부 전극과 미리 접촉되는(precontacted) 액상 질소(N2)로 냉각된 유리 기판 상에 HgI2층을 증발시켜 증착되어, 1㎛ 내지 50㎛ 두께의 HgI2층을 생산한다. 그런 다음 진공 상태가 해제되고 1기압(atm)의 질소(N2)로 상기 챔버 내의 분위기가 교체되는 동안, 온도는 50℃까지 서서히 가열되어 서서히 상승된 후, 상온까지 냉각된다. 그런 다음, HgI2다결정 플레이트는 상부 전극으로 덮여지고, X선 방사선에 대한 응답도를 위해 테스트된다.
[예시예 16]
예시예 16은 예시예 15의 공정을 따른다. 그러나 게르마늄 또는 소성된 알루미나와 같은 다른 기판이 사용되고, 하부 전극은 팔라듐 또는 금 스트립에 의해 미리 패터닝된다.
[예시예 17]
HgI2와 결합제의 혼합물은 상기 혼합물이 통과될 수 있는
20× 30㎠의 면적을 갖는 바닥에 그물 형상부(sive)와
250× 250 ㎛2크기의 구멍들을 구비하는 용기(container) 속에 놓여진다. 그런 다음, 상기 혼합물은 수동 또는 기계적인 프레스에 의해 상기 그물 형상부를 통과한 후 압축기에 의해 압착된다(squeezed). 그런 다음, 수평 방향의 행으로 금(Au), 팔라듐(Pd), 또는 백금(Pt)으로 이루어진 100㎛ 너비의 금속 전극으로 미리 증발된 유리나 알루미나로 이루어진 기판 위에 상기 혼합물이 프린트된다. 그래서 거의 40㎛의 두께를 갖는 HgI2가 얻어진다; 반복되는 페인팅 동작으로 두께는 100㎛까지 될 수 있다. 그런 다음 막은 5시간 동안 60℃에서 어닐링된다. 역시 100㎛의 너비를 갖는 수직 열의 상부 전극은 증발에 의해 얇은 유리 또는 플라스틱 포일 상에 도포되고, 마스크 얼라이먼트(mask alignment)에 의해 HgI2의 박막 상에 위치한다. 그래서, 100×100㎛2의 액티브 픽셀이 수직 전극과 수평 전극의 교차점에서 형성된다.
도 4와 도 5는 둘 다 50×50㎟의 크기를 갖는, 금 또는 팔라듐으로 금속 처리되고(metallized) 절연체며 얇은, MgO나 사파이어(sapphire)와 같은 단결정 기판(도 4) 상에 또는, Si 또는 Ge와 같은 반도체 기판(도 5) 상에 증착된 HgI2의 박막을 도시한다. HgI2막은 100㎛×50mm길이의 수평 스트립과 수직 스트립을 갖도록 상부 및 하부가 패터닝되고, 66㎛의 콘택없는(contactless) 스트립에 의해 분리되어, 가이드 링을 갖고 있거나 갖고 있지 않는 300×300 픽셀을 생산한다.
본 발명에 따른 시스템의 장점은 생산 비용을 현저히 낮출 수 있고, 현재의 박막 기술과 일치하는 큰 영역의 영상 검출기를 생산할 수 있는 능력을 가진다는 것이다. 상기와 같은 낮은 생산 비용은 커다란 결정을 성장시키고, 절단하고, 연마하기 위한 요구 시간보다 기판(도 4 및 도 5) 상에 HgI2막을 생산하기 위한 요구시간이 훨씬 짧기 때문에 가능하다. 즉, 2시간내지 3시간과 2개월 내지 3개월을 비교하는 것과 같다.
박막 검출 시스템의 단점은 (100KeV의 방사선에 대하여) 벌크 결정은 100% 흡수하는 것에 비해, 전체 방사선의 0.1% 내지 1.0%만을 흡수하는 매우 적은 흡수력이다. 그러나, 상기 박막에 의한 낮은 방사선 흡수력은, 비록 스펙트럼 분해능이 픽셀 마다 특정 값(counts)을 특정화할 필요는 없을지라도 전체 방사선 중 0.1% 이하 정도를 흡수하는 X선 막(표 2)과 비교 가능한 스펙트럼 분해능(spectral resolution)을 달성한다.
HgI2검출기 및 CdTe와 CdZnTe 같은 다른 반도체 검출기는 X선 필름처럼 직접 영상(direct imaging) 시스템뿐만 아니라 일반 모드 및 에너지 분산 영상 시스템(energy dispersive imaging system) 모두에서 사용될 수 있다. 후자의 시스템은 검출기에서 발생하는 매우 적은 정도의 반응(interaction)을 측정할 수 있고, 또한 많은 방사선 노출량을 큰 폭으로 감소할 수 있도록 한다. 에너지 분산 영상시스템은 또한 아날로그 전자 장치에 의해 방사선의 발생 빈도수(event)를 계측할 수 있고, 아날로그/디지탈 변환기에 의해 정보를 디지털화하고, 컴퓨터-대-영상 디스플레이에 저장한다.
도 6은 (a) HgI2의 직접 증발(direct evaporation), (b) 수은(이하"Hg"라 칭함)과 요오드(이하,"I2"라 칭함)의 개별 증발(separate evaporation) 및 기판 상의 응축(condensation), 또는 (c) Hg(tdh)2전구체(precursor)와 I2의 화합물과 같은 화학 기상 증착(vapor deposition)을 위해 사용될 수 있는 박막 증착 시스템 장치를 도시한다. 상기 시스템 장치는 진공 시스템(vacuum system)과 연결된 수직의 PyrexR또는 수정(quartz) 앰풀(ampoule)의 두 부분으로 이루어진다. 앰풀의 바닥부분에, 고 정제된 HgI2나, 다른 별개의 서브-용기에 Hg 금속이나 무기 또는 유기 금속 Hg 화합물, 또는 유리 요오드(free iodine) 중 어느 하나를 포함하는 전구체 원료부(precursor source section)가 존재한다.
온도는 개별적으로 모니터되는 T 전구체에 의해 바닥 부분에서 제어된다. 앰풀의 위쪽 부분은 반도체이거나 금속화되고 패터링된 기판이 부착되는 기판 홀더(holder)를 포함한다. 기판 홀더는 기판의 온도(Tsubst)를 결정하는 저항 히터(resistance heater)(도시되지 않음) 또는 방사적인(radical) 가열동작에 의해 부분적으로 가열된다. 고온 환경(hot wall environment)의 벽면을 제공하기 위하여, PyrexR또는 수정 앰풀은 개별적으로 제어되는 반투명한 저항(semi-transparentresistance) 가열실(furnace) 내로 유입되고, 상기 가열실의 온도는 Tfurnace로 지칭된다.
Tfurnace> Tprecursor> Tsubst이면 증착 조건에 해당된다. 일반적으로 사용되는 온도는 Tfurnace= 130℃, Tprecursor= 125℃, Tsubst= 115℃이다.
50× 50㎟ 이상의 크기를 갖는 기판을 위해서, 시스템은 규모가 증대되어야 하고, 균일한 증착이 이루어지도록 하기 위해 기계적인 X-Y 구동 시스템에 의해 기판이 이동되어야 한다. CdTe 및 CdZnTe와 같은 넓은 밴드 갭을 갖는 다른 반도체는 상부에 CdTe 층 또는 cd1-xZxTe(x
0.05 또는 0.20) 층이 증착되는 GaAs 층을 갖는 Si와 같은 기판 상에 박막으로 이용될 수 있다. 상기 CdTe/CaAs/Si 다층 구조(multilayer structure)는 카드뮴 수은 텔루라이드(CdHgTe) 적외선 검출기를 위한 기판으로서 사용되고 있다. 그러나 상기 CdTe/CaAs/Si 다층 구조가 적정 개수의 영상 픽셀을 제공하기 위해 원하는 개수의 하부 전극 스트립으로 패터닝될 경우, 상기 CdTe/CaAs/Si 다층 구조는 두께가 두꺼운 X선 검출기용으로도 또한 사용될 수 있다. PbI2의 박막은 도 6에 도시된 장치와 유사한 장치에서 증착될 수 있다.
상기에 기재된 반도체 박막은 팔라듐, 금, 플라티늄(platinum)으로 이루어진 상부 금속 전극 스트립의 기상 증착을 위해 사진 식각법으로 패터닝된다. 사진 식각된 후, 완성된 검출기 구조(도 4 및 도 5)는 사진 식각 공정에 의해 잔존하는 화학 물질을 제거하기 위하여 탈이온화되고 세 번 증류된(triple-distilled) 고 순도의 물로 완전히 린스된다(rinse). 전기적인 판독(readout)을 위한 패키징 동작의 준비가 완료된 후, 상기 구조는 파라렌(paralene)이 얇은 층으로 덮여져 보호된다(passivated).
그런 다음, 5× 5× 0.2㎤의 크기를 갖고 패터닝되며 접촉되고, 보호된 검출기 플레이트는 하부에 인쇄회로 기판과의 접촉을 위한 콘택부를 구비하는 다결정 알루미나 또는 teflonR플레이트 상에 배치된다. 플레이트는 적은 노이즈를 갖는 2N4416 전계 효과 트랜지스터(FET)와 적은 노이즈를 갖는 피드백 저항(feedback resistor)으로 구성되어 0.5× 0.5× 0.1㎤의 전치 증폭기(preamplifier) 기판의 세라믹 칩 상에 장착된 증폭 제1 단(stage)으로 사용된다. 모듈은 66㎛ 콘택없는(non-contacted) 스트립에 의해 각각 분리되는 100㎛× 5cm의 스트립으로 구성된다. 수평 스트립은 행으로 지칭되고, 수직의 스트립은 열로 지칭된다. 300개의 행과 300개의 열이 존재한다. 하나의 카메라 모듈에서 요구되는 전치 증폭기의 총 개수는 600이다. 즉, 각 행과 열은 각각의 전치 증폭기와 연결된다. 600개의 하이브리드 전치 증폭기 칩을 수용하고 여러 개의 모듈을 사용할 수 있도록 하기 위해, 100개의 전치 증폭기 칩을 갖는 카메라 플레이트 전단부는 한 면당 100개의 칩을 수용하는 입방체 형상의 박스(cube-shaped box) 상부에 배치된다(그러므로 네 개의 측벽(side wall)과 하나의 하부 벽은 상부에 존재하는 100개의 칩을 포함하여, 모두 500개의 칩을 함께 수용한다.) 상기 박스의 벽(wall)은 사전 인쇄 회로 기판(Preprinted Circuit Board)에 의해 연결된다. 상기 사전 인쇄 회로 기판은 검출기의 입력단자와 바이어스 전압(bias voltage)에 한 면이 연결되고, HgI2벌크 검출기 카메라용으로 다음에 기재되는 것과 유사한 존재하는 전자 회로와 연결되는 전치 증폭기의 출력 단자와 다른 면이 연결된다(도 7).
도 7을 참고하여, HgI2벌크 검출기 결정 카메라(HgI2bulk detector crystal camera)용으로 사용되는 전자 시스템을 좀더 상세하게 설명한다.
모든 전자 회로는 본 발명의 박막 검출기에 적합하게 구성된다. 그래서, 전치 증폭기로부터 출력되는 검출기의 출력은 좀더 증폭된 후 정형화되고(shape), 수집된 전하는 전치 증폭기로부터 다른 펄스형 방사선 검출기 시스템(pulse oriented radiation detector system)과도 충분히 사용될 수 있도록 가변적으로(flexible) 혼합 설계되는 정형화 증폭기로 전송된다. 하나의 미분(differentiation) 단과 네 개의 능동형 적분(active integration) 단은 가우스 형상(Gaussian shaping)과 거의 유사한 형상을 달성하기 위해 사용된다. 사용되거나 바이패스될 수 있는 하이 임피던스의 아날로그 입력 버퍼(high-impedance analog input buffer)가 제공된다. 6㎲의 폴-제로(pole-zero) 제거 회로(cancellation)회로가 포함되어 있지만, 상기 값(6㎲)은 외부에 가변 저항(variable resistor)을 부가하여 용이하게 변경될 수 있다.
정형화 증폭기의 출력은 다음과 같은 방식으로 처리된다. 디지털 신호를 발생하기 위해 상기 노이즈 바로 위로 설정된 레벨 판별 장치부(level discriminator set)를 구비하는 고속 비교기를 사용하여 상기 출력 신호가 비교되어, 동작(event)이 발생한 것을 표시한다. 그런 다음, 상기 신호는 일치 시기(coincidence timing)를 이용하여 동작의 타당성(validity)을 판정하는 아날로그-대-디지털 데이터웨이(dataway)-대-논리 회로로 입력된다. 동작이 타당성 있는 것으로 판정되면, 동작이 발생하는 공간적인 위치를 인코더하고 적당한 멀티플렉서 제어 신호를 발생시켜, 아날로그 신호가 펄스 크기(height)(에너지 정보)를 판정하도록 아날로그-대-디지털 변환기에 의해 처리될 수 있다. 인코딩 로직 모두는 프로그램어블 로직 어레이(programmable logic array)를 사용하여 실현된다(Altera EP 1800J). 상기 프로그램어블 로직 어레이의 사용은 이산 게이트 로직(discrete gate logic)의 전체 크기에 비해 최종 회로 크기를 크게 감소시킬 수 있다. 인코딩 로직 모두와 아날로그-대-디지탈 변환기의 기능은 단일 AT 크기 카드(single AT size card)에 적당하다.
모든(entire) 데이터는 IBM PC-AT 컴퓨터의 제어 하에 획득된다. 상기 컴퓨터는 단일 AT 크기 보드(TI80486)이고, 입출력 제어를 위해 사용되는 카드(SCSI, 등)를 갖고 있다. 상기 보드는 10MB의 램(RAM)을 포함한다. 200MB IDE 드라이브, 및 1.4MB의 3.5인치 플로피 디스크 드라이브는 최종 시스템에 역시 포함된다.
카메라 신호를 위한 표준 AT 백-플레인(back-plane)과 부가적인 버스(bus)를 포함하고 있는 사용자 시스템 보드(custom system board)는 카메라 시스템을 구성하는 카드를 지탱하기 위해 장착된다. 상기 카드는 카메라 후면 단부(back end)의 서브 샤시(subchassis) 내에 장착된다. 검출기를 바이어스하기 위한 고 전압 전원 공급 장치, 전자 장치를 위한 저전압 전원 공급 장치, 하드 디스크 드라이브, 및플로피 디스크 드라이브는 카메라 후면 단부의 서브 샤시 각각에 장착되어 있다. 상기 시스템은 초당 104개 이상의 입력 비율로 입력할 수 있다.
마지막으로, 카메라 시스템은 데이터 획득을 제어하고, 영상을 표시하기 위한 소프트웨어를 포함하고 있다. 이 소프트웨어는 OS/2를 위한 "C"언어로 작성되어 있고, 인터페이스로 OS/2 프리젠테이션 메니저(OS/2 presentation manager)를 사용한다. 소프트웨어가 전자 장치와 통신할 수 있도록 특정 구동 장치가 설계된다(written).
영상이 획득되고 있는 동안, 컴퓨터 표시 장치는 다음 항목 중 하나의 동작을 실행할 수 있다.
(1) 파일 입/출력(저장(save), 로드(load), 등).
(2) 시간(time)/계수(count) 한정과 같은 획득 파라미터(acquisition parameters).
(3) 획득 영상(acquired image) 때 재현 영상(reconstructed image)의 표시선택, 재현 방식 등과 같은 동작 모드.
(4) 옵션(options),
(5) 유틸리티(utilities)
(6) OS/2 PM과 호환될 수 있고, 실제로 OS/2 PM 변환(conversion)이 가능할 수 있도록 하는 도움 기능(help functions).
상기 표시 장치는 다음과 같은 각 영역으로 이루어진다.
(a) 메뉴 영역(menu area).
(b) 그레이(gray) 스케일(scale) 영상 표시 영역
(c) 스펙트럼(spectrum)(서브 윈도우(daughter window)),
(d) 영상 특성(image characteristics)(전체 계수; 모든 계수의 합; 최대 계수, 가장 밝은 픽셀의 값; 다중 카운트(multiple count); 전하 분할(charge splitting)로 인해, 신호가 서로 인접한 두 개의 행과 열에 동시에 존재하는 위치의 카운트 번호; 델타 번호; 및 카운트 번호.
시스템은 마우스 제어(mouse control)를 포함하여, 사용자는 특정 픽셀을 선택할 수 있고 상기 특정 픽셀에 해당하는 에너지 스펙트럼을 표시할 수 있다. 상기 스펙트럼은 자신이 대응하는 픽셀 위치[r,c], 스펙트럼에서의 커서 위치, 상기 위치에서 계수(커서;계수)에 대응하는 번호를 보여주는 서브 윈도우에 또한 표시된다.
실현되는 것만큼 본 발명은 다양하게 응용될 수 있다.
그러므로 본 발명에 따르면, HgI2, CdTe, CdZnTe, 또는 PbI2박막으로 구성되고, 일반 모드 또는 에너지 분산 모드에서 동작하는 5× 5㎠의 시야창(viewing window)을 갖는 단일 모듈이고 소형 반도체 박막인 X선 및 감마선 방사선 검출 카메라를 제공한다.
본 발명의 영상 시스템은 약 20× 15㎠의 커다란 영역을 갖는 X선 필름을 대체하는 멀티 모듈의 X선 및 감마선 카메라, 즉 5× 5㎠ 소형 카메라의 12개의 모듈로 이루어진 카메라, 또는 27.4× 42.5㎠의 멀티 모듈의 소형 단일 모듈 X선 및 감마선 카메라, 즉 5× 5㎠의 모듈 약 47개로 이루어진 카메라, 또는 다른 방사선 카메라(pictures)로 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 영상 시스템은 핵의학(nuclear medicine)에 적용될 수 있고, 무증상의 종양 제거(subclinical tumor removal), 이식 관류(灌流)(transplant perfusion)의 동일성 확인(identification), 혈관 이식 조직 생존성 판정(determination of vascular graft viability), 양성 골절 장애 제거(removal of benign bone lesions) 등과 같은 외과 치료에 사용되는 수술중 장비(intra-operative tool)로 사용될 수 있다. 외과 의사들이 사용할 수 있는 종래 기술 상태는 단일-검출기 감마 및 베타(beta) 프로브(probe)에 한정된다. 비영상 수술 중 프로브에 해당하는 영상 시스템의 장점은 스펙트럼 분해 영상화(spectrally-resolved imaging) 및 퍼짐(scatter) 현상의 감소 가능성과 관련되는 위치 측정(localization) 및 감광도(sensitivity)를 향상시킬 수 있다는 것이다.
유사하게, 본 발명은 솔라 플레어 망원경(solar flare telescope) 또는 감마 폭발과 같은 X선 범위(field)를 형상화하기(mapping) 위한 천체 물리학에 사용하기 위해; 위조 지폐 감정에 사용하기 위해; 박물관에 있는 그림의 감정 및 비교에 사용하기 위해; 고대 고고학의 공예품의 감정 및 비교에 사용하기 위해; 원치않은 뼈를 식별하도록 고기 통조림 안에 들어있는 간(ground) 고기의 영상화에 사용하기 위해; 원자 폐기물을 식별할 때 사용하기 위해; 및 공항의 보안 영상 시스템에 사용하기 위해 적용될 수 있다.
본 발명은 상기한 예시적인 실시예의 상세한 기술에 한정되지 않으며, 본 발명의 본질 또는 필수적인 특성에서 벗어나지 않는 한 다른 특정 형태로 실시될 수 있다는 것이 해당 분야의 당업자에겐 자명할 것입니다. 그러므로 본 발명의 실시예는 예시적이지 그에 한정되지 않는 것으로 모든 관점에세 고려되며, 본 발명의 범위는 상기 기술에 대해서보다 오히려 첨부된 청구범위에 대해서 한정되고, 그러므로 청구범위와 균등한 의미 및 균등한 범위 내에서 발생하는 모든 변경은 본 명세서에 포함된다.
Claims (29)
- X선 및 감마선 방사를 검출하기 위한 방사선 검출 시스템에 있어서,선택적으로(optionally), 유기 결합제(organic binder)와 혼합되어, 다수개의 다결정 입자로부터 형성되는 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체인 방사선 검출 다결정 물질로 이루어지는 연속 막을 포함하고,상기 입자는 응집성 있는 단일 연속 막(single, coherent, continuous film)을 형성하기 위해 함께(together) 소성되고,상기 다수개의 다결정 입자와 상기 다결정 입자로부터 형성된 막은 적어도 99.9999(6N)%의 순도를 가지며,상기 시스템은 6keV 내지 660KeV의 에너지 범위의 방사선을 검출하는것을 특징으로 하는 방사선 검출 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 응집성 있는 단일 연속 막이 요오드화 제2 수은(mercuric iodide) 막인 방사선 검출 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 응집성 있는 단일 연속 막이 카드뮴 텔루라이드(cadmium telluride) 막인 방사선 검출 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 응집성 있는 단일 연속 막이 카드뮴 진크 텔루라이드(cadmium zinc telluride) 막인 방사선 검출 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 응집성 있는 단일 연속 막이 요오드화 납(lead iodide) 막인 방사선 검출 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 응집성 있는 단일 연속 막이 약 102㎠ 및 104㎠ 사이의 영역을 갖는 방사선 검출 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 응집성 있는 단일 연속 막이 약 1㎛ 내지 500㎛ 사이의 두께를 갖는 방사선 검출 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 응집성 있는 단일 연속 막이 적어도 부분적으로 형성되는(textured) 방사선 검출 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 응집성 있는 단일 연속 막이 전체(fully) 형성되는 방사선 검출 시스템.
- 제1항에 따른 X선 및 감마선 영상 시스템을 위한 영상 수신기에 있어서,선택적으로(optionally), 유기 결합제(organic binder)와 혼합되어, 다수개의 다결정 입자로부터 형성되는 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체인 방사선 검출 다결정 물질로 이루어지는 연속 막을 포함하고,상기 입자는 하부 전극을 형성하는 도전성 기판 층 상에 증착되고, 상부 전극을 형성하는 상부 도전성 기판 층에 의해 덮여지는 응집성 있는 단일 연속 막을 형성하기 위해 함께 소성되고,상기 층 중 적어도 하나는 다수개의 비도전성 영역에 의해 서로 분리되고, 전하 검출 전치 증폭기(chage-sensitive pre-amplifier)를 경유하여 영상 전자 시스템에 각각 개별적으로 연결되는 다수개의 도전성 영역으로 제공되고영상 수신기.
- 제10항에 있어서,하부 전극을 형성하는 다수개의 비전도성 영역에 의해 서로 분리되는 다수개의 도전성 영역을 구비하는 기판 층상에 증착되는 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체인 방사선 검출 물질로 이루어진 연속 박막을 포함하고,상기 박막은 다수개의 비도전성 영역에 의해 서로 분리되는 다수개의 연속 도전성 영역을 구비하는 상부 층에 의해 덮여지는영상 수신기.
- 제11항에 있어서,1 상기 기판 층의 도전성 영역은 이격된(spaced-apart) 제1 스트립(strip) 열(series)처럼 배열되고, 상기 상부 층의 도전성 영역은 이격된 제2 스트립 열처럼 배열되며,상기 제1 및 제2 스트립 열은 그리드형 어레이(grid-like array)를 형성하기 위해 서로 연관되게 배열되는영상 수신기.
- 제12항에 있어서,상기 상부 층 및 기판 층이 약 20㎛ 내지 200㎛의 너비와 약 20㎛ 내지 200㎛의 길이를 갖는 픽셀을 나타내는 크로스-그리드(cross-grid)를 생산하기 위하여, 수직 도전성 스트립과 수평 도전성 스트립으로 각각 패터닝되는 영상 수신기.
- 제10항에 있어서,상기 도전성 영역은 이산화 규소(SiO2), 산화 마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 유전체 물질에 의해 서로 분리되는 영상 수신기.
- 제10항에 있어서,상기 전극 물질이 팔라듐(palladium), 금(gold), 플라티늄(platinum), 게르마늄(germanium)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 영상 시스템을 위한 영상 수신기.
- 제10항에 있어서,상기 도전성 기판 층 상에 증착되는 응집성 있는 연속 박막이 1㎛ 내지 500㎛의 두께를 갖는 반도체 박막인 영상 수신기.
- 제10항에 있어서,상기 전극은 약 20㎛ 내지 200㎛의 너비와 약 20㎛ 내지 200㎛의 길이를 갖는 상부 패터닝된 전극 픽셀의 그리드를 포함하고,상기 픽셀 각각은 영상 전자 시스템에 개별적으로 연결되는영상 수신기.
- 제10항에 있어서,X선과 감마선 영상 시스템에 사용되는 영상 수신기.
- 제10항에 있어서,상기 박막이 HgI2박막인 영상 수신기.
- 제10항에 있어서,상기 박막이 CdZnTe 박막인 영상 수신기.
- 제10항에 있어서,상기 박막이 PbI2박막인 영상 수신기.
- X선 및 감마선 방사를 검출하기 위한 다수개의 다결정 입자로부터 형성되는 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체인 방사선 검출 다결정 물질로 이루어지는 연속 막의 제조 방법에 있어서,(a) 적어도 99.999(6N)%의 순도를 갖는 다결정 분말 물질의 입자를 준비하는 단계;(b) 도전성 기판 위에 선택적으로 유기 결합제와 혼합되어 상기 입자 물질을증착하는 단계; 및(c) 응집성 있는 단일 연속 막을 형성하기 위하여 다결정 물질의 입자를 함께 소성하는 단계로 이루어지는 연속 막 제조 방법.
- 제22항에 있어서,상기 다결정 분말 물질의 정제된 입자는 진공 매체에서의 증발에 의해 준비되는 연속 막 제조 방법.
- 제22항에 있어서,상기 증발이 약 100℃ 내지 300℃의 온도에서 이루어지는 연속 막 제조 방법.
- 제23항에 있어서,상기 정제가 연속적으로 반복되는 증발에 의해 이루어지는 연속 막 제조 방법.
- 제22항에 있어서,상기 도전성 귀금속(conductive noble metal)의 상부 플레이트는 상기 분말위에 배치되고, 최종 어셈블리는 약 100℃ 내지 220℃의 온도와 약 100kg/㎠ 내지5,000kg/㎠의 압력에서 압축되는 연속 막 제조 방법.
- 제22항에 있어서,상기 (a) 단계로부터의 입자 물질은 용매 속에서 유기 결합제와 혼합된 후, 상기 기판 상에 증착되고, 약 60℃ 내지 120℃의 온도에서 어닐링되는 연속 막 제조 방법.
- 제27항에 있어서,상기 증착이 마스크 프린팅 동작에 의해 이루어지는 연속 막 제조 방법.
- 제22항에 있어서,상기 단계(a)로부터의 정제된 입자 물질은 약 90℃ 내지 220℃의 온도에서 진공 챔버의 가열된 영역에 놓여지고, 상기 도전성 기판은 상기 진공 챔버의 LN2냉각된 영역에 놓여져, 상기 정제된 입자 물질이 승화되어 기판 상에 증착되며,이러한 멜딩 동작(melding)은 질소(N2)가 존재할 때 약 50℃ 내지 100℃의 온도에서 가열하고 어닐링하는 것에 이루어지는 연속 막 제조 방법.
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