ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЙ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТЕКТОРА ИЗЛУЧЕНИЙ

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к детектору излучений и способу изготовления детектора излучений. Кроме того, оно относится к детектору рентгеновского излучения и системе формирования изображения, содержащей такой детектор излучений.

Уровень техники

Детекторы излучений, обладающие массивом элементов изображения, применяют, например, в системе формирования изображения в компьютерной томографии, для обеспечения достаточно точного измерения излучения, падающего на детектор, после того, как он был удален со сканируемого объекта. Использование легкого в изготовлении полупроводникового материала, такого как кремний, для детектора излучений обладает преимуществом с точки зрения, например, затрат, по сравнению, например, с Cd(Zn)Te в качестве сенсорного материала. Хотя Cd(Zn)Te обладает намного более высокой тормозящей способностью, чем кремний, и демонстрирует намного меньшее комптоновское рассеяние, что приводит к межпиксельным перекрестным наводкам, Cd(Zn)Te проявляет значительную K-флуоресценцию, которая ухудшает разрешение по энергии и может также вызвать межпиксельные перекрестные наводки. Кроме того, Cd(Zn)Te - это дорогостоящий материал, сложный в изготовлении при больших размерах, и, из-за его ломкости, имеет ограничения по толщине слоя. Напротив, K-флуоресценция в детекторах излучений на основе полупроводникового материала, такого как кремний, ничтожно мала. Тогда как кремний является практически прозрачным для верхних энергетических уровней рентгеновского излучения (примерно 100 кэВ), фотонная энергия на уровне 35 кэВ хорошо поглощается. Однако, для средней фотонной энергии есть высокая вероятность существования комптоновского рассеяния, которое изменяет направление фотона, а также его энергию, что приводит к усилению пространственных и спектральных перекрестных наводок между соседними и даже удаленными пикселями. Также, в противоположность Cd(Zn)Te, полупроводниковые детекторы излучений могут быть выгодными с точки зрения продвинутой и широко известной полупроводниковой технологии, повседневно используемой в промышленности.

Один существенный недостаток такого полупроводникового детектора излучений состоит в величине перекрестных наводок между пикселями, в основном из-за комптоновского рассеяния, что снижает качество изображения. Так дело обстоит для любого соответствующего размера в пикселях, поскольку фотоны, подвергнутые комптоновскому рассеянию, преодолевают большие расстояния в кремнии, вплоть до уровня сантиметров, и поэтому легко вызывают пространственные перекрестные наводки между пикселями, которые не являются смежными.

В JP59064587 раскрыт детектор излучений для снижения перекрестных наводок между соседними детекторами излучений, вызванных радиоактивными лучами, рассеивающимися на детекторах излучений в рентгеновском блоке CT (Computed Tomography, компьютерной томографии). Полупроводниковые детекторы излучений фиксируют пики выходных сигналов на панели коллиматора, изготовленной из металла с высокой способностью к торможению радиоактивных лучей. Панель коллиматора, при ослаблении эффекта рассеяния радиоактивных лучей между соседними детекторами излучений, функционирует как отрицательный электрод, который сильно снижает перекрестные наводки между соседними детекторами излучений, вызванные рассеянными радиоактивными лучами. Недостаток этого детектора излучений состоит в том, что перекрестные наводки снижаются лишь между соседними детекторами излучений, а не между пикселями каждого детектора излучений. Кроме того, для этого требуется усложненный процесс изготовления, в котором детекторы излучений крепятся на панели коллиматора, который снижает перекрестные наводки между детекторами излучений.

В WO 2008/004547 A1 раскрыта фотодиодная матрица, имеющая множество каналов детектирования света для пропускания света, подлежащего обнаружению при проникновении на детектор, сформированных на структуре n-типа, которая содержит полупроводниковый слой n-типа. Фотодиодная матрица снабжена полупроводниковым слоем p-типа, сформированным на полупроводниковом слое n-типа на подложке, а между каналами обнаружения света сформирована изоляционная секция n-типа. Полупроводниковый слой p-типа задает конфигурацию p-n-перехода на межфазной границе с подложкой и соответствует каналам обнаружения света, причем полупроводниковый слой p-типа имеет множество усилительных областей для лавинообразного усиления тока носителей заряда, генерируемых за счет вхождения света, подлежащего обнаружению. Изоляционные области сформированы таким образом, чтобы каждая усилительная область полупроводникового слоя p-типа соответствовала каждому каналу обнаружения.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является обеспечение детектора излучений, в котором перекрестные наводки снижаются не только между различными детекторами, но также и между различными пикселями каждого детектора излучений, изготовление которого можно легко сделать неотъемлемой частью действующего процесса изготовления. Изобретение задано независимыми пунктами формулы изобретения. Предпочтительные варианты воплощения заданы зависимыми пунктами формулы изобретения.

Данная цель достигается обеспечением канавки в полупроводниковом материале, где данная канавка окружает каждый пиксель и, по меньшей мере, частично заполнена защитным материалом, который поглощает, по меньшей мере, часть фотонов, генерируемых падающим излучением. Таким образом, канавка, окружающая каждый пиксель, обладает таким свойством, что она способна поглощать часть излучения, генерируемого фотонами, что, таким образом, снижает перекрестное рассеяние падающего излучения между пикселями. Таким образом, степень перекрестных наводок излучения, которое попадает из пикселя в соседний пиксель, снижается. Кроме того, создание канавки может быть составной частью простого пути в стандартной технологии полупроводниковых приборов для изготовления детектора излучений согласно изобретению. Например, технология КМОП (комплементарного металло-оксидного полупроводника) для изготовления детектора излучений согласно изобретению предусматривает простое и дешевое изготовление детектора излучений согласно изобретению, в котором изготовление канавки является составной частью в простом способе. Является предпочтительным, чтобы полупроводниковый материал содержал кремний, который для такой стандартной и дешевой технологии изготовления является приемлемым. Согласно изобретению, коэффициент заполнения канавок барьерным материалом программируемо изменяется поперек детектора. Таким путем достигается то, что первая часть канавки имеет такой фактор заполнения или объем заполнения барьерным материалом, который отличен от коэффициента заполнения объема второй части канавки. Например, первая часть канавки окружает пиксель, а вторая часть канавки окружает подпиксель или кластер подпикселей. Это обстоятельство успешно обеспечивает проведение оптимизации между материалом, используемым для заполнения, размером канавки и итоговым качеством технологии заполнения.

В варианте воплощения детектор излучений согласно изобретению, каждый пиксель содержит массив подпикселей, а каждый подпиксель окружен канавкой. Это дополнительно снижает степень перекрестных наводок в детекторе излучений. В другом варианте воплощения кластер смежных подпикселей окружен канавкой. Это предусматривает оптимизацию размера полезной площади подпикселей и снижение перекрестных наводок, поскольку канавка занимает площадь, которая снижает активную площадь пикселей и подпикселей, но, с другой стороны, снижает перекрестные наводки. Это, например, предусматривает повышенное покрытие полезной площади массива подпикселей при приемлемых затратах на некоторые пространственные перекрестные наводки между подпикселями массива.

В варианте воплощения детектора излучений согласно изобретению, барьерный материал содержит материал, который не проявляет K-флюоресценцию выше уровня энергии 35 кэВ. Таким образом, нежелательные эффекты перекрестных наводок могут быть минимизированы.

В варианте воплощения детектора излучений согласно изобретению, барьерный материал представляет собой материал со средним атомным номером Z. Это предусмотрено для эффективного поглощения фотонов в канавке, которое генерируется падающим излучением. Предпочтительными материалами для барьерного материала являются молибден, серебро или вольфрам.

В варианте воплощения детектора излучений согласно изобретению, канавка имеет глубину в конверсионном слое в диапазоне 20-600 мкм. Это предусматривает такую глубину канавки, которая соответствует такой максимальной глубине, при которой фотоны проникают в слой проводящего материала, минимизируя, таким образом, перекрестные наводки.

Цель также достигается с помощью способа изготовления детектора излучений согласно изобретению, в котором канавка обеспечена в подложке полупроводникового материала, после которой поверхности канавки покрыты слоем изоляции. Затем, на подложке изготавливают массив пикселей таким образом, чтобы каждый пиксель был окружен канавкой. Наконец, канавку, по меньшей мере, частично заполняют барьерным материалом, который поглощает, по меньшей мере, часть фотонов, генерируемым падающим излучением. Этапы, которые требуются для обеспечения канавки и, по меньшей мере, частичного заполнения канавки, включает в себя все этапы обработки, которые могут быть объединены в стандартной технологии изготовления полупроводников, что, таким образом, приводит к простому и дешевому изготовлению детектора излучений согласно изобретению.

Создание канавки в подложке можно осуществить, например, с помощью глубокого реактивного ионного травления (Deep Reactive Ion Etching, DRIE), при котором форма или геометрия канавки в основном вертикальная. В качестве альтернативы, можно использовать технологии влажного травления для создания канавки в подложке. Эти различные технологии травления можно применять для регулирования формы канавки для достижения оптимального заполнения канавки барьерным материалом.

Согласно изобретению, этап, по меньшей мере, частичного заполнения канавки включает в себя этап селективного размещения барьерного материала в канавке с помощью дозирующего устройства. Таким образом, барьерный материал можно последовательно наносить на внутреннюю поверхность канавки. Например, струйное печатающее устройство вводит материал внутрь канавки. Это пример простого способа нанесения барьерного материала в канавки. Кроме того, это предусматривает селективное заполнение части канавок различными объемами барьерного материала. Например, первую часть канавки можно заполнять при объемах заполнения барьерным материалом, отличным от второй части канавки.

В качестве примера, в способе согласно изобретению в качестве барьерного материала можно применять металлический порошок, введенный в эпоксидный клей. Эпоксидный клей можно успешно использовать одновременно и в качестве клея для прикрепления другого устройства, например, поверх канавки, например, антирассеивающей решетки.

В другом варианте воплощения способа согласно изобретению, этап, по меньшей мере, частичного заполнения канавки включает в себя нанесение маскирующего слоя, который содержит отверстия для тех частей канавки, которые должны быть заполнены, по меньшей мере, частично. Это делается с учетом введения барьерного материала в канавку по всей подложке в ходе одной технологической операции.

Задача также достигается с помощью детектора рентгеновского излучения, содержащего детектор излучений согласно изобретению, и системы формирования изображения, в частности, рентгеновской системы формирования изображения, системы формирования изображения на основе компьютерной томографии (CT, Computed Tomography), позитронно-эмиссионной томографии (PET, positron emission tomography), однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT, single-photon emission computed tomography) или радионуклидной системы формирования изображения, содержащей детектор рентгеновского излучения согласно изобретению.

Детектор излучения согласно настоящему изобретению может служить для количественного и/или качественного обнаружения электромагнитного излучения, в частности, рентгеновского излучения или γ-излучения.

Детектор излучения будет, как правило, иметь дополнительные компоненты, такие как оптические затворы, антирассеивающие решетки, электронные цепи, кожухи, и т. п., которые не были точно указаны, поскольку они очевидны для специалистов в данной области техники, причем эти компоненты обычно устанавливают таким образом, чтобы это было нужным лишь для облучения фотонами детектора по конкретному направлению входа по отношению к детектору.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 показывает схематически вид сверху части детектора излучений согласно изобретению;

Фиг.2a-c схематически иллюстрируют способ изготовления детектора излучений согласно изобретению, показывая поперечные разрезы части детектора излучений; и

Фиг.3 схематически иллюстрирует детектор излучений согласно изобретению, показывая поперечные разрезы части детектора излучений.

Одинаковые номера ссылок на Фигурах относятся к идентичным или сходным компонентам.

Подробное описание вариантов воплощения

Считается, что «спектральная компьютерная томография» обладает потенциалом революционизирования настоящих систем компьютерной томографии таким образом, чтобы можно было использовать спектральную информацию, содержащуюся в полихроматическом рентгеновском пучке, генерированном рентгеновской трубкой и проходящем через сканируемый объект, для обеспечения новой информации, важной для диагностики. Эффективная технология для системы формирования изображений на основе спектральной компьютерной томографии представляет собой детектор, который может обеспечить достаточно точную оценку энергетического спектра фотонов, соударяющихся с детектором позади сканируемого объекта. Поскольку в целях реконструкции изображения детектор также подвергают воздействию прямого пучка, скорости счета излучения фотонов, воспринимаемые пикселем детектора как прямой пучок, огромны (приблизительно 10⁹ фотонов на мм² в секунду, т.е. 1000 мегагерц на мм²). Однако, ожидается, что считывающие электронные устройства смогут справляться не более чем с 10 МГц. Для ограничения скорости считывания излучения, можно разделить сенсорную часть детектора (в которой рентгеновские фотоны взаимодействуют с ней и генерируют импульс заряда, который в дальнейшем оценивается считывающим устройством) на мелкие подпиксели (например, 300×300 мкм), а также на несколько различных сенсорных слоев (трехмерных подструктур), в которых каждый подпиксель в сенсорном слое имеет свой собственный электронный канал с разрешением по энергии, с подканалами для каждого энергетического уровня.

В качестве сенсорного материала для спектральной компьютерной томографии, интерес представляет теллурид кадмия и цинка (Cadmium zinc telluride, CZT, или CdZnTe), или CdTe, из-за их относительно высокой тормозящей способностью относительно рентгеновского излучения (толщина CZT примерно 3 мм считается достаточной для полной замены используемого в настоящее время сцинтиллятора с графической операционной системой). Однако, эта высокая тормозящая способность до некоторой степени также является недостатком: для ограничения максимальной скорости счета подпикселя в сенсорном слое примерно до 10 МГц таким образом, чтобы обслуживающий считывание канал электронного устройства лишь изредка фиксировал наложение импульсов, первые сенсорные слои (с пикселями размером 300x300 мкм) должны обладать толщиной значительно ниже 100 мкм. Вызывает сомнения, можно ли изготавливать эти тонкие слои CZT в связи с ломкостью CZT. В дополнение, из-за много меньшего формата изображения, определяемого как толщина, деленная на «поперечное расширение», преимущества мелкопиксельного эффекта в таких очень тонких слоях, толщиной ниже 100 мкм.

Обращаясь к вышеописанным проблемам, материал с низкой тормозящей способностью, такой как кремний, предлагается в качестве сенсорного материала для спектральной компьютерной томографии, возможно в сочетании с CZT или CdTe, которые также используют в режиме подсчета, или даже со слоем с графической операционной системой (GOS, graphic operating system), интегрирующим энергию. Из-за низкого атомного номера кремния, Z=14, затухание рентгеновского излучения много меньше, чем в случае CZT или CdTe. Следовательно, толщина верхнего слоя многослойного детектора, изготовленного из Si в считывающем детекторе, с разрешением по энергии, для достижения скоростей счета, не превышающих 10 МГц, составляет примерно 1,7 мм. Толщина конверсионных слоев, находящихся ниже верхнего слоя, может даже последовательно повышаться от слоя к слою. Следовательно, можно легко изготовить детектор спектральной компьютерной томографии, состоящий из нескольких слоев Si, используемого в качестве материала для прямой конверсии. Дополнительные преимущества Si состоят в том, что он намного дешевле, чем CZT, намного проще для изготовления (потенциально даже в стандартном КМОП-производстве), и в нем почти отсутствуют перекрестные наводки K-флуоресценции, поскольку энергия K-края составляет менее 2 кэВ, а выход по флуоресценции (т.е., мера того, как часто возникают взаимодействия с K-флуоресценцией) составляет лишь 4,1%.

Фиг.1 показывает вид сверху части детектора излучений 10, обладающего массивом 2×3 пикселей 1 и массивом 3×3 подпикселей 2 для каждого пикселя 1. Фотоны, генерируемые в пикселях 1 и подпикселях 2, обнаруживаются считывающим электронным устройством (не показано), соединенным с пикселями 1 и подпикселями 2. В этом случае канавка 3 окружает каждый пиксель 1 и каждый подпиксель 2. Канавка 3 обеспечена в подложке 4 (не показана), на которой также обеспечены пиксели 1 и подпиксели 2. Канавку 3 заполняют барьерным материалом, который снижает количество перекрестных наводок между пикселями 1 и между подпикселями 2 за счет поглощения части фотонов, генерируемых излучением, падающим на детектор излучений 10. Наиболее эффективный барьерный материал обладает средним z-числом. Например, пригодным барьерным материалом являются молибден, серебро или вольфрам. Материалы с высокими z-числами менее пригодны, если их K-край лежит выше или в пределах энергетического интервала 35-70 кэВ, в котором в основном возникают перекрестные наводки; в этом случае, барьерный материал может страдать от K-флуоресценции и снижать эффективность поглощения до уровня ниже K-края.

Фиг.2a-c иллюстрируют способ изготовления детектора излучений 10 согласно изобретению, и показывают поперечные разрезы части детектора излучений 10. В подложке 4, в данном примере содержащей кремний, канавки 3 сформированы путем нанесения, в данном случае, способом травления DRIE («Deep Reactive Ion Etching», глубокого реактивного ионного травления), которое приводит к созданию относительно прямых и вертикальных стенок для канавок 3, как показано на Фиг.2a. Например, оксидный маскирующий слой можно наносить для определения области, в которой формируются канавки 3. Является предпочтительным, чтобы глубина канавок 3 находилась в диапазоне 20-600 мкм, в зависимости от толщины подложки 4 и от максимальной глубины, которой рентгеновские фотоны достигают внутри подложки 4, вызывая перекрестные наводки. Ширина или размер канавок 3, определяющая расстояние между соседними пикселями 1 и подпикселями 2, находится, например, в диапазоне 50-300 мкм, в зависимости от размера пикселей 1 и подпикселей 2.

Затем, пиксели 1 создают посередине канавок 3, например, посредством стандартной КМОП-технологии, как показано на Фиг.2b. Кроме того, стенки и дно канавок обеспечены изоляционным слоем 6. Этот технологический этап можно выполнить путем выполнения этапа формирования любого хорошо известного изоляционного слоя, такого как термическое окисление или пассивация. Этот этап формирования изоляционного слоя 6 можно выполнить до, в ходе или после этапа изготовления пикселей 1. Затем, канавки 3 заполняют подходящим барьерным материалом, как показано на Фиг.2c. Изоляционный слой 6 предусматривает, по меньшей мере, электрическую изоляцию между барьерным материалом, который находится в канавках 3, и подложкой 4, пикселями 1 и подпикселями 2. Заполнение канавок 3 можно осуществить полностью или частично. Путем выполнения подходящей технологии, можно даже изготавливать детекторы излучений 10, в которых коэффициент заполнения канавок 3 барьерным материалом изменяется поперек всего детектора излучений. Например, канавки 3, окружающие пиксель 1, заполняют до объема, отличного от канавок 3, которые окружают подпиксель. Подходящая технология представляет собой, например, струйную печать, при которой канавки 3 заполняются последовательным образом. Таким путем можно селективно расположить барьерный материал в канавках 3 и запрограммировать или отрегулировать коэффициент заполнения канавок 3 как функцию местоположения части канавки 3 на подложке 4. Другой подходящей технологией является, например, трафаретная печать, при которой наносят маскирующий слой, в котором созданы отверстия в местоположениях, где части канавок 3 должны быть заполнены, по меньшей мере, частично. После этого можно выполнить другой этап заполнения, или (не обязательно) можно нанести второй маскирующий слой для заполнения оставшихся частей канавок 3 и для повышения коэффициента заполнения канавок 3, которые уже были заполнены, по меньшей мере, частично на предыдущем этапе создания маскирующего слоя.

Например, в качестве барьерного материала можно наносить металлический порошок, внедренный в эпоксидный клей. Размер зерна металлического порошка и эпоксидную смолу можно оптимизировать, в зависимости от глубины канавок 3 для достижения оптимального заполнения канавок 3.

Дополнительно, эпоксидную смолу также используют в качестве клея для прикрепления, например, ASG («Anti Scatter Grid», «антирассеивающей решетки») поверх детектора 10, что приводит к достижению оптимизированного температурного коэффициента, подходящего как для детектора излучений 10, так и для ASG.

Технологический этап предварительного отжига и этап очистки передней стороны полупроводниковой пластины можно успешно выполнять перед этапом окончательной термообработки, при котором происходит отверждение барьерного материала.

Можно применять и другие технологии, которые приводят к образованию канавок 3 с геометрическими формами, отличными от геометрических форм канавок, полученных при применении травления DRIE. Например, можно применять технологию влажного травления, с использованием KOH в качестве травителя, которая является более быстрой технологией травления, чем сухое травление, и которая приводит к образованию менее прямых, но более наклонных стенок для канавок 3, как показано на Фиг.3.

Поверх, по меньшей мере, частично заполненных канавок 3 может быть обеспечен слой отражающего материала, предотвращающего попадание излучения в барьерный материал.

Детектор излучений согласно изобретению не ограничен подавлением перекрестных наводок при компьютерной томографии, при наличии подсчета рентгеновских фотонов с разрешением по энергии, но он также является благоприятным для подавления перекрестных наводок в кремниевых детекторах, содержащих пиксели.

Наконец, следует отметить, что в настоящем изобретении применение термина «содержащий» не исключает других элементов или этапов. Использование грамматической формы единственного числа не исключает множественного, при этом один процессор может выполнять функции нескольких средств. Изобретению присущ каждый и любой всевозможный новый отличительный признак, и каждое и любое сочетание этих отличительных признаков. Кроме того, ссылочные обозначения в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие его объем.