DE19914701A1 - Verfahren zur Herstellung eines Festkörperbilddetektors sowie Festkörperbilddetektor - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Festkörperbilddetektors, umfassend eine aus mehreren nebeneinander angeordneten Panels bestehende, mit einer Passivierungsschicht belegte Pixelmatrix aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus amorphem Silizium, und eine Szintillatorschicht zum Konvertieren von auf die Szintillatorschicht einfallender Strahlung in von der Pixelmatrix verarbeitbare Strahlung, bei dem auf die Passivierungsschicht eine für die von der Szintillatorschicht emittierte Strahlung transparente Schicht aufgebracht wird, wonach die Szintillatorschicht auf die Schicht aufgedampft wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Festkörperbilddetektors, umfassend eine aus mehreren neben­ einander angeordneten Panels bestehende, mit einer Passivie­ rungsschicht belegte Pixelmatrix aus einem Halbleitermateri­ al. insbesondere aus amorphem Silizum und eine Szintillator­ schicht zum Konvertieren von auf die Szintillatorschicht ein­ fallender Strahlung in von der Pixelmatrix verarbeitbare Strahlung.

Bekannte derartige Festkörperbilddetektoren basieren auf ei­ ner aktiven Auslesematrize in Form der Pixelmatrix aus einem Halbleitermaterial, z. B. aus amorphem Silizium (a-Si). Die Bildinformation wird in einem Röntgenkonverter, einer soge­ nannten Szintillatorschicht (z. B. aus Cäsiumjodid (CsJ)) in eine Strahlung gewandelt, die von der Pixelmatrix verarbeit­ bar ist. In den aktiven Pixeln der Pixelmatrix wird die Bil­ dinformation als elektrische Ladung gespeichert und anschlie­ ßend mit einer dedizierten Elektronik ausgelesen und analog­ digital gewandelt. Röntgenquanten werden in der Szintillator­ schicht in Strahlung, im Falle des Cäsiumjodids in Licht ge­ wandelt und anschließend zu den Fotodioden umfassenden Pixeln des amorphen Siliziums transportiert. Dieser optische Prozess muss optimiert sein, um eine gute Bildqualität zu erreichen. Wesentlich entscheidend ist dabei die Ankopplung der Szintil­ latorschicht an die Pixelmatrix, da eine schlechte Ankopplung die wichtigsten bildqualitätsrelevanten Parameter negativ be­ einflusst. Diese Parameter sind die Auflösung, die - im Fre­ quenzraum - durch die MTF (Modulations Transfer Funktion) quantifiziert wird, und das frequenzabhängige Signal-zu- Rausch-Übertragungsvermögen, dass durch DQE (Dedektive Quan­ ten Effizienz) beschrieben wird. Um für diese Parameter gute Werte zu erhalten ist es wesentlich, das erzeugte Signal, al­ so die vom Szintillator erzeugte Strahlung ohne nennenswerte Schwächung (durch Verlust- und Streuprozesse) und ohne we­ sentliche Aufweichung der Ortsinformation (durch Streuung oder Brechung) auf die Pixelmatrix zu bringen.

Die beste bekannte Methode zur Erhaltung von Signal und Ortsinformation ist die direkte Bedampfung der Pixelmatrix bzw. der auf dieser ausgebildeten Passivierungsschicht mit der Szintillatorschicht. Dies ist - unter Einhaltung von ge­ wissen Temperaturrandbedingungen - für Festkörperdetektoren bestehend aus einem einzelnen Panel möglich. Probleme ergeben sich jedoch bei großflächigen Detektoren, die aus mehreren Panels, die nebeneinander angeordnet sind bestehen. An den Stoßkanten dieser Panels entstehen stets mikroskopisch kleine Gräben, die das Kristallwachstum der Szintillatorschicht stark stören und ein gleichmäßiges Wachstum verhindern. Im umgebenen Bereich dieser Stoßkanten kann keine befriedigende Signalübertragung und damit Bildqualität erreicht werden. Ei­ ne direkte Bedampfung solcher großflächigen Festkörperbildde­ tektoren ist bisher nicht möglich.

Um aber dennoch auf eine derart großflächige Pixelmatrix den Szintillator aufbringen zu können behilft man sich damit, dass die Szintillatorschicht zunächst auf ein Substrat, in der Regel eine dünne Aluminiumfolie aufgedampft und anschlie­ ßend mit der Szintillatorschicht zur Pixelmatrix weisend auf die Panels des Festkörperbilddetektors geklebt wird. Durch diese Klebung werden jedoch die optischen Ankopplungseigen­ schaften erheblich beeinträchtigt, sodass sowohl MTF als auch DQE, insbesondere bei höheren Ortsfrequenzen schlechter sind als beim direkten Prozess.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren anzu­ geben, welches die Herstellung eines großflächigen Festkör­ perbilddetektors mit verbesserter optischer Ankopplung der Szintillatorschicht ermöglicht.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der ein­ gangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass auf die Passivierungsschicht eine für die von der Szintillatorschicht emittierte Strahlung transparente Schicht aufgebracht wird, wonach die Szintillatorschicht auf die Schicht aufgedampft wird.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird auf die Passivierungs­ schicht (z. B. Siliziumnitrid der aus mehreren nebeneinander angeordneten Panels bestehenden Pixelmatrix zunächst eine strahlungstransparente Schicht aufgebracht, was dazu führt, dass eine ebene Fläche auch im Bereich der Stoßnähte der Pa­ nelkanten geschaffen wird. Dies ermöglicht es, das Szintilla­ tormaterial direkt auf diese Schicht aufzudampfen und eine homogene Szintillatorschicht auch im Bereich der Panel­ stossnähte aufwachsen zu lassen. Da die strahlungstransparen­ te Schicht unmittelbar auf der Passivierungsschicht der Pi­ xelmatrix aufgebracht ist, und da die Szintillatorschicht un­ mittelbar auf dieser Schicht aufgebracht ist, ergibt sich so­ mit eine sehr gute optische Ankopplung.

Zur weiteren Verbesserung der optischen Ankopplung kann er­ findungsgemäß eine in ihrem Brechungsindex in Abhängigkeit der Brechnungsindices der Szintillatorschicht und der Passi­ vierungsschicht und/oder gegebenenfalls des Halbleitermateri­ als gewählte Schicht verwendet werden. Hierdurch kann er­ reicht werden, dass die Brechung beim Einkoppeln der von der Szintillatorschicht erzeugten Strahlung in die hierfür strah­ lenresistente Schicht sowie beim Einkoppeln der diese durch­ dringenden Strahlung in die Passivierungsschicht bzw. das Halbleitermaterial auftretende Brechung möglichst gering ge­ halten wird. Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn der Brechungsindex der Schicht im wesentlichen mittig zwi­ schen dem Brechungsindex der Szintillatorschicht und der Pas­ sivierungsschicht bzw. des Halbleitermaterials liegt.

Gemäß einer ersten Erfindungsausgestaltung kann als Schicht eine Folie verwendet werden, die entweder auf die Passivie­ rungsschicht aufgeklebt oder aber adhäsiv befestigt wird. Als Kleber kann dabei ein solcher mit einem in Abhängigkeit der Brechensindices der Folie und der Passivierungsschicht und/oder gegebenenfalls des Halbleitermaterial gewählten Bre­ chungsindex verwendet werden. Da auch die Kleberschicht eine gewisse Dicke aufweist kann durch entsprechende Wahl des Bre­ chungsindex derselben eine weitere Verbesserung der Strah­ lungsführung im Hinblick auf die Brechung erreicht werden. Schließlich kann auch eine Folie bestehend aus mehreren ver­ schiedene Brechensindices aufweisenden Folienschichten ver­ wendet werden.

Die Dicke der Folie sollte möglichst gering sein und im Be­ reich weniger µm liegen. Da unmittelbar auf die Folie aufge­ dampft wird, diese also den beim Aufdampfen herrschenden Tem­ peraturen ausgesetzt ist, sollte sie bis wenigstens 180°C, insbesondere bis wenigsten 250°C temperaturstabil sein.

Eine zur Ausbildung der Schicht mittels einer Folie alterna­ tive Erfindungsausführung sieht dem gegenüber vor, dass die Schicht durch Aufgießen eines viskosen Schichtmaterials und anschliessendes Aushärten desselben gebildet wird. Die Panels werden quasi oberseitig vergossen, wodurch eine sehr ebene Oberflächenschicht (auf welche dann das Szintillatormaterial aufgedampft werden kann) erhalten wird. Als Schichtmaterial kann ein Kleber verwendet werden, wobei auch hier die Dicke der Schicht wenige µm betragen sollte. Das verwendete Schichtmaterial sollte im ausgehärteten Zustand bis wenig­ stens 180°C, insbesondere bis wenigstens 250°C stabil sein.

Insbesondere im Falle der Verwendung einer Folie hat es sich aus Stabilitätsgründen als zweckmäßig erwiesen, wenn vor dem Aufbringen der Schicht die Stoßnähte der nebeneinander ange­ ordneten Panels, die auf einem Glassubstrat angeordnet sind, zumindest teilweise mit einem Füllmaterial gefüllt werden. Im Falle des Aufgießens der Schicht werden die Stoßnähte ohnehin mit dem Schichtmaterial verfüllt, sodass sich hierdurch eine hinreichende Stabilität ergibt.

Um jedoch zu vermeiden, dass über die Stossnähte seitlich Strahlung in das Halbleitermaterial und damit in die randsei­ tigen Pixel eingekoppelt wird, sollte das Füllmaterial für die von der Szintillatorschicht emittierte Strahlung nicht transparent sein. Auch hierfür eignet sich ein Kleber. Dieses Füllmaterial, insbesondere der Kleber wird sowohl im Falle der Verwendung einer Folie als auch im Falle der Ausbildung einer Gießschicht vorher in die Stoßnähte eingeführt, wonach erst die Folie aufgebracht oder aber das Schichtmaterial auf­ gegossen wird. Die Stoßnähte sollten dabei möglichst voll­ ständig mit dem nicht strahlungstransparenten Material ge­ füllt werden. Hierdurch kann ein unbeabsichtigtes, zu einer Informationsverfälschung im Kantenbereich führendes Einkop­ peln von vom Szintillator emittierter Strahlung vermieden werden.

Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein Fest­ körperbilddetektor, umfassend eine aus mehreren nebeneinander angeordneten Panels bestehende, mit einer Passivierungs­ schicht belegte Pixelmatrix aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus amorphem Silizium und eine Szintillator­ schicht zum Konvertieren von auf die Szintillatorschicht ein­ fallender Strahlung in von der Pixelmatrix verarbeitbare Strahlung. Dieser Festkörperbilddetektor zeichnet sich da­ durch aus, dass auf die Passivierungsschicht eine diese be­ deckende Schicht aufgebracht ist, auf welcher die Szintilla­ torschicht aufgebracht ist.

Weitere zweckmäßige Erfindungsausgestaltungen sind den abhän­ gigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus den nachfolgenden beschriebenen Ausführungs­ beispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines aus mehreren einzel­ nen Panels bestehenden Festkörperbilddetektors,

Fig. 2 eine Schnittansicht in Form einer Prinzipskizze durch den Festkörperbilddetektor mit einer Schicht in Form einer Folie,

Fig. 3 eine Ansicht entsprechend Fig. 2 mit einer durch Aufgießen erzeugten Schicht und

Fig. 4 eine Schnittansicht durch einen Festkörperbildde­ tektor zur Darstellung der sich aus einem direkten Aufdampfen der Szintillatorschicht ohne Einbringen der erfindungsgemäßen Schicht ergebenden Konfigura­ tion.

Fig. 1 zeigt in Form einer Prinzipdarstellung einen erfin­ dungsgemäßen Festkörperbilddetektor 1 bestehend aus vier se­ paraten Panels 2 aus einem Halbleitermaterial, die jeweils eine Pixelmatrix bestehend aus einer Vielzahl einzelner Pixel 3 aufweisen. Die Panels 2 sind unter Bildung von Stoßnähten 4 nebeneinander geordnet. Die Stoßnähte 4 sind einige µm breit, ihre Breite hängt im wesentlichen von der Kantenqualität der aneinander gegenüberstehenden Panelkanten ab. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich Nahtbreiten im Bereich von 20-80 µm, mitunter aber auch mehr ergeben. Die in Fig. 1 gezeigten Pa­ nels 2 sind mit ihrer Unterseite auf einem gemeinsamen Sub­ strat in Form eines Glasträgers angeordnet. Auf die aktive Bildfläche, gebildet von den Pixeln 3, ist eine nicht näher gezeigte Passivierungsschicht 5 aufgebracht, z. B. aus Silizi­ umnitrid. Auf diese Passivierungsschicht wiederum wird, wie wir nachfolgend noch beschreiben die Szintillatorschicht auf­ gebracht. In Fig. 1 gezeigt sind ferner noch die Zeilentrei­ ber 6 sowie die Auslesechips 7 der Ansteuer- und Ausleseelek­ tronik.

Wie beschrieben ist auf die in Fig. 1 gezeigte Panelanordnung eine Szintillatorschicht aufzubringen. Die sich aus den vor­ handenen Stoßnähten ergebenden Probleme bei einer direkten Bedampfung der nebeneinander angeordneten Panels zeigt Fig. 4. Zwischen den beiden Panels 2 auf dem Substrat 8 befindet sich die Stoßnaht 4. Wie Fig. 4 deutlich zeigt ergibt sich beim Aufwachsen der Szintillatorschicht 9, die im vorliegen­ den Fall aus nadelförmigen Cäsiumjodid-Kristallen 10 besteht, auf die Passivierungsschicht ein gestörtes Kristallwachstum. Dies führt zu einer in Bereich der Stoßnaht unbefriedigenden Bildqualität.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Festkörperbilddetektor 11. Bei diesem ist die Stoßnaht 12 zwischen den beiden Panels 13 mittels eines Füllmaterials 14 z. B. in Form eines Klebers aufgefüllt. Das Füllmaterial 14 ist für die vom Szintillator 15 emittierte Strahlung nicht transparent, sodass ein seitli­ ches Einkoppeln von Strahlung in die Randbereiche der Panels 13 vermieden wird. Auf die Passivierungsschicht 16, die die Pixelmatrizen. 17 der Panels 13 bedeckt, ist im gezeigten Aus­ führungsbeispiel eine Schicht 18 in Form einer für die von der Szintillatorschicht 15 emittierte Strahlung transparente Folie 19 aufgebracht. Die Folie 19 überdeckt sowohl die Pas­ sivierungsschicht 16 als auch die Stoßnaht 12 und bildet eine ebene Fläche, auf die die Szintillatorschicht 15 unmittelbar aufgedampft ist. Die Befestigung der Folie 19 erfolgt mittels einer Kleberschicht 20. Der Brechungsindex der Folie 19, ge­ gebenenfalls auch der Brechungsindex der Kleberschicht 20 sind zur Optimierung der Strahlungsführung von der Szintilla­ torschicht 15 hin zu den Pixelmatrizen 17 entsprechend den Brechungsindices der Szintillatorschicht 15 sowie der Passi­ vierungsschicht 16 und gegebenenfalls des Halbleitermaterials der Panels 13 gewählt. Alternativ zum Befestigen der Folie 19 mittels der Kleberschicht 20 ist es auch möglich, die Folie adhäsiv zu befestigen.

Eine weitere Erfindungsausführung zeigt Fig. 3. Bei der dort gezeigten Schnittansicht eines Festkörperbilddetektors 21 ist die Schicht 22 durch Aufgießen eines viskosen Schichtmateri­ als auf die Panels 23 und anschließendes Aushärten des Schichtmaterials, bei dem bevorzugt ein Kleber verwendet wird, gebildet. Die Schicht 22 bedeckt homogen die Passivie­ rungsschichten 24 der Panels 23, ferner füllt sie die auch hier mit einem nicht transparenten Füllmaterial 25 gefüllte Stoßnaht 26 auf. Auch hier bildet sich eine ebene Oberfläche aus, auf die die Szintillatorschicht 27 aufgedampft werden kann.

Die Dicken der Schichten 18 und 22 betragen wenige µm. Sie sind resistent gegen die vom Szintillator emittierte Strah­ lung und hinsichtlich der während des Aufdampfens herrschen­ den Temperaturen stabil. Die in Fig. 2 gezeigte Folie kann weiterhin aus mehreren aufeinander angeordneten Folienschich­ ten bestehen, wobei jede Schicht einen anderen Brechungsindex aufweisen kann, um hierdurch eine Verbesserung der optischen Ankopplung zu erzielen.

Claims (30)

1. Verfahren zur Herstellung eines Festkörperbilddetektor, umfassend eine aus mehreren nebeneinander angeordneten Panels bestehende, mit einer Passivierungsschicht belegte Pixelma­ trix aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus amorphem Silizum und eine Szintillatorschicht zum Konvertieren von auf die Szintillatorschicht einfallender Strahlung in von der Pi­ xelmatrix verarbeitbare Strahlung, bei dem auf die Passivie­ rungsschicht eine für die von der Szintillatorschicht emit­ tierte Strahlung transparente Schicht aufgebracht wird, wo­ nach die Szintillatorschicht auf die Schicht aufgedampft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass eine in ihrem Brechungsin­ dex in Abhängigkeit der Brechungsindices der Szintillator­ schicht und der Passivierungsschicht und/oder gegebenenfalls des Halbleitermaterials verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Schicht eine Folie verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Folie auf die Passivie­ rungsschicht aufgeklebt oder adhäsiv befestigt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass ein Kleber mit einem in Ab­ hängigkeit der Brechungsindices der Folie und der Passivie­ rungsschicht und/oder gegebenenfalls des Halbleitermaterials gewählten Brechungsindex verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, dass eine Fo­ lie bestehend aus mehreren verschiedene Brechungsindices auf­ weisenden Folienschichten verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, dass eine Fo­ lie mit einer Dicke von wenigen µm verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, dass eine bis wenigstens 180°C, insbesondere bis wenigstens 250°C stabile Folie verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht durch Auf­ gießen eines viskosen Schichtmaterials und anschließendes Aushärten desselben gebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass als Schichtmaterial ein Kleber verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht mit einer Dicke von wenigen µm ausgebildet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, dass ein Schichtmaterial verwendet wird, das im ausgehärteten Zustand bis wenigstens 180°C, insbesondere bis wenigstens 250°C sta­ bil ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Schicht die Stoßnähte der nebeneinander ange­ ordneten Panels zumindest teilweise mit einem Füllmaterial gefüllt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, dass als Material ein für die von der Szintillatorschicht emittierte Strahlung nicht trans­ parentes Material verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Material ein Kleber verwendet wird.

16. Festkörperbilddetektor, umfassend eine aus mehreren ne­ beneinander angeordneten Panels bestehende, mit einer Passi­ vierungsschicht belegte Pixelmatrix aus einem Halbleitermate­ rial, insbesondere aus amorphem Silizum und eine Szintilla­ torschicht zum Konvertieren von auf die Szintillatorschicht einfallender Strahlung in von der Pixelmatrix verarbeitbare Strahlung, dadurch gekennzeich­ net, dass auf die Passivierungsschicht (16, 24) eine diese bedeckende Schicht (18, 22) aufgebracht ist, auf welche die Szintillatorschicht (15, 27) aufgebracht ist.

17. Festkörperbilddetektor nach Anspruch 16, da­ durch gekennzeichnet, dass der Bre­ chungsindex der Schicht (18, 22) in Abhängigkeit der Bre­ chungsindices der Szintillatorschicht (15, 27) und der Passi­ vierungsschicht (16, 24) und/oder gegebenenfalls des Halblei­ termaterials gewählt ist.

18. Festkörperbilddetektor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (18) eine Folie (19) ist.

19. Festkörperbilddetektor nach Anspruch 18, da­ durch gekennzeichnet, dass die Fo­ lie (19) auf die Pixelmatrix (17) aufgeklebt oder adhäsiv be­ festigt ist.

20. Festkörperbilddetektor nach Anspruch 19, da­ durch gekennzeichnet, dass der Bre­ chungsindex des Klebers in Abhängigkeit der Brechungsindices der Folie (19) und der Passivierungsschicht (16) und/oder ge­ gebenenfalls des Halbleitermaterials gewählt ist.

21. Festkörperbilddetektor nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie aus mehreren verschiedene Brechungsindices aufweisenden Folienschichten besteht.

22. Festkörperbilddetektor nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Folie (19) wenigen µm beträgt.

23. Festkörperbilddetektor nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (19) bis wenigstens 180°C, insbesondere bis wenigstens 250°C stabil ist.

24. Festkörperbilddetektor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (22) eine aufgegossene Schicht aus einem ausgehärte­ ten Schichtmaterial ist.

25. Festkörperbilddetektor nach Anspruch 24 dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtmaterial ein Kleber ist.

26. Festkörperbilddetektor nach Anspruch 24 oder 25 da­ durch gekennzeichnet, dass die Dic­ ke der Schicht (22) wenige µm beträgt.

27. Festkörperbilddetektor nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (22) bis wenigstens 180°C, insbesondere bis wenigstens 250°C stabil ist.

28. Festkörperbilddetektor nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßnähte (12, 26) der nebeneinandergeordneten Pa­ nels (13, 23) zumindest teilweise mit einem Füllmaterial (14, 25) gefüllt sind.

29. Festkörperbilddetektor nach Anspruch 28, da­ durch gekennzeichnet, dass die Stoßnähte (13, 23) mit einem für die von der Szintillator­ schicht (15, 27) emittierte Strahlung nicht transparenten Ma­ terial gefüllt sind.

30. Festkörperbilddetektor nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Kleber ist.