一种间接X射线传感器、直接X射线传感器和光学传感器制造技术

描述了间接X射线传感器、直接X射线传感器和光学传感器的各种实施例。在一个方面，间接X射线传感器包括硅晶片，其包括其上的光电二极管阵列，其中每个光电二极管在硅晶片的前侧上具有接触，并且与硅晶片背侧上的栅格孔的阵列的相应栅格孔自对准。每个栅格孔填充有被配置为将X射线射束转换为光的闪烁体。间接X射线传感器还包括具有光电感测电路的阵列的一个或多个硅裸芯，每个光电感测电路包括在一个或多个硅裸芯的顶表面处的接触。每个光电二极管上的接触被对准并键合到一个或多个硅裸芯的光电感测电路阵列的相应光电感测电路的接触。

An indirect X ray sensor, a direct X ray sensor and an optical sensor.

Various embodiments of indirect X ray sensors, direct X ray sensors and optical sensors are described. In one aspect, the indirect X - ray sensor includes a silicon wafer, which includes a photodiode array on which each photodiode has contact on the front side of the silicon wafer and self aligning with a corresponding grid hole of a grid hole on the back side of the silicon wafer. Each raster hole is filled with a scintillator configured to convert the X ray beam into light. The indirect X - ray sensor also includes one or more silicon bare cores with an array of photoelectric sensing circuits, and each photoelectric sensing circuit includes contact at the top surface of one or more silicon bare cores. The contacts on each photodiode are aligned and bonded to one or more silicon bare core contacts of the photoelectric sensing circuit array of the photoelectric sensing circuit array.

【技术实现步骤摘要】
一种间接X射线传感器、直接X射线传感器和光学传感器
本公开涉及X射线传感器，更具体地，涉及具有集成闪烁体的三维(3D)高分辨率X射线传感器。
技术介绍
固态数字X射线检测器——也称为X射线传感器——可以通过采用两种物理检测方法(所谓的直接和间接转换方法)中的任一种来构造。通常，直接转化法使用在诸如非晶硅或硒、氧化铅、碘化铅、溴化铊或各种钆化合物等元素的化合物中通过X射线直接产生电子。在这种情况下，通过电场和附接到薄膜晶体管的电极收集电子。另一方面，间接转化方法采用在众所周知的诸如铊激活的碘化铯或硫酸氧化钆的闪烁材料中将X射线的相互作用转化为光的闪烁。在这种情况下，光闪烁由光电二极管感测，并且所得到的电子电流再次由附接的晶体管电子器件收集。收集电极或光电二极管被配置为嵌入在大平板配置中的像素场，并且通过对收集的电荷的电子处理以类似于常规数字照相机和视频显示器的方式形成图像。一旦形成，这些图像可以显示在视频监视器上、打印在胶片或纸上或放置在电子存储系统中以用于之后的检索。直接和间接检测器两者通常由用于像素处理和读出的薄膜晶体管(TFT)阵列制成。这些TFT阵列提供了优于传统X射线成像系统的各种优点。与传统的屏幕胶片系统相比，可以实现无胶片系统，有助于基于数字图像处理、诊断支持、电子归档和网络的改进的图像质量。然而，TFT阵列的限制包括分辨率、对比度和噪声。这三个参数描述图像。存在与这三个参数相关的三个其它中间参数，包括空间频率、模块化传递函数(MTF)和信噪比(S/N)。成像系统的空间频率或空间分辨率可以根据能够清楚成像的两个对象之间的最小间距来定义。它是根据每毫米的线对或lp/mm来测量的。MTF将成像系统产生的对比度描述为对象的空间频率的函数。确定成像系统的质量中的另一个概念是探测量子效率(DQE)。DQE是信号源处的S/N与信号输出处的S/N之比。DQE影响产生良好质量图像所需的X射线剂量。S/N比、MTF和DQE用于确定X射线检测器在将通过对象的X射线转换为良好质量图像中的良好程度。S/N和MTF非常依赖于X射线检测器的两个结构化参数，即：像素间距以及由于X射线与传感器材料的相互作用而由传感器产生的噪声和由电子器件产生的电子噪声。图1示出了典型的间接TFTX射线成像检测器，其具有闪烁体层13以将X射线11转换为光，该闪烁体层13被放置在制成在非晶硅衬底14中的有源像素阵列电路16的顶部上。有源像素15、17具有检测光的光电二极管18和放大来自光电二极管18的信号的(一个或多个)晶体管19。有时，在有源像素中使用三个或更多个晶体管和二极管以减少噪声。检测到的光被光电二极管18转换为电信号。来自光电二极管18的信号由晶体管19感测。选择线111和感测线110连接到晶体管，以将感测到的模拟信号引出到检测器裸芯的边缘。然后，模拟信号被转换为数字信号，被放大和编码并流出以进行下一级的信号处理，以通过将传感器衬底14通过线112连接到计算机113来创建在监视器114中显示的感测的对象12的图像115。X射线检测器的分辨率受到有源像素的大小或闪烁体分辨率的任一个(以较低者为准)的限制。像素相关分辨率可以通过有源像素的2倍的宽度来计算。由散射光确定的闪烁体分辨率又取决于闪烁体的厚度。在固定的MTF下的分辨率或lp/mm(每毫米的线对)可以通过闪烁体的大约2倍的厚度来计算。例如，如果有源像素间距是200微米，则分辨率的有源像素限制将是2.5lp/mm，并且如果闪烁体厚度是500微米，则闪烁体有限分辨率将是1.0lp/mm。因此，在该示例中，现代间接TFT检测器的总分辨率将为约1.0lp/mm。分辨率在此被定义为在固定MTF处的lp/mm。典型的直接TFTX射线检测器在有源像素阵列的顶部上具有光电导体层。有源像素具有电极、电容器和晶体管。由于光电导体具有显著较少的电子散射，所以直接TFT的分辨率受到约100至200微米的有源像素间距的限制，并且在50％的MTF处应为5.0lp/mm。然而，由于非晶硅中的噪声和电子噪声，观察到的最佳分辨率小于2lp/mm。TFT检测器中的有源像素区域由光电二极管或具有电容器和晶体管的电极占据。像素中的晶体管占据像素面积的大部分，因为它们由于非晶硅的非常低的迁移率而非常大。因此，光电二极管或电极面积与称为填充因子的像素的总面积的比率决定了已经感测到的X射线的百分比。直接和间接检测器两者具有小于30％的填充因子。填充因子影响在检测器中创建清晰图像所需的剂量。最近，TFT正在被基于单晶硅的检测器代替，以克服TFT检测器的上述限制。这些限制是分辨率和填充因子。这些基于硅的检测器具有更低的噪声、更高的动态范围、更小的像素能力和更高的填充因子。因此，它们具有高分辨率、高DQE和更高的读出速度的潜力。基于硅的检测器被设计用于将X射线间接转换为电子。原因是基于硅的检测器由基于CMOS的光学相机技术驱动。因此，理论上，使用基于硅的检测器可以获得非常高的分辨率。低至2微米的像素间距由数码相机公司制造。获得了高分辨率和70％的DQE。这是由于具有高填充因子、低噪声和高动态范围的小于100微米的有源像素。然而，即使利用现今的基于硅的检测器技术，在改进X射线检测器物理大小、图像质量和剂量要求方面仍存在一些限制。这些限制如下所述。硅检测器面板的大小是当今的一个很大的限制。今天的TFT面板的大小为大约100cm×100cm，这是大多数医疗应用所需要的。当今最大的硅板是20cm×25cm，由4或6个裸芯拼接在一起。这种拼接导致影响图像质量的丢失的像素行和列。由于两个原因而不可能增加硅板大小。第一个是裸芯的大小，并且第二个是可以拼接在一起的拼块的数量。由于瑕疵，晶片的大小受到晶片上的裸芯的良率的限制。由于像素以及选择和感测电路在相同的裸芯上，裸芯可以仅在三个侧面上拼接。第四侧用于选择和感测电路。像素越小，分辨率将越高。硅的大型X射线检测器中的最佳像素大小为约100微米，给出5lp/mm的分辨率。该分辨率在图像中清楚地对应于大约1毫米的大小的对象。要看到任何更小的东西，将需要更高的分辨率。然而，像素大小的任何减小但仍然对于给定的裸芯大小导致裸芯的良率较低。裸芯大小受裸芯上的晶体管数量的限制。作为示例，下表示出对于给定瑕疵密度，作为功能有源像素大小和检测器面板大小的大的裸芯的良率。对于300cm直径的硅晶片，裸芯的最大可能的大小是20cm×20cm。假设平版印刷术分辨率是180nm。典型晶体管的面积为4微米2。良率使用工业标准方法计算。良率随着裸芯大小增大和像素大小减小而减小。良率损失转化为检测器裸芯的成本。构造像素大小小于100微米的20cm×20cm的大的裸芯是不经济的。此外，如果每个像素可以使用三个以上的晶体管，则可以改善图像质量。已经证明，通过添加诸如A/D和存储器的功能，可以显著增加速度或帧速率以制作视频图像。这些增加的功能将需要每个像素增加更多的晶体管。硅裸芯的限制之一是，良率损失是指数的，因为每个像素增加晶体管的数量，如下表所示。每个裸芯的晶体管数量361224像素大小(微米)100100100100裸芯大小(侧上的厘米)20202020裸芯上的像素数(百万)4444裸芯良率(1瑕疵/cm2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种间接X射线传感器，包括：硅晶片，具有前侧和与前侧相对的背侧，所述硅晶片在其上具有光电二极管阵列，其特征在于每个光电二极管在硅晶片的前侧上具有接触，并且与位于所述硅晶片的背侧上的栅格孔阵列的相应的栅格孔自对准，所述栅格孔的每一个填充有闪烁体，所述闪烁体被配置为将X射线射束转换为光；和具有光电感测电路阵列的一个或多个硅裸芯，每个光电感测电路在所述一个或多个硅裸芯的顶表面处具有接触，其中每个所述光电二极管上的接触被对准并键合到所述一个或多个硅裸芯的光电感测电路阵列的相应光电感测电路的接触。

【技术特征摘要】
1.一种间接X射线传感器，包括：硅晶片，具有前侧和与前侧相对的背侧，所述硅晶片在其上具有光电二极管阵列，其特征在于每个光电二极管在硅晶片的前侧上具有接触，并且与位于所述硅晶片的背侧上的栅格孔阵列的相应的栅格孔自对准，所述栅格孔的每一个填充有闪烁体，所述闪烁体被配置为将X射线射束转换为光；和具有光电感测电路阵列的一个或多个硅裸芯，每个光电感测电路在所述一个或多个硅裸芯的顶表面处具有接触，其中每个所述光电二极管上的接触被对准并键合到所述一个或多个硅裸芯的光电感测电路阵列的相应光电感测电路的接触。2.根据权利要求1所述的间接X射线传感器，其特征在于所述硅晶片包括绝缘体上硅(SOI)晶片。3.根据权利要求2所述的间接X射线传感器，其特征在于所述SOI晶片的背侧上的栅格孔到达所述SOI晶片的绝缘体。4.根据权利要求2所述的间接X射线传感器，其特征在于在具有n型或p型杂质的SOI晶片的绝缘体下方形成PN二极管，并且其中所述PN二极管与所述栅格孔的侧壁对准。5.根据权利要求4所述的间接X射线传感器，其特征在于所述PN二极管通过多级金属互连电连接到所述SOI晶片的前侧上的接触。6.根据权利要求1所述的间接X射线传感器，其特征在于所述栅格孔的侧壁涂覆有氧化物薄层、氮化物薄层、二氧化硅或金属薄层或其组合。7.根据权利要求6所述的间接X射线传感器，其特征在于所述金属薄层包括铝或铬。8.根据权利要求1所述的间接X射线传感器，其特征在于所述栅格孔由绝缘体覆盖，并且其中所述栅格孔的侧壁涂覆有具有使得光由于全内反射而保留在栅格孔中的介电常数的绝缘体堆叠。9.根据权利要求1所述的间接X射线传感器，其特征在于所述硅晶片上的光电二极管阵列的接触具有第一间距，其特征在于所述一个或多个硅裸芯上的光电感测电路阵列的接触具有小于所述第一间距的第二间距，并且其中硅晶片上的光电二极管阵列的接触和一个或多个硅裸芯上的光电感测电路阵列的接触面对面地键合在一起，其使用多层金属互连使得第一间距减小。10.一种间接X射线传感器，包括：硅晶片，具有前侧和与所述前侧相对的背侧，所述硅晶片包括：在所述硅晶片的前侧上的像素阵列，所述像素中的每一个包括光电二极管和光电感测电路；和在硅晶片的背侧上的栅格孔阵列，每个栅格孔与像素阵列的相应像素的相应的光电二极管自对准，每个栅格孔填充有闪烁体或将X射线转换为光的材料。11.根据权利要求10所述的间接X射线传感器，其特征在于所述硅晶片包括绝缘体上硅(SOI)晶片。12.根据权利要求11所述的间接X射线传感器，其特征在于所述SOI晶片背侧上的栅格孔到达所述SOI晶片的绝缘体。13.根据权利要求11所述的间接X射线传感器，其特征在于在具有n型或p型杂质的所述SOI晶片的绝缘体下方形成PN二极管，并且其中所述PN二极管与所述栅格孔的侧壁对准。14.根据权利要求13所述的间接X射线传感器，其特征在于所述PN二极管通过多级金属互连电连接到所述SOI晶片的前侧上的接触。15.根据权利要求10所述的间接X射线传感器，其特征在于所述栅格孔的侧壁涂覆有氧化物薄层、氮化物薄层、二氧化硅或金属薄层或其组合。16.根据权利要求15所述的间接X射线传感器，其特征在于所述金属薄层包括铝或铬。17.根据权利要求10所述的间接X射线传感器，其特征在于所述栅格孔由绝缘体覆盖，并且其中所述栅格孔的侧壁涂覆有具有使得光由于全内反射而保留在栅格孔中的介电常数的绝缘体堆叠。18.根据权利要求10所述的间接X射线传感器，其特征在于所述闪烁体包括碘化铯(CsI)。19.一种光学传感器，包括：硅晶片，具有前侧和与所述前侧相对的背侧，所述硅晶片包括光电二极管阵列，每个光电二极管在所述硅晶片的前面具有接触，所述硅晶片还在其背侧上包括栅格孔的阵列，每个栅格孔与光电二极管阵列的相应光电二极管自对准并且填充有透明材料，所述透明材料具有足以用于在相应栅格孔中的光的全内反射的折射率；和具有光电感测电路阵列的一个或多个硅裸芯，每个所述光电感测电路在所述一个或多个硅裸芯的顶表面处具有接触，其中每个所述光电二极管上的接触对准并键合到所述一个或多个硅裸芯的光电感测电路阵列的相应光电感测电路的接触。20.根据权利要求19所述的光学传感器，其特征在于所述硅晶片包括绝缘体上硅(SOI)晶片。21.根据权利要求20所述的光学传感器，其特征在于所述SOI晶片的背侧上的栅格孔到达所述SOI晶片的绝缘体。22.根据权利要求20所述的光学传感器，其特征在于在具有n型或p型杂质的SOI晶片的绝缘体下方形成PN二极管，并且其中所述PN二极管与所述栅格孔的侧壁对准。23.根据权利要求22所述的光学传感器，其特征在于所述PN二极管通过多级金属互连电连接到所述SOI晶片的前侧上的接触。24.根据权利要求19所述的光学传感器，其特征在于所述栅格孔的侧壁涂覆有氧化物薄层、氮化物薄层、二氧化硅或金属薄层或其组合。25.根据权利要求24所述的光学传感器，其特征在于所述金属薄层包括铝或铬。26.根据权利要求19所述的光学传感器，其特征在于所述栅格孔由绝缘体覆盖，并且其中所述栅格孔的侧壁涂覆有具有使得光由于全内反射而保留在栅格孔中的介电常数的绝缘体堆叠。27.根据权利要求19所述的光学传感器，其特征在于所述硅晶片上的光电二...

【专利技术属性】
技术研发人员：马德休卡B沃拉，布赖恩罗德里克斯，
申请(专利权)人：泰拉派德系统股份有限公司，马德休卡B沃拉，布赖恩罗德里克斯，
类型：新型
国别省市：美国,US