X射线检测器部件、X射线检测模块、成像设备和用于制造X射线检测器部件的方法与流程

x射线检测器部件、x射线检测模块、成像设备和用于制造x射线检测器部件的方法
1.本发明涉及一种x射线检测器部件、一种x射线检测模块、一种包括多个x射线检测器部件的成像设备以及一种用于制造x射线检测器部件的方法。
2.基于电离辐射、尤其是x射线辐射的成像系统可用于医学领域以及物体的筛选和检查，例如，材料失效分析或行李扫描或包裹扫描。乳房x线照相术系统是医学成像系统的一种形式。
3.乳房x线照相术是用于筛查和诊断女性乳房以及男性和跨性别者乳房的放射学程序。乳房x线照相术是使用低能x射线来检查人体乳房的医学成像方法。
4.传统的乳房x线照相术系统采用基于闪烁体的系统，其中x射线量子(也可以称为(x射线)光子)被转换成光，然后通过光电二极管进行检测，或者利用使用能量积分检测器的直接检测系统，其中能量直接转换成电流。
5.传统的乳房x线照相术检测器基于以下工作原理：
6.一种方法包括通过荧光屏对x射线辐射进行检测，随后通过激光束读出。该方法已经过时，并且不能集成。
7.另一种方法涉及使用闪烁体的检测器，该闪烁体将x射线辐射转换成光，并且该闪烁体布置在非晶硅上并可以由薄膜晶体管读出。图1示出了这种检测器部件的一个实施例，其包括布置在非晶硅(a
‑
si)检测器4上的闪烁体2。由非晶硅(a
‑
si)制成的薄膜晶体管6在玻璃衬底8上形成读出电路7，该读出电路允许读出用布置在闪烁体2的底部的电荷收集电极10捕获的信号。
8.闪烁体2由在被电离辐射激发时表现出发光的材料制成。在将x射线辐射12转换成光14之后，电荷收集电极10根据光的光子提供电流。电流可由读出电路7检测。
9.第三种方法涉及使用直接检测的检测器。x射线辐射通过光电效应转换成电流。电流通过薄膜晶体管读出。图2示出了包括传感器元件的这种检测器部件的一个实施例，该传感器元件包括具有用作电荷收集电极10的底部电极的基于晶片的非晶硒元件16。顶部电极18布置在硒元件16的顶部上。包括薄膜晶体管6和连接电极20的读出电路7布置在玻璃衬底8上。硒元件16附接到读出电路7，使得连接电极20与电荷收集电极10电连接。x射线辐射12通过将x射线光子直接转换成电荷进行检测，该电荷由电荷收集电极10捕获并向读出电路7提供。
10.上述三种方法的缺点是读出速度相对较慢(在几微秒范围内)，因此这些方法只能用于积分检测器。这意味着x射线能量被吸收并被检测为“灰度”值。
11.文献us 20170373110 a1示出了包括x射线检测器的单片cmos集成像素检测器和系统，以及用于检测和成像的方法。x射线检测器是基于cmos芯片上的检测器实施方式。sige或ge晶体在cmos芯片的背面上生长。
12.文献us 20040251420 a1示出了具有网格结构闪烁体的x射线检测器，该x射线检测器是基于闪烁体的乳房x线照相术检测器。x射线量子在中间状态中被转换成光。因此，不能量化撞击的x射线能量。
13.本发明的目的是以较低成本提供一种具有能量分辨能力的改进的x射线检测器部件。
14.该目的通过包括权利要求1的特征的x射线检测器部件来实现。x射线检测模块包括多个这种x射线检测器部件。x射线检测模块可以包括在成像设备中。一种方法涉及制造这种x射线检测器部件。
15.x射线检测器部件包括x射线检测器芯片和cmos读出电路芯片，该x射线检测器芯片包括电荷收集电极；x射线检测器芯片适用于在电荷收集电极处提供依赖于x射线的电流，该cmos读出电路芯片包括连接电极，其中x射线检测器芯片与cmos读出电路芯片机械连接和电连接，使得电荷收集电极与连接电极电连接。
16.x射线检测器部件可以通过以下方法制造：
17.‑
设置包括多个电荷收集电极的x射线检测器晶片，
18.‑
设置包括多个连接电极的cmos读出电路晶片，
19.‑
将x射线检测器晶片与cmos读出电路晶片机械连接和电连接，使得电荷收集电极与连接电极电连接，
20.‑
将连接的x射线检测器晶片与cmos读出电路晶片分离成多个x射线检测器部件。
21.在一个实施例中，x射线检测器芯片由硅衬底制成。
22.在一个可替代实施例中，x射线检测器芯片与cmos读出电路芯片通过至少一个混合键合连接。然而，混合键合和由硅衬底制造的x射线检测器芯片可以结合在同一个实施例中。
23.x射线检测器部件可以包括在用于乳房x线照相术的成像医疗设备中，该成像医疗设备可以用于乳腺癌筛查，这能够检测乳腺癌的早期阶段。但它提供了一定数量的假阳性结果。x射线检测器部件允许减少乳腺癌筛查期间的假阳性结果数量。
24.x射线检测器部件允许能量分辨的乳房x线照相术。与摄影类似，本发明试图将乳房x线照相术从灰度改进为彩色。将x射线量子光谱解析到检测器上允许通过造影剂的积累在身体的不同部位之间进行区分，诸如骨骼、正常组织和癌症组织。
25.与传统设备相比，本发明仅以略微增加的成本实现能量分辨的乳房x线照相术。与光子计数计算机断层扫描系统相比，通过使用全硅的方法大大降低了成本。该方法不需要使用传统设备中使用的诸如cdte或cdznte等的有毒材料。
26.与传统设备相比，制造能量分辨的乳房x线照相术检测器部件将导致假阳性结果大大减少，从而使乳腺癌筛查的诊断准确性得到提高。
27.x射线检测器部件可以使用光子计数系统，该光子计数系统可以与硅单光子检测器芯片结合用于高端计算机断层扫描系统。硅检测器芯片的优点在于其能够在cmos环境下大规模生产，因此相对便宜。结合紧密集成的cmos读出芯片，它的吸收能力足以满足乳房x线照相术中使用的25到35kev的典型x射线能量。
28.由硅衬底制成的x射线检测器部件不同于使用诸如cdte或cdznte等非常昂贵的材料的传统的x射线检测器部件。那些元素是有毒的、致癌的和危险的，并且应尽可能不要使用。此外，迄今为止还无法制造大型衬底，诸如8"或更大。然而，计算机断层扫描系统需要它们的阻断能力，在这些系统中使用高达150kev的x射线能量。传统的光子计数系统采用高吸收材料与cmos读出芯片的异构集成。相比之下，在乳房x线照相术中仅使用高达35kev的能
量，这允许使用以晶片级制造的硅检测器。然后，这将允许在cmos代工厂中以中等成本至低成本加工x射线检测器晶片和cmos读出电路晶片。
29.原则上，硅检测器也可以与现有的薄膜晶体管读出方案一起使用，但在光子计数系统中使用时，它们的速度和性能较差，在该系统中高速是强制性的并仅由按比例缩放的cmos节点和其中制造的电路提供。原则上，非晶硒检测器也可以与按比例缩放的cmos读出电路结合使用，但是，它们的价格是否具有竞争力值得怀疑。
30.在一个实施例中，x射线检测器部件包括多个检测器元件。每个检测器元件对应一个像素，并允许检测射入像素的区域的x射线强度。
31.用于连接x射线检测器芯片与cmos读出芯片的混合键合允许制造紧凑的x射线检测器部件，这与传统光子计数系统不同，该传统光子计数系统采用高吸收材料与cmos读出电路芯片的异构集成。与此相反，传统设备使用具有高原子序数(z数)的材料，这些材料通过焊球或柱形凸块与按比例缩放的cmos读出集成电路连接。
32.然而，在一个实施例中，x射线检测器芯片与cmos读出电路芯片通过例如焊球或柱形凸块的焊接装置连接，这是一种成熟的且具有成本效益的接合技术。
33.在一个实施例中，x射线检测器芯片包括直接x射线检测器，该直接x射线检测器将x射线光子直接转换成电荷，从而允许生成数字图像。多个检测器元件可以体现为多个直接x射线检测器元件。
34.在一个实施例中，x射线检测器芯片包括允许检测由x射线辐射引起的单事件的单光子检测器，优选为单光子雪崩光电二极管。这种x射线检测器芯片具有较高灵敏度。通过包括光子计数器电路的cmos读出电路芯片可以实现评估。
35.x射线检测器部件试图将输出单光子信号的基于晶片的硅x射线检测器芯片集成到底层基于晶片的cmos读出电路芯片上，该cmos读出电路芯片包括计数电路。使用该设备，可以在25kev至35kev内以合理的检测量子效率检测用于乳房x线照相术的x射线辐射。
36.在一个实施例中，电荷收集电极形成为使得在x射线检测器芯片的顶部电极与电荷收集电极之间的场线朝向电荷收集电极弯曲。弯曲的场线形成了电子的路径，并将电子集中到电荷收集电极上，这避免了串扰效应。
37.通过在电荷收集电极之间延伸的，优选填充有非导电材料的沟槽可以实现相同的效果。
38.在x射线检测模块中可以提供多个x射线检测器部件。这种平板检测模块可以布置在成像设备的图像接收器中。成像设备可以是例如用于乳房x线照相术或牙科x射线检查的成像医疗设备，或例如用于材料失效分析或行李扫描或包裹扫描的筛选设备。
39.现在将参照附图描述本发明的非限制性示例性实施例，其中：
40.图1示出了使用闪烁体来采用间接检测的传统x射线检测器部件。
41.图2示出了采用直接检测的另外的传统x射线检测器部件。
42.图3示出了x射线检测器部件的实施例。
43.图4示出了x射线检测器部件的另外的实施例。
44.图5示出了x射线检测器部件的另外的实施例。
45.图6示出了x射线检测器部件的另外的实施例。
46.图7示出了说明吸收长度与能量的关系图。
47.图8示出了通用30kev的x射线源的x射线发射光谱。
48.图9示出了几种芯片的吸收效率。
49.图10示出了包括多个x射线检测器部件的x射线检测模块的实施例。
50.图3示出了x射线检测器部件1的实施例的横截面。
51.x射线检测器部件1包括用作传感器的x射线检测器芯片22。具有顶侧和底侧的x射线检测器芯片22包括布置在底侧上并用作电荷收集电极10的底部电极。顶部电极18布置在面向入射x射线12的顶侧上。x射线检测器芯片22包括基于晶片的传感器衬底21，该传感器衬底是在后面描述的制造过程期间通过分离晶片形成的。x射线检测器芯片22包括多个检测器元件23，每个检测器元件适用于检测一个像素的x射线强度。
52.x射线检测器芯片22的传感器衬底21由硅制成并且包括作为检测器元件23的实施例的至少一个单光子检测器。通常，多个单光子检测器在x射线检测器芯片22上布置成具有行和列的阵列。通常，硅中单光子检测器被称为单光子雪崩检测器(spad)。
53.原则上，可替代地，由传感器晶片形成的x射线检测器芯片可以由砷化镓(gaas)制成，gaas也可用于较大衬底尺寸，例如8"。这样做的好处是，对于相同的吸收能力，gaas晶片可以做得更薄，但是以非cmos的兼容性为代价，而且成本更高。
54.在传感器衬底21顶部上的顶部电极18与高(静态)电位连接，以便耗尽传感器衬底21。在一个优选实施例中，传感器衬底21被完全耗尽。
55.cmos读出电路芯片24附接到x射线检测器芯片22并且包括读出电路7，该读出电路包括至少一个光子计数器电路26，该光子计数器电路包括几个晶体管6。所述至少一个计数器电路26被设计为对感测x射线检测器芯片22的至少一个检测器元件23中发生的事件进行计数。形成计数系统需要按比例缩放的cmos读出电路7，该计数系统足够快以捕获检测器元件23的计数。
56.通常，多个计数器电路26在cmos读出电路芯片24上布置成阵列。cmos读出电路芯片24的线路后端(beol)27面向x射线检测器芯片22的底侧，在线路后端中晶体管6与布线互连。限定cmos读出电路芯片24的正面的线路后端(beol)27包括用于施加作为计数器电路输入的依赖于x射线的电流的连接电极20。
57.x射线检测器芯片22集成在cmos读出电路芯片24的正面。x射线检测器芯片22与cmos读出电路芯片24机械连接，例如键合，使得连接电极20与电荷收集电极10电连接，这在该实施例中通过混合键合实现。混合键合允许将不同类型的芯片通过使它们的平坦表面接触来进行堆叠和电连接，从而形成连接。cmos读出电路芯片24按比例缩放，使得x射线检测器芯片22的表面积对应于cmos读出电路芯片24的表面积。
58.通过横截面(技术上来说sem
‑
edx图像就足够了)可以检测到硅检测器层以及按比例缩放的cmos读出电路7。
59.电荷收集电极10布置在连接电极20上。电荷收集电极10之一的表面积的轮廓线可以对应于连接电极20之一的表面积的轮廓线。换句话说，它们的表面积具有相同的大小和形状。可替换地，电荷收集电极10之一的表面积的轮廓线可以位于连接电极20之一的表面积的轮廓线之内或之外。在图3所示的实施例中，电荷收集电极10大于连接电极20并且与该连接电极重叠。
60.通过将一个单光子检测器与一个计数器电路26连接形成光子计数器检测器，该计
数器电路可以通过将相应的电荷收集电极10与连接电极20进行连接来实现。每个光子计数器检测器组成单独的像素，该单独的像素包含有关射入像素的区域的x射线强度的信息。x射线检测器部件1是像素化的x射线检测器装置，该像素化的x射线检测器装置包括布置成阵列的多个像素，该阵列对应于连接的单光子检测器与计数器电路26的阵列，这允许所感测的x射线辐射12的空间分辨率。
61.x射线检测器部件1允许光子计数检测，该光子计数检测基于通过将x射线光子直接转换成电荷来检测x射线辐射12，该电荷由电荷收集电极10捕获并向cmos读出电路24提供。在检测期间，场线28从顶部电极18延伸到电荷收集电极10，其中电极沿着场线28移动到电荷收集电极20。在该实施例中，电荷收集电极20覆盖了x射线检测器芯片22的底侧的较宽的区域，这导致了在顶部电极18与电荷收集电极10之间的直线的场线28。
62.一种用于制造图3中所示的x射线检测器部件1的方法包括设置x射线检测器晶片，该x射线检测器晶片用于为构建在晶片内和晶片之上的微电子设备提供衬底。晶片的厚度可以为0.1mm至1.0mm。在一个优选实施例中，硅晶片具有725mm的厚度和200mm的直径。晶片包括多个微电子设备，该微电子设备包括电荷收集电极10，并且是x射线检测器芯片22的基础。cmos读出电路晶片包括多个微电子设备，该微电子设备包括连接电极20，并且是cmos读出电路芯片24的基础。x射线检测器晶片与cmos读出电路晶片机械连接和电连接，使得电荷收集电极10与连接电极20电连接，从而形成x射线检测器芯片22的微电子设备与形成cmos读出电路芯片24的微电子设备彼此附接。连接的x射线检测器晶片与cmos读出电路晶片分离成多个x射线检测器部件1。它们可以在另外的步骤中进行封装。由于分离步骤，x射线检测器芯片22和cmos读出电路芯片24的侧面具有分离的痕迹。
63.替代地，在连接x射线检测器晶片与cmos读出电路晶片之前将所述x射线检测器晶片与cmos读出电路晶片相应地分离成x射线检测器芯片22和cmos读出电路芯片24。在该制造方法中，在分离步骤之后连接x射线检测器芯片22与cmos读出电路芯片24。
64.图4示出了x射线检测器部件1的另外的实施例。为了避免重复，仅描述与图3所示实施例的区别。可以如上所述进行制造。
65.在该实施例中，电荷收集电极10比前述实施例中的小。它们的表面积对应于连接电极20的表面积。电荷收集电极10的尺寸、厚度和形状影响场线28并允许将电子引导到电荷收集电极10。场线28是弯曲的，这形成了电子的路径，并将电子集中到电荷收集电极10，从而避免了串扰效应。当涉及x射线检测器芯片22中的厚吸收体，例如725μm硅时，这种效果尤其重要，以便重新集中电子并且不因电荷载流子扩散而失去特殊分辨率。
66.在该实施例中的电荷收集电极10的宽度可以是3至4μm。像素的宽度可以是50μm。
67.图5示出了x射线检测器部件的另外的实施例。为了避免重复，仅描述与图3所示实施例的区别。可以如上所述进行制造。
68.在该实施例中，沟槽30布置在衬底21中，沟槽30在电荷收集电极20之间延伸。沟槽30形成在衬底21中以防止相邻像素的串扰。沟槽30可以是未填充的，例如环境压力或真空，或填充有非导电材料，优选为二氧化硅。沟槽30具有与衬底表面正交的优选方向。在该实施例中，沟槽30从衬底21的顶部延伸到底部。
69.沟槽可以布置为使得每个检测器元件23由沟槽30包围，该沟槽可以在检测器元件阵列的行和列之间延伸。替代地，沟槽在检测器元件23的各组之间延伸。
70.可以结合图4和图5所示的实施例，即可以使用弯曲的电场线28来限制电荷载流子，此外，还可以设置沟槽30。
71.图6示出了x射线检测器部件1的另外的实施例。为了避免重复，仅描述与图3所示实施例的区别。
72.与作为互连的混合键合相反，如图3至图5的先前实施例中所示，x射线检测器芯片22与cmos读出芯片24通过传统互连技术，诸如焊球32或例如铟柱凸块的柱形凸块连接。可以如上所述进行制造。然而，传统互连技术用于连接晶片。
73.与其他实施例一样，x射线检测器芯片22的传感器衬底21由硅制成并且包括作为检测器元件23的实施例的至少一个单光子检测器。通常，硅中单光子检测器被称为单光子雪崩检测器(spad)。cmos读出电路24包括与至少一个单光子检测器连接的至少一个计数器，从而形成光子计数器检测器。
74.图7示出了说明吸收长度与能量的关系图。对于不同的传感器衬底材料，在以kev为单位的x射线能量上示出以mm为单位的吸收长度，也称为吸收深度。线100指硅。线110指铅。线120指钨。线130指硒。线140指碲化镉(cdte)。
75.对于乳房x线照相术系统中常用的30kev的x射线能量，钨120和铅110的吸收长度约为20至30μm。对于硒130和硅100，吸收长度分别为130μm和3mm。碲化镉140在30kev下的吸收长度为78μm。
76.该观察结果可能使硅在乳房x线照相术应用中变得不切实际；然而，这不是下文将讨论的情况。
77.图8示出了通用30kev的x射线源的x射线发射光谱。归一化的x射线强度以pm为单位示出在波长λ上。制动辐射是用ab
‑
initio原理计算出来的，并且不依赖于阳极的材料。然而请注意，特征发射线(k
α
、k
β
、l
α
等)是缺失的。
78.然后，基于特征，即图7中依赖于材料的吸收长度计算吸收效率。图9示出了由此产生的检测量子效率(dqe)。
79.图9示出了725μm厚的硅检测器芯片、常用的100μm厚的硒检测器芯片和100μm厚的cdte检测器芯片的吸收效率。归一化的检测量子效率示出在以kev为单位的能量上。线200与硅有关。线230与硒有关。线240与cdte有关。
80.显然，对于具有低能量的x射线来说，这些材料是极好的吸收体。然而，超过15kev，材料对x射线辐射变得透明。实际上，在12kev附近，硒的吸收能力降低，硅芯片的性能优于100μm厚的硒芯片。只有100μm厚的碲化镉(cdte)芯片的性能优于硅检测器，但代价是有毒的和危险的。
81.这两种材料的总体不用的x射线强度在相同范围内，但显然取决于x射线能量。尤其是在10到13kev附近，725μm厚的硅芯片是比硒更好的吸收体。
82.总之，与传统的100μm厚的非晶硒或cdte芯片相比，所提出的基于例如725μm厚的完全耗尽晶片的硅x射线检测器芯片具有相似的x射线吸收。
83.因此，与传统检测器相比，所提出的方法有望允许光子计数乳房x线照相术系统在相似的x射线剂量下进行。
84.图10示出了x射线检测模块60的一个实施例，该x射线检测模块包括在框架62中布置成阵列的多个x射线检测器部件1。这种平板检测模块60可以布置在成像设备的图像接收
器中。成像设备可以是例如用于乳房x线照相术或牙科x射线检查的成像医疗设备，或例如用于材料误差分析或行李扫描或包裹扫描的筛选设备。
85.保护范围不限于上文给出的示例。本发明体现在每个新颖特征和特征的每种组合中，其特别包括权利要求中所述的任何特征的每种组合，即使该特征或该特征组合在权利要求或示例中没有明确说明。
86.附图标记
[0087]1ꢀꢀ
x射线检测器部件
[0088]2ꢀꢀ
闪烁体
[0089]4ꢀꢀ
检测器
[0090]6ꢀꢀ
晶体管
[0091]8ꢀꢀ
玻璃衬底
[0092]
10
ꢀꢀ
电荷收集电极
[0093]
12
ꢀꢀ
x射线辐射
[0094]
14
ꢀꢀ
光
[0095]
16
ꢀꢀ
硒元件
[0096]
18
ꢀꢀ
顶部电极
[0097]
20
ꢀꢀ
连接电极
[0098]
21
ꢀꢀ
衬底
[0099]
22
ꢀꢀ
x射线检测器芯片
[0100]
23
ꢀꢀ
检测器元件
[0101]
24
ꢀꢀ
cmos读出电路
[0102]
26
ꢀꢀ
计数器电路
[0103]
27
ꢀꢀ
线路后端
[0104]
28
ꢀꢀ
场线
[0105]
30
ꢀꢀ
沟槽
[0106]
32
ꢀꢀ
凸块
[0107]
60
ꢀꢀ
模块
[0108]
62
ꢀꢀ
框架
[0109]
100，110，120，130，140，200，230，240
ꢀꢀ
线