WO2004104635A1 - Anordnung zur detektion von röntgenstrahlung und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Anordnung zur detektion von röntgenstrahlung und verfahren zu deren herstellung Download PDF

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WO2004104635A1
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barrier layer
layer
detector elements
arrangement according
sensitive layer
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French (fr)
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Jürgen Schreiber
Tilo Baumbach
Ole Hirsch
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2914—Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2921—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras
    • G01T1/2928—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras using solid state detectors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
    • H10F30/301—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices being sensitive to very short wavelength, e.g. being sensitive to X-rays, gamma-rays or corpuscular radiation

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for the detection of X-rays and a method for producing such arrangements. It can be used in a wide variety of areas of technology, such as non-destructive testing, in medical diagnostics, but also for many safety-related applications.
  • X-ray technology has been used for a long time and in the recent past developments have been made to use X-rays in conjunction with electronic evaluation as so-called digital X-ray pixel systems.
  • X-rays incident on them can be detected in a spatially resolved manner and a digital image can be made available in electronic form.
  • the electronic signal values obtained in this way can be stored and evaluated.
  • a visual representation is also immediately or later with a delay
  • a layer formed from polycrystalline mercury iodide can be coated on both sides, with semiconductor transistor elements as at least on one side of such a polycrystalline layer Thin film transistors have been formed.
  • EP 0 784 801 proposes using parals or humiseal for this purpose.
  • these substances have disadvantages because of their electrical properties and their limited protective action with regard to the electrode materials used and the chemically aggressive polycrystalline semiconducting materials, so that the signal-to-noise ratio is deteriorated and there are failures of individual flat areas on a detector system designed in this way, e.g. the so called "dark lines”.
  • At least one such passivation layer has to be formed by means of an additional manufacturing step that is different from other process technologies.
  • the arrangement according to the invention for the detection of X-rays has a sensitive layer made of a semiconducting material that absorbs X-rays.
  • This sensitive layer can be in the form of a planar structure and is bordered on two opposite sides.
  • a cover electrode made of an electrically conductive material is electrically conductively contacted with this layer, which is exposed to the incident X-ray or gamma radiation.
  • Such a cover electrode can also be designed as a closed flat element.
  • a barrier layer has been formed between the sensitive layer and the detector elements.
  • the layer thickness of this barrier layer can be limited to a few nanometers and should not exceed a maximum layer thickness of 500 nm, preferably 100 nm. There- it should be ensured that the barrier layer forms at least one closed layer, whereby this can already be achieved with a minimum layer thickness of 2 to 3 nm.
  • the negative influence of aggressive semiconducting materials with respect to the electrodes of materials forming semiconductor transistor elements can be completely prevented.
  • the electrical properties of a suitable barrier layer have a very advantageous effect on the sensitivity.
  • the extremely small required layer thickness of the barrier layer is particularly advantageous here, since a considerably increased electrical conductivity is achieved, starting from the sensitive layer in the direction of the detector elements.
  • barrier layer regions with increased electrical conductivity, which in turn are enclosed by separating webs.
  • Separators are either formed from a dielectric material or have a significantly increased specific electrical resistance compared to the barrier layer regions.
  • a corresponding barrier layer area is locally assigned to each detector element, and electrical separation is ensured by the separating webs and, if appropriate, additionally electrically insulating areas which are formed around the detector elements.
  • barrier layer areas can be dimensioned this way be that the ratio of their respective layer thicknesses in relation to a maximum area extension along an axis of at least 1: 150 can be maintained.
  • the ratio of the layer thickness to a surface diagonal of a barrier layer region formed in a square or rectangular shape can easily adhere to this ratio, wherein ratios of 1: 500 or even 1: 1000 are also possible.
  • the individual barrier layer areas should be adapted in surface shape and in their dimensions to the respective shape and size of the electrodes of detector elements assigned to them.
  • the individual detector elements with the barrier layer regions forming a detector array should be electrically insulated from one another in such a way that local crosstalk to neighboring elements can be prevented.
  • the specific electrical resistance of the amorphous carbon in the barrier layer regions can be in the range between 10 and 1000 ⁇ cm, this being able to be influenced by influencing various parameters during the deposition of such layers in a vacuum.
  • the proportions of graphitic carbon (Sp 2 ) and the proportions of diamond-like carbon (Sp 3 ) can be varied, the specific electrical resistance being able to be reduced as the Sp 2 proportion increases. With an increased Sp 3 content, the density of such a layer can be increased, which in turn means that a reduced layer thickness of such a barrier layer can be used.
  • a barrier layer can also by galvanic deposition of a suitable metal or a suitable metal alloy.
  • the deposition can take place directly on an array which is formed from detector elements.
  • a particularly suitable metal for this is palladium, which can also be electrodeposited in combination with nickel as a palladium-nickel alloy.
  • barrier layers When galvanically forming barrier layers, it is advantageous to subsequently planarize the surface of the barrier layer formed, to which the sensitive layer is then to be subsequently applied.
  • the planarization can be carried out, for example, by mechanical-chemical polishing.
  • a thin coating which consists of BCB, polyimide or another resistant polymer, on the galvanically deposited barrier layer.
  • webs made of a dielectric material can be used or formed.
  • Such webs can for example consist of Si0 2 or organic materials that have been obtained by means of photolithographic processes.
  • the webs can advantageously be formed from dielectric material when producing an array of a plurality of detector elements.
  • Such detector elements can have been designed in the form of conventional thin-film transistors.
  • the detector elements are complementary metal oxide semiconductor elements (CMOS). These are available as standard components, the individual CMOSs being able to be dimensioned very small and, accordingly, a very high spatial resolution capability can be achieved in an arrangement according to the invention. For example, maximum dimensions of individually detectable areas below an area size of 50 x 50 ⁇ m can be achieved. Each individual COMS can deliver a discrete measurement signal in direct form, so that high-resolution area detection can be achieved. However, higher functionality can also be achieved. In this way, an integrating measurement, a recording of individual events or an energy-dependent detection can be carried out.
  • Other semiconductor transistor elements such as thin-film ASICs, can also be used as detector elements.
  • the suitable detector elements are not limited to the designated semiconductor transistor elements.
  • ITO indium tin oxide
  • the surface of an array arrangement of semiconductor transistor elements can be leveled by means of BGB (bencocyclobutene).
  • the cover electrode already mentioned can have been formed directly on the surface of the sensitive layer as a metallic thin film.
  • a cover electrode from graphitic carbon.
  • an appropriate dispersion (Aquadag) is applied to the surface and, after drying, a closed cover electrode made of graphitic carbon is obtained.
  • This graphitic carbon can additionally covered with a thin metal layer, e.g. gold.
  • the sensitive layer can be formed from amorphous selenium or silicon, but also from mono- or polycrystalline materials.
  • a targeted selection of the layer thickness of the sensitive layer can also have been made for the various application possibilities of an arrangement according to the invention.
  • reduced layer thicknesses on sensitive layers which are used on arrangements according to the invention for medical diagnostics can be much smaller than in the case of arrangements which e.g. used in non-destructive material testing.
  • the arrangements according to the invention can be produced in such a way that surfaces of detector elements arranged discretely to one another, which if possible form a continuous array, are coated with a barrier layer made of diamond-like carbon in a vacuum.
  • a sensitive layer which consists of a polycrystalline, semiconducting material that absorbs X-ray or gamma radiation, is in turn applied.
  • an electrically conductive layer is formed on the surface of this sensitive layer as a cover electrode, which covers the entire surface of the sensitive layer. It is not necessary to structure such a cover electrode in a plurality of surface areas which are electrically insulated from one another.
  • the individual metallic barrier layer areas are separated from one another by separators made of dielectric material.
  • Such dielectric separators can be formed between the individual detector elements already during the manufacture of an array consisting of a plurality of detector elements.
  • the barrier layer is formed from diamond-like carbon in a vacuum
  • a pulsed plasma can be used, and graphite can be used as the target material.
  • the plasma can be produced in a manner known per se pulsed laser radiation, pulsed arc discharge or in combination, can be generated as a so-called laser-are process.
  • the sensitive layer and here in particular a sensitive layer, is composed of mercury iodide or lead iodide, as described in EP 0 784 801 B1.
  • the cover electrode can subsequently also be formed in vacuum as a metallic thin layer.
  • the sensitive layer can also be formed by a screen printing process.
  • the individual detector elements can then each individually, optionally with the interposition of
  • Gain stages can be connected to an electronic evaluation unit and in turn the individual signals can be stored, processed or displayed as an image for a visual evaluation.
  • the arrangement according to the invention is characterized in that a high sensitivity can be achieved with a simultaneously reduced spatial resolution, even with a significantly reduced X-ray intensity.
  • reliable long-term operation can be ensured without failure of individual detector elements or detection areas. It has a particularly favorable effect here that corresponding contacting methods, such as bonding or flip-chip technology, can be dispensed with.
  • Figure 1 shows in schematic form a structure of an example of an arrangement according to the invention.
  • detector elements 2 are formed discretely on one another as CMOS. These have a contact surface 2 'made of aluminum.
  • the barrier layer 4 which is formed from diamond-like carbon, is in turn arranged on this.
  • the barrier layer 4 has a thickness of 20 nm.
  • the aluminum contact surfaces 2 ' are separated here by webs 3 made of silicon dioxide, so that electrical insulation of the individual detector elements 2 is achieved.
  • a full-surface formation of a barrier layer 4 made of amorphous carbon was carried out and subsequently, using a laser beam, as an example of a suitable energy beam, a locally targeted influencing of the amorphous carbon of the barrier layer 4 performed.
  • a laser beam as an example of a suitable energy beam
  • electrically conductive barrier layer regions 4 ′ with an increased sp 2 component and separating webs 5 surrounding them with an increased sp 3 component can be formed.
  • the specific resistance of the carbon was increased to approx. 10 9 ⁇ cm and thus reached at least 10 5 ⁇ cm.
  • a sensitive layer 1 of mercury iodide was then formed.
  • a layer thickness of approx. 200 ⁇ m can be selected for medium X-ray energies.
  • Aquadag was applied to the sensitive layer 1 as a graphite dispersion, which can be achieved, for example, by screen printing or spin coating. After drying, the top electrode 7 was then formed from graphitic carbon.
  • such arrangements could be formed with a total area size of approx. 110 x 110 mm and an area resolution for the detection for individual pixels or pitches below 50 ⁇ m could be achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Detektion von Röntgenstrahlung und Verfahren zu deren Herstellung, sie kann auf den verschiedensten Gebieten der Technik, wie beispielsweise bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, in der medizinischen Diagnostik, aber auch für viele sicherheitsrelevante Anwendungen eingesetzt werden. Aufgabengemäß soll ein hohes Auflösungsvermögen, ein zuverlässiger Einsatz über lange Betriebszeiträume erreicht werden und bei erhöhter Sensitivität eine kostengünstige Herstellbarkeit gegeben sein. Die erfindungsgemäße Anordnung verwendet dabei eine sensitive Schicht aus einem halbleitenden Werkstoff, der Röntgenstrahlung absorbiert. An einer Seite der sensitiven Schicht ist eine Deckelektrode elektrisch leitend kontaktiert und auf der dementsprechend gegenüberliegenden Seite sind Detektorelemente, die jeweils elektrisch zueinander isoliert sind, angeordnet. Außerdem ist zwischen der sensitiven Schicht, die bevorzugt aus einem polykristallinen halbleitenden Werkstoff besteht, eine Barriereschicht, die wiederum in einer Ausführung bevorzugt als eine amorphe Kohlenstoffschicht ausgebildet ist, vorhanden. An der Barriereschicht sind an einzelnen Detektorelementen elektrisch leitende Barriereschichtbereiche vorhanden, die durch Trennstege aus dielektrischem Stoff oder mit erhöhtem spezifischen elektrischen Widerstand voneinander getrennt sind.

Description

Anordnung zur Detektion von Röntgenstrahlung und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Detektion von Röntgenstrahlung sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Anordnungen. Sie kann auf den verschiedensten Gebieten der Technik, wie beispielsweise bei der zerstörungsfreien Werkstoff rüfung, in der medizinischen Diagnostik aber auch für viele sicherheits- relevante Anwendungen eingesetzt werden.
Röntgenstrahlungstechnik wird seit längerer Zeit eingesetzt und in der jüngeren Vergangenheit sind Entwicklungen getätigt worden, Röntgenstrahlung in Ver- bindung mit elektronischer Auswertung, als so genannte digitale RöntgenpixelSysteme einzusetzen.
Dadurch können durch den Einsatz relativ großformatiger Röntgendetektorelemente auf diese auftreffende Röntgenstrahlung ortsaufgelöst erfasst und ein digitales Abbild in elektronischer Form zur Verfügung gestellt werden. Die so erhaltenen elektronischen Signalwerte können gespeichert und ausgewertet werden. Selbstverständlich ist aber auch eine bildliche Dar- Stellung sofort oder nachfolgend zeitversetzt mit
Hilfe von elektronischer Bildwiedergabetechnik (Moni- tore, Displays) oder auch ein Ausdruck auf Papier möglich.
Für die Herstellung solcher Röntgendetektorarrays sind Untersuchungen erfolgt, um insbesondere geeignete Röntgenstrahlung absorbierende Werkstoffe auswählen zu können.
So hat es sich herausgestellt, dass verschiedene po- lykristalline, halbleitende Werkstoffe besonders geeignet sind. Dies betrifft beispielsweise CdTe, Pbl2 oder TiBr. Als ganz besonders geeignet hat sich Quecksilberjodid Hgl2 herausgestellt, da dieser polykristalline Werkstoff eine weiter erhöhte Ordnungs- zahl aufweist und eine deutlich geringere Elektronen- Loch-Paar Bildungsenergie erfordert.
Mit den bezeichneten Werkstoffen ist eine direkte Detektion möglich, so dass damit verbundene Vorteile bezüglich einer erhöhten Sensitivität und einer vereinfachten Auswertbarkeit ausgenutzt werden können.
So sind in EP 0 784 801 Bl entsprechende theoretische Grundlagen erläutert worden. Dort sind außerdem Mög- lichkeiten beschrieben, wie beispielsweise eine sensitive Schicht aus polykristallinem Quecksilberjodid in hochreiner Form erhalten werden kann.
In diesem Dokument sind auch Möglichkeiten genannt, wie solche Röntgendetektionssysteme aufgebaut sein können .
So kann eine aus polykristallinem Quecksilberjodid gebildete Schicht beidseitig beschichtet werden, wo- bei zumindest an einer Seite einer solchen polykristallinen Schicht Halbleitertransistorelemente als Dünnfilmtransistoren ausgebildet worden sind.
Wegen der chemischen Aggressivität von Quecksilberjodid aber auch den anderen bezeichneten geeigneten po- lykristallinen Werkstoffen ist es erforderlich, eine passivierende Zwischenschicht einzusetzen.
Hierfür wird in EP 0 784 801 vorgeschlagen Paralen oder Humiseal einzusetzen. Diese Stoffe haben jedoch Nachteile wegen ihrer elektrischen Eigenschaften sowie ihrer begrenzten Schutzwirkung bezüglich der eingesetzten Elektrodenwerkstoffe zu den chemisch aggressiven polykristallinen halbleitenden Werkstoffen, so dass das Signal-Rauschverhältnis verschlechtert ist und es zu Ausfällen von einzelnen flächigen Bereichen an einem so ausgebildeten Detektorsystem, z.B. den auch so bezeichneten „dark lines" kommen kann.
Dies führt zu einer deutlich reduzierten Zuverlässigkeit und einer entsprechend reduzierten Nutzungsdauer solcher Röntgendetektionssysteme .
Bei diesen bekannten Lösungen ist es außerdem nachteilig, dass zumindest eine solche Passivierungs- schicht mittels eines zusätzlichen sich zwingend von anderen Verfahrenstechnologien unterscheidendem Herstellungsschritt ausgebildet werden muss.
Bei den bisher bekannten Lösungen müssen außerdem Beschränkungen bei der erreichbaren Auflösung in Kauf genommen werden, da fertigungstechnisch bedingt die einzelnen elektrisch voneinander getrennten detektie- renden Flächenbereiche eine Mindestgrδße aufweisen müssen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Detektion von Röntgenstrahlung vorzuschlagen, die ein hohes Auflösungsvermögen, einen zuverlässigen Einsatz über lange Betriebszeiträume erreicht und bei erhöhter Sensitivität kostengünstig herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist sowie einem Verfahren gemäß Patentanspruch 17 gelöst. Vor- teilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Detektion von Röntgenstrahlung weist eine sensitive Schicht aus einem halbleitenden Werkstoff, der Röntgenstrahlung absorbiert, auf. Diese sensitive Schicht kann in Form eines planaren Gebildes ausgebildet sein und ist an zwei sich gegenüberliegenden Seiten eingefasst. So ist auf einer Oberfläche der sensitiven Schicht eine Deckelektrode aus einem elektrisch leitenden Werkstoff elektrisch leitend mit dieser Schicht kontaktiert, die der einfallenden Röntgen- oder auch Gammastrahlung ausgesetzt wird. Eine solche Deckelektrode kann ebenfalls als geschlossenes flächiges Element ausgebildet sein.
An der der Deckelektrode gegenüberliegenden Seite der sensitiven Schicht sind mehrere Detektorelemente, diskret zueinander und gegeneinander elektrisch isoliert, angeordnet. Erfindungsgemäß ist zwischen der sensitiven Schicht und den Detektorelementen eine Barriereschicht ausgebildet worden. Die Schichtdicke dieser Barriereschicht kann auf wenige Nanometer be- grenzt sein und sollte eine maximale Sσhichtdicke von 500 nm, bevorzugt von 100 nm nicht überschreiten. Da- bei sollte gesichert sein, dass die Barriereschicht zumindest eine geschlossene Schicht bildet, wobei dies bereits mit einer minimalen Schichtdicke von 2 bis 3 nm erreichbar ist.
Mit der erfindungsgemäß einzusetzenden Barriereschicht kann der negative Einfluss aggressive halbleitender Werkstoffe gegenüber den Elektroden von Halbleitertransistorelementen bildenden Werkstoffen vollständig verhindert werden.
Außerdem wirken sich die elektrischen Eigenschaften einer geeigneten Barriereschicht sehr vorteilhaft auf die Sensitivität aus. Hierbei ist insbesondere die äußerst geringe erforderliche Schichtdicke der Barriereschicht günstig, da eine erheblich erhöhte e- lektrische Leitfähigkeit, ausgehend von der sensitiven Schicht in Richtung zu den Detektorelementen erreicht wird.
Bereits bei der Ausbildung der Barriereschicht gegebenenfalls aber auch mit einer nachfolgenden Behandlung können Barriereschichtbereiche mit erhöhter e- lektrischer Leitfähigkeit, die wiederum von Trennste- gen umschlossen sind, ausgebildet werden. Diese
Trennstege sind entweder aus einem dielektrischen Stoff gebildet oder weisen gegenüber den Barriereschichtbereichen einen deutlich erhöhten spezifischen elektrischen Widerstand auf. Dabei ist jedem Detek- torelement ein entsprechender Barriereschichtbereich lokal zugeordnet ausgebildet und eine elektrische Trennung durch die Trennstege und gegebenenfalls zusätzlich elektrisch isolierende Bereiche, die um die Detektorelemente ausgebildet sind, gewährleistet.
So können Barriereschichtbereiche so dimensioniert sein, dass das Verhältnis ihrer jeweiligen Schichtdicken in Bezug zu einer maximalen Flächenausdehnung entlang einer Achse von mindestens 1:150 eingehalten werden kann. So kann beispielsweise das Verhältnis der Schichtdicke in Bezug zu einer Flächendiagonale eines in Quadrat- oder Rechteckform ausgebildeten Barriereschichtbereiches dieses Verhältnis ohne weiteres einhalten, wobei auch Verhältnisse von 1:500 oder gar 1:1000 möglich sind.
Die einzelnen Barriereschichtbereiche sollten in Flächenform und in ihren Abmaßen der jeweiligen Gestalt und Größe der ihnen zugeordneten Elektroden von Detektorelementen angepasst sein.
Die einzelnen ein Detektorarray bildenden Detektorelemente mit den Barriereschichtbereichen sollten gegeneinander elektrisch so isoliert sein, dass ein lokales Übersprechen zu benachbarten Elementen verhin- dert werden kann.
Der spezifische elektrische Widerstand des amorphen Kohlenstoffs kann in den Barriereschichtbereichen im Bereich zwischen 10 und 1000 Ωcm liegen, wobei dies durch Beeinflussung von verschiedenen Parametern bei der Abscheidung solcher Schichten im Vakuum beeinflussbar ist. So können die Anteile an graphitischem Kohlenstoff (Sp2) und die Anteile an diamantartigem Kohlenstoff (Sp3) variiert sein, wobei mit ansteigen- dem Sp2-Anteil der spezifische elektrische Widerstand reduziert werden kann. Mit einem erhöhten Sp3-Anteil kann die Dichte einer solchen Schicht erhöht werden, wodurch wiederum eine reduzierte Schichtdicke einer solchen Barriereschicht eingesetzt werden kann.
Die Ausbildung einer Barriereschicht kann aber auch durch galvanische Abscheidung eines geeigneten Metalls oder einer geeigneten Metall-Legierung erfolgen.
Dabei kann die Abscheidung unmittelbar auf einem Ar- ray, das aus Detektorelementen gebildet ist, erfolgen. Ein hierfür besonders geeignetes Metall ist Palladium, das auch in Verbindung mit Nickel als Palladium-Nickel-Legierung galvanisch abgeschieden werden kann .
Es besteht aber auch die Möglichkeit eine entsprechende dünne Barriereschicht aus Nickel, Gold oder auch Gold/Nickel auszubilden.
Bei der galvanischen Ausbildung von Barriereschichten ist es vorteilhaft, nachfolgend eine Planarisierung der Oberfläche der ausgebildeten Barriereschicht, auf die dann wiederum nachfolgend die sensitive Schicht aufgebracht werden soll, durchzuführen.
Die Planarisierung kann beispielsweise durch mechanisch-chemisches Polieren durchgeführt werden.
Dabei kann es vorteilhaft und gegebenenfalls auch erforderlich sein, vorab auf die galvanisch abgeschiedene Barriereschicht eine dünne Beschichtung, die aus BCB, Polyimid oder einem anderen resistenten polyme- ren Kunststoff besteht, auszubilden.
Auch bei einer solchen galvanisch abgeschiedenen Metallschicht, gegebenenfalls mit den vorab angesprochenen Zwischenschichten ist lediglich eine Schichtdicke erforderlich, die die gewünschte geschlossene Schicht ausbildet, um die erforderliche Barrierewirkung zu der darüber angeordneten sensitiven Schicht und eine ausreichend große elektrische Leitfähigkeit zwischen sensitiver Schicht und Detektorelementen gewährleistet .
Für die elektrische Isolation der Barriereschichtelemente und gegebenenfalls auch gleichzeitig der jeweiligen Halbleitertransistorelemente können Stege aus einem dielektrischen Werkstoff eingesetzt oder ausgebildet werden. Solche Stege können beispielsweise aus Si02 oder organischen Werkstoffen bestehen, die mittels photolithographischer Verfahren erhalten worden sind.
Vorteilhaft können die Stege aus dielektrischem Werk- Stoff bei der Herstellung eines Arrays einer Mehrzahl von Detektorelementen ausgebildet werden.
Solche Detektorelemente können in Form herkömmlicher Dünnfilmtransistoren ausgebildet worden sein.
Vorteilhafter ist es jedoch, die Detektorelemente als komplementäre Metalloxidhalbleiterelemente (CMOS) auszubilden. Diese sind als Standardbauelement verfügbar, wobei die einzelnen CMOS ' s sehr klein dimen- sioniert werden können und dementsprechend ein sehr hohes Ortsauflösungsvermögen an einer erfindungsgemäßen Anordnung erreicht werden kann. So sind beispielsweise maximale Abmessungen von einzeln detek- tierbaren Flächen unterhalb einer Flächengröße von 50 x 50 μm erreichbar. Jeder einzelne COMS kann ein diskretes Messsignal in direkter Form liefern, so dass eine hochaufgelöste flächige Detektion erreicht werden kann. Es können aber auch eine höhere Funktionalität erreicht werden. So kann eine integrierende Messung, eine Erfassung von Einzelereignissen oder eine Energie abhängige Detektion durchgeführt werden. Es können auch andere Halbleitertransistorelemente, wie z.B. Dünnfilm ASIC's als Detektorelemente eingesetzt werden. Die geeigneten Detektorelemente sind nicht auf die bezeichneten Halbleitertransistorelemente begrenzt .
Neben dieser hohen Ortsauflösung können aber auch eine großflächige Ausbildung einer erfindungsgemäßen Anordnung erreicht werden, wobei hier auch mehrere solcher Anordnungen in Form einer Reihen- und Spaltenanordnung eingesetzt und dadurch eine weiter erhöhte Fläche für eine Rontgenstrahlungsdetektion zur Verfügung gestellt werden kann.
Vorteilhaft kann es außerdem sein, wenn eine Zwi- schenbeschichtung zwischen Barriereschicht und den Detektorelementen ausgebildet worden ist . Hierfür kann beispielsweise Indium-Zinn-Oxid (ITO) eingesetzt werden, um den elektrischen Übergangswiderstand zu reduzieren.
Vor dem Aufbringen der Barriereschichtelemente aus diamantartigem Kohlenstoff kann ein einebnen der 0- berflache einer Arrayanordnung von Halbleitertransistorelementen mittels BGB (Bencocyklobuten) erfolgen.
Die bereits angesprochene Deckelektrode kann unmittelbar auf der Oberfläche der sensitiven Schicht als metallischer Dünnfilm ausgebildet worden sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, eine solche Deckelektrode aus graphitischem Kohlenstoff auszubilden. Hierzu wird eine entsprechende Dispersion (Aquadag) flächig aufgetragen und nach dem Trocknen eine ge- schlossene Deckelektrode aus graphitischem Kohlenstoff erhalten. Dieser graphitische Kohlenstoff kann zusätzlich mit einer dünnen Metallschicht, z.B. Gold überdeckt werden.
Die sensitive Schicht kann aus amorphem Selen oder Silicium, aber auch aus mono- oder polykristallinen Werkstoffen gebildet sein.
Insbesondere durch die vorteilhaften bereits angesprochenen Eigenschaften der polykristallienem halb- leitenden Werkstoffe für die sensitive Schicht und hier insbesondere von Quecksilberjodid oder auch Bleijodid kann mit deutlich reduziert en Leistungen und insbesondere Strahlungsintensitäten gearbeitet werden, so dass die Strahlungsbelastung im Umfeld deutlich reduziert ist.
Für die verschiedenen Applikationsmöglichkeiten einer erfindungsgemäßen Anordnung kann auch eine gezielte Auswahl der Schichtdicke der sensitiven Schicht ge- troffen worden sein.
So können beispielsweise reduzierte Schichtdicken an sensitiven Schichten, die an erfindungsgemäßen Anordnungen für die medizinische Diagnostik eingesetzt werden, sehr viel kleiner, als bei Anordnungen die z.B. bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt werden, sein.
So können beispielsweise bei Quecksilberjodidschich- ten mit einer Dichte von -6,3 g/cm3, bei Erreichung einer Absorption von mehr als 90% der eingesetzten Röntgenstrahlung in der medizinischen Diagnostik eine Dicke der sensitiven Schicht von 10 bis 20 μm bei E = 5 bis 30 KeV, bei sicherheitsrelevanten Anwendun- gen und der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung geeigneter Werkstoffe eine Dicke von 80 bis 650 μm bei E = 20 bis 60 KeV und für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung auch Dicken im Bereich 400 bis 1200 μm bei E = 50 bis 150 KeV gewählt werden.
Die erfindungsgemäßen Anordnungen können so hergestellt werden, dass Oberflächen von diskret zueinander angeordneten Detektorelementen, die möglichst jeweils ein kontinuierliches Array bilden, mit Barriereschicht aus diamantartigem Kohlenstoff im Vakuum beschichtet werden. Darüber wird wiederum eine sensitive Schicht, die aus einem polykristallinen, halbleitenden Werkstoff besteht, der Röntgen- bzw. auch Gammastrahlung absorbiert, aufgebracht.
Auf die Oberfläche dieser sensitiven Schicht wird wiederum eine elektrisch leitende Schicht, als Deckelektrode ausgebildet, die die gesamte Oberfläche der sensitiven Schicht überdeckt. Eine Strukturierung einer solchen Deckelektrode in mehrere voneinander e- lektrisch isolierte Flächenbereiche ist nicht erforderlich.
Die einzelnen metallischen Barriereschichtbereiche werden durch Trennstege aus dielektrischem Werkstoff voneinander getrennt. Solche dielektrischen Trennstege können zwischen den einzelnen Detektorelementen, bereits bei der Herstellung eines aus einer Mehrzahl von Detektorelementen bestehenden Arrays ausgebildet werden .
Bei der Ausbildung der Barriereschicht aus diamantartigem Kohlenstoff im Vakuum kann ein gepulst erzeugtes Plasma eingesetzt werden, wobei Graphit als Targetwerkstoff eingesetzt werden kann.
Das Plasma kann in an sich bekannter Weise mittels gepulster Laserstrahlung, gepulster Bogenentladung oder in kombinierter Form, als so genanntes Laser- Are-Verfahren erzeugt werden.
Vorteilhaft ist es, innerhalb der Vakuumkammer einen Filter einzusetzen, mit dem so genannte „droplets" innerhalb der Barriereschichtelemente oder der negative Einfluss von Debris verhindert werden kann.
Die Ausbildung der sensitiven und hier insbesondere einer sensitiven Schicht aus Quecksilberjodid oder Bleijodid besteht, kann wie dies in EP 0 784 801 Bl beschrieben ist, erfolgen.
Vorteilhaft ist es, eine solche Quecksilberjodid- schicht oder Bleijodidschicht mit einem PVD- oder CVD-Verfahren unmittelbar auf der Barriereschicht auszubilden, wobei eine entsprechend geeignete Verfahrensführung diesem Stand der Technik entnommen werden kann.
Insbesondere im letztgenannten Fall, kann nachfolgend die Deckelektrode ebenfalls im Vakuum als metallische Dünnschicht ausgebildet werden.
Die sensitive Schicht kann aber auch durch ein Siebdruckverfahren ausgebildet werden.
Die einzelnen Detektorelemente können dann jeweils einzeln, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von
Verstärkungsstufen an eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen sein und über diese wiederum die einzelnen Signale in digitaler Form gespeichert, verarbeitet oder als Bild für eine visuelle Auswertung dargestellt werden. Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich dahingehend aus, dass auch bei deutlich reduzierter Röntgenstrahlungsintensität eine hohe Sensitivität , bei gleichzeitig erhöhter Ortsauflösung erreicht werden kann. Außerdem kann ein zuverlässiger Langzeitbetrieb, ohne Ausfall von einzelnen Detektorelementen oder detektierenden Bereichen gesichert werden. Hierbei wirkt es sich besonders günstig aus, dass auf entsprechende Kontaktierungsverfahren, wie das Bonden oder die Flip-Chip-Technik verzichtet werden kann.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
Figur 1 in schematischer Form einen Aufbau eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Hierbei sind auf einem Substrat diskret zueinander Detektorelemente 2, als CMOS ausgebildet. Diese weisen eine Kontaktfläche 2' aus Aluminium auf. Auf diese ist wiederum die Barriereschicht 4 angeordnet, die aus diamantartigem Kohlenstoff gebildet ist. Die Barriereschicht 4 weist eine Dicke von 20 nm auf. Die Aluminiumkontaktflächen 2' sind hier durch Stege 3 aus Siliziumdioxid getrennt, so dass eine elektrische Isolierung der einzelnen Detektorelemente 2 erreicht wird.
Bei dem hier gezeigten Beispiel wurde eine vollflächige Ausbildung einer Barriereschicht 4 aus amorphem Kohlenstoff durchgeführt und nachfolgend mit einem Laserstrahl, als einem Beispiel für einen geeigneten Energiestrahl, eine lokal gezielte Beeinflussung des amorphen Kohlenstoffs der Barriereschicht 4 durchgeführt. So können elektrisch leitende Barriereschicht- bereiche 4' mit erhöhtem sp2 - Anteil und diese umschließende Trennstege 5 mit erhöhtem sp3- Anteil ausgebildet werden. An den Trennstegen 5 wurde der spezifische Widerstand des Kohlenstoffs auf ca. auf 109 Ωcm erhöht und so mindestens 105 Ωcm erreicht.
Im Anschluss daran wurde eine sensitive Schicht 1 aus Quecksilberjodid ausgebildet. Für mittlere Röntgen- energien kann eine Schichtdicke von ca. 200 μm gewählt werden.
Auf die sensitive Schicht 1 wurde Aquadag, als Gra- phitdispersion aufgetragen, was beispielsweise durch Siebdruck oder Spincoating erreicht werden kann. Nach dem Trocknen ist dann die Deckelektrode 7, aus graphitischem Kohlenstoff gebildet worden.
In ersten Versuchen konnten solche Anordnungen in einer Gesamtflächengröße von ca. 110 x 110 mm ausgebildet und eine Flächenauflösung für die Detektion für einzelne Pixels oder Pitches unterhalb von 50 μm erreicht werden .
Ausreichende Detektionsempfindlichkeiten konnten bereits mit Röntgenstrahlungsenergien von 30 keV erreicht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Detektion von Röntgenstrahlung mit einer sensitiven Schicht aus einem halbleitenden Werkstoff, der Röntgenstrahlung absorbiert, diese sensitive Schicht an einer Seite mit einer Deckelektrode elektrisch leitend kontaktiert ist und an der dieser gegenüberliegenden Seite der sensitiven Schicht Detektorelemente, die jeweils elektrisch zueinander isoliert sind, angeordnet sind,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen sensitiver Schicht (1) und den De- tektorelementen (2) eine Barriereschicht (4) ausgebildet ist,
die den einzelnen Detektorelementen (2) lokal zugeordnete elektrisch leitende Barriereschicht- bereiche (4') aufweist,
die durch Trennstege (5) aus dielektrischem Stoff oder mit erhöhtem spezifischen elektrischen Widerstand voneinander getrennt sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht (4) aus amorphem Kohlenstoff gebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschich- ten (4) eine galvanisch abgeschiedene Metallschicht ist und elektrisch leitende Barriereschichtbereiche (4') durch um Detektorelemente (2) ausgebildete Trennstege (5) voneinander e- lektrisch isoliert sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitende Barriereschichtbereiche (4') aus amorphem Kohlenstoff durch Trennstege (5) aus amorphem Koh- lenstoff mit erhöhten spezifischem elektrischem Widerstand umschlossen sind.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht
(4) eine maximale Dicke von 500 nm aufweist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschichtbereiche (4') ein Verhältnis ihrer jeweiligen Schichtdicke zur maximalen Flächenausdehnung entlang einer Achse von mindestens 1:150 einhalten.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische elektrische Widerstand der Trennstege (5) größer als 105 Ωcm ist.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass galvanisch ausgebildete Barriereschichtbereiche (4') aus Palladium, Palladium/Nickel, Wolfram, Gold oder Gold/Nickel gebildet sind.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Barriereschichtbereichen (4') und Detektorelementen (2) eine metallische elektrisch leitende Kontaktfläche (2') vorhanden ist.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen sensitiver Schicht (1) und Barriereschicht (4) eine den elektrischen Übergansgwiderstand beeinflussende Zwischenschicht ausgebildet ist.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Barriere- Schichtbereiche (4') und Kontaktflächen (2') von
Detektorelementen (2) aus Indium-Zinn-Oxid gebildet sind.
12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (1) aus Hgl2 oder Pbl2 gebildet worden ist .
13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelektrode (7) aus einer metallischen Dünnschicht und/oder graphitischem Kohlenstoff gebildet ist.
14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (2) , als komplementäre Metalloxidhalb- leitertransistorelemente (CMOS) ausgebildet sind.
15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (2) als Dünnfilmtransistoren ausgebildet sind.
16. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (2) jeweils einzeln an eine elektronische Auswerteeinheit (6) angeschlossen sind.
17. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Detektion von Röntgenstrahlung, bei dem auf
Oberflächen von diskret zueinander angeordneten Detektorelementen (2) eine Barriereschicht (4) ausgebildet wird;
dabei elektrisch leitende Barriereschichtberei- ehe (4'), die durch Trennstege (5) elektrisch voneinander getrennt sind, den einzelnen Detektorelementen (2) lokal zugeordnet gebildet sind und
auf der Oberfläche der Barriereschicht (4) eine sensitive Schicht (1) , bestehend aus einem halbleitenden Werkstoff, der Röntgenstrahlung absorbiert, aufgebracht und
auf der Oberfläche der sensitiven Schicht (1) eine elektrisch leitende Schicht als Deckelektrode (7) ausgebildet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitende Barriereschichtbereiche (4') und isolierende
Trennstege (5) durch Beeinflussung der Barriereschicht (4) aus amorphem Kohlenstoff mittels eines Energiestrahls ausgebildet werden.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht
(4) aus einem gepulst erzeugten Plasma ausgebildet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma mittels gepulster Laserstrahlung und/oder gepulster Bo- genentladung erzeugt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Barriereschichtbereiche (4') auf einem Träger für Detektorelemente (2) , die durch isolierende Trennstege (5) elektrisch isoliert sind, durch galvanische Abscheidung eines Metalles ausgebildet werden.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass Palladium, Palladium/Nickel, Wolfram, Gold, oder Gold/Nickel abgeschieden werden.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (1) ebenfalls im Vakuum durch ein CVD- oder PVD-Verfahren ausgebildet wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (1) aus Hgl2 oder Pbl2 erzeugt wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dass eine den elektrischen Übergangswiderstand beeinflussende Zwischenschicht zwischen Barriereschicht (4) und sensitiver Schicht (1) ausgebildet wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelektrode (7) aus einer metallischen Dünnschicht und/oder graphitischem Kohlenstoff gebildet wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelektrode
(7) aus graphitischem Kohlenstoff durch Auftrag und nachfolgender Trocknung einer Dispersion ausgebildet wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemen- te (2) jeweils einzeln an eine elektronische Auswerteeinheit (6) angeschlossen werden.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Barriereschicht (4) vor dem Aufbringen der sensitiven Schicht (1) durch chemisch-mechanisches Polieren und/oder das Aufbringen einer Zwischenschicht planarisiert wird.
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