專利名稱：使用電互連的平鋪光電傳感器陣列的平板檢測器的制作方法
要求2003年11月10日提交美國專利和商標局的美國臨時專利申請No.60/518962的優(yōu)先權(quán)，其整體結(jié)合在此作為參考。
背景技術(shù)：
正開發(fā)數(shù)字X射線平板檢測器(FPD)，它基于非晶硅薄膜晶體管和具有X射線閃爍體技術(shù)的光電二極管的組合。一般，這些數(shù)字檢測器具有比X射線薄膜更好的動態(tài)范圍和檢測量子效率(DQE)。平板X射線檢測器正更多地用于醫(yī)療和工業(yè)無損診斷應(yīng)用的X射線成像。大尺寸平板X射線檢測器可用于成像相當(dāng)大的物體，諸如人體。X射線檢測器的單個大尺寸面板(例如，40cm乘40cm)可用于這些應(yīng)用。這種大面板檢測器可用特殊的常較昂貴的設(shè)備制造，且成品率較低。結(jié)果，大面積X射線檢測器的成本很高，從而限制了應(yīng)用。
制造大尺寸平板X射線檢測器需要相應(yīng)較大的半導(dǎo)體處理設(shè)備。例如，為制造40×40cm2平板檢測器，所使用的玻璃基板需要至少～45×45cm2。這種基板的制造設(shè)備(例如，光刻步進器，PECVD薄膜沉積系統(tǒng)，和反應(yīng)離子蝕刻器(RIE))需要具有大于基板尺寸的載物臺或沉積腔。與維護和操作這種制造設(shè)備相關(guān)聯(lián)的成本會相對較高。此外，制造大尺寸檢測器面板的成品率相對較低，因為大面板上的小局部區(qū)域上的缺陷會在制造過程期間或者在檢測器的工作中破壞整個面板。這種較大尺寸的處理是不靈活的。例如，為了增加X射線檢測器的大小，必須升級/替換全部處理設(shè)備線。

發(fā)明內(nèi)容
實施例涉及一種諸如X射線、伽馬射線和光子的高能輻射或粒子的大面積成像檢測器。該檢測器包括以下平底板；附著于所述底板上的檢測器鋪瓦(tile)的(N×M)陣列，每個所述檢測器鋪瓦包括具有必要電路的基板上制造的光電傳感器陣列；附著于所述底板上的多個數(shù)據(jù)指鋪瓦，每個數(shù)據(jù)指鋪瓦都包括多條數(shù)據(jù)線；附著于所述底板上的多個掃描指鋪瓦，每個掃描指鋪瓦都包括多條掃描線；互連它們的前表面上的相鄰的所述檢測器鋪瓦的電互連網(wǎng)絡(luò)；連接所述檢測器鋪瓦的N個單元和多個所述數(shù)據(jù)指鋪瓦的電互連網(wǎng)絡(luò)；連接所述檢測器鋪瓦的M個單元和多個所述掃描指鋪瓦的電互連網(wǎng)絡(luò)。
實施例涉及一種制造諸如X射線、伽馬射線和光子的高能輻射或粒子的大面積成像檢測器的方法。該方法包括以下步驟將檢測器鋪瓦的(N×M)陣列排列于平底板上形成重復(fù)的規(guī)則圖形，每個所述傳感器鋪瓦包括具有在基板上制造的必要電路的粒子檢測器單元陣列；將多個數(shù)據(jù)指鋪瓦排列于所述平底板上形成重復(fù)的規(guī)則圖形，每個所述數(shù)據(jù)指鋪瓦都包括多條數(shù)據(jù)線；將多個掃描指鋪瓦排列于所述平底板上形成重復(fù)的規(guī)則圖形，每個所述掃描指鋪瓦都包括多條掃描線；固定所述檢測器鋪瓦、數(shù)據(jù)指鋪瓦和掃描指鋪瓦到所述底板上同時維持所述規(guī)則圖形；形成連接它們前表面上的相鄰的所述鋪瓦的電互連網(wǎng)絡(luò)；用鈍化涂層保護所述電互連網(wǎng)絡(luò)和所述鋪瓦。


圖1a到1c示出了根據(jù)實施例的大尺寸光成像檢測器的電互連結(jié)構(gòu)的構(gòu)成框的示例。
圖2示出了根據(jù)實施例的具有四個檢測器鋪瓦的示例性組裝集成的大尺寸光成像檢測器。
圖3示出了根據(jù)實施例的用于單個集成的大尺寸平板光子檢測器的包括平鋪和互連的示例性關(guān)鍵制造處理步驟。
具體實施例方式
實施例涉及用于將較小尺寸的檢測器面板電氣互連并集成為低成本的大尺寸檢測器面板用以檢測X射線和其它高能粒子的數(shù)字X射線檢測器的系統(tǒng)。
實施例涉及先進的大集成X射線平板檢測器(FPD)的概念、組件和設(shè)計。在晶片或玻璃基板上平鋪和電氣互連較小檢測器面板可以生產(chǎn)大尺寸的X射線檢測器面板。這種方法和工藝可解決上述與制造單片大X射線檢測器面板相關(guān)聯(lián)的問題，并可以提供以下優(yōu)點由于高產(chǎn)量和小面板的低成本，制造小尺寸X射線檢測器中的設(shè)備成本會很小。這可以形成低成本的X射線檢測器。通過在保持檢測器面板中的其余良好模塊無損的同時簡單地改變局部化面板模塊，可以去除來自該模塊的缺陷。將較小的X射線面板組合并互連在一起可以增加大面板檢測器的大小。
可以被一起平鋪和互連入較大檢測器晶片或玻璃基板的傳感器/檢測器晶片或基板可以包括各種基于硅的光傳感器，諸如光電二極管陣列、CCD、CMOS傳感器，或平板光傳感器，諸如用于高級X射線和伽馬射線檢測的非晶硅或多晶硅基的薄膜光電二極管或光電傳感器陣列。
可將各模塊電氣連接在一起的低斷面(low-profile)互連處理包括光刻圖案形成、直接引線印制線、引線焊接或預(yù)制造連接器陣列的焊接。
在被密封/封裝入大面積X射線或伽馬射線檢測器前，閃爍體的共用層可應(yīng)用于被平鋪和互連陣列較大檢測器晶片/基板。通過用諸如硒的光電導(dǎo)體替代閃爍體，通過平鋪和互連較小檢測器/傳感器單元或基板(諸如薄膜晶體管(TFT)陣列)的制造集成的大光子檢測器的類似原理也可應(yīng)用于用于高級X射線和伽馬射線檢測的直接FPD。
集成的大FPD可用于X射線或伽馬射線成像系統(tǒng)中，用于圖像檢測或診斷，包括醫(yī)療成像、計算斷層照相法(CT)、無損評估(NDE)、船貨/行李安全/食品檢查應(yīng)用。
通過平鋪和互連用于X射線的小檢測器/傳感器單元或基板制造集成大光子檢測器的類似原理也可應(yīng)用于具有較大面板并用于諸如電子、正電子、深UV光的高能粒子的其它類型的檢測器。
數(shù)字X射線平板檢測器(FPD)正更多地用于醫(yī)療成像和工業(yè)無損診斷中。現(xiàn)有的數(shù)字X射線FPD技術(shù)可分成直接和間接轉(zhuǎn)換的兩個基本分類。在直接轉(zhuǎn)換的X射線FPD(例如，Hologic Inc.所制造的)中，硒(Se)光電導(dǎo)體被用于將X射線光子直接轉(zhuǎn)換為由下面的薄膜晶體管(TFT)面板檢測的自由電子。盡管基于硒的檢測器可具有相對較高的模傳遞函數(shù)(MTF)，但它們經(jīng)受較低的X射線量子效率和較低的吸收，特別是對于具有光子能量＞40keV的X射線。它也具有較高的圖像延遲和低空間頻率下較低的檢測量子效率(DQE)。
一些間接轉(zhuǎn)換檢測器使用CsI:T1或Gd2O2S作為X射線閃爍體并將非晶硅光電二極管陣列用作光傳感器。閃爍體可沉積于光電二極管陣列上，它們將X射線轉(zhuǎn)換為通過可見光子媒介的電子。光電二極管陣列被置于TFT面板上。間接轉(zhuǎn)換檢測器具有相對較高的量子效率(對于40keV以上的X射線光子)，相對較低的圖像延遲，以及低空間頻率下相對較高的DQE。但是，一些間接X射線FPD會經(jīng)受低MTF和低空間頻率下的低DQE。
根據(jù)實施例，直接和間接FPD兩者都可采取模塊方法。通過使用小檢測器、數(shù)據(jù)指和掃描指的電氣互連鋪瓦來構(gòu)建單個集成的大面板檢測器，將顯著地降低制造成本并顯著地增加成品率。實施例中，通過電氣互連小面板形成大集成檢測器面板的類似原理也可應(yīng)用于其它光子檢測器(例如，CCD(電荷耦合器件)和CMOS傳感器)。
根據(jù)功能和位置，大尺寸的平板X射線檢測器可分為各種功能區(qū)。因此，X射線檢測器可包括掃描指區(qū)、數(shù)據(jù)指區(qū)、邊角區(qū)和光敏的像素陣列區(qū)。其它區(qū)域也可包含于X射線檢測器中。掃描線和數(shù)據(jù)線指可設(shè)置于面板的邊緣處。檢測器像素陣列可置于面板的中心區(qū)域中。實施例中，這些像素化傳感器的特點在于它們都具有重復(fù)圖案。例如，像素陣列可包括N×M相同的單個像素，掃描指區(qū)可包括N線的掃描指，它們可分組為若干相同布置的指組。根據(jù)實施例，大尺寸檢測器的這種重復(fù)性質(zhì)可允許用小鋪瓦裝配大X射線檢測器。
根據(jù)實施例，大平板成像檢測器通過被電氣互連的三種重復(fù)鋪瓦裝配于基板上。三個示例性類型的鋪瓦是光電傳感器鋪瓦、掃描指鋪瓦和數(shù)據(jù)指鋪瓦。這些鋪瓦形成具有良好限定的鋪瓦間距離的規(guī)則重復(fù)圖形。前述大平板檢測器可包括整個平鋪檢測器陣列上X射線閃爍體的單個共用層，以形成單個集成的大X射線檢測器。
根據(jù)實施例，數(shù)字檢測器陣列(例如，具有2048×2048個像素)可用2×2鋪瓦結(jié)構(gòu)從四個傳感器陣列(例如，每個包含512×512個像素)裝配而成。示例性掃描指的2048線可通過8段256線掃描指鋪瓦模塊裝配成。同樣，數(shù)據(jù)指的2048線可通過8段256線數(shù)據(jù)指鋪瓦模塊裝配成。由于這些數(shù)據(jù)指鋪瓦和掃描指鋪瓦的面積小于檢測器鋪瓦的一半，所以可以通過使用用于更小晶片的半導(dǎo)體設(shè)備制造這些鋪瓦。例如，使用6”直徑的硅晶片處理設(shè)備，可以將4”×4”像素鋪瓦制造和裝配為8”×8”(2×2平鋪陣列)或12”×12”(3×3平鋪陣列)或甚至更大的檢測器。
根據(jù)實施例，平鋪結(jié)構(gòu)可用于形成間接轉(zhuǎn)換數(shù)字X射線檢測器，它分開了X射線閃爍體層和光敏的成像檢測器層。根據(jù)實施例，平鋪結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)換類型的數(shù)字X射線檢測器，它將X射線直接轉(zhuǎn)換為光電子。由于它是數(shù)字平板檢測器中最昂貴的組件，根據(jù)實施例，光敏成像檢測器可由較小的鋪瓦裝配成。另一方面，平鋪后應(yīng)用的X射線閃爍體可以是具有均勻物理屬性的連續(xù)層或片的形式。實施例中，閃爍體的共用層可以是諸如CsI:Tl薄膜或用稀土元素摻雜的Gd2O2S片的閃爍體。通過每個鋪瓦的對準和邊緣控制，可使得鋪瓦間的間隙基本接近于一個或有限數(shù)量個像素大小的光電傳感器陣列的寬度。較小的一致間隙使得間隙處信息的最小丟失。通過從鄰近像素內(nèi)插出丟失像素所獲得的圖像可進一步改善圖像質(zhì)量。
實施例中，大平板檢測器的構(gòu)建塊可以包括至少三種類型的鋪瓦，如圖1a、1b和1c所示。一種類型的鋪瓦是光電檢測器像素陣列鋪瓦(例如，圖1a)，另一種是數(shù)據(jù)指鋪瓦(例如，圖1b)，第三種類型是掃描指鋪瓦(例如，圖1c)。像素陣列鋪瓦可包括傳感器基板(10)、數(shù)據(jù)線和邊緣連接墊(11)、ITO(氧化銦錫)共用線(12)和連接墊(13)、薄膜晶體管(TFT)(14)、光敏二極管(15)、掃描線(16)和邊緣連接墊(17)。TFT和光敏二極管可由非晶或多晶硅制成。
數(shù)據(jù)指鋪瓦可包括基板(20)、數(shù)據(jù)線接觸指(22)和數(shù)據(jù)線邊緣連接墊(23)、電接地線(24)、邊緣連接墊(25)和接地的接觸指(26)、ITO共用線(27)、邊緣連接墊(28)和ITO共用的接觸指(29)。
掃描指鋪瓦可具有與數(shù)據(jù)指鋪瓦類似的功能以及類似的布置。掃描指鋪瓦可包括基板(30)、掃描線接觸指(32)和掃描線邊緣連接墊(33)、電接地線(34)、邊緣連接墊(35)和接地的接觸指(36)、ITO共用線(37)、邊緣連接墊(38)和ITO共用的接觸指(39)。此外，邊角鋪瓦可用于連接掃描和數(shù)據(jù)指上的接地線。
根據(jù)實施例，互連檢測器鋪瓦的示例性制造過程如下將鋪瓦電連接在一起以形成功能的光成像器件并可以測試性能。鋪瓦可以被分開且可拆掉缺陷鋪瓦。隨后可將合格的鋪瓦裝配在一起，以形成完全功能的光成像檢測器，如圖2所示。
如圖3的示例所示，根據(jù)實施例的平鋪過程如下將功能鋪瓦置于基板上。功能鋪瓦可由與傳感器和指鋪瓦相同類型的玻璃制成或者由不同材料制成(例如，陶瓷或金屬，或合成聚合物)?；宓臒崤蛎浵禂?shù)(CTE)可與鋪瓦的CTE匹配。可沿著掃描和數(shù)據(jù)線方向?qū)输佂?。可進行精確對準，使得鋪瓦之間的間隙在合適的容限內(nèi)?？删o固每個鋪瓦(例如，使用快速作用膠或光固化膠)?？膳渲铆h(huán)氧樹脂以填充鋪瓦之間的間隙?？勺屆姘逶O(shè)置于合適的溫度環(huán)境下(例如，直到完全固化環(huán)氧樹脂)?？捎≈七吘夁B接墊以電連接每個鋪瓦。鈍化和保護涂層可涂布于連接墊上?？晒袒g化層。預(yù)置X射線閃爍體的連續(xù)片可被結(jié)合或直接沉積于裝配的平板成像器頂上的閃爍體薄膜上以形成X射線陣列傳感器。X射線陣列傳感器和連接電子掃描/數(shù)據(jù)模塊可被密封和封裝到所述指?？筛街渌K以完成X射線檢測器組件。
實施例中，除了非晶硅處理，可利用其它半導(dǎo)體處理(例如，CMOS處理)來制造鋪瓦。CMOS圖像傳感器陣列可制造于4”～12”晶片上并裝配在一起以形成大尺寸平板檢測器。這種傳感器可用于許多應(yīng)用，包括醫(yī)療成像、工業(yè)無損成像、港口處的安全檢查等。實施例中，多個CCD傳感器也可被互連以形成大尺寸的平板光子檢測器。
前述實施例(例如，使用電互連的平鋪光電傳感器陣列的平板檢測器)和優(yōu)點僅僅是示例且不被認為限制所附權(quán)利要求書。以上教示可應(yīng)用于其它裝置和方法，如本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員可理解的。許多可選方案、修改和變型將是本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員顯見的。
權(quán)利要求
1.一種諸如X射線、伽馬射線和光子的高能輻射或粒子的大面積成像檢測器，包括平底板；附著于所述底板上的檢測器鋪瓦的(N×M)陣列，每個所述檢測器鋪瓦包括具有必要電路的基板上制造的光電傳感器陣列；附著于所述底板上的多個數(shù)據(jù)指鋪瓦，每個數(shù)據(jù)指鋪瓦都包括多條數(shù)據(jù)線；附著于所述底板上的多個掃描指鋪瓦，每個掃描指鋪瓦都包括多條掃描線；互連它們的前表面上的相鄰的所述檢測器鋪瓦的電互連網(wǎng)絡(luò)；連接所述檢測器鋪瓦的N個單元到多個所述數(shù)據(jù)指鋪瓦的電互連網(wǎng)絡(luò)；連接所述檢測器鋪瓦的M個單元到多個所述掃描指鋪瓦的電互連網(wǎng)絡(luò)。
2.如權(quán)利要求1所述的大面積數(shù)字成像檢測器，其特征在于，N是大于或等于1的整數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的大面積數(shù)字成像檢測器，其特征在于，M是大于或等于2的整數(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的大面積數(shù)字成像檢測器，其特征在于，一層閃爍材料被置于所述檢測器鋪瓦頂上。
5.如權(quán)利要求1所述的大面積數(shù)字成像檢測器，其特征在于，所述檢測器鋪瓦還包括多條數(shù)據(jù)線、掃描線、ITO共用線、接地線和邊緣連接墊。
6.如權(quán)利要求1所述的大面積數(shù)字成像檢測器，其特征在于，所述數(shù)據(jù)指鋪瓦還包括ITO共用線、接地線、邊緣連接墊和接觸指。
7.如權(quán)利要求1所述的大面積數(shù)字成像檢測器，其特征在于，所述掃描指鋪瓦還包括ITO共用線、接地線、邊緣連接墊和接觸指。
8.如權(quán)利要求1所述的大面積數(shù)字成像檢測器，其特征在于，所述檢測器單元具有5μm到5mm的格柵間距；或較佳地為10μm到1mm。
9.如權(quán)利要求1所述的大面積數(shù)字成像檢測器，其特征在于，所述檢測器單元是光電二極管單元。
10.如權(quán)利要求1所述的大面積數(shù)字成像檢測器，其特征在于，所述檢測器單元是CCD單元。
11.如權(quán)利要求1所述的大面積數(shù)字成像檢測器，其特征在于，所述檢測器單元是CMOS傳感器單元。
12.如權(quán)利要求4所述的大面積數(shù)字成像檢測器，其特征在于，所述閃爍材料是粉末的形式。
13.如權(quán)利要求4所述的大面積數(shù)字成像檢測器，其特征在于，所述閃爍材料是涂層或薄膜的形式。
14.如權(quán)利要求4所述的大面積數(shù)字成像檢測器，其特征在于，所述閃爍材料是CsI:T1的薄膜。
15.如權(quán)利要求4所述的大面積數(shù)字成像檢測器，其特征在于，所述閃爍材料是稀土摻雜的Gd2O2S。
16.一種制造諸如X射線、伽馬射線和光子的高能輻射或粒子的大面積成像檢測器的方法，包括以下步驟將檢測器鋪瓦的(N×M)陣列排列于平底板上形成重復(fù)的規(guī)則圖形，每個所述傳感器鋪瓦包括具有必要電路的基板上制造的粒子檢測器陣列；將多個數(shù)據(jù)指鋪瓦排列于所述平底板上形成重復(fù)的規(guī)則圖形，每個所述數(shù)據(jù)指鋪瓦都包括多條數(shù)據(jù)線；將多個掃描指鋪瓦排列于所述平底板上形成重復(fù)的規(guī)則圖形，每個所述掃描指鋪瓦都包括多條掃描線；固定所述檢測器鋪瓦、數(shù)據(jù)指鋪瓦和掃描指鋪瓦到所述底板上同時維持所述規(guī)則圖形；形成連接它們前表面上的相鄰的所述鋪瓦的電互連網(wǎng)絡(luò)；用鈍化涂層保護所述電互連網(wǎng)絡(luò)和所述鋪瓦。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，N是大于或等于1的整數(shù)。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，M是大于或等于2的整數(shù)。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，一層閃爍材料被置于所述檢測器鋪瓦頂上。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述檢測器鋪瓦還包括多條數(shù)據(jù)線、掃描線、ITO共用線、接地線和邊緣連接墊。
21.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)指鋪瓦還包括ITO共用線、接地線、邊緣連接墊和接觸指。
22.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述掃描指鋪瓦還包括ITO共用線、接地線、邊緣連接墊和接觸指。
23.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述檢測器單元具有5μm到5mm的柵格間距；或較佳地為10μm到1mm。
24.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述檢測器單元是非晶硅光電二極管單元。
25.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述檢測器單元是CCD單元。
26.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述檢測器單元是CMOS活動像素傳感器單元。
27.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述閃爍材料是粉末的形式。
28.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述閃爍材料是涂層或薄膜的形式。
29.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述閃爍材料是CsI:T1的薄膜。
30.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述閃爍材料是稀土摻雜的Gd2O2S。
全文摘要
一種檢測器可包括以下平底板。(N×M)陣列的檢測器鋪瓦附著于所述底板上，每個所述檢測器鋪瓦包括具有必要電路的基板上制造的光電傳感器陣列。多個數(shù)據(jù)指鋪瓦附著于所述底板上，每個數(shù)據(jù)指鋪瓦都包括多條數(shù)據(jù)線。多個掃描指鋪瓦附著于所述底板上，每個掃描指鋪瓦都包括多條掃描線。電互連網(wǎng)絡(luò)互連它們的前表面上的相鄰的所述檢測器鋪瓦。電互連網(wǎng)絡(luò)連接所述檢測器鋪瓦的N個單元和多個所述數(shù)據(jù)指鋪瓦。電互連網(wǎng)絡(luò)連接所述檢測器鋪瓦的M個單元到多個所述掃描指鋪瓦。
文檔編號G01T1/20GK1973214SQ200480032624
公開日2007年5月30日 申請日期2004年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月10日
發(fā)明者孫曉東, 劉建強 申請人:Ls科技股份有限公司