傳感器芯片的制造方法和計(jì)算機(jī)斷層探測(cè)器的制造方法
【專利說明】傳感器芯片的制造方法和計(jì)算機(jī)斷層探測(cè)器
[0001]本發(fā)明涉及傳感器芯片，特別是用于計(jì)算機(jī)斷層探測(cè)器的傳感器芯片，其具有被電氣連接到輻射檢測(cè)元件的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。進(jìn)而，本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)斷層探測(cè)器，這樣的傳感器芯片的制造方法，以及用于操作傳感器芯片的方法。
[0002]傳感器芯片通常被理解為是指?jìng)鞲衅麟娐?，其電氣和電子部件被施加在半?dǎo)體襯底上或被集成在其中。半導(dǎo)體襯底通常被指定為晶片或基板，其作為整體被制造有多個(gè)傳感器電路以便于隨后將這些傳感器電路彼此分開并且在制造過程之后對(duì)它們進(jìn)行布線。
[0003]這樣的傳感器芯片被用在計(jì)算機(jī)斷層探測(cè)器(CT探測(cè)器)，其被用于醫(yī)學(xué)成像。如果高分辨率(即每個(gè)表面的高數(shù)量的像素)得到保證，計(jì)算機(jī)斷層允許更好的診斷。一個(gè)傳感器芯片通常對(duì)應(yīng)一個(gè)像素，由此實(shí)現(xiàn)期望的分辨率，其通常需要多個(gè)傳感器芯片。在半導(dǎo)體襯底中的光刻集成已經(jīng)有利于為了所需的該多個(gè)像素而降低成本。
[0004]此外，傳感器芯片必須適于與附加的傳感器芯片以預(yù)定義的二維方式布置，以便于精確地定義像素間距。每個(gè)維度需要兩個(gè)相鄰的傳感器芯片的平坦布置。因此，橫向地布置總共四個(gè)傳感器芯片必須是可能的。特別是針對(duì)如對(duì)于大面積CT探測(cè)器而言常規(guī)的該四邊形布置要求，基于半導(dǎo)體襯底的傳感器也是非常合適的。
[0005]例如，DE102007022197A1公開了在X射線計(jì)算機(jī)斷層中使用的用于X射線探測(cè)器的探測(cè)器元件。該探測(cè)器元件具有基于半導(dǎo)體襯底的若干部件(即檢測(cè)元件)，具有電子電路的模塊，以及被布置在前述兩者之間并且具有兩個(gè)功能的觸點(diǎn)元件，該兩個(gè)功能即在一方面確保傳感器元件的機(jī)械穩(wěn)定并且在另一方面將檢測(cè)元件的信號(hào)輸出觸點(diǎn)的幾何布置通過其導(dǎo)體路徑適配到模塊的信號(hào)輸入觸點(diǎn)的幾何布置。
[0006]用于輻射探測(cè)器的探測(cè)器模塊從DE102010011582B4中已知，其具有使得下游重新布線在關(guān)聯(lián)的襯底上的光電轉(zhuǎn)換器層的功能，由此，因?yàn)樾盘?hào)輸出觸點(diǎn)的新穎布置，外部讀出電子器件的基于導(dǎo)線的連接變得更加容易。
[0007]現(xiàn)有方案的制造和材料成本非常高昂，特別是因?yàn)橥ǔ１仨毑捎盟^的晶片鍵合方法或者僅僅接觸成本就非常高。
[0008]本發(fā)明的任務(wù)在于針對(duì)前述特性以及正面性質(zhì)(諸如質(zhì)量或服務(wù)壽命)的傳感器芯片改進(jìn)制造過程并且減少材料成本。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，該目的被具有權(quán)利要求1的特征的傳感器芯片、具有權(quán)利要求9的特征的計(jì)算機(jī)斷層探測(cè)器、具有權(quán)利要求10的特征的傳感器芯片的制造方法以及具有權(quán)利要求11的特征的傳感器的操作方法所實(shí)現(xiàn)。
[0010]根據(jù)本發(fā)明，一種特別是用于計(jì)算機(jī)斷層掃描探測(cè)器的傳感器芯片具有被電氣連接到輻射檢測(cè)元件的模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及晶體基板，其中輻射檢測(cè)元件的部件以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的部件被光刻地集成在晶體基板的一個(gè)探測(cè)器側(cè)上。這是極為有利的，因?yàn)閮蓚€(gè)晶體基板不需要通過必要電路的光刻集成工藝以便于隨后以同樣昂貴方式的鍵合方法被聯(lián)接到彼此。進(jìn)而，根據(jù)本發(fā)明的傳感器芯片確保電子電路的魯棒性非常好，特別是在CT探測(cè)器中的多個(gè)傳感器芯片的情況下幫助后者實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的操作以及更長(zhǎng)的服務(wù)壽命。此外，獲得了安裝空間的同樣有利的優(yōu)化。
[0011]輻射檢測(cè)元件可以是光電二極管或者光電二極管陣列，其各種摻雜的轉(zhuǎn)換基于光刻掩膜通過一層接一層的半導(dǎo)體層沉積而被實(shí)現(xiàn)。在該過程中，輻射檢測(cè)元件可以檢測(cè)分析輻射，換言之，在斷層的情況下該分析輻射也是已經(jīng)經(jīng)由活體的身體透射并且因此攜載醫(yī)學(xué)信息的輻射。輻射檢測(cè)元件將該分析輻射轉(zhuǎn)換為模擬電氣信號(hào)，使得在其中包含的醫(yī)學(xué)信息可以被電氣地傳遞。
[0012]可替代地，間接檢測(cè)可以被輻射檢測(cè)元件實(shí)現(xiàn)，例如，來自閃爍元件的閃爍光將來自身體的分析福射轉(zhuǎn)換為不同的福射，例如，可見光。閃爍光在傳感器芯片的福射檢測(cè)元件中被檢測(cè)到并且在該處被轉(zhuǎn)換為模擬的電氣信號(hào)。中間步驟因此是必要的，因?yàn)榘雽?dǎo)體探測(cè)器(如通常在傳感器芯片中使用的)僅在電磁輻射的特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)是敏感的。如果例如為X射線斷層之類的醫(yī)學(xué)設(shè)備的輻射源的波長(zhǎng)處于該范圍以外，則必須追求間接檢測(cè)。
[0013]模數(shù)轉(zhuǎn)換器被設(shè)計(jì)為將輻射檢測(cè)元件的模擬電氣輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的該電路被光刻地施加在晶體基板上并且使用多個(gè)不同的半導(dǎo)體層、導(dǎo)體路徑和/或集成電路的其它部件。
[0014]晶體基板可以是單晶基板，換言之，所謂晶片的一段?？商娲兀Q于本發(fā)明的實(shí)施例，也可以使用多晶基板。這樣的基板的典型材料是硅、碳化硅、砷化鎵或磷化銦，各自處于單晶或多晶態(tài)。如果待被檢測(cè)的輻射透射穿過基板，還必須考慮相應(yīng)材料的光譜透射特性以避免不必要的吸收。
[0015]光刻集成被理解為是指在晶體基板上的應(yīng)用特定的集成電路的施加。出于該理由，傳感器芯片還可以是所謂的專用集成電路(ASIC)，其被實(shí)現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)化的集成電子電路。ASIC的功能不能被隨后操縱，但制造成本比起非標(biāo)準(zhǔn)化集成電路而言被顯著降低。
[0016]本發(fā)明的特定優(yōu)點(diǎn)在于模數(shù)轉(zhuǎn)換器和輻射檢測(cè)元件的部件兩者均被光刻地集成在晶體基板的第一側(cè)即探測(cè)器側(cè)上。因而，成本高昂的集成工藝必須在基板上僅被執(zhí)行一次并且所有的電氣和電子部件可以被同時(shí)且在空間上平行并且不連續(xù)地(迄今為止)產(chǎn)生。
[0017]有利地，模數(shù)轉(zhuǎn)換器經(jīng)由晶體基板的過孔觸點(diǎn)被電氣連接到在晶體基板的與探測(cè)器側(cè)相反的第二側(cè)上的電氣連接元件。在基板的相反側(cè)上的導(dǎo)體路徑之間的這樣的過孔觸點(diǎn)可以通過蝕刻工藝而實(shí)現(xiàn)，該蝕刻工藝在未覆蓋的區(qū)域相對(duì)于兩側(cè)的表面垂直地化學(xué)移除基板，直到一些100微米之后暴露出特別針對(duì)該目的設(shè)置的導(dǎo)體路徑或者觸點(diǎn)。絕緣之后跟著金屬電鍍，隨著其既安置在暴露出的觸點(diǎn)上或暴露出的導(dǎo)體路徑上，又安置在通過蝕刻產(chǎn)生的凹部的內(nèi)部橫向表面上，也安置在基板開始蝕刻的側(cè)的觸點(diǎn)或?qū)w路徑上，金屬電鍍產(chǎn)生兩側(cè)的導(dǎo)體路徑的導(dǎo)電連接。因而，前者再分配觸點(diǎn)可以被減少到材料和所占空間的最低限度。
[0018]在有利的實(shí)施例中，過孔觸點(diǎn)具有金屬鍍層，該金屬鍍層被提供以用于將數(shù)字信號(hào)從探測(cè)器側(cè)通過晶體基板向晶體基板的第二側(cè)傳輸。數(shù)字信號(hào)是被模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的信號(hào)，其被傳遞到可以存儲(chǔ)、顯示和/或否則處理該信號(hào)的分析單元。通過比較，針對(duì)數(shù)字信號(hào)的過孔觸點(diǎn)的設(shè)計(jì)并不像針對(duì)模擬信號(hào)的那樣嚴(yán)格。其理由在于數(shù)字信號(hào)利用檢測(cè)值O與I的閾值而操作，而利用模擬信號(hào)的電壓或電流中的任何變化直接影響信號(hào)的信息內(nèi)容。出于該理由，在數(shù)字信號(hào)的情況下，具有過孔觸點(diǎn)則更少注意力需要放在泄漏電流或者不想要的電容。
[0019]過孔觸點(diǎn)至少部分地由在晶體基板中的凹部形成，該凹部特別是蝕刻凹部。然而，該過孔觸點(diǎn)可具有進(jìn)一步特征。例如，凹部可以再次填充有介電，或者可替代的或附加的機(jī)械方法可以被用來產(chǎn)生諸如孔之類的凹部。
[0020]電氣連接元件可以被施加在探測(cè)器側(cè)上以及晶體基板的與探測(cè)器側(cè)相反的側(cè)上。其用作產(chǎn)生盡可能安全和簡(jiǎn)單的與諸如計(jì)算機(jī)之類的分析單元的觸點(diǎn)。連接元件可以是焊球、印刷電路板觸點(diǎn)、插座或插頭，其被相應(yīng)地集成到基板中或者可以導(dǎo)電地連接到基板。
[0021]在有利的實(shí)施例中，晶體基板對(duì)于能夠由輻射檢測(cè)元件檢測(cè)到的輻射是可透過的，并且電氣連接元件被施加在晶體基板的探測(cè)器側(cè)。為了進(jìn)一步最小化基板中的輻射損失，這些可以被變薄以便于減小基板的厚度。對(duì)于該實(shí)施例而言過孔觸點(diǎn)不是必要的，特別是當(dāng)所有的部件(模數(shù)轉(zhuǎn)換器、輻射檢測(cè)元件、連接元件)被布置在基板的探測(cè)器側(cè)上并且僅有要被檢測(cè)到的輻射被透射穿過基板時(shí)。因此，這是特別具有成本效益的實(shí)施例。
[0022]探測(cè)器側(cè)通常被理解為輻射檢測(cè)元件被體現(xiàn)的一側(cè)。探測(cè)器側(cè)可以既是面向要被記錄的輻射的探測(cè)器的前面也是避免要被記錄的輻射的探測(cè)器的反面。
[0023]輻射檢測(cè)元件的部件、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的部件以及連接元件的部件是電氣或電子部件，特別是導(dǎo)電的導(dǎo)體路徑、未摻雜和/或摻雜的半導(dǎo)體層。處于該目的，從半導(dǎo)體技術(shù)已知的任何元件可以被采用，只要它們可以用于上述部件或附加的部件。
[0024]如果傳感器芯片針對(duì)平坦布置設(shè)置有橫向相鄰的、特別是結(jié)構(gòu)上相同的傳感器芯片，CT探測(cè)器的構(gòu)建是有利的。如果傳感器芯片可以布置為使得附加的傳感器芯片最佳地利用在四個(gè)側(cè)上的空間，并且這些傳感器芯片可以被布置在平坦平面上或者圓柱表面上(如CT探測(cè)器中通常習(xí)慣的)，則優(yōu)點(diǎn)特別大。對(duì)于傳感器芯片至關(guān)重要的是輻射檢測(cè)元件應(yīng)當(dāng)與相鄰的傳感器芯片的每個(gè)輻射檢測(cè)元件相距定義的距離，理想的是盡可能短。為了該目的，傳感器芯片的尺寸和橫向條件可以在四個(gè)方向上相應(yīng)地調(diào)節(jié)。理想的形狀因此顯現(xiàn)為諸如長(zhǎng)方體形之類的具有方形基底的棱。
[0025]具有多個(gè)傳感器芯片的計(jì)算機(jī)斷層探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了高分辨率，即使每個(gè)傳感器芯片僅向醫(yī)學(xué)圖像貢獻(xiàn)一個(gè)像素。
[0026]—種傳感器芯片的制造方法是有利的，其中
[0027]在第一步驟，將輻射檢測(cè)元件的部件和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的部件光刻地集成在晶體基板的探測(cè)器側(cè)，
[0028]-在第二步驟，使得探測(cè)器側(cè)與輻射檢測(cè)元件的部件以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的部件絕緣，
[0029]-在第三步驟，體現(xiàn)用于探測(cè)器側(cè)的導(dǎo)體路徑與晶體基板的第二側(cè)的導(dǎo)體路徑的導(dǎo)電連接的過孔觸點(diǎn)，以及
[0030]-在第四步驟，使晶體基板的第二側(cè)絕緣。
[0031]最終，連接元件仍必須被施加在第二側(cè)上，否則到分析范元或計(jì)算機(jī)的連接將不可能。
[0032]在制造中，重要的是探測(cè)器側(cè)的絕緣以定義的方式通過過孔觸點(diǎn)從基板移除，以便于能夠使得過孔觸點(diǎn)導(dǎo)電。在探測(cè)器側(cè)上的部件與第二側(cè)上的部件之間的導(dǎo)電接觸已經(jīng)通過基板實(shí)現(xiàn)之后，第二側(cè)的最終絕緣可以發(fā)生。
[0033]相