CN110376632A - X射线感测装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本揭露提供一种X射线感测装置及其制造方法。X射线感测装置包括：基板；第一材料层，设置于基板上；电路元件，设置于第一材料层的底部；光电感测元件，设置于电路元件上；柱状结构，对应设置于光电感测元件上，且与光电感测元件接触，其中柱状结构包括闪烁材料；以及接垫，设置于第一材料层的顶表面或底表面上，并与电路元件耦接。

Description

X射线感测装置及其制造方法
技术领域
本发明是关于一种X射线感测装置及其制造方法，且特别是关于具有柱状闪烁体的X射线感测装置。
背景技术
X射线(X-ray)广泛地应用于数字化时代，从工业上的非破坏性检测至医学上的非侵入式影像侦测，频繁地被使用于生物医学研究、疾病诊断、行李货物的安全检查及鉴识科学等领域。X射线的应用与日常生活及科技应用密切相关，已成为现代科技不可或缺的工具。
X射线感测装置可侦测X光并将其转换为电子信号以形成数字影像。一般而言，X射线感测装置可分为间接转换式或直接转换式。间接转换式X射线感测装置会利用由X射线转换材料所形成的闪烁体(scintillator)，将X射线光子转换为可见光光子，并通过光电耦合元件将可见光光子转换为电子，以及通过薄膜晶体管(thin-film transistor，TFT)或互补式金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)及相关电子元件将电子信号转换成数字影像。直接转换式X射线感测装置则是利用闪烁体直接将X射线光子转换成电子-空穴对，接着通过TFT或CMOS及相关电子元件将电子信号转换成数字影像。
现有的X射线感测装置的结构中，大多采用大块状(bulk)或板状的闪烁体，但大面积的闪烁体制作成本高、长晶制程也较为费时。另一方面，在部分X射线感测装置中，闪烁体与像素阵列基板(例如，包含光电耦合元件、TFT或CMOS)之间须利用粘着层进行固定，然而，粘着层可能会导致成像解析度降低或产生信号的串音(crosstalk)干扰。
此外，X射线转换材料是否可实行于大面积制程，以及于大面积制程中是否能提供足够的转换效率以降低X射线照射的剂量，亦为传统制程实行中须考量的问题。
因此，进一步简化X射线感测装置的制程及改善其使用效能，仍为目前业界致力研究的课题之一。
发明内容
在一实施例中，本揭露提供一种X射线感测装置，包含一基板；一第一材料层，设置于该基板上；一电路元件，设置于该第一材料层的底部；一光电感测元件，设置于该电路元件上；一柱状结构，对应设置于该光电感测元件上，且与该光电感测元件接触，其中该柱状结构包括一闪烁材料；以及一接垫，设置于该第一材料层的顶表面或底表面上，并与该电路元件耦接。
在另一实施例中，本揭露提供一种X射线感测装置，包括：一基板；一第一材料层，设置于该基板上；一电路元件，设置于该第一材料层的底部；一柱状结构，设置于该电路元件上，且与该电路元件接触，其中该柱状结构包括一闪烁材料；以及一接垫，设置于该第一材料层的顶表面或底表面上，并与该电路元件耦接。
在又一实施例中，本揭露提供一种X射线感测装置的制造方法，包括：提供一承载基板；形成一第一材料层于该基板上，其中一电路元件设置于该第一材料层的底部，且一光电感测元件，设置于该电路元件上；图案化该第一材料层，以形成暴露出该光电感测元件的部分表面的一开口；以及填充一闪烁材料于该开口中，以形成一柱状结构，其中该柱状结构与该光电感测元件接触。
为让本揭露的特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
图1A～图1D显示根据本揭露一些实施例中，X射线感测装置在制程中不同阶段的剖面示意图；
图2显示根据本揭露一些实施例中，X射线感测装置的剖面示意图；
图3A及图3B显示根据本揭露一些实施例中，X射线感测装置在制程中不同阶段的剖面示意图；
图4显示根据本揭露一些实施例中，X射线感测装置与外部电路的电性连接的示意图；
图5显示根据本揭露一些实施例中，X射线感测装置与外部电路的电性连接的示意图。
【符号说明】
10、20、30、40 X射线感测装置；
10’ 感测单元；
102 第一材料层；
102a 顶表面；
102b 底表面；
104 光电感测元件；
104a 部分表面；
106 电路元件；
108 承载基板；
108’ 基板；
110 开口；
112 闪烁材料；
114 柱状结构；
116 介电层；
118 导电层；
120 接垫；
122 焊球；
124 接合元件；
H1 第一高度；
H2 第二高度；
W1 第一宽度；
W2 第二宽度；
W3 第三宽度；
W4 第四宽度。
具体实施方式
以下针对本揭露的X射线感测装置及其制造方法作详细说明。应了解的是，以下的叙述提供许多不同的实施例或例子，用以实施本揭露的不同样态。以下所述特定的元件及排列方式仅为简单清楚描述本揭露。当然，这些仅用以举例而非本揭露的限定。此外，在不同实施例中可能使用重复的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本揭露，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关联性。再者，当述及一第一元件位于一第二元件上或之上时，包括第一元件与第二元件直接接触的情形。或者，亦可能间隔有一或更多其它元件的情形，在此情形中，第一元件与第二元件之间可能并未直接接触。
应理解的是，附图的元件或装置可以所属技术领域具有通常知识者所熟知的各种形式存在。此外，实施例中可能使用相对性的用语，例如“较低”或“底部”及“较高”或“顶部”，以描述附图的一个元件对于另一元件的相对关系。可理解的是，如果将附图的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“较低”侧的元件将会成为在“较高”侧的元件。
可理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种元件或部分，这些元件、组成或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的元件、组成或部分。因此，以下讨论的一第一元件、组成或部分可在不偏离本揭露的教示的情况下被称为一第二元件、组成或部分。
除非另外定义，在此使用的全部用语(包含技术及科学用语)具有与本揭露所属技术领域的技术人员通常理解的相同涵义。能理解的是，这些用语，例如在通常使用的字典中定义的用语，应被解读成具有与相关技术及本揭露的背景或上下文一致的意思，而不应以一理想化或过度正式的方式解读，除非在本揭露实施例有特别定义。
本揭露实施例可配合附图一并理解，本揭露的附图亦被视为揭露说明的一部分。应理解的是，本揭露的附图并未按照比例绘制，事实上，可能任意的放大或缩小元件的尺寸以便清楚表现出本发明的特征，而在说明书及附图中，同样或类似的元件将以类似的符号表示。
本揭露实施例提供的X射线感测装置具有包含闪烁材料的柱状结构，其对应设置于光电感测元件上且与光电感测元件或电路元件直接接触，可节省闪烁材料的用量，并提升X射线感测装置的侦测量子效率(detective quantum efficiency)及成像的解析度。再者，本揭露实施例提供的X射线感测装置利用简易的半导体制程进行制造，形成的柱状结构可与光电感测元件或电路元件精确对位，因此可改善制程效率及产品的良率。
图1A～图1D显示根据本揭露一些实施例中，X射线感测装置10在制程中不同阶段的剖面示意图。应理解的是，在一些实施例中，可于X射线感测装置的制造方法进行前、进行中及/或进行后提供额外的操作。在不同的实施例中，所述的一些阶段可以被取代或删除。可添加额外特征于X射线感测装置10，在不同的实施例中，以下所述的一些特征可以被取代或删除。
首先，请参照图1A，提供第一材料层102。可预先设置光电感测元件104及电路元件106于第一材料层102中。在一些实施例中，第一材料层102可包含硅或玻璃。在一些实施例中，第一材料层102可为由半导体材料所形成的晶圆，例如包含多晶硅、结晶硅、硅化锗(SiGe)、碳化硅(SiC)或前述的组合。光电感测元件104可将可见光光子转换为电子。光电感测元件104可为任意的光电耦合元件。在一些实施例中，光电感测元件104可包含光电二极管(photodiode)。再者，电路元件106可用以提供电性连接、接收电子、储存电子或处理电子信号等。例如，电路元件106可用以接收或储存来自光电感测元件104的电子，或处理及读取其所产生的电子信号以产生数字影像。在一些实施例中，电路元件106可具有薄膜晶体管(TFT)结构或互补式金属氧化物半导体(CMOS)结构。在一些实施例中，电路元件106可包含多层金属层，作为X射线感测装置10的内连线结构。在一些实施例中，电路元件106可包含数字模拟转换器、影像信号处理器或前述的组合。
接着，请参照图1B，将图1A所示的结构倒装并设置于承载基板108上。如图1B所示，第一材料层102设置于承载基板108上，电路元件106设置于第一材料层102的底部，而光电感测元件104设置于电路元件106上。承载基板108可暂时地作为支撑结构，并于后续制程中移除。在一些实施例中，承载基板108可为硅基板、玻璃基板、高分子基板、高分子基复合基板或前述的组合，但不限于此。
此外，在一些实施例中，可进一步对形成于承载基板108上的第一材料层102实行一薄化制程，薄化第一材料层102至一适当的厚度，以利于后续制程(例如，图案化制程)的实行。在一些实施例中，经薄化的第一材料层102具有第一高度H1，第一高度H1的范围为约50μm至约700μm。
接着，请参照图1C，实行一图案化制程，移除部分的第一材料层102，以形成暴露出光电感测元件104的部分表面104a的开口110。开口110由第一材料层102的顶表面102a延伸至光电感测元件104的部分表面104a。可利用一或多个微影及蚀刻制程移除部分的第一材料层102。在一些实施例中，上述微影制程可包含光阻涂布(例如，旋转涂布)、软烘烤、硬烘烤、遮罩对齐、曝光、曝光后烘烤、光阻显影、清洗及干燥等。在一些实施例中，上述蚀刻制程包含干蚀刻制程、湿蚀刻制程或前述的组合。例如，干蚀刻制程可为反应离子蚀刻(reactive ion etch，RIE)或等离子蚀刻(plasma etch)等。特别地，暴露出光电感测元件104的部分表面104a的开口110的形成，将使得后续填充于开口110中的柱状结构114自行对准(self-align)光电感测元件104。
接着，请参照图1D，填充闪烁材料112于开口110中，以形成柱状结构114。柱状结构114对应设置于光电感测元件104上，且与光电感测元件104接触。详细而言，柱状结构114与光电感测元件104直接接触。在一些实施例中，闪烁材料112与光电感测元件114接触。闪烁材料112由X射线转换材料所形成，可将X射线转换为可见光或形成电子-空穴对。在此实施例中，闪烁材料112可将接受的X射线光子转换为可见光光子，而产生的可见光光子传送至光电感测元件104，光电感测元件104再将接受的可见光光子转换成电子信号，例如，电流信号或电压信号。再者，光电感测元件104可与电路元件106耦接，光电感测元件104产生的电子信号可传送至电路元件106进行处理，将电子信号转换成数字影像。此外，与光电感测元件104自动对准的闪烁材料112亦可确保光子及电子的有效传递。
再者，上述柱状结构114具有第二高度H2。在一些实施例中，柱状结构114的第二高度H2的范围为约50μm至约700μm，此外，柱状结构114的顶部具有第一宽度W1，柱状结构114的底部具有第二宽度W2。在一些实施例中，柱状结构114的第一宽度W1与柱状结构114的第二宽度W2不同。在一些实施例中，第一宽度W1大于第二宽度W2。此外，柱状结构114的长宽比的范围为约1:1至约2:1。
在一些实施例中，柱状结构114的长宽比可定义为柱状结构114的第二高度H2与柱状结构114顶部的第一宽度W1的比，即H2/W1。在另一些实施例中，柱状结构114的长宽比可定义为柱状结构114的第二高度H2与柱状结构114底部的第二宽度W2的比，即H2/W2。在另一些实施例中，柱状结构114的长宽比可定义为柱状结构114的第二高度H2与柱状结构114的任一宽度W3的比，即H2/W3。应注意的是，适当范围的长宽比使得柱状结构114可有效地传递可见光光子或电子。
另一方面，光电感测元件104可具有第四宽度W4。光电感测元件104的第四宽度W4大于柱状结构114的第二宽度W2。在一些实施例中，光电感测元件104的第四宽度W4的范围为约1μm至约200μm。
承前述，如图1D所示的X射线感测装置10可视为间接转换式X射线感测装置。在此实施例中，闪烁材料112的材料可包含CsI:Tl、CsI:Na、CsI、BGO(B4G3O12)、LYSO、YSO、Cd2O2S:Tb或前述的组合。在一些实施例中，可利用物理气相沉积制程(physical vapordeposition，PVD)、化学气相沉积制程(chemical vapor deposition，CVD)、其它任何适合的方法或前述的组合形成闪烁材料112。物理气相沉积制程例如可为溅镀制程、蒸镀制程或脉冲雷射沉积等。化学气相沉积制程例如可为低压化学气相沉积制程(LPCVD)、低温化学气相沉积制程(LTCVD)、快速升温化学气相沉积制程(RTCVD)、等离子辅助化学气相沉积制程(PECVD)或原子层沉积制程(ALD)等。
此外，在一些实施例中，可于第一材料层102的顶表面102a上形成第二材料层(未绘示)，第二材料层可覆盖于第一材料层102之上，并与第一材料层102及闪烁材料112接触。第二材料层可用以进一步减少相邻的感测元件或像素的串音干扰。在一些实施例中，第二材料层的材料可包含二氧化钽(TaO2)、铜(Cu)、铝(Al)或前述的组合。
请参照图2，图2显示根据本揭露另一些实施例中，X射线感测装置20的剖面示意图。图2所示的实施例与前述第1图所示的实施例的差别在于，X射线感测装置20并未具有光电感测元件104。应理解的是，后文中与前文相同或相似的组件或元件将以相同或相似的标号表示，其材料、制造方法与功能皆与前文所述相同或相似，故此部分在后文中将不再赘述。
如图2所示，X射线感测装置20中的柱状结构114设置于电路元件106上，且柱状结构114与电路元件106接触。详细而言，柱状结构114与电路元件106直接接触。在一些实施例中，柱状结构114中的闪烁材料112与电路元件106接触。如同前述，闪烁材料112由X射线转换材料所形成，可将X射线转换为可见光或形成电子-空穴对。在此实施例中，闪烁材料112可将接受的X射线光子直接转换为电子-空穴对，接着再通过与柱状结构114耦接的电路元件106转换成电子信号。详细而言，电子-空穴对会分别经由柱状结构114的上下两侧经施加偏压的电极(未绘示)进行收集，再转换成电子信号，例如，电流信号或电压信号。上述电极亦可视为电路元件106的一部分。产生的电子信号经由电路元件106进行处理，将电子信号转换成数字影像。
承前述，如图2所示的X射线感测装置20可视为直接转换式X射线感测装置，其不具有光电感测元件104，而是直接以电路元件106接收电子、处理及读取其所产生的电子信号以产生数字影像。在此实施例中，闪烁材料112的材料可包含钙钛矿(perovskite)、PbI3、PbI2、MgI3、HgI2、非晶硒(Se)、CdTe、SiO2或前述的组合。
接着，请参照图3A及图3B，图3A及图3B显示根据本揭露另一些实施例中，X射线感测装置30在制程中不同阶段的剖面示意图。图3A及图3B所示的制程阶段可接续前述图1C所示的步骤。如图3A所示，在实行图案化制程以形成开口110之后，形成介电层116于开口110中。介电层116由介电材料所形成。在一些实施例中，上述介电材料包含氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化铝、其它适用的低介电常数材料或前述的组合。在一些实施例中，可通过化学气相沉积制程(CVD)、物理气相沉积制程(PVD)、原子层沉积制程(ALD)、旋转涂布制程、其它合适的制程或前述的组合形成介电层116。
接着，形成导电层118于介电层116之上。导电层118由导电材料所形成。在一些实施例中，上述导电材料可包含铜(Cu)、铝(Al)、钼(Mo)、钨(W)、金(Au)、铬(Cr)、镍(Ni)、铂(Pt)、钛(Ti)、铱(Ir)、铑(Rh)、铜合金、铝合金、钼合金、钨合金、金合金、铬合金、镍合金、铂合金、钛合金、铱合金、铑合金、前述的合金、其它合适的导电材料或前述的组合。在一些实施例中，可通过化学气相沉积制程、物理气相沉积制程、电镀制程、无电电镀制程、其它合适的制程或前述的组合形成导电层118。前述物理气相沉积制程可包含溅镀制程、蒸镀制程、脉冲雷射沉积等。
接着，请参照图3B，填充闪烁材料112于开口110中的导电层118上，以形成柱状结构114。柱状结构114对应设置于光电感测元件104上，且与光电感测元件104接触。相较于前述图1D所示的实施例，X射线感测装置30的柱状结构114进一步包含介电层116及导电层118。介电层116设置于导电层118及第一材料层102之间，导电层118设置于闪烁材料112及介电层116之间。在一些实施例中，介电层116与光电感测元件114接触。
在此实施例中，由于柱状结构114具有导电层118，因此柱状结构114亦可视为导孔(via)，可提供柱状结构额外的电性连接。此外，导电层118亦对准光电感测元件104设置，具有抗散射作用，可防止散射的X射线进入X射线感测装置，进一步改善产生的影像品质。
接着，请参照图4，图4显示根据本揭露一些实施例中，X射线感测装置30与外部电路的电性连接的示意图。如图4所示，X射线感测装置30可进一步包含接垫120，接垫120设置于第一材料层102的底表面102b上，且接垫120与电路元件106耦接。接垫120可由导电材料所形成。在一些实施例中，上述导电材料可包含铜(Cu)、铝(Al)、钼(Mo)、钨(W)、金(Au)、铬(Cr)、镍(Ni)、铂(Pt)、钛(Ti)、铱(Ir)、铑(Rh)、铜合金、铝合金、钼合金、钨合金、金合金、铬合金、镍合金、铂合金、钛合金、铱合金、铑合金、前述的合金、其它合适的导电材料或前述的组合。
再者，接垫120可通过焊球(solder ball)122，进一步与外部电路(未绘示)耦接，使X射线感测装置30与外部电路产生电性连接。焊球122可由任意合适的材料形成。在一些实施例中，焊球122可包含锡(Sn)、银(Ag)、铜(Cu)、其它合适的材料或前述的组合。
此外，在一些实施例中，焊球122可设置于基板108’上，以进行X射线感测装置30的后续封装制程。在一些实施例中，基板108’可为硅基板、玻璃基板、高分子基板、高分子基复合基板或前述的组合，但不限于此。在一些实施例中，基板108’的材料可包含玻璃、石英、蓝宝石(sapphire)、聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、聚酰亚胺(polyimide，PI)、聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)、其它适合材料或前述的组合。
接着，请参照图5，图5显示根据本揭露另一些实施例中，X射线感测装置40与外部电路的电性连接的示意图。如图5所示，接垫120可设置于第一材料层102的顶表面102a上，接垫120可透过导电层118与电路元件106耦接。此外，接垫120可通过打线接合的方式，进一步与外部电路(未绘示)耦接，使X射线感测装置40与外部电路产生电性连接。在一些实施例中，接垫120可通过接合元件124与外部电路(未绘示)耦接，使X射线感测装置40与外部电路产生电性连接。在一些实施例中，接垫120可透过接合元件124与基板108’上的外部元件电性连接，并于基板108’上进行后续封装制程。接合元件124可包含接合球及接合线。在一些实施例中，接合元件124的材料可包含金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)、其它合适的材料或前述的组合。
此外，应理解的是，虽然第4及5图所示的实施例中的X射线感测装置于第一材料层102中具有多个重复单元(例如，多个光电感测元件104、电路元件106、柱状结构112等)，且多个重复单元一起封装于基板108’上，但在另一些实施例中，X射线感测装置亦可以单一感测单元10’(如图1D所示)的形式进行后续封装。详细而言，在一些实施例中，可在图1D所示的阶段之后，将承载基板108移除，并对第一材料层102实行切割制程，以形成多个感测单元10’(晶粒)，并进行封装。
综上所述，本揭露实施例提供的X射线感测装置具有包含闪烁材料的柱状结构，可节省闪烁材料的用量，并提升X射线感测装置的侦测量子效率及成像的解析度。再者，本揭露实施例提供的X射线感测装置利用简易的半导体制程进行制造，形成的柱状结构可与光电感测元件或电路元件精确对位，因此可改善制程效率及产品的效能。此外，根据本揭露的一些实施例，X射线感测装置不须以粘着层进行元件固定(例如，不须以粘着层固定光电感测元件及电路元件、或不须以粘着层固定光电感测元件及柱状结构等)，因此可降低信号的串音(crosstalk)干扰的产生。
虽然本揭露的实施例及其优点已揭露如上，但应该了解的是，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本揭露的精神和范围内，当可作更动、替代与润饰。此外，本揭露的保护范围并未局限于说明书内所述特定实施例中的制程、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，任何所属技术领域中具有通常知识者可从本揭露揭示内容中理解现行或未来所发展出的制程、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，只要可以在此处所述实施例中实施大抵相同功能或获得大抵相同结果皆可根据本揭露使用。因此，本揭露的保护范围包括上述制程、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤。另外，每一权利要求构成个别的实施例，且本揭露的保护范围也包括各个权利要求及实施例的组合。

Claims (13)

1.一种X射线感测装置，其特征在于，包括：
一基板；
一第一材料层，设置于该基板上；
一电路元件，设置于该第一材料层的底部；
一光电感测元件，设置于该电路元件上；
一柱状结构，对应设置于该光电感测元件上，且与该光电感测元件接触，其中该柱状结构包括一闪烁材料；以及
一接垫，设置于该第一材料层的顶表面或底表面上，并与该电路元件耦接。
2.根据权利要求1所述的X射线感测装置，其特征在于，该闪烁材料与该光电感测元件接触。
3.根据权利要求1所述的X射线感测装置，其特征在于，该柱状结构还包括一介电层及一导电层，其中该介电层设置于该导电层及该第一材料层之间，该导电层设置于该闪烁材料及该介电层之间。
4.根据权利要求1所述的X射线感测装置，其特征在于，该闪烁材料包括CsI:Tl、CsI:Na、CsI、BGO(B4G3O12)、LYSO、YSO、Cd2O2S:Tb或前述的组合。
5.根据权利要求1所述的X射线感测装置，其特征在于，该柱状结构的长宽比的范围为1:1至2:1。
6.根据权利要求1所述的X射线感测装置，其特征在于，该电路元件包括数字模拟转换器、影像信号处理器或前述的组合。
7.根据权利要求1所述的X射线感测装置，其特征在于，还包括一第二材料层，设置于该第一材料层上，且该第二材料层包括二氧化钽(TaO2)、铜(Cu)、铝(Al)或前述的组合。
8.一种X射线感测装置，其特征在于，包括：
一基板；
一第一材料层，设置于该基板上；
一电路元件，设置于该第一材料层的底部；
一柱状结构，设置于该电路元件上，且与该电路元件接触，其中该柱状结构包括一闪烁材料；以及
一接垫，设置于该第一材料层的顶表面或底表面上，并与该电路元件耦接。
9.根据权利要求8所述的X射线感测装置，其特征在于，该闪烁材料包括钙钛矿(perovskite)、PbI3、PbI2、MgI3、HgI2、非晶硒(Se)、CdTe、SiO2或前述的组合。
10.根据权利要求8所述的X射线感测装置，其特征在于，该第一材料层包括硅或玻璃。
11.根据权利要求8所述的X射线感测装置，其特征在于，该柱状结构为一导孔。
12.一种X射线感测装置的制造方法，其特征在于，包括：
提供一承载基板；
形成一第一材料层于该基板上，其中一电路元件设置于该第一材料层的底部，且一光电感测元件，设置于该电路元件上；
图案化该第一材料层，以形成暴露出该光电感测元件的部分表面的一开口；以及
填充一闪烁材料于该开口中，以形成一柱状结构，其中该柱状结构与该光电感测元件接触。
13.根据权利要求12所述的X射线感测装置的制造方法，其特征在于，于填充该闪烁材料于该开口中的步骤前，还包括：
形成一介电层于该开口中；以及
形成一导电层于该介电层上。
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