-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung bezieht sich auf einen Bildsensor zur Erfassung von Strahlen und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
-
Hintergrund der Technik
-
Bildsensoren zum Erfassen von Strahlen, wie beispielsweise harten Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen, und zum Erzeugen von Bilddaten werden auf verschiedenen Gebieten der Technologie verwendet. Der Bildsensor kann ein von einem Himmelskörper ausstrahlendes Strahlungsfeld erfassen, das analysiert werden kann, um die physikalischen Bedingungen bzw. Zustände und die räumliche Struktur des Himmelskörpers zu bestimmen. Der Bildsensor kann Röntgenstrahlen auf ein menschliches Objekt oder dergleichen anwenden und die durch dieses passierende Wellen erfassen, aus denen ein Tomogramm des menschlichen Objekts oder dergleichen erhalten werden kann. Der Bildsensor wird auf anderen Gebieten verwendet. Beispielsweise wird er in der Kerntechnik (z. B. Prüfen von in Glas eingeschlossenem radioaktiven Abfall und Strahlungsüberwachung), bei zerstörungsfreier Prüfung (z. B. Prüfung von Halbleitervorrichtungen) und bei der Ressourcen-Erhebung (z. B. Erhebung von Ressourcen im Boden) verwendet.
-
Der bis jetzt auf diesen Gebieten der Technik verwendete Bildsensor weist beispielsweise die nachstehend beschriebene Struktur auf.
-
1A zeigt einen herkömmlichen Bildsensor 80 eines repräsentativen Typs. Wie in 1A gezeigt ist, weist der Bildsensor 80 ein Erfassungselement (Si-Element oder Ge-Element) 81 und einen Verstärker-IC 84 auf. Das Erfassungselement 81 erfasst die einfallenden Strahlen und erzeugt elektrische Signale aus den Strahlen. Das Verstärker-IC 84 liegt in der gleichen Ebene wie das Erfassungselement 81. Es verstärkt das von dem Element 81 erzeugte elektrische Signal. Verbindungsdrähte 83 verbinden die Ausgangsdrähte des Erfassungselements 81 mit dem Verstärker-IC 84 durch Verbindungsdrähte 83.
-
1B ist eine Querschnittansicht entlang der in 1A gezeigten Linie 1B-1B. Wie es 1B zeigt, umfasst das Erfassungselement 81 eine Halbleiter(Si, Ge, CdTe, CdZnTe oder dergleichen)-Schicht 87 und Elektroden 85 und 86. Die Elektroden 85 und 86 halten die Schicht 87 zwischen sich. Eine Spannung wird zwischen den Elektroden 85 und 86 angelegt, wodurch Strahlen verschiedener Energiebänder erfasst werden, wenn die als Strahlen erzeugten Elektronen und Protonen an den Bildsensor 80 angelegt werden.
-
Ein Bildsensor, der ein Si-Element oder ein Ge-Element benutzt, kann nur Röntgenstrahlen niedriger Energie einiger keV bis mehreren 10 keV umfassen. Seine Empfindlichkeit ist weit von dem Wert entfernt, der in der Praxis verlangt wird.
-
Sogar ein Hochempfindlichkeits-Bildsensor, der CdTe oder CdZnTe verwendet, kann elektrische Ladungen aus dem folgenden Grund nicht wirksam sammeln, solange seine Struktur eine herkömmliche bleibt. Die Halbleiterschicht kann dick ausgeführt werden, um das Streuen von Hochenergiepartikeln in dem Material zu fördern. Wenn die Schicht derart dick ist, wird der Abstand zwischen den Elektroden ansteigen. Dies senkt den Wirkungsgrad des Sammelns von elektrischen Ladungen. Folglich wird die Empfindlichkeit abnehmen. Um den Wirkungsgrad des Sammelns von elektrischen Ladungen zu verbessern, kann die Halbleiterschicht dünn ausgeführt werden. In diesem Fall wird die Streuung von Hochenergiepartikeln in dem Material unterdrückt. Die Empfindlichkeit des Bildsensors wird unvermeidlich abnehmen, obwohl der Ladungssammlungswirkungsgrad ansteigt.
-
Aus der
JP2001-291853A ist ein Bildsensor bekannt, bei dem Kathoden und Anoden auf einer Oberfläche einer Halbleiterplatte ausgebildet sind, die einer Oberfläche, auf welcher ein zu erfassender Energiestrahl auftrifft, gegenüberliegt. Die Kathoden und Anoden in diesem Bildsensor sind als flache Schichten ausgebildet.
-
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Bildsensor in Vorschlag zu bringen, der Strahlen, sogar diejenigen des harten Röntgenstrahlenenergiebandes, mit hoher Empfindlichkeit erfassen kann. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bildsensors bereitzustellen.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Lochherstellungstechnik beim Handhaben von schädlichen Substanzen, wie beispielsweise CdTe bereitzustellen, die für einen Menschen keinen nachteiligen Einfluss darstellt.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe bringt die Erfindung einen Bildsensor gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors gemäß Anspruch 13 in Vorschlag. Bevorzugte Ausführungsformen des Bildsensors und des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Bildsensor bereitgestellt, der umfasst: eine Platte, die aus einem Halbleiter hergestellt ist; eine Mehrzahl von ersten Elektroden vom Lochtyp, die auf der Platte vorgesehen und in vorbestimmten Intervallen in einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung angeordnet sind; eine Mehrzahl von zweiten Elektroden vom Lochtyp, die auf der Platte vorgesehen, die in vorbestimmten Intervallen in der ersten Richtung und der zweiten Richtung angeordnet und die benachbart zu den ersten Elektroden positioniert sind; eine Spannungsanlegungseinheit, die eine erste Spannung an die Mehrzahl von ersten Elektroden vom Lochtyp und eine zweite Spannung an die Mehrzahl von zweiten Elektroden vom Lochtyp anlegt; und eine Leseeinheit zum Lesen von elektrischen Signalen von einer Mehrzahl von Sensorelementen, die jeweils eine erste Elektrode vom Lochtyp, eine Mehrzahl von zweiten Elektroden vom Lochtyp, die benachbart der ersten Elektrode vom Lochtyp positioniert sind, und den zwischen der ersten Elektrode vom Lochtyp und den zweiten Elektroden vom Lochtyp vorgesehenen Halbleiter umfassen.
-
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Bildsensor gemäß dem ersten Aspekt bereitgestellt, bei dem die ersten und zweiten Elektroden vom Lochtyp in einer Richtung der Dicke der Platte vorgesehen sind.
-
Gemäß dem dritten Aspekt dieser Erfindung wird ein Bildsensor gemäß dem ersten Aspekt bereitgestellt, bei dem jedes Sensorelement eine erste Elektrode vom Lochtyp und eine Mehrzahl von zweiten Elektroden vom Lochtyp umfasst, die äquidistant beabstandet und äquidistant von der ersten Elektrode vom Lochtyp angeordnet sind.
-
Gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Bildsensor gemäß dem dritten Aspekt bereitgestellt, bei dem jedes Sensorelement vier zweite Elektroden vom Lochtyp aufweist.
-
Gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung wird ein Bildsensor gemäß dem dritten Aspekt bereitgestellt, bei dem jedes Sensorelement sechs zweite Elektroden vom Lochtyp aufweist.
-
Gemäß dem sechsten Aspekt dieser Erfindung wird ein Bildsensor gemäß dem dritten Aspekt bereitgestellt, bei dem jedes Sensorelement acht zweite Elektroden vom Lochtyp aufweist.
-
Gemäß dem siebenten Aspekt der Erfindung wird ein Bildsensor gemäß dem ersten Aspekt bereitgestellt. Bei diesem Bildsensor umfasst die Leseeinheit ein die Platte tragendes IC-Substrat und eine Mehrzahl von ICs zum Verstärken von elektrischen Signalen, die aus den an irgendeines der mehreren Sensorelemente angelegten Strahlen erzeugt werden. Der Bildsensor umfasst ferner eine Verbindungsschicht, die zwischen der Platte und dem IC-Substrat vorgesehen ist und die die ersten Elektroden vom Lochtyp oder die zweiten Elektroden vom Lochtyp jedes Sensorelements mit den Elektroden eines ICs verbindet.
-
Gemäß dem achtem Aspekt der Erfindung wird ein Bildsensor gemäß dem siebenten Aspekt bereitgestellt, bei dem die Verbindungsschicht eine Mehrzahl von Stifthöckern, die an den Elektroden jedes ICs vorgesehen sind, und eine Mehrzahl von dünnen Schichten, die an Spitzen jedes der Stifthöcker vorgesehen sind und mit den ersten Elektroden oder den zweiten Elektroden jedes Sensorelement verbunden sind, aufweist.
-
Gemäß dem neunten Aspekt dieser Erfindung wird ein Bildsensor gemäß dem achten Aspekt bereitgestellt, bei dem die Verbindungsschicht eine Isolierschicht aufweist, die jeden der Stifthöcker und jede der dünnen Schichten einbettet.
-
Gemäß dem zehnten Aspekt dieser Erfindung wird ein Bildsensor gemäß dem achten Aspekt bereitgestellt, bei dem jeder der Stifthöcker aus Gold und jede der dünnen Schichten aus Indium hergestellt ist.
-
Gemäß dem elften Aspekt der Erfindung wird ein Bildsensor gemäß dem siebenten Aspekt bereitgestellt, bei dem die Verbindungsschicht eine Mehrzahl von multigestapelten Stifthöckern aufweist, die an den Elektroden jedes der ICs vorgesehen sind, wobei jeder multigestapelte Stifthöcker mindestens zwei Stifthöcker, die aufeinander gelegen sind, und eine Mehrzahl von dünnen Schichten, die an Spitzen jedes der Stifthöcker vorgesehen und mit den ersten Elektroden oder den zweiten Elektroden jedes der Sensorelemente verbunden sind, aufweist.
-
Gemäß dem zwölften Aspekt dieser Erfindung wird ein Bildsensor gemäß dem elften Aspekt bereitgestellt, bei dem die Verbindungsschicht eine Isolierschicht aufweist, die jeden der Stifthöcker und jede der dünnen Schichten einbettet.
-
Gemäß dem dreizehnten Aspekt der Erfindung wird ein Bildsensor gemäß dem elften Aspekt bereitgestellt, bei dem jeder der Stifthöcker aus Gold und jede der dünnen Schichten aus Indium hergestellt ist.
-
Gemäß dem vierzehnten Aspekt der Erfindung wird ein Bildsensor gemäß dem ersten Aspekt bereitgestellt, bei dem der Halbleiter ein aus CdTe, CdZnTe und anderen zusammengesetzten Halbleitern ausgewählter zusammengesetzter Halbleiter ist.
-
Gemäß dem fünfzehnten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors bereitgestellt. Das Verfahren umfasst: Halten einer Halbleiterplatte zwischen einer oberen Schicht und einer unteren Schicht; Eintauchen der Halbleiterplatte, der oberen und der unteren Schicht in Wasser und Herstellen einer Mehrzahl von Löchern in der Halbleiterplatte, der oberen Schicht und der unteren Schicht in vorbestimmten Intervallen mit einem Bohrer mit einer vorgeschriebenen Größe; Entfernen der oberen Schicht und der unteren Schicht von der Halbleiterplatte; Bilden einer Mehrzahl von Elektroden vom Lochtyp durch Füllen der Löcher mit Metall; und Bilden von elektrischen Drähten, um eine Spannung zwischen irgendeiner Elektrode vom Lochtyp, die nicht anderen Elektroden vom Lochtyp benachbart ist und als eine Anode verwendet wird, und einigen Elektroden vom Lochtyp, die benachbart der Anode sind und als Katode verwendet werden, anzulegen.
-
Gemäß dem sechzehnten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors gemäß dem fünfzehnten Aspekt bereitgestellt. Bei dem Verfahren zum Bilden der elektrischen Drähte wird ein Stifthöcker an jeden von Elektrodenpads einer vorgeschriebenen Anzahl von IC-Chips ausgebildet, die auf einem ersten Substrat bereitgestellt werden; ein zweites Substrat wird mit Indium plattiert; wobei das Indium von dem zweiten Substrat auf die Spitze jedes Stifthöckers transferiert wird, wodurch eine Mehrzahl von dünnen Schichten gebildet wird; Verbinden der dünnen Schichten mit den Elektroden vom Lochtyp, wodurch ein Sensorelement-Array an jedem der ICs Flip-angebracht wird, wobei das Array aus in der Form einer Matrix angeordneten Sensorelementen aufgebaut ist, jedes Sensorelement eine Anode umfasst, und eine Mehrzahl von Kathoden und ein Halbleiter zwischen der Anode und der Kathoden liegt; und ein isolierendes Harz in einen Zwischenraum zwischen dem ersten Substrat und dem Sensorelement-Array aufgebracht und das isolierende Harz ausgehärtet wird.
-
Gemäß dem siebzehnten Aspekt dieser Erfindung wird eine Bildsensorvorrichtung bereitgestellt, die eine Mehrzahl von Bildsensoren und eine Ausgabeeinheit umfasst. Jeder der Bildsensoren umfasst: eine aus einem Halbleiter hergestellte Platte; eine Mehrzahl von ersten Elektroden vom Lochtyp, die auf der Platte vorgesehen und in vorbestimmten Intervallen in einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung angeordnet sind; eine Mehrzahl von zweiten Elektroden vom Lochtyp, die auf der Platte vorgesehen sind und benachbart den ersten Elektroden vom Lochtyp in vorbestimmten Intervallen in der ersten Richtung und der zweiten Richtung angeordnet sind; eine Spannungsanlegungseinheit, die eine erste Spannung an die ersten Elektroden vom Lochtyp und eine zweite Spannung an die zweiten Elektroden vom Lochtyp anlegt; und eine Leseeinheit, die ein elektrischen Signal von einer Mehrzahl von Sensorelementen liest, die jeweils eine erste Elektrode vom Lochtyp, einige zweite Elektroden vom Lochtyp benachbart zu der ersten Elektrode vom Lochtyp und den Halbleiter, der zwischen der einen ersten Elektrode vom Lochtyp und den einigen zweiten Elektroden vom Lochtyp liegt, umfassen. Die Ausgabeeinheit gibt die von den Leseeinheiten gelesenen elektrischen Signale unabhängig voneinander aus.
-
Gemäß dem achtzehnten Aspekt der Erfindung wird eine Bildsensorvorrichtung gemäß dem siebzehnten Aspekt bereitgestellt. Diese Bildsensorvorrichtung, wobei jede der Leseeinheiten ein die Platte tragendes IC-Substrat und eine Mehrzahl von ICs zum Verstärken von elektrischen Signalen aufweist, die von den an irgendeines der Mehrzahl von Sensorelementen angelegten Strahlen erzeugt werden. Die Vorrichtung umfasst eine Verbindungsschicht, die zwischen der Platte und dem IC-Substrat vorgesehen ist und die die ersten Elektroden vom Lochtyp oder die zweiten Elektroden vom Lochtyp jedes Sensorelements mit Elektroden eines ICs elektrisch verbindet.
-
Gemäß dem neunzehnten Aspekt der Erfindung wird eine Bildsensorvorrichtung gemäß dem achtzehnten Aspekt bereitgestellt, bei dem die Verbindungsschicht eine Isolierschicht aufweist, die jeden der Stifthöcker und jede der dünnen Schichten einbettet.
-
Gemäß dem zwanzigsten Aspekt der Erfindung wird eine Bildsensorvorrichtung gemäß dem siebzehnten Aspekt bereitgestellt, bei der die ersten und zweiten Elektroden vom Lochtyp in einer Richtung der Dicke der Platte angeordnet sind.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnung
-
1A und 1B sind Diagramme, die einen herkömmlichen Bildsensor erläutern;
-
2A ist eine Draufsicht auf einen Bildsensor 10 gemäß einer ersten Ausführungsform, die die Erfassungsoberfläche des Bildsensors 10 zeigt;
-
2B ist eine vergrößerte Draufsicht, die einen Teil der Erfassungsoberfläche des Bildsensors 10 zeigt;
-
3 ist eine Draufsicht, die die Erfassungsoberfläche eine Modifikation des Bildsensors 10 gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
-
4 ist eine vergrößerte Draufsicht, die einen Teil der Erfassungsoberfläche des in 3 gezeigten Bildsensors 10 darstellt;
-
5 ist eine Draufsicht, die die Verdrahtungsschicht 19 schematisch zeigt;
-
6 ist eine vergrößerte Ansicht des in 5 eingekreisten Teiles;
-
7 ist eine Querschnittansicht des Bildsensors 10 entlang der in 2A gezeigten Linie 7-7;
-
8 ist eine vergrößerte Ansicht der Verbindung zwischen der CdTe-Platte 13 und der Verdrahtungsschicht 19, die beide in der Querschnittansicht von 7 gezeigt sind;
-
9 ist eine vergrößerte Ansicht der Stifthöcker-Verbindungsabschnitte, die die Verbindungsschicht 20 aufweist;
-
10 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Erzeugen einer Indiumschicht erläutert;
-
11 ist ein Diagramm, das das Verfahren zum Erzeugen einer Indiumschicht darstellt;
-
12 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren des Bildsensors 10 umreißt;
-
13 zeigt eine äußere Erscheinung eines Strahlungskameramoduls, das eine Bildsensoreinheit 30 umfasst;
-
14 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur und die Funktion der Bildsensoreinheit 30 zeigt;
-
15 ist eine Draufsicht, die die Erfassungsoberfläche eines Bildsensors 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt;
-
16 ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil der Erfassungsoberfläche des Bildsensors 10 gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
-
17 ist eine Querschnittansicht des Bildsensors 10 gemäß der zweiten Ausführungsform;
-
18 ist eine vergrößerte Ansicht, die die Verbindung zwischen der CdTe-Platte 13 und der Verdrahtungsschicht 19 zeigt, die beide in dem Bildsensor 10 gemäß der zweiten Ausführungsform aufgenommen sind;
-
19 ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Stifthöcker-Verbindungsabschnitt 22 zeigt, der in dem Bildsensor 10 gemäß der zweiten Ausführungsform vorgesehen ist.
-
Beste Ausführungsart der Erfindung
-
Die ersten und zweiten Ausführungsformen der Erfindung werden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Bei der folgenden Beschreibung werden jeweils zwei Komponenten, die in der Funktion und Struktur fast identisch sind, mit derselben Bezugsziffer gekennzeichnet, und sie werden beide nur dann beschrieben, falls es notwendig ist.
-
(Erste Ausführungsform)
-
Der Bildsensor gemäß dieser Ausführungsform umfasst eine Halbleiterplatte 13 (siehe 2A bis 4), ein IC-Substrat 18 (siehe 5 und 6) und eine Verbindungsschicht 20 (siehe 7 bis 9). Die Halbleiterplatte 13 ist aus einem Halbleiter, wie beispielsweise CdTe (Kadmiumtellurid), CdZnTe (Zinkkadmiumtellurid) oder dergleichen hergestellt und weist eine vorgeschriebene Dicke auf. Erste Elektroden 12 vom Lochtyp sind an einer Oberfläche der Halbleiterplatte 13 in einem vorbestimmten Abstand bzw. Teilung angeordnet, wobei die Oberfläche als Erfassungsoberfläche arbeitet. Das IC-Substrat 18 umfasst auf ihm angebrachte ICs. Die ICs sind ausgestaltet, um die an der Erfassungsoberfläche erfassten Signale zu verstärken. Die Verbindungsschicht 20 verbindet das IC-Substrat 18 und die CdTe-Platte 13. Zwecks Vereinfachung wird die Halbleiterplatte 13 hier nachstehend als eine aus CdTe Hergestellte beschrieben. Nichtsdestotrotz kann der Bildsensor 10 von der gleichen Struktur sein, wenn die Platte 13 aus einem anderen Halbleiter, wie beispielsweise CdZnTe, hergestellt ist.
-
2A ist eine Draufsicht auf den Bildsensor 10, die die Erfassungsoberfläche des Sensors 10 zeigt. Die aus CdTe hergestellte Halbleiterplatte 13 stellt die Erfassungsoberfläche des Bildsensors 10 bereit. CdTe ist ein zusammengesetzter Halbleiter, der aus Cd (Kadmium) und Te (Tellur) besteht. Seine Energielücke bzw. Bandabstand beträgt etwa 1,47 eV bei Zimmertemperatur.
-
Die ersten Elektroden 12 vom Lochtyp werden wie folgt ausgebildet. Zuerst wird eine Mehrzahl von Löchern in der CdTe-Platte 13 in dem vorbestimmten Abstand (z. B. 50 Mikron) durch Verwenden eines Bohrers mit einem Durchmesser von etwa 100 bis 200 Mikron hergestellt. Dann werden die so hergestellten Löcher mit Pt, Hg, Au, InTe, Al oder dergleichen mittels Metallisierung gefüllt. Zweite Elektroden 16 (Pads) werden, jede an einem Ende einer ersten Elektrode 12, zum Erreichen einer elektrischen Verbindung zwischen der ersten Elektrode 12 und dem Drahtzuführmittel, das später beschrieben wird, bereitgestellt.
-
CdTe und CdZnTe sind im allgemeinen brüchig bzw. spröde und für Menschen schädlich. Im Hinblick darauf werden die Löcher durch das spezielle Verfahren hergestellt, das später beschrieben wird.
-
Die ersten Elektroden 12 werden in zwei Gruppen aufgeteilt, d. h. Anoden und Kathoden. Eine Anode, Kathoden und ein Teil der CdTe-Platte 13 (oder der CdZnTe-Platte) bilden ein Sensorelement.
-
2B ist eine vergrößerte Draufsicht, die einen Teil der Erfassungsoberfläche des Bildsensors 10 zeigt. In 2B stellen schwarze Punkte einige erste Elektroden 12 dar, die als Anoden verwendet werden, und die weißen Punkte geben die anderen ersten Elektroden 12 an, die als Kathoden verwendet werden. Die ersten Elektroden 12 werden derart verteilt, dass alle ersten Elektroden 12 benachbart zu irgendeiner Anode, die als eine Anode verwendet wird, als Kathoden arbeiten. Bei dem Bildsensor 10 von 2B sind Sensorelemente 14 angeordnet, die eine Matrix bilden, und jedes Sensorelement 14 umfasst eine Anode 120, acht Kathoden und einen Teil der CdTe-Platte.
-
In 2B geben die gestrichelten Linien 14 ein Sensorelement 14 an, das eine Anode, Kathoden und einen Teil der CdTe(oder CdZnTe)-Platte umfasst. Bei jedem Sensorelement 14 wird eine Spannung zwischen der Anode 120 und den Kathoden 122 angelegt, wobei eine Verarmungsschicht (depletion layer) entwickelt wird. Wenn Strahlen an die Verarmungsschicht angelegt werden, werden viele Elektronen und Löcher entlang den Spuren der Strahlen erzeugt. Jedes Sensorelement 14 extrahiert sowohl die positive Ladung als auch die negative Ladung in der Form eines elektrischen Signals. D. h., das Element 14 erzeugt Bilddaten aus den darauf auftreffenden Strahlen.
-
Das Sensorelement 14 ist nicht auf den in 2A und 2B dargestellten Typ begrenzt, solange es eine erste Elektrode umfasst, die als Anode fungiert, und einige andere ersten Elektroden, die als Kathoden fungieren. Das Element 14 kann jede der folgenden Modifikation haben.
-
3 ist eine Draufsicht, die die Erfassungsoberfläche einer Modifikation des Bildsensors 10 zeigt. 4 ist eine vergrößerte Draufsicht, die einen Teil der Erfassungsoberfläche des in 3 gezeigten Bildsensors 10 darstellt. Wie 3 zeigt, kann das Sensorelement 14 eine Anode 120 und vier benachbarte Kathoden umfassen, die der Anode 120 zugeordnet sind.
-
Das IC-Substrat 18, das der Bildsensor 10 aufweist, wird nun beschrieben. 5 ist eine Draufsicht, die das IC-Substrat 18 schematisch zeigt. 6 ist eine vergrößerte Ansicht des in 5 eingekreisten Teils.
-
Alle Anoden 120 werden unabhängig und alle Kathoden 122 werden durch die Verdrahtungsschicht 19 mit Elektroden verbunden, aus denen Signale zu einer externen Vorrichtung extrahiert werden.
-
Das IC-Substrat 18 ist ein Substrat auf dem eine Mehrzahl von ICs angebracht ist, um die Signale zu verstärken, die das Sensorelement 14 erfasst hat. Auf dem IC-Substrat 18 sind Flip-Chip-Pads 180 (hier nachstehend als ”FC-Pads” bezeichnet) der ICs angebracht, die jeweils eine Anti-Strahlungseigenschaft aufweisen, so dass sie eine zweidimensionale Matrix bilden. Die FC-Pads sind mit den Anoden und Kathoden ausgerichtet, die erste Elektroden 12 sind, wie es oben erwähnt ist. Die Flip-Chip-Anbringung (hier nachstehend als ”FC-Anbringung” wird mittels der Positionen der Anoden und Kathoden als Bezugspositionen erreicht. Die Stifthöcker-Verbindungsabschnitte, die später beschrieben werden, werden auf den FC-Pads 180 bereitgestellt.
-
Die auf dem IC-Substrat 18 angebrachten FC-Pads 180 teilen die Anoden und Kathoden, d. h. die ersten Elektroden 12 zu.
-
Die zwischen der CdTe-Platte 13 und dem IC-Substrat 18 existierende Verbindungsschicht 20 wird mit Bezug auf 7 bis 9 beschrieben.
-
7 ist eine Querschnittansicht des Bildsensors 10 entlang einer in 2A gezeigten Linie 7-7. 8 ist eine vergrößerte Ansicht, die die ersten Elektroden 12 und einige andere ihnen benachbarte Komponenten zeigt, die in 7 gezeigt sind. 9 ist eine vergrößerte Ansicht, die die Stifthöcker-Verbindungsabschnitte 22 erläutert, die Drähte von den ersten Elektroden 12 ziehen. Wie aus diesen Figuren ersichtlich ist, weist die Verbindungsschicht 20 Stifthöcker-Verbindungsabschnitte (stud-bump connecting portions) 22 und eine Isolierschicht 24 auf. Die Stifthöcker-Verbindungsabschnitte 22 befestigen die CdTe-Platte 13 an dem IC-Substrat 18.
-
Jeder Stifthöcker-Verbindungsabschnitt 22 ist auf einem auf dem IC-Substrat 18 vorgesehenen FC-Pad 180 ausgebildet. Er umfasst einen Au-Stifthöcker 220 und eine Indiumschicht 221 (siehe 9). Der Höcker 220 ist aus Gold oder dergleichen hergestellt. Die Indiumschicht 221 ist an der Spitze des Au-Stifthöckers 220 ausgebildet. Der Au-Stifthöcker 220 umfasst einen vorstehenden Höcker oder zwei oder mehr vorstehenden Höcker, die übereinander gelegt sind. Der Au-Stifthöcker 220 dient dazu, dass ein Strom zwischen dem Sensorelement und dem IC fließt, um den zwischen dem Sensorelement fließenden Leckstrom zu verringern (insbesondere falls er zwei, drei oder mehr Höcker umfasst), und um den während der FC-Anbringung auftretenden Verbindungsfehler auszugleichen. Somit ist sein Material vorzugsweise ein relativ weiches Metall, das eine gute Leitfähigkeit aufweist. Deshalb sind alle Stifthöcker 220 bei der vorliegenden Ausführungsform aus Gold hergestellt. Nichtsdestotrotz können sie aus jedem anderen Material hergestellt werden, das die gleiche Funktion aufweist.
-
Die Indiumschicht 221 ist aus einer dünnen Schicht, die auf der Spitze des Au-Stifthöckers 220 liegt, und einem Abschnitt, der in die Elektrode 12 hineinragt, aufgebaut. Die Indiumschicht 221 wird zu der Spitze hin allmählich dünner, während sie ausgebildet wird, und weist eine bestimmte Höhe auf. Während der FC-Anbringung wird die Indiumschicht 221 auf die zweite Elektrode 16 geschoben. (Wenn sie so geschoben wird, wird ihr Teil in das Loch eingeführt, das von der auf der CdTe-Platte 13 vorgesehenen Elektrode 12 definiert wird.) Die Indiumschicht 221 stellt eine Stromversorgung zwischen dem Sensorelement 14 und dem IC sicher. Sie weist eine vorgeschriebene Höhe auf, die bei der FC-Anbringung erforderlich ist, wie später beschrieben wird. Ihr Material ist vorzugsweise Lötmittel mit einem Schmelzpunkt von 100°C oder weniger, da CdTe-Elemente bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden. Wismut kann beispielsweise anstelle von Indium verwendet werden.
-
10 und 11 sind Diagramme, die ein Verfahren zum Bilden der Indiumschicht 221 erläutern. Wie es 10 zeigt, wird das IC-Substrat 18 mit einem Au-Stifthöcker 220 auf der einem FC-Bonding-Gerät (nicht gezeigt) gegenüberliegenden Oberfläche auf ein In-plattiertes Substrat 17 aus rostfreiem Stahl gedrückt. Das Substrat 18 wird so mit einer Kopftemperatur, einer Kopfgeschwindigkeit und mit einer Kraft gedrückt, die alle auf vorgeschriebene Werte gesteuert und eingestellt werden. Das Substrat 18 kann wiederholt, gelegentlich mehrmals gedrückt werden. Nach dem Drücken für eine vorbestimmte Zeit wird der Kopf bei einer vorgeschriebenen Kopftemperatur und Kopfgeschwindigkeit mit einer vorgeschriebenen Kraft hochgezogen, die alle gesteuert werden. Indium (In) wird dadurch auf die Spitze des Au-Stifthöckers 220 übertragen.
-
11 stellt schematisch die auf der Spitze des bei Schritt S2 gebildeten Au-Stifthöckers 220 ausgebildete In-Schicht 221 dar. Wie es 11 zeigt, wird die In-Schicht 221 allmählich zu ihrer Spitze hin dünner und weist eine vorbestimmte Höhe auf. Der Au-Stifthöcker 220 wird noch nicht kollabiert, wie in 9 dargestellt ist. Der Stifthöcker-Verbindungsabschnitt 221 nimmt die in 9 gezeigte Form an, wenn der in 11 gezeigte Stifthöckerabschnitt 20 auf die zweite Elektrode 16 im Verlauf der FC-Anbringung gedrückt wird.
-
Die Isolierschicht 24 ist eine Harzschicht, die in der Art und Weise eines Unterfüllens ausgebildet wird. Sie ist beispielsweise aus Epoxydharz hergestellt. Die Isolierschicht 24 bettet den Stifthöcker-Verbindungsabschnitt 22 und die Indiumschicht ein, wobei sie elektrisch isoliert und verstärkt werden. Die Isolierschicht 24 hindert die aufgrund der Differenz in dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen jedem Sensorelement 14 und dem IC-Substrat 18 erzeugte thermische Spannung daran, sich in dem Stifthöckerabschnitt 22 und der Indiumschicht zu konzentrieren.
-
Der Bildsensor 10 umfasst ein Sensorelement-Array mit Sensorelementen 14, die unabhängige Pixel sind und die zur Bildung einer Matrix angeordnet sind. Jedes Sensorelement 14 des Bildsensors 10 erzeugt ein Signal unabhängig von irgendeinem anderen Sensorelement. Somit kann das Sensorelement-Array Signale jeweils für ein Sensorelement 14 erzeugen.
-
Der Bildsensor 10 kann zusätzliche Sensorelemente in dem Sensorelement-Array aufweisen. In diesem Fall wird die Platte 13 größer ausgeführt und mehr erste Elektroden 12 werden auf der Platte 13 angebracht. Alternativ werden mehr erste Elektroden 12, die jeweils einen kleineren Durchmesser aufweisen, auf der Platte 13 in einem kürzeren Abstand angeordnet. In beiden Fällen kann der Bildsensor 10 ohne weiteres viele Pixel aufweisen. Außerdem kann der Bildsensor 10 dicker ausgeführt werden. Wenn dies der Fall ist, kann die elektrische Ladung mit einem hohen Wirkungsgrad ohne Ändern der Spannung gesammelt werden, die angelegt wird, um die elektrische Ladung zu sammeln. Wenn die Elemente 14 in Zahl ansteigen und sich die Dicke des Sensors 10 erhöht, wird der Sensor 10 ein Gammastrahlendetektor mit hohem Wirkungsgrad sein.
-
Wenn eine Spannung an jedes Sensorelement 14 des Bildsensors 10 angelegt wird, wird das zwischen der Anode und den Kathoden angelegte elektrische Feld logarithmisch. Dies bedeutet, dass das Sensorelement 14 eine Struktur aufweist, die Elektroden sowohl wirksam als auch zuverlässig sammeln kann. Als Ergebnis kann die Auflösungsleistung verbessert werden.
-
Bei dem Bildsensor 10 dient die Verbindungsschicht 20 (insbesondere der Stifthöcker-Verbindungsabschnitt 22 und die In-Schicht 221) dazu, das Sensorelement-Array 11 auf dem IC-Substrat 18 anzubringen. Eine dreidimensionale Anbringung wird dadurch erreicht. Dies kann als ein kennzeichnendes Merkmal bezeichnet werden. Bei dem durch die dreidimensionale Anbringung erhaltenen Bildsensoren ist jedes Sensorelement an seinem unteren Ende mit einem IC verbunden. Somit kann der Bildsensor ohne weiteres Signale extrahieren, selbst wenn er mehr Sensorelemente aufweist. Er kann daher dazu dienen, ein Bild zu erzeugen, das aus mehr Pixeln als bisher gebildete Bilder besteht. Außerdem kann die dreidimensionale Anbringung einen kleinen Bildsensor verwirklichen.
-
Die elektrischen Drähte bzw. Zuleitungen können von den ersten Elektroden 12 mittels einer Verdrahtungsplatte oder durch Durchführen eines direkten Verdrahtens mittels Kabel gezogen werden, wobei die oben erwähnten Höcker nicht verwendet werden. Wenn das direkte Verdrahten mittels Kabel benutzt wird, können die zweiten Elektroden 16 nicht verwendet werden. Wenn eine Verdrahtungsplatte (wiring board) verwendet wird, kann sie dazu dienen, einige der ersten Elektroden 12 als Anoden und die anderen ersten Elektroden 12 als Kathoden zuzuweisen.
-
(Verfahren zur Herstellung des Bildsensors)
-
Ein Verfahren zur Herstellung des Bildsensors 10 wird nachstehend umrissen. CdTe und CdZnTe sind Halbleitermaterialien, die im allgemeinen spröde bzw. brüchig sind. Wenn somit Löcher, die mit den ersten Elektroden 12 ausgerichtet sind, in der Halbleiterplatte 13 mit einem Bohrer oder dergleichen hergestellt werden, kann Splitterbildung, Rissbildung oder dergleichen auftreten. Splitterbildung oder Rissbildung kann die Erfassungsfähigkeit der Sensorelemente 14 oder schließlich die Leistung des Bildsensors absenken.
-
CdTe und CdZnTe und andere zusammengesetzte Halbleiter sind für den Menschen schädliche Substanzen. Wenn mit den ersten Elektroden 12 ausgerichtete Löcher in der Halbleiterplatte 13 mit einem Bohrer oder dergleichen hergestellt werden, schweben CdTe-Partikel in der Luft, wobei die Personen, die bei der Herstellung des Bildsensors beteiligt sind, die Partikel einatmen können. Dieses Risiko ist ein großes Hindernis für die Herstellung des Bildsensors 10 und ist für die Massenherstellung des Bildsensors 10 abträglich.
-
Dieses Verfahren löst diese Probleme. Es verhindert Splitterbildung und Rissbildung. Es ist sicher und unterstützt die Massenproduktion.
-
12 ist ein Ablaufdiagramm, das das Verfahren des Bildsensors 10 umreißt. Wie in 12 gezeigt ist, wird eine CdTe-Platte einer vorgeschriebenen Größe zwischen Schutzschichten gehalten (Schritt S1).
-
Die Schutzschichten sind zwei Schichten mit einer vorbestimmten Dicke. Eine wird auf die obere Seite der CdTe-Platte und die andere auf die untere Seite der CdTe-Platte gelegt. Die Schutzschichten weisen die Funktion auf, die Entstehung der Splitterbildung und der Rissbildung beim Entwickeln in der CdTe-Platte zu verhindern, wenn eine Mehrzahl von Löchern in der Platte in Ausrichtung mit den ersten Elektroden 12 hergestellt werden. Vorzugsweise sind sie aus einem Material hergestellt, das fast so hart wie CdTe ist (z. B. einem Material mit einer Härte von x +/– 0,3x, wobei x die Härte von CdTe ist). Alternativ können sie aus CdTe hergestellt werden. Die CdTe-Platte wird beispielsweise zwischen den aus einem derartigen Material hergestellten Schutzschichten eingeklemmt oder anhaften gelassen.
-
Als nächstes wird die somit durch die Schutzschichten geschützte CdTe-Platte in Wasser eingetaucht, und Löcher einer vorbestimmten Größe werden in der Platte in Ausrichtung mit den ersten Elektroden 12 mit einem Bohrer mit einer vorbestimmten Größe hergestellt (Schritt S2). Die CdTe-Platte wird in Wasser eingetaucht, um zu verhindern, dass Pulver von CdTe oder dergleichen, das eine schädliche Substanz ist, in der Luft schwebt. Die Flüssigkeit, die verwendet wird, um CdTe in Pulverform oder dergleichen am Schweben zu hindern, ist nicht auf Wasser begrenzt. Jede Flüssigkeit, die keiner chemischen Reaktion mit CdTe oder dergleichen ausgesetzt sein würde, kann verwendet werden. Alkohol kann beispielsweise verwendet werden, um das gleiche Ziel zu erreichen. Wasser wird bei der vorliegenden Ausführungsform mit Blick auf eine mögliche Kostenverringerung verwendet.
-
Dann werden die Schutzschichten von der CdTe-Platte entfernt (Schritt S3).
-
Danach wird die Metallisierung in den Löchern ausgeführt, wobei erste Elektroden 12 vom Loch-Typ gebildet werden (Schritt S4). Die eingesetzte Metallisierung kann Plattieren, Sputtern, Dampfabscheidung oder dergleichen sein.
-
Schließlich werden zweite Elektroden 16 jeweils an einem Ende einer ersten Elektrode 12 durch Aufbringen von Silberpaste oder durch Durchführen des gleichen Verfahrens wie bei dem Schritt des Bildens der Elektroden 12 (d. h. Plattieren, Sputtern, Dampfabschneidung oder dergleichen) gebildet (Schritt S5). Die CdTe-Platte 13 kann erhalten werden.
-
Die Erfinder dieser Erfindung führten Experimente durch. Gute Ergebnisse wurden bei Schritt S1 insbesondere erreicht, wenn die auf den oberen bzw. unteren Seiten der CdTe-Platte aufgebrachten Schutzschichten jeweils eine Dicke aufwiesen, die gleich oder größer der Hälfte der Dicke der CdTe-Platte war. Ferner tritt weder Splitterbildung noch Rissbildung auf, selbst wenn die Löcher mit einem Abstand von 100 Mikron mit einem Bohrer mit einem Durchmesser von 50 Mikron hergestellt wurden. Somit konnte ein guter Bildsensor 10 hergestellt werden.
-
Das oben beschriebene Herstellungsverfahren kann Splitterbildung und Rissbildung verhindern, wenn die Platte aus CdTe, CdZnTe, GaAs, HgIn, HgIz oder irgendeinem anderen zusammengesetzten Halbleiter hergestellt wird, der spröde oder brüchig und für Menschen schädlich ist. Daher kann mit dem Verfahren der Bildsensor sowohl sicher als auch einfach hergestellt werden.
-
(Zweite Ausführungsform)
-
Die zweite Ausführungsform wird nun beschrieben. Die zweite Ausführungsform ist eine Bildsensoreinheit (d. h. ein dreidimensionaler Bildsensor) 30, der eine Mehrzahl von Bildsensoren 10 gemäß der ersten Ausführungsformen umfasst. Die Bildsensoreinheit 30 kann den Einfallswinkel von zu erfassenden Strahlen erfassen. Wenn die einfallenden Gamma-Strahlen eine große Energie aufweisen, können zusätzliche Sensoren verwendet werden (womit eine Mehrschicht- oder Mehrstufenstruktur ausgebildet wird). Dies bringt einen praktischen Vorteil insbesondere bei der Weltraumphysik und dergleichen mit sich, wo es bedeutsam ist, den Einfallswinkel von von Himmelskörpern ausgestrahlten Röntgenstrahlen oder dergleichen zu kennen. In der Medizin und der Technik kann es dies ebenfalls möglich machen, eine Position im Raum als ein Bild zu erfassen, von dem Strahlen emittiert wurden.
-
13 zeigt eine äußere Erscheinung eines Strahlungskameramoduls, das die Bildsensoreinheit 30 umfasst. 14 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur und Funktion der Bildsensoreinheit 30 darstellt.
-
Wie es 13 zeigt, umfasst das Strahlungskameramodul eine Bildsensoreinheit 30, eine Vorverstärkereinheit 32 und eine Abtastverstärkereinheit 34.
-
Wie in 14 dargestellt ist, umfasst die Bildsensoreinheit 30 eine Mehrzahl von Bildsensoren 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Sie ist ausgestaltet, um Signale zu lesen, die jeweils von einem Bildsensor 10 erfasst werden. Wie aus 15 und 16 ersichtlich ist, umfasst jeder Bildsensor 10 der Bildsensoreinheit 30, eine dünne Verdrahtungsschicht 19, die aus Polyimid, Epoxid oder dergleichen hergestellt ist. Die Schicht 19 ist zwischen dem Bildsensor 10 und einem weiteren Bildsensor 10 angeordnet, um die von allen Sensorelementen 14 erfassten Signale an Signalextrahierungselektroden 190 zu liefern. Die Signale werden von den Elektroden 190 an eine externe Vorrichtung geliefert. 17 ist eine Querschnittansicht des Bildsensors 10. 18 ist eine vergrößerte Ansicht, die die Verbindung zwischen der CdTe-Platte 13 und der Verdrahtungsschicht 19 zeigt. 19 ist eine vergrößerte Ansicht, die den Stifthöckerverbindungsabschnitt 22 zeigt. Wie 18, 19 und 16 (gestrichelten Linien) zeigen, wird das Signal, das jedes Erfassungselement 180 erfasst hat, an dem Signalextrahierungselement 190 durch eine Signalextrahierungsleitung 191 extrahiert. Das Signal wird dann an die Vorverstärkereinheit 32 gesendet.
-
Die Vorverstärkereinheit 32 ist ein Verstärker, der mit dem Eingang der Abtastverstärkereinheit 34 verbunden ist. Sie verstärkt das von der Bildsensoreinheit 30 erfasste Signal und verhindert, dass sich Rauschen in das Signal mischt und dass der Rauschabstand des Signals abfällt.
-
Die Abtastverstärkereinheit 34 ist der Hauptverstärker. Er tastet die Signalausgabe von der Vorverstärkereinheit 32 ab und verstärkt sie, erzeugt ein Triggersignal und führt ein Abtast-Halte-Verfahren oder dergleichen durch.
-
Die dreidimensionale Bildsensoreinheit 30 erfasst beispielsweise Gammastrahlen von 1022 keV oder mehr in der Form von Elektronen-Loch-Paaren aufgrund der Compton-Streuung. Es sei angenommen, dass kosmische Strahlen (Gammastrahlen) die Bildsensoreinheit 30 in der in 14 gezeigten Richtung erreichen und in der Bildsensoreinheit 30 in Elektronen-Loch-Paare umgewandelt werden. Die Bildsensoren 301, 302 und 303 erfassen Signale, wenn Elektronen und Protonen durch sie hindurch laufen. Genauer gesagt erfassen die Sensorelemente 14 jedes Bildsensors Signale. Die Richtung, in der die kosmische Strahlen ankommen, können daher mit einer hohen Genauigkeit durch Verfolgen der Positionen bestimmt werden, an denen die Signale in den Bildsensoren 301, 302 und 303 erfasst werden. Die Bildsensoreinheit 30 kann aus allen Richtungen kommende Strahlen erfassen, da sie keinen Kollimator aufweisen muss, um die Einfallsrichtung zu begrenzen.
-
Die Erfindung ist nicht auf die in 1 und 3 dargestellte Konfiguration begrenzt.
-
Die Sensorelemente 14 können beispielsweise hexagonal sein. In diesem Fall umfasst dieses Sensorelement 14 eine an der Schnittstelle der Diagonalen angeordnete Anode und sechs an den sechs Scheitelpunkten angeordnete Kathoden.
-
Industrielle Anwendbarkeit
-
Die Erfindung kann einen Bildsensor, der Strahlen, sogar diejenigen des harten Röntgenstrahlenergiebandes, mit hoher Empfindlichkeit und hoher Auflösung erfassen kann, und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bildsensors bereitstellen.
