DE4310622A1 - Einrichtung zur Mikrobilderzeugung mittels ionisierender Strahlung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine für die nicht zerstörende Kon­ trolle bestimmte, hochauflösende Einrichtung zur Mikrobilderzeugung mittels ionisierender Strahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die ionisierenden Strahlungen, die in der erfindungsgemäßen Einrich­ tung verwendet werden, sind Röntgen- oder Gammastrahlen.

Die Bilderzeugung mittels ionisierender Strahlung ermöglicht durch Röntgenprojektion oder durch tomographische Rekonstruktion die Un­ tersuchung von lebender oder toter Materie und ermöglicht somit die nicht zerstörende Analyse der inneren Struktur von bestrahlten Gegen­ ständen mit variablen Abmessungen und Massen.

Die Gewinnung von Bildern hoher Auflösung erfordert eine extrem klein bemessene Quelle für ionisierende Strahlungen, was einem Bün­ del von parallelen Strahlen entspricht. Eine solche Bedingung ist für Synchrotron-Strahlen gut gelöst.

Die Einrichtung der Erfindung ist vor allem bestimmt für die Röntgen- Mikrobilderzeugung und für die Mikrotomographie von im allgemeinen biologischen Strukturen, die mit Quellen niedriger Energie unterhalb von 5 keV bestrahlt werden; von metallischen Legierungen, die mit Quellen mittlerer Energie, die im allgemeinen im Bereich von 5 bis 15 keV liegt, bestrahlt werden, jedoch auch von Verbundstrukturen (vom Keramik- oder Fasertyp), die mit Energiequellen oberhalb von 15 keV bestrahlt werden.

Die Bilderzeugungseinrichtung der Erfindung kann daher in zahlrei­ chen Anwendungsbereichen, sowohl im medizinischen und/oder biolo­ gischen Bereich als auch im industriellen Bereich zum Einsatz kom­ men.

In der Industrie wird die Erfindung beispielsweise in den Bereichen der Kraftfahrzeugtechnik, der Raumfahrttechnik, der Kerntechnik, der Ge­ bäudekonstruktion und dergleichen angewendet.

Insbesondere verwendet die erfindungsgemäße Einrichtung in ihrem Erfassungsabschnitt ionisierende Strahlung.

Die herkömmlichen Einrichtungen zur Bilderzeugung mittels ionisie­ render Strahlung, die lichtempfindliche Filme, Helligkeitsverstärker und mit lichtempfindlichen Kameras gekoppelte Röntgenbildschirme verwenden, erlauben eventuell in Echtzeit die Gewinnung von qualita­ tiv hochwertigen Bildern, bei denen jedoch die räumliche Auflösung in der Größenordnung von einigen 10 Mikrometern liegt.

Diese Auflösung, die zum Teil durch die Streuung des Lichts in der Schicht für die Umwandlung der Röntgen- oder Gammastrahlung in Licht bestimmt wird, wird manchmal durch die Verwendung von nadel­ förmigen, glitzernden Strukturen (beispielsweise CsI-Kristalle in Rönt­ genbildverstärkerröhren) oder von Strukturen, deren Form anschlie­ ßend dargestellt wird, verringert. In diesem letzteren Fall liegen die Auflösungen dann in der Größenordnung von 100 µm.

Außerdem können diese herkömmlichen Bilderzeugungseinrichtungen in keiner Weise verwendet werden, wenn die Analyse von Materialfeh­ lern in der Größenordnung von Mikrometern angestrebt wird.

Ein anderes, bekanntes zweidimensionales Bilderzeugungsverfahren, das im Bereich der Nuklearmedizin verwendet wird, besteht darin, daß eine baryzentrische Rekonstruktion gemäß dem Anger-Prinzip ausge­ führt wird. Hierzu werden mittels einer Gruppe von großdimensionier­ ten Photovervielfachern, deren Durchmesser in der Größenordnung von 70 mm liegt, die Photonen zurückgewonnen, die von einem dicken Szintillator (CsI-Kristall), der die einfallende Röntgenstrahlung in Licht umformt, ausgegeben werden, wobei die Lokalisation dieses Licht­ flecks durch eine Widerstandsbrücke rekonstruiert wird, die die Aus­ gänge der verschiedenen Photovervielfacher miteinander verbindet.

Wenn die angestrebte räumliche Auflösung einige 10 Mikrometer be­ trägt, wird für die baryzentrische Rekonstruktion ein Elektrodennetz vom Typ mit zueinander parallel angeordneten Mikrobändern verwen­ det. Beispielsweise ist mit Mikrobändern, die in einem gegenseitigen Abstand von 25 bis 50 µm angeordnet sind, eine Lokalisation der Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit der Materie bis auf 5 µm möglich.

Ein solches System ist insbesondere in dem Dokument Nuclear Instru­ ments and Methods in Physics Research A305 (1991), S. 173-176, von I. Hietanen u. a., "Beam test results of an ion-implanted silicon strip detector on a 100 mm wafer" beschrieben. Es verwendet Mikrobänder, die durch Ionenimplantation in Silizium gebildet sind.

Dieses Verfahren zur baryzentrischen Bilderzeugung verwendet un­ glücklicherweise komplexe und groß bemessene technische Mittel.

Wenn Interesse an mikroskopischen Strukturen besteht, werden inte­ grierte Erfassungseinrichtungen verwendet, die auf der direkten Um­ formung der ionisierenden Strahlung in elektrische Ladungen in einem elektrischen Feld basieren. Auf diese Weise wird die Querstreuung der von der Erfassungseinrichtung aufgenommenen Energie beseitigt.

In diesen Einrichtungen werden insbesondere direkt bestrahlte ladungs­ gekoppelte Einrichtungen (CCD-Einrichtungen) verwendet, mit denen eine räumliche Auflösung von einigen 10 Mikrometern erhalten werden kann. Diese CCD-Einrichtungen sind im allgemeinen aus Silizium ge­ bildet.

Eine handelsübliche zweidimensionale CCD-Einrichtung weist bis heute Bildelemente (oder Bildpunkte) in der Größenordnung von 7 µm auf, wobei die Erfassung der ionisierenden Strahlung im Silizium­ substrat eine Lokalisation mit dieser Genauigkeit erlaubt, jedoch nur für Röntgenphotonen oder Gammaphotonen mit niedriger Energie, d. h. mit einer Energie von weniger als 5 keV. Daher ist die Anzahl der Anwendungen begrenzt.

Außerdem sind die Schaltungen zum Lesen der im Substrat erzeugten Ladungen, die diesen Detektoren zugehören, ebenfalls den Strahlungen unterworfen, weshalb sie schnell altern.

Die Bilderzeugungseinrichtung der Erfindung basiert auf dem Prinzip der baryzentrischen Lokalisation der Strahlungsenergie, die durch ein Halbleitermaterial in einem Volumen mit einer mittleren Abmessung von 10 bis 20 µm empfangen wird. Dieses Prinzip ist insbesondere in dem Dokument US-A-4 411 059 beschrieben.

In diesem Dokument ist die Erfassung einer Gammastrahlung durch PIN-Dioden, die aus Silizium gebildet sind, verwirklicht. Diese Erfas­ sung wird mit Hilfe von Zeilenelektroden und von Spaltenelektroden verwirklicht, die sich auf beiden Seiten von Halbleiterschichten befin­ den.

Wenn diese Elektroden in Form von parallelen Mikrobändern, die durch einen gegenseitigen Abstand von 5 µm getrennt sind, verwirk­ licht sind, ist es möglich, die Erfassungszone durch eine baryzentrische Wiederherstellung zu lokalisieren. Eine Genauigkeit von 10% beim ge­ genseitigen Abstand der Elektroden entspricht einer Lokalisation, die im Auftreffpunkt der Strahlung besser als 1 Mikrometer ist.

Dieses Verfahren erlaubt daher eine Lokalisation im Mikrometerbe­ reich der ionisierenden Strahlung.

Wie bei den ladungsgekoppelten Einrichtungen sind die Leseschaltun­ gen der ionisierenden Strahlung ausgesetzt und altern daher schnell.

Bei sehr nahe beieinander liegenden Zeilen- und Spaltenelektroden ist es mit den bekannten Bilderzeugungseinrichtungen nicht möglich, die durch diese Elektroden angesammelten Ladungen mittels geeigneter Leseschaltungen zu lesen, weil der gegenseitige Abstand dieser Elek­ troden nicht mit einer Verbindung durch gelötete Drähte, durch Mikro­ kugeln oder durch irgendein anderes Mittel verträglich ist.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine neue Einrichtung zur Bilderzeugung mittels Röntgen- oder Gammastrahlung zu schaffen, mit der die verschiedenen obenerwähnten Nachteile beseitigt werden kön­ nen. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Einrichtung eine Bilder­ zeugung im Mikrometerbereich gewährleisten. Außerdem soll die er­ findungsgemäße Einrichtung kleine Abmessungen besitzen und ver­ hältnismäßig einfach herzustellen sein.

Diese Aufgabe wird bei einer Bilderzeugungseinrichtung der gattungs­ gemäßen Art erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch 1 angege­ benen Merkmale.

Unter Mikrobändern sind Band- oder Streifenleiter zu verstehen, die um eine Strecke 10 µm beabstandet sind. Insbesondere ist der Abstand der Elektroden in der Erfassungszone 5 µm, wobei die Mikrobänder eine Breite 4 µm besitzen.

In der Verbindungszone ist der Abstand der Elektroden 10 µm; er kann bis 1000 µm reichen. Er ist somit mit einer Verbindung durch Mikrokugeln verträglich.

In der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Mikrobilderzeugung sind die Funktionen der Erfassung und der Messung aufgeteilt und durch ge­ trennte, hybridisierte Bauteile verwirklicht.

Außerdem kann sie mit Strahlungsquellen mit einer Energie oberhalb von 15 keV und somit in einem großen Anwendungsbereich betrieben werden.

Sie unterscheidet sich von bekannten baryzentrischen Erfassungsein­ richtungen insbesondere durch den Einsatz eines nicht dotierten Halb­ leitermaterials mit hohem elektrischen Widerstand, das entweder in massiver Form oder in Form einer Dünnschicht, die auf einem elek­ trisch isolierenden Substrat angeordnet ist, gegeben ist.

Außerdem befinden sich die Leseschaltungen außerhalb der Erfas­ sungszone, so daß deren vorzeitige Alterung durch Bestrahlung verhin­ dert wird.

Ein Detektor mit einem Festkörper-Halbleiter gemäß der Erfindung kann sowohl für Röntgen- oder Gammastrahlen mit geringer Energie (<5 keV) als auch für hochenergetische Strahlungen (<15 keV) verwen­ det werden. Dagegen ist ein Detektor mit einer Halbleiter-Dünnschicht, die auf einem isolierenden Substrat aufgebracht ist, ausschließlich für die Erfassung sehr weicher Röntgen- oder Gammastrahlen vorgesehen, deren Energien unterhalb von 5 keV liegen.

Diese Dünnschicht kann durch epitaktisches Aufwachsen aus einer flüssigen oder gasförmigen Phase erzeugt oder mit der Technik der chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (CVD) oder sämtlicher ihrer Varianten, beispielsweise MOCVD, abgelagert werden. Diese Schicht hat im Prinzip eine Dicke von 1 µm bis 50 µm, um Röntgen- oder Gammastrahlungen mit einer Energie von <5 keV abhalten zu können.

Das isolierende Substrat kann mit jedem beliebigen elektrisch isolieren­ den Material verwirklicht werden und erfüllt außerdem die Aufgabe ei­ ner thermischen Isolierung. Für ein solches isolierendes Substrat kön­ nen Keramiken wie etwa Tonerde oder Kieselerde, Gläser, Polymere und dergleichen erwähnt werden.

Das Halbleitermaterial des erfindungsgemäßen Detektors muß in der Lage sein, die ionisierende Strahlung in elektrische Ladungen umzu­ formen. Insbesondere muß dieses Material ein Röntgen- oder Gamma­ photon in einige 100 Elektronen-Löcher-Paare umwandeln können; die­ ses Halbleitermaterial muß daher einen hohen spezifischen Widerstand, der vorzugsweise größer als 10³ Ωm aufweisen.

Das Halbleitermaterial kann aus jedem beliebigen bekannten Halblei­ termaterial wie etwa Germanium, Silizium oder binären, tertiären oder quarternären Legierungen der Elemente der Gruppe III und V oder der Elemente der Gruppen II und VI des chemischen Periodensystems der Elemente verwirklicht sein.

Vorzugsweise ist der Halbleiter aus Silizium, aus GaAs oder aus CdTe mit hohem spezifischem elektrischen Widerstand hergestellt.

Gemäß der Erfindung kann die Bilderzeugungseinrichtung ein oder zwei Ladungssammelsysteme aufweisen, die beiderseits des Halblei­ termaterials deckungsgleich angeordnet sind. In diesem Fall müssen mit dem zweiten Sammelsystem zweite Ladungsleseschaltungen durch Hy­ bridisierung mittels Mikrokugeln in der Verbindungszone verbunden sein.

Gemäß der Erfindung kann die Sammlung der Ladungen durch eine Zeilenelektrode oder durch eine Spaltenelektrode über die gesamte Abmessung des Detektors hinweg verwirklicht sein, welcher dann durch Zählen der einzelnen Photonen arbeitet. In diesem Fall ist das zweite Ladungssammelsystem durch eine gleichmäßige, leitende Schicht gebildet, die auf der Detektoranordnung abgelagert ist.

Vorzugsweise sind die beiden Ladungssammelsysteme in der Erfas­ sungszone jeweils durch parallele, metallische, leitende Mikrobänder gebildet, wobei die leitenden Mikrobänder des ersten bzw. des zweiten Systems in Richtungen gekreuzt sind, die untereinander einen Winkel von 60° bis 90° einschließen.

Die gemeinsame Elektrode, aber auch die Bandelektroden der beiden Systeme können in Querrichtung vorteilhaft in zwei Abschnitte unter­ teilt werden, wodurch es möglich ist, Zugriff auf einen höheren Photo­ nen-Zählwert und/oder auf eine verbesserte räumliche Auflösung der Einrichtung zu haben.

Der Lesevorgang der im Halbleitermaterial gebildeten elektrischen La­ dungen für jede Zeile und für jede Spalte muß mit Hilfe von Leseschal­ tungen mit sehr geringem Rauschen ausgeführt werden, weil die einem erfaßten Röntgen- oder Gammaphoton entsprechende Ladung auf meh­ rere Meßwege (Spalten und Zeilen) verteilt ist. Außerdem sind diese Leseeinrichtungen in unmittelbarer Umgebung der Erfassungszone, je­ doch zur Verhinderung einer Bestrahlung außerhalb derselben ange­ ordnet.

Um die Leistungseigenschaften hinsichtlich des thermischen Rauschens der Leseschaltungen durch Erniedrigung desselben zu verbessern, kann ein Kühlsystem vorgesehen werden. Dieses System kann aus einer Struktur mit Peltier-Effekt bestehen.

Gemäß der Erfindung sind die Leseschaltungen auf dem Halbleiterma­ terial hybridisiert angeordnet, so daß eine Bilderzeugungseinrichtung mit geringer Größe erhalten werden kann. Diese Leseschaltungen um­ fassen insbesondere integrierte Transistoren vom MOS-Typ, die die Aufgabe von Verstärkern erfüllen, wobei jeder Transistor einer Elek­ trode zugeordnet ist.

Vorzugsweise sind die Ausgänge dieser Transistoren mit den elektri­ schen Widerständen verbunden, welche ihrerseits miteinander verbun­ den sind. Auf diese Weise kann die Lokalisierung des einfallenden Bündels nach dem Anger-Prinzip rekonstruiert werden.

Gemäß der Erfindung können sich die Leseschaltungen des ersten und des zweiten Elektrodensystems (beispielsweise die Zeilenelektroden und die Spaltenelektroden) auf beiden Seiten des Halbleitermaterials befinden. Es ist jedoch möglich, diese Leseschaltungen auf ein und der­ selben Seite des Halbleitermaterials anzuordnen. In diesem Fall können im Halbleitermaterial Durchlässe (oder Löcher) vorgesehen werden, um einen Durchgang der elektrischen Leiter von einer Seite zur ande­ ren des Materials zu ermöglichen.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen, die auf bevorzugte Ausführungsformen der vorlie­ genden Erfindung gerichtet sind, angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungs­ formen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Mikrobilderzeugung, die hybridi­ sierte Leseschaltungen verwendet;

Fig. 1A eine abgewandelte Ausführungsform der Elektroden des er­ findungsgemäßen Detektors;

Fig. 2 eine Längsschnittansicht der Einrichtung von Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Ein­ richtung, die integrierte Leseschaltungen verwendet, die sich auf dem Erfassungs-Halbleitermaterial befinden;

Fig. 4 eine schematische, perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung, die hybridisierte Leseschaltungen verwendet;

Fig. 5 eine schematische, perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bilderzeugungs­ einrichtung, die eine gemeinsame Elektrode verwendet;

Fig. 6 eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung, in der die Leseschaltungen auf derselben Seite des Halbleitermaterials angeordnet sind; und

Fig. 7 eine schematische Teilschnittansicht einer weiteren Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung, die für die Erfassung eine Dünnschicht aus Halbleitermaterial verwen­ det.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, umfaßt die erfindungsgemäße Einrich­ tung zur Bilderzeugung mittels ionisierender Strahlung (Röntgen- oder Gammastrahlung) einen zweidimensionalen Detektor, der aus einer Detektorplatte 2 aus massivem Halbleitermaterial gebildet ist, deren mittiger Teil 4 die Erfassungszone oder die für die Bilderzeugung be­ stimmte Zone bildet. Der Umfangsbereich des Halbleitermaterials 2 ist für die Leseschaltungen vorgesehen. Erfindungsgemäß ist das Halblei­ termaterial 2 Silizium, Galliumarsenid oder Cadmiumtellurid mit ho­ hem spezifischem elektrischen Widerstand, der typischerweise größer als 10³ Ωcm ist. Die Halbleiterplatte 2 besitzt typischerweise eine Dicke von 100 bis 400 µm. Sie stellt die Umwandlung der auf die Oberseite der Platte 2 einfallenden ionisierenden Strahlung 6 in Elek­ tronen-Löcher-Paare sicher, die durch zwei Elektrodennetze 8 bzw. 10 gesammelt werden, die direkt auf der Oberseite bzw. auf der Unterseite des Halbleiters 2 aufgebracht sind.

In einem massiven Halbleiter wird die Erfassung ausschließlich nach dem Prinzip der photoelektrischen Wechselwirkung bewerkstelligt, damit die bestmögliche räumliche Auflösung erhalten wird.

In der Bilderzeugungszone 4 besitzen die Elektroden 8 die Form von Mikrobändern, die in x-Richtung parallel zueinander orientiert sind, während die Elektroden 10 ebenfalls die Form von Mikrobändern be­ sitzen, die in der zur x-Richtung senkrechten y-Richtung parallel zuein­ ander orientiert sind. Die Elektroden 8 und 10 definieren daher in der Bilderzeugungszone 4 die Erfassungszeilen und -spalten.

Die Elektroden 8 und 10 sind in dem gezeigten Fall aus einem leitenden Metall und insbesondere aus Aluminium, Chrom, Silber, Wolfram, Gold oder dergleichen verwirklicht. Sie werden beispielsweise durch eine Metallabscheidung durch Kathodenzerstäubung gemäß der "Lift- Off"-Technik (Belichtung eines lichtempfindlichen Harzes durch eine das Bild der zu verwirklichenden Elektroden darstellende Maske → Entwicklung des Harzes → Abscheidung der metallischen Schicht → Auflösen des Harzes) verwirklicht.

Die Elektroden besitzen in der Erfassungszone eine Breite von 0,2 µm bis 1,5 µm und sind durch eine Strecke von 2 µm bis 10 µm beabstan­ det; ihre Dicke beträgt 10 bis 300 nm.

In der gezeigten Ausführungsform besitzt die Erfassungs- oder Bilder­ zeugungszone 4 bei Betrachtung von oben die Form eines Quadrats, dessen Kantenlänge kleiner als 1 mm ist.

Beispielsweise kann eine Bildzone 4 von 300×300 µm² nach der bary­ zentrischen Rekonstruktion von Bildelementen (Bildpunkten, deren Abmessungen durch den Schnittpunkt einer Zeile mit einer Spalte der Erfassungszone festgelegt sind) von 0,6×0,6 µm² ein Bild mit 500×500 Bildelementen (elementare Anzeigepunkte) liefern.

Selbstverständlich kann auch eine Erfassungszone mit rechtwinkliger Form von einigen mm² in Betracht gezogen werden.

Die baryzentrischen Verfahren erlauben eine Lokalisierung des auf den Detektor einfallenden Bündels, die besser als 1 Mikrometer ist. Sie ge­ statten die Verwendung eines Detektors, wie er etwa in Fig. 1 gezeigt ist, der wenigstens zehnmal kleiner als diejenigen ist, die bis jetzt im Bereich der Röntgen- oder Gammabilderzeugung verwendet worden sind.

Gemäß der Erfindung weist der zweidimensionale Detektor eine Ver­ bindungs- oder Lesezone 11 auf, die sich im Umfangsbereich der Er­ fassungszone 4 befindet. In dieser Zone 11 ist der Abstand der Elektro­ den 8 und 10 größer als derjenige der Elektroden in der Erfassungszo­ ne und ist typischerweise im Bereich von 100 bis 1000 µm gewählt.

Diese Vergrößerung des Abstandes der Elektroden in der Verbindungs­ zone kann auf verschiedenen Weisen verwirklicht werden.

Beispielsweise können die Elektroden 8 an ihrem Ende außerhalb der Erfassungszone 4 Seitenschenkel 8a aufweisen, die zur x-Richtung senkrecht orientiert sind. Die Enden der Seitenschenkel 8a können ent­ lang der Diagonale z des Detektors angeordnet sein, um dadurch ihren gegenseitigen Abstand zu vergrößern.

Ebenso können die Elektroden 10 an ihren Enden Schenkel 10a aufwei­ sen, die zur y-Richtung senkrecht orientiert sind und deren gegenseiti­ ger Abstand größer als derjenige der Mikrobänder in der Erfassungs­ zone ist.

Die Schenkel 8a und 10a der Elektroden 8 und 10 können auch in einer Richtung orientiert sein, die mit der x-Richtung einen stumpfen Winkel bildet, wie in Fig. 1A gezeigt ist. Die Schenkel 8a und 10a brauchen außerdem nicht zueinander parallel sein, sondern können fächerförmig angeordnet sein.

Jede andere Anordnung der Schenkel 8a und 10a der Elektroden 8 und 10, die ihren gegenseitigen Abstand in der Verbindungszone 11 ver­ größert, um mit einer Hybridisierung durch Mikrokugeln verträglich zu sein, kann in Betracht gezogen werden.

In wenigstens einer von zwei Ecken der Oberseite der Halbleiterplatte 2 und in der Verbindungszone 11 befinden sich integrierte Schaltungen 12, die gemäß einer Hybridisierungstechnik mit den Schenkeln 8a der Leiterelektroden 8 verbunden sind und zum Lesen der von diesen Elektroden gelieferten elektrischen Signale bestimmt sind.

Ebenso befinden sich wenigstens in einer von zwei Ecken der Unter­ seite der Halbleiterplatte 2 und in der Verbindungszone 11 integrierte Schaltungen 14, die gemäß der Hybridisierungstechnik mit den Schen­ keln 10a der Elektroden 10 verbunden und zum Lesen der von diesen Elektroden gelieferten elektrischen Signale bestimmt sind.

Die Hybridisierung des zweidimensionalen Detektors und der Lese­ schaltungen kann mittels eines Anschlusses durch Indium-Kugeln, die mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet sind, ausgeführt werden. Die Verbindung der Schaltungen 12 und 14 mit den leitenden Elektroden 8 bzw. 10 ist im Umfangbereich des Halbleitermaterials 2 verwirklicht, dort, wo der Abstand zwischen den Verbindungen ausreichend vergrö­ ßert ist, um mit dieser Hybridisierungstechnik verträglich zu sein.

Somit sind die Funktionen der Erfassung und des Lesens aufgeteilt und können unabhängig voneinander optimiert werden.

In der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sind die Elektroden 8 in zwei Gruppen 19 und 21 verteilt, die jeweils mit einer Leseschaltung 12 verbunden sind. Ebenso sind die Elektroden 10 in zwei Gruppen aufgeteilt, die jeweils mit einer Leseschaltung 14 ver­ bunden sind.

Die Leseschaltungen 12 und 14 enthalten Verstärker 18 bzw. 20 mit sehr geringem Rauschen, die sich in unmittelbarer Umgebung der Er­ fassungszone 4 befinden; mit jeder Elektrode 8 ist ein Verstärker 18 verbunden, während mit jeder Elektrode 10 ein Verstärker 20 verbun­ den ist. Diese Verstärker sind insbesondere MOS-Transistoren, die auf einem Siliziumsubstrat verwirklicht sind, welches von demjenigen des Detektors verschieden ist.

Diese Leseverstärker 18 und 20 können gleichzeitig (was der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform entspricht) oder möglicherweise unabhän­ gig voneinander gelesen werden.

Die Lokalisierung des einfallenden Bündels 6 und daher die Verarbei­ tung der von den Verstärkern 18 und 20 gelieferten Signale wird durch daran besonders angepaßte Schaltungen 22 bzw. 24 verwirklicht, wel­ che sich soweit wie möglich von der Erfassungszone 4 entfernt und insbesondere außerhalb des Halbleiters 2 befinden. Diese besonderen Schaltungen sind beispielsweise die unter dem Namen eines Ladungsle­ seregisters bekannten und von der THOMSON-Gesellschaft (TMS) vertriebene Schaltungen.

Erfindungsgemäß kann mit jedem Verstärker eine besondere Verarbei­ tungsschaltung verbunden sein. Vorzugsweise werden jedoch nur zwei besondere Schaltungen verwendet, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. In die­ sem Fall sind die Stromausgänge der Verstärker derselben Gruppe (hier 19 und 21) über eine Widerstandsbrücke 26 miteinander verbunden.

Diese Anordnung erscheint in Fig. 3 deutlicher, die in einer Draufsicht einen erfindungsgemäßen Detektor zeigt, in dem die Leseschaltungen in den Festkörper-Halbleiter 2 integriert und nicht wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt hybridisiert sind.

Die folgende Beschreibung bezieht sich nur auf das Netz von Zeilen und dessen zugehörige Leseschaltungen, es versteht sich jedoch von selbst, daß die Spaltenelektroden und ihre zugehörigen Leseschaltun­ gen, die auf der anderen Seite des Halbleiters 2 vorgesehen sind, nach dem gleichen Prinzip angeordnet werden können.

In dieser Fig. 3 sind die oberen Elektroden, die zur x-Richtung parallel sind, mit dem Bezugszeichen 28 bezeichnet; sie besitzen ausschließlich die Form von zueinander und zur x-Richtung parallelen Mikrobändern.

Die Transistoren 18, die jeweils mit einer Zeilenelektrode 28 verbun­ den sind, sind mit ihren Ausgängen über eine Widerstandsbrücke 26 miteinander verbunden, derart, daß lediglich zwei Ausgangssignale -u und +u für die Zeilenelektroden x bzw. I₁ und I₂ für die Spaltenelek­ troden y erhalten werden. Das Verhältnis der Zeilensignale zu den Spaltensignalen erlaubt die direkte Lokalisierung des Auftreffpunktes des einfallenden Bündels auf dem Detektor. Dieses Verhältnis wird durch die besonderen Schaltungen 22 und 24 berechnet.

Die von den Leseschaltungen 12 und 14 gelieferten elektrischen Signale ergeben auf bekannte Weise in zeitlicher Koinzidenz die Abszisse x bzw. die Ordinate y des Wechselwirkungspunktes der Strahlung mit dem Detektor.

Außer in der Form der Elektroden unterscheidet sich die Fig. 3 von den Fig. 1 und 2 durch die Verwendung einer einzigen besonderen, externen Schaltung 22, weil die Zeilenelektroden 28 (und folglich die Transistoren 18) nicht in zwei Gruppen aufgeteilt sind.

Wie in Fig. 4 gezeigt, ist es möglich, die oberen Elektroden und die unteren Elektroden in der zu den Mikrobändern senkrechten Richtung y in zwei gleiche Teile zu trennen. Auf diese Weise können vier Gruppen 28, 30, 32 und 34 von oberen Elektroden erhalten werden, die jeweils mit einer Leseschaltung 12 verbunden sind, die mit den obenbeschrie­ benen Schaltungen identisch ist. Die somit in vier Sektoren unterteilte Erfassung gestattet eine Verbesserung der räumlichen Auflösung oder des Zählwertes.

Wie in Fig. 5 gezeigt, ist es außerdem möglich, eines von zwei Elek­ trodensystemen, beispielsweise das von der Oberseite des Halbleiters 2 getragene System zu verwenden, wobei eine gemeinsame Elektrode 38 verwendet wird, die die gesamte Erfassungszone 4 des Detektors ab­ deckt. Unter diesen Bedingungen arbeitet der Detektor durch die Zäh­ lung einzelner Photonen.

Diese gemeinsame Elektrode 38 ist selbstverständlich an ihrem Aus­ gang mit einem außerhalb der Erfassungszone 4 befindlichen Verstär­ ker 18 verbunden, der beispielsweise in den Halbleiter integriert ist. Das Netz von unteren Elektroden kann wie in Fig. 1 gezeigt angeordnet oder aber wie in Fig. 4 gezeigt in Sektoren unterteilt sein.

Ebenso kann die gemeinsame Elektrode 4 entlang einer zur x-Richtung senkrechten Richtung in zwei im wesentlichen identische Teile getrennt sein, wodurch ein Zugriff auf einen doppelt so großen Zählwert mög­ lich ist.

In den Fig. 1 bis 5 waren die Leseschaltungen 12 und 14 der Zeilen­ elektroden bzw. der Spaltenelektroden an der Unterseite bzw. an der Oberseite des Halbleiters 2 angeordnet und mit den Zeilenelektroden bzw. mit den Spaltenelektroden belegt.

Es ist jedoch möglich, die Leseschaltungen 12 der Zeilenelektroden auf der Unterseite des Detektors 2 anzuordnen, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Hierzu sind im Umfangsbereich des Halbleiters 2 Durchlässe 40 (oder Löcher) gebildet, die den Halbleiter von einer Seite zur nächsten durchsetzen. Diese Löcher sind mit einem leitenden Material 42 ge­ füllt, mit welchem die Elektroden 8 mit elektrischen Kontaktanschlüs­ sen 44 verbunden werden können, die auf der Unterseite des Halblei­ ters 2 ausgebildet und für den Anschluß einer Leseschaltung 12 be­ stimmt sind.

In der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform sind die Leseschaltungen 12 Hybridschaltungen, die über Indium-Kugeln 16 mit den elektrischen Kontaktanschlüssen 44 verbunden sind.

Die Löcher 40 können durch Laserstrahlen oder durch Ultraschall aus­ gebildet werden, während die Metallisierung dieser Löcher entweder durch chemische Abscheidung oder durch Transport in der Dampf­ phase verwirklicht wird. Unter diesen Bedingungen können die Lese­ schaltungen 12 und 14 der Zeilen bzw. Spalten auf demselben mit dem Halbleiter 2 verbundenen Substrat ausgebildet sein. Die Verbindung der leitenden Zeilen und Spalten mit den Leseschaltungen 12 und 14 ist wie in Fig. 1 gezeigt sichergestellt.

Der in den Fig. 1 bis 6 gezeigte Detektor der Erfindung enthält als Detektormaterial ein massives Halbleitersubstrat 2. Dadurch ist die Er­ fassung von Röntgen- oder Gammastrahlung mit niedriger Energie bis 5 keV, mit einer Energie von 5 keV bis 15 keV oder aber mit einer Energie von mehr als 15 keV möglich.

Außerdem kann eine Kühlvorrichtung 46 (siehe Fig. 1 und 2) vorgese­ hen werden, um die Leistungseigenschaften der Verstärker durch Ab­ senkung des thermischen Rauschens zu verbessern. Diese Vorrichtung ist insbesondere für die Bilderzeugung mittels Strahlung einer Energie von mehr als 5 keV erforderlich. Diese Kühlvorrichtung besteht aus Schaltungen mit Peltier-Effekt.

Im Falle von sehr weichen Röntgen- oder Gammastrahlen, d. h. mit ei­ ner Energie von weniger als 5 keV, ist es möglich, den Detektor der Erfindung wie in Fig. 7 gezeigt zu verwirklichen.

Dieser Detektor umfaßt ein elektrisch und thermisch isolierendes Substrat 48, beispielsweise aus Tonerde, auf dessen Oberseite das unte­ re Elektrodensystem verwirklicht ist. Diese Spaltenelektroden können gemäß der "Lift-Off"-Technik aus Wolfram oder aus Chrom verwirk­ licht sein und die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Formen besitzen.

Die Gesamtheit der Elektroden 10 ist mit einer Schicht 50 aus amor­ phem Silizium oder jedem anderen Halbleitermaterial mit hohem spe­ zifischen elektrischen Widerstand abgedeckt, wobei die Schicht 50 eine Dicke von einigen Mikrometern besitzt. Diese Schicht 50 bildet die Detektorschicht für die ionisierende Strahlung und stellt die Umwand­ lung dieser Strahlung in elektrische Ladungen sicher. Auf der Oberseite der Detektorschicht 50 befinden sich die Zeilenelektroden 8, die we­ nigstens in der Erfassungszone senkrecht zu den Spaltenelektroden 10 orientiert sind. Sie sind wie oben (Fig. 1 bis 4) beschrieben verwirk­ licht.

In Fig. 7 sind die Zeilenleseschaltungen 12 und Spalten-Leseschaltun­ gen 14 durch Hybridisierung mit der Detektorschicht 50 verbunden. Sie können selbstverständlich in die Schicht 50 integriert sein. Außerdem können sich diese Schaltungen entweder auf derselben Seite der Halb­ leiterschicht 50 oder auf der Oberseite der Schicht 50 oder aber, wie in Fig. 7 gezeigt ist, an der Seitenfläche befinden. Außerdem sind diese Schaltungen auf derselben Seite des Substrats 48 angeordnet.

Gemäß der Erfindung sind diese Leseschaltungen im Umfangsbereich der Detektorschicht 50 angeordnet. Die Leseverstärker, die mit dem Erfassungshalbleiter integriert (Fig. 3) oder hybridisiert (Fig. 1, 2) sind, sind von NMOS- und/oder PMOS-Transistoren in Übereinstim­ mung mit den mikroelektronischen Techniken gebildet. Anstatt der Verwendung zweier metallischer Elektrodennetze, wie oben beschrie­ ben worden ist, ist es möglich, die einfallende Gamma- oder Röntgen­ strahlung unter Verwendung von nur einem Elektrodennetz, beispiels­ weise dem oberen Elektrodennetz 8, welches an resistive Verbindungs­ leitungen angeschlossen ist, zu lokalisieren. In diesem Fall ist es aus­ reichend, auf den oberen metallischen Elektroden auf bekannte Weise resistive Zeilen hinzuzufügen, die beispielsweise durch Ionendiffusion in ein Halbleitermaterial, das von demjenigen des Detektors verschie­ den ist, gebildet sind, wobei dann jedes Ende mit einem Verstärker verbunden ist, um auf der metallischen Zeile den Auftreffpunkt der Röntgen- oder Gammastrahlung zu lokalisieren.

Die Bestimmung des Auftreffpunktes der einfallenden Strahlung wird bei Verwendung einer resistiven Anschlußleitung wie im Patent US-A-4 411 059 beschrieben verwirklicht.

Claims (14)

1. Einrichtung zur Mikrobilderzeugung mittels ionisierender Strahlung, gekennzeichnet durch einen zweidimensionalen Detektor, der umfaßt:

• - ein Festkörper-Halbleitermaterial (2, 50), das eine einfallende ionisierende Strahlung (6) in elektrische Ladungen umwandeln kann und eine erste und eine zweite Seite, die zueinander parallel sind, auf­ weist,
• - eine Erfassungszone (4), die in einem mittigen Bereich des Festkörpermaterials definiert ist,
• - eine Verbindungszone (11), die sich im Umfangsbereich der Erfassungszone befindet,
• - und wenigstens ein erstes System (10) zum Sammeln von La­ dungen, das aus einem Netz von leitenden, metallischen Elektroden besteht, das auf der ersten Seite des Materials angeordnet ist und in der Erfassungszone parallele Mikrobänder aufweist, wobei der gegenseitige Abstand (10a) der Elektroden in der Verbindungszone (11) vergrößert ist, so daß er mit einer Verbindung durch Mikrokugeln verträglich ist und erste Leseschaltungen (14) für die Ladungen, wobei die Lese­ schaltungen mit dem ersten Sammelsystem durch Hybridisierung mit­ tels Mikrokugeln in der Verbindungszone (11) elektrisch verbunden sind.

2. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zweiten Seite des Materials und wenigstens gegenüber den me­ tallischen Mikrobändern des ersten Systems ein zweites System (8, 28, 38) zum Sammeln von Ladungen angeordnet ist und daß zweite Lese­ schaltungen (12) für die Ladungen mit dem zweiten Sammelsystem in der Verbindungszone durch Hybridisierung mittels Mikrokugeln elek­ trisch verbunden sind.

3. Einrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite System (8, 28) zum Sammeln von Ladungen aus einem Elektrodennetz besteht, das in der Erfassungszone parallele, leitende, metallische Mikrobänder aufweist, die zu den leitenden Mikrobändern des ersten Sammelsystems im wesentlichen senkrecht orientiert sind.

4. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrobänder einen gegenseitigen Abstand besitzen, der 5 µm ist.

5. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand der Elektroden in der Verbindungszone 10 µm ist.

6. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial ein massives Material (2) oder eine Dünnschicht (50) ist, die auf einem elektrisch isolierenden Substrat abgelagert ist.

7. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial (2, 50) aus Silizium, Galli­ umarsenid oder Cadmiumtellurid mit hohem spezifischen elektrischen Widerstand verwirklicht ist.

8. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Mikrobänder des ersten (10) und/oder des zweiten (8, 28) Systems in Querrichtung in zwei im we­ sentlichen identische Abschnitte aufgeteilt sind.

9. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und die zweiten Leseschaltungen (12, 14) auf den beiden gegenüberliegenden Flächen des Halbleitermaterials angeordnet sind.

10. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Leseschaltungen (12, 14) auf derselben Seite des Festkörpermaterials angeordnet sind, wobei in dem Material Durchlässe (40) ausgearbeitet sind, um den Durchgang von elektrischen Leitern (42) zur anderen Seite des Materials zu ge­ währleisten, wobei diese elektrischen Leiter (42) für die elektrische Verbindung der auf dieser anderen Seite angebrachten Schaltungen (12) bestimmt sind.

11. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und/oder zweiten Leseschaltungen Transistoren (18) aufweisen, die die Aufgabe von Verstärkern erfüllen, wobei jeder Transistor mit einer Elektrode verbunden ist.

12. Einrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren der ersten und/oder der zweiten Leseschaltung (12, 14) Ausgänge besitzen, die miteinander über elektrische Wider­ stände (26) elektrisch verbunden sind.

13. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Mikrobänder des zweiten Sammel- Systems in der Erfassungszone mit Mikrobändern verbunden sind, die in das Halbleitermaterial (2) mit hohem spezifischen elektrischen Wi­ derstand diffundiert sind.

14. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden des ersten und/oder des zweiten Sammelsystems außerhalb der Erfassungszone Schenkel (8a, 10a) auf­ weisen, deren gegenseitiger Abstand ausgehend von den jeweiligen Mi­ krobändern des ersten und/oder des zweiten Systems zunimmt und die der Verbindung der Mikrobänder mit den zugehörigen Leseschaltungen dienen.