具有优化电容的不透光焊盘结构的X射线检测器的制作方法

本发明涉及一种x射线检测器和一种医学装置。

背景技术：

合适的直接转换x射线检测器可以用在x射线成像领域中，例如计算机断层摄影术、血管造影术或射线照相术。x射线辐射或光子可以通过适当的传感器被转换为电脉冲。传感器材料的示例包括cdte、czt、cdzntese、cdtese、cdmnte、inp、tlbr2、hgi2、gaas等。电脉冲由评估电子器件(例如衬底中的集成电路(专用集成电路：asic))来分析。

在具有直接转换半导体传感器的合适x射线检测器中，通过在传感器中吸收x射线量子而生成电子空穴对。电子空穴对被施加到该传感器的电场分离。电荷在传感器的两侧上的电极中引起电荷脉冲。在x射线检测器的检测器元件中，电荷脉冲从读出触点被传送到检测器元件的信号处理链的输入端。该链的第一部件通常是前置放大器，例如电荷灵敏前置放大器或互阻抗放大器。前置放大器的输入电容会影响其噪声特性。前置放大器的输入电容在功率消耗和传递函数方面也会影响前置放大器的设计。

标准的读出触点通常用于使用焊接连接(例如焊球)将传感器连接到集成电路(asic)的输入端。在这种情况下，出于稳定性的原因，通孔连接通常被用来连接读出触点下方的一些或全部金属层。通孔连接是一个穿孔。通孔连接表示导电连接。通孔连接可以在两个金属层或金属化层之间提供导电连接。读出触点的直径由悍球的大小确定，该悍球用作到传感器的焊接连接。焊球被选择为尽可能大，以便最大化传感器和顶部金属层之间的距离，并由此最小化读出触点和集成电路之间的电容。为了相对于集成电路中的邻接导电路径而减小读出触点下方的通孔连接的电容，可以在通孔连接周围配置无金属化区域。这两种措施导致对读出触点及其下方结构(例如，通孔连接和无金属化区域)有很高的空间要求。在高度集成的像素电子器件的情况下，由于各个检测器元件之间的距离较小，所以这些措施会带来一定的问题。此外，由于无金属化区域，已经穿透传感器的光可能进入集成电路，并且影响模拟电子器件，例如前置放大器。例如，在灵敏模拟电路中，光可能产生电荷载流子。灵敏模拟放大器电路的响应可能被改变并由此退化。因此，前置放大器的不透光输入将是有利的。不透光的输入是重要的，尤其是对于下述x射线检测器而言更为重要：在该检测器中，光(例如，uv光或可见光)可以到达传感器的上表面。对不透光性的要求使得难以同时实现最小的输入电容。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种x射线检测器和一种医学装置，其允许前置放大器的不透光输入和前置放大器的最小输入电容。

该目的通过根据权利要求1所述的x射线检测器和根据权利要求19所述的医学装置来创造性地实现。

本发明涉及一种x射线检测器，该x射线检测器包括衬底，衬底具有在读出触点与前置放大器的输入端之间的导电连接，读出触点位于衬底的顶侧的区域处或中，前置放大器位于集成电路的有源层中。第一导电连接设置在读出触点和第二导电连接之间。在衬底的顶侧处的第一光防护件的表面大于透光区域的表面，使得第一光防护件的表面在沿表面法线的第一投影中覆盖透光区域的表面，透光区域在衬底中并且在侧向上由第二光防护件界定。第二导电连接设置在透光区域的表面沿表面法线的第二投影内并且在第二光防护件的下方。第二导电连接与前置放大器之间的第三导电连接设置在第二光防护件的下方。前置放大器的输入端被保护以免受光的直接入射。

衬底可以包括asic的整个体积和构建在其上的层，包括第一绝缘层、金属层和包括有源层的晶片衬底。例如，晶片衬底可以基于硅。例如，金属层可以包括铜或铝。例如，金属层或金属化层可以通过诸如氧化硅之类的电介质彼此分离。例如，第一绝缘层可以包括氧化硅。

第一光防护件可以是读出触点。第一光防护件和读出触点可以形成一个单元。在一个备选的实施例变型中，第一光防护件和读出触点不形成一个单元，因此也可以设置第一光防护件和读出触点之间的导电连接。第一光防护件可以是与读出触点不同的结构部件；例如，它可以是焊接连接。第一光防护件可以包括金属。第一光防护件可位于衬底上表面的区域处或中，该上表面面向传感器，例如与读出触点一起作为一个单元。第一光防护件可以位于衬底的上表面处的读出触点上方。第一光防护件在第一投影中覆盖透光区域，该透光区域在侧向上由第二光防护件界定。用于界定透光区域的第二防光防护件的开口小于第一光防护件的表面。表面可以表示表面积。第一导电连接可以包含多个部分。第一导电连接可以具有一个中间触点。在透光区域内，第二导电连接可以以导电的方式连接到第一导电连接。第二光防护件可以是金属层。透光区域不具有金属层，并确保金属层和第一导电连接之间的距离。电容被有利地最小化。其他信号到前置放大器的输入端的耦合被有利地减小或防止。有利地，透光区域位于被第一光防护件投下阴影的区域。在第二光防护件下方，例如在cmos层或金属层内，第二导电连接被连接到前置放大器的输入端。有利地，前置放大器的输入电容被最小化。读出触点到前置放大器的输入端的导电连接被称为焊盘结构，其中所述焊盘结构包括读出触点。读出触点可以被称为球焊盘。有利的是，所实现的x射线检测器具有优化电容的不透光焊盘结构或者具有读出触点到前置放大器的输入端的连接。有利地，光的直接入射无法透过焊盘结构。有利地，uv光或可见光无法透过焊盘结构。第一导电连接、第二导电连接和第三导电连接可以位于第一光防护件、第二光防护件和第三光防护件的共享阴影中，使得以特别有利的方式保护前置放大器的输入端不受到光的直接入射。

本发明还涉及一种医学装置，其包括根据本发明的x射线检测器。

医学装置可以是放射线摄影设备、c形臂血管造影系统或计算机断层摄影装置。在优选的实施例变型中，医学装置是计算机断层摄影装置。x射线检测器的优点可以转移到医学装置上。有利地可以实现可再现的结果或x射线扫描，而不管传感器上的光入射如何变化。x射线检测器可以包括小的检测器元件，并且有利地可以实现高空间分辨率。

根据本发明的x射线检测器的一个方面，读出触点是第一光防护件。读出触点的大小可以被选择为使得其有利地满足焊球或焊接连接的所需大小，同时有利地保护有源层或前置放大器的输入端以免受光的直接入射。

根据本发明的x射线检测器的一个方面，第一导电连接和/或第三导电连接是通孔连接。

第一导电连接可以由多个部分形成。各个部分可以具有通孔连接。通孔连接可以被实施为实心或空心的管状通孔连接。通孔连接可以以堆叠布置方式连接多个金属层。有利地，对于第一导电连接或第二导电连接而言，可以实现高度的稳定性。

根据本发明的x射线检测器的一个方面，第一导电连接或第三导电连接至少部分地被设计为多层通孔连接。多层通孔连接使用金属层的部分区域，所述部分区域与金属层(例如，第二光防护件)在水平方向上隔开一个距离。有利地，可以在金属层的沉积期间实现垂直于金属层的连接。有利地，中间触点和第二导电连接之间的通孔连接的基底表面可小于中间触点的表面。

根据本发明的x射线检测器的一个方面，第一绝缘层设置在衬底的顶侧和第二光防护件之间。

厚的第一绝缘层可以设置在衬底的顶侧和第二光防护件之间。例如，绝缘层可以具有在10μm和200μm之间的厚度。厚的第一绝缘层可以设置在第一光防护件和第二光防护件之间。第一绝缘层可以在整个水平宽度上并且平行于第二光防护件或衬底的上表面而延伸。有利地，第一绝缘层可以在经济或有益的工艺步骤中沉积。有利地，第一绝缘层可以增加结构的机械稳定性。有利地，读出触点的电容可以被最小化。

根据本发明的x射线检测器的一个方面，第一导电连接具有中间触点。第二光防护件具有多个金属层。中间触点设置在上金属层中。

中间触点可以位于上金属层中。中间触点优选地位于顶部金属层中，顶部金属层最接近读出触点并且有利地离有源层最远。中间触点被限制于金属层内的表面，并且被一个间隙包围。上金属层和有源层之间的距离可以较小。有利地，可以独立于读出触点来选择中间触点的大小和形状。

根据本发明的x射线检测器的一个方面，在沿表面法线的投影中，中间触点具有比读出触点小的表面。

中间触点的表面较小，并且优选地对应于技术所允许的最小大小。中间触点的表面比读出触点小。中间触点的形状可以是圆形或有角的。在一个优选的实施例变型中，读出触点小于读出触点表面的50％。有利地，中间触点的大小可以被选择为小于读出触点的大小。上金属层和有源层之间的距离可以较小。由于与读出触点相比，中间触点的表面较小，所以可以有利地减小电容(特别是寄生电容)。由于中间触点的大小较小，所以有利地的是，每个检测器元件可以具有更多的可用于电路的空间。如果禁止将电路定位在触点(例如中间触点)下方，那么中间触点的较小大小是特别有利的，原因在于禁止区域在大小上被减小了。中间触点的大小可以有利地被选择为远小于读出触点的大小，或者远小于焊球或焊接连接的大小。例如，中间触点的大小可以在10μm至50μm的范围内。

根据本发明的x射线检测器的一个方面，有利的是，第一导电连接以导电的方式将读出触点连接到第二导电连接。

根据本发明的x射线检测器的一个方面，第一导电连接包括读出触点和中间触点之间的通孔连接、中间触点、以及中间触点和第二导电连接之间的多层通孔连接。换句话说，读出触点和中间触点之间的通孔连接、中间触点本身以及中间触点和第二导电连接之间的多层通孔连接可以一起形成第一导电连接或其一部分。

第一导电连接可以包括中间触点。读出触点和中间触点可以通过通孔连接进行连接。该通孔连接可以是第一导电连接的一部分。中间触点还可以通过多层通孔连接而连接到第二导电连接，所述第二导电连接位于下金属层中。多层通孔连接可以具有圆形或有角的基底表面。在一个优选的实施例变型中，基底表面可以是多边形，例如八边形。有利地，基底表面可以被选择为小于中间触点的表面，使得无论如何都确保足够的机械稳定性。

根据本发明的x射线检测器的一个方面，通过第一光防护件、第二光防护件或第三光防护件来保护集成电路的有源层免受来自顶侧的光的直接入射。

有利的是，减少或防止了在灵敏模拟电路中或在有源层附近生成电荷载流子。有利的是，借此使得灵敏模拟放大器电路的响应稳定。

第三光防护件可以提供第三导电连接的馈通。第三光防护件界定有源层上方的透光区域，以有利地保护有源层免受光的入射。

根据本发明的x射线检测器的一个方面，第二光防护件或第三光防护件是金属层。有利地，金属层可以通过适当定位和离有源层一定的距离而用作光防护件。有利地，在制造过程中不需要额外的工艺步骤。

根据本发明的x射线检测器的一个方面，第三光防护件具有间隙。有利地，该间隙可以最小化前置放大器的输入电容。这种情况下，间隙位于阴影区域内，例如，位于读出触点的表面或中间触点的表面沿表面法线的投影中。间隙的表面可以小于读出触点的表面或中间触点的表面，从而有利地保护有源层免受光的入射。

根据本发明的x射线检测器的一个方面，第三光防护件是第二光防护件下方的金属层。该金属层可以被实施为使得朝向有源层来界定透光区域。有利地，防止了光入射进入有源层。这个金属层是不透光的。

根据本发明的x射线检测器的一个方面，第二导电连接被设计为金属层。有利地，可以在用于制造金属层的工艺步骤内制造第二导电连接。第二导电连接通过绝缘材料与金属层的其它区域分离和隔开。

根据本发明的x射线检测器的一个方面，第四光防护件设置在衬底的顶侧处。第四光防护件可以是外布线层。第四光防护件可以是金属的，并且有利地是不透光的。第四光防护件可以有利地防止光的入射。有利的是，可以防止上表面上的光的非垂直入射进入透光区域。有利地，第一绝缘层减小了第四光防护件的寄生电容。

根据本发明的x射线检测器的一个方面，第二绝缘层设置在衬底的顶侧处并且在读出触点的表面的外部，并且第四光防护件至少部分地被第二绝缘层覆盖。这有利地保护第四光防护件免受来自衬底外部的影响。有利地，第二绝缘层和第四光防护件有助于机械稳定性。

根据本发明的x射线检测器的一个方面，第一光防护件、第一绝缘层、第二光防护件和前置放大器以堆叠布置的方式被按顺序放置。衬底的顶侧朝向传感器，并且因此第一光防护件位于顶部。前置放大器相对于第一光防护件位于底部，或者位于第一光防护件的下方，因此相对于传感器处于相反的方向。堆叠布置的各个部件可以具有不同的水平范围和垂直范围。第一光防护件和第二光防护件相对于透光区域和前置放大器的输入端被布置，以保护前置放大器的输入端免受光的直接入射。

根据本发明的x射线检测器的一个方面，上金属层、中金属层和下金属层以堆叠布置的方式放置在第一绝缘层和有源层之间。

与中金属层或下金属层相比，上金属层位于距衬底顶侧或传感器较短的距离处。上金属层、中金属层和下金属层是不透光的。有利地，可以在用于制造金属层的制造步骤中至少部分地制造第一导电连接、第二导电连接和第三导电连接。

根据本发明的医学装置的一个方面，医学装置是计算机断层摄影装置。有利的是，对于所有的投影或扫描，可以稳定灵敏模拟放大器电路的响应。有利地，可以提供具有三维或四维表示的重构层图像，其中图像质量与光的入射无关。

附图说明

下面参考附图更详细地解释本发明的示例性实施例，其中：

图1示意性地示出了根据第一实施例变型的本发明的x射线检测器的设计；

图2示意性地示出了根据第二实施例变型的本发明的x射线检测器的设计；

图3示意性地示出了根据第三实施例变型的本发明的x射线检测器的设计；

图4示意性地示出了具有本发明的x射线检测器的布置的检测器模块；以及

图5示意性地示出了本发明的计算机断层摄影装置的图示。

具体实施方式

图1示出了根据第一实施例变型的本发明的x射线检测器1的示例性实施例。衬底23包括asic的整个体积和构建在其上的层，包括第一绝缘层25、金属层10和包括有源层5的晶片衬底。例如，晶片衬底基于硅。例如，金属层10包括铜或铝。例如，金属层10或金属化层通过诸如氧化硅之类的电介质彼此分离。例如，第一绝缘层25可以包括氧化硅。第一光防护件7位于读出触点57的上方。读出触点57位于衬底23的上表面。第一光防护件7和读出触点57可以形成一个单元。第一光防护件7通过读出触点57、第一导电连接17、第二导电连接19和第三导电连接21以导电的方式连接到前置放大器3。第一光防护件7包括金属。前置放大器3位于有源层5中。x射线检测器1还包括第二光防护件9，其侧向地界定了透光区域15。第一导电连接17至少部分地位于第一绝缘层25和透光区域15内。第二导电连接19至少部分地位于透光区域15中，并且在第二光防护件9下方的区域中。第二光防护件下方的区域是第二光防护件9沿表面法线的投影内的区域。第三导电连接21以导电的方式将第二导电连接19连接到前置放大器3。第三导电连接位于第二光防护件9下方。在第二光防护件9、10和有源层5之间设置有第三光防护件10、11。这具有针对第三导电连接21的馈通。第四光防护件13位于衬底23的上表面处。第二绝缘层26位于衬底23的上表面处的第四光防护件13的上方，并且位于衬底23的上表面上，其中针对第一光防护件7留有间隙。

图2示出了根据第二实施例变型的本发明的x射线检测器1的示例性实施例。x射线检测器1具有传感器53和衬底23，传感器53包括例如cdte、czt、cdzntese、cdtese、cdmnte、inp、tlbr2、hgi2或gaas，衬底23包括有源层5。传感器53通过焊接连接69，例如焊球或包含铜的柱状连接(铜柱，未示出)，以导电方式连接到读出触点7、57。读出触点57与第一光防护件7一起形成一个单元。读出触点7、57因此共同形成第一光防护件7。第四光防护件13位于衬底23的上表面。第二绝缘层26覆盖第四光防护件13，并且至少部分地覆盖衬底23的上表面。第四光防护件13是外布线层。在读出触点7、57下方，第四光防护件13和第二绝缘层26位于第一绝缘层25上方。第一绝缘层在下方由第二光防护件25和透光区域15界定。第二光防护件9、10包括多个层。第二光防护件9、10的顶层是顶部金属层10的一部分。中间触点27同样是顶部金属层10的一部分。中间触点27的表面比读出触点7、57的表面小。读出触点7、57通过通孔连接以导电的方式连接到中间触点27，通孔连接是第一导电连接17的一部分。透光区域15在侧向上由第二光防护件9、10的多个层界定。在透光区域15内，中间触点27通过多层通孔连接以导电的方式连接到第二导电连接19，多层通孔连接是第一导电连接17的一部分。第二导电连接19将第一导电连接17连接到第三导电连接21，第三导电连接21位于第二光防护件9、10下方。前置放大器3的输入端位于第三光防护件10、11下方。第三光防护件10、11位于第二光防护件9、10的多个层的下方。第三导电连接21将第二导电连接19连接到有源层5中的前置放大器3的输入端。在中间触点27的下方以及在多层通孔连接的下方形成第三光防护件，第三光防护件包括间隙28，多层通孔连接是第一导电连接17的一部分。

图3示出了根据第三实施例变型的本发明的x射线检测器的示例性实施例。在沿表面法线的投影中，第一光防护件7(与读出触点57一起作为一个单元)、第二光防护件9、10、第三光防护件10、11和第四光防护件13投射阴影14，使得实现有源层5的完全遮蔽。

图4示出了具有本发明的x射线检测器1的布置的检测器模块51的示例性实施例。在优选的实施例变型中，x射线检测器1具有多个像素或子像素的二维矩阵或布置。例如，子像素的数目可以在100到数千的范围内。x射线检测器1具有一个传感器53。传感器53可以被设计为扩展的直接转换器，其包括例如cdte、czt、cdzntese、cdtese、cdmnte、inp、tlbr2、hgi2、gaas等作为转换器材料。传感器53的顶侧具有顶电极55。传感器53的下侧具有触点56的二维布置。触点56通过焊接连接69连接到衬底59中的读出触点57和像素电子器件67。焊接连接69可以被设计为焊球(凸点键)或与铜柱连接的焊接材料。触点56的数目、焊接连接69的数目、衬底59中的读出触点57的数目和像素电子器件67的数目是相同的。顶电极55和触点56之间的电场限定了灵敏的检测体积。包括检测体积、触点56、焊接连接69、读出触点57以及连接到读出触点57的像素电子器件67的单元形成像素或子像素。衬底59的下侧连接到支撑板61。衬底59通过tsv连接63穿过支撑板61连接到外围电子器件65。衬底59具有在读出触点57与前置放大器3的输入端之间的导电连接，读出触点57位于衬底23的顶侧，前置放大器3位于集成电路的有源层5中，从而具有本发明的电容优化的不透光焊盘结构。

图5示出了本发明的计算机断层摄影装置31的示例性实施例，计算机断层摄影装置31具有本发明的检测器设备29。检测器设备29包括根据本发明的x射线检测器1。检测器设备29可以具有多个检测器模块51，其具有至少一个x射线检测器1。检测器模块51优选具有二维矩阵或布置形式的多个x射线检测器1。计算机断层摄影31包括具有转子35的机架33。转子35包括x射线源37和根据本发明的检测器设备29。患者39被支撑在患者床41上，并且可以沿旋转轴线z43移动穿过台架33。计算单元45用于控制和计算截面图像。输入设备47和输出设备49连接到计算单元45。

尽管在此参照优选的示例性实施例详细说明了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制，并且本领域技术人员可以从中得出其他变型，而不偏离本发明的范围。