專利名稱：一種陣列式x射線傳感器及其制作方法
技術領域：
本發明屬于傳感器 設計技術領域，具體涉及一種陣列式X射線傳感器及其制作方法。
背景技術：
X射線傳感器是一種以閃爍晶體材料為基礎，結合半導體光電特性的傳感器件。由于其在太空探索、工業檢測、醫療檢查方面得到廣泛的應用，因而引起了廣泛的研究和應用。X射線傳感器利用傳感媒質將入射的X射線轉換成能夠被電子系統處理的電信號或光信號。目前，傳感媒質主要有采用直接型傳感媒質和采用間接型傳感媒質兩種。采用直接型傳感媒質的X射線傳感器技術中X射線能量被直接型材料轉換成電子空穴對從而被后端的電路接收，典型的直接型傳感媒質如非晶硒(a-Se)、碘化汞(HgI)。采用間接型傳感媒質的X射線傳感器技術中X射線先通過激發間接型傳感媒質產生處于可見光波段的熒光，然后利用半導體光電器件探測熒光信號，典型的間接型傳感媒質如碘化銫(CsI)、硫氧化釓(Gd202S)。采用直接型傳感媒質的X射線傳感器技術中需要給直接型傳感媒質施加IOKV左右高壓，目前尚處在實驗室研究階段，因此大部分的X射線傳感器仍然為采用間接型傳感媒質。間接型傳感媒質中摻鉈碘化銫由于光產額高，弱吸濕性和易大規模生產而得到廣泛應用。現有的光電探測單元器件其光譜響應特性并非完全與摻鉈碘化銫的受激熒光光譜相匹配從而降低了傳感器量子探測效率。現有的陣列X射線傳感器將整塊閃爍晶體與光電器件陣列硅芯片通過粘合劑耦合或者采用物理氣相淀積(PVD)或化學氣相淀積(CVD)方法在光電管陣列硅芯片表面淀積摻鉈碘化銫膜。由于閃爍層的連續性即非像素化且受激熒光在摻鉈碘化銫中是各向同性，因此相鄰的光電管單元之間會發生光信號串擾從而使其空間分辨率較低。

發明內容
針對現有技術所存在的上述技術缺陷，本發明提供了一種陣列式X射線傳感器及其制作方法，能夠改善了相鄰傳感單元之間的光隔離且提高了傳感器的靈敏度。—種陣列式X射線傳感器，包括光電管陣列和設于光電管陣列上的閃爍晶體；所述的光電管陣列包括P+襯底，所述的P+襯底上鋪設有P-外延層，所述的P-外延層上嵌設有若干陣列排布的有源區塊；所述的有源區塊包括嵌設于P-外延層上的N阱和第一 P+有源區，所述的N阱上嵌設有第二 P+有源區；所述的P-外延層上鋪設有氧化層，所述的氧化層中開有若干接觸通孔，氧化層上設有若干與有源區塊對應的金屬電極對；所述的金屬電極對包括第一金屬電極和第二金屬電極，其中，第一金屬電極通過接觸通孔與第一 P+有源區和第二 P+有源區連接，第二金屬電極通過接觸通孔與N阱連接；
所述的閃爍晶體設于氧化層上，閃爍晶體上開有網格狀的光隔離槽，閃爍晶體底部設有與網格狀光隔離槽對應的網格狀消光層；所述的閃爍晶體被網格狀光隔離槽分割成若干陣列排布的像素單元，所述的像素單元與有源區塊一一對應。優選地，所述的N阱的深度為O. 8 μ m，所述的第二 P+有源區的深度為O. 2 μ m ;能夠使光電管陣列的光譜響應范圍在為400 800nm間，與摻鉈碘化銫閃爍晶體的受激熒光發光光譜匹配，進而提高了傳感器的量子探測效率及靈敏度。優選地，所述的閃爍晶體通過折射率為I. 6的粘合劑粘合于氧化層上，所述的粘合劑可采用本領域常規的無溶劑液體粘合劑(如環氧樹脂)；其具有最大的熒光透射傳輸效率，可提高傳感器的量子探測效率及靈敏度。優選地，所述的網格狀消光層采用200 400nm的鉻材料；能夠有效減少了入射到光隔離槽下部的X射線激發的熒光反射，僅有極少量熒光會串擾到光電管陣列，從而進一步增加相鄰光電管單元之間的光隔離度。
優選地，所述的閃爍晶體采用摻鉈碘化銫；其光產額高，吸濕性弱。所述的氧化層采用二氧化硅。所述的第一金屬電極和第二金屬電極均采用鋁電極。所述的P+襯底和P-外延層的組合層采用P型硅片。上述陣列式X射線傳感器的制作方法，包括如下步驟(I)制作光電管陣列首先，采用熱氧化法在P型硅片上生長二氧化硅層；然后，通過對二氧化硅層進行光刻腐蝕，在P型硅片內擴散或注入形成若干陣列排布的有源區塊；所述的有源區塊包括N阱和第一 P+有源區以及嵌于N阱上的第二 P+有源區；最后，通過對二氧化硅層進行光刻腐蝕，在該層中形成若干接觸通孔，并在二氧化硅層表面鍍上鋁金屬層，并對鋁金屬層進行反刻形成若干陣列排布的鋁電極對，所述的鋁電極對與有源區塊一一對應；(2)制作像素化閃爍晶體首先，在摻鉈碘化銫閃爍晶體圓片的非拋光面上光刻出與所述的光電管陣列匹配的陣列式光刻膠圖形；然后，在帶有陣列式光刻膠圖形的非拋光面上鍍上鉻層，采用剝離方法去除陣列式光刻膠圖形，從而形成網格狀鉻消光層；最后，在摻鉈碘化銫閃爍晶體圓片的拋光面上切割出與網格狀鉻消光層對應的網格狀光隔離槽；(3)將光電管陣列與像素化閃爍晶體對準組裝。優選地，所述的步驟(3)中，光電管陣列與像素化閃爍晶體對準組裝的過程為首先，在光電管陣列的上表面涂上一層折射率為1.6的粘合劑；然后，在光學立體顯微鏡下根據光電管陣列和像素化閃爍晶體在光刻過程中留下的對準標記，將光電管陣列的上表面與像素化閃爍晶體的非拋光面粘合在一起。能夠準確的使光電管陣列與像素化閃爍晶體的各
像素單元一一對準。優選地，所述的步驟(2)中，在摻鉈碘化銫晶體圓片的拋光面上采用金剛砂輪切割法切割出與網格狀鉻消光層對應的網格狀光隔離槽；可以方便控制光隔離槽的槽深和槽寬。本發明的有益技術效果為(I)本發明通過硅平面工藝或與CMOS集成電路兼容工藝在P型硅片襯底上制作P+擴散區/N阱/P襯底型雙結深光電管陣列具有低漏電流和高的動態范圍，提高了傳感器對微弱熒光信號的探測能力；通過優化光電管陣列硅芯片的結深，使其與摻鉈碘化銫閃爍晶體的受激熒光發光光譜一致，提高了傳感器的量子探測效率從而提高傳感器的靈敏度。(2)本發明通過微加工上部的空氣隙光隔離槽和下部的網格狀的消光層形成的像 素單元減少了相鄰光電管之間的熒光串擾現象，增加了相鄰傳感單元之間的光隔離度；使閃爍晶體的受激熒光在閃爍晶體與空氣交界處產生全反射，從而減少相鄰光電單元之間的熒光串擾。消光層有效減少了入射到光隔離槽下部的X射線激發的熒光反射，僅有極少量熒光會串擾到光電管陣列，從而進一步增加相鄰光電管單元之間的光隔離度。(3)本發明通過采用優化折射率為I. 6的粘合劑來耦合閃爍晶體與光電管陣列硅芯片，減少了閃爍晶體的受激熒光在傳輸到光電管陣列過程中多界面之間光能傳輸的損耗。


圖I為本發明陣列式X射線傳感器的結構示意圖。圖2為圖I沿AA’方向的截面圖。圖3為受激熒光在相鄰傳感單元之間的傳播示意圖。圖4為本發明陣列式X射線傳感器的制作工藝流程圖。
具體實施例方式為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及具體實施方式
對本發明的技術方案及其制備方法進行詳細說明。如圖I所示，一種陣列式X射線傳感器，包括光電管陣列9和設于光電管陣列9上的閃爍晶體8 ；光電管陣列9包括P+襯底I，P+襯底I上鋪設有P-外延層2，P-外延層2上嵌設有若干陣列排布的有源區塊3 ;如圖2所示，有源區塊3包括嵌設于P-外延層2上的N阱31和第一 P+有源區32，N阱31上嵌設有第二 P+有源區33 ；P-外延層2上鋪設有氧化層4，氧化層4中開有若干接觸通孔5，氧化層4上設有若干與有源區塊3對應的金屬電極對；金屬電極對包括第一金屬電極61和第二金屬電極62，其中，第一金屬電極61通過接觸通孔5與第一 P+有源區32和第二 P+有源區33連接，第二金屬電極62通過接觸通孔5與N阱31連接；N阱31和P+有源區32 33分別作為光電管陣列的陰陽極并通過金屬電極引出。本實施方式中，N阱31的深度為0.8 μ m，第二 P+有源區33的深度為0.2 μ m，能夠使光電管陣列的光譜響應范圍在為400 800nm間，最大量子探測效范圍在550納米的波長附近；氧化層4采用二氧化硅，第一金屬電極61和第二金屬電極62均采用鋁電極；P+襯底I和P-外延層2的組合層采用P型硅片。
閃爍晶體8通過折射率為I. 6的粘合劑7粘合于氧化層4上；閃爍晶體8上開有網格狀的光隔離槽81，閃爍晶體8底部設有與網格狀光隔離槽81對應的網格狀消光層82 ;閃爍晶體8被網格狀光隔離槽81分割成若干陣列排布的像素單元83，像素單元83與有源區塊3--對應,尺寸一致。網格狀消光層82采用300nm的鉻材料，其透射率約為90%，反射率小于10% ;閃爍晶體8采用摻鉈碘化銫，其折射率為I. 79。如圖3所示，X射線入射到本實施方式的傳感器時，摻鉈碘化銫閃爍晶體發出受激熒光，入射到像素單元的X射線激發產生熒光a以及打在空氣隙光隔離槽壁上的熒光b，熒光b在空氣隙邊界上將會全反射到光電管陣列單元；入射到空氣隙光隔離槽的X射線激發的突光c在鉻消光層處只有少量反射串擾到光電管陣列。本實施方式陣列式X射線傳感器的制作方法，包括如下步驟 (I)制作光電管陣列首先，采用熱氧化法在P型硅片上生長二氧化硅層選用電阻率為2 3Ω ·αιι，外延層厚度為15 μ !!!的卩型〈100〉硅片，清洗并烘干處理，烘干后的硅片在1180°C的高溫擴散爐內依次經過20分鐘干氧、60分鐘濕氧以及20分鐘干氧生長一層約500納米的二氧化硅層，如圖4(a)所示，其中在干氧過程中通入700ml/min的氧氣,濕氧過程中通入400ml/min的氧氣；然后，通過對二氧化硅層進行光刻腐蝕，在P型硅片內擴散或注入形成若干陣列排布的有源區塊(包括N阱和第一 P+有源區以及嵌于N阱上的第二 P+有源區)在生長好二氧化硅層的硅片上旋涂光刻膠，經過前烘后將硅片在紫外光下曝光，曝光后用顯影液顯影，烘箱中堅膜處理，用二氧化硅腐蝕液刻蝕出N阱區窗口，如圖4 (b)所示；將刻蝕出N阱窗口的硅片放置高溫擴散爐內，采用液態源三氯氧磷作為N阱的擴散源，經過820°C高溫10分鐘后完成N阱的預擴散，預擴散過程中通入氮氣400ml/min作為保護氣體，氮氣60ml/min作為攜源氣體，同時通入30ml/min的氧氣；預擴散后的片子置于1000°C的擴散爐內依次經過5分鐘干氧、30分鐘濕氧以及10分鐘干氧，完成N阱的再分布,如圖4(c)所示,其中在干氧過程中通入700ml/min的氧氣,濕氧過程中通入400ml/min的氧氣；完成該步驟后采用四探針法測量方塊電阻，確保方塊電阻在70 80Ω ;在擴散好N阱的硅片上旋涂光刻膠，經過前烘后將硅片在紫外光下曝光，曝光后用顯影液顯影，烘箱中堅膜處理，用二氧化硅腐蝕液刻蝕出兩個P+有源區窗口( 一個在N阱左邊，另一個在N阱上)，如圖4(d)所示；將刻蝕出P+區窗口的硅片放置高溫擴散爐內，采用固態源BN作為擴散源，經過980°C高溫30分鐘后完成P+有源區的預擴散，預擴散過程中通入700ml/min氮氣；預擴散后的片子置于去硼硅玻璃液中30秒然后去離子水沖10分鐘后烘干。烘干后的片子置于1000°C的擴散爐內依次經過5分鐘干氧、10分鐘濕氧以及5分鐘干氧，完成P+有源區的再分布，如圖4(e)所示,其中在干氧過程中通入700ml/min的氧氣,濕氧過程中通入400ml/min的氧氣；完成該步驟后采用四探針法測量方塊電阻，確保方塊電阻在30 35Ω ;在擴散好P+有源區的硅片上旋涂光刻膠，經過前烘后將硅片在紫外光下曝光，曝光后經顯影、堅膜后用二氧化硅腐蝕液在二氧化硅層中刻蝕出接觸通孔，如圖4(f)所示；
最后，在制作好接觸通孔的硅片上采用真空蒸發方法鍍上一層鋁層；蒸好鋁層的硅片上旋涂光刻膠，經過前烘后將硅片在紫外光下曝光，曝光后經顯影、堅膜后的硅片放置于80°C的磷酸中3分鐘完成鋁的反刻，形成若干陣列排布的鋁電極對(其與有源區塊一一對應)，如圖4(g)所示；采用半導體參數測試儀測量光電管漏電流，確保漏電流< InA。(2)制作像素化閃爍晶體首先，在I 2毫米厚的摻鉈碘化銫閃爍晶體圓片非拋光面上涂膠，經過前烘后將圓片在紫外光下曝光，曝光后用顯影液顯影，烘箱中堅膜處理，光刻出與光電管陣列匹配的陣列式光刻膠圖形；然后，在圖形化的閃爍晶體表面采用真空熱蒸發法鍍上一層厚度為200 400納米的鉻層，將鍍好鉻層的閃爍晶體浸沒在剝離液中除去光刻膠圖形及覆蓋在光刻膠表面的鉻層從而形成網格狀的鉻消光層，如圖4(h)所示； 最后，在完成鉻消光層制作的摻鉈碘化銫晶體圓片的拋光面上采用金剛砂輪沿著X方向和Y方向切割出與網格狀鉻消光層對應的網格狀光隔離槽；切割刀具采用日本Disc0公司的ZH-05-SD2000-N1-BA型號的刀具，光隔離槽的深度為閃爍晶體厚度的60%左右，寬度為20微米；制作完光隔離槽后，閃爍晶體被分割成若干陣列排布的像素單元，像素單元與有源區塊一一對應，像素單元的面積為100微米XlOO微米，如圖4(i)所示。(3)將光電管陣列與像素化閃爍晶體對準組裝首先，在光電管陣列娃芯片表面涂布一層折射率為I. 6粘合劑；粘合劑可米用托馬斯科技有限公司的TH05020粘合劑，該粘合劑為托馬斯科技有限公司的TH00505A與TH00502B按照2 I的體積比調配而成；然后，在光學立體顯微鏡下根據光電管陣列和像素化閃爍晶體在光刻過程中留下的對準標記，將光電管陣列的上表面與像素化閃爍晶體的非拋光面粘合在一起，常溫下靜置24小時使得粘合劑固化，如圖4(j)所示。通過實驗，我們對現有X射線傳感器和本實施方式就空間分辨率和量子探測效率兩項指標進行測試，具體測試結果數據如表I所示，可見本實施方式的X射線傳感器相對現有技術，量子探測效率和空間分辨率均有一定程度的提高。表I
本實施方式~現有X射線傳感器 空間分辨率 51p/nun41p/mm
量子探測效O. 37032
率
權利要求
1.一種陣列式X射線傳感器,其特征在于包括光電管陣列和設于光電管陣列上的閃爍晶體；所述的光電管陣列包括P+襯底，所述的P+襯底上鋪設有P-外延層，所述的P-外延層上嵌設有若干陣列排布的有源區塊；所述的有源區塊包括嵌設于P-外延層上的N阱和第一 P+有源區，所述的N阱上嵌設有第二 P+有源區； 所述的P-外延層上鋪設有氧化層，所述的氧化層中開有若干接觸通孔，氧化層上設有若干與有源區塊對應的金屬電極對；所述的金屬電極對包括第一金屬電極和第二金屬電極，其中，第一金屬電極通過接觸通孔與第一 P+有源區和第二 P+有源區連接，第二金屬電極通過接觸通孔與N阱連接； 所述的閃爍晶體設于氧化層上，閃爍晶體上開有網格狀的光隔離槽，閃爍晶體底部設有與網格狀光隔離槽對應的網格狀消光層；所述的閃爍晶體被網格狀光隔離槽分割成若干陣列排布的像素單元，所述的像素單元與有源區塊一一對應。
2.根據權利要求I所述的陣列式X射線傳感器，其特征在于所述的N阱的深度為O.8 μ m,所述的第二 P+有源區的深度為O. 2 μ m。
3.根據權利要求I所述的陣列式X射線傳感器，其特征在于所述的閃爍晶體通過折射率為I. 6的粘合劑粘合于氧化層上。
4.根據權利要求I所述的陣列式X射線傳感器，其特征在于所述的網格狀消光層采用200 400nm的鉻材料。
5.根據權利要求I所述的陣列式X射線傳感器，其特征在于所述的閃爍晶體采用摻鉈碘化銫。
6.一種陣列式X射線傳感器的制作方法，包括如下步驟 (1)制作光電管陣列 首先，采用熱氧化法在P型硅片上生長二氧化硅層； 然后，通過對二氧化硅層進行光刻腐蝕，在P型硅片內擴散或注入形成若干陣列排布的有源區塊；所述的有源區塊包括N阱和第一 P+有源區以及嵌于N阱上的第二 P+有源區； 最后，通過對二氧化硅層進行光刻腐蝕在該層中形成若干接觸通孔，并在二氧化硅層表面鍍上鋁金屬層，并對鋁金屬層進行反刻形成若干陣列排布的鋁電極對，所述的鋁電極對與有源區塊一一對應； (2)制作像素化閃爍晶體 首先，在摻鉈碘化銫閃爍晶體圓片的非拋光面上光刻出與所述的光電管陣列匹配的陣列式光刻膠圖形； 然后，在帶有陣列式光刻膠圖形的非拋光面上鍍上鉻層，采用剝離方法去除陣列式光刻膠圖形，從而形成網格狀鉻消光層； 最后，在摻鉈碘化銫閃爍晶體圓片的拋光面上切割出與網格狀鉻消光層對應的網格狀光隔離槽； (3)將光電管陣列與像素化閃爍晶體對準組裝。
7.根據權利要求6所述的陣列式X射線傳感器的制作方法，其特征在于所述的步驟(2)中，在摻鉈碘化銫晶體圓片的拋光面上采用金剛砂輪切割法切割出與網格狀鉻消光層對應的網格狀光隔離槽。
8.根據權利要求6所述的陣列式X射線傳感器的制作方法，其特征在于所述的步驟(3)中，光電管陣列與像素化閃爍晶體對準組裝的過程為首先，在光電管陣列的上表面涂上一層折射率為1.6的粘合劑；然后，在光學立體顯微鏡下根據光電管陣列和像素化閃爍晶體在光刻過程中留下的對準標記，將光電管陣列的上表面與像素化閃爍晶體的非拋光面 粘合在一起。
全文摘要
本發明公開了一種陣列式X射線傳感器，包括光電管陣列和閃爍晶體；光電管陣列包括P+襯底和P-外延層，P-外延層上嵌設有若干陣列排布的有源區塊；P-外延層上鋪設有氧化層，氧化層中開有若干接觸通孔，氧化層上設有若干與有源區塊對應的金屬電極對；閃爍晶體上開有網格狀的光隔離槽，閃爍晶體底部設有與網格狀光隔離槽對應的網格狀消光層。本發明的雙結深光電管陣列具有低漏電流和高的動態范圍，提高了傳感器對微弱熒光信號的探測能力；閃爍晶體通過空氣隙光隔離槽和網格狀消光層分割形成的像素單元減少了相鄰光電管之間的熒光串擾現象，增加了相鄰傳感單元之間的光隔離度。同時本發明還公開了上述X射線傳感器的制作方法。
文檔編號H01L27/146GK102881702SQ20121036359
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者許超群, 孫穎, 朱大中, 韓雁 申請人:浙江大學