湿度稳定的闪烁体 |
|||||||
| 申请号 | CN201110282640.2 | 申请日 | 2011-09-22 | 公开(公告)号 | CN102419449B | 公开(公告)日 | 2015-04-15 |
| 申请人 | 西门子公司; | 发明人 | O.海登; M.斯拉梅克; S.F.泰德; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种基于间接转换的 X射线 探测器。为此优选使用的 闪烁体 材料是吸湿的。为了使探测器有高的 稳定性 和长的使用寿命，闪烁体必须防 水 。按本发明这借助一种 原子 层沉积 (ALD)过程通过保护层的生长实现。这种沉积方法的优点是，在要敷层的柱状或颗粒状的闪烁体具有大的长径比的情况下保证各向同性的涂层。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种具有至少一个闪烁体的装置，其中，闪烁体有至少一个原子层沉积层，其中，所述原子层沉积层生长在闪烁体上，原子层沉积层在可在闪烁体内激发的荧光束波长范围内有比闪烁体材料高的折射率。 |
||||||
| 说明书全文 | 湿度稳定的闪烁体技术领域[0001] 本发明涉及一种探测器使用的闪烁体材料。 背景技术[0002] 在基于间接转换的X射线探测的领域内使用闪烁体。 [0003] 在已知的沉积过程中，闪烁体例如通过热蒸发在基底上生长。经常使用铝基底。在蒸发时控制压力和温度。通过这些参数调整闪烁体针的长径比 以及 也调整它们在基底上彼此的间距。在以此方式制成的闪烁体针之间的距离，典型地可以从 1μm一直改变到10μm。在此基底上形成由闪烁体针组成的垫状装置。柱状结构的长径比典型地长度在100与1000μm之间，直径从2至10μm。 [0004] 在这里闪烁体针的生长取决于基底。在基底内的针孔效果可导致在针的内部共生。 [0005] 作为闪烁体的材料例如使用碘化铯，它是高吸湿性的。还已知，例如添加铊的碘化铯闪烁体。这种添加物也会有湿度稳定性的问题。 [0006] 使用于闪烁体的材料往往对水分敏感。为了简化过程技术和便于应用，保证较长的使用寿命和更高的储存安定性，应使闪烁体对水分不敏感。 [0007] 迄今，为促使闪烁体针防水，在柱状结构之间的间隙充填一种胶粘剂，用它将闪烁体垫粘结在基底或底板(Backplane)上。基底例如由无定形硅构成。此外，迄今将碘化铯闪烁体的储存条件选择为，存放腔与水分阻断。即使如此储存时间缩短，以及闪烁体垫在其制造后要尽可能早期在干燥的环境中直接粘结在探测器的影像器(Imager)上。 [0008] 例如闪烁体针的间隙，亦即生长的闪烁体垫，充填聚对二甲苯，使湿度的影响最小化。例如由气相沉积聚对二甲苯。为此存在工业沉积过程。但是这些如其他迄今已知的方案一样，仍然不能保证闪烁体材料有足够长的寿命。 发明内容[0009] 本发明要解决的技术问题是，提供一种湿度稳定的闪烁体及其制造方法。 [0010] 上述技术问题通过一种具有至少一个闪烁体的装置得以解决。 [0011] 按本发明的装置包括至少一个闪烁体。尤其是，装置包括多个闪烁体。在这里，闪烁体按本发明被至少一个原子层沉积(ALD：Atomic Layer Deposition)层至少局部围绕，所述ALD层直接生长在闪烁体上。尤其是，这一层通过ALD过程生长在闪烁体上。此层尤其在一个原子层上其厚度是均匀的。尤其是，此层在其电、光或机械性质方面各向同性。 [0012] 此层优选地湿度稳定和不透水。其优点是，即使闪烁体是强吸湿性的，但仍是防水的。因此闪烁体材料可以长期储存以及一般是耐用的。尤其延长了其中装入这种具有防水层的闪烁体的设备的使用寿命。 [0013] 按本发明一项有利的扩展设计，此层“无”针孔，也就是说，此层只有最小的和仅仅很少量的通道。合乎目的地，针孔如此之小，以致水不能渗透此层。尤其是，此层也无缺陷。在层内小的缺陷密度对于其光学特性是有利的。但无缺陷的层保证实际上的光学各向同性。 [0014] 按本发明一项相宜的扩展设计，保护层的折射率正好在可在闪烁体内激发的荧光束处于其中的波长范围内高于闪烁体材料的折射率。其优点是，命中闪烁体的X射线在闪烁体内激发荧光束，然后荧光束在闪烁体内如在光波导中那样在保护层上全部反射，并因而在光波导起始点对准目标射出。 [0015] 按本发明另一项有利的扩展设计，装置包括一个具有比闪烁体材料高的折射率的层。其优点是，通过这一围绕闪烁体的层支持闪烁体的波导特性。尤其是，正是这一有高折射率的保护层，才促使闪烁体如光导体那样导引在闪烁体内产生的荧光。 [0016] 因此，按本发明一项有利的扩展设计，此层围绕闪烁体在至少一个位置可透过来自闪烁体的荧光束。尤其是，此层围绕闪烁体在一个位置有一个通道。这可以通过在闪烁体的一个位置上去除保护层实现。这对于将闪烁体使用于探测是有利的，此时将闪烁体安装在光探测器上。 [0017] 尤其是，所制造的通道可重新通过ALD层封闭，它确保防水，但是透光的。 [0018] 按本发明一项有利的扩展设计，所述有闪烁体的装置还包括一个基底，其中基底被ALD层至少局部覆盖。在如此覆盖的基底上生长至少一个闪烁体。尤其是在基底上设置多个闪烁体。这些闪烁体例如柱状生长在基底上，尤其在均匀敷层的基底上。与之不同，也可以在基底上设置颗粒状闪烁体。 [0019] 基底涂敷一个其厚度均匀的层相宜地是通过ALD过程进行的。尤其是，为此采用与在闪烁体上沉积ALD层相同的ALD过程。其优点是，补偿或校正在基底内和基底上的针孔或缺陷。如此敷层的基底可尤其视为几乎无针孔。 [0020] 按本发明另一项有利的扩展设计，所述装置包括至少一个柱状闪烁体。也就是说，这种闪烁体外观呈针状。尤其是，所述装置包括多个闪烁体，尤其柱状闪烁体，它们生长在基底上以及构成一种毡毯，亦即闪烁体针的垫。 [0021] 按照本发明用于制造闪烁体装置的方法，包括至少一个用于沉积所述层的步骤。此层借助原子层沉积淀积在闪烁体上。按ALD过程的原子层沉积是CVD方法的一种特殊形式。层的形成通过至少两种原料的化学反应实现，所谓的前驱体或反应物。原子层沉积与其他CVD方法的区别在于，将反应物周期性地先后加入反应室内。在原料的气体进入之间，用惰性气体例如氩气冲洗反应室。以此方式使各部分反应彼此清楚地分开并限制在表面。在原子层沉积时的关键是，部分反应的自限制特性。一次部分反应的原料不与自身反应。由此一次部分反应的层生长，在任意长的反应时间和任何气体量的情况下，均限制为最多一个单层。 [0022] 例如用双成分系统进行原子层沉积。这些成分例如是氯化钽和水。这两种成分轮流和分别通过冲洗步骤引入反应室内。因此对于原子层沉积而言实施四个独特步骤。首先进行第一种反应物，例如氯化钽的反应。一旦反应物覆盖基底的整个表面并与基底结合，这种反应便自动限制。在第二个步骤，冲洗反应室或在多个冲洗循环后将反应室抽成真空。由此，从反应室除去第一种反应物和其余的反应产物。接着进行第二种反应物，在这里例如是水，仍为自限制的反应。这一反应物长时间地与氯化钽的第一沉积层反应成为氧化钽，直至在表面不再提供其他反应组分。在此反应步骤后，仍然通过一次或多次冲洗水和其余反应产物净化反应室。现在基底表面重新为与第一种反应物，例如氯化钽反应作好准备。这种至少四个步骤的反应循环可以为了敷层过程重复多次。通过每次重复而生长另一个原子层。这种循环可多次重复，直至达到期望的层厚。 [0023] 为闪烁体敷层的ALD过程有许多优点。首先是层生长的自限制。在理想的过程条件下完整地经过这些反应步骤，从而反应物在要敷层的基底表面上化学吸附或与表面基团反应。这实施如此长的时间，直至表面完全铺盖。也就是说，之后在基底上不再继续发生反应物的吸附作用。因此层的生长是自动控制的。因而在一个反应循环内沉积的材料量是常数。ALD过程另一个优点是在表面上以大的长径比各向同性地沉积。在经过气相的自抑制过程后以及经过可选择的任意过程时间后，ALD过程保证反应物到达整个表面，与外形或长度与宽度间大的长径比无关。其他的过程，例如通过热蒸发淀积，是定向敷层过程，并不能保证均匀的层厚。用于闪烁体敷层的ALD过程可尤其为闪烁体针各向同性地敷层，亦即为具有长径比约1000的柱状结构各向同性地敷层。 [0024] 尤其是，通过ALD过程也能保证很大的面积，例如闪烁体垫各向同性地均匀敷层，3 它们可例如具有的基本面积为43x43cm。 [0025] 按本发明一项有利的扩展设计，在此方法中借助ALD过程在基底上沉积至少一层，在这之前，所述至少一个闪烁体，但尤其多个闪烁体，生长在如此敷层的基底上。ALD过程已说明的优点同样适用于对基底的敷层。例如采用ALD过程可以在硅基底上施加各向同性的金属敷层。由无定形材料组成的硅基底例如有孔洞，它们的直径仅约为0.2μm，然而深度约为10μm。因此可以补偿在基底内的这种孔隙。按本发明另一项有利的扩展设计，在此方法中，在所述层的在闪烁体周围的至少一个位置制造一个通道，来自闪烁体的荧光束可以通过它射出。在闪烁体周围用于各向同性保护层的高光折射率的材料中加工一个这种通道，亦即用于来自闪烁体的荧光束的出口，闪烁体如光波导那样作用。其优点是，在闪烁体中产生的全部荧光束通过一个对准光探测器的通道射出。 [0026] 尤其是，这种通道通过平面化步骤制成。尤其是从具有许多闪烁体的闪烁体垫切除最上层。也就是说，尤其从柱状闪烁体去除针尖。然后，此已平面化的表面可例如直接粘结在底板上。底板可例如由聚合物组成。为了切除闪烁体尖顶或一般而言闪烁体垫的表面，可使用CMP过程，亦即将表面化学-机械抛光。 [0027] 在探测高能量电磁射线的方法中，尤其使用包括至少一个闪烁体的装置，闪烁体被至少一个ALD层至少局部围绕。其优点是，高能量电磁射线在闪烁体内激发荧光束，它由光探测器检测，以及在这里探测器对湿度不敏感。尤其是，通过将这种敷层的闪烁体使用于探测高能量电磁射线，保证长的使用寿命和长的储存安定性。 [0028] 要探测的高能量电磁射线尤其是X射线。 [0029] 作为闪烁体垫的基底尤其使用无定形硅或铝-银敷层的基底。没有通过原子层沉积尤其覆盖针孔的敷层，在基底内的缺陷，尤其在生长柱状闪烁体结构的情况下，将干扰闪烁体在基底上的生长。也就是说，为此应避免闪烁体内的缺陷，要不然它们会对其光学特性，尤其对于用它建造的X射线探测器的分辨率，产生不利的影响。 [0030] 附加地，在基底上的所述层还在闪烁体下面构成阻水层。 [0031] 迄今使用的聚对二甲苯层不仅不那么紧密并因而提供较差的防水性，而且当将聚对二甲苯施加在基底上时，这些聚对二甲苯层还不利地影响为闪烁体针生长所提供的温度窗口(Temperaturfenster)。 [0032] 有利地，在制造具有一个闪烁体的装置的方法中包括一个步骤，在此步骤中敷层的闪烁体，但尤其在基底上构成闪烁体垫的多个闪烁体，被埋入聚合物内。也就是说，用功能层保护的闪烁体针附加地由聚合物层覆盖，或在针之间的间隙充填聚合物。在平面化时，亦即在制造荧光束通道的那个步骤中，同样也一起切除聚合物。或者，将闪烁体针埋入环氧化物胶粘剂内。 [0033] 现在由于加上阻水层，对闪烁体埋入聚合物内的要求较低。尤其是，针间间隙的充填，现在如迄今在现有技术中那样通过蒸发、喷射或浸入过程实现，因为通过均质的防水层已能保证闪烁体足够的防水，而且在各闪烁体针之间的串扰也已经得到抑制。 [0034] 按本发明一项有利的扩展设计，在此均匀的层上还借助ALD过程加上另一些均质层。这种多层结构提高了阻水效果。例如可以组合一个氧化硅ALD沉积层与一个沉积在它上面的氧化铝ALD层。它们提供特别好的阻隔，防止水分侵入吸湿的闪烁体材料内。用作闪烁体的材料例如是碘化铯或氟化铯。作为闪烁体也可以考虑使用溴化铯或碘化钠。在颗粒状闪烁体的领域内，例如也使用硫氧化钆。其中碘化铯特别吸湿，而通过ALD层可以成功实现储存安定性。通常通过ALD过程优选地沉积金属氧化物层。ALD层另一个例子是氧化钛。但借助ALD过程也可以沉积金属膜或普通的电介质膜。只要可接近这些气相的表面，则可以100％覆盖如此敷层的表面。 [0035] 所述的多层也可以在氧化层与金属层之间交替。例如在一个氧化钛层上可以接着一个金属铝层。ALD过程是一种可标度的技术，它可以实现巨大差异的表面尺寸的各向同性敷层。除了各向同性敷层，亦即一种吸湿的闪烁体材料，如氧化钠或氧化铯，能防水的优点外，ALD层还提供另一些优点，有利于将这种敷层的闪烁体使用于高能量电磁射线，例如X射线的探测器中。 [0036] 通过例如用白色氧化钛-ALD层敷层，改善在闪烁体表面上的反射，并因而改善其波导特性。若将如此敷层的闪烁体使用在X射线探测器中，则表现出高的量子产额。白色氧化钛层只是ALD层的一种举例。为改善波导特性提高反射，促使ALD层有比闪烁体材料高的折射率。尤其在闪烁体材料内激发的荧光束波长范围内，折射率必须高于闪烁体，以造成荧光束在闪烁体表面上或从闪烁体到ALD层的边界层上完全反射。 [0037] 氧化钛层在可见光范围内有例如大于2的折射率。 [0038] 除了高的量子产额外，在闪烁体垫内许多闪烁体上的敷层促使防止交扰，亦即防止在闪烁体针之间的串扰。各闪烁体针通过有高折射率的ALD层光隔离。在其功能上作为波导的闪烁体，通过ALD层所谓镜面化。由此提高X射线探测器的局部分辨率。 [0039] 迄今已知的试图提高量子产额或分辨率的解决办法，尤其有许多过程技术方面的缺点。人们试图通过蒸发在针间隙内加入颜料。试图借助喷射技术在针间隙之间加入反射层。为了反射效果也曾尝试借助颗粒溶液的浸入过程。与ALD层相比，这些敷层过程的缺点首先是，闪烁体的针表面或还有颗粒表面，尤其在大的长径比时，不能各向同性地敷层。尤其在方案过程化的步骤中还需要另一些过程步骤，例如加热。此外，混合颜料和/或微粒并不能提供与一个适用的ALD层相同的反射率。已知闪烁体材料的荧光的光谱范围处于 200nm与700nm之间的区域内。 [0040] 因此，借助ALD过程的各向同性敷层胜任三项任务。首先实现阻水，这尤其通过无机层实现。第二项任务是通过例如氧化钛、氧化钽、氧化锆或氧化铌制造高的光折射率的层。它们提高量子产额。第三，保证探测器使用时的高分辨率。敷层的各向同性，促使确保荧光沿整个针长完全反射。此外，各向同性还保证敷层没有水分会通过它们侵入的缺陷。最后，保证气相的沉积过程，抑制微粒造成污染。 [0042] 下面参见图1至16举例说明本发明的实施形式。 [0043] 图1表示ALD过程第一个反应循环； [0044] 图2表示ALD过程第一个冲洗循环； [0045] 图3表示ALD过程第二个反应步骤； [0046] 图4表示ALD过程第二个冲洗步骤； [0047] 图5表示在多个ALD循环后层生长的结果； [0048] 图6表示在基底上的闪烁体针； [0049] 图7表示在基底上敷层的闪烁体针； [0050] 图8表示在敷层的基底上敷层的闪烁体针； [0051] 图9表示在基底上埋入聚合物内的闪烁体针； [0052] 图10表示有底板的平面化闪烁体针； [0053] 图11表示闪烁体工作原理； [0054] 图12表示在闪烁体针上的ALD多层； [0055] 图13表示在基底上的颗粒状闪烁体； [0056] 图14表示在敷层的基底上敷层的颗粒状闪烁体； [0057] 图15表示在基底上埋入聚合物内的颗粒状闪烁体；以及 [0058] 图16表示颗粒状闪烁体组成的平面化闪烁体垫。 具体实施方式[0059] 在图1至5中表示用于原子层沉积的ALD过程部分步骤。ALD过程可以在不同形状和尺寸的基底1上进行。在图1至5中表示有一个槽的基底1横截面。所述槽可以有仅几个分子尺寸的深度和宽度。不过附图未按正确的尺寸比例。图1表示如何在反应室10内引入第一反应物11并沉积在基底1上。反应物11在基底1表面上可以化学吸附或与表面的原子反应。然而仅在与基底1表面直接接触时才实现反应物11牢固结合。所有在基底1上不再找到位置的反应物11不能与之连接，以及在随后的冲洗循环20中从表面和从反应室去除。在图2中通过箭头20表示用一种气体冲洗，尤其一种惰性气体，如氩气。仅留下在基底1表面上已与表面原子牢固结合的那些反应物11。图3表示第二个部分反应步骤。第二种反应物31引入反应室30内并运动到基底1上，在那里第二种反应物31与第一种反应物11反应，以及第一种反应产物在基底1上形成一个层70。第二种反应产物32附加地处于反应室30内。此第二种反应产物32和多余的第二种反应物31再次通过冲洗循环40从反应室和从基底1的表面去除。图4通过箭头40表示这种用惰性气体的冲洗循环。 [0060] 最后，图5表示在ALD过程的这四个步骤多次实施后的基底1。此时在基底已沉积多层。 [0061] 基底2例如涉及无定形硅。在反应物11、31中，例如第一种反应物11涉及氯化钽，以及第二种反应物31涉及水。在基底2上如此形成的层70是氧化钽。 [0062] 图6至图10表示由基底2上柱状闪烁体结构组成的闪烁体垫组织。这种闪烁体垫由尤其直接在基底2上生长的闪烁体针3组成。这些闪烁体针3有长度与直径大的长径比，以及针3之间的距离很小。在图6中表示基底2上的闪烁体针3。图7中的闪烁体针3用各向同性的层70被覆。这种各向同性层在ALD过程中也涂敷在闪烁体针之间的基底上。图8中表示，在基底2上生长闪烁体针3之前，还在此基底2上沉积一个ALD层70。这些闪烁体针3再用防水层70被覆。然后，在图9中表示，如何将在一个同样用保护层70敷层的基底2上具有保护层70的闪烁体针3，埋入一种聚合物80中。埋入聚合物80内或环氧化物胶粘剂内使闪烁体垫更加稳定。最后，图10表示闪烁体垫的平面化。这些闪烁体3仍被保护层70围绕以及排列在有保护层70的基底2上。闪烁体针3的间隙用聚合物80充填。 聚合物80通过化学-机械抛光，从上面切除保护层70和闪烁体针3尖端。此后例如放上一个底板90。已平面化的表面例如直接安置在探测器上。 [0063] 图11表示闪烁体3的工作方式以及防水层70的光学功能。仍表示了一个在基底2上具有保护层70的闪烁体3。此闪烁体3被高折射率的层70围绕并埋入聚合物80内。 闪烁体针3的尖端和围绕此尖端的保护层70已切除并加上底板90。它例如仍可以是有低折射率的ALD防水层。现在若高能电磁射线，例如X射线，命中闪烁体3，则它被激发荧光。 但产生的荧光束100不能从闪烁体3随意传播。高折射的保护层70的作用如一个围绕闪烁体3的镜面。闪烁体3本身有比保护层70低的折射率。荧光100在从闪烁体针3到保护层70的界面上完全反射。因此，闪烁体3与一个光波导作用相同。荧光100只有在一个位置，亦即在已切除保护层70的地方，才能从闪烁体3射出。由此保证，全部荧光100落在探测器上，探测器安装在闪烁体3的上方，例如在底板90上。由此提高量子产额。通过保护层70还防止与其他相邻的闪烁体针3串扰，如用虚线表示的那样，从而改善其中装入按本发明的闪烁体3的探测器的分辨率。 [0064] 图12表示，在闪烁体3上施加不只是单个ALD层。也可以设想一种多层结构。在图12中表示在基底上的闪烁体针3，它们用第一ALD层70、第二ALD层71和第三ALD层72被覆。由此对关注的材料组合可制成非常紧密的保护层。例如双层氧化硅70、72与氧化铝71造成非常良好的阻水性。 [0065] 最后，图13至16表示一种有颗粒状闪烁体4的闪烁体装置。它们仍表示在一个基底2上。颗粒状闪烁体4和在一些位置敞开的基底2可再次通过ALD过程敷层。如此涂敷的保护层70沉积在气相时所有可到达的表面上。尤其是，颗粒状闪烁体4可能有差别很大的形状和尺寸。颗粒状闪烁体4与其保护层70一起仍埋入聚合物80内。类似于针状闪烁体3，在这里也可以将在聚合物80内由颗粒状闪烁体4组成的装置平面化，从而形成一个表面，它例如可以通过底板90或直接安置在探测器上。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈