Brevet FR2623019A1 — publié le 19890512

DISPOSITIF DTF PRIJSE D'IMAGE RADIOLOGIQUE L'invention concerne l'élaboration d'images radiologiques par l'intermédiaire d'éléments photosensibles associés à un scintillateur. Le scintillateur est une substance qui a la propriété d'être excitée par des rayons X et d'émettre. en réponse à cette excitation, un rayonnement de longueur d'onde visible ou proche du visible. Les éléments photosensibles fournissent un signal électrique lorsqu'ils reçoivent ce rayonnement visible, alors qu'ils ne pourraient pas fournir directemeni un signal électrique en réponse à une illumination par le's rayons X. Ainsi, on peut transformer une image radiologique en un ensemble de signaux électriques représentant cette image. On ne décrira l'invention que pour ce type de scintfllateur effectuant une conversion d'une gammo de longueurs d'onde très courte (rayons X) en une gamme de longueurs d'onde plus grande (lumière visible ou proche du visible), mais on comprendra à la lecture de la description qui suit que l'invention serait applicable dans des cas de conversion de gammes de longueurs d'onde différentes du cas particulier ci-dessus (pourvu qu'on dispose d'une substance scintillatrice, effectuant la conversion de longueur d'ondes désirée). Les dispositifs de reproduction électrique d'images radiologiques décrits jusqu'à maintenant comportent soit un élément de détection photosensible ponctuel, soit une barrette linéaire d'éléments photosensibles, soit encore une matrice rectangulaire d'éléments. Le ou les éléments sont en général des photodiodes ou phototransistors formés sur un substrat isolant et ils sont recouverts d'une feuille de matériau scintillateur qui est soit collée sur la surface supérioure des éléments photosensibles (du côté d'arrivée du rayonnement X) soit simplement appliquée par pression sur cette surface supérieure. Les figures la et lb représentent deux coupes latérales, orthogonales l'une à l'autre, d'une matrice d'éléments photosensibles associée classiquement à une feuille scintillatrice. Chaque élément photosensible est constitué par exemple par une diode PIN (jonction PN avec une partie centrale intrinsèque), et le réseau matriciel comporte des conducteurs de colonne et des conducteurs de ligne avec à chaque croisement do ligne et de colonne une diode PIN en série avec une capacité (ou condensateur) de stockage de charges. leos conducteurs de colonne 12 sont constitués par un métal déposé et photogravé sur un substrat isolant 10, de préférence en verre; la diode PIN est formée par dépôt sur les conducteurs de colonne, puis gravure, de trois couches de silicium amorphe respectivement dopées de type P (couche 14), de type intrinsèque (couche 16), et de type N (couche 18); une couche isolante 20 est déposée sur l'ensemble des diodes PIN, cette couche constiltuant le diéléctrique de la capacité; un conducteur, de préférence treansparent, est déposé sur la couche Isolante 20 et gravé pour former les conducteurs de ligne 22 de la matrice. Enfin, une feuille scintillatrice 24 est collée ou appliquée par pression sur la surface supérieure de la structure. Le rayonnement à convertir, c'est-à-dire le rayonnement X dans le cas de l'imagerie radiologique, arrive par le haut et frappe la surface supérieure 26 du scintillateur. S'il arrivait par le bas, il aurait à traverser le substrat de verre, les conducteurs de ligne et de colonne et les dindes photosensibles; il en résulterait, principalement à cause du verre, des pertes qu'on souhaite éviter pour ne pas perdre une partie des informations, surtout les informations à bas niveau. Plus le scintillateur est épais, plus les photons émis sous l'action du rayonnement X sont nombreux; h la limite, pour une épaisseur infinie, tout le rayonnompnt X ost absorbé et est converti en photons lumineux. Mais inversement, si le scintillateur est trop épais, les photons émis du côté opposé au I 2623019 détecteur photosensible seront absorb6 au coutrs do leur trajet à travers le scintillateur (qui n'est pas complètement transparent) et ne parviendront pas au détecteur photosensible; ces photons seront perdus sans profit. Un compromis d'épaisseur doit en - général être trouvé. Un ordre de grandeur est par exemple de micromètres. D'autre part, pour les scintillateuws réalisés sous forme d'une feuille de poudre compactée, la résolution est d'autant plus faible que l'épaisseur de la feuille esl plus grande; en effet, les photons sont émis dans toutes les directions, et en pratique les photons émis à une distance d de l'élément photosensible produisent une tache lumineuse dont la densité est répartie selon une loi gaussienne, le diamètre utile approximatif de cette tache étant sensiblement égal à la distance d. Là encore, une épaisseur trop grande doit être évitée et un compromis doit être trouvé pour le couple résolution/sensibilité. L'invention résulte de la remarque que dans la structure des figures la et lb, le côté du scintillatetr qui est frappé en premier par les rayons X est le côté 2r, et non le côté en contact avec les diodes photosensibles. Il en résulte que les photons lumineux les plus nombreux sont émis du côté qui est frappé en premier. Or justement ce sont les photons émis du côté éloigné de la surface du détecteur photosensible qui tendent à limiter à la fois la sensibilité (parce que ces photons n'arrivent pas tous à traverser la feuille) et la résolution (parce qu'ils sont émis loin de la surface photosensible). Un but de l'invention est l'améliorer aussi bien la résolution que la sensibilité du dispositif, et ceci sans qu'il devienne nécessaire d'utiliser des scintillateurs à structure cristalline très particulière, déposés sous forme d'aiguilles verticales (scintillateurs à iodure dç césium) permettant une haute résolution. Un autre but de l'invention est de faeiliter la fabrication du dispositif en évitant des accidents dus à la fragilité de la 4 2623019 feuille scintillatrice qui est une feuille troc mince (200 microns environ). Selon l'invention, on propose do constituer un dispositif de conversion d'image en signaux électriques comprenant d'une part un détecteur photosensible formé sur un substrat isolant et d'autre part une substance scintillatrice, rp dispositif étant caractérisé en ce que la substance scintillatrice est déposée sur le substrat isolant avant formation du détecteur photosensible, la substance scintillatrice étant dès lors interpose entre le substrat et le détecteur. La substance scintillatrice est une feuille collée contenant une poudre scintillatrice, ou une pâte déposée par étalement ou sédimentation et recuite. Le détecteur est une barrette d'éléments photosensibles ou une matrice d'éléments. Ces éléments sont formés par dépôt de couches actives successives sur le substrat recouvert préalablement d'une couche de substance scintillatrice. De préférence une couche isolante de planarisation est déposée au dessus de la couche scintillatrice avant dépôt des éléments photosensibles, afin de compenser les petites inégalités dc'épaisseur de la couche scintillatrice et d'empêcher la diffusion d'atomes dopants dans les couches semiconductrices constituant les éléments photosensibles. Dans une variante de réalisation. et dans le but d'augmenter la sensibilité du dispositif, on prévoit aussi une feuille scintillatrice auxiliaire appliquée Contre la surface supérieure du détecteur photosensible, de sorte que le rayonnement à convertir frappe d'abord cette feuille scintillatrice qui émet un rayonnement vers ic détecteur par le haut, et que le rayonnement résiduel a (nn'. Xriir (celui qui n'a pas été absorbé par la feuilleo) fra)ppe la substance scintillatrice déposée sur le substrat, cetto dernière émettant un rayonnement vers le détecteur par le bas rie celui-ci. On peut d'ailleurs prévoir que les scintillaleur. ont des spectres d'absorbtion différents pour couvrir une pllis large gamme de longueurs d'onde de rayonnement reçu. Par ailleurs on peul prévoit- d'inleorcaler un miroir réfléchissant (pourla longueur d'onde émise par le scintillateur), intercalé entre le substrat isolant et la substance scintillatrice déposée. Ce miroir renvoie vers le détecteur photosensible les photons qui pourraient être émis par le scintillateur dans la direction opposéâ au détecteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - les figures la et lb déjà décrites représentent en coupe latérale selon deux directions orthogonales un dispositif de prise d'image radiologique de la technique antérieure; - les figures 2a et 2b sont des coupes latérales selon deux directions orthogonales d'un dispositif matriciel de prise d'image selon l'invention. Le dispositif selon l'invention va être décrit en faisant référence à son procédé de fabrication. On part d'un substrat isolant 30 qui est de préférence en une substance transparente aux longueurs d'onde émises par le scintillateur dans l'application considérée. Cette transparence n'est pas absolument nécessaire mais elle peut avoir un intérêt dans les applications o le détecteur photosensible doit être périodiquement déchargé par un flash lumineux. Pour les applications radiologiques avec détecteur photosensible en silicium amorphe on prendra de préférence un substrat de verre. Pour des dispositifs de grande dimension, par exemple de plusieurs dizaines de centimètres de cotl, le verre doit être assez épais pour être rigide: plusieurs millimètres d'épaisseur peuvent être nécessaires et on comprendra par conséquent qu'il soit préférable d'illuminer le dispositif par la surface supérieure plutôt qu'à travers le vrre qui absorberait une fraction du rayonnement. 6E 2623019 Sur le substrat isolant 30.,n (1opoqe uine- substance scintillatrice 32 apte à convertir tit rayonnement dans une première gamme de longueurs d'onde on un rayonnement dans une deuxième gamme de longueurs d'onde; la première gamme est celle de la source d'illumination par l'intermédiaire de laquelle est produite une image que l'on désire convertir en signaux électriques. La deuxième gamme doit correspondre à la gamme de sensibilité du détecteur photosensible Par exemple, l'oxysu]fure de gadolinium est apte à convertir des rayons X en rayonnement lumineux vert (550 nanomètres environ). Les détecteurs photosonsibles en silicium amorphe sont sensibles à ce rayonnement vert La substance photosensible pout t ro déposée sur le substrat de plusieurs manières possibles. Une méthode consiste simplement à prendre une feuille scintillatrice classique et à la coller sur le substrat avec une colle compatible avec les température- do traitement qui seront utilisées dans les phasessuivantes. La feuille est par exemple constituée par une résine thermodurcissabl] dans laquelle on a noyé une poudre scintillatrice telle que de l'oxysulfure de gadolinlum. La feuille peut aussi être réalisée en une résine époxy si les températures de traitement ultérieures sont suffisamment basses. Une autre méthode consisterait a étaler une pâte visqueuse (par prédépôt et centrifugation par exemple) sur le substrat, cette pâte étant constituée par un liant mélangé à une poudre scintillatrice, et à cuire la pâte pour en éliminer les solvants volatils. Le liant peut être une résine époxy si l'on n'a pas besoin de tenue en température pour les phases ultérieures; ce peut être aussi un polyimide, auquel Pas on mélange le liant et la poudre, on dépose le mélange, et on effectue une polymérisation (imidisation) ensuite. Enfin, le liant peut être un liant inorganique (minéral): par e,'omple on utilise un mélange de poudre scintillatrice et de billes de verre en suspension dans un solvant volatil, et on effectue un traitement à haute 7 2623019 température (environ c0O'C) dans Ileqiel lo billes de verre se fusionnent les unes aulx autres et se fusionnent au substrat. Ce dernier procédé est particulièrement utile si les traitements ultérieurs se font à des températures dépassant 200 C. La couche scintillatrice 32 a une épaisseur qui est choisie pour optimiser l'efficacité de production de photons sans trop perdre sur la réso]ution. Cette épaisseur pent aller de quelques dizaines à quelques centaines do micromètres pour les applications d'imagerie radiologique avec die l'oxysulfure de l 3 gadollnium. Après dépôt et traitement de la couche scintillatrice 32, on dépose une couche isolante intermédiaire 34 qui a pour fonction notamment de planariser la %urfaeo supérieure de la couche.32 avant dépôt des éléments photosensibles, et de faire une barrière à la diffusion d'impuretés entre la couche scintillatrice et les éléments photosensibles. La couche isolante intermédiaire peutit être en polyamide, par exemple vendu sous la référence Pi2555 par la société DUPONT DE NEMOURS: elle est déposéo par centrifugation, après quoi elle est complètement polymérisée après un recuit à 150 C durant une heure. Son épaisseur est d'environ 2 à 10 micromètres. On dépose alors une mince couche 36 (100 nanomètres environ) d'un matériau conducteur transparent à la longueur d'onde émise par l s. eintillateur: ce condrchteur peut être de l'oxyde d'indium-étain; il est gravé selon un motif de colonnes parallèles. L'adhérence du matériau conducteur peutit être améliorée par un dépôt préalable d'une mince couche intermédiaire non représentée; dans le cas de l'oxyde d'indium- étain. l'adhérence peut être améliorée par une couche de 20 nanomèiro- environ de cuivre ou de chrome. Sur la structure ainsi recouverte de colonnes conductrices, on dépose une couche 38 de silicium amorphe hydrogéné, par décomposition chimique en phase gazeuse (CVP),:o'-ntuellement assistée par une excitation lumineuse dans l'ultraviolet 8 2 6 2 3 0 1 9 (photoCVD) de manière à fonctionner h plus bacn, température (inférieure à 150 C). La couche de silicium 38 est dopée avec une impureté de type P, de préférence du bore, ainsi qu'avec du carbone qui a l'avantage de la rendre plus transparente aux photons émis par le scintillateur. De la même manière on dépose ensuite une couche de silicium amorphe hydrogéné intrinsèque 40. Puis on dépose une couche de silicium amorphe hydrogéné 42 dopée avec une impureté de type N, de préférence du phosphore. On a ainsi constitué, au dessus des conducteurs de colonne une succession de trois couches respectivement de type P, de type I (intrinsèque), et de type N. On pourra constituer des diodes PIN verticales à l'aide de ces trois couches, diodes qui constituent les éléments photosensibles proprement dits générant des charges électriques en presence d'un rayonnement de longueur d'onde visible. L'étape suivante du procédé de fabrication consiste en une gravure des trois couches superposées 38, 40, 42 selon un motif d'îlots placés à chacun des points de croisement des lignes et colonnes d'une matrice rectangulaire; les colonnes de cette matrice ont déjà été définies et sont les conducteurs de la couche 36. On recouvre alors l'ensemble de la structure d'une couche isolante 44, en oxyde ou nitrure de silicium par exemple, puis d'une eouche conductrice supérieure 46 que l'on grave pour définir les conducteurs de ligne de la matrice. Si le dispositif ne comporte qu'un seul seintillateur, c'est à dire la couche 32, la couche conductrice 46 peut être transparente ou non; il peut même être avantageux qu'elle soit réfléchissante (mais transparente aux rayons X) pour ramener vers la diode PIN les photons lumineux qui auraient pu la traverser sans être absorbée. Si au contraire le dispositif comporte un scintillateur inférieur (couche 32) et un g. 2623019 scintillateur supérieur 48 analogue à celui dcs figures la et lb, il est nécessaire que la couche conductrice supérieure 46 soit transparente et elle est alors réalisée comme la couche 36, par exemple en oxyde d'indium-étain. Dans le type de matrice de photodétecteurs décrite ici à titre d'exemple, chaque photodiode est réalisée par empilement de couches verticales et est associée à une capacité de stockage de charges également empilée au dessus de la photodiode; cette structure minimise l'encombrement latéra] de chaque point. Ici, la capacité est constituée par la couche isolante 44 entre une deux régions conductrices qui sont respectivement la région N 42 de la photodiode et le conducteur de ligne 46. Cependant l'invention serait applicable à d'autres types de matrices de photodétecteurs, par exemple des photodiodes associées chacune à un transistor d'accès de type TFT (de l'anglais Thin Film Transistor ou transistor en couche mince). Dans une variante de réalisation, une couche réfléchissante, non représentée sur les figures, est intercalée entre la couche scintillatrice 32 et le substrat; la couche est apte à réfléchir les longueurs d'onde émises par le scintillateur 32, de sorte que les photons émis par la couche scintillatrice vers l'arrière (vers le substrat 30) sont renvoyés vers les photodiodes PIN. On gagne ainsi sur le rendement global de la structure puisqu'on convertit en charges électriques un certain nombre de photons qui seraient perdclus autrement. La couche réfléchissante peut être une couche d'aluminium déposée sur le substrat de verre avant dépôt de la couche scintillatrice 32. Dans le cas o la structure comprend aussi un scintillateur 48 collé ou pressé sur la surface supérieure des sélments photosensibles, on peut aussi prévoir que ce scintillateur 48 soit recouvert d'une couche réfléchissante non représentée, collée ou déposée sur la surface supérieure du scintillateur 48. Cette couche doit réflécehir les photons émis vers le haut par le scintillateur 48, photons qui autrement ne participeraient pas à l'élaboration d'un signal électrique dans les photodiodes; mais cette eouche doit nécessairement sirp très transparente vis-à-vis des rayons X incidents. Ce peut être do l'aluminium. Dans des applications particulières, on pourra envisager que les scintillateurs inférieur (32) et supérieur (48) sont de nature différente et scintillent en réponse à des longueurs d'onde incidentes différentes. On couvre ainsi un spectre de rayons incidents plus large. On pout aussi envisager que ces scintillateurs sensibles à des longueurs d'onde différentes émettent à des longueurs d'onde également différentes, par exemple en lumière visible rouge et en lumière visible verte; on peut alors prévoir qu'un élément photodétecteur sur deux (ou une ligne sur deux, ou une colonne sur deux) est affecté à l'une des deux longueurs d'onde; cet élément est masqué par une couche opaque à l'autre longueur d'onde mais transparente aux rayons X; réciproquement les autres éléments sont masqués par une couche opaque à la première longueur d'onde et transparente aux rayons X. On prévoit donc un masque en damier de zones opaques et transparentes à l'une des longueurs d'onde; ce masque est constitué dans une couche intercalée entre la couche 34 (polyimidcle de planarisation) et les photodiodes; et on prévoit un autre masque en damier de zones opaques et transparentes à l'autre longueur d'onde; ce masque est constitué par une couche intercalée entre la surface supérieure des élments photosensibles ei le scintillateur supérieur 48. Cette structure permet de recueillir, en vue d'un traitement d'images, plus d'information que si on utilise une seule substance scintillatrice pour les courhes 32 et 48. En particulier, dans la radiologie médicale, on peut se servir de cette structure pour traiter les imagoe cl]u corpq humain afin d'éliminer le squelette. îl 2623 0 19 REVENDICATIONS 1. Dispositif de conversion d'image en signaux électriques, comprenant d'une part un détecteur photosensible (38, 40, 42) formé sur un substrat isolant (30) et d'autre part une substance scintillatrice (32), caractérisé en ce que la substance scintillatrice est déposeç sur le substrat et intercalée entre le substrat et le détecteur photosensible. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche isolante de planarisation (34) est intercalée entre la substance scintillatrice (32) et le détecteur photosensible. 3. Dispositif selon la revendication 2. caractérisé en ce que la couche isolante de planarisation (34) est en polyimide. 4. Dispositif selon l'une des revendications I à 3, caractérisé en ce que la couche seintillatrice (32) est une feuille de résine chargée d'une poudre scintil]atrice, cette feuille étant collée au substrat. 5. Dispositif celon l'une des revendications I à 3, caractérisé en ce que la couche scintillatrice est formée à partir d'un mélange d'un liant et d'une poudre scintillatrice, ce mélange étant déposé sur le substrat plui.s recoit. 6. Dispositif selon l'une dot rovoendieations 1 à 5, caractérisé en ce que le détecteur pholosen.ible est constitué d'une barrette ou d'une matrice d'éléments photosensibles déposés sur le substrat recouvert de la couche scintillatrice. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une coulche réfléchissant les longueurs d'onde émises par la omucrihe scintillatrice, cette couche réfléchissante étant interposer entre le substrat et la couche scintillatrice. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une deuxième couche scintillatrice (48) collée ou pressée contre la surface supérieure du détecteur photosensible. 9. Dispositif selon la revendication R, caractérisé en ce que les deux couches scintillatrices soni sensibles à des longueurs d'onde de rayonnement incident différentes. 10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le détecteur photosensible est une barrette ou une matrice d'éléments photosensibles, caractérisé en ce que les deux scintillateurs émettent à des longueurs d'onde différentes et en ce qu'il est prévu un premier masque interpoqé entre la première couche scintillatrice et le détecteur, et un deuxième masque interposé entre la deuxième couche photosensible et le détecteur, le premier masque comportant des zones opaques et des zones transparentes pour l'une des longueurs d'onde émises, et le deuxième masque comportant des zones opaques et des zones transparentes pour l'autre longueur d'onde, les zones opaques 2 2623019 1.3 6DU- des masques étant alternées pouir affecter un élément photosensible sur deux h la détection do l'une des deux longueurs d'onde.