Brevet FR2693033A1 — publié le 19931231

DISPOSITIF D'IMAGERIE DE GRANDE DIMENSION DESCRIPTION La présente invention a pour objet un dispositif de grande dimension pour l'imagerie, soit d'un rayonnement ionisant tels que des rayonnements X, gamma ou de particules chargées, soit d'un rayonnement lumineux dont la longueur d'onde peut être située dans le domaine du visible de l'ultraviolet ou de L'infrarouge. Plus spécialement, l'invention s'applique aux rayonnements ionisants non focalisables qui nécessitent des surfaces importantes de détection. L'imagerie ou la prise d'images d'un rayonnement ionisant permet par projection radiographique ou reconstitution tomographique, l'étude de la matière vivante ou non et par conséquent une analyse non destructive de la structure interne d'objets de dimension et de masse variables notamment dans les domaines médicaux et nucléaires mais aussi dans L'industrie. Un dispositif d'imagerie comporte de façon connue une partie détectrice du rayonnement constituée d'un ou plusieurs détecteurs transformant le rayonnement incident en charges électriques et comportant des électrodes pour collecter ces charges et une partie traitement des signaux électriques résultant de la collection des charges, constituée de circuits intégrés pour amplifier ces signaux électriques et d'un dispositif extérieur de traitement et de mémorisation des signaux délivrés par ces circuits intégrés. En outre, chaque détecteur est structuré en points élémentaires d'affichage ou pixels agencés selon les lignes et les colonnes d'une matrice. Dans un premier type de détecteur, on utilise un matériau semi- conducteur équipé d'électrodes points réparties sous forme matricielle Dans ce type de détecteur, la connexion électrique des circuits de lecture à chaque détecteur est assurée de façon connue par hybridation par microbilles, pixel par pixel. Un tel système est notamment décrit dans le document M Campbell et al (A 10 M Hz micro power CMOS front-end for direct readout of pixel detectors, IEEE Nuclear Science Symposium USA, 1989, p 1-8). Dans un autre type de détecteur, on utilise des dispositifs à transfert de charge (CCD) irradiés directement. Pour la réalisation de dispositifs d'imagerie de grande dimension, il est connu d'utiliser plusieurs matrices de détecteurs accolées bord à bord comme décrit dans le document EP-A-245 147 ou agencées comme les tuiles d'un toit comme décrit dans le document EP- A-421 869. Dans le document EP-A-245 147, le détecteur est un scintillateur épais transformant le rayonnement ionisant en lumière visible, associée à une photodiode structurée en pixels. Ces dispositifs d'imagerie conduisent en général à des images présentant des zones d'ombres et des pertes d'informations. L'invention a pour objet un nouveau dispositif d'imagerie utilisant l'hybridation par microbilles des circuits de lecture, pixel par pixel, permettant notamment de remédier à ces inconvénients. De façon précise l'invention a pour objet un dispositif d'imagerie d'un rayonnement comportant au moins un détecteur plan apte à transformer le rayonnement en charges électriques et comportant une électrode commune sur une face d'entrée destinée à recevoir le rayonnement, une mosaïque d'électrodes points et des bandes métalliques sur une face de sortie opposée à la face d'entrée; des puces de circuits intégrés plan disposée en regard de la face de sortie du détecteur et comprenant une mosaïque de circuits de lecture, un circuit d'adressage connecté aux circuits de lecture et des bandes métalliques pour connecter les circuits de lecture et d'adressage à des circuits extérieurs d'alimentation, de commande et de traitement des signaux de sortie, chaque circuit de lecture étant hybridé par une microbille à une électrode point, les bandes métalliques de la puce de circuits intégrés étant disposées en regard des bandes métalliques du détecteur et hybridées à celles-ci par microbilles. De préférence, le détecteur consiste en un matériau semiconducteur massif revêtu sur une de ces faces de l'électrode commune et sur la face opposée des électrodes points Ce matériau semiconducteur peut être réalisé en n'importe quel matériau semiconducteur connu tel que le germanium, le silicium, les alliages binaires, ternaires ou quaternaires d'éléments III et V ou d'éléments II et VI de la classification périodique des éléments Ce semiconducteur est en particulier du silicium, du Ga As ou du Cd Te de haute résistivité électrique (par exemple 10 ohms cm pour Cd Te). L'utilisation d'un semiconducteur massif homogène de haute résistivité permet de limiter le courant de fuite entre l'électrode commune et les électrodes points Il est toutefois possible d'utiliser une jonction PN ou encore un contact Schottky redresseur Par ailleurs, le détecteur peut être un scintillateur convertissant le rayonnement ionisant en lumière visible, recouvrant une photodiode structurée en points élémentaires d'affichage et assurant la transformation de La lumière en un signal électrique. Pour la réalisation d'un dispositif d'imagerie de grande dimension, on utilise plusieurs détecteurs accolés bord à bord et disposés sous forme d'une matrice, ces détecteurs étant connectés entre eux et associés à plusieurs puces de circuits intégrés accolées bord à bord, connectées entre elles et agencées aussi sous forme d'une matrice. Les puces de circuits intégrés ont les mêmes dimensions que les détecteurs ou des dimensions égales à un multiple ou un à sous- multiple entier des dimensions de ces détecteurs. De façon avantageuse, les puces de circuits intégrés sont décalées par rapport aux détecteurs selon une ou deux directions perpendiculaires contenues dans un plan parallèle à celui des détecteurs, de façon à être partiellement en regard de deux ou quatre détecteurs adjacents. De façon avantageuse, la liaison électrique entre deux détecteurs consécutifs est assurée par une bande métallique formée sur la puce de circuits intégrés partiellement en regard de ces deux détecteurs consécutifs et par des microbilles. De façon avantageuse, la liaison électrique entre deux puces consécutives est assurée par une bande métallique formée sur le détecteur partiellement en regard de ces deux puces consécutives et par des microbilles. Dans une variante de réalisation, les liaisons électriques inter-détecteurs et les liaisons électriques inter-circuits intégrés peuvent être décalées respectivement d'une colonne ou d'une ligne à l'autre Ceci permet une connexion latérale du dispositif de l'invention aux circuits extérieurs d'alimentation, de commande et de traitement de signaux. Dans Le cas de N puces agencées selon une même Ligne de la matrice de puces et de N bandes métalliques spécifiques numérotées de 1 à N pour véhiculer vers le circuit de traitement les signaux de sortie spécifiques de ces N puces, ces bandes comportant une entrée et une sortie, l'extrémité de sortie de La i bande est reliée à l'extrémité d'entrée de La (i+ 1) bande avec 1 2, la première bande d'une puce déterminée délivrant Le signal de sortie spécifique de ladite puce déterminée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux à la description qui va suivre, donnée à titre i L Lustratif et non Limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles: les figures la et lb représentent schématiquement, en coupe Longitudinale et en vue de dessus selon le plan B-B de la figure la, un dispositif d'imagerie conforme à l'invention, la figure lc représente le schéma électrique équivalent d'un ensemble détecteur-puce du dispositif de l'invention, la figure 2 représente de façon agrandie selon une première variante Les connexions entre un détecteur et la puce de circuit intégré associée, conformément à l'invention, la figure 3 illustre une variante de réalisation du dispositif de l'invention, les figures 4 et 5 représentent schématiquement en coupe des variantes de réalisation des connexions entre Le détecteur et la puce de circuit intégré associée, La figure 6 représente schématiquement un mode de réalisation des connexions respectivement entre Les puces et les détecteurs conformément à l'invention. Le dispositif d'imagerie conforme à l'invention, représenté sur les figures la et lb comporte plusieurs détecteurs plans 2 a, 2 b, 2 c, 2 d, 2 e, 2 f disposés bord à bord de façon à former une matrice de détecteurs comportant des lignes et des colonnes. Ces détecteurs comportent chacun un matériau solide semi-conducteur 6 homogène et de haute résistivité par exemple en silicium, Ga As ou Cd Te comportant une face d'entrée destinée à recevoir un rayonnement ionisant 8 et une face de sortie opposée à la face d'entrée disposée en regard de puces 10 a, 10 b, c, 10 d de circuits intégrés, réalisées sur silicium. Le rayonnement 8 provient par exemple d'un objet à analyser irradié. La face d'entrée de chaque détecteur 2 a-2 f comporte une électrode commune 12 la recouvrant totalement alors que la face de sortie supporte des électrodes points 14 agencées selon une mosaïque. Ainsi, chaque détecteur 2 a-2 f est structuré par sa face de sortie en points élémentaires d'images ou pixels. Les électrodes communes 12 et points 14 sont réalisées en métal tel que l'aluminium de 1 um d'épaisseur. Lorsqu'un détecteur semi-conducteur reçoit un rayonnement ionisant 8, il engendre des paires électrons trous dans le semi- conducteur 6 qui sont collectées par les électrodes 12 et 14. L'épaisseur du semiconducteur 6 dépend du matériau utilisé et de l'énergie des rayonnements à détecter Par exemple on utilise une épaisseur de 5001 m pour détecter des rayons X de quelques dizaines de ke V avec du Cd Te De même, les dimensions surfaciques des électrodes points, et donc des pixels, dépendent de l'application recherchée. Typiquement en radiographie ou tomographie, ces électrodes points ont des dimensions de 100 x 10 Opm et sont séparées d'une distance de 2 Ovm. Les puces l Oa-10 d de circuits intégrés comportent chacune une mosaïque de circuits de lecture 16 formant des lignes et des colonnes. Le nombre de puces de circuits intégrés est égal au nombre de détecteurs De p Lus, Les dimensions des puces et des détecteurs dans le p Lan xy parallèle aux surfaces supérieures des puces et aux faces de sortie des détecteurs sont identiques. En particulier chaque détecteur et chaque puce comporte dans le plan xy une surface de 1,5 x 1,5 cm En outre, les dimensions des électrodes points 14 dans le plan xy sont identiques à celles des circuits de lecture 16. La connexion entre chaque électrode point 14 et entre le p Lot de contact 19 de chaque circuit de lecture 16 est assurée par une bille d'indium 20. Sur la figure lc on a représenté le schéma électrique équivalent d'un ensemble détecteur-puce de l'invention montrant notamment les connexions extérieures d'alimentation, de commande et de sortie. Chaque pixel d'un détecteur est représenté par un condensateur 22 dont les armatures sont les électrodes 12 et 14, l'électrode 12 étant portée au potentiel de la masse Ce condensateur 20 est connecté via une bille d'indium 20 à un amplificateur 24 puis à un commutateur 26 du type transistor MOS de Lecture du pixel. Ces commutateurs 26 sont activés les uns après les autres via des lignes et des colonnes d'adressage par le circuit 28 d'adressage séquentiel (appelé circuit scrutateur) Ce circuit 28 adresse donc chaque pixel de détection Les uns après les autres en engendrant Leur adresse à partir d'une horloge externe H. Le circuit d'adressage 28 est aussi relié à une source externe d'alimentation électrique délivrant une tension d'alimentation Vdd par rapport à la masse ou tension fixe de référence Vss En outre ce circuit 28 est relié à un circuit externe d'initialisation de lecture délivrant un signal R az Par ailleurs chaque transistor 26 délivre après son adressage un signal de sortie V spécifique out du rayonnement ionisant 8 ayant frappé le pixel correspondant. Le signal vidéo engendré (ou succession des signaux V) est traité dans un dispositif extérieur out de traitement et de mémorisation des informations, du type micro-processeur. L'objet de l'invention ne concerne pas la fonctionalité ou la disposition de ces différents composants 24, 26 et 28 dans chaque puce mais la façon de connecter ces puces aux signaux d'alimentation Vdd, d'horloge H, d'initialisation de lecture R, ainsi que az la connexion à la masse de ces puces, via les détecteurs servant de support de connexion. L'invention porte aussi sur la façon de connecter la sortie spécifique V de chaque puce au out circuit de traitement et de mémorisation externe. Pour connecter chaque puce 10 a-10 d à l'extérieur respectivement à la source d'alimentation électrique, à la masse, au circuit d'initialisation, à l'horloge et au dispositif de traitement, l'invention propose la réalisation de bandes métalliques 30 a, 30 b, c, 30 d supplémentaires à la surface de chaque puce comme représenté sur les figures la, lb et 2 Sur la figure 2 la référence 32 représente la couche de passivation finale en silice de la puce qui comporte, par rapport à l'art antérieur, des ouvertures 33 en regard des métallisations supplémentaires 30 a-30 d des puces. De même, les faces de sortie de chaque détecteurs 2 a-2 f comportent des bandes métalliques supplémentaires 34 a, 34 b, 34 c, 34 d, 34 e faisant face aux bandes métalliques 30 a-30 d des puces Comme pour les métallisations 30 a-30 d des puces, les métallisations 34 a-34 e des détecteurs sont recouvertes d'une couche de passivation 38 en silice équipée d'ouvertures 40 en regard des métallisations 34 a-34 e. Les métallisations 30 a-30 d et 34 a-34 e sont réalisées par exemple en aluminium sur 11 pm d'épaisseur. Conformément à l'invention, la connexion de ces bandes 30 a-30 d avec les bandes 34 a-34 e est assurée à l'aide de microbilles 36 d'indium comme la connexion des électrodes points 14 aux plots de contact 19 des transistors 24 des circuits de lecture. Selon une première variante de réalisation, représentée sur la figure 2, les métallisations 34 a-34 e formées sur chaque détecteur sont isolées électriquement des électrodes points 14 par des bandes isolantes 42 de dimensions surfaciques supérieures à celles des métallisations 34 a-34 e Ces bandes isolantes 42 sont en particulier en polyimide de 5 pm d'épaisseur. Comme représenté sur les figures la et lb, et selon l'invention, les puces 10 a-10 d sont décalées par rapport aux détecteurs d'environ un pas selon une direction par exemple x ou comme représenté sur la figure 3 selon deux directions xy Ainsi, chaque puce se trouve partiellement en regard de deux ou quatre détecteurs; par exemple la puce 10 a est en regard des détecteurs 2 a, 2 b (figures 1 a-lb) et éventuellement aussi en regard des détecteurs 2 d, 2 e. Conformément à l'invention les détecteurs 2 a- 2 f sont reliés électriquement entre eux par des liaisons électriques connectées aux métallisations 34 a- 34 d et les puces 10 a-10 d sont reliées électriquement entre elles par des liaisons électriques connectées aux métallisations 30 c, 30 d de sorte que les signaux d'entrée (Vdd, Vss, R, H) sont appliqués latéralement az sur l'ensemble du dispositif d'imagerie et que les signaux de sortie V sont aussi récupérés sur l'un out des c 8 tés du dispositif d'imagerie. Selon l'invention les liaisons électriques entre deux détecteurs consécutifs sont constituées des métallisations formées sur la puce disposée en regard des bords de ces deux détecteurs à connecter (voir figure lb), et des microbilles 36 connectant les métallisations de cette puce aux métallisations de ces détecteurs. Par exemple la métallisation 30 a de la puce a est connectée aux métallisations périphériques 34 a et 34 b respectivement des détecteurs 2 a et 2 b, via les billes 36 en regard, assurant ainsi l'interconnexion de ces deux détecteurs De même, la métallisation 30 b de la puce 10 b est connectée aux métallisations périphériques 34 c et 34 d respectivement des détecteurs 2 b et 2 c via les billes 36 en regard, assurant ainsi l'interconnexion de ces deux détecteurs. Parallèlement les liaisons entre deux puces consécutives sont réalisées à l'aide des métallisations formées sur le détecteur en regard des bords respectivement des deux puces à connecter et des microbilles 36 en regard de ces métallisations Par exemple (figure lb) la métallisation 34 e du détecteur 2 b assure la connexion des métallisations 30 d, respectivement des puces 10 a et 10 b via les billes d'indium 36 en regard et donc l'interconnexion des puces 10 a et l Ob. Sur la figure 4 on a représenté une variante 1 1 de réalisation des métallisations 34 a-34 e de la face de sortie des détecteurs permettant en particulier de découpler les électrodes points 14 de ces métallisations A cet effet, on utilise de part et d'autre de chaque métallisation 34 a, 34 e deux bandes conductrices 44 et 46 et une métallisation 48 interposée entre l'isolant d'électrodes 42 et les métallisations 34 a, 34 e, 44 et 46 La bande de métallisation 48 est en outre isolée des métallisations 34 a, 34 e, 44 et 46 par un isolant 50 par exemple en polyimide. Les métallisations 44 et 46 sont réalisées en même temps que les métallisations 34 a, 34 e dans une même couche d'aluminium La couche 48 est formée par gravure d'une couche d'aluminium de lum d'épaisseur et sert d'écran entre les électrodes points 14 et les métallisations 34 a, 34 e Pour compléter cet effet d'écran latéral, les métallisations 44 et 46 sont reliées à la masse ou à un potentiel fixe. Sur la figure 5 on a représenté une autre variante de réalisation des métallisations de la face de sortie des détecteurs pour assurer leur inter- connexion Dans cette variante les métallisations telles que 34 a, 34 e consistent en des électrodes points Cette solution à l'inconvénient de supprimer des électrodes points aux emplacements destinés aux métallisations d'interconnexions des détecteurs et des puces En revanche, cette solution est beaucoup plus simple à réaliser que celle représentée sur les figures 2 et 4. Les signaux d'alimentation Vdd, la masse Vss, les signaux d'initialisation de lecture R et az d'horloge H sont envoyés simultanément et en parallèle sur toutes les puces 10 a-10 d Ces signaux sont donc appliqués a des connexions communes à toutes les puces. En revanche, le signal de sortie V est spécifique à out chaque puce l Oa-10 d. En vue d'une radiographie, il est nécessaire d'individualiser les signaux V délivrés par chaque out puce Pour ce faire, il est possible de personnaliser chaque puce de façon que le signal V sorte à un out endroit différent d'une puce à une autre Ceci oblige une personnalisation de chaque puce au moment de la fabrication ce qui est contraire à la fabrication en série et complique quelques peu le dispositif d'imagerie. Aussi, pour que les signaux de sortie V out des différentes puces du dispositif sortent toutes du même côté du dispositif en parallèle, l'invention propose une connexion originale des différentes sorties comme représentée sur la figure 6. Sur cette figure on a représenté quatre puces (n= 4) 10, 10, 103, 10 d'une même ligne de la matrice 1 ' 2 4 de puces, décalées selon la direction x par rapport à des détecteurs 21, 2, 2, 2 d'une même ligne de la 3 4 matrice de détecteurs Chaque puce 10 (avec i allant i de 1 à 4) comporte quatre métallisations supplémentaires 301, 302, 303 et 304 (représentées en trait fin) De même chaque détecteur 2 comporte des i métallisations supplémentaires 341 342 343, 34 1 ' ' 4 représentées sous forme de bandes. Conformément à l'invention, l'extrémité de sortie de la métallisation 30 de chaque puce 10 est i i connectée à l'extrémité d'entrée de la métallisation 30 i+ 1 de la puce suivante 10 1, via La métallisation 34; formée sur le détecteur 2;, en regard i i respectivement des deux puces successives 10 et 10, i i+ 1 la connexion étant assurée comme précédemment à l'aide de microbilles. Ainsi, l'extrémité de sortie de la métallisation 302 de la puce 10 par exemple est 2 1 connectée à l'extrémité d'entrée de la métallisation de la puce 102 via la métallisation 34 formée sur 3 2 2 Le détecteur 2 en regard des puces 10 et 102 et à I I 2 l'aide des microbilles en regard de ces métallisations. Ainsi, la sortie 30 de la puce 10 fournit 4 4 le signal V issu de la puce 10 De même, la sortie out 1 de la métallisation 30 de la puce 10 produit le 3 4 signal V issu de la puce 10 et la sortie de la out 2 métallisation 301 de la puce 10 fournit la signal V I 4 out issu de la puce 104 4 ' Cette méthode de connexion permet la réalisation de puces identiques avec leur trou de contact délivrant la tension V au même endroit out facilitant ainsi leur fabrication Cette individualisation des signaux de sortie est possible grâce à la technique de microbrilles, de décalage d'un pas des détecteurs par rapport aux puces et de l'utilisation respectivement des détecteurs comme support de métallisations entre les puces pour leur connexion, via les microbilles, et des puces comme support de métallisations entre les détecteurs pour leur connexion, via les microbilles. Au lieu de réaliser les métallisations 30 i des puces selon la direction x et de réaliser les métallisations 34 des détecteurs de façon oblique i (figure 6), il est possible de réaliser les métallisations 34 parallèlement à la direction x et i d'orienter dans ce cas, les métallisations 30 des puces en oblique. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'imagerie d'un rayonnement comportant au moins un détecteur ( 2 a-2 f, 2 i) plan apte à transformer le rayonnement ( 8) en charges électriques et comportant une électrode commune ( 12) sur une face d'entrée destinée à recevoir le rayonnement, une mosaïque d'électrodes points ( 14) et des bandes ( 34 a- 34 e, 34 i) métalliques sur une face de sortie opposée à la face d'entrée; plusieurs puces de circuits intégrés plan disposée en regard de la face de sortie du détecteur et comprenant une mosaique de circuits de Lecture ( 16), un circuit d'adressage ( 28) connecté aux circuits de lecture et des bandes métalliques ( 30 a-30 d, 30 i) pour connecter les circuits de lecture et d'adressage à des circuits extérieurs d'alimentation, de commande et de traitement des signaux de sortie, chaque circuit de lecture étant hybridé par une microbille ( 20) à une électrode point ( 14), les bandes métalliques de la puce de circuits intégrés étant disposées en regard des bandes métalliques du détecteur et hybridées à celles-ci par microbilles ( 36). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs niveaux de bandes métalliques ( 34, 48) isolés les uns des autres sont prévus sur la face de sortie du détecteur. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le détecteur consiste en un matériau semiconducteur massif ( 6) revêtu sur une face de l'électrode commune ( 12) et sur une face opposée des électrodes points ( 14). 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bandes métalliques du détecteur sont isolées électriquement des électrodes points du détecteur par une couche d'isolant électrique ( 42). Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs détecteurs ( 2) accolés bord à bord, disposés sous forme de lignes et de colonnes d'une première matrice, connectés entre eux par des liaisons électriques, et plusieurs puces de circuits intégrés ( 10) accolées bord à bord et disposées sous forme de lignes et de colonnes d'une seconde matrice faisant face à la première et connectées entre elles par des liaisons électriques. 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les dimensions de la ou des puces sont les mêmes que celles du ou des détecteurs. 7 Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les puces ( 10) de circuits i intégrés sont décalées de façon à être partiellement en regard d'au moins deux détecteurs consécutifs ( 2, 2). i + 1 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la liaison électrique entre deux puces consécutives est assurée par une bande métallique ( 34 e, 34 i) formée sur le détecteur partiellement en regard de ces deux puces consécutives et par des microbilles ( 36). 9 Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la liaison électrique entre les bandes métalliques ( 34 a-d, 34 i) de deux détecteurs consécutifs est assurée par une bande métallique ( 30 a- d, 30 i) formée sur la puce de circuits intégrés partiellement en regard de ces deux détecteurs consécutifs et par des microbilles ( 36). Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte n puces ( 10 10) sur une même ligne de la seconde i 4 matrice et N bandes métalliques ( 30 i) spécifiques numérotées de 1 à N pour véhiculer vers Le circuit de traitement Les signaux de sortie spécifiques (V) de out ces N puces, ces bandes comportant une entrée et une i éme sortie, l'extrémité de sortie de la i bande étant i ème reliée à l'extrémité d'entrée de la (i+ 1) bande avec 1 2, la première bande d'une puce déterminée délivrant le signal de sortie spécifique de ladite puce déterminée.