CN104251870A - 衍射成像 - Google Patents

Abstract

本发明涉及衍射成像。一种对不均匀多晶样本中的相进行成像的方法，该不均匀多晶样本具有至少第一结晶成分的多个微晶，该方法包括在基本单色X射线以布拉格-布伦塔诺仲聚焦几何、以第一角θ₁入射到样本的表面的情况下，照射跨样本的表面延伸的被照射区域。由样本以第二角θ₂衍射的X射线穿过针孔装置。衍射角θ₁+θ₂满足第一结晶成分的布拉格条件，第一结晶成分由探测器成像，以提供在样本的表面处的第一结晶成分的二维图像。

Description

衍射成像

技术领域

本发明涉及由X射线对样品中的相成像。

背景技术

在一些领域中，对具有一种或多种材料的小结晶或微晶的多晶样本中的相分布进行成像是有用的。

已经使用的一种方法是使用X射线荧光。成像探测器可以被用来建立跨样本的X射线荧光的图像，并且因此对具体元素或相的位置进行成像。然而，这种方法不适合于全部情况，并且特别地，X射线荧光仅能区分元素而不能区分所关注的具体晶体或晶体相。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种对样本进行衍射成像的方法。

通过以布拉格条件成像，可以对样本中的具体成分相的位置进行成像。

入射X射线可以从入射束焦点入射到被照射区域，并且针孔装置可以定位在反射的X射线的聚焦距离处。对于对称条件(θ₁＝θ₂)，该聚焦距离是距样本的表面的被照射区域的、与入射束焦点相同的距离。

因此，束以略微发散的角从入射束焦点入射到样本的被照射区域上并且没有被高度准直。入射束焦点可以是X射线源的管焦点或者可选地是狭缝或点。也可以由狭缝、掩模、其他X射线光学器件或例如苏莱尔狄缝进行附加准直。

使用X射线对多晶样本成像的在先方法已经使用X射线荧光，而非X射线衍射。然而，X射线荧光的施加不局限于荧光材料。在X射线已经被用于成像的情况下，其已经被用来对几乎完美的单个晶体中的缺陷进行成像。这种成像使用高度准直的入射束或者在入射束侧上的针孔，以实现与经准直的入射束相同的效果，以将晶体中的缺陷可视化。此外，其通常由低入射束角执行，来在样本上得到足够大的被照射区域。

相反，本发明对样本的延伸区域进行照射。相反，这导致了入射束角和束方向跨被照射区域不同。

通过以下方式实现本发明：因为衍射角由入射束和衍射束角的总和θ₁+θ₂来给出，所以当针孔装置被布置在反射束的聚焦位置中时，可以跨足够大到执行区域成像的样本区域来保持单个衍射条件(即，布拉格峰)。θ₁或θ₂的小的变化都足够小以保持在布拉格峰内。同样，在样本的被照射区域的、θ₁比在中央处更大的一个边缘处，θ₂可以比在中央处更小，从而允许一些补偿——衍射角θ₁+θ₂意味着能够跨被照射区域充分精确地满足布拉格条件。

可以使用在反射的X射线的聚焦条件中定位小的针孔来实现锐利的图像。这在对荧光信号进行成像时不需要。这种荧光辐射被几乎均匀地散射，并且因此针孔可以被布置在任何位置。因此，图像可以通过将针孔和探测器与样本表面垂直放置来简单地获得。

另一方面，对于XRD，需要满足布拉格条件，使得θ₁+θ₂必须对于被研究的具体相进行校正，并且针孔应当在聚焦圆上。

通过改变衍射角θ₁+θ₂以对应于第二结晶成分，本方法可以被用来对多个成分相进行成像。

探测器可以是二维探测器。或者，如果探测器可以被移动到不同位置和/或取向，可以使用一维探测器或点探测器，来构建二维图像。

为了将失真最小化，二维探测器可以被确定取向为平行于样本表面。注意，这并不是传统X射线衍射测量中二维探测器的通常取向，二维探测器通常被确定取向为与衍射的X射线(而非样本表面)垂直。

样本和探测器可以被平行地摆动，从而在成像方法期间保持样本表面与探测器平行。这可以改善粒子统计并且因此改善成像。

或者，针孔和探测器可以被确定取向为使得θ₂接近90°，例如为80°到100°，优选地为85°到95°，以消除图像的失真。在这种情况下，入射束可以被调整以例如在5°到75°的范围内调整θ₁，以实现布拉格条件。为了在合适的范围内实现衍射角θ₁+θ₂，也可以相应选择X射线管的特征波长。

为了方便，也可以使用其他角度。

该方法还可以包括使得入射到样本上的单色X射线穿过在样本的入射侧上的掩模中的孔或狭缝，以限定被照射区域。为了控制轴向发散，单色X射线也可以穿过苏莱尔狄缝(Soller slit)。第一角θ₁的轴向发散和针孔大小被选择为使得衍射角θ₁+θ₂跨样本的被照射区域的变化足够大，以使得跨样本表面的被照射区域满足第一结晶成分的布拉格条件。

然而，第一角θ₁的轴向发散和针孔大小被选择为使得衍射角θ₁+θ₂跨样本的被照射区域的变化足够小，以使得对于与针对所述第一结晶成分的布拉格条件的布拉格峰相邻的布拉格峰，在跨样本表面的被照射区域的任何位置都不满足布拉格条件。

可以通过改变θ₁、θ₂或这二者来改变衍射角θ₁+θ₂，来执行短扫描。这可以改善在样本边缘处的衍射强度并且改善粒子统计。

方便地，针孔装置简单地是实际针孔。然而，可以代替使用诸如可能存在于副单色仪中的准直装置的组合，在这种情况下分辨率由单色仪中的晶体反射的“摇摆曲线宽度(rocking curve width)”来确定。

附图说明

现在将会仅通过示例的方式参照附图描述本发明的实施例，其中：

图1示出了用在根据本发明的方法中的设备的示意图；

图2示出了从不同方向观察的图1的设备的光学布置的立体图；以及

图3到图6示出了使用本发明的实施例的方法记录的各种样本的图像。

附图是示意性的并且没有按照比例。

具体实施方式

参照图1，一般的配置的高度示意性表示包括具有管焦点4的管2、针孔12和探测器14。具有样本表面的多晶样本6被安装到样本安装件10上。

X射线从管出射并且跨样本表面的被照射区域20入射。X射线在被照射区域20处被衍射，并且入射到在与仲聚焦条件(para-focussing condition)对应的距离处的针孔12上。这由图1的聚焦线表示。对于对称反射θ₁＝θ₂，针孔基本在距样本与管焦点相同的距离处。

X射线以入射角θ₁入射，并且从表面以角θ₂衍射，并且穿过针孔12到达探测器14，该探测器在本实施例中为可以直接对样本表面8成像的二维探测器。

衍射角为θ₁+θ₂。该衍射角被选择为对于多晶样本的具体成分(即，具体相)满足布拉格条件。因此，仅该成分将会被成像。

照明X射线基本是单色的，并且可以使用入射X射线管的单个线。

注意，针孔12在距样本表面8与管焦点4相同的距离处的条件仅适用对称条件θ₁＝θ₂。

在不适用该条件的情况下，适用以下公式(布拉格-布伦塔诺仲聚焦几何(Bragg-Brentano para-focussing geometry))：

t sinθ₂＝r sinθ₁

其中t是管焦点4到样本表面8的距离，并且r是针孔12到样本表面8的距离。

在这种情况下，针孔的位置相应地在由布拉格-布伦塔诺仲聚焦几何确定的位置，即，被衍射为具有恒定衍射角θ₁+θ₂的X射线从其经过的位置。对于给定的θ₁，对于每个θ₂都有在由以上公式给出的距离处的一位置，在该位置处一阶束从一点穿过。该位置是仲焦点位置。当然，在传统布拉格-布伦塔诺几何中，单个探测器(或者探测器的入口)位于由仲焦点条件确定的位置，而在本发明中，针孔装置被定位在该点，并且被用来在位于针孔装置之后的探测器上提供样本的表面的二维图像。

图2示出了立体图中的几何形状。

大量的具体方法可以被用来照射样本。

在第一方法中，管2被用在具有大的狭缝和掩模18的线焦点装置中，该大的狭缝和掩模18如图1和图2所示被用来确定样本的被照射区域20。

可选的苏莱尔狄缝22可以在焦点位置4和样本8之间设置在入射束侧上。该苏莱尔狄缝被用来通过限制来自焦点位置4的X射线的角来控制在样本表面8处的束发散。

注意针孔位置确定峰位置并且针孔的大小确定仅单个峰穿过还是多个峰穿过，也就是说更小的针孔得到更佳的分辨率。可以由苏莱尔狭缝控制的X射线的轴向发散连同峰宽度一起确定样品的边缘可以被成像的好坏程度。

被选择用于成像的布拉格衍射峰不应当与其他相的峰重叠。

在可选方式中，可以使用在管前方的具有孔洞的点焦点。

使用该设备和方法获得的图像在图3到图6中呈现。

图3是使用线焦点形成的印刷电路板的图像，并且图4是使用点焦点形成的相同板的图像。注意，在这种情况下线焦点给出更好的成像。

图5是在硅上的金层的图像(硅芯片的焊盘)。

图6是使用线焦点成像的陨铁部分的图像。注意，在这种情况下，材料是荧光的并且因此也看到了叠加的XRF信号。

注意，可以看到各个微晶的局部的良好成像。

对于普通的衍射成像，探测器表面与径向方向垂直。然而，为了将成像失真最小化，探测器表面(探测器14的成像平面)优选地与样本表面8的平面平行。

在探测器14的成像平面不与样本表面8的平面平行的情况下，那么可以通过将由探测器拍摄的图像投影到与相同表面平行的平面上来施加几何校正。这种投影可以在软件中执行。

为了改善粒子统计，在该具体情况中，样本表面8和探测器表面可以平行地摆动，即，样本的取向的角与探测器表面在这二者变化时保持平行。

针孔大小可以被选择为与探测器的可达到分辨率匹配，同时记住在合理的时间长度内需要足够的X射线来进行成像。在样本表面处可达到的空间分辨率取决于针孔大小、探测器的像素大小、探测器相对于表面的取向、角θ₂和束的轴向发散。

θ₁、θ₂或二者(在短范围内)的扫描可以被执行以通过累积图像来改善样本边缘的衍射强度，并且改善粒子统计。

本发明允许跨样本表面的不同晶体相的位置的测量。

通过改变探测器与针孔的距离，图像的放大率可以被简单地改变。

针孔的大小可以被调整以实现空间分辨率与图像强度之间的权衡。更大的针孔使得更多的X射线穿过，从而实现更高的图像分辨率，并且因此实现更短的测量时间，但是实现更低的空间分辨率。

不需要专用的微点光学器件，并且使用的诸如针孔和线源焦点的组件容易获得。此外，不需要样本运动。入射束不需要被高度准直，并且不需要单色仪——X射线源线的线宽度通常就足够了。由于这些原因，该方法允许成像，而不需要以非常大量的设备为代价。

可以获得多个图像，每个图像具有不同的相。如果需要的话，这些图像可以通过图像处理来组合。

注意，该方法需要相对小的微晶来对于以衍射角进行的反射穿过针孔实现充分可能性。该效果可以通过扫描或摆动来减小以改善统计，例如如上文所述。

然而，如果样本包括具有允许束反射穿过针孔的特定优选取向的更大微晶，具有不同入射束角θ₁的具体相的(以恒定θ₁+θ₂的)成像允许调查样本表面中的这些微晶的取向(微晶取向成像)。

在可选实施方式中，一维探测器可以与接收狭缝一同使用，并且可以通过样本旋转构建第二维度。

另一个可选方式是保持针孔的使用并且旋转一维探测器来构建图像。

针孔12可以由准直光学器件(诸如具有狭缝的副单色仪)的其他组合来替换，并且在这种情况中空间分辨率由狭缝尺寸和晶体反射的摇摆曲线宽度来确定。在这种情况下，针孔装置不是真实的针孔，而是具有相同效果的某些物体，即，具有有效尺寸的进入窗口。

为了识别合适的衍射角θ₁+θ₂，设备可以首先通过使用探测器作为点探测器来使用，即，识别产生有用信号的衍射角而不获得图像。之后，对于衍射角或识别的角，可以使用如上所述方法获得二维图像。

Claims (18)

1.一种对不均匀多晶样本进行成像的方法，该不均匀多晶样本具有至少第一结晶成分的多个微晶，该方法包括：

用来自入射束焦点的基本单色X射线照射跨样本的表面延伸的被照射区域，该基本单色X射线以第一角θ₁入射到样本的表面；

使得由样本以第二角θ₂衍射的X射线穿过针孔装置，其中衍射角θ₁+θ₂满足第一结晶成分的布拉格条件，并且针孔装置位于由仲聚焦条件确定的位置，X射线穿过针孔装置并且到达探测器，以提供在样本的表面处的第一结晶成分的二维图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，入射X射线从入射束焦点入射到被照射区域上，并且其中针孔装置位于距样本的表面的被照射区域与入射束焦点基本相同的距离处。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括改变衍射角θ₁+θ₂以对应于不均匀多晶样本的第二结晶成分，来提供在样本的表面处的第二结晶成分的二维图像。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，探测器是二维探测器。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，二维探测器被确定取向为平行于样本表面。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，样本和探测器被平行地摆动，从而在成像期间保持样本表面与探测器平行。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，针孔装置和探测器被确定取向为使得θ₂为80°到100°。

8.根据权利要求8所述的方法，其中，针孔装置和探测器被确定取向为使得θ₂为85°到95°。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，θ₁在5°到70°的范围内。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括使得入射到样本上的单色X射线穿过在样本的入射侧上的掩模中的孔或狭缝，以控制第一角θ₁跨被照射区域的轴向发散并且限定被照射区域。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括将单色X射线穿过苏莱尔狄缝，以控制第一角θ₁跨被照射区域的轴向发散。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，第一角θ₁的轴向发散和针孔装置被选择为使得衍射角θ₁+θ₂跨样本的被照射区域的变化足够小，以使得对于与针对所述第一结晶成分的布拉格条件的布拉格峰相邻的布拉格峰，在跨样本表面的被照射区域的任何位置都不满足布拉格条件。

13.根据权利要求1到9中的任何一个所述的方法，还包括用多层的、alpha-1单色仪或X射线透镜照射样本。

14.根据权利要求10或11所述的方法，其中，第一角θ₁的轴向发散和针孔装置被选择为使得衍射角θ₁+θ₂跨样本的被照射区域的变化足够大，以使得跨样本表面的被照射区域满足第一结晶成分的布拉格条件。

15.根据权利要求1所述的方法，还包括通过改变θ₁、θ₂或这二者来改变衍射角θ₁+θ₂。

16.根据权利要求1所述的方法，还包括调整针孔装置的尺寸，以选择空间分辨率和通过狭缝的强度。

17.根据权利要求1所述的方法，包括以不同的入射束角θ₁对于相同的布拉格反射θ₁+θ₂执行多个成像步骤，以调查在样本表面中特定相的微晶的取向。

18.一种方法，包括：

用X射线照射样本；

使用探测器作为点探测器来检测至少一个合适的衍射角θ₁+θ₂；以及

执行根据在先权利要求中的任何一个所述的方法，以使用衍射角θ₁+θ₂获得至少一个二维图像。