JP2006162536A

JP2006162536A - Ｘ線撮像装置

Info

Publication number: JP2006162536A
Application number: JP2004357919A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Uehara; 康上原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】樹脂封止された電子部品内部の軽元素異物の位置や形状を非破壊で調べる。
【解決手段】Ｘ線源１６と、第１の結晶２、第２の結晶４及び第３の結晶６を備えるＸ線干渉計７と、Ｘ線検出器２０を備えたＸ線撮像装置１において、第１のビームの光路上であって、第１の結晶２と第２の結晶４の間もしくは第２の結晶４と第３の結晶６の間に、第１の集光用ゾーンプレート２６とそれと対になる第１の平行化用ゾーンプレート２８が設定され、第２のビームの光路上であって、第１の結晶２と第２の結晶４の間もしくは第２の結晶４と第３の結晶６の間に、第２の集光用ゾーンプレート３０とそれと対になる第２の平行化用ゾーンプレート３２が設定されたことを特徴とするＸ線撮像装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体の内部を非破壊に検査するＸ線撮像装置に関する。

密封された電子部品の内部状態を非破壊で観察する一般的な方法として、Ｘ線透視法が挙げられる。同Ｘ線透視法は、研究開発、不良品解析、或いは製造現場でのインライン検査にて広く用いられている。しかし、同方法は、物質の密度差に起因するＸ線の吸収の大小をコントラストとして捉えるものであるから、観察対象物と周囲との密度差が小さい場合には対象物を明瞭に捉えることが極めて難しい。例えば、電力用半導体素子ではアルミニウム製のワイヤ配線が用いられているが、樹脂とアルミニウムの密度差は極めて小さいため、樹脂封止された部品中のワイヤの状態を十分に捉えることができない。

一方、酸素や炭素など軽元素を多く含み且つ周囲との密度差が小さい試料の内部観察を行う手法として、位相コントラスト法が知られている。この位相コントラスト法は、Ｘ線が試料を透過するときに生じる位相変化を利用するものである。３枚の（珪素等の）結晶板を組み合わせてそれらの回折現象を利用するＸ線干渉計が、位相コントラスト法を実施する装置として公知である。一般的に位相コントラスト法において回折現象を効果的に発生させるためには、平行なＸ線を結晶に入射させることが望ましい。そのため、位相コントラスト法では等倍観察が基本である。しかし、電子部品の内部を詳細に観察するには、等倍観察では空間分解能が十分ではない。

位相コントラスト法での空間分解能を向上させるＸ線撮像装置として、特許文献１は結晶の非対称反射を利用したものを開示している。この装置では、第１の結晶（ハーフミラー）で２つに分離されたＸ線光路の片側の途中に被観察物が置かれる。被観察物を透過したＸ線およびもう一方の分離されたＸ線は、それぞれ別の第２の結晶（ミラー）により反射され、第３の結晶（ハーフミラー）の位置で結合される。結合されたＸ線において、被観察物を通過したＸ線と通過していないＸ線との間に生じた位相差に対応したコントラストがＸ線検出器により検出され、検出されたコントラストが画像に表示される。ここで、第２の結晶として回折結晶面が表面に対して傾いているものを用いると、結晶に入射するＸ線ビームを反射により水平面方向に拡大させることができる。これによりＸ線撮像装置の分解能が向上する。

特許文献１に記載されたＸ線撮像装置は、第２の結晶の非対称反射により最大で１０倍程度の拡大率を確保できる。更に、Ｘ線検出器として数十ミクロンの空間分解能を有するものも商業的に入手可能である。しかし、かようなＸ線検出器と特許文献１に記載されたＸ線撮像装置を併用しても、半導体素子の封止された樹脂内のアルミボンディングワイヤを詳細に観察するには十分とは言えない。なお、非特許文献１は、Ｘ線に関する結像機能と分光特性を有するゾーンプレートに関するものである。
特開平１０−３００６９４号公報Ｘ線結像光学浪岡、山下編、培風館（１９９９）、９６頁〜９９頁

本発明は、樹脂封止された電子部品（例えば、半導体素子）内部の軽元素異物の位置や形状を非破壊で調べる装置を提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するためになされたものである。本発明に係るＸ線撮像装置は、
（ａ）Ｘ線を発生するＸ線源と、
（ｂ）上記Ｘ線を第１のビームと第２のビームに回折分離する第１の結晶と、
上記第１のビームおよび上記第２のビームを回折反射する第２の結晶と、
回折反射された上記第１のビームおよび上記第２のビームを結合する第３の結晶とを備えるＸ線干渉計と、
（ｃ）上記第３の結晶で結合されたビームを検出するための検出器を備えたＸ線撮像装置である。そのＸ線撮像装置において、
第１の集光用ゾーンプレートとそれと対になる第１の平行化用ゾーンプレートと、
第２の集光用ゾーンプレートとそれと対になる第２の平行化用ゾーンプレートとを更に備え、
上記第１のビームの光路上であって、上記第１の結晶と上記第２の結晶の間もしくは上記第２の結晶と上記第３の結晶の間に、上記第１の集光用ゾーンプレートとそれと対になる上記第１の平行化用ゾーンプレートが設定され、
上記第２のビームの光路上であって、上記第１の結晶と上記第２の結晶の間もしくは上記第２の結晶と上記第３の結晶の間に、上記第２の集光用ゾーンプレートとそれと対になる上記第２の平行化用ゾーンプレートが設定されたことを特徴とする。

本発明に係るＸ線撮像装置を利用することにより、Ｘ線干渉計から得られる干渉像の拡大率を飛躍的に向上できる。

以下、図面を参照して本発明に係る好適な実施の形態を説明する。

まず位相コントラスト法を実施するＸ線干渉計の基本的構成を図３により示す。図３は、位相コントラスト法を実施する一般的なＸ線干渉計７の概略の構成図である。図３のＸ線干渉計７は、平行に配置された板状の３枚の結晶（第１の結晶２、第２の結晶４、及び第３の結晶６）を含む。３枚の結晶は珪素（Ｓｉ）などの単結晶の板であることが好ましい。Ｘ線干渉計７において、まず装置の外部から（図では左方から）第１の結晶２にＸ線が照射される。Ｘ線は第１の結晶２により２つの光路に分離する。２つの光路に分離したＸ線はいずれも次に入射する第２の結晶４により反射され、更に次に入射する第３の結晶６の位置で結合する。

ここで、第１の結晶２で２つに分離されたＸ線の光路のいずれか一方（図３では上方の光路）の途中に、観察試料２４が置かれている。第３の結晶６で結合されたＸ線において、観察試料２４を通過したＸ線と通過していないＸ線との間に生じる位相差に対応したコントラストが、Ｘ線干渉計７の外部に設定されるＸ線検出器（図示せず。）により検出される。Ｘ線検出器（図示せず。）により検出されたコントラストは信号処理部（図示せず。）により適切な画像データに変換される。

実施の形態１

図１は、本発明の実施の形態１に係るＸ線撮像装置１の概略の構成図である。実施の形態１に係るＸ線撮像装置１は、図３と比較すると明白なように、Ｘ線干渉計７の内部に集光用及び平行化用のＸ線ゾーンプレートのセットを２つ備えたことを特徴とする。

まず、図１により実施の形態１に係るＸ線撮像装置１の構成を説明する。
Ｘ線源１６から発生したＸ線ビームは、Ｘ線ミラー１８により平行化され、Ｘ線干渉計７を構成する第１の結晶２に入射する。Ｘ線源１６は、Ｘ線干渉計７におけるＸ線強度の減衰を考慮すると回転対陰極型のものが望ましい。また、観察試料を十分に透過できる波長の短いＸ線を得るために、Ｘ線源１６におけるターゲットはタングステン（Ｗ）、銀（Ａｇ）或いはロジウム（Ｒｈ）などであることが望ましい。

第１の結晶２はハーフミラーの機能を有するため、入射するＸ線は第１のビーム１７と第２のビーム１９に分離される。なお説明の便宜上、図１の上方に進むビームを第１のビーム１７、下方に進むビームを第２のビーム１９と称することとする。第１のビーム１７は、第１の集光用ゾーンプレート８により焦点位置に集光される。観察試料２４は焦点直後に置かれ、微小Ｘ線ビームが広がりながら観察試料２４を透過する。焦点位置から広がった第１のビーム１７は第１の平行化用ゾーンプレート１０により平行化され、Ｘ線干渉計７に備わる第２の結晶４にて第１の結晶２による反射と逆方向に反射され、第３の結晶６に向かう。第２のビーム１９は、まず第２の結晶４にて第１の結晶２による反射と逆方向に反射される。その反射直後、光路上に設定されている第２の集光用ゾーンプレート１２により焦点位置に集光され、そのまま焦点位置から広がり第２の平行化用ゾーンプレート１４により平行化されて、第３の結晶６に向かう。

図１では、第２の集光用ゾーンプレート１２及び第２の平行化用ゾーンプレート１４は、第２の結晶４と第３の結晶６の間の光路上に配置されているが、両ゾーンプレート１２、１４は、第１の結晶２と第２の結晶４の間の光路上に配置されてもよい。同様に、第１の集光用ゾーンプレート８及び第１の平行化用ゾーンプレート１０が、第２の結晶４と第３の結晶６の間の光路上に配置されてもよい。

第１のビーム１７と第２のビーム１９は、第３の結晶６で結合し干渉を生じる。干渉はＸ線検出器２０で検出される。Ｘ線検出器２０で検出される干渉に係るデータは、信号処理部２２において画像処理を施され、観察試料２４に係る位相コントラスト像の基データとなる。

第１の集光用ゾーンプレート８の位置は、第１の集光用ゾーンプレート位置調整機構２６により制御される。同様に、第１の平行化用ゾーンプレート１０、第２の集光用ゾーンプレート１２、及び、第２の平行化用ゾーンプレート１４の位置は、第１の平行化用ゾーンプレート位置調整機構２８、第２の集光用ゾーンプレート位置調整機構３０、及び、第２の平行化用ゾーンプレート位置調整機構３２により制御される。また、観察試料１２の位置は、試料位置調整機構３４により制御される。これらの位置調整機構（２６、２８、３０、３２、３４）には、位置を検出する機能と検出した位置情報に基づき位置を制御する機能が備わる。

次に、実施の形態１に係るＸ線撮像装置１で利用するゾーンプレート（第１の集光用ゾーンプレート８、第１の平行化用ゾーンプレート１０、第２の集光用ゾーンプレート１２、及び、第２の平行化用ゾーンプレート１４）について説明する。
一般に、Ｘ線透視観察における拡大率は、（１）光源の大きさ、及び（２）光源から観察試料までの距離と光源から結像面までの距離との比によって決まる。つまり、できるだけ小さい光源を用いること、観察試料を光源に近づけること、及び結像面を光源から遠ざけることで、高い拡大率が実現される。実施の形態１に係るＸ線撮像装置１では、ゾーンプレートを用いて仮想の点光源を作り出すことにより高拡大率を実現する。

なお、ゾーンプレートは、非特許文献１にあるように、円形に開口した「フレネルの半波長帯」を一つおきに不透明にし、透明帯と不透明帯を同心輪帯状に並べた透過型光学素子である。ゾーンプレートは回折を利用した結像機能と分光特性を併せ持つ。非特許文献１より、焦点面におけるスポット径２ｒ_ｂは以下の数１の式で表される。

ここに、Δｒ_ｎは同心円最外殻のゾーン幅、ｍは回折の次数である。最外殻幅が１００ｎｍ程度のものは商業的に入手可能であるから、焦点面におけるスポット径は約１００ｎｍ程度のものとすることができる。

上記のゾーンプレートを利用することにより、図１に示す実施の形態１に係るＸ線撮像装置１において、第１の結晶２で分離された第１のビーム１７は、第１の集光用ゾーンプレート８により焦点に集光される。この焦点はＸ線撮像のための仮想的光源とすることができる。この仮想的光源の光源サイズは上記のように約１００ｎｍとすることができ、この値は極めて小さいものである。

ゾーンプレートによる一次回折光の焦点距離ｆは、最も内側の不透明円の半径をｒ_１とすると、以下の数２の式で与えられる。

数２の式から明白なように、焦点距離ｆは波長（λ）依存性を有する。ここで、Ｘ線源にロジウム（Ｒｈ）を用いるとする。そのＫα特性線の波長は、０．０６１３ｎｍ＝６．１３×１０^−１１ｍであるから、例えばｒ_１として３μｍのものを用いると、数２より焦点距離は約１４７ｍｍとなる。従って、例えば焦点から１ｍｍの位置に観察試料２４を挿入すれば、焦点から１４７ｍｍの位置に観察試料２４の約１４７倍の拡大像が投影されることになる。この位置に、平行化用のゾーンプレート（第１の平行化用ゾーンプレート）１０を設置すれば、拡大像を含む第１のビーム１７は平行ビームとなり、第２の結晶４で有効に回折反射され得ることになる。なお、観察試料２４を焦点から遠ざければ、小さい拡大率の像を得ることができる。

また、第１の結晶２で分離されたもう一つのビーム、即ち第２のビーム１９も、第２の集光用ゾーンプレート１２及び第２の平行化用ゾーンプレート１４によって集光・平行化されて、第３の結晶６に入射する。従って、第１のビーム１７と第２のビーム１９は、分離から結合までに同じ光路長を通ることになる。従って、２つのビームによる干渉像の中に、観察試料２４の透過に伴う位相シフトが正確に示されることになる。

光学素子である３枚の結晶は、一個の（珪素等の）インゴットから切り出した一体のユニットで形成されるのが望ましい。そのように形成することにより、各結晶の微妙な位置ずれを調整する機能を付加する必要がなく、Ｘ線干渉計７全体の制御が容易になる。

以上のように、Ｘ線干渉計７の中に２対のゾーンプレートを設置することで、Ｘ線干渉計７に像の拡大機能が付加され、位相コントラストＸ線撮像装置の空間分解能が向上する。

実施の形態２

図２は、本発明の実施の形態２に係るＸ線撮像装置１の概略の構成図である。実施の形態２に係るＸ線撮像装置１は、実施の形態１に係るＸ線撮像装置１と略同一のものである。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態２に係るＸ線撮像装置１におけるＸ線干渉計７の第１の結晶２、第２の結晶４及び第３の結晶６には、位置調整機構（第１の結晶位置調整機構３６、第２の結晶位置調整機構３８及び第１の結晶位置調整機構４０）が備わり、各結晶（２、４、６）の位置は、各位置調整機構（３６、３８、４０）により制御される。これらの位置調整機構（３６、３８、４０）には、位置を検出する機能と検出した位置情報に基づき位置を制御する機能が備わる。

実施の形態１に係るＸ線撮像装置１に関する説明で、光学素子である３枚の結晶が一個の（珪素等の）インゴットから切り出した一体のユニットで形成されるのが望ましいことを述べた。これら３枚の結晶が一個のインゴットから切り出した一体のユニットで形成されることは本発明の必須の要件ではなく、光学素子である３枚の結晶がそれぞれ分離独立していてもよい。ただし、その場合３枚の結晶のそれぞれに対して位置調整機構が備わることが望ましい。

実施の形態２に係るＸ線撮像装置１の構成によれば、Ｘ線干渉計７における制御はより複雑になるが、Ｘ線干渉計７の構成の自由度は高くなる。従って、例えば、焦点距離の異なる複数のゾーンプレートを用いたときのＸ線干渉計７全体の調整を容易に行うことができる。

なお、上述の実施の形態（実施の形態１、２）に係るＸ線撮像装置１においては、Ｘ線源として回転対陰極型を用いることを想定しているが、放射光装置を用いてもよい。その場合、連続Ｘ線である放射光を分光器により単色化し、上述の実施の形態に係るＸ線撮像装置１と同様にＸ線ミラー１８により単色化された放射光を平行化してからＸ線干渉計７に入射することになる。

本発明に係るＸ線撮像装置１のＸ線源として大型放射光装置を用いれば、利用できるＸ線の波長範囲が格段に広くなるため、Ｘ線干渉計およびゾーンプレートを適切に選択すれば、観察可能な試料の対象を大幅に広げることができる。なお、ここでの「大型放射光装置」とは、「光速近くまで加速された電子ビームを周回軌道に蓄積し、その軌道から放射されるＸ線を利用する放射光装置、特に電子ビームの加速エネルギーが約５０億電子ボルト以上となる加速器を有する放射光装置」である。

本発明の実施の形態１に係るＸ線撮像装置の概略の構成図である。本発明の実施の形態２に係るＸ線撮像装置の概略の構成図である。一般的なＸ線干渉計の構成図である。

符号の説明

２第１の結晶、４第２の結晶、６第３の結晶、７Ｘ線干渉計、８第１の集光用ゾーンプレート、１０第１の平行化用ゾーンプレート、１２第２の集光用ゾーンプレート、１４第２の平行化用ゾーンプレート、１６Ｘ線源、１７第１のビーム、１９第２のビーム、１８Ｘ線ミラー、２０Ｘ線検出器、２２信号処理部、２４観察試料、２６第１の集光用ゾーンプレート位置調整機構、２８第１の平行化用ゾーンプレート位置調整機構、３０第２の集光用ゾーンプレート位置調整機構、３２第２の平行化用ゾーンプレート位置調整機構、３４観察試料位置調整機構、３６第１の結晶位置調整機構、３８第２の結晶位置調整機構、４０第３の結晶位置調整機構。

Claims

（ａ）Ｘ線を発生するＸ線源と、
（ｂ）上記Ｘ線を第１のビームと第２のビームに回折分離する第１の結晶と、
上記第１のビームおよび上記第２のビームを回折反射する第２の結晶と、
回折反射された上記第１のビームおよび上記第２のビームを結合する第３の結晶とを備えるＸ線干渉計と、
（ｃ）上記第３の結晶で結合されたビームを検出するためのＸ線検出器を備えたＸ線撮像装置において、
第１の集光用ゾーンプレートとそれと対になる第１の平行化用ゾーンプレートと、
第２の集光用ゾーンプレートとそれと対になる第２の平行化用ゾーンプレートとを更に備え、
上記第１のビームの光路上であって、上記第１の結晶と上記第２の結晶の間もしくは上記第２の結晶と上記第３の結晶の間に、上記第１の集光用ゾーンプレートとそれと対になる上記第１の平行化用ゾーンプレートが設定され、
上記第２のビームの光路上であって、上記第１の結晶と上記第２の結晶の間もしくは上記第２の結晶と上記第３の結晶の間に、上記第２の集光用ゾーンプレートとそれと対になる上記第２の平行化用ゾーンプレートが設定されたことを特徴とするＸ線撮像装置。
上記第１の結晶、上記第２の結晶及び上記第３の結晶が、１つのインゴットから切り出された一体のユニットで形成されたことを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置。
上記第１の結晶、上記第２の結晶及び上記第３の結晶に、それぞれ位置調整機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置。