JP2020201070A - 分析装置および分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定時間を長くしなくても高分解能を実現することができる分析装置および分析方法を提供する。【解決手段】分析装置１００は、試料にＸ線を照射するためのＸ線照射装置１０と、前記試料を透過した前記Ｘ線を検出する検出装置２０と、前記試料が設置され、前記Ｘ線照射装置１０から前記検出装置２０に対して前記Ｘ線が照射される方向と交差する方向を軸として前記試料を回転させる回転機構を備える試料設置装置３０と、前記検出装置２０と前記試料との距離方向と、前記回転機構が前記試料を回転させる回転軸と交差する方向に、前記検出装置２０を並進させる並進装置と、前記検出装置２０のピクセルを２以上に分割した距離ずつ前記検出装置２０が並進するごとに前記回転機構が前記試料を回転させた場合に、前記検出装置２０の検出結果から得られる投影画像から、逐次近似再構成法による断層像を再構成する解析装置と、を備える。【選択図】図１

Description

本件は、分析装置および分析方法に関する。

Ｘ線を対象物に照射して投影像を取得する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。試料の断層像を取得するために、試料の面内回転角をずらしながら試料の様々な方向からの投影像を取得し、その投影像に対してフィルタ補正逆投影法（ＦＢＰ法）を用いるラミノグラフィ法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−１６３３７５号公報 特開２０１８−１９４４９１号公報

しかしながら、ＦＢＰ法では、データ欠損に弱く断層像にアーチファクトが生じるおそれがある。そこで、逐次近似再構成（ＩＲ）法を用いることが考えられる。さらに、例えばプリント基板などの板状試料の断層像を取得する場合には高分解能が求められる。しかしながら、高分解能を実現しようとすると、測定時間が長くなるおそれがある。

１つの側面では、本発明は、測定時間を長くしなくても高分解能を実現することができる分析装置および分析方法を提供することを目的とする。

１つの態様では、分析装置は、試料にＸ線を照射するためのＸ線照射装置と、前記試料を透過した前記Ｘ線を検出する検出装置と、前記試料が設置され、前記Ｘ線照射装置から前記検出装置に対して前記Ｘ線が照射される方向と交差する方向を軸として前記試料を回転させる回転機構を備える試料設置装置と、前記検出装置と前記試料との距離方向と、前記回転機構が前記試料を回転させる回転軸と交差する方向に、前記検出装置を並進させる並進装置と、前記検出装置のピクセルを２以上に分割した距離ずつ前記検出装置が並進するごとに前記回転機構が前記試料を回転させた場合に、前記検出装置の検出結果から得られる投影画像から、逐次近似再構成法による断層像を再構成する解析装置と、を備える。

測定時間の長大化を抑制しつつ高分解能を実現することができる。

実施例１に係る分析装置を例示する図である。 解析装置の処理の一例を表したフローチャートである。 比較例に係る分析装置を例示する図である。 分割数ｍ＝１０とした場合に、投影像にどのような影響を与えるかを説明するための図である。 分割数ｍを１０にした場合に、断層像に与える影響を例示する図である。

Ｘ線ＣＴ（X-ray Computerized Tomography)法は、試料にＸ線を照射し、試料の面内回転角Φをずらしながら試料の様々な方向からの投影像を取得し、その投影像を解析することで試料の断層像を取得する分析方法である。Ｘ線ＣＴ法は、試料の回転に対してＸ線の透過・吸収が一様な、円柱状あるいは球状の試料の分析を得意とする。一方、電気・電子産業用においては、プリント基板のようにＸ線ＣＴ法が不得意とする平板形状の試料も多い。

そこで、Ｘ線ＣＴ法が不得意とする、平板形状からなる試料に好適な断層像取得方法として、Ｘ線ラミノグラフィ法が提案されている。Ｘ線ＣＴ法とＸ線ラミノグラフィ法との類似点は、いずれも、試料にＸ線を照射し、試料の面内回転角Φをずらしながら試料の様々な方向からの投影像を取得し、その投影像を解析することで試料の断層像を取得する点である。一方、相違点は、Ｘ線ラミノグラフィ法においては、試料をＸ線源方向に傾斜させるのに対して、Ｘ線ＣＴ法では傾斜させない点である。つまり、Ｘ線ＣＴ法は、Ｘ線ラミノグラフィ法の一形態であると言える。

Ｘ線ＣＴ法において、投影像から断層像を取得するための解析手法として、フィルタ補正逆投影（ＦＢＰ： filtered back projection）法がよく利用されている。また、Ｘ線ラミノグラフィ法においても、Ｘ線ＣＴ法と同様に、傾斜を考慮したＦＢＰ法が利用されている。ＦＢＰ法は、計算コストが安いという長所を有している。そこで、ＦＢＰ法が断層像の再構成に利用されることが多い。

しかしながら、ＦＢＰ法はデータ欠損やノイズの影響を受けやすいという短所も併せ持っている。したがって、ＦＢＰ法では、データ欠損などの影響により断層像にアーチファクトが発生しやすいことが知られている。そこで、Ｘ線ＣＴ法やＸ線ラミノグラフィ法における投影像の取得に際しては、試料の面内回転角Φを、データ欠損と見なされないほど十分連続的な間隔でずらしつつ測定が実施されている。通常、面内回転角Φの刻み幅は、１°間隔とされることが多い。

ＦＢＰ法と異なる解析法として、逐次近似再構成（ＩＲ：Iterative Reconstruction）法が知られている。ＩＲ法は、ＦＢＰ法と比べて、計算コストが高いという短所を持つ反面、データ欠損に強いという長所を有している。

Ｘ線ＣＴ法やＸ線ラミノグラフィ法を用いた分析においては、広視野と高空間分解能との両立が望まれている。例えば、医療分野においては、臓器全体を映す広い視野に加えて、腫瘍領域は高空間分解能で観察できることが望まれている。また、電気・電子産業用においては、プリント基板やその上に搭載されているチップを映す広い視野に加えて、チップ中の欠陥領域は高空間分解能で観察できることが望まれている。しかしながら、高分解能を実現するためには測定時間が長くなるおそれがある。そこで、測定時間を長くしなくても高分解能を実現することができる分析装置および分析方法について説明する。

図１は、実施例１に係る分析装置１００を例示する図である。図１で例示するように、分析装置１００は、Ｘ線照射装置１０、検出装置２０、試料設置装置３０、調整装置４０、解析装置５０などを備える。

Ｘ線照射装置１０は、検出装置２０の検出面と対向する。Ｘ線照射装置１０は、検出装置２０に向かってＸ線１１を照射する。Ｘ線１１は、白色Ｘ線などであり、単色器により分光された単色Ｘ線などであってもよい。また、Ｘ線１１は、平行Ｘ線であってもよく、発散Ｘ線であってもよい。Ｘ線照射装置１０から検出装置２０にＸ線１１が照射される方向は、平行Ｘ線であれば各Ｘ線の照射方向のことであり、発散Ｘ線であれば中心軸のＸ線の照射方向のことである。

検出装置２０は、検出面を備える２次元検出器であって、試料を透過したＸ線を当該検出面で検出し、複数枚の２次元画像（試料投影像）を取得する装置である。

試料設置装置３０は、試料が設置され、試料の位置および傾きを調整する装置である。試料設置装置３０は、試料が設置される試料台３１を備える。試料台３１は、Ｘ線照射装置１０と検出装置２０との間に位置している。それにより、Ｘ線１１は、試料台３１上の試料に照射されることになる。

試料設置装置３０は、試料台３１の並進Ｘ軸方向の位置を調整する並進Ｘ軸調整ステージ３２、試料台３１の並進Ｙ軸方向の位置を調整する並進Ｙ軸調整ステージ３３、試料台３１のＺ軸方向の高さ位置を調整するＺ軸調整ステージ３４を備える。並進Ｘ軸と、並進Ｙ軸と、Ｚ軸とは、互いに直交する。並進Ｘ軸は、試料と検出装置２０との距離を増減する距離方向である。Ｚ軸は、後述する面内回転角Φの回転軸に一致する。並進Ｙ軸は、試料と検出装置２０との距離を一定に保ちつつ試料を検出装置２０に対して平行移動させる方向である。

また、試料設置装置３０は、Ｒｘ軸を軸として試料台３１上の試料の傾きを調整する傾きＲｘ軸調整ステージ３５、Ｒｙ軸を軸として試料台３１上の試料の傾きを調整する傾きＲｙ軸調整ステージ３６を備える。

また、試料設置装置３０は、試料台３１上の試料の面内回転角Φを調整する回転角Φ調整ステージ３７、試料台３１上の試料の傾斜角φを調整する傾斜角φ調整ステージ３８を備える。ここで、面内回転とは、試料が平板状の場合には主面に垂直をなす方向を軸として試料を回転させることである。したがって、試料を面内回転させる場合、試料の主面がなす面の傾斜は変動しない。

調整装置４０は、検出装置２０の位置および傾斜を調整する装置である。調整装置４０は、ＲＤ軸を軸として検出装置２０の傾きを調整する傾きＲＤ軸調整ステージ４１、検出装置２０の並進ＹＤ軸方向の位置を調整する並進ＹＤ軸調整ステージ４２などを備える。ＲＤ軸は、検出装置２０を面内回転させるための軸である。この場合の面内回転は、検出装置２０の検出面に垂直をなす方向を軸として検出装置２０を回転させることである。並進ＹＤ軸は、面内回転角Φがゼロの場合に並進Ｙ軸と平行をなす。

解析装置５０は、試料設置装置３０および調整装置４０の動作を制御する制御部５１、検出装置２０の検出結果を解析する解析部５２などを備える。解析部５２は、例えば、検出装置２０が取得した複数枚の試料投影像から、ＩＲ法を用いた解析により、断層像を取得する。

制御部５１は、並進Ｘ軸調整ステージ３２、並進Ｙ軸調整ステージ３３、Ｚ軸調整ステージ３４、傾きＲｘ軸調整ステージ３５、および傾きＲｙ軸調整ステージ３６の動作を制御することで、試料台３１上の試料の位置および傾きを調整する。また、制御部５１は、傾きＲＤ軸調整ステージ４１および並進ＹＤ軸調整ステージ４２の動作を制御することで、検出装置２０の位置および傾きを調整する。

また、制御部５１は、回転角Φ調整ステージ３７の動作を制御することで、試料の面内回転角Φを調整する。それにより、試料の様々な方位からの試料投影像を取得することができる。また、制御部５１は、より高画質な試料断層像を得るために、傾斜角φ調整ステージ３８の動作を制御することで、試料の傾斜角φを調整する。本実施例においては、例えば、傾斜角φ＝０°とする。傾斜角φが０°であれば、Ｘ線１１の照射方向と試料の面内方向とが平行をなす。

図２は、解析装置５０の処理の一例を表したフローチャートである。図２で例示するように、制御部５１は、投影像の取得に際しての、試料の面内回転角Φの間隔ｋと、分割数ｍとを決定し、ｎ＝１とする（ステップＳ１）。間隔ｋおよび分割数ｍは、入力装置などにより装置操作者から入力されてもよく、記憶部などに予め格納されていてもよい。例えば、ＩＲ法はデータ欠損に強いため、ＩＲ法で解析を行う場合には、間隔ｋはＦＢＰ法等と比較して大きくてもよい。そこで、例えば、間隔ｋ＝１０°とする。また、例えば、分割数ｍ＝１０とする。

次に、制御部５１は、傾きＲＤ軸調整ステージ４１を制御し、ＲＤ軸を軸として検出装置２０の傾きを調整する（ステップＳ２）。

次に、制御部５１は、並進Ｘ軸調整ステージ３２を制御することで試料台３１の並進Ｘ軸方向の位置を調整する。また、制御部５１は、並進Ｙ軸調整ステージ３３を制御することで試料台３１の並進Ｙ軸方向の位置を調整する。また、制御部５１は、Ｚ軸調整ステージ３４を制御することで試料台３１のＺ軸方向の高さを調整する。また、制御部５１は、傾きＲｘ軸調整ステージ３５を制御することでＲｘ軸を軸として試料台３１の傾きを調整する。また、制御部５１は、傾きＲｙ軸調整ステージ３６を制御することでＲｙ軸を軸として試料台３１の傾きを調整する。また、制御部５１は、傾斜角φ調整ステージ３８を制御することで試料台３１上の試料の傾斜角φを調整する（ステップＳ３）。例えば、制御部５１は、試料の中心線が面内回転角Φの回転軸と一致するように、試料の並進Ｘ軸方向の位置、並進Ｙ軸方向の位置、傾きＲｘ軸および傾きＲｙ軸による傾きを調整する。試料の中心線とは、試料が平板形状であれば主面に垂直な方向であって当該主面の中心を通る線のことである。また、制御部５１は、観測したい断層像がＸ線１１の高さの中心と略一致するように、試料の高さＺ軸方向の高さを調整する。本実施例では、例えば、Ｘ線ＣＴ測定を行うために、傾斜角φ＝０°とする。

次に、制御部５１は、傾斜角φが０°であるか否かを判定する（ステップＳ４）。ステップＳ４の実行によって、試料投影像における回転角Φの依存性を判定することができる。一般的なラミノグラフィ測定（φ≠０°）においては、回転角Φの範囲は０°≦Φ＜３６０°である。一方で、Ｘ線ＣＴ測定（φ＝０°）においては、０°≦Φ＜１８０°と１８０°≦Φ＜３６０°は全く同じ投影像を与えるため、回転角Φの範囲は０°≦Φ＜１８０°としてもよい。

そこで、ステップＳ４で「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部５１は、回転角Φの範囲を１８０（ｎ−１）°≦Φ＜１８０ｎ°とし、間隔ｋを刻み値として回転角Φを調整する（ステップＳ５）。例えば、制御部５１は、ｋ°だけ回転角Φを変化させ、所定時間待機し、さらにｋ°だけ回転角Φを変化させ、所定時間待機し、以降これらを繰り返す。それにより、検出装置２０は、回転角Φがｋ°ごとに異なる投影像を取得する。取得された投影像は、解析部５２に格納される。

ステップＳ４で「Ｎｏ」と判定された場合、制御部５１は、回転角Φの範囲を３６０（ｎ−１）°≦Φ＜３６０ｎ°とし、間隔ｋを刻み値として回転角Φを調整する（ステップＳ６）。例えば、制御部５１は、ｋ°だけ回転角Φを変化させ、所定時間待機し、さらにｋ°だけ回転角Φを変化させ、所定時間待機し、以降これらを繰り返す。それにより、検出装置２０は、回転角Φがｋ°ごとに異なる投影像を取得する。取得された投影像は、解析部５２に格納される。

ステップＳ５の実行後またはステップＳ６の実行後、制御部５１は、分割数ｍがｎより大きいか否かを判定する（ステップＳ７）。ステップＳ７で「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御部５１は、並進ＹＤ軸調整ステージ４２を制御することで、検出装置２０の並進ＹＤ軸方向の位置をｄｘ／ｍだけ移動させ、ｎに１を足す（ステップＳ８）。その後、ステップＳ４から再度実行される。なお、ｄｘは、検出装置２０のピクセルサイズの１辺の長さに相当する。

ステップＳ７で「Ｎｏ」と判定された場合、解析部５２は、傾斜角φが０°であるか否かを判定する（ステップＳ９）。ステップＳ９で「Ｙｅｓ」と判定された場合、解析部５２は、格納した投影像について、ＩＲ法で解析を行うことで所望の試料断層像を再構成する（ステップＳ１０）。ステップＳ９で「Ｎｏ」と判定された場合、解析部５２は、格納した投影像について、傾斜を考慮したＩＲ法で解析を行うことで所望の試料断層像を再構成する（ステップＳ１１）。ステップＳ１０の実行後またはステップＳ１１の実行後、フローチャートの実行が終了する。

ここで、比較例について説明する。図３は、比較例に係る分析装置２００を例示する図である。図３で例示するように、分析装置２００が図１の分析装置１００と異なる点は、調整装置４０が設けられていない点である。この構成においては、検出装置２０は移動しない。

以下、実施例１に係る分析装置１００と比較例に係る分析装置２００との差について説明する。図４は、分割数ｍ＝１０とした場合に、投影像にどのような影響を与えるかを説明するための図である。ＹＤ（比較例）と記載された最も上の行は、検出装置２０の５つのピクセルを例示したものである。比較例では、このように試料の位置が固定された状態で測定される。ＹＤ＋ｄｘ×（１／１０）と記載された２行目は、検出装置２０をピクセルサイズの１／１０だけ並進ＹＤ軸の方向に移動させた状態を例示したものである。３行目から１０行目は、２行目からさらに並進ＹＤ軸の方向にピクセルサイズの１／１０ずつ検出装置２０を移動させた状態を例示している。

このように、検出装置２０を並進ＹＤ軸の方向にピクセルサイズの１／ｍずつ移動させて投影像を取得し、それらの差分解析を行うことで、図４の最下行で例示するように、投影像の並進ＹＤ軸方向の空間分解能は、ｍ倍に向上する。

図５は、分割数ｍを１０にした場合に、断層像に与える影響を例示する図である。比較例においては、面内回転角Φ＝０°および面内回転角Φ＝９０°のどちらで測定しても、投影像の空間分解能は検出装置２０のピクセルサイズに略一致する。したがって、最終的に得られる断層像の空間分解能も、検出装置２０のピクセルサイズに略一致する。

一方、実施例１においては、面内回転角Φ＝０°で測定された投影像の空間分解能がｍ（＝１０）倍であり、面内回転角Φ＝９０°で測定された投影像の空間分解能がｍ（＝１０）倍である。これらが断層像の直交した情報を備えていることから、最終的に得られる断層像は、比較例の1ピクセルの断層像が縦ｍ×横ｍ＝ｍ^２ピクセルに分離した断層像として得られる。したがって、空間分解能は、ｍ^２（＝１００）倍に略一致する。

ところで、分割数ｍは、投影像の分解能に影響を与える。また、分割数ｍは、最終的に得られる断層像の分解能に影響を与える。分割数ｍが大きいほど分解能は向上するが、測定時間も長くなる。そこで、例えば、比較例の場合には間隔ｋ＝１°としていた場合には、間隔ｋ＝１０°とし、分割数ｍ＝１０とすれば、測定時間の長大化が抑制される。

本実施例においては、回転角Φ調整ステージ３７が試料の主面に垂直をなす方向を軸として試料を回転させる。また、並進ＹＤ軸調整ステージ４２が、検出装置２０と試料との距離方向に直交し、回転角Φ調整ステージ３７が試料を回転させる回転軸に直交する方向に、ピクセルを2以上に分割した距離ずつ検出装置２０移動させる。それにより、高分解能を実現することができる。次に、本実施例においてはデータ欠損に強いＩＲ法を用いるため、回転角Φの刻み値を大きくすることができる。以上のことから、測定時間を長くしなくても、高分解能を実現することができるようになる。

なお、本実施例においては、回転角Φ調整ステージ３７が試料の主面に垂直をなす方向を軸として試料を回転させているが、それに限られない。例えば、回転角Φ調整ステージ３７は、Ｘ線照射装置１０から検出装置２０に対してＸ線１１が照射される方向と交差する方向を軸として試料を回転させればよい。また、並進ＹＤ軸調整ステージ４２が検出装置２０と試料との距離方向に直交し、回転角Φ調整ステージ３７が試料を回転させる回転軸に直交する方向に、検出装置２０を移動させているが、それに限られない。例えば、並進ＹＤ軸調整ステージ４２は、検出装置２０と試料との距離方向と、回転角Φ調整ステージ３７が試料を回転させる回転軸と交差する方向に、検出装置２０を移動させればよい。

本実施例においては、傾きＲＤ軸調整ステージ４１が検出装置２０を検出面の面内で傾斜させる。それにより、試料が傾斜していても、検出装置２０のピクセル配列方向を試料の傾斜に合致させることができる。その結果、面内回転角Φの回転軸と検出器２０のピクセルの配列方向とを合致させることができる。

上記各例において、Ｘ線照射装置１０が、試料にＸ線を照射するためのＸ線照射装置の一例である、検出装置２０が、試料を透過したＸ線を検出する検出装置の一例である。試料設置装置３０が、試料が設置され、回転機構を備える試料設置装置の一例である。回転角Φ調整ステージ３７が、前記Ｘ線照射装置から前記検出装置に対して前記Ｘ線が照射される方向と交差する方向を軸として前記試料を回転させる回転機構の一例である。並進ＹＤ軸調整ステージ４２が、前記検出装置と前記試料との距離方向と、前記回転機構が前記試料を回転させる回転軸と交差する方向に、前記検出装置を並進させる並進装置の一例である。解析装置５０が、前記検出装置のピクセルを２以上に分割した距離ずつ前記検出装置が並進するごとに前記回転機構が前記試料を回転させた場合に、前記検出装置の検出結果から得られる投影画像から、逐次近似再構成法による断層像を再構成する解析装置の一例である。傾きＲＤ軸調整ステージ４１が、前記検出装置を前記検出面の面内で傾斜させる傾斜機構の一例である。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ Ｘ線照射装置
１１ Ｘ線
２０ 検出装置
３０ 試料設置装置
３１ 試料台
３２ 並進Ｘ軸調整ステージ
３３ 並進Ｙ軸調整ステージ
３４ Ｚ軸調整ステージ
３５ 傾きＲｘ軸調整ステージ
３６ 傾きＲｙ軸調整ステージ
３７ 回転角Φ調整ステージ
３８ 傾斜角φ調整ステージ
４０ 調整装置
４１ 傾きＲＤ軸調整ステージ
４２ 並進ＹＤ軸調整ステージ
５０ 解析装置
５１ 制御部
５２ 解析部
１００ 分析装置
２００ 分析装置

Claims (5)

1. 試料にＸ線を照射するためのＸ線照射装置と、
   前記試料を透過した前記Ｘ線を検出する検出装置と、
   前記試料が設置され、前記Ｘ線照射装置から前記検出装置に対して前記Ｘ線が照射される方向と交差する方向を軸として前記試料を回転させる回転機構を備える試料設置装置と、
   前記検出装置と前記試料との距離方向と、前記回転機構が前記試料を回転させる回転軸と交差する方向に、前記検出装置を並進させる並進装置と、
   前記検出装置のピクセルを２以上に分割した距離ずつ前記検出装置が並進するごとに前記回転機構が前記試料を回転させた場合に、前記検出装置の検出結果から得られる投影画像から、逐次近似再構成法による断層像を再構成する解析装置と、を備えることを特徴とする分析装置。
2. 前記試料は、平板形状を有しており、
   前記回転機構は、前記試料の主面に垂直をなす方向を軸として前記試料を回転させ、
   前記並進装置は、前記検出装置と前記試料との距離方向に直交し、前記回転機構が前記試料を回転させる回転軸に直交する方向に、前記検出装置を並進させることを特徴とする請求項１記載の分析装置。
3. 前記並進装置は、ｄｘを前記検出装置のピクセルサイズとしてｍを２以上の正数とした場合に、前記回転機構が前記試料を１８０°または３６０°回転させるごとに、前記試料をｄｘ／ｍずつ並進させることを特徴とする請求項１または２に記載の分析装置。
4. 前記検出装置は、検出面を備え、
   前記検出装置を前記検出面の面内で傾斜させる傾斜機構を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の分析装置。
5. Ｘ線照射装置によって、試料にＸ線を照射し、
   検出装置によって、前記試料を透過した前記Ｘ線を検出し、
   前記試料が設置され、前記Ｘ線照射装置から前記検出装置に対して前記Ｘ線が照射される方向と交差する方向を軸として前記試料を回転させ、
   前記検出装置と前記試料との距離方向と、前記試料を回転させる回転軸と交差する方向に、前記検出装置を並進させ、
   前記検出装置のピクセルを２以上に分割した距離ずつ前記検出装置が並進するごとに前記試料を回転させた場合に、前記検出装置の検出結果から得られる投影画像から、逐次近似再構成法による断層像を再構成する、ことを特徴とする分析方法。

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