JP2020516896A - タルボｘ線顕微鏡 - Google Patents

Abstract

マイクロスケールまたはナノスケールビーム強度プロファイルを有するマイクロビームのアレイを使用して物体のマイクロスケールまたはナノスケール領域の選択的照射を行うＸ線顕微鏡法のためのシステムである。アレイ検出器は、この検出器の各画素が単一のマイクロビームまたはナノビームに対応するＸ線のみを検出するように位置決めされる。これにより、特定の限定的なマイクロスケールまたはナノスケール領域が照射された状態で、各Ｘ線検出器画素から生じた信号を識別することができ、より大きなサイズおよびスケールを有する画素を備えた検出器を使用しながら、マイクロスケールまたはナノスケールの物体のサンプリングされた透過画像を生成することができる。したがって、より高い量子効率を有する検出器を使用してもよく、その理由は、横方向分解能がもっぱらマイクロビームまたはナノビームの寸法によって規定されるからである。マイクロスケールまたはナノスケールのビームは、配列されたＸ線源および一組のタルボ干渉縞を使用して生成されてもよい。

Description

関連出願の相互参照
本特許出願は、２０１７年４月１５日に出願された「タルボＸ線顕微鏡（TALBOT X-RAY MICROSCOPE）」と題される米国仮特許出願番号第６２／４８５，９１６号の優先権利益を主張し、２０１５年５月１５日に出願された「周期構造の測定、特徴付けおよび分析のためのＸ線方法（X-RAY METHOD FOR MEASUREMENT, CHARACTERIZATION, AND ANALYSIS OF PERIODIC STRUCTURES）」と題される米国特許出願番号第１４／７１２，９１７号の一部継続出願である。米国特許出願番号第１４／７１２，９１７号は、２０１５年４月２９日に出願された「Ｘ線干渉計イメージングシステム（X-RAY INTERFEROMETRIC IMAGING SYSTEM）」と題される米国特許出願番号第１４／７００，１３７号の一部継続出願である。米国特許出願番号第１４／７００，１３７号は、２０１４年１０月２９日に出願された「Ｘ線干渉計イメージングシステム（X-RAY INTERFEROMETRIC IMAGING SYSTEM）」と題される米国特許出願番号第１４／５２７，５２３号（現在は消滅）の一部継続出願である。米国特許出願番号第１４／５２７，５２３号は、２０１３年１０月３１日に出願された「Ｘ線位相コントラストイメージングシステム（X-ray Phase Contrast imaging System）」と題される米国仮特許出願番号第６１／８９８，０１９号、２０１３年１１月７日に出願された「微細な副供給源のアレイからなるＸ線源（An X-ray Source Consisting of an Array of Fine Sub-Sources）」と題される米国仮特許出願番号第６１／９０１，３６１号、および２０１４年４月１７日に出願された「二次元位相コントラストイメージング装置（Two Dimensional Phase Contrast Imaging Apparatus）」と題される米国仮特許出願番号第６１／９８１，０９８号の利益を主張し、これら全ての開示は、引用によって全文が本明細書に援用される。

さらに、本願は、２０１６年１２月２日に出願された「Ｘ線顕微鏡法のための方法（METHOD FOR X-RAY MICROSCOPY）」と題される米国仮特許出願番号第６２／４２９，５８７号および２０１６年１２月３日に出願された「複数のマイクロビームを使用したＸ線測定技術（X-RAY MEASUREMENT TECHNIQUES USING MULTIPLE MICRO-BEAMS）」と題される米国仮特許出願番号第６２／４２９，７６０号の利益を主張し、これらは両方とも、引用によって全文が本明細書に援用される。

背景
ａ．発明の分野
本技術は、Ｘ線を使用した干渉計システムに関し、特に周期的マイクロビームのシステムを使用して物体を照射してこの物体のさまざまな構造的および化学的特性を求める干渉計測定、特徴付けおよび分析システムに関する。

ｂ．先行技術の説明
先行技術のＸ線顕微鏡は、一般に、Ｘ線光学部品（たとえば、ゾーンプレート）の分解能および／または検出器の画素サイズの分解能によって制限される。市販のＸ線顕微鏡システムの中には分解能が１００ｎｍ未満のものもあるが、このようなシステムでは視野が非常に制限され、大きな視野を有する高分解能Ｘ線顕微鏡法は、分解能が１ミクロンよりも小さい状態では画像を生成するのが困難である。

従来より、先行技術のタルボシステムは、低分解能イメージングに使用されてきた。必要なのは、スループットを向上させた状態でタルボ干渉縞を高分解能イメージングに利用する顕微鏡システムである。

概要
ここに概略を記載している本技術は、マイクロスケールまたはナノスケールビーム強度プロファイルを有するマイクロビームのアレイを使用して物体のマイクロスケールまたはナノスケール領域の選択的照射を行うＸ線顕微鏡法のためのシステムを含む。アレイ検出器は、この検出器の各画素が単一のマイクロビームに対応するＸ線のみを検出するように位置決めされ、これにより、特定の限定的なマイクロスケールまたはナノスケール領域が照射された状態で、Ｘ線検出器から生じた信号を識別することができる。これにより、空間分解能を損なうことなく、高効率かつ大型の画素検出器を使用した顕微鏡法が可能になる。

実施形態では、マイクロスケールまたはナノスケールのビームは、一組のタルボ干渉縞を生成することによって提供されてもよく、この一組のタルボ干渉縞は、干渉パターンのアンチノードを備えるビームに対応する一組の微細Ｘ線マイクロビームを作成する。いくつかの実施形態では、マイクロビームまたはナノビームのアレイは、従来のＸ線源およびＸ線イメージング要素（たとえば、Ｘ線レンズ）のアレイによって提供されてもよい。

実施形態では、検出器も物体も、一組のタルボ構築縞（アンチノード）の同一のウエストまたは「焦点深度」範囲内に設置される。いくつかの実施形態では、検出器は、下流の任意の後続のアンチノードの組に（タルボ距離の整数倍だけ離れて）設置される。いくつかの実施形態では、物体は、Ｘ線ビームの伝搬方向に対して垂直なｘ方向およびｙ方向への平行移動を可能にするマウント上に位置決めされて、顕微鏡スケールの「スキャンされた」透過画像を構築することができる。いくつかの実施形態では、物体は、Ｘ線ビームの伝搬方向に対して垂直な軸を中心とした回転を可能にするマウント上に位置決めされて、顕微鏡スケールのデータの収集をラミノグラフィまたはトモグラフィ画像再構築に使用することができる。

選択された数のマイクロビームを遮断するためにビーム経路にさらなるマスキング層が挿入されてもよく、これにより、より大きな画素サイズを有する検出器を残りのマイクロビームで使用することができる。また、マスキング層を使用することにより、検出効率が向上した検出器を残りのマイクロビームで使用することができる。このようなマスキング層は、調査対象の物体の前に設置されてもよく、物体と検出器との間に設置されてもよく、または検出器構造自体の一部として設計されてもよい。

１：１デューティサイクル吸収格子のためのタルボ干渉縞パターンの従来例を示す図である。 アンチノードを「焦点深度」範囲として示す図１Ａのパターンからの詳細を示す図である。 １：１デューティサイクルπ／２位相シフト格子のための発散タルボ干渉縞パターンの従来例を示す図である。 １：１デューティサイクルπ位相シフト格子のための発散タルボ干渉縞パターンの従来例を示す図である。 １：３デューティサイクルπ位相シフト格子のための発散タルボ干渉縞パターンの従来例を示す図である。 さまざまな位相格子周期における位相格子および自己像を示す図である。 本発明の実施形態に係る顕微鏡の概略図である。 埋設されたターゲットマスクを有する基板を示す図である。 埋設されたターゲットマスクを有する代替的な基板を示す図である。 ソース電子ビームを斜角でターゲットに打ち込むシステムを示す図である。 微細構造を有するターゲットを示す図である。 モリブデンについての最適厚み対加速電圧のプロットを示す図である。 図３Ａの実施形態のマイクロビーム、物体および検出器の概略図である。 図３Ａの実施形態のマイクロビーム、物体および検出器の概略断面図である。 調査対象の物体の前にマスクを設置した本発明の実施形態に係る顕微鏡の概略図である。 図５の実施形態のマイクロビーム、物体および検出器の概略図である。 図５の実施形態のマイクロビーム、物体および検出器の概略断面図である。 シンチレータを備える実施形態のマイクロビーム、物体および検出器の概略断面図である。 シンチレータとシンチレータイメージングシステムとを備える実施形態のマイクロビーム、物体および検出器の概略断面図である。 調査対象の物体の前にマスクを設置した本発明の実施形態に係る顕微鏡の概略図である。 図５の実施形態のマイクロビーム、物体および検出器の概略図である。 図５の実施形態のマイクロビーム、物体および検出器の概略断面図である。 検出器およびシンチレータにマスクを備える実施形態のマイクロビーム、物体および検出器の概略断面図である。 検出器およびシンチレータおよびシンチレータイメージングシステムにマスクを備える実施形態のマイクロビーム、物体および検出器の概略断面図である。 顕微鏡データを収集する方法を示す図である。

発明の実施形態の詳細な説明
本技術は、マイクロスケールまたはナノスケールビーム強度プロファイルを有するマイクロビームのアレイを使用して物体のマイクロスケールまたはナノスケール領域の選択的照射を行うＸ線顕微鏡法のためのシステムを含む。各マイクロビームは、このマイクロビームの強度の０．８倍〜０倍であるより低いＸ線強度の領域によって他のマイクロビームから分離される。アレイ検出器は、この検出器の各画素が単一のマイクロビームに対応するＸ線のみを検出するように位置決めされ、これにより、特定の限定的なマイクロスケールまたはナノスケール領域が照射された状態で、Ｘ線検出器から生じた信号を識別することができる。いくつかの例では、イメージングされる物体と検出器とは、同一のタルボ回折次数内に位置決めされる。本システムでは、空間分解能は、供給源サイズおよび検出器画素サイズから切り離される。

タルボ縞を使用したイメージングは、一般に、タルボ干渉パターンを生成するための格子（しばしば、位相シフト格子）と、結果として生じたパターンを第２の格子および／またはアレイＸ線検出器を用いて分析することとを必要とする。

図１Ａは、平面波によって照射されたときに５０／５０デューティサイクルおよびピッチｐを有する吸収格子Ｇによって生成されるタルボ干渉縞を示す。干渉縞は、格子の背後に生成され、タルボ距離Ｄ_Ｔのところに５０／５０デューティサイクルを有するピッチｐを再構築し、タルボ距離Ｄ_Ｔは、以下の式で表される。

式中、ｐ_１はビーム分割格子の周期であり、λはＸ線波長である。
Ｘ線照射器として、タルボ干渉パターンは、ビーム分割格子を好適に選択することにより、対応するミクロンスケールの寸法を有する明るいアンチノードを生成することができる。２４．８ｋｅＶのエネルギを有するＸ線ならびに５０／５０デューティサイクルおよび１ミクロンピッチを有する吸収格子では、タルボ距離は、Ｄ_Ｔ＝４ｃｍである。図１の図における縞のｘ方向およびｙ方向の縮尺はかなり異なっており、これらの縞は、横方向（すなわち、伝搬方向に対して垂直）にミクロンスケールおよびピッチを有してもよいが、数百ミクロンから数センチメートルのスケールの焦点深度を有してもよい。

タルボ距離のさまざまな分数における縞パターンは、実際には、元の格子特徴のサイズよりも小さくてもよい。したがって、これらのアンチノードは、より高い分解能を達成するための、物体の照射に使用される複数のマイクロビームとして機能してもよい。

アンチノードがその最も微細な寸法を維持する範囲（焦点深度）は、タルボ縞のピッチｐに関連し、以下の式で表される。

たとえば２０ｋｅＶおよび格子周期が１ミクロンのＸ線のアンチノードに相当するウエストまたは「焦点深度」は、約数センチメートルである。

図１Ｂは、上記のアンチノードのうちの１つのＤＯＦであると考えることができる部分を有する図１Ａのアンチノードの拡大部分を示す。いくつかの例では、アンチノードは、ノードとは２０％以上異なっているビームの部分であり、たとえば「アンチノード」と「ノード」との間のコントラスト比は１．２：１であってもよい。予め定められた量未満だけアンチノードが変化する範囲（たとえば、アンチノード半値全幅変化が５％以内である長さ範囲）によって定義されるビーム「ウエスト」の厳密な定義は、さまざまなタルボパターンについて定義されてもよい。なお、所与の干渉パターンは、照射に使用することができる多くの微細な「ウエスト」を有してもよく、使用する格子によっては、格子ハーフピッチよりもさらに微細な寸法を有する場合もある。また、これらの「ウエスト」は、格子からさまざまな距離のところに生じてもよく、前に定義した分数タルボ距離のところでなくてもよい。

したがって、タルボ縞のパターンは、空間内に伝搬する「マイクロビーム」のアレイに似ている。これらの縞は、図１に示されたように平行なマイクロビームであってもよく、または収束もしくは発散するＸ線ビームを使用して取得されてもよい。タルボ干渉パターンのさらなる例は、図２Ａ〜図２Ｃに示されている。

図２Ａは、１：１の格子−空間幅比からπ／２ラジアン位相シフトを導入する格子２１０−１−９０（断面を図示）によって生成される強度パターンを示す。図２Ｂは、１：１の格子−空間幅比にπラジアン位相シフトを導入する格子２１０−１−１８０によって生成される強度パターンを示す。図２Ｃは、１：３の格子−空間幅比にπラジアン位相シフトを導入する格子２１０−３−１８０によって生成される強度パターンを示す。図２Ａ〜図２Ｃのシミュレーションでは、ロンキー（たとえば、線／空間矩形波）プロファイルを有する格子および十分な空間コヒーレンスを有する点放射源を想定する。

図２Ｄは、πおよびπ／２の位相格子周期における二次元位相格子および自己像を示す。図２Ｄに示されるように、π周期の格子は、市松模様状であり、「メッシュ」自己像を生成する。π／２周期を有する格子も市松模様状であるが、コントラストが反転した市松模様自己像を生成する。本技術のＸ線顕微鏡は、π周期、π／２周期または他の周期を有する格子を利用してマイクロビームを生成することができる。

多くの実施形態では、このビーム分割回折格子は、低吸収の位相格子であるが、π／２もしくはπラジアン、またはπもしくはπ／２の何分の１かもしくは倍数などの他の所定のもしくは予め定められた値の相当なＸ線位相シフトをもたらす位相格子である。これらの格子は、一次元であってもよく、または二次元であってもよい。いくつかの実施形態では、調査対象の物体は、回折格子の下流の、以下の式によって表される分数タルボ距離Ｄ_Ｎのところに設置される。

式中、ｐ_ｌはビーム分割格子の周期であり、Ｄ_Ｎは平面波照射のための分数タルボ距離であり、λは平均Ｘ線波長であり、Ｎ_ａは物体が設置されるタルボ分数次数（Ｎ＝１，２，３，...）である。いくつかの例では、物体は、回折格子の下流の、分数タルボ距離ではない距離のところに設置されるが、その代わりに、波面が分析対象の周期的領域に対応するアンチノードおよびノードの領域で構成される距離のところに位置する。

格子パラメータ（たとえば、π位相シフト格子対π／２位相シフト格子）によっては、最適なタルボ距離（Ｎ_ａ）は、対象の干渉パターンに合わせて選択されてもよく、または用途に最も適したものにされてもよい。

１．マイクロビームのアレイとしてのタルボ縞
本明細書に開示されているそれを使用する顕微鏡システムおよび方法は、物体を照射するのに使用されるマイクロスケールまたはナノスケールＸ線ビームのアレイを作成するさまざまな技術を使用して形成されてもよい。一例として、光学システムを使用して、複数の配列されたＸ線源または代替的に微細構造のアレイを備えた透過ターゲットを有するＸ線源をイメージングすることにより、Ｘ線光学システムの焦点深度内に供給源箇所の画像に対応する「マイクロビーム」を提供することができる。

タルボ縞、特に位相格子によって形成されるタルボ縞は、Ｘ線を有効なマイクロビームのアレイに向ける非常に効率的な方法である。タルボアンチノードの有効横寸法（ビームが円形に構築される場合にはビーム径）は、適切なビーム分割格子を使用して縞を構築することにより、非常に小さく（たとえば、２０ｎｍまたは３００ｎｍなどのサブミクロン）することができる。タルボ干渉パターンは、透過時に調査対象の物体を照射するのに使用した場合、アレイ検出器を使用して検出および分析することができる個別のマイクロまたはナノプローブのアレイを提供する。このように、Ｘ線顕微鏡システムは、高スループットでサブミクロン（たとえば、０．３μｍ）空間分解能を達成することができる。検出器がタルボ縞のピッチに対応する画素サイズを有するように選択され、物体も検出器もタルボ縞の有効「焦点深度」内に設置される場合、各画素は、「マイクロビーム」のうちの１つからの透過Ｘ線を検出している。

複数のマイクロビームの強度とマイクロビーム間の領域の強度との間のコントラストは、マイクロビーム間のＸ線が減衰されるようにマイクロビームと同一のピッチの吸収格子を設置することによって、さらに向上させることができる。

上記の同時係属中の米国特許出願および米国仮特許出願に見られるように、ｘ次元およびｙ次元において物体をスキャンすることにより、マイクロスケールまたはナノスケールプローブを物体上で移動させることができ、移動範囲がタルボ縞ピッチと同程度であるかまたはそれよりも大きい場合には、比較的低分解能のＸ線画素アレイ検出器を用いて物体の透過の高分解能「マップ」を取得することができる。システムの「分解能」は、もっぱらマイクロビームのサイズによって決まり、検出器画素サイズからは独立している。

このようなシステムの概要が図３Ａに示され、より詳細に図４Ａおよび図４Ｂに示されている。供給源０１１は、電子１１１をターゲット１００に提供して、Ｘ線ビーム８８８を生成し、Ｘ線ビーム８８８は、格子Ｇ１を通過した後にマイクロビームのアレイを作成する。このＸ線の供給源は、公知の制約を満たして、好ましくはサブミクロンサイズまでのビームレットのアレイを実現する。Ｘ線の供給源は、単一の点もしくは線供給源であってもよく、または吸収（一次元もしくは二次元）格子と対にされた従来の供給源などの周期構造供給源であってもよい。代替的に、スループットの増大をもたらす主な成果は、供給源サイズを空間分解能から切り離すことであり、これにより、大型であるためにハイパワーである供給源を使用することができる。より大きなＸ線パワーを可能にする本技術の１つの新機軸は、周期的パターンＡ_０に従ってパターンを付けられたＸ線源を利用する。このようなシステムが図３Ａに示されている。示されているこの構成では、Ｘ線源１１は、ターゲット１００を有し、ターゲット１００は、基板１０００と、周期ｐ_０を有する周期的２Ｄパターンで配置された要素サイズａの個別の微細構造７００を含む領域１００１とを有する。電子１１１を打ち込まれると、これらは、周期ｐ_０を有する周期的パターンでＸ線８８８を生成する。いくつかの例では、Ｘ線生成微細構造、Ｘ線遮断マスクおよび／または本明細書に記載されている他の要素を含んでもよいターゲット１００は、Ｘ線生成器を実現することができる。

この構造化された供給源のターゲット１００における各微細構造７００は、独立した、相互にインコヒーレントなＸ線副供給源（または、供給源箇所）の役割を果たす。これらの供給源箇所の干渉は、他の供給源箇所に対して横方向にずれたサンプル平面内に一組の縞を生じさせる。構造化された供給源のピッチおよび供給源とＧ１との間の距離は、これらの縞がサンプル平面内で重なり合うことを確実にするように選択することができる。焦点が合った流束の増加は、使用する供給源箇所の数に比例する。

いくつかの例では、供給源は、Ｇ１格子周期よりも大きなコヒーレンス長を有するようにＧ１格子２１０−２Ｄから十分に離れている。個々の副供給源の見かけ上の幅がＳであり、供給源とＧ１との間の距離がＺであり、放射波長がＬである場合、Ｌ＊Ｚ／Ｓ＞ｐ１となり、式中、ｐ１はＧ１周期である。

Ｘ線照射ビーム（マイクロビーム）のアレイ８８８−Ｍが形成されると、調査対象の物体２４０は、個別の相互作用場所のアレイ２８２に照射される。多くの実施形態では、サンプル２４８は、ビーム分割格子の下流のタルボ距離のところに設置される。これらの位置は、位置コントローラ２４５を使用して、マイクロビームの伝搬方向に対して垂直なｘ次元およびｙ次元においてスキャンすることができ、マイクロビームと物体との相互作用によって生じるＸ線照射ビーム８８９−Ｔは、アレイ検出器２９０によって検出することができる。

アレイ検出器２９０は、この検出器の各画素が単一のマイクロビームに対応するＸ線のみを収集するように位置決めされるように位置合わせされる。これは、一般に、アンチノードの「焦点深度」内である。マイクロビームのピッチと一致する画素ピッチを有する検出器と対にされて、各画素が物体上の所与の位置における単一のマイクロビームの相互作用のみからＸ線を検出するように位置合わせされた複数のマイクロビームを使用することによって、１０^２〜１０^４平行マイクロビーム検出システムの等価物を作成することができる。

次いで、ｘ座標およびｙ座標において物体をスキャンすることができる。これにより、物体の特性の「マップ」が並行して生成されるが、移動範囲は、単にマイクロプローブのピッチに対応するように小さくなる可能性がある（しかし、スキャンされたエリア間のいくらかの重なりは、隣接する「マップ」について収集されたデータ間の相対的較正を提供するのに適切であろう）。マップ内の各箇所におけるデータは、タルボ縞の横寸法によってのみ分解能が制限されるため、より大きな画素を有するより安価なおよび／またはより効率的な検出器を使用して、高分解能画像を収集することができる。

次いで、各画素によって生成された「マップ」は、デジタル方式でつなぎ合わせられて、マイクロビームの数に関連する量だけ（たとえば、１０^４分の1まで）対応するデータ収集時間を減少させながら、物体の特性の大規模「マクロマップ」を生成してもよい。

ある程度のトモグラフィ分析を達成するために、物体の限定的な角度調節もモーションプロトコルに追加されてもよく、これは、Ｘ線と物体との相互作用および対応する検出器画素が両方とも複数のマイクロビームの全ての焦点深度内にとどまっている限りなされてもよい。

１．１ 代替的なＸ線源
いくつかの例では、Ｘ線源ターゲットは、微細構造マスクを備えてもよい。図３Ｂは、埋設された微細構造マスクを有する基板１０００を示す。図３Ｂの基板１０００は、薄膜１００２と、第１の基板部分１００４と、第２の基板部分１００６とを含む。基板部分１００４および１００５は、ダイヤモンド、Ｂｅ、サファイアなどの低原子元素材料で形成されてもよい。薄膜１００２に打ち込まれる電子ビームは、薄膜内にＸ線を発生させる。発生したＸ線は、微細構造７００によって遮断されて、有効なＸ線副供給源のアレイを作成する。微細構造７００は、基板部分１００４上に設置され、基板部分１００６によって被覆または封入されてもよい。代替的に、それらは、図３Ｃのターゲット１０００に示されるように、微細構造を単一の基板部分内に埋設することによって形成されてもよい。

ターゲット１０００における微細構造要素の１つのパターンのみが図３Ａ〜図３Ｃに示されているが、他の実現例も可能であり、本開示の範囲内であると考えられる。たとえば、ターゲット１０００は、微細構造とマスクとの任意の組み合わせによって形成された複数のターゲットパターンを含み得て、複数のターゲットパターンのうちの１つ以上は、基板内に複数の深さを有し得る。

いくつかの例では、電子ビームは、斜角でターゲットに入射してもよい。図３Ｄは、１つ以上の電子ビーム１１が２０°〜８０°などの斜角でターゲット１０００に打ち込まれるシステムを示す。いくつかの例では、ターゲットへの電子ビームの入射角は、約６０°であってもよい。斜角で入射する電子ビームを提供することによって、ターゲットからの高エネルギＸ線ビームが可能になり、ダイヤモンドなどの基板における散乱が減少する。

図３Ｅは、基板１００４（一般に、ダイヤモンドなどの低原子材料）と微細構造７００とを有するターゲットを示す。本技術のいくつかの例では、ターゲットの厚みｔは、微細構造７００に放出されるＸ線と基板内で発生するＸ線との間のコントラストを向上させるように特定の材料について最適化することができる。いくつかの例では、厚みは、約２〜１０μｍである。いくつかの例では、基板内のターゲット微細構造材料の深さは、特定の加速電圧を達成するように最適化されてもよい。図３Ｆは、モリブデン（Ｍｏ）微細構造についての最適厚み対加速電圧のプロットを示す。示されているように、最適深さ（単位：マイクロメートル）と加速電圧（単位：キロボルト）との間の関係は、およそ線形である。たとえば、６０ｋＶのエネルギでは、最適深さは約１０ミクロンであろう。モリブデンについてのデータのみが表示されているが、他の材料についてのターゲット微細構造の最適深さも、特定の加速エネルギに合わせて最適化されてもよい。

いくつかの微細構造ターゲットは、導電層、微細構造と基板との間の熱伝導率を向上させるための層、および／または、拡散障壁をさらに備えてもよい。

１．３ Ｘ線源フィルタリング
マイクロビームがタルボ効果によって生成される実施形態では、調査対象の物体におけるＸ線ビームの帯域幅は、対象の予め定められたＸ線エネルギの＋／−１５％の範囲内でなければならない。これは、一般に、薄い金属箔などのフィルタを使用することによって達成される。

２．幾何学的条件
図３Ａに戻って、Ｘ線８８８は、配列されたＸ線源Ａ_０から距離Ｌのところに設置されたビーム分割格子Ｇ_１ ２１０−２Ｄのための、個々に空間的にコヒーレントであるが相互にインコヒーレントである照射副供給源のアレイとして、配列された供給源から発生する。マイクロビームのアレイによって照射される物体２４０−Ｗの位置は、ビーム分割格子Ｇ_１ ２１０−２Ｄからさらなる距離Ｄのところに設置されている。Ａ_０における各Ｘ線副供給源が画像形成プロセスに建設的に寄与することを確実にするために、配置の幾何学は、以下の条件を満たすべきである。

この条件が満たされる場合、Ａ_０の多くの副供給源からのＸ線は、同一の（重なり合う）タルボ干渉パターンを生成し、さまざまな相互にインコヒーレントな供給源が互いに干渉しないので、これらのタルボパターンは強度が増すことになる。したがって、物体２４０−Ｗにおける効果は、単一のコヒーレントな供給源が提供できる強度を超えてマイクロビームの強度（それとともに、信号対雑音比）を単純に増加させるというものである。この構成は、タルボ・ロー干渉計と呼ばれる。なお、配列されたＸ線供給源は、いくつかの実施形態では、均一なＸ線材料と、寸法ａおよび周期ｐ_０のアレイで配置された特定の箇所からのみＸ線が発生することを可能にするマスキングされた格子とを使用して提供されてもよい。また、配列されたＸ線源は、パターン付き電子ビームを使用したＸ線生成材料の選択的打ち込みによって提供されてもよい。

ビーム分割格子は、図３Ａに示されるように、５０／５０デューティサイクルを有する振幅格子であってもよく、または他のデューティサイクルを有する振幅格子であってもよい。位相シフトビーム分割格子は、πまたはπ／２位相シフトの１Ｄまたは２Ｄ周期的パターンを備えてもよい。

調査対象の物体２４０−Ｗが周期的パターンのＸ線マイクロビームによって照射されることを確実にするために、格子と物体との間の距離Ｄは、分数タルボ距離のうちの１つ、すなわち以下に対応すべきである。

式中、ｎはゼロでない整数である。格子が透過格子、π位相シフト格子、またはπ／２位相シフト格子である場合、ｎの適切な値は異なってもよい。

タルボ・ローシステムにおいてしばしば使用される別の式は、タルボ格子Ｇ_１のピッチｐ_１を、配列された供給源におけるＸ線生成要素のサイズａに関連付ける。

本発明のほとんどの実施形態では、式４〜６に示された条件が満たされる干渉計システムを利用する。

いくつかの実施形態では、調査対象の物体２４０−Ｗは、ｘ次元およびｙ次元において物体２４０−Ｗを平行移動させるように制御され得る位置コントローラ２４５上に装着されてもよい。いくつかの実施形態では、トモグラフィイメージングデータを生成するための物体のさらなる回転も、装着システムによって制御されてもよい。いくつかの実施形態では、５軸マウントまたはゴニオメータが使用されてもよい。

なお、示されているこれらの実施形態は、一定の比率に従って描かれているわけではない。

３．検出器検討事項
ここに開示されているように、各画素が物体と単一のマイクロビームとの相互作用から発生するＸ線のみを検出するように位置決めされるように検出器ピッチが複数のマイクロビームのピッチにマッチングされて、隣接するマイクロビームに起因する画素間のクロストークが最小化される。そして、データ収集および物体の特性の「マップ」の最終的再構築が引き続き行われてもよく、各画素からの個別の信号をさらに逆畳み込みしなくてもよいことが分かる。（たとえば、散乱または蛍光に起因して）マイクロビームと画素との間にクロストークがある場合には、さらなる画像分析は、適切に較正できるのであればクロストークの一部を除去することができてもよい。透過Ｘ線、散乱Ｘ線および蛍光Ｘ線から信号を分離するためにエネルギ分解アレイ検出器も使用されてもよい。

このマッチングは、検出器ピッチがマイクロビームのピッチと１：１マッチングされる場合、すなわち各ビームが検出器内に対応する単一の画素を有する場合に、最も単純明快に達成され、検出器は、物体およびマイクロビームに非常に近接して設置される。

３．１ 微細な検出器ピッチ
いくつかの実施形態では、マイクロビームのピッチの整数分の１である検出器ピッチ（たとえば、２Ｄアレイにおいて４つの画素が単一のマイクロビームに対応するＸ線を収集するように位置決めされることを示すであろうピッチの２ｘ削減、または９つの画素が各マイクロビームに対応するＸ線を検出するように存在することを示すであろうピッチの３ｘ削減）も使用されてもよい。これは、検出されるＸ線が何らかの空間構造を有する場合、たとえば所望のＸ線信号が物体からの小角度散乱に関連する場合に、いくつかの利点を提供することができる。そして、検出器の特定の画素は、散乱Ｘ線のみを検出するように位置合わせすることができる一方、非散乱ビームは、異なる画素によって収集されてもよく、または単に遮断されてもよい。

３．２ 大きな検出器ピッチ
他の実施形態では、より大きな検出器画素が使用されてもよい。この場合、検出器の各画素の活性エリア（Ｘ線を電子信号に変換する部分）が対応するＸ線マイクロビームとおよそ同一のサイズである限り、タルボ縞のピッチよりも大きな画素サイズが使用されてもよい。したがって、検出器は、安価になるが、依然として「高分解能」信号を生成することができる（なぜなら、空間分解能は、検出器画素サイズではなく、タルボ縞と物体との相互作用量によって決まるからである）。

この技術の１つの不利な点は、４つのタルボ縞のうちの１つだけが検出に使用され、他の縞は無駄になることである。特定のタルボ縞は未使用のまま終わるが、検出器画素中心間の距離にわたってスキャンを行うことによって、欠落している情報を依然として提供することができる。さらに、画素が大きくなることにより、検出されるマイクロビームについてさらに優れた検出効率を達成することができる。

図５〜図１２は、本発明のいくつかの実施形態におけるより大きな画素の使用を示す。図５は、図３Ａのものと同様であるが、特定の数のマイクロビームを遮断するために物体２４０−Ｗの前にマスクが設置されたシステムの実施形態の概要を示す。示されているように、４つのマイクロビームのうちの３つが遮断され、４つのビームのうちの１つだけが物体を照射した後、検出器によって検出されるが、さまざまな用途のための予め定められたパターンに従っていかなる数のビームが遮断されてもよい。

図６Ａおよび図６Ｂは、このような実施形態をより詳細に示し、図４Ａおよび図４Ｂのものと同様の図を示す。図４Ａおよび図４Ｂとの比較によって分かるように、特定の数のマイクロビームのみが使用されるので、検出器におけるビームのピッチは実質的に大きくなり、より大きな画素サイズを有する安価な検出器が使用されてもよい。

図３〜図６Ｂに示されるように、Ｘ線検出器は、Ｘ線の吸収に応答して電気信号を発生させる直接アレイ検出器として示されている。このような電子センサは、たとえば非晶質セレン（ａ−Ｓｅ）における直接電子正孔対の作成によって、Ｘ線の吸収に応答して電気信号を直接作成してもよい。次いで、これらは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のアレイを使用して電子信号に変換される。島津製作所（京都市、日本）のサファイアＦＰＤなどのこのような直接型フラットパネル検出器（ＦＰＤ）は、市販されている。

他の実施形態では、検出器は、Ｘ線にさらされたときに可視光または紫外光を放出するシンチレータを使用してもよい。活性Ｘ線検出領域は、たとえばタリウム（ＣｓＩ（Ｔｌ））でドープされたヨウ化セシウムなどのシンチレータを提供することによって、または高Ｚ材料、たとえば金（Ａｕ）のマスキング層を上部に有するシンチレータの均一なコーティングを検出器に提供することによって、定義されてもよい。

図７は、図６Ｂの実施形態の変形例であるが、蛍光スクリーンまたはシンチレータ２８０と組み合わせて検出器２９０−Ｓを使用する変形例を示す。シンチレータ２８０は、Ｘ線が吸収されるときに可視光子および／またはＵＶ光子を放出する材料を備え、検出器２９０−Ｓは、それらの可視光子および／またはＵＶ光子を検出する。典型的なシンチレータ材料は、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）、タリウムドープＣｓＩ、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）またはスルホキシル酸ガドリニウム（ＧＯＳ）の層を備える。

従来のイメージングシステムでは、物体に非常に近接したシンチレータタイプの検出器を用いて高分解能画像を取得することができるが、シンチレータおよび電子要素の全体厚みは、各検出器画素がこの画素に対応するＸ線のみを収集するのに十分に薄くなければならない。

しかし、本明細書に開示されているシステムでは、空間分解能は、検出器画素サイズの代わりにマイクロビーム８８８−Ｍの寸法によって定義される。これにより、より大きな画素、したがってより厚みのあるシンチレータ材料を使用することができる。なぜなら、このより大きな画素から生成される光子はどれも皆、予め定められたマイクロビームから生じたものであることが分かるからである。このより厚みのあるシンチレータは、所与のＸ線光子が吸収されて可視光に変換される確率を高め、ポテンシャル信号を増加させる。

さらなるいくつかのＸ線光子は、シンチレータ材料内に二次電子を発生させ、この二次電子は、シンチレータ材料からのさらなる可視／ＵＶ放出を励起し得る。しかし、画素内の全てのＸ線光子が単一のマイクロビームから生じたものであることが分かっているので、この励起から生じるさらなる光子も、これらの空間的に定義されたＸ線に端を発するものであることが分かり、検出可能な全信号を単純に増加させる。

図８は、シンチレータ２８０からの可視／ＵＶ光８９０が可視／ＵＶ光学システム３２０によって収集されて検出器２９０−ＳＩ上に投影される、シンチレータを使用したシステムのさらなる変形例を示す。可視／ＵＶ光学システムは、シンチレータの画像をさらに拡大する光学部品を備えてもよい。リレー光学系および拡大画像を使用する場合、電子検出器は、高分解能センサ自体を備えていなくてもよく、たとえば１０２４×１０２４画素を有し、各々が２４μｍ×２４μｍ平方である安価な市販のＣＣＤ検出器または相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサアレイが使用されてもよい。

リレー光学系を有するいくつかの実施形態でも、より厚みのあるシンチレータが使用されてもよく、これにより感度が向上する。しかし、リレー光学系が使用される場合、検出がＸ線光学部品によって収集される視野に制限され、この視野は、場合によっては数百ミクロンほどでしかない場合もある。したがって、より大きな面積でデータを収集するには、数回の撮影から「つなぎ合わせる」ことが必要である。

図９、図１０Ａおよび図１０Ｂは、物体２４０と検出器との間にマスキング構造２９７が設置されるさらなる実施形態を示す。この実施形態では、全ての利用可能なマイクロビーム８８８−Ｍが物体２４０を照射するが、たとえば金（Ａｕ）からなるマスキング層２９７は、４つのビームのうちの３つが検出器２９０に入らないようにする。これによっても、検出器２９０はより大きな画素を有することができ、やはり直接検出器のコストを削減し、シンチレータを使用する実施形態では、ポテンシャル検出器効率を向上させる。

図１１は、図９、図１０Ａおよび図１０Ｂの実施形態のさらなる変形例であるが、Ｘ線の検出がシンチレータ２８０および可視／ＵＶ検出器２９０−Ｓを使用して達成されるさらなる変形例を示す。

図１２は、シンチレータ２８０からの可視／ＵＶ光８９０が可視／ＵＶ光学システム３２０によって収集されて検出器２９０−ＳＩ上に投影される、シンチレータを使用したシステムのさらなる変形例を示す。

図７、図８、図１１および図１２に示されるシンチレータは、シンチレータの均一な層を備えるものとして示されているが、シンチレータ材料が画素の一部の上にのみ設置されるパターン付きシンチレータ材料を使用した実施形態も使用されてもよい。検出器の一部の上にシンチレータ材料を選択的に設置することは、マスキング層を使用して検出のために特定のマイクロビームを選択することの代替案として使用されてもよい。

各画素内にさらなる構造を有する検出器も利用されてもよい。たとえば、典型的な検出器画素が２．５ミクロン×２．５ミクロン（６．２５ミクロン^２の面積）であるが、マイクロビーム直径がわずか１ミクロンである場合、１ミクロンよりもわずかに大きく、「デッド」ゾーンによって取り囲まれ、マイクロビームの位置に対応するように位置決めされたシンチレータ材料の中心「スポット」を有する検出器画素が作成されてもよい。この構成では、マイクロビームからの全てのＸ線が検出されるはずであり、その一方で、検出器画素の全面積を使用する場合にスプリアス信号を生じさせるであろう散乱または回折Ｘ線の検出は減少する。

同様に、いくつかの実施形態では、（シンチレータ材料などの）検出器構造がたとえば画素の外側部分にのみ位置決めされて、小角度で散乱したＸ線のみを検出し、直接透過したビームを検出しない画素も使用されてもよい。

同様に、図１１および図１２におけるマスク２９７は、シンチレータ層からずらされるものとして示されているが、いくつかの実施形態では、マスキング層をシンチレータ層の上に直接配設してもよい。パターン付きシンチレータの他の実施形態も、当業者に公知であろう。

３．０ 顕微鏡データの収集方法
図１３は、顕微鏡データを収集する方法を示す。データ収集は、２Ｄ「マップ」または３Ｄトモグラフィ画像を形成するのに使用されてもよい。

ステップ４２１０において、Ｘ線源およびビーム分割格子、好ましくは位相格子を使用することによって、Ｘ線マイクロビームを生成する。いくつかの例では、Ｘ線源は、低質量密度の基板（たとえば、ダイヤモンドまたはＢｅ）上または基板内に埋設された微細構造で構成されるＸ線ターゲットを利用する。いくつかの例では、Ｘ線源は、低質量密度の基板の上にコーティングされた薄膜を備え、Ｘ線ビームの一部を遮断するための「マスク」として機能する埋設微細構造をさらに備えるターゲットを利用する。いくつかの例では、Ｘ線源は、広域Ｘ線源であり、吸収格子と組み合わせて使用される。いくつかの例では、Ｘ線源は、マイクロフォーカスＸ線源である。

Ｘ線源とビーム分割格子との間にフィルタリング方法を設置して（４２２０）、Ｘ線源からのＸ線の帯域幅をある帯域幅に制限する。いくつかの例では、照射ビームの帯域幅は、予め定められたタルボ距離を使用するか分数タルボ距離を使用するかによって、±１５％であり得る。

調査対象の物体をタルボ距離のところに位置合わせする（４２３０）ことにより、マイクロビームのノード（最も暗い強度）およびアンチノード（最も高い強度）の領域は、伝搬方向に直交する方向（「ｘ」方向および「ｙ」方向と示される）に２０マイクロメートル以下のピッチｐを有する。最も高い強度の領域（一般に、マイクロビームの中心）と最も暗い強度の領域（一般に、ちょうどマイクロビーム間の領域）との間のコントラストは、好ましくは少なくとも２０％であるが、場合によっては、アンチノードとノードとの間の１．２：１または２：１の強度比が十分なコントラストを提供する場合もある。いくつかの例では、照射ビームの帯域幅は、以下の式を満たす。

マイクロビームの「ウエスト」内に検出器を位置合わせする（４２４０）ことにより、各検出器画素は、単一のマイクロビームに対応する信号を生成する。イメージングシステムによって形成されるマイクロビームでは、この位置は、イメージングシステムの焦点深度に対応してもよい。ほとんどの例では、検出器画素ピッチとマイクロビームとは、いくらかの拡大縮小はあるが同一または近似しているため、各マイクロビームの中心は、検出器画素の中心と一致する。

タルボシステムによって形成されるマイクロビームでは、これは、タルボ距離の何分の１かまたは整数倍の干渉パターンの位置に対応してもよく、そこでは自己複製画像が形成される。検出器の各画素が、（マイクロビーム間または検出器画素間のクロストークなしに）単一のマイクロビームにのみ対応する信号を生成する限り、検出器の厳密な位置決めにはいくらかの柔軟性がある。一般に、検出器は、全てのマイクロビームが対応する画素または一組の画素を有するように選択されるが、いくつかの実施形態では、検出器は、マイクロビームのサブセットのみを検出してもよい。いくつかの例では、検出器は、マイクロビームピッチｐのゼロでない整数倍に等しい画素ピッチｐ_ｄを有するように選択することができる。

各マイクロビームによって透過されたＸ線を検出器によって記録し（４２５０）、Ｘ線強度およびエネルギを表す対応する電子信号を記録する。

一組のデータ点のみが要求される場合には、それ以上のデータを収集する必要はない。しかし、ほとんどの実施形態では、位置コントローラを使用して調査対象の物体を移動させて（４２６０）、物体の特性の１Ｄまたは２Ｄ「マップ」を構築する。これは、一般に、最も高い強度の各マイクロビーム領域のＦＷＨＭに対応して物体を数回移動させ、ｘ次元およびｙ次元の両方の次元において移動させるように行われる。

ｘ次元および／またはｙ次元における２Ｄスキャンを超える情報が不要である場合には、本システムは、蓄積データを取得し、この場合には、当該技術分野において一般に周知であるさまざまな画像「つなぎ合わせ」技術を使用して、物体の大面積Ｘ線透過／吸収を示す２Ｄ強度「マップ」を合成することができる。

一方、３Ｄ情報が要求される場合には、ｚ軸に対してある角度で物体を回転させて（この回転は、ｘ次元またはｙ次元のいずれかを中心とした回転であってもよい）、この代替的な回転位置においてＸ線検出器から一組のデータを収集する。このシステムは、これらのステップをループして、完全な一組のデータが収集されるまで、位置および回転の予めプログラムされたシーケンスにおいてＸ線情報を収集する。この時点で、このシステムは、続いて蓄積データを取得し、この場合には、当該技術分野において一般に周知であるさまざまな画像３Ｄ分析技術を使用して、物体の大面積Ｘ線透過／吸収の３Ｄ画像を合成する。

上記の方法の変形例も実施されてもよい。たとえば、最初に固定回転位置でのＸ次元およびｙ次元におけるデータ収集のループを実行し、次いで回転設定を変更してさらなるデータを収集する代わりに、ｘ位置およびｙ位置設定を固定したまま機械的機構によって物体を回転させる実施形態も実施されてもよい。ｚ軸を中心とした物体の回転も、画像トモシンセシスで使用可能なさらなる情報を提供することができる。

４．限定および拡張
本願では、本発明者等が意図している最良の形態を含む本発明のいくつかの実施形態が開示されている。具体的な実施形態が示されているが、いくつかの実施形態についてのみ詳細に説明している要素を他の実施形態にも適用してもよいということが認識されるであろう。また、先行技術の中にあるとして記載されている詳細およびさまざまな要素も、本発明のさまざまな実施形態に適用してもよい。本発明および好ましい実施形態を説明するために具体的な材料、設計、構成および製造ステップを説明してきたが、このような説明は、限定的であるように意図されるものではない。変形および変更が当業者にとって明らかであり、本発明が添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが意図されている。

Claims (17)

1. Ｘ線顕微鏡システムであって、
   Ｘ線照射ビーム生成システムを備え、前記Ｘ線照射ビーム生成システムは、
   Ｘ線源と、
   ビーム分割格子とを備え、
   前記Ｘ線照射ビーム生成システムは、タルボ効果によって複数のＸ線マイクロビームを生成し、焦点深度と、伝搬軸と、予め定められたＸ線エネルギについての前記軸に対して垂直な予め定められた強度プロファイルとを有し、前記Ｘ線顕微鏡システムはさらに、
   調査対象の物体を前記複数のマイクロビームに対して位置決めするための手段と、
   前記複数のＸ線マイクロビームと前記物体との相互作用から生じるＸ線を検出するための少なくとも１つのＸ線画素アレイ検出器とを備え、
   前記検出器の任意の所与の画素によって検出された前記Ｘ線が、主に１つのマイクロビームからの前記調査対象の物体を透過した前記Ｘ線に対応するように、前記検出器は、前記マイクロビームの前記焦点深度内に位置合わせされる、Ｘ線顕微鏡システム。
2. 前記ビーム分割格子は、前記予め定められたＸ線エネルギにおけるπまたはπ／２位相シフト格子である、請求項１に記載のＸ線顕微鏡システム。
3. 前記Ｘ線源は、
   電子ビームのためのエミッタと、
   透過Ｘ線ターゲットとを備え、前記透過Ｘ線ターゲットは、複数の個別の微細構造と、前記微細構造よりも低い質量密度を有する材料からなる基板とを少なくとも備える、請求項１に記載のＸ線顕微鏡システム。
4. 前記電子ビームのエネルギは、前記予め定められたＸ線エネルギの１．１倍よりも大きい、請求項３に記載のＸ線顕微鏡システム。
5. 前記電子ビームは、斜角で前記ターゲットに入射する、請求項１に記載のＸ線顕微鏡システム。
6. 前記Ｘ線源は、吸収格子と組み合わせて使用されるマイクロフォーカスＸ線源または広域Ｘ線源である、請求項１に記載のＸ線顕微鏡システム。
7. 前記Ｘ線照射ビームの帯域幅の半値全幅が前記予め定められたＸ線エネルギを中心とする３０％となるようにフィルタリング機構をさらに備える、請求項１に記載のＸ線顕微鏡システム。
8. 前記調査対象の物体を前記Ｘ線マイクロビームに対して位置決めするための手段は、前記物体の２Ｄ画像が取得されるように前記物体を平行移動させるための手段をさらに備える、請求項１に記載のＸ線顕微鏡システム。
9. 前記調査対象の物体を前記Ｘ線マイクロビームに対して位置決めするための手段は、前記物体の３Ｄトモグラフィが取得されるように前記物体を回転させるための手段をさらに備える、請求項８に記載のＸ線顕微鏡システム。
10. 前記検出器は、ＣＣＤベースの検出器であり、前記検出器画素の中心が前記マイクロビームの中心に位置合わせされるように位置合わせされる、請求項１に記載のＸ線顕微鏡システム。
11. 前記検出器からの出力信号を表示および分析するための表示手段および分析システムをさらに備える、請求項１に記載のＸ線顕微鏡システム。
12. 予め定められた数の前記Ｘ線マイクロビームを遮断するように位置決めされたマスクをさらに備える、請求項１に記載のＸ線顕微鏡システム。
13. 前記物体を透過した予め定められた数の前記Ｘ線マイクロビームを遮断するように前記画素アレイＸ線検出器の上流に位置決めされたマスクをさらに備える、請求項１に記載のＸ線顕微鏡システム。
14. 前記システムは、サブミクロン空間分解能を達成する、請求項１に記載のＸ線顕微鏡システム。
15. Ｘ線検出画素のアレイをさらに備え、前記検出器画素の能動的検出領域は、各画素の中心にあり、画素面積の５０％未満を占める、請求項１に記載のＸ線顕微鏡システム。
16. 前記画素アレイ検出器の上流に設置され、前記マイクロビーム間のＸ線を吸収してマイクロビームと前記マイクロビーム間の領域との間の強度比を大きくするように位置決めされた減衰格子をさらに備える、請求項１に記載のＸ線顕微鏡システム。
17. 物体のＸ線透過を測定するための方法であって、
    タルボ干渉パターンを生成するステップと、
    Ｘ線アレイ検出器を、前記検出器の所与の画素によって検出されたＸ線が前記タルボ干渉パターンのアンチノードのうちの１つだけに対応するように位置決めするステップと、
    調査対象の物体を透過したＸ線が前記検出器によって検出されるように、前記検出器と同一のアンチノードの焦点深度内に前記調査対象の物体を位置決めするステップとを備える、方法。