JP6775035B2 - X線顕微鏡検査のための方法および装置 - Google Patents
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Description
本特許出願は、2015年6月5日に出願され「X-RAY TECHNIQUES USING STRUCTURED ILLUMINATION」と題された米国仮特許出願第62/171,377号および2016年5月31日に出願され「X-RAY MICRODIFFRACTION WITH STRUCTURED ILLUMINATION FOR STRAIN MEASUREMENT IN NANOELECTRONICS」と題された米国仮特許出願第62/343,594号の利益を主張する、2016年6月5日に出願され「X-RAY TECHNIQUES USING STRUCTURED ILLUMINATION」と題された米国特許出願第15/173,711号の、一部継続出願であり、これらすべての出願の全体を本明細書に引用により援用する。
本明細書に開示する発明の実施形態は、X線を使用する顕微鏡検査システムに関し、具体的には、周期的マイクロビームのシステムを用いて対象物を照射することによりこの対象物の各種構造的および化学的特性を求める、測定、特徴付け、および解析システムに関する。
結像光学系を利用する従来のX線顕微鏡は、一般的に、X線光学系(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。投影系システムの場合、分解能は、X線源のサイズおよび検出器の有限画素サイズによって制限される。ゾーンプレートを利用する市販のX線顕微鏡システムの中には、分解能が100nm未満のものがあるが、このようなシステムの視野は大幅に制限されている。投影系X線顕微鏡は、確かに1ミクロンよりも高い分解能とともに適度な視野を提供するが、適度な信号対雑音比を得るのに要する時間は非常に長くなる傾向があるため、この技術は多くの用途において実用的ではない。このため、分解能が1ミクロンよりも小さくかつ視野が大きいX線顕微鏡検査において、この技術を実用化するためにインテグレーションタイム(integration time)を十分に短くして画像を生成するのは難しい。
本開示は、マイクロ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用いて対象物のマイクロまたはナノスケール領域を選択的に照射する、X線顕微鏡検査のためのシステムを示す。アレイ検出器を、この検出器の各画素が1本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配置することにより、X線検出器から発生した信号を、照射された特定の限定されたマイクロまたはナノスケール領域で識別できるようにする。したがって、マイクロまたはナノスケールの検査対象物の透過画像を、サイズおよびスケールが大きい画素を有する検出器を用いて生成することができる。
1.マイクロビームのアレイによる結像
図1Aは、マイクロビームのアレイの形成を含む本発明の簡単な実施形態を示す。アレイ光源004は電子エミッタ011を含み、電子エミッタ011が生成した電子111が、X線生成材料構造体704を含む領域1001を有するターゲット1000に衝撃を与える。この図面では、X線のサブソースである4つの材料構造体704がアレイ形式で配列されたものが示されているが、ターゲットに含まれるソースポイントの数は何個であってもよく、これらのソースポイントのうち何個のソースポイントが使用されてもよい。
タルボ干渉フリンジは、X線を有効なマイクロビームアレイにする極めて効率的な方法となり得る。タルボアンチノード(一般的には強め合う干渉(constructive interference)の領域と定義される)の有効横寸法は、フリンジを形成する適切なビーム分割格子を用いることにより、20nmという非常に小さな寸法にすることができ、一方、タルボ干渉パターンの全体の干渉フィールドは、数平方センチメートルの領域をカバーすることができる。タルボ干渉パターンは、透過の調査対象物の照射に使用されたときに、アレイ検出器を用いて検出し解析することができる離散マイクロまたはナノプローブのアレイを提供する。
この構成は、タルボ・ロー干渉計(Talbot-Lau interferometer)と呼ばれ(Franz Pfeiffer et al., “Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with low-brilliance X-ray sources”, Nature Physics vol. 2, pp. 258 - 261, 2006参照;2011年2月15日発行のChristian David、Franz PfeifferおよびTimm Weitkampによる米国特許第7,889,838号にも記載)、均一X線光源およびマスキングパターンを用いてX線光源アレイを作製することを、既に示している。
本明細書において開示されるように、検出器のピッチを複数のタルボフリンジのピッチと一致させて、各画素が、対象物と1本のマイクロビームとの相互作用によって生じたX線のみを検出する場所に位置するようにし、近接するマイクロビームを原因とする画素間のクロストークを最小にする。次に、各画素からの異なる信号のさらなるデコンボリューションが不要なことがわかっている状態で、データを収集し、最終的には対象物の特定の「マップ」を再構成することができる。
いくつかの実施形態において、マイクロビームのピッチの整数の分数である検出器ピッチ(たとえば、ピッチが3分の1に減少する場合、それは、各マイクロビームに対応するX線を検出するために9個の画素が存在することを示す)を使用することもできる。これは、検出対象のX線が何らかの空間構造を有する場合に、たとえば、所望のX線信号が、対象物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し得る。次に、検出器の特定の画素を、散乱したX線のみを検出するように整列させる一方で、散乱していないビームを異なる画素によって収集するかまたはブロックされた画素によって単純にブロックすることができる。
その他の実施形態において、マイクロビームのピッチよりも大きい検出器画素を用いることができる。よって、検出器のコストを下げつつ、「高分解能」信号を生成することができる(空間分解能は、検出器の画素サイズではなく、タルボフリンジと対象物との相互作用の量によって決まるため)。
上記説明が開示する実施形態では、マスキング層を用いてマイクロビームのうちのいくつかをブロックすることにより、検出器の特定の部分をX線の検出に使用しないようにしている。構成によっては、同様のマスキング効果を、単純に特定の画素を非アクティブにするアレイ検出器を用い、非アクティブ画素からパワーを取り除くことによってこれらの画素が信号を生成しないようにすることにより、または、「非アクティブ」画素から生成された信号を無視または排除する解析ソフトウェアを用いることにより、得ることができる。これらの「非アクティブ」画素は、図3Cに示される画素291−A間の空間と同じ働きをする。
ある実施形態に係るマイクロビームを用いて画像を形成するプロセスのステップを、図17Aおよび図17Bに示し、以下で説明する。
本願では、発明者が意図するベストモードを含む本発明のいくつかの実施形態を開示している。特定の実施形態を示しているが、いくつかの実施形態についてのみ詳述した要素が他の実施形態に適用される場合もあることが理解されるであろう。また、先行技術に含まれるものとして説明した詳細事項および各種要素が本発明の各種実施形態に適用される場合もある。
Claims (27)
- 対象物をX線で検査する方法であって、
共通のX線源から伝播するX線マイクロビームの周期的アレイを作製するステップを含み、前記対象物において各X線マイクロビームは、前記X線マイクロビームがそれに沿って伝播する軸を有し、前記軸に沿うX線強度と、前記軸から垂直方向に測定した前記X線マイクロビームの周期的アレイの周期の2分の1に等しい距離におけるX線強度とのコントラストが、10%よりも大きく、
複数の画素を含むX線画素アレイ検出器システムを、1本以下のX線マイクロビームに対応するX線を各画素が検出するように、位置決めするステップと、
前記対象物の一部を、前記X線マイクロビームの周期的アレイで照射するステップと、
前記対象物および前記X線マイクロビームの周期的アレイの相対位置を、前記X線マイクロビームのうちの1本のマイクロビームの軸に垂直である少なくとも1つの方向において、一回以上横方向変位させ、および/または、前記対象物および前記X線マイクロビームの周期的アレイの相対角度方位を、0.5度以上の角度ずつ、一回以上変更するステップと、
各横方向変位および/または前記相対角度方位の各変更後に、前記X線画素アレイ検出器システムが生成した信号を記録するステップとを含み、前記信号は、前記対象物を通る前記X線マイクロビームの透過率に対応し、
前記記録した信号を用いて画像を生成するステップとを含む、方法。 - 前記X線画素アレイ検出器システムが生成した信号を記録するステップは、
前記対象物からのX線を、前記X線画素アレイ検出器システムの第1の検出器を用いて検出するステップと、
前記対象物からのX線が前記第1の検出器を透過するようにするステップと、
前記第1の検出器を透過したX線を、第2の検出器を用いて検出するステップとを含む、請求項1に記載の方法。 - 前記X線マイクロビームの周期的アレイは、タルボ干渉パターンを形成するタルボ干渉現象を通して作製され、
前記X線マイクロビームは、前記タルボ干渉パターンの強め合う干渉部分のアレイに対応する、請求項1に記載の方法。 - 前記X線マイクロビームの予め定められたサブセットのみを透過させる周期的透過部分を有する吸収マスキング部品を位置決めするステップをさらに含み、
両方の横方向において前記透過部分の周期は、正の整数Nで乗算した前記タルボ干渉パターンの周期に等しく、
前記吸収マスキング部品を、N番目までのX線マイクロビームごとに前記透過部分が中心になるように整列させるステップを含む、請求項3に記載の方法。 - 前記X線マイクロビームの予め定められたサブセットのみを透過させる透過部分を有する吸収マスキング部品を位置決めするステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記透過部分の横方向寸法は、前記X線マイクロビームの周期的アレイの周期の4分の3未満である、請求項5に記載の方法。
- 2つ以上の画素が、同一のX線マイクロビームに対応するX線を検出するように、前記X線画素アレイ検出器システムを位置決めするステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記X線画素アレイ検出器システムは、X線を検出し前記X線に対応する信号を生成するように位置決めされた周期的X線アクティブ領域を有する第1のX線検出器を含み、前記周期的X線アクティブ領域は、信号を生成しないX線非アクティブ領域によって隔てられ、
前記周期的X線アクティブ領域の周期は、前記X線マイクロビームの予め定められたサブセットのみを検出するように構成される、請求項1に記載の方法。 - 前記X線非アクティブ領域はX線を透過させ、
前記X線画素アレイ検出器システムは、前記第1のX線検出器を透過したX線を検出するように位置決めされた第2のX線検出器をさらに含む、請求項8に記載の方法。 - 前記対象物における前記X線マイクロビームの周期的アレイの周期は、50マイクロメートル未満である、請求項1に記載の方法。
- 前記対象物における前記軸に沿う各X線マイクロビームの長さは、1ミリメートルよりも長い、請求項1に記載の方法。
- 前記対象物および前記X線マイクロビームの周期的アレイの相対位置を横方向変位させるステップは、前記対象物を横方向変位させることによって実行され、前記画像を生成するステップは、2次元画像を生成するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記対象物および前記X線マイクロビームの周期的アレイの相対角度方位を変更するステップは、前記対象物を回転させることによって実行され、前記画像を生成するステップは、3次元画像を生成するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記コントラストは20%よりも大きい、請求項1に記載の方法。
- 前記共通X線源は、X線生成マイクロ構造体のアレイを含む、請求項1に記載の方法。
- X線顕微鏡システムであって、
検査の対象物の少なくとも一部に当たるように構成されたX線ビームの周期的アレイのソースと、
前記検査の対象物の少なくとも一部を、前記X線ビームの周期的アレイに対して前記対象物を前記X線ビームのうちの1本のX線ビームの軸に垂直な少なくとも1つの方向において1回以上横方向変位させ、および/または、前記X線ビームの周期的アレイに対して前記対象物を0.5度以上の角度ずつ1回以上回転させることにより、位置決めするように構成された、マウントと、
前記X線ビームの周期的アレイと前記対象物との相互作用から発生したX線を検出するように位置決めされた複数の画素を含む少なくとも1つのX線画素アレイ検出器とを備え、前記少なくとも1つのX線画素アレイ検出器は、前記検出したX線に対応する少なくとも1つの信号を生成し、前記少なくとも1つのX線画素アレイ検出器は、前記複数の画素のうちのいずれか1つの画素によって検出されたX線が、前記X線ビームの周期的アレイの中の前記X線ビームのうちの少なくとも1つに対応するように、整列させたものであり、
各横方向変位および/または各回転後に前記少なくとも1つのX線画素アレイ検出器が生成した信号を記録し、前記記録した信号を用いて画像を生成するための、データ収集解析電子機器を備え、前記記録した信号は、前記対象物を通る前記X線ビームの透過率に対応する、X線顕微鏡システム。 - 前記少なくとも1つのX線画素アレイ検出器は、
画素と前記画素間のX線透過領域とを含む第1のX線画素アレイ検出器と、
前記第1のX線画素アレイ検出器の前記X線透過領域を透過したX線を検出するように構成された第2のX線画素アレイ検出器とを含む、請求項16に記載のX線顕微鏡システム。 - 前記ソースは、前記X線の帯域幅を制限するように構成された少なくとも1つのX線フィルタをさらに含む、請求項16に記載のX線顕微鏡システム。
- 前記少なくとも1つのX線フィルタは、平均エネルギE0と、E0±15%以内のエネルギ帯域幅とを有するX線スペクトルを生成する、請求項18に記載のX線顕微鏡システム。
- 前記ソースは、タルボ干渉パターンを生成する格子構造を含み、
前記X線ビームの周期的アレイは、前記タルボ干渉パターンのX線アンチノードに対応し、前記タルボアンチノードと近隣のタルボノードとの間のコントラストが10%よりも大きい、請求項16に記載のX線顕微鏡システム。 - 前記検査の対象物および前記X線画素アレイ検出器の前記画素は、いずれも、前記タルボ干渉パターンの焦点深度以内に位置決めされる、請求項20に記載のX線顕微鏡システム。
- 前記マウントは、直交する2つの方向において前記対象物を移動させるように構成される、請求項20に記載のX線顕微鏡システム。
- タルボ干渉パターンを生成するための前記格子構造は、吸収格子、π/2位相シフト格子、π位相シフト格子、格子構造の1次元アレイ、格子構造の2次元アレイ、グリッド構造、および、チェッカー盤位相格子構造のうちの1つ以上を含む、請求項20に記載のX線顕微鏡システム。
- 前記格子構造の寸法は、前記タルボ干渉パターンの周期が50マイクロメートル未満になるように選択される、請求項20に記載のX線顕微鏡システム。
- 予め定められた数の前記X線ビームをブロック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16に記載のX線顕微鏡システム。
- 前記X線画素アレイ検出器は、エネルギ分解画素アレイ検出器である、請求項16に記載のX線顕微鏡システム。
- 前記ソースは、
真空チャンバと、
電子ビームのエミッタと、
電子ターゲットとを含み、
前記電子ターゲットは、
第1の材料を含む基板と、
前記基板に埋め込まれた、電子衝撃に応じてX線を生成するように構成された第2の材料を含む、少なくとも複数の離散構造体とを含む、請求項16に記載のX線顕微鏡システム。
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