KR102609389B1 - 복사선-기반의 두께 게이지 - Google Patents

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Abstract

전자기 복사선을 이용하여 재료 층의 두께를 측정하기 위한 시스템 및 방법의 실시형태가 설명된다. 일부 실시형태에서, 시스템은, 제1 복사선을 제1 표면과 제1 표면에 대향되는 제2 표면 사이의 두께를 가지는 재료 층의 제1 표면을 향해서 지향시키도록 구성된 복사선 공급원을 포함한다. 제1 복사선은 재료 층이 이차 복사선을 방출하게 한다. 필터가 재료 층과 복사선 검출기 사이에 그리고 제2 복사선의 빔 경로 내에 배치되어, 재료의 형광과 연관된 제2 복사선의 일부를 감쇠시켜 제3 복사선을 방출한다. 이어서, 복사선 검출기는 제3 복사선을 검출하도록 구성되고, 제어기가, 검출된 제3 복사선을 기초로 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 제공하도록 구성된다.

Description

복사선-기반의 두께 게이지
관련 출원의 상호-참조
본원은, 개시 내용의 전체 내용이 본원에서 참조로 포함되는, 2019년 1월 30일자로 출원된 미국 가출원 제62/799,001호의 이익을 주장한다.
이러한 개시 내용은 일반적으로 전자기 복사선을 이용하여 재료의 층의 두께를 측정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
복사선-기반의 게이지는 전형적으로, 전자기 복사선 빔을 재료의 층으로 지향시키는 것 그리고 재료 층을 통과한 복사선 빔의 감쇠량을 기초로 재료 층의 특성을 측정하는 것에 의해서 동작된다. 감쇠는, 복사선 빔의 광자와 재료 층 내의 입자(예를 들어, 원자) 사이의 상호작용으로 인해서 발생된다. 약 1.022 MeV 미만의 광자 에너지의 총 감쇠는 이하의 4가지 유형의 복사선-물질 상호작용: 광전, 콤프톤 산란(Compton scattering), 페어 생성(pair production), 및 톰슨 또는 레일리 산란(Thomson or Rayleigh scattering)의 조합의 결과이다. 복사선-기반의 게이지의 정확도 및 측정 민감도는 재료 조성에 대한 이러한 복사선-물질 상호작용의 특성에 따라 달라진다.
산업적인 제조에서, 복사선-기반의 게이지는 전형적으로, 선택 재료 층의 두께 범위를 측정하기 위해서 500 KeV 미만의 에너지 레벨의 X-선 빔을 전달하는 X-선 두께 게이지이다. 이러한 에너지 범위에서, 재료 층을 통과하는 X-선의 감쇠는 주로 광전 효과에 의해서 유발된다. 광전 효과는, 복사선 빔 내의 광자의 에너지가 재료 층 내의 원자에 의해서 흡수되고, 그에 의해서 광자를 복사선 빔으로부터 제거하는, 그리고 총 빔 세기(즉, 복사조도(irradiance))도 종종 지칭되는)를 감소시키는, 프로세스를 지칭한다.
광전 효과는 본질적으로 비-선형적인 프로세스이고, 재료 층의 조성에 따라 달라진다. 특히, 원자의 전자는, 원자의 궤도 껍질 특성에 따라, 몇 개의 상이한 구분된 광자 에너지, 예를 들어 K-엣지(edge)의 더 높은 에너지 상태로 여기될 수 있고, 그 후에 붕괴되어 더 낮은 에너지의 광자를 방출할 수 있다. 따라서, 광전 효과는 재료 층이 이러한 저-에너지 광자를 포함하는 형광 복사선을 방출하게 할 수 있다. 이러한 형광 복사선은 X-선 두께 게이지의 측정 정확도 또는 정밀도를 감소시킬 수 있고, 이는 두께를 측정할 수 있는 재료 조성의 유형을 제한한다.
일부 실시형태에서, 이러한 형광 복사선의 양을 줄이기 위해서, X-선 두께 게이지는, 많은 재료의 K-엣지 미만의(예를 들어, 5keV 미만의) 에너지 레벨을 갖는 X-선을 전달하도록 구성될 수 있다. 그러나, 이러한 낮은 에너지 레벨에서, 재료 층을 통한 X-선의 감쇠가 매우 크고, 이는 측정될 수 있는 재료 두께의 범위를 상당히 제한한다.
일부 실시형태에서, 복사선-기반의 게이지에 의해서 측정되는 재료 층 두께의 민감도를 줄이기 위해서 그리고 그에 의해서 측정되는 두께의 정확도를 개선하기 위해서, 복사선-기반의 게이지는, 재료 층에 의해서 방출되는 형광 복사선의 적어도 일부를 필터링하도록 그리고 그러한 것이 검출되는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 이러한 접근방식은, 측정 민감도를 잃지 않고, 저-에너지 복사선 공급원을 사용하는 단점을 극복한다.
일부 실시형태에서, 전자기 복사선을 이용하여 재료 층의 두께를 측정하기 위한 시스템은: 제1 표면과 제1 표면에 대향되는 제2 표면 사이의 두께를 포함하는 재료 층의 제1 표면을 향해서 제1 복사선을 지향시키도록 구성된 복사선 공급원으로서, 제1 복사선은 재료 층이 제2 복사선을 방출하게 하는, 복사선 공급원; 재료 층과 복사선 검출기 사이에 배치되고 재료의 형광과 연관된 제2 복사선의 일부를 감쇠시켜 제3 복사선을 방출하도록 구성된 필터로서, 복사선 검출기는 제3 복사선을 검출하도록 구성되는, 필터; 및 검출된 제3 복사선을 기초로 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 제공하도록 구성된 제어기를 포함한다.
시스템의 일부 실시형태에서, 필터는, 재료 층의 형광과 연관된 에너지 레벨의 범위를 필터링하도록 구성된 하나 이상의 필터 층을 포함한다.
시스템의 일부 실시형태에서, 에너지 레벨의 범위는 재료 층의 원소 조성 및 원소 조성 내의 각각의 원소와 연관된 궤도 껍질 특성을 기초로 미리 결정된다.
시스템의 일부 실시형태에서, 필터는, 미리 결정된 임계값 미만의 에너지 레벨을 갖는 제2 복사선 광자로부터 필터링하도록 구성된다.
시스템의 일부 실시형태에서, 미리 결정된 임계값은 재료 층의 원소 조성 및 원소 조성 내의 각각의 원소와 연관된 궤도 껍질 특성과 연관된다.
시스템의 일부 실시형태에서, 제1 복사선은 X-선을 포함한다.
시스템의 일부 실시형태에서, 제1 복사선은 감마 복사선을 포함한다.
시스템의 일부 실시형태에서, 복사선 공급원 및 복사선 검출기는 재료 층의 대향 측면들 상에 배치된다.
시스템의 일부 실시형태에서, 복사선 공급원 및 복사선 검출기는 재료 층의 동일 측면 상에 배치된다.
시스템의 일부 실시형태에서, 측정은 길이 단위(unit of length)를 포함한다.
시스템의 일부 실시형태에서, 측정은 면적 밀도(area density)를 포함한다.
시스템의 일부 실시형태에서, 제1 복사선은 미리 결정된 에너지 레벨을 포함하고, 측정을 제공하기 위해서, 제어기는: 제3 복사선의 세기를 측정하도록; 그리고 측정된 세기 및 재료 층이 없는 것과 연관된 디폴트 세기를 기초로 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 계산하도록 구성된다.
시스템의 일부 실시형태에서, 측정을 제공하기 위해서, 제어기는: 로그 값을 결정하기 위해서 로그 함수를 측정된 세기에 적용하도록; 그리고 측정을 계산하기 위해서 로그 값에 다항식 함수를 적용하도록 구성되고, 다항식 함수 내의 계수는 재료 층의 원소 조성 및 측정되는 재료 층의 두께 범위를 기초로 미리 결정된다.
시스템의 일부 실시형태에서, 시스템은 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 디스플레이하도록 구성된 디스플레이를 포함한다.
일부 실시형태에서, 전자기 복사선을 이용하여 재료 층의 두께를 측정하기 위한 방법은: 복사선 공급원으로부터의 제1 복사선을 제1 표면과 제1 표면에 대향되는 제2 표면 사이의 두께를 포함하는 재료 층의 제1 표면을 향해서 지향시키는 단계로서, 제1 표면에서 수용되는 제1 복사선은 재료 층이 제2 복사선을 방출하게 하는, 단계; 재료 층의 형광과 연관된 제2 복사선의 일부를 감쇠시켜 제3 복사선을 방출하는 단계; 복사선 검출기에서 제3 복사선을 검출하는 단계; 및 검출된 제3 복사선을 기초로 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 제공하는 단계를 포함한다.
방법의 일부 실시형태에서, 제2 복사선의 일부는, 재료 층의 형광과 연관된 에너지 레벨의 범위를 필터링하도록 구성된 하나 이상의 필터 층을 포함하는 필터에 의해서 감쇠된다.
방법의 일부 실시형태에서, 에너지 레벨의 범위는 재료 층의 원소 조성 및 원소 조성 내의 각각의 원소와 연관된 궤도 껍질 특성을 기초로 미리 결정된다.
방법의 일부 실시형태에서, 제2 복사선의 일부는, 미리 결정된 임계값 미만의 에너지 레벨을 갖는 제2 복사선 광자로부터 필터링하도록 구성된 필터에 의해서 감쇠된다.
방법의 일부 실시형태에서, 미리 결정된 임계값은 재료 층의 원소 조성 및 원소 조성 내의 각각의 원소와 연관된 궤도 껍질 특성과 연관된다.
방법의 일부 실시형태에서, 제1 복사선은 X-선을 포함한다.
방법의 일부 실시형태에서, 제1 복사선은 감마 복사선을 포함한다.
방법의 일부 실시형태에서, 복사선 공급원 및 복사선 검출기는 재료 층의 대향 측면들 상에 배치된다.
방법의 일부 실시형태에서, 복사선 공급원 및 복사선 검출기는 재료 층의 동일 측면 상에 배치된다.
방법의 일부 실시형태에서, 측정은 길이 단위를 포함한다.
방법의 일부 실시형태에서, 측정은 면적 밀도를 포함한다.
방법의 일부 실시형태에서, 제1 복사선은 미리 결정된 에너지 레벨을 포함하고, 측정을 제공하는 단계는: 제3 복사선의 세기를 측정하는 단계; 그리고 측정된 세기 및 재료 층이 없는 것과 연관된 디폴트 세기를 기초로 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 계산하는 단계를 포함한다.
방법의 일부 실시형태에서, 측정을 제공하는 단계는: 로그 값을 결정하기 위해서 로그 함수를 측정된 세기에 적용하는 단계; 그리고 측정을 계산하기 위해서 로그 값에 다항식 함수를 적용하는 단계를 포함하고, 다항식 함수 내의 계수는 재료 층의 원소 조성 및 측정되는 재료 층의 두께 범위를 기초로 미리 결정된다.
방법의 일부 실시형태에서, 방법은 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 디스플레이하는 단계를 포함한다.
첨부 도면과 함께 읽을 때, 전술한 요지뿐만 아니라 이하의 실시형태에 관한 구체적인 설명이 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 개시 내용의 설명을 위해서, 도면은 본 개시 내용의 예시적인 실시형태를 도시하나; 개시 내용은 개시된 구체적인 방법 및 기구로 제한되지 않는다.
도 1a 내지 도 1c는, 일부 실시형태에 따른, 전자기 복사선을 이용하여 재료 층의 두께를 측정하기 위한 시스템을 도시한다.
도 2는, 일부 실시형태에 따른, 상이한 유형의 재료 조성에 대한 복사선 감쇠 효과를 보여주는 그래프를 도시한다.
도 3은, 일부 실시형태에 따른, 전자기 복사선을 이용하여 재료 층의 두께를 측정하기 위한 방법을 도시한다.
전자기 복사선을 이용하여 재료 층의 두께를 측정하기 위해서 복사선-기반의 게이지를 이용하는 시스템, 방법 및 장치의 실시형태를 이하에서 설명한다. 일부 실시형태에서, 복사선-기반의 게이지는 제1 복사선을 제1 복사선의 복사선 공급원과 복사선 검출기 사이에 배치된 재료 층을 향해서 전달한다. 일부 실시형태에서, 복사선 공급원 및 복사선 검출기는 재료 층의 동일 측면 상에 배치될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제1 복사선은 공급원 복사선을 나타내는 일차 복사선으로 지칭될 수 있다. 제1 복사선을 수용하고 그와 상호작용한 결과로서, 재료 층은 제2 복사선을 방출할 수 있고, 제2 복사선은 제1 복사선의 미흡수 부분을 포함하고 (즉, 종종 이차 복사선으로 지칭되는) 형광 복사선을 포함한다. 두께-측정 정확도를 개선하기 위해서, 복사선-기반의 게이지는, 재료 층과 복사선 검출기 사이에 배치되고 재료 층에 의해서 방출되는 형광과 연관된 미리 선택된 에너지-레벨(및 상응 파장)을 필터링하도록 구성된, 필터를 포함한다. 일부 실시형태에서, 복사선 검출기는 필터링된 제2 복사선을 기초로 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 복사선 검출기는 길이 단위(예를 들어, 밀리미터 또는 미크론) 또는 면적 밀도(예를 들어, 평방 미터당 그램)로 측정을 제공할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는, 일부 실시형태에 따른, 전자기 복사선을 이용하여 재료 층(116)의 두께를 측정하기 위한 시스템(100A 내지 100C)을 도시한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 시스템(100A)은, (즉, 종종 일차 복사선 빔으로 지칭되고 공급원 복사선을 나타내는) 복사선 빔(130C)을 생성하고 이를 (즉, 재료 층으로도 지칭되는) 재료의 층(116)을 향해서 방출하는 복사선-공급원 시스템(102A)을 포함한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 재료 층(116)은 제1 표면(116A) 및 제1 표면(116A)에 대향되는 제2 표면(116B)에 의해서 형성되는 두께를 갖는다. 일부 실시형태에서, 도 1a에 도시된 바와 같이, 재료 층(116)은 복사선-공급원 시스템(102A)과 복사선-검출 시스템(120A) 사이에 배치되고, 복사선-검출 시스템은 재료 층(116)에 의해서 방출되는 복사선 빔(130D)을 기초로 재료 두께에 상응하는 측정을 제공하도록 구성된다.
일부 실시형태에서, 복사선 빔(130C)은 재료 층(116)에 실질적으로 수직으로(예를 들어, 90도의 각도 내에서) 방출될 수 있다. 일부 실시형태에서, 복사선 빔(130C)은 미리 규정된 각도로 재료 층(116)으로 지향될 수 있다. 일부 실시형태에서, 복사선 빔(130C)은, 재료 층(116) 내의 원자를 이온화하기 위한 충분히 높은 에너지(예를 들어, 운동 에너지)를 갖는 광자를 포함하는, 이온화 전자기 복사선으로 방출될 수 있다. 일부 실시형태에서, 복사선 빔(130C)은 X-선, 감마선, 무선파, 자외선, 적외선, 테라헤르쯔 등을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 복사선 빔(130C)은 다른 유형의 에너지 빔, 예를 들어 초음파 또는 이온화, 비-전자기 복사선, 예를 들어 입자-기반의 복사선(예를 들어, 알파 복사선 또는 베타 복사선)으로 방출될 수 있다.
일부 실시형태에서, 재료 층(116)은, 제1 표면(116A) 및 제1 표면(116A)에 대향되는 제2 표면(116B)에 의해서 형성되는 두께를 갖는 재료의 시트 또는 스트립을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 재료의 시트 또는 스트립이 실질적으로 균일한 두께를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 재료 층(116)은 단일 원소 또는 복수의 원소로 구성될 수 있다. 예를 들어, 재료 층(116)은 알루미늄, 강, 스테인리스 강, 강을 포함하는 다양한 합금 등으로 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 재료 층(116)은 실질적으로 질량 기준으로 단일 원소로 또는 질량 기준으로 단일 합금으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 재료 층(116)은 알루미늄, 강 등의 시트를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 본 개시 내용에서 사용된 바와 같은 "실질적으로"라는 용어는 90% 이상을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄을 실질적으로 포함하는 재료는, 질량의 90% 이상이 알루미늄인 재료를 지칭한다.
일부 실시형태에서, 본 개시 내용에서 사용된 바와 같은 "층"이라는 용어는 단일 층 또는 복수의 층들(즉, 하위 층들)을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 복수의 층 내의 각각의 층이 연관된, 각각의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 재료 층(116)은 다수-층을 포함할 수 있거나, 다양한 백분율의 다수-원소의 복합체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 재료 층(116)은, 강의 조성 및 물리적 특성을 분류하는 특정 등급의 강일 수 있다.
일부 실시형태에서, 복사선-공급원 시스템(102A)은 사용자 인터페이스(103), 제어기(104), 고전압 발생기(106), 복사선 발생기(108), 빔 시준기(110), 및 빔-경화 필터(beam-hardening filter)(112)를 포함한다. 일부 실시형태에서, 복사선-공급원 시스템(102A)은, 저감쇠 재료로 제조된 분진 커버(114A)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 분진 커버(114A)는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 저흡수 창(low absorption window)을 가지는 재료의 얇은 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 얇은 층은 1 mm 미만, 예를 들어 0.5 내지 1 mm일 수 있다.
일부 실시형태에서, 고전압 발생기(106)는, 전자기 복사선이 복사선 발생기(108)에 의해서 발생될 수 있게 하는 고전압을 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 고전압 발생기(106)는, 재료 층(116)의 유형뿐만 아니라 측정되는 두께 범위를 기초로, 소정 범위의 전압(예를 들어, 5kV 내지 500kV)으로부터의 전압 레벨(예를 들어, 50kV)을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 고전압 발생기(106)는 0 내지 500kV, 5 내지 300kV, 5 내지 200kV, 5 내지 100kV, 또는 10 내지 50kV 범위의 전압을 생성할 수 있다.
일부 실시형태에서, 복사선 발생기(108)는, 고전압 발생기(106)에 의해서 발생되는 고전압을 기초로, 복사선 빔(130A)을 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 복사선 발생기(108)는, 고전압 발생기(106)의 전압 레벨을 기초로 하는 에너지의 스펙트럼을 갖는 복사선 빔(130A)을 생성할 수 있고, 에너지 스펙트럼의 종료점 에너지는 전압 레벨에 상응한다. 예를 들어, 50kV의 전압 레벨에서 복사선 발생기(108)를 동작시키는 것은, 몇 keV(예를 들어, 1 내지 2keV) 내지 50keV 범위의 에너지 레벨을 갖는 광자를 가지는 복사선 빔(130A)을 생성할 수 있다. 다른 예에서, 예를 들어 100kV의 전압 레벨에서 복사선 발생기(108)를 동작시키는 것은, 몇 keV 내지 100keV의 에너지 스펙트럼을 갖는 복사선 빔(130A)을 생성할 수 있다.
일부 실시형태에서, 복사선 빔(130A)은, 측정되는 재료 층(116)의 두께 범위 및 재료 층(116)의 조성을 기초로 하는 에너지 레벨의 특정 범위에서 동작하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 도 1a에 도시된 바와 같이, 복사선 발생기(108)는, 고전압 발생기(106)에 의해서 생성되는 전압 레벨을 기초로 X-선 형태의 복사선 빔(130A)을 생성하도록 구성된 X-선 관을 포함할 수 있다. X-선 관의 양극 재료 및 양극과 음극 사이의 전위차에 따라, 복사선 발생기(108)는 복사선 빔(130A)을 연속 복사선(즉, 제동 복사선(Bremstrahlung radiation)) 형태로 방출할 수 있다. 또한, 복사선 빔(130A)의 에너지 스펙트럼은, 연속 복사선에 중첩된 양극 재료의 형광 피크 특성을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 시준기(110)는 재료 층(116)에 대한 복사선 빔(130C)의 빔 스폿, 빔 입체 각도(beam solid angle), 또는 빔 스폿 및 빔 입체 각도 모두를 성형하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 시준기(110)는, 특정 방향에 평행하게 이동하는 것만이 통과할 수 있도록 그리고 복사선 빔(130B)으로서 나타나도록, 복사선 빔(130A)의 스트림을 필터링하도록 구성될 수 있다. 시준기(110)의 다른 예는, 비제한적으로, 핀홀 시준기, 수렴 시준기, 원뿔형-빔 시준기 등을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 시준기(110)는, 시준기(110)의 동작을 제어하여 복사선 발생기(108)에 의해서 생성된 복사선 빔(130A)의 빔 입체 각도를 성형 또는 제한하도록 구성된, 빔 셔터(111)를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 빔-경화 필터(112)는, (즉, 일차 복사선으로 종종 지칭되는) 복사선 빔(130C)으로서 방출되기 전에, 빔-경화를 복사선 빔(130B)에 적용하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 빔-경화 필터(112)는, 복사선 빔(130B)의 저에너지 광자를 선택적으로 감쇠시키도록 구성된 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 빔-경화 필터(112)의 재료는, 측정되는 재료 층(116)의 재료 조성 및 측정되는 재료 층(116)의 두께 범위에 따라, 알루미늄, 구리, 강, 텅스텐 등과 같은 다양한 금속을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 저에너지 광자는 20keV 미만, 15keV 미만, 또는 5keV 미만의 에너지 레벨을 갖는 광자를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 빔-경화 필터(112)는, 복사선 빔(130B)의 에너지 레벨의 대역폭이 복사선 빔(130C)으로서 방출될 수 있게 하는 대역 통과 필터로서 작용하는 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 시준기(110) 이후에 빔-경화 필터(112)를 배치하는 것은, 복사선-공급원 시스템(102A)으로부터 방출되는 복사선 빔(130C)이 (즉, "경화된") 증가된 평균 빔 에너지를 가지게 할 수 있다.
일부 실시형태에서, 사용자 인터페이스(103)는, 운영자가 제어기(104)를 통해서 복사선-공급원 시스템(102A)의 동작을 제어하게 할 수 있다. 일부 실시형태에서, 사용자 인터페이스(103)는, 웹-기반의 인터페이스를 제공하는 네트워크 인터페이스를 통해서 제공될 수 있다. 일부 실시형태에서, 네트워크 인터페이스는, 인터넷, 인트라넷, LAN(Local Area Network), MAN(Metropolitan Area Network) 등과 같은 WAN(Wide Area Network)에 걸쳐 있는 유선 및/또는 무선 네트워크에 액세스하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 네트워크 인터페이스는, 비제한적으로, GSM(Global System for Mobile Communications), LTE(long term evolution), CDMA(코드 분할 다중 액세스), 시분할 다중 액세스(TDMA), 블루투스, Wi-Fi(Wireless Fidelity)(예를 들어, IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g 및/또는 IEEE 802.11n), Wi-MAX, 이더넷 등을 포함하는, 복수의 통신 표준, 프로토콜, 및 기술 중 임의의 것을 이용할 수 있다.
일부 실시형태에서, 재료 층(116)을 향해서 복사선-공급원 시스템(102A)에 의해서 방출되는 복사선 빔(130C)은 재료 층(116)이 복사선 빔(130D)을 방출하게 할 수 있다. 전술한 바와 같이, 복사선 빔(130C)의 감쇠는, 복사선 빔(130C) 내의 광자와 재료 층(116) 내의 원자 사이의 상호작용으로 인해서 발생된다. 일부 실시형태에서, 복사선 빔(130C)은 500keV 미만의 에너지 레벨을 갖는 광자를 공급하도록 구성될 수 있다. 이러한 에너지 범위에서, 복사선 빔(130C)의 감쇠는 광전 효과에 의해서 주로 유발될 수 있고, 여기에서 복사선 빔(130C) 내의 일부 광자의 에너지가 재료 층(116) 내의 원자에 의해서 흡수된다. 따라서, 방출된 복사선 빔(130D)은 복사선 빔(130C) 내의 광자의 일부를 배제할 수 있다. 또한, 재료 층(116) 내의 원소의 궤도 껍질 특성으로 인해서, 광전 효과는, 형광으로도 알려져 있고 이차 복사선으로 종종 지칭되는, 입사 광자보다 낮은 에너지 레벨을 갖는 광자의 방출을 유발할 수 있다. 이러한 저에너지 광자는, 재료 층(116) 내의 원소의 결합 에너지 및 궤도 껍질 특성에 따라 달라지는 에너지 레벨을 갖는다. 그에 따라, 복사선 빔(130D)은 복사선 빔(130C)(즉, 일차 복사선)의 미-흡수 부분을 포함할 수 있고, 또한 광전 효과에 의해서 유발되는 형광 복사선(즉, 이차 복사선)을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 복사선-검출 시스템(120A)은, 재료 층(116)을 통과하고 복사선 빔(130D)으로서 수용되는 복사선 빔(130C)의 감쇠를 기초로, 재료 층(116)의 두께에 상응하는 측정을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 복사선-검출 시스템(120A)은 에너지 필터(122A), 복사선 검출기(124A), 프론트-엔드 전자기기(front-end electronics)(126), 제어기(128), 및 디스플레이(130)를 포함한다. 일부 실시형태에서, 복사선-검출 시스템(120)은, 저감쇠 재료의 분진 커버(114B)를 포함한다. 분진 커버(114B)는 분진 커버(114A)에 상응할 수 있고, 유사하게, 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 얇은 층을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 에너지 필터(122A)는, 재료 층(116)으로부터의 형광과 연관된 에너지 레벨의 범위에 상응하는 미리 결정된 파장 범위를 감쇠시키도록 구성된 하나 이상의 필터 층을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 에너지 필터(122A)는, 50keV 미만, 40keV 미만, 30keV 미만, 20keV 미만, 15keV 미만, 10keV 미만, 9keV 미만, 8keV 미만, 7keV 미만, 6keV 미만, 또는 5keV 미만의 에너지 레벨을 갖는 저에너지 광자를 필터링하도록 구성될 수 있다.
에너지 필터(122A)는 필터링된 복사선 빔(130D)을 복사선 빔(130E)으로서 방출하도록 구성될 수 있다. 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 광자 파장과 그 에너지 사이의 관계가 플랭크-아인슈타인 관계: E = (h * c)/λ에 의해서 특정되고, 여기에서 E는 광자 에너지(eV)이고, h는 프랭크 상수이며, c는 광속(m/s)이고, λ는 파장(m)이다. 일부 실시형태에서, 필터링되는 파장의 범위 및 상응하는 에너지 레벨의 범위는, 재료 층(116) 내의 상이한 유형들의 원소의 궤도 껍질 특성을 기초로 결정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 에너지 레벨의 범위는, 복사선 빔(130C)의 미리 규정된 에너지 및 재료 층(116)과 연관된 하나 이상의 K-엣지 에너지 레벨을 기초로 미리 결정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 에너지 필터(122A)는, 필터링되는 에너지 레벨의 범위에 따라, 알루미늄, 구리, 강, 텅스텐, 또는 이들의 조합과 같은 다양한 금속으로 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 에너지 필터(122A)는 복수의 층을 포함할 수 있고, 각각의 층은 상응하는 에너지 레벨의 범위를 필터링하도록 구성된다.
일부 실시형태에서, 복사선 검출기(124A)는 에너지 필터(122A)에 의해서 방출되는 복사선 빔(130E)을 검출하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 복사선 검출기(124A)는, 복사선 빔(130E)의 세기(즉, 복사조도) 메트릭(metric)에 상응하는 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 신호는, 복사선 빔(130E)의 세기에 비례하는 전류(예를 들어, AC 전류 또는 DC 전류), 특성이 복사선 빔(130E)의 세기에 상응하는 전류 또는 광 펄스의 트레인(train), 또는 복사선 빔(130E)의 세기에 상응하는 특성을 갖는 음파 등일 수 있다.
일부 실시형태에서, 복사선 검출기(124A)는, 복사선 빔(130E)의 전체 세기를 나타내는 신호를 생성하도록 구성된 에너지-스펙트럼 애그노스틱(agnostic) 검출기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복사선 검출기(124A)는, 복사선 빔(130E)에 의해서 유발된 이온화 챔버 내의 가스의 이온화를 측정하는, 이온화 챔버를 포함할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 이온화 챔버는, 이온화 챔버의 음극과 양극 사이에서 바이어스 전압을 인가하여, 적절한 극성의 전극들에서 이온화의 대전된 단편(charged fragments of ionization)을 수집하기 위한 전기장을 생성하도록 구성될 수 있다(예를 들어, 양이온은 음극으로 끌어 당겨지고 전자들은 양극을 향해서 이동된다).
일부 실시형태에서, 이온화 챔버는 복사선 빔(130E)에 의해서 유발된 이온화로부터 초래된 신호(예를 들어, 전류)를 생성하도록 구성될 수 있고, 생성된 신호는 복사선 빔(130E)의 세기에 상응할 수 있다. 일부 실시형태에서, 가스는 아르곤, 크세논, P10, 공기 등을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 이온화 챔버는, 생성하고자 하는 전기장 및 음극의 기하형태에 따라, 선형 모드, 비례 모드, 또는 가이거 모드(Geiger mode)로 동작될 수 있다.
일부 실시형태에서, 복사선 검출기(124A)는, 복사선 빔(130E)의 복사선 세기 프로파일을 검출하기 위한 다수-채널 검출기(예를 들어, 다수-챔버)를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 복사선 빔(130E)의 에너지 스펙트럼을 검출할 수 있는 복사선 검출기와 대조적으로, 복사선 검출기(124A)는, 에너지-스펙트럼에 특정되는 복사선 검출기를 포함할 수 있다. 그러한 복사선 검출기의 예는 PMT(Photo Multiplier Tubes), (예를 들어 규소를 기초로 하는) 일부 솔리드 스테이트 검출기, 또는 가스-기반의 검출기 등을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 복사선 검출기(124A)는 복사선 빔(130E)의 전체 광자 에너지 레벨을 나타내는 신호를 생성할 수 있고, 그 측정은 임의의 형광 에너지에 민감하다. 따라서, 에너지 필터(122A)를 포함하는 것에 의해서, 임의의 형광 에너지가, 복사선 검출기(124A)에 의해서 검출되고 프로세스되기 전에, 필터링될(예를 들어, 흡수될) 수 있다.
일부 실시형태에서, 복사선 검출기(124A)는, 복사선 빔(130E)에 의해서 유발된 입사 대전 입자 또는 광자의 영향을 측정하기 위해서 반도체를 이용하는 반도체 검출기를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 반도체 검출기는 규소 검출기, 게르마늄 검출기(예를 들어, 고순도 게르마늄(HPGe) 검출기), 다이아몬드 검출기, 카드뮴 텔룰라이드 검출기, 또는 카드뮴 아연 텔룰라이드 검출기를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 재료 층 및 측정되는 두께 범위에 따라, 복사선 검출기(124A)의 유형이 제공될 수 있다. 예를 들어, 규소 검출기는 20keV 초과의 에너지를 갖는 복사선(예를 들어, X-선 및 감마선)을 효과적으로 감쇠시키지 못할 수 있고, 그에 따라 이는 두께 범위 및 재료 유형의 범위를 제한한다.
일부 실시형태에서, 복사선 검출기(124A)는 신틸레이션 검출기(scintillation detector)를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 신틸레이션 검출기는, 복사선 빔(130E)의 이온화 복사선에 의해서 여기될 때, 냉광을 방출하도록(luminesce) 구성된 신틸레이션 결정을 포함한다. 일부 실시형태에서, 신틸레이션 결정은, 나트륨 요오드화물, 세슘 요오드화물, LSO, 납 텅스텐산염, BGO, 란타늄 붕화물 및 염화물, 플라스틱 신틸레이터, 액체 신틸레이터(선형 및 벤젠 고리 기반), 신틸레이션 섬유 및 섬유 번들, 아연 황화물 등과 같은 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 복사선 검출기(124)는, 신틸레이션 결정에 의해서 방출되는 냉광(즉, 광)을 검출하도록 구성된 하나 이상의 광-검출기(예를 들어, 실리콘 광다이오드, 아발란치 광다이오드, 광전자 증배관(photomultiplier) 등)를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 프론트-엔드 전자기기(126)는 복사선 검출기(124A)에 의해서 생성된 신호를 증폭 또는 프로세스하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프론트-엔드 전자기기(126)는 증폭기, 디지털 회로소자, 디지털 신호 프로세싱, 등을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 제어기(128)는, 복사선 검출기(124A)에 의해서 검출되는 바와 같은 복사선 빔(130E)을 기초로, 재료 층(116)의 두께에 상응하는 측정을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기(128)는, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 프론트-엔드 전자기기(126)에 의해서 증폭되거나 프로세스되고 복사선 빔(130E)을 나타내는 신호를 기초로, 두께 측정(예를 들어, 길이의 단위 또는 면적 밀도)을 계산할 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어기(128)는 계산된 측정을 디스플레이(130) 상에서 디스플레이하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어기(128)는 층 두께를 연속적으로 또는 주기적으로 계산하도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 두께에 상응하는 측정을 결정하기 위해서, 제어기(128)는, 예를 들어, 사용자 인터페이스(103)로부터의 사용자 입력을 기초로, 신호에 적용하기 위한 저장된 구성을 선택할 수 있다. 일부 실시형태에서, 사용자 입력은, 두께가 측정되는 재료 층(116)의 재료의 유형(예를 들어, 원소 조성), 측정되는 두께의 범위, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 복사선-검출 시스템(120A)은 복수의 에너지 필터를 포함할 수 있고, 사용자 입력에 따라, 제어기(128)는 복수의 에너지 필터로부터 사용을 위한 상응 에너지 필터(122A)를 선택하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 사용자 입력에 따라, 제어기(128)는, 복사선-검출 시스템(120A) 내에 삽입될 필요가 있는 에너지 필터(122A)의 유형을 (디스플레이(130) 상에서) 사용자에게 디스플레이하도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 신호는, 두께(t)를 갖는 재료 층(116)을 기초로 복사선 빔(130E)으로부터 복사선 검출기(124A)에 의해서 검출되고 수집되는 바와 같은 총 전하(QT)에 비례하도록 구성될 수 있다. 총 전하(QT)는, 복사선 빔(130C)에 의해서 제공되는 에너지 스펙트럼과 연관되고 그에 걸쳐(즉, 0으로부터 최대 에너지까지) 수집되는 전하와 연관될 수 있다.
일부 실시형태에서, 신호(즉, s)는 이하의 관계: s = [QT - Q0]/[Qmax - Q0]에 따라 QT에 비례하도록 구성될 수 있고, 여기에서 Q0는 (즉, 재료 층(116)이 복사선-공급원 시스템(102A)과 복사선-검출 시스템(120A) 사이에 배치되지 않은) 시스템의 오프셋을 나타내고, Qmax는 "무한" 두께를 가지는 재료 층(116)을 갖는 복사선 검출기(124)의 전하를 나타낸다. 일부 실시형태에서, "무한" 두께는 적어도 50,000 g/cm2일 수 있고, 이는 측정되는 재료 두께의 목표 범위에 비해서 크다.
일부 실시형태에서, 재료 층(116)의 두께에 상응하는 측정을 계산하기 위해서, 제어기(128)는 로그 함수를 신호(즉, s)에 적용하여 로그 값(즉, x)을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기(128)는 이하의 함수: x = ln(s)에 따라 로그 값을 생성할 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어기(128)는 측정 범위에 걸친 다항식 함수 또는 직교 함수를 로그 값에 적용하여 재료 층(116)의 두께에 상응하는 측정을 계산하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 직교 함수는, 직교 함수의 다른 유형 중에서, 직교 삼각 함수, 직교 다항식을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 다항식 함수는 복수의 상응 계수를 갖는 복수의 항을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 항 및 상응 계수의 수는, 측정되는 재료 층(116)의 두께 범위를 기초로 얻어지는 실험 값을 기초로 미리 결정된다. 예를 들어, 다항식 함수는 4개의 항:t = a0 + a1x + a2x2 + a3x3 + a4x4를 가질 수 있고, 여기에서 a0, a1, a2, a3, 및 a4는 미리 결정된 계수이고, x는 로그 값이다(예를 들어, x = ln(s)).
도 1b 및 도 1c는, 일부 실시형태에 따른, 전자기 복사선을 이용하여 재료 층(116)의 두께를 측정하기 위한 시스템(100B 및 100C)을 도시한다. 시스템(100B 및 100C)의 각각에서, 복사선-공급원 시스템(102B 및 102C) 및 복사선-검출 시스템(120B 및 120C)은 재료 층(116)과 동일 측면에(예를 들어, 제1 표면(116A)의 측면에) 배치될 수 있다. 일부 실시형태에서, 복사선-공급원 시스템(102B 및 102C) 및 복사선-검출 시스템(120B 및 120C)은, 도 1a에 대해서 전술한 바와 같은, 복사선-공급원 시스템(102A) 및 복사선-검출 시스템(120A)에 각각 상응할 수 있다. 복사선-검출 시스템(120A)과 마찬가지로, 각각의 복사선-검출 시스템(120B 및 120C)은, 재료 층(116)과 각각의 복사선 검출기(124B 및 124C) 사이에 배치된, 각각의 에너지 필터(122B 및 122C)를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 복사선-검출 시스템(120B 및 120C)은 복사선-검출 시스템(120A)과 유사하게 동작하고, 재료 층(116)의 형광 특성에 상응하는 에너지 레벨(즉, 파장)의 미리 결정된 범위를 선택적으로 필터링하도록 각각의 에너지 필터(122B 및 122C)로 구성된다. 그러나, 재료 층(116)의 두께에 상응하는 측정을 제공하기 위해서 광전 효과에 의존하는 복사선-검출 시스템(120A)과 대조적으로, 복사선-검출 시스템(120B 및 120C)은, 측정을 제공하기 위해서 복사선-공급원 시스템(102B 및 102C)에 의해서 유발되는 (즉, 콤프톤 산란 또는 고유 산란으로 종종 지칭되는) 콤프톤 효과에 의존한다. 복사선-검출 시스템(120B 및 120C)에 의해서 검출되는 복사선이 콤프톤 효과에 의해서 일차적으로 유발되지만, 검출된 복사선은 또한, 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 광전 효과에 의해서 유발된 복사선(예를 들어, 형광 복사선)의 부분을 포함할 수 있다.
시스템(100B)에서 도시된 바와 같이, 복사선-공급원 시스템(102B)은 재료 층(116)에서 복사선 빔(132A)(즉, 일차 복사선)을 방출할 수 있다. 예를 들어, 복사선 빔(132A)은 미리 한정된 각도로 방출될 수 있거나, 제1 표면(116A)에 실질적으로 수직으로 방출될 수 있다. 일부 실시형태에서, 콤프톤 산란은, 복사선 빔(132A) 내의 입사 광자가, 재료 층(116) 내의 원자(예를 들어, 전자)와의 상호작용을 기초로, 그 원래의 경로로부터 편향되고 결과적으로 적은 에너지를 갖는 변경된 경로 상에서 이동할 때, 발생된다. 광자 에너지 변화는 산란 각도 및 광자 에너지에 따라 달라진다. 따라서, 콤프톤 효과로 인해서, 복사선 빔(132A)의 일부는 편향될 수 있고 후방산란 복사선으로서 방출될 수 있다. 일부 실시형태에서, 복사선 빔(132A)은 재료 층(116)이 복사선 빔(132B)을 방출하게 할 수 있고, 그러한 복사선 빔(132B)은 후방 산란 복사선 및 도 1a에 대해서 전술한 바와 같은 형광 복사선을 포함한다. 에너지 필터(122A)와 마찬가지로, 에너지 필터(122B)는 형광 복사선을 필터링하도록 그리고 필터링된 복사선 빔(132B)을 나타내는 복사선 빔(132C)을 방출하도록 구성될 수 있다. 이어서, 복사선-검출 시스템(120B)은, 복사선 검출기(124B)에 의해서 검출된 복사선 빔(132C)의 세기를 기초로, 재료 층(116)의 두께에 상응하는 측정을 제공하도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 시스템(100C)은, 복사선-공급원 시스템(102C) 및 복사선-검출 시스템(120C)의 측면에 반대되는 제2 표면(116B)의 측면 상에 배치된 반사부(117)를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 반사부(117)는 금속 판과 같은 중실형 재료(solid material)일 수 있다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 복사선-공급원 시스템(102C)은 재료 층(116)의 제1 표면(116A)에서 복사선 빔(134A)을 방출하도록 구성될 수 있다. 재료 층(116)은, 도 1a에 대해서 전술한 광전 효과에 의해서 각각 유발되는, 복사선 빔(134A)의 미흡수 부분 및 형광 복사선을 포함하는 복사선 빔(134B)을 방출하도록 구성될 수 있다. 반사부(117)는, 콤프톤 효과를 기초로 하는 복사선 빔(134B)의 후방 산란을 나타내는 복사선 빔(134C)을 방출할 수 있다. 또한, 복사선 빔(134C)은 반사부(117)에 의해서 생성된 형광 복사선을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 재료 층(116)은, 콤프톤 효과에 기인한 복사선 빔(134A)으로부터의 광자의 일부, 광전 효과에 기인한 복사선 빔(134C)으로부터의 광자의 일부, 및 복사선 빔(134A 및 134C)으로부터의 광자와 재료 층(116) 내의 원자의 상호작용을 기초로 생성된 형광 복사선을 포함하는, 복사선 빔(134D)을 방출하도록 구성될 수 있다.
도 2는, 일부 실시형태에 따른, 상이한 유형의 재료 조성에 대한 복사선 감쇠 효과를 보여주는 그래프(200)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 그래프(200)는 상이한 X-선 에너지 레벨(202)(keV)에서 설명문(206) 내에 기재된 바와 같은 다양한 원소 조성에 대한 로그 스케일(logarithmic scale)의 질량-에너지 감쇠 계수(cm2/g)(204)를 표시한다. 예를 들어, 설명문(206)은 단일 원소에 대해서 도시된 원자 번호(즉, Z)를 갖는 이하의 원소 조성을 나타낸다: 베릴륨(Z=4), 알루미늄(Z=13), 티타늄(Z=22), 주석(Z=50), 텅스텐(Z=74), 납(Z=82), 구리(Z=29) 및 다양한 원소로 제조된 폴리에스테르 필름(즉, C10H8O4)인, BoPET(이축-배향 폴리에틸렌 테레프탈레이트)(예를 들어, Mylar). 그래프(200)에 도시된 바와 같이, BoPET가 X-선 에너지 레벨(202)에 걸쳐 저감쇠를 가지고 재료 두께 범위를 측정하기 위해서 이용되는 에너지 스펙트럼 내에서 k-엣지를 가지지 않기 때문에, BoPET의 광전 효과가 두께 게이징 중에 고려될 수 있다.
전술한 바와 같이, K-엣지는 원자 내의 K-껍질 전자의 결합 에너지를 지칭한다. 광전 효과는, 복사선이 재료로 지향될 때의 전자 또는 다른 자유 캐리어의 방출을 지칭한다. 광자가 원자의 K-엣지에 근접하고 초과하는 에너지 레벨을 가질 때, 그러한 광자는 K-엣지 바로 밑의 광자 에너지를 가지는 광자보다 흡수될 가능성이 더 높고, 광전 흡수를 초래한다. 예를 들어, 그래프(200)에 도시된 바와 같이, 조성의 K-엣지 특성은 해당 조성에 대한 K-엣지 바로 위의 광자 에너지에서 발생되는 광자의 질량-에너지 감쇠 계수의 급격한 증가를 유발할 수 있다. 예를 들어, 티타늄의 K-엣지(212)는 약 5 keV이고, 규소의 K-엣지(210)는 약 1.8 keV이다. 전술한 바와 같이, K-엣지 에너지 레벨에서, 형광 복사선이 생성될 수 있고, 이는 두께-게이지 시스템의 정확도를 감소시킬 수 있다.
도 3은, 일부 실시형태에 따른, 전자기 복사선을 이용하여 재료 층의 두께를 측정하기 위한 방법(300)을 도시한다. 일부 실시형태에서, 방법(300)은, 도 1a 내지 도 1c에 대해서 전술한 바와 같은, 복사선-기반의 게이지 시스템(100A 내지 100C)과 같은 두께-게이지 시스템에 의해서 수행될 수 있다. 일부 실시형태에서, 두께-게이지 시스템은, 도 1a에 도시된 바와 같이, 복사선 공급원과 복사선 검출기 사이에 배치된 재료 층을 포함한다. 일부 실시형태에서, 두께-게이지 시스템은, 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 재료 층과 동일 측면 상에 배치된 복사선 공급원 및 복사선 검출기를 포함한다.
단계(302)에서, 두께-게이지 시스템은 제1 복사선을 복사선 공급원으로부터, 제1 표면과 제1 표면에 대향되는 제2 표면 사이의 두께를 가지는 재료 층의 제1 표면을 향해서 지향시킨다. 일부 실시형태에서, 제1 표면에서 수용된 제1 복사선은 재료 층이 제2 복사선을 방출하게 한다. 일부 실시형태에서, 제1 복사선은 X-선 또는 감마선과 같은 이온화 전자기 복사선을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 재료 층에 의해서 방출된 제2 복사선은 제1 복사선으로부터의 광자의 일부를 포함하고, 제1 복사선의 광자와 재료 층의 원자 사이의 상호작용의 결과로서 재료 층에 의해서 방출된 형광 복사선을 포함한다. 일부 실시형태에서, 재료 층에 의해서 방출된 제2 복사선은 제1 복사선으로부터의 광자의 제1 부분을 포함하고, 광전 효과로 인해서 재료 층에 의해서 흡수된 제1 복사선으로부터의 광자의 제2 부분을 배제한다. 일부 실시형태에서, 재료 층에 의해서 방출되는 제2 복사선은, 콤프톤 효과에 따라 편향된 제1 복사선으로부터의 광자의 제3 부분을 포함한다. 전술한 바와 같이, 저에너지 레벨(예를 들어, 500 keV 미만)에서, 광전 효과는, 주요 유형의 복사선-물질 상호작용 중에서, 제1 복사선의 감쇠에 가장 큰 영향을 미친다.
단계(304)에서, 두께-게이지 시스템은 재료 층의 형광과 연관된 제2 복사선의 부분을 감쇠시켜 제3 복사선을 방출한다. 따라서, 제3 복사선은 필터링된 제2 복사선을 포함한다. 일부 실시형태에서, 제2 복사선의 일부는, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 재료 층과 복사선 검출기 사이에 배치된 필터에 의해서 감쇠된다.
일부 실시형태에서, 필터는, 도 1a에 대해서 전술한 바와 같이, 재료 층의 형광과 연관된 에너지 레벨의 범위를 필터링하도록 구성된 하나 이상의 필터 층을 포함한다. 일부 실시형태에서, 필터는, 미리 결정된 임계값 미만의 에너지 레벨을 갖는 광자를 제2 복사선으로부터 필터링하도록 구성되는 재료로 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 미리 결정된 임계값은 적어도 5 keV, 6 keV, 7keV, 8keV, 9keV, 10keV, 15 keV, 또는 20keV일 수 있다. 일부 실시형태에서, 미리 결정된 임계값은 50keV, 20keV, 15keV, 10keV, 9keV, 8keV, 7keV, 또는 6 keV 미만일 수 있다. 일부 실시형태에서, 미리 결정된 임계값은 5 내지 50 keV, 5 내지 20 keV, 5 내지 10 keV, 또는 6 내지 10 keV일 수 있다.
일부 실시형태에서, 필터는 복수의 에너지 레벨을 필터링하기 위해서 복수의 필터 층을 포함한다. 일부 실시형태에서, 필터링 하고자 하는 에너지 레벨의 범위는 재료 층의 원소 조성 및 원소 조성 내의 각각의 원소와 연관된 궤도 껍질 특성을 기초로 미리 결정된다.
일부 실시형태에서, 재료의 원소 조성을 결정하기 위해서 이용되는 통상적인 복사선 형광 분석과 대조적으로, 본원에서 설명된 두께-게이지 시스템은 형광 복사선을 감쇠시키고 차단하여, 측정되는 원소 조성 및 재료 두께의 범위에 대한 두께 측정의 민감도를 줄이고자 한다. 필터의 이용에 의해서, 도 1a 내지 도 1c에 대해서 전술한 바와 같이, 두께-게이지 시스템은 에너지-스펙트럼 애그노스틱 복사선 검출기를 이용하여 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 제공하도록 구성될 수 있다.
단계(306)에서, 두께-게이지 시스템은 복사선 검출기에서 제3 복사선을 검출한다. 일부 실시형태에서, 두께-게이지 시스템의 복사선 검출기(예를 들어, 복사선 검출기(124))는 제3 복사선의 세기를 정량화하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 복사선 검출기는, 제3 복사선의 세기에 상응하는 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 신호는 전류, 펄스 트레인, 음파 등일 수 있다. 일부 실시형태에서, 생성된 신호는 세기에 비례하도록 구성된다. 예를 들어, 제1 복사선이 X-선일 때, 복사선 검출기는, 크기가 세기에 비례하는 전류를 생성하도록 구성된 이온화 챔버일 수 있다.
단계(308)에서, 두께-게이지 시스템은 검출된 제3 복사선을 기초로 하는 층 두께에 상응하는 측정을 제공한다. 일부 실시형태에서, 제공된 측정은 층 두께의 길이에 상응하는 길이 단위를 포함한다. 일부 실시형태에서, 제공된 측정은 층 두께에 상응하는 면적 밀도를 포함한다. 특히, 당업자는, 면적 밀도 = 두께 길이 * 밀도의 관계에 따라, 양들 중 하나가 주어지면, 면적 밀도 및 두께 길이가 용이하게 도출될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
일부 실시형태에서, 두께-게이지 시스템의 제어기(예를 들어, 제어기(128))는, 복사선 검출기에 의해서 생성되고 검출된 제3 복사선의 검출된 세기를 나타내는 신호를 기초로, 측정을 계산하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어기는 로그 함수를 측정된 신호의 전류에 적용하여 로그 값을 결정하도록 그리고 이어서 저장된 구성을 로그 값에 적용하여 두께에 따른 측정을 계산하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 저장된 구성은, 측정을 계산하기 위해서 로그 값에 적용되는 다항식 함수일 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어기는, 사용자 입력을 기초로, 복수의 저장된 구성으로부터 저장 구성을 선택하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 사용자 입력은 저장된 구성을 특정할 수 있다. 일부 실시형태에서, 사용자 입력은 측정되는 재료의 유형 및/또는 측정되는 두께의 범위를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 다항식 함수 내의 계수는, 재료 층의 원소 조성 및 측정되는 재료 층의 두께 범위를 기초로, 미리 결정된다(그리고, 저장된 구성에 제공된다). 일부 실시형태에서, 다항식 함수 내의 계수는, 유사한 재료 특성들을 갖는 복수의 원소 조성을 기초로 미리 결정된다. 예를 들어, 복수의 원소 조성은, 측정되는 두께의 범위에 대해서 실질적으로 동일한 감쇠 특성 또는 형광 특성을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 제어기는 계산된 측정을 두께-게이지 시스템의 디스플레이 상에서 디스플레이하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 계산된 측정이 단위 길이(예를 들어, 밀리미터 또는 미크론) 또는 면적 밀도(예를 들어, 평방 미터당 그램)로 디스플레이될 수 있다.
선행 설명은 예시적인 방법, 매개변수 및 기타를 기술한다. 그러나, 그러한 설명은 본 개시 내용의 범위를 제한하기 위한 것이 아니고, 그 대신 예시적인 실시형태에 관한 설명으로서 제공된 것이다. 전술한 예시적인 실시형태는 포괄적인 것으로 의도되지 않거나 개시 내용을 개시된 정확한 형태로 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 전술한 교시 내용에 비추어 많은 수정 또는 변경이 가능할 것이다. 개시된 기술 및 그 실제 적용의 원리를 최적으로 설명하도록, 실시형태가 선택되고 설명되었다. 그에 의해서, 당업자는, 고려되는 특정 용도에 적합하게 다양하게 수정하여, 기술 및 다양한 실시형태를 가장 잘 활용할 수 있다.
개시 내용 및 예가 첨부 도면을 참조하여 전체적으로 설명되었지만, 다양한 변화 및 수정이 당업자에게 자명할 것임에 주목하여야 한다. 그러한 변화 및 수정은 청구범위에 의해 규정되는 바와 같은 개시 내용 및 예의 범위 내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 개시 내용 및 실시형태에 대한 이전의 설명에서, 실시될 수 있는 특정 실시형태 예시로서 도시되어 있는 첨부 도면을 참조한다. 본 개시 내용의 범위로부터 벗어나지 않고도, 다른 실시형태 및 예가 실시될 수 있고, 변화가 이루어질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 선행 설명이 여러 요소를 설명하기 위해서 제1, 제2 등의 용어를 이용하지만, 이러한 요소는 그러한 용어에 의해서 제한되지 않아야 한다. 이러한 용어는 단지 하나의 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해서 사용된다.
또한, 문맥상 달리 명백하게 표시되지 않는 한, 선행 설명에서 단수 형태("a," "an" 및 "the")는 복수의 형태를 또한 포함하도록 의도된 것임을 이해하여야 한다. 본원에서 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 연관된 나열된 항목의 하나 이상으로 이루어진 임의의 또는 모든 가능한 조합을 지칭하고 포함한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. "포괄한다", "포괄하는", "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 본원에서 사용될 때, 기술된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소, 및/또는 단위의 존재를 구체화하나, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소, 단위 및/또는 그 그룹의 존재나 부가를 배제하는 것이 아님을 더 이해할 수 있을 것이다.
"~하는 경우"는, 문맥에 따라 "~하는 때" 또는 "~시에" 또는 "결정에 응답하여" 또는 "검출에 응답하여"로 해석될 수 있다. 유사하게, "~이 결정되는 경우" 또는 "[기술된 조건 또는 이벤트]가 검출되는 경우"라는 문구는, 문맥에 따라 "결정 시에" 또는 "결정에 응답하여" 또는 "[기술된 조건 또는 이벤트]의 검출 시에" 또는 "[기술된 조건 또는 이벤트]의 검출에 응답하여"를 의미하는 것으로 해석될 수 있다.
일부 실시형태에서, 비-일시적 컴퓨터-판독 가능 저장 매체가, 디바이스의 하나 이상의 프로세서에 의해서 실행되도록 구성된 하나 이상의 프로그램을 저장하고, 하나 이상의 프로그램은 본원에서 설명되거나 청구된 임의의 단계를 실시하기 위한 명령어를 포함한다. 본 개시 내용은 또한 본원의 동작을 실시하기 위한 디바이스에 관한 것이다. 이러한 디바이스는 요구되는 목적을 위해서 특별히 구축되거나 구성될 수 있고, 예를 들어, 주문형 집적회로(ASIC), 필드-프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 디지털 신호 프로세서(DSP)를 포함할 수 있거나, 컴퓨터 내에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해서 선택적으로 활성화되거나 재구성된 범용 컴퓨터를 포함할 수 있다.
그러한 컴퓨터 프로그램은 비-일시적 컴퓨터 컴퓨터-판독 가능 저장 매체, 예를 들어, 비제한적으로, 컴퓨터 시스템 버스에 각각 커플링된, 플로피 디스크, 광학 디스크, CD-ROM, 자기-광학 디스크, 리드-온리 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 전기적으로 프로그램 리드-온리 메모리(EPROM), 전기적으로 소거 가능한 프로그램 리드 온리 메모리(EEPROM), 자기 또는 광학 카드, 주문형 집적 회로(ASIC), USB 플래시 드라이브, 또는 전자 명령어를 저장하는데 적합한 임의의 유형의 매체를 포함하는, 임의의 유형의 디스크에 저장될 수 있다. 또한, 이러한 개시 내용에서 언급된 디바이스는 단일 프로세서를 포함할 수 있거나, 컴퓨팅 용량 증가를 위해서 다수 프로세서 설계를 이용하는 아키텍처일 수 있다.
본원에서 설명된 방법, 디바이스, 및 시스템은 본질적으로 임의의 특정 컴퓨터 또는 다른 장치와 관련되지는 않는다. 여러 가지 범용 시스템이 또한 본원의 교시 내용에 따른 프로그램과 함께 이용될 수 있거나, 요구되는 방법 단계를 실시하기 위해서 보다 특별화된 장치를 구축하는 것이 편리할 수 있을 것이다. 다양한 이러한 시스템을 위한 요구되는 구조가 전술한 설명으로부터 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 개시 내용은, 임의의 특정 프로그래밍 언어를 참조하여 설명되지 않는다. 본원에서 설명된 바와 같은 본 개시 내용의 교시 내용을 구현하기 위해서, 다양한 프로그래밍 언어가 이용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
개시 내용 및 예가 첨부 도면을 참조하여 전체적으로 설명되었지만, 다양한 변화 및 수정이 당업자에게 자명할 것임에 주목하여야 한다. 그러한 변화 및 수정은 청구범위에 의해 규정되는 바와 같은 개시 내용 및 예의 범위 내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (46)

  1. 전자기 복사선을 이용하여 재료 층의 두께를 측정하기 위한 시스템이며:
    제1 표면과 제1 표면에 대향되는 제2 표면 사이의 두께를 포함하는 재료 층의 제1 표면을 향해서 제1 복사선을 지향시키도록 구성된 복사선 공급원으로서, 제1 복사선은 재료 층이 제2 복사선을 방출하게 하고, 복사선 공급원 및 복사선 검출기는 재료 층의 대향 측면들 상에 배치되는, 복사선 공급원;
    재료 층과 복사선 검출기 사이에 배치되고 재료의 형광과 연관된 제2 복사선의 일부를 감쇠시켜 제3 복사선을 방출하도록 구성된 필터로서, 복사선 검출기는 제3 복사선을 검출하도록 구성되는, 필터; 및
    검출된 제3 복사선을 기초로 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 제공하도록 구성된 제어기를 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 필터는, 재료 층의 형광과 연관된 에너지 레벨의 범위를 필터링하도록 구성된 하나 이상의 필터 층을 포함하는, 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 에너지 레벨의 범위는 재료 층의 원소 조성 및 원소 조성 내의 각각의 원소와 연관된 궤도 껍질 특성을 기초로 미리 결정되는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 필터는, 미리 결정된 임계값 미만의 에너지 레벨을 갖는 제2 복사선 광자로부터 필터링하도록 구성되는, 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 미리 결정된 임계값은 재료 층의 원소 조성 및 원소 조성 내의 각각의 원소와 연관된 궤도 껍질 특성과 연관되는, 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 제1 복사선은 X-선을 포함하는, 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 제1 복사선은 감마 복사선을 포함하는, 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 측정은 길이 단위를 포함하는, 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 측정은 면적 밀도를 포함하는, 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 디스플레이하도록 구성된 디스플레이를 포함하는, 시스템.
  11. 전자기 복사선을 이용하여 재료 층의 두께를 측정하기 위한 방법이며:
    복사선 공급원으로부터의 제1 복사선을 제1 표면과 제1 표면에 대향되는 제2 표면 사이의 두께를 포함하는 재료 층의 제1 표면을 향해서 지향시키는 단계로서, 제1 표면에서 수용되는 제1 복사선은 재료 층이 제2 복사선을 방출하게 하는, 단계;
    재료 층의 형광과 연관된 제2 복사선의 일부를 감쇠시켜 제3 복사선을 방출하는 단계;
    복사선 검출기에서 제3 복사선을 검출하는 단계; 및
    검출된 제3 복사선을 기초로 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 제공하는 단계로서, 복사선 공급원 및 복사선 검출기는 재료 층의 대향 측면들 상에 배치되는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 제2 복사선의 일부는, 재료 층의 형광과 연관된 에너지 레벨의 범위를 필터링하도록 구성된 하나 이상의 필터 층을 포함하는 필터에 의해서 감쇠되는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 에너지 레벨의 범위는 재료 층의 원소 조성 및 원소 조성 내의 각각의 원소와 연관된 궤도 껍질 특성을 기초로 미리 결정되는, 방법.
  14. 제11항에 있어서, 제2 복사선의 일부는, 미리 결정된 임계값 미만의 에너지 레벨을 갖는 제2 복사선 광자로부터 필터링하도록 구성된 필터에 의해서 감쇠되는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 미리 결정된 임계값은 재료 층의 원소 조성 및 원소 조성 내의 각각의 원소와 연관된 궤도 껍질 특성과 연관되는, 방법.
  16. 제11항에 있어서, 제1 복사선은 X-선을 포함하는, 방법.
  17. 제11항에 있어서, 제1 복사선은 감마 복사선을 포함하는, 방법.
  18. 제11항에 있어서, 측정은 길이 단위를 포함하는, 방법.
  19. 제11항에 있어서, 측정은 면적 밀도를 포함하는, 방법.
  20. 제11항에 있어서, 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 디스플레이하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 전자기 복사선을 이용하여 재료 층의 두께를 측정하기 위한 시스템이며:
    제1 표면과 제1 표면에 대향되는 제2 표면 사이의 두께를 포함하는 재료 층의 제1 표면을 향해서 제1 복사선을 지향시키도록 구성된 복사선 공급원으로서, 제1 복사선은 재료 층이 제2 복사선을 방출하게 하는, 복사선 공급원;
    재료 층과 복사선 검출기 사이에 배치되고 재료의 형광과 연관된 제2 복사선의 일부를 감쇠시켜 제3 복사선을 방출하도록 구성된 필터로서, 복사선 검출기는 제3 복사선을 검출하도록 구성되는, 필터; 및
    검출된 제3 복사선을 기초로 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 제공하도록 구성된 제어기로서, 제1 복사선은 미리 결정된 에너지 레벨을 포함하고, 측정을 제공하기 위해서, 제어기는:
    제3 복사선의 세기를 측정하도록; 그리고
    측정된 세기 및 재료 층이 없는 것과 연관된 디폴트 세기를 기초로 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 계산하도록 구성되는 제어기를 포함하는, 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 필터는, 재료 층의 형광과 연관된 에너지 레벨의 범위를 필터링하도록 구성된 하나 이상의 필터 층을 포함하는, 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 에너지 레벨의 범위는 재료 층의 원소 조성 및 원소 조성 내의 각각의 원소와 연관된 궤도 껍질 특성을 기초로 미리 결정되는, 시스템.
  24. 제21항에 있어서, 필터는, 미리 결정된 임계값 미만의 에너지 레벨을 갖는 제2 복사선 광자로부터 필터링하도록 구성되는, 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 미리 결정된 임계값은 재료 층의 원소 조성 및 원소 조성 내의 각각의 원소와 연관된 궤도 껍질 특성과 연관되는, 시스템.
  26. 제21항에 있어서, 제1 복사선은 X-선을 포함하는, 시스템.
  27. 제21항에 있어서, 제1 복사선은 감마 복사선을 포함하는, 시스템.
  28. 제21항에 있어서, 복사선 공급원 및 복사선 검출기는 재료 층의 대향 측면들 상에 배치되는, 시스템.
  29. 제21항에 있어서, 복사선 공급원 및 복사선 검출기는 재료 층의 동일 측면 상에 배치되는, 시스템.
  30. 제21항에 있어서, 측정은 길이 단위를 포함하는, 시스템.
  31. 제21항에 있어서, 측정은 면적 밀도를 포함하는, 시스템.
  32. 제21항에 있어서, 측정을 제공하기 위해서, 제어기는:
    로그 값을 결정하기 위해서 로그 함수를 측정된 세기에 적용하도록; 그리고
    측정을 계산하기 위해서 로그 값에 다항식 함수를 적용하도록 구성되고, 다항식 함수 내의 계수는 재료 층의 원소 조성 및 측정되는 재료 층의 두께 범위를 기초로 미리 결정되는, 시스템.
  33. 제21항에 있어서, 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 디스플레이하도록 구성된 디스플레이를 포함하는, 시스템.
  34. 전자기 복사선을 이용하여 재료 층의 두께를 측정하기 위한 방법이며:
    복사선 공급원으로부터의 제1 복사선을 제1 표면과 제1 표면에 대향되는 제2 표면 사이의 두께를 포함하는 재료 층의 제1 표면을 향해서 지향시키는 단계로서, 제1 표면에서 수용되는 제1 복사선은 재료 층이 제2 복사선을 방출하게 하는, 단계;
    재료 층의 형광과 연관된 제2 복사선의 일부를 감쇠시켜 제3 복사선을 방출하는 단계;
    복사선 검출기에서 제3 복사선을 검출하는 단계; 및
    검출된 제3 복사선을 기초로 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 제공하는 단계를 포함하고,
    제1 복사선은 미리 결정된 에너지 레벨을 포함하고, 측정을 제공하는 단계는:
    제3 복사선의 세기를 측정하는 단계; 그리고
    측정된 세기 및 재료 층이 없는 것과 연관된 디폴트 세기를 기초로 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  35. 제34항에 있어서, 제2 복사선의 일부는, 재료 층의 형광과 연관된 에너지 레벨의 범위를 필터링하도록 구성된 하나 이상의 필터 층을 포함하는 필터에 의해서 감쇠되는, 방법.
  36. 제35항에 있어서, 에너지 레벨의 범위는 재료 층의 원소 조성 및 원소 조성 내의 각각의 원소와 연관된 궤도 껍질 특성을 기초로 미리 결정되는, 방법.
  37. 제34항에 있어서, 제2 복사선의 일부는, 미리 결정된 임계값 미만의 에너지 레벨을 갖는 제2 복사선 광자로부터 필터링하도록 구성된 필터에 의해서 감쇠되는, 방법.
  38. 제37항에 있어서,
    미리 결정된 임계값은 재료 층의 원소 조성 및 원소 조성 내의 각각의 원소와 연관된 궤도 껍질 특성과 연관되는, 방법.
  39. 제34항에 있어서, 제1 복사선은 X-선을 포함하는, 방법.
  40. 제34항에 있어서, 제1 복사선은 감마 복사선을 포함하는, 방법.
  41. 제34항에 있어서, 복사선 공급원 및 복사선 검출기는 재료 층의 대향 측면들 상에 배치되는, 방법.
  42. 제34항에 있어서, 복사선 공급원 및 복사선 검출기는 재료 층의 동일 측면 상에 배치되는, 방법.
  43. 제34항에 있어서, 측정은 길이 단위를 포함하는, 방법.
  44. 제34항에 있어서, 측정은 면적 밀도를 포함하는, 방법.
  45. 제34항에 있어서, 측정을 제공하는 단계는,
    로그 값을 결정하기 위해서 로그 함수를 측정된 세기에 적용하는 단계; 및
    측정을 계산하기 위해서 로그 값에 다항식 함수를 적용하는 단계를 포함하고,
    다항식 함수 내의 계수는 재료 층의 원소 조성 및 측정되는 재료 층의 두께 범위를 기초로 미리 결정되는, 방법.
  46. 제34항에 있어서, 재료 층의 두께에 상응하는 측정을 디스플레이하는 단계를 포함하는, 방법.
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