KR20170009909A - 주기적 구조의 측정과 특성화 및 분석을 위한 x-선 방법 - Google Patents
주기적 구조의 측정과 특성화 및 분석을 위한 x-선 방법 Download PDFInfo
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Abstract
주기적 공간 패턴의 X-선 조명을 사용하여 주기적 피검체에 대한 정보를 수집한다. 간섭성 또는 부분 간섭성을 갖는 X-선 광원과 빔 분할 격자의 상호 작용을 이용하여 구조화된 조명을 생성하고 주기적 구조를 갖는 탈봇 간섭 패턴을 생성한다. 그리고, 측정 대상인 주기적 구조의 피검체를 구조화된 조명에 배치하고 다중 조명 지점으로부터의 신호의 앙상블을 분석하여 피검체와 그 구조의 다양한 특성을 결정한다. 본 발명의 방법을 사용하여 X-선 흡수/투과, 소각 X-선 산란, X-선 형광, X-선 반사, X-선 회절에 응용이 모두 가능하다.
Description
여기에 개시된 본 발명의 일실시 예는 X-선을 이용한 간섭 시스템에 관한 것으로 상세하게는 주기적 구조를 관찰하기 위한 간섭 측정과 특성화 및 분석 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 높은 밝기의 간섭성 X-선 광원을 사용하는데, 저 원자번호 물질의 열 전도성 기판에 함입된 X-선 발생 물질의 주기적 미세구조로 구성된 양극 혹은 표적을 사용할 수 있다.
X-선은 1895년 진공관 내의 표적에 대한 전자 충돌을 실험하던 뢴트겐에 의해 최초로 발견되었다. [W.C. Rontgen, "Eine Neue Art von Strahlen" (Wurzburg Verlag, 1896); On a New Kind of Rays," Nature, Vol. 53, pp. 274-276 (Jan. 23 1896)]. 5~30 keV에 해당하는 에너지 범위의 X-선에 대해 칼슘(원자 번호 Z=20)을 포함한 뼈와 주로 탄소(Z=6)를 포함한 연부 조직에서의 X-선의 흡수는 도1에 도시된 바와 같이 10배 이상의 차이가 날 정도로 그 대비가 확실하다. 이러한 고에너지의 단파장 광자는 현재 보안 검색과 산업 검사, 품질 관리 및 결정학, 단층 촬영, X-선 형광 분석법 등의 과학 분야에의 응용뿐만 아니라 의료 분야 및 진단 평가에 많이 사용되고 있다.
의료 진단의 경우 X-선 역광선사진(shadowgraph)이 가장 보편적으로 사용되고 있는데, 이러한 단순한 흡수 대조 영상법은 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 특히 유방촬영(mammogram)과 같은 검사에서는 생체 조직의 변화에 의한 X-선 흡수 영상의 차이를 감지하기가 쉽지 않아 종양 혹은 비정상 조직을 명확하게 검출하기 어렵다.
지난 10년간 X-선 위상 대조 간섭에 기반한 새로운 종류의 X-선 영상 방법이 등장했다. 이 방법은 잘 알려진 탈봇 간섭 효과에 기반한 것으로, 탈봇 효과는 1837년에 처음으로 관찰되었으며 [H. F. Talbot, "Facts relating to optical science No. IV", Philos. Mag. vol. 9, pp. 401-407, 1836] 1881년 레일리에 의해 완전하게 설명되었다 [Lord Rayleigh, "On copying diffraction gratings and some phenomena connected therewith," Philos. Mag. vol. 11, pp.196-205 (1881)].
탈봇 효과는 도 2에 도시되어 있다. 주기가 p인 흡수 격자 G에 대하여 파장 λ와 충분한 간섭성을 갖는 단색 빔의 회절 패턴은 탈봇 거리 DT (Talbot Distance)의 배수에 해당하는 위치에서 원래의 격자 패턴을 복원("자기이미지(self-image)"라고 함)하는 반복 간섭 패턴을 형성한다. 입사 빔이 평면파인 경우(광원이 G 격자로부터 무한대의 거리에 떨어져 있는 경우), DT는 다음과 같이 주어진다.
다른 주기적 간섭 패턴 또한 G 격자와 탈봇 거리 사이에서 나타난다. 탈봇 간섭무늬(Talbot fringe)의 주기성 및 위치는 위상 천이량과 흡수율, 격자의 라인 대 공간 비(개구부), 또는 동작 계수(duty factor)를 포함하는 G 격자의 투과 특성에 의해 결정된다. 예를 들어 주기적 흡수 격자의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 격자 주기의 절반만큼 수평 이동한 원래의 격자 패턴을 복원하는 간섭무늬 패턴은 탈봇 거리의 절반인 DT/2에서 발생하고 원래의 격자 주기의 절반에 해당하는 주기를 갖는 간섭무늬 패턴은 탈봇 거리의 사 분의 일인 DT/4와 사 분의 삼인 3DT/4에서 발생한다. 이러한 이차원 간섭 패턴은 그 복잡한 패턴이 동양의 카펫과 유사하다 하여 때때로 "탈봇 카펫(Talbot Carpet)"이라고 불린다. [참고: 도 2의 광학 탈봇 카펫의 이미지는 Ben Goodman의 파일을 참조하였으며 원본 이미지는 <http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Optical_Talbot_Carpet.png >에서 볼 수 있다.]
도 3과 도 4는 X-선(288)의 부분 간섭 광원(200) (마이크로초점(microfocus) 광원으로 표시됨)과 탈봇 간섭무늬 패턴(289) 세트를 설정하는 주기 p1의 빔 분할 격자 G1(210)으로 구성된 종래의 탈봇 간섭계를 도시한다. 탈봇 간섭무늬가 높은 대조도(contrast)를 가질 수 있도록(예를 들어 간섭무늬의 대조도(fringe contrast)가 20%보다 높을 때 탈봇 간섭무늬가 잘 정의됨) X-선 광원의 간섭 거리(coherence length)는 빔 분할 격자 G1(210)의 주기 p1과 유사하거나 큰 값으로 설정된다는 점에 유의해야 한다. 빔 분할 격자(210)에는 도 2에 도시된 바와 같이 강도 간섭무늬(intensity fringe)를 생성하는 진폭(흡수 혹은 투과라고도 함) 격자를 사용하기도 하지만 일반적으로 조사 X-선을 효율적으로 사용하는 위상 격자(phase grating)를 사용하여 X-선에 주기적인 위상 천이를 생성하고 주기적인 탈봇 간섭무늬(289)를 형성한다. 이하 본원에서는 격자 라인을 통과하는 X-선의 투과가 10% 이하인 격자를 설명하는 경우에는 투과 격자를 사용할 것이며 격자 라인을 통과하는 위상 천이가 분수 형태(예를 들어 1/2)이거나 π의 홀수 배인 격자를 설명하는 경우에는 위상 격자를 사용할 것이다.
탈봇 간섭무늬(289)는 X-선 검출기(290)에 의해 검출되는데, 가급적 탈봇 간섭무늬의 주기의 삼 분의 일과 동일하거나 더 좋은 공간 해상도와 높은 X-선 양자 검출 효율을 갖도록 한다. 검출기(290)는 X-선의 강도 패턴을 전자 신호로 변환하고 변환된 전자 신호는 커넥터(291)를 통해 영상 처리 시스템(295)으로 전달된다. 피검체가 빔 경로에 위치한 경우, 영상 처리 시스템(295)을 사용하여 X-선 강도 패턴 강도 정보(298)를 처리하고 흡수 및 위상, 산란 대조 영상을 취득한다.
실제로 검출기(290)(평면 패널 검출기 혹은 X-선을 가시광선으로 변환하는 신틸레이터(scintillator)와 결합한 전하결합소자(CCD))의 공간 해상도는 흔히 수십 마이크로미터 또는 그 이상의 수준으로, 간격이 매우 좁은 탈봇 간섭무늬(289)의 경우 검출기(290)를 사용하여 직접 검출하는 것이 어렵다. 이러한 경우에는 대개 주기 p2의 검광자 격자 G2(220)를 사용하여 모아레(Moirㅹ) 간섭무늬를 생성한다. 전체 영상 세트를 기록하려면, 검출기를 기준으로 격자 주기에 직교하는 소정 거리만큼 검광자 격자 G2(220)를 이동하여 "위상 이동(phase-stepping)"이라는 과정을 통해 다수의 간섭 패턴을 수집하거나 드물게는 G1에 대해 작은 각도로 회전하여 푸리에 분석을 위한 단일 조사 영상의 모아레 패턴을 취득한다. 그 다음, 영상을 처리하여 파면을 복원하고 영상을 생성한 피검체의 형상 및 구조, 구성을 결정한다.
또한, 검광자 격자(220)를 물리적으로 이동하는 대신, X선 광원의 위치를 이동하여 위상 천이 정보를 수집할 수 있도록 간섭 영상을 이동(translation)할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 이는 X-선에 대한 광원의 역할을 하는 X-선 발생 물질에 충격을 가하는 전자빔의 위치를 이동하거나 [H. Miao et al., "Motionless phase stepping in X-ray phase contrast imaging with a compact source", Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 110(48) pp. 19268-19272, 2013의 예를 참조] 고정된 위치의 검광자 격자(220)를 기준으로 X-선 광원을 물리적으로 이동함으로써 전자적으로 구현할 수 있다.
일반적으로 이러한 격자 기반의 X-선 위상 대조 영상(x-ray phase-contrast imaging, XPCI) 기법을 "격자 기반 간섭(grating-based interferometry, GBI)"라고 한다.
지금까지 설명한 바와 같이 격자 간섭계는 단지 간섭무늬를 생성하고 이러한 간섭무늬를 분석함으로써 이미 알려진 격자 G1(210) 또는 조사 빔의 파면의 구조를 알아낼 수 있다. 그러나, 피검체가 X-선 빔의 경로에 위치한 경우, 피검체에 의해 발생한 파면의 변형으로 인해 탈봇 간섭무늬의 패턴이 일반적으로 모아레 패턴이라고 알려진 패턴으로 바뀐다. 이때 간섭 영상 복원 기술을 사용하여 파면을 분석하고 미지의 피검체 구조를 나타내는 영상을 복원할 수 있다.
도 5에서는 도 3과 도 4에 도시된 종래의 탈봇 간섭계가 생물학적 샘플을 위한 영상 기술로 사용되는 예를 도시하는데, 이 경우에서는 광원(200)과 빔 분할 격자 G1(210) 사이에 쥐(240-M)를 배치한다. 간섭성 광원(200)에서 발생한 X-선(288)은 쥐(240-M)와 빔 분할 격자 G1(210)을 통과하고 교란된 탈봇 간섭무늬(289-M)를 생성한다. 국지적인(local) 위상 천이로 인한 각도의 편차는 검광자 격자 G2(220)와 검출기(290)에 의해 분석되어 국지적으로 전송된 강도의 변화로 나타난다. 검광자 격자 G2(220)가 다수의 소정 위치에 배치된 경우 X-선 검출기(290)로부터 복수의 영상을 수집하여 간섭 패턴(289-M)을 기록할 수 있다.
이전과 마찬가지로, X-선 강도 패턴은 검출기(290)에 의해 전자 신호로 변환되고, 전자 신호는 커넥터(291)를 지나 흡수, 차동 위상(differential phase), 위상, 산란 대조(scattering contrast) 정보를 포함하는 하나 이상의 영상(298-M)을 생성하는 영상 처리 시스템(295)으로 전송된다. 검사 중인 피검체를 포함하거나 포함하지 않은 영상 등을 수치적으로 처리함으로써 쥐(240-M)와 같은 영상 내의 피검체의 형상과 구조를 추론할 수 있다. 기록된 강도의 진동은 푸리에 급수로 나타낼 수 있으며 적절한 영상 처리 알고리즘을 이용하여 차동 위상 천이 및 흡수 신호를 추출하고 피검체에 의한 X-선 흡수, 위상 대조, 산란에 해당하는 영상을 합성할 수 있다. [예를 들어 A. Momose et al., "Demonstration of x-ray Talbot interferometry", Jpn. J. Appl. Phys. vol. 42, pp. L866-L868, 2003; A. Momose, 미국 특허 번호7,180,979, 2008년 2월 20일자 발행; T. Weitkamp et al. "Hard X-ray phase imaging and tomography with a grating interferometer", Proc. SPIE vol 5535, pp. 137-142, 2004, "X-ray phase imaging with a grating interferometer", Optics Express vol. 13(16), pp. 6296-6304, 2005; C. Kottler & R. Kaufmann, 미국 특허 7,924,973을 참조하시오.]
도 6에 도시된 바와 같이 쥐(240-M) 등의 피검체를 빔 분할 격자(G1 210-A)와 검광자 격자 G2(220), 검출기(290) 사이에 배치하는 구성이 가능하다는 점에 유의해야 한다. 다양한 위상 및 진폭 격자를 사용하거나 검광자 격자(220) 없이 고해상도 픽셀의 검출기(290)를 사용하는 구성 또한 해당 업계 종사자들에게 잘 알려져 있다.
위상 대조 X-선 영상법은 쥐의 해부학적 구조를 영상화하는 작업 이외에도 암 조직의 밀도가 건강한 조직과는 다른 위상 특징을 보이는 유방조영술(mammography) [J. Keyrilㅴinen et al., "Phase contrast X-ray imaging of breast", Acta Radiologica vol. 51 (8) pp. 866-884, 2010의 예를 참조하시오.] 혹은 뼈 구조의 각의 방향에 근거한 골다공증 또는 골관절염과 같은 골 질환의 초기 진단 [P. Coan et al., "In vivo x-ray phase contrast analyzer-based imaging for longitudinal osteoarthritis studies in guinea pigs", Phys. Med. Biol. vol. 55(24), pp. 7649-62, 2010의 예를 참조하시오.] 등의 임상에 활용되고 있다.
그러나, 지금까지 설명한 종래 구성의 경우 X-선의 전력이 문제가 된다. 고 대조의 간섭무늬 및 모아레 패턴을 생성하려면, p1이 빔 분할 격자 G1(210) 의 주기이고 L이 광원(200)과 빔 분할 격자 G1(210) 사이의 거리일 때 다음 식을 만족하는 반치폭(Full Width at Half Maximum, FWHM) 직경 S의 X-선 광원이 필요하다.
실제 응용과 시스템의 기하학적 구성을 고려할 때 이는 광원이 미세초점(microfocus) 광원이어야 함을 의미한다. 하지만, 표적에 가해지는 전자 충격 역시 열을 발생시키고, 달성 가능한 X-선 전력은 X-선 발생 물질을 용융하지 않으면서 마이크로스폿(microspot)에 가해질 수 있는 최대 총 전자전력에 의해 제한된다. 제한된 전자 전력은 제한된 X-선 전력을 의미하는데, 일반적인 X-선 표적에 대해 달성 가능한 낮은 X-선 플럭스(x-ray flux)를 예를 들어 유방조영술 또는 살아있는 환자 또는 동물을 포함하는 다른 진단 검사에 사용 시 수용 불가능한 수준의 장시간 동안 X-선을 노출해야 할 수 있다. 넓은 영역에 걸쳐 높은 전자 전력을 분배함으로써 총 X-선 플럭스를 증가시킬 수 있지만, 그렇게 되면 광원의 간섭성이 떨어져 영상의 대조도가 저하된다.
싱크로트론(synchrotron) 또는 X-선 자유전자 레이저를 사용 시 높은 밝기와 충분한 플럭스를 갖는 간섭성 X-선을 취득할 수 있지만 이러한 장비는 수 에이커에 해당하는 면적을 차지하는 시설을 필요로 하므로 이를 임상 환경에 적용하는 일은 현실적으로 불가능하다.
X-선 전력을 높일 수 있는 한 가지 혁신적인 방법은 격자 G0를 추가로 도입하는 것이다 [예를 들어, 1998년 9월 22일자 발행된 John F. Clauser의 미국 특허 5,812,629를 참조하시오]. 도 7은 해당 시스템을 도시한다. 이 구성에서는 대개 X-선 투과 격자인 주기 p0의 광원 격자 G0(308)가 X-선 광원(300)의 전방에 사용된다. 이 경우, 입사 전자빔의 영역이 넓어(미세초점 광원은 해당하지 않음) 높은 총 X-선 플럭스를 발생시키는 고출력의 확장 광원이 X-선 광원으로 사용될 수 있다.
격자 G0 (308)를 통과한 X-선(388)은 격자의 개구(aperture)에서 서브 광원(sub-source)의 배열로 나타나는데, 서브 광원은 개별적으로 공간 간섭성을 갖지만(상기 미세초점 광원과 유사) 상호적으로는 간섭성을 갖지 않는 광원으로 빔 분할 격자 G1을 조사한다. 영상 형성 과정에 있어 G0의 각 X-선 서브 광원이 그 역할을 다하기 위해서는 다음의 기하학적 설정 조건을 만족해야 한다:
상기 조건이 충족될 때, 복수의 G0 개구에서 나오는 X-선은 동일한(중첩하는) 탈봇 간섭 패턴을 생성하며 상호 간섭성을 갖지 않는 다양한 광원이 서로 간섭하지 않으므로 이러한 탈봇 패턴은 강도로 더해진다. 그 결과 검출기(290)에서는 단일의 간섭성 광원이 제공할 수 있는 크기 이상으로 단순히 신호가 증가한 것으로 (신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio) 역시 이에 따라 증가) 나타난다.
상기 구성을 일컬어 탈봇-라우 간섭계라고 한다[Franz Pfeiffer et al., "Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with low-brilliance
X-ray sources", Nature Physics vol. 2, pp. 258 - 261, 2006을 참조하시오; 또한 2011년 2월 15일자 발행된 Christian David, Franz Pfeiffer 및 Timm Weitkamp의 미국 특허 7,889,838 에서도 설명됨].
도 8은 본원에 개시된 본 발명의 방법을 사용하여 검사할 수 있는 피검체(IC 또는 실리콘 웨이퍼)의 주기적 구조의 일례를 도시한다. 이 도면은(Victor Vartanian et al., "Metrology needs for through-silicon via fabrication", in J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 13(1), 011206 (Jan-Mar 2014)에 게재된 그림 6) 중앙에 보이드(void)를 갖는 구리 실리콘 관통전극(Through-Silicon-Vias, TSV )의 단면도를 나타낸다.
안타깝게도 현재 탈봇-라우 GBI 기술을 반도체 소자 검사와 같은 대부분의 실용 분야에 사용하기에는 광원 격자 G0와 검광자 격자 G2가 미세한 피치(pitch)와 높은 종횡비의 개구를 가져야 하는 조건 등의 제약이 많다.
광원 격자 G0는 개별적으로 잘 분리된 미세한 X-선 서브 광원을 생성하여 개구를 정의한 구조를 통과하는 불필요한 X-선의 투과에 의한 영상 대조도의 저하를 최소화해야 한다. 하지만 1:1 라인 대 공간 비를 갖는 격자의 경우, 단순한 X-선의 그림자(shadowing)는 격자를 통과한 X-선의 투과율이 50% 이하로 제한됨을 의미하며 각도 그림자(angular shadowing, X-선이 광원으로부터 피검체에 도달하기까지 X-선 각도의 범위를 제한함)가 포함될 시 투과율이 더욱 감소하는 것을 의미한다. 또한, 피검체에 대한 방사선량(radiation dose)을 감소시키는 G0의 최적 라인 대 공간 비는(전임상 및 임상 영상 응용 분야에 중요) 1:1보다 3:1에 가깝다. 이 경우, 광원으로부터 나오는 X-선의 약 75%가 단지 영역 그림자(area shadowing)로 인해 차단되며 높은 종횡비의 격자를 사용 시 각도 그림자로 인해 더욱 큰 손실이 발생한다.
검광자 격자 G2 는 대조도의 손실 없이 충분한 해상도로 탈봇 간섭무늬를 샘플링 할 수 있어야 한다. 따라서 G0와 G2 격자 모두 개구가 작아야 하며 불필요한 X-선 투과를 최소화하기에 충분한 두께를 가져야 하는데, 이로 인해 광원으로부터 발생한 X-선의 효율적인 사용이 제한된다. 또한, 검광자 격자 G2에서의 손실과 관련하여 양호한 특성의 영상을 생성하기 위해 위상 이동과 신호 대 잡음비를 저하하는 X-선의 흡수에 대한 복수 노출을 함으로써 검사 중인 피검체는 상당히 높은 방사선량에(G2 격자를 포함하지 않는 동일한 시스템에 비해) 노출된다. 검사 중인 피검체가 살아있는 동물이나 사람인 경우, 고선량의 전리 방사선은 바람직하지 않으며 일반적으로 권장되지 않는다.
격자 G0의 개구의 치수가 큰 경우 콜리메이터(collimator)의 각도를 줄이면(영역 그림자의 경우 해당하지 않음) X-선의 투과가 크게 감소하지 않지만, 이는 개구 하향의 X-선의 공간 간섭 거리를 감소시켜 영상의 대조도를 저하하는 결과를 가져온다. 개구가 작으면 공간 간섭성이 개선되어 영상의 대조도가 향상되지만 시스템 내의 전체 X-선의 수가 감소되기 때문에 장시간의 노출을 필요로 한다. 게다가 작은 개구를 갖는 미세 격자를 제작하는 일은 매우 어렵다.
피검체에 대한 충분한 투과도와 비용 절감을 목적으로 높은 에너지의 X-선에 대해 탈봇-라우 간섭계를 사용하는 경우 문제는 더 악화된다. 도 1에 도시된 바와 같이 일반적으로 5 keV보다 높은 에너지를 갖는 X-선의 경우 생체 조직에 흡수되는 X-선량이 훨씬 낮으며 고에너지의 X-선을 사용 시 잠재적으로 유해한 전리 방사선의 흡수량을 수십 배 가까이 줄일 수 있다. 그러나 5 keV의 광자는 0.248 nm의 파장을 갖고 50 keV의 광자는 10배가 더 작은 파장(0.0248 nm)을 갖는다. 또한, 높은 에너지의 X-선이 동일한 흡수 계수를 유지하려면 격자의 두께가 지수적으로 증가해야 되기 때문에(X-선의 감쇠 거리(attenuation length)는 대략 Ekev3에 비례함) 이러한 고에너지와 단파장의 X-선에 대해 G0, G2와 같은 흡수 격자를 제작하는 일은 쉽지 않다.
1차원 간섭 데이터의 수집을 위해 선형 격자를 사용한 탈봇-라우 GBI를 이용하여 서로 직교하는 두 방향의 위상 대조 영상을 생성하려는 경우, 앞에서 언급된 문제점은 더욱 심각해진다. 이는 견고한 영상 복원과 이해하기 쉬운 영상의 생성을 위해 필요한데, 1차원 경우의 격자 라인에 평행한 특징들이 대부분 정확하지 않게 측정되었기 때문이다. 한 가지 간단한 방법은 두 개의 직교 방향으로 XPCI를 실행하고 이어서 두 개의 데이터 세트(dataset)를 적절하게 등록하는 것이다. 이 방법은 영상화 및 등록 과정과 관련하여 어려움이 따를 뿐 아니라 실제로 적용하기가 어려운데, 특히 움직이거나 초조함을 느끼는 살아있는 피검체가 대상인 경우 위상 이동을 두 방향에 대하여 수행해야 하므로 방사선량이 증가(2배)한다는 문제점이 있다. 노출 시간과 방사선 흡수량을 줄이기 위해 단일 노출(조사)과 고에너지의 X-선을 이용하여 데이터를 수집하는 것이 가능한 경우 동기화된 2차원 XPCI를 사용하는 것이 바람직하다.
따라서 탈봇-라우 간섭계의 해상도와 검출 능력을 보유할 뿐 아니라 밝은 소형 X-선 광원과 이상적으로는 고에너지의 X-선을 발생시키는 광원, 특히 동기화된 2차원 위상 대조 영상을 제공할 수 있는 광원을 사용하는 X-선 간섭 영상 시스템이 필요하다.
본원은 주기적 구조를 포함한 피검체의 측정과 특성화 및 분석을 위한 X-선 간섭 방법을 개시한다. X-선 조사의 주기적인 공간 패턴은 주기성을 지닌 피검체에 대한 정보를 수집하는 데 사용된다. 간섭성 혹은 부분 간섭성을 지닌 X-선 광원과 빔 분할 격자의 상호 작용을 이용하여 조명(illumination)을 구조화하게 되면 주기적 구조를 갖는 탈봇 간섭 패턴을 생성할 수 있다. 측정할 주기적 구조의 피검체를 배치, 구조화된 조명과 정렬하고 복수의 조명 지점에서의 앙상블(ensemble) 신호를 분석하여 피검체의 다양한 특징과 구조를 결정한다. 본 발명의 방법을 사용하면 X-선의 흡수/투과, 소각 X-선 산란과 형광 X-선, X-선 반사 및 X-선 회절이 모두 가능하다.
다양한 X-선 광원을 이용하여 실시 예를 구현할 수 있지만, 주기적인 X-선 서브 광원을 형성하는, 주기적 배열 패턴으로 정렬된 복수의 미세구조의 X-선 발생 물질을 포함하는 표적으로 구성된 배열 광원을 사용하는 실시 예를 고려한다. 상기 시스템은 추가로 탈봇 간섭 패턴을 생성하는 빔 분할 격자 G1과 2차원의 X-선 강도를 전자 신호로 변환하는 X-선 검출기를 포함한다.
피검체의 주기적 특징과 동일한 피치와 특징 크기를 지닌 간섭 패턴을 생성하도록 설계된 빔 분할 격자 G1을 사용함으로써, 주기적인 피검체의 조사를 위해 탈봇 간섭 패턴의 형태로 구조화된 조명을 사용하는 것이 가능해진다. 다양한 피검체에 따라 다양한 격자 G1을 사용할 수 있다. 격자 G1은 리소그래피 기술을 사용하여 실리콘 미세구조물로 제작할 수 있는데, 1차원 구조와 2차원 구조, 혹은 이들의 조합으로 구성 가능하다.
일부 실시 예에서 X-선 광원은 다이아몬드 또는 베릴륨과 같은 저원자번호의 열 전도성 기판과 밀접하게 열 접촉되는 복수의 미세구조의 X-선 발생 물질(몰리브덴 또는 텅스텐)을 포함한다. X-선을 발생시키는 미세구조는 각 주기적 요소가 단일 이산형 미세구조이거나 혹은 각 주기적 요소가 복수의 이산형 미세구조로 구성된 주기적 패턴으로 정렬된다. 하나 이상의 전자 광원은 일반적으로 주기적 배열 내에 정렬된 복수의 X-선 발생 물질에 충격을 가하고 그 결과 각 주기적 배열에서 발생된 X-선은 빔 분할 격자 G1에 X-선을 조사하는 개별적인 간섭성 서브 광원의 역할을 하게 된다. 일부 실시 예에서 상기 미세구조는 수십 마이크론의 횡 방향 치수와 기판 내 전자 침투의 절반 정도의 두께를 갖는다. 일부 실시 예에서 상기 미세구조는 일반적인 2차원 배열로 형성된다.
본 발명의 특별한 장점은 Z값이 높은 물질의 미세구조가 열 전도도가 높고 베릴륨 또는 다이아몬드처럼 Z값이 낮은 물질로 이루어진 기판과 밀접하게 열 접촉하거나 기판에 함입된 표적을 사용함으로써 높은 X-선 밝기와 큰 X-선 전력을 취득할 수 있다는 점이다. 기판이 X-선 발생 물질로부터 열을 끌어냄으로써 사용 가능한 전자 밀도와 전력이 증가하여 각 서브 광원에서 더욱 높은 X-선의 밝기와 전력이 발생된다. 이로 인해 Z값이 높은 물질로 구성된 개별적이고 잘 분리된 공간 간섭성의 X-선 서브 광원이 생성되며 Z값이 낮고 질량 밀도가 낮은 기판을 사용함으로써 영상 대조도를 저하하는 기판에서의 X-선 발생이 최소화된다.
도 1은 탄소와 칼슘의 X-선 흡수를 X-선 에너지에 대한 함수로 나타낸 그래프를 도시한다.
도 2는 투과 격자에 의해 생성된 종래의 탈봇 간섭 패턴을 도시한다.
도 3은 마이크로초점 광원을 사용한 종래의 X-선 격자 회절 시스템을 도시한다.
도 4는 도 3의 종래의 X-선 격자 회절 시스템의 단면도를 도시한다.
도 5는 쥐의 X-선 대조 영상을 형성하는 데 사용된 도3의 종래의 X-선 격자 회절 시스템의 예시이다.
도 6은 쥐의 X-선 대조 영상을 형성하는 데 사용된 도 3의 종래의 X-선 격자 회절 시스템의 변형 예를 도시한다.
도 7은 쥐의 X-선 대조 영상을 형성하는 데 사용된 종래의 탈봇-라우 간섭계의 예시이다.
도 8은 본 발명의 방법을 사용하여 검사할 수 있는 주기적 피검체(실리콘 웨이퍼 내 결함이 있는 TSV)의 게시 예를 도시한다.
도9는 본 발명에 따른 X-선 간섭 영상 시스템의 일실시예의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일실시예의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 11은 X-선 표적이 이차원 주기적 배열의 X-선 발생 미세구조로 구성된, 도 10의 본 발명의 일 실시 예의 사시도를 도시한다.
도 12는 도 10과 도 11의 본 발명의 일 실시예를 상세하게 도시한 개략적인 단면도이다.
도 13은 X-선 표적이 평행선 형태의 X-선 발생 미세구조로 구성된 본 발명의 일실시예의 사시도를 도시한다.
도 14는 격자 G1과 G2 사이에 배치된 피검체(쥐)를 포함하는 본 발명의 일실시예의 사시도를 도시한다.
도 15는 검광자 격자 없이 고해상도의 검출기를 사용한 본 발명의 일실시예를 상세하게 도시한 개략적인 단면도이다.
도 16은 격자 G1과 검출기 사이에 위치한 피검체(쥐)와 이차원 위상 구조로 구성된 격자 G1을 포함한 본 발명의 일 실시 예의 사시도를 도시한다.
도 17은 본 발명의 일부 실시 예에서 사용된 빔 분할 격자의 2차원 메쉬(mesh) 패턴의 예시이다.
도 18은 본 발명의 일부 실시 예에서 사용된 빔 분할 격자의 2차원 체커보드(checkerboard) 패턴의 예시이다.
도 19는 광원과 격자 G1 사이에 위치한 피검체(쥐)와 이차원 위상 구조로 구성된 격자 G1를 포함한 본 발명의 일실시예의 사시도를 도시한다.
도 20은 진공 챔버 내부에 표적이 장착된 본 발명의 일실시예의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 21은 도 20의 본 발명의 일실시예를 상세하게 도시한 개략적인 단면도를 도시한다.
도 22는 진공 챔버 내부에 표적이 장착되고 선형 축적을 이용하여 X-선이 발생되는 본 발명의 일실시예의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 23은 도 22의 본 발명의 일실시예를 상세하게 도시한 개략적인 단면도를 도시한다.
도 24는 두 개의 전자빔이 양쪽에서 표적에 충격을 가하는 본 발명의 일실시예의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 25는 도 24의 본 발명의 일실시예를 상세하게 도시한 개략적인 단면도를 도시한다.
도 26은 대형 기판 상에 장방형 미세구조 표적이 함입된 격자판(grid)으로 구성된 표적의 사시도를 도시하며 본 발명의 일부 실시 예에서 사용될 수 있다.
도 27은 집속 전자빔 사용 시 대형 기판 상에 장방형 미세구조 표적이 함입된 격자판으로 구성된 표적의 변형 예의 사시도를 도시하며 본 발명의 일부 실시 예에서 사용될 수 있다.
도 28a는 본 발명의 일부 실시 예에서 사용될 수 있는 장방형 미세구조 표적이 함입된 격자판으로 구성된 표적의 사시도를 도시한다.
도 28b는 도 28a의 표적의 평면도를 도시한다.
도 28c는 도 28a와 도 28b의 표적의 측면/단면도를 도시한다.
도 29a는 본 발명의 일부 실시 예에서 사용된, 주기적인 선형 패턴을 형성하는 함입된 장방형 미세구조 표적의 세트로 구성된 표적의 사시도를 도시한다.
도 29b는 도 29a의 표적의 평면도를 도시한다.
도 29c는 도 29a와 도 29b의 표적의 측면/단면도를 도시한다.
도 30은 도28a내지c 에 도시된 표적에 대하여 공정 과정의 변형에서 발생할 수 있는 표적 구조의 변형 예를 도시한다.
도 31은 도 29a내지c 에 도시된 표적에 대하여 공정 과정의 변형에서 발생할 수 있는 표적 구조의 변형 예를 도시한다.
도 32는 도 28a내지c 및/또는 도 29a내지c의 표적 일부분에 대한 단면도로, 본 발명에 따라 전자빔에 노출 시 열 전도성 기판으로 열이 전달됨을 보여준다.
도 33은 본 발명에 따라 열 냉각 채널을 포함하는 기판으로 구성된 도 28a내지c와 도 29a내지c 및/또는 도 32의 표적의 변형 예의 단면도를 도시한다.
도 34는 본 발명에 따라 접합층을 포함하는 도 28a내지c 및/또는 도 29 a내지c의 표적의 또다른 변형 예의 단면도를 도시한다.
도 35는 본 발명에 따라 전기 전도성 보호막을 포함하는 도 28 a내지c 및/또는 도 29A - C의 표적의 또다른 변형 예의 단면도를 도시한다.
도 36은 본 발명에 따라 매립된 X-선 물질을 포함하는 도 28 a내지c 및/또는 도 29 a내지c의 표적의 또다른 변형 예의 단면도를 도시한다.
도 37은 본 발명에 따라 매립된 X-선 물질과 두꺼운 열/전기 전도성 보호막을 포함하는 도 28 a내지c 및/또는 도 29 a내지c의 표적의 또다른 변형 예의 단면도를 도시한다.
도 38은 기판에 의해 생성된 X-선의 투과를 차단하기 위하여 기판의 배면에 별도의 차단 구조를 포함하는 도 28 a내지c 및/또는 도 29 a내지c의 표적의 또다른 변형 예의 단면도를 도시한다.
도 39는 금과 실리콘의 X-선 흡수를 X-선 에너지에 대한 함수로 나타낸 그래프를 도시한다.
도 40은 1:1 π/2 위상 천이 격자에 대한 탈봇 간섭무늬 패턴의 일례를 도시한다.
도 40B는 1:1 π위상 천이 격자에 대한 탈봇 간섭무늬 패턴의 일례를 도시한다.
도 40C는 1:3 π위상 천이 격자에 대한 탈봇 간섭무늬 패턴의 일례를 도시한다.
도 41은 본 발명에 따라 구조화된 조명을 사용하여 피검체의 주기적 구조를 조사하는 단계를 도시한다.
도 42는 본 발명에 따라 탈봇 간섭 패턴 내에 배치된, 주기적 구조를 포함한 피검체의 위치의 단면도를 도시한다.
도 43은 도 2의 탈봇 패턴에 적용 가능한 짧은 주기를 도시한다.
도 44는 주기적 구조를 포함한 피검체가 탈봇 간섭 패턴 내에 배치된 본 발명에 따른 시스템의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 45는 소각 X-선 산란을 생성하는 탈봇 간섭 패턴 내의 피검체를 개략적으로 도시한다.
도 46은 본 발명에 따른 탈봇 간섭 패턴 내의 피검체가 소각 X-선 산란을 발생시키는 시스템의 단면 개략도를 도시한다.
도 47은 본 발명에 따른 탈봇 간섭 패턴 내의 피검체가 스침 각(grazing incidence)에서 X-선 형광을 발생시키는 시스템의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 48은 본 발명에 따른 탈봇 간섭 패턴 내의 피검체가 X-선 회절을 일으키는 시스템의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 49는 본 발명의 일부 실시 예에 따른 X-선 위상 격자의 가능한 구조를 도시한다.
도 50은 본 발명의 일부 실시 예에 따른 X-선 흡수 격자의 가능한 구조를 도시한다.
도 2는 투과 격자에 의해 생성된 종래의 탈봇 간섭 패턴을 도시한다.
도 3은 마이크로초점 광원을 사용한 종래의 X-선 격자 회절 시스템을 도시한다.
도 4는 도 3의 종래의 X-선 격자 회절 시스템의 단면도를 도시한다.
도 5는 쥐의 X-선 대조 영상을 형성하는 데 사용된 도3의 종래의 X-선 격자 회절 시스템의 예시이다.
도 6은 쥐의 X-선 대조 영상을 형성하는 데 사용된 도 3의 종래의 X-선 격자 회절 시스템의 변형 예를 도시한다.
도 7은 쥐의 X-선 대조 영상을 형성하는 데 사용된 종래의 탈봇-라우 간섭계의 예시이다.
도 8은 본 발명의 방법을 사용하여 검사할 수 있는 주기적 피검체(실리콘 웨이퍼 내 결함이 있는 TSV)의 게시 예를 도시한다.
도9는 본 발명에 따른 X-선 간섭 영상 시스템의 일실시예의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일실시예의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 11은 X-선 표적이 이차원 주기적 배열의 X-선 발생 미세구조로 구성된, 도 10의 본 발명의 일 실시 예의 사시도를 도시한다.
도 12는 도 10과 도 11의 본 발명의 일 실시예를 상세하게 도시한 개략적인 단면도이다.
도 13은 X-선 표적이 평행선 형태의 X-선 발생 미세구조로 구성된 본 발명의 일실시예의 사시도를 도시한다.
도 14는 격자 G1과 G2 사이에 배치된 피검체(쥐)를 포함하는 본 발명의 일실시예의 사시도를 도시한다.
도 15는 검광자 격자 없이 고해상도의 검출기를 사용한 본 발명의 일실시예를 상세하게 도시한 개략적인 단면도이다.
도 16은 격자 G1과 검출기 사이에 위치한 피검체(쥐)와 이차원 위상 구조로 구성된 격자 G1을 포함한 본 발명의 일 실시 예의 사시도를 도시한다.
도 17은 본 발명의 일부 실시 예에서 사용된 빔 분할 격자의 2차원 메쉬(mesh) 패턴의 예시이다.
도 18은 본 발명의 일부 실시 예에서 사용된 빔 분할 격자의 2차원 체커보드(checkerboard) 패턴의 예시이다.
도 19는 광원과 격자 G1 사이에 위치한 피검체(쥐)와 이차원 위상 구조로 구성된 격자 G1를 포함한 본 발명의 일실시예의 사시도를 도시한다.
도 20은 진공 챔버 내부에 표적이 장착된 본 발명의 일실시예의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 21은 도 20의 본 발명의 일실시예를 상세하게 도시한 개략적인 단면도를 도시한다.
도 22는 진공 챔버 내부에 표적이 장착되고 선형 축적을 이용하여 X-선이 발생되는 본 발명의 일실시예의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 23은 도 22의 본 발명의 일실시예를 상세하게 도시한 개략적인 단면도를 도시한다.
도 24는 두 개의 전자빔이 양쪽에서 표적에 충격을 가하는 본 발명의 일실시예의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 25는 도 24의 본 발명의 일실시예를 상세하게 도시한 개략적인 단면도를 도시한다.
도 26은 대형 기판 상에 장방형 미세구조 표적이 함입된 격자판(grid)으로 구성된 표적의 사시도를 도시하며 본 발명의 일부 실시 예에서 사용될 수 있다.
도 27은 집속 전자빔 사용 시 대형 기판 상에 장방형 미세구조 표적이 함입된 격자판으로 구성된 표적의 변형 예의 사시도를 도시하며 본 발명의 일부 실시 예에서 사용될 수 있다.
도 28a는 본 발명의 일부 실시 예에서 사용될 수 있는 장방형 미세구조 표적이 함입된 격자판으로 구성된 표적의 사시도를 도시한다.
도 28b는 도 28a의 표적의 평면도를 도시한다.
도 28c는 도 28a와 도 28b의 표적의 측면/단면도를 도시한다.
도 29a는 본 발명의 일부 실시 예에서 사용된, 주기적인 선형 패턴을 형성하는 함입된 장방형 미세구조 표적의 세트로 구성된 표적의 사시도를 도시한다.
도 29b는 도 29a의 표적의 평면도를 도시한다.
도 29c는 도 29a와 도 29b의 표적의 측면/단면도를 도시한다.
도 30은 도28a내지c 에 도시된 표적에 대하여 공정 과정의 변형에서 발생할 수 있는 표적 구조의 변형 예를 도시한다.
도 31은 도 29a내지c 에 도시된 표적에 대하여 공정 과정의 변형에서 발생할 수 있는 표적 구조의 변형 예를 도시한다.
도 32는 도 28a내지c 및/또는 도 29a내지c의 표적 일부분에 대한 단면도로, 본 발명에 따라 전자빔에 노출 시 열 전도성 기판으로 열이 전달됨을 보여준다.
도 33은 본 발명에 따라 열 냉각 채널을 포함하는 기판으로 구성된 도 28a내지c와 도 29a내지c 및/또는 도 32의 표적의 변형 예의 단면도를 도시한다.
도 34는 본 발명에 따라 접합층을 포함하는 도 28a내지c 및/또는 도 29 a내지c의 표적의 또다른 변형 예의 단면도를 도시한다.
도 35는 본 발명에 따라 전기 전도성 보호막을 포함하는 도 28 a내지c 및/또는 도 29A - C의 표적의 또다른 변형 예의 단면도를 도시한다.
도 36은 본 발명에 따라 매립된 X-선 물질을 포함하는 도 28 a내지c 및/또는 도 29 a내지c의 표적의 또다른 변형 예의 단면도를 도시한다.
도 37은 본 발명에 따라 매립된 X-선 물질과 두꺼운 열/전기 전도성 보호막을 포함하는 도 28 a내지c 및/또는 도 29 a내지c의 표적의 또다른 변형 예의 단면도를 도시한다.
도 38은 기판에 의해 생성된 X-선의 투과를 차단하기 위하여 기판의 배면에 별도의 차단 구조를 포함하는 도 28 a내지c 및/또는 도 29 a내지c의 표적의 또다른 변형 예의 단면도를 도시한다.
도 39는 금과 실리콘의 X-선 흡수를 X-선 에너지에 대한 함수로 나타낸 그래프를 도시한다.
도 40은 1:1 π/2 위상 천이 격자에 대한 탈봇 간섭무늬 패턴의 일례를 도시한다.
도 40B는 1:1 π위상 천이 격자에 대한 탈봇 간섭무늬 패턴의 일례를 도시한다.
도 40C는 1:3 π위상 천이 격자에 대한 탈봇 간섭무늬 패턴의 일례를 도시한다.
도 41은 본 발명에 따라 구조화된 조명을 사용하여 피검체의 주기적 구조를 조사하는 단계를 도시한다.
도 42는 본 발명에 따라 탈봇 간섭 패턴 내에 배치된, 주기적 구조를 포함한 피검체의 위치의 단면도를 도시한다.
도 43은 도 2의 탈봇 패턴에 적용 가능한 짧은 주기를 도시한다.
도 44는 주기적 구조를 포함한 피검체가 탈봇 간섭 패턴 내에 배치된 본 발명에 따른 시스템의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 45는 소각 X-선 산란을 생성하는 탈봇 간섭 패턴 내의 피검체를 개략적으로 도시한다.
도 46은 본 발명에 따른 탈봇 간섭 패턴 내의 피검체가 소각 X-선 산란을 발생시키는 시스템의 단면 개략도를 도시한다.
도 47은 본 발명에 따른 탈봇 간섭 패턴 내의 피검체가 스침 각(grazing incidence)에서 X-선 형광을 발생시키는 시스템의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 48은 본 발명에 따른 탈봇 간섭 패턴 내의 피검체가 X-선 회절을 일으키는 시스템의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 49는 본 발명의 일부 실시 예에 따른 X-선 위상 격자의 가능한 구조를 도시한다.
도 50은 본 발명의 일부 실시 예에 따른 X-선 흡수 격자의 가능한 구조를 도시한다.
본원에 개시된 발명의 일실시예는 도 9에 도시된 바와 같이 X-선 위상 대조 영상(XPCI) 시스템이다. 이 시스템은 탈봇 간섭 패턴을 형성하는 빔 분할 격자 G1(210)과 일반적으로 이차원 X-선 강도를 전자 신호로 변환하는 센서 배열로 구성된 X-선 검출기(290)를 포함한다는 점에서 종래의 탈봇-라우 간섭계와 유사하다.
빔 분할 격자 G1(210)은 위상 격자 또는 투과 격자로, 1차원의 주기적 패턴(선형 격자)을 포함하거나 혹은 두 직교 방향으로 주기적인 격자판 등의 복잡한 2차원 구조를 포함할 수 있다.
또한 상기 시스템은 모아레 간섭무늬와 같이 추가적인 간섭무늬를 형성하기 위하여 검출기 전방에 배치될 주기 p2의 검광자 격자 G2(220)를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 추가로 검출기를 기준으로 검광자 격자 G2(220)를 병진이동(translate)시키는 수단(225)과 검출된 X-선 강도에 해당하는 전자 신호를 처리하기 위해 신호를 영상 처리 시스템(295)으로 전송하는 커넥터(291)를 포함할 수 있다.
그러나, 탈봇-라우 시스템이 복수의 X-선 광원을 생성하기 위해 확장된 X-선 광원과 추가적인 격자 G0를 사용하는 것과 달리, 본 발명의 실시 예는 전자빔 충격에 의해 X-선을 발생시키는 주기적 배열로 정렬된 복수의 X-선 서브 광원(108)으로 구성된 X-선 광원을 사용하며, 각 서브 광원은 개별적인 간섭성을 가지는 동시에 상호적으로 비간섭적이거나 또는 부분적으로 간섭적인 서브 광원 세트로서 빔 분할 격자 G1을 조사하는 기능을 수행한다. 탈봇-라우 간섭계에서 확장된 X-선 광원과 광원 격자를 조합한 것과 마찬가지로, 상기 서브 광원(108)은 빔 분할 격자 G1(210)에 의해 생성되고 피검체(240-M)에 의해 교란되어 검출기(290)에 기록되는 탈봇 간섭무늬 패턴을 형성한다. 검출기(290)의 공간 해상도가 탈봇 간섭 주기의 삼 분의 일보다 같거나 좋은 경우, 검출기에서 바로 간섭무늬를 기록할 수 있다. 저해상도의 검출기를 사용하는 경우에는 탈봇-라우 간섭계에서 설명한 바와 같이 검광자 격자 G2(220)를 사용하여 모아레 간섭무늬를 생성할 수 있다.
복수의 이산형 X-선 서브 광원은 탈봇-라우 간섭계의 X-선 광원보다 훨씬 밝다. 개별적인 간섭성을 지니지만 상호적으로 비간섭적인 서브 광원으로 구성된 광원을 사용하기 때문에 확장된 X-선 광원으로부터 서브 광원 배열을 생성하는 감쇠 투과 격자 G0를 사용할 필요가 없다.
본 발명에 따라 구조화된 표적 내 복수의 서브 광원을 포함하는 시스템은 탈봇-ST 간섭계로 지정할 수 있다.
도 10과 도11, 도12는 열 전도성 기판에 함입된 X-선 발생 물질의 미세 구조를 사용하여 서브 광원의 배열을 형성한 본 발명의 일실시예의 더욱 상세한 도면을 도시한다. 이 실시 예에서 X-선 광원(008)은 피검체(240-M)와 빔 분할 격자 G1(210)을 조사하며 이들이 형성하는 간섭 패턴은 검출기(290)에 의해 검출된다.
상기 X-선 광원(008)의 경우, 고전압 전원(010)은 차폐 하우징(shielding housing)(005)에 서포트(support)(003)로 고정된 진공 챔버(002) 내 전자방출기(electron emitter)(011)에 리드를 통해 전자를 공급한다. 전자 방출기(011)는 표적(100)을 향해 전자(111)를 방출한다. 표적(100)은 기판(1000)과 기판(베릴륨, 다이아몬드, 실리콘 카바이드와 같이 Z값이 낮은 물질) 상에 위치하거나 함입 혹은 매립된 X-선 발생 물질(구리, 몰리브덴, 또는 텅스텐과 같은 일반적으로 Z값이 높은 금속 물질)로 구성된 이산형 미세구조(700)의 주기적 배열을 포함한 영역으로 구성된다. 이산형 미세구조(700)는 임의의 크기나 형상을 가질 수 있지만, 일반적으로 횡 방향 중 최소 한 방향에서의 크기가 수십 마이크론에 해당하는 장방형 프리즘(right rectangular prism)의 주기적 배열로 설계함으로써 각 미세구조에서의 전자 방출은 빔 분할 격자 G1(210)에서의 격자 주기 p1과 비슷하거나 큰 값의 공간 간섭 거리를 갖는 X-선의 서브 광원으로서의 역할을 하게 된다. 또한, 미세구조의 두께(보통 표적 표면에 수직인 방향으로 측정됨)는 기판 물질 내의 전자 침투 길이의 절반 정도가 바람직하다.
X-선 서브 광원을 형성하는 상기 미세구조(700)의 주기 p0는 상기 시스템의 다른 기하학적 파라미터와 관련하여 다음의 식을 만족한다
상기 식에서 L은 X-선 서브 광원(700)으로부터 격자 G1(210)까지의 거리를, D는 격자 G1(210)으로부터 검출기/주기 p2의 검광자 격자 G2(220)까지의 거리를 의미한다. 일부 실시 예에서 D는 높은 대조도(가시성)의 간섭무늬를 갖는 분획 탈봇 거리(fractional Talbot distance) 중 하나로 설정되고 이때 대조도(contrast)는 다음과 같이 정의된다.
상기 식에서 Imax와 Imin은 피검체가 빔 경로에 없을 때 각각 탈봇 간섭무늬의 피크(peak) 강도와 밸리(valley)를 의미한다.
π의 위상 천위를 갖는 빔 분할 격자에 평면파를 조사하는 경우(즉, X-선 광원이 무한대에 위치한 경우), 거리 D는 바람직하게는 다음의 식으로 주어진다.
상기 식에서 DN 은 평면파 조사에 대한 분획 탈봇 거리를, λ는 평균 X-선 파장을 의미하며 N은 탈봇 분획 차수라고 부른다. 바람직한 D 값은 빔 분할 격자 G1의 감쇠 또는 위상 천이 특성과 빔 분할 격자 G1의 라인 대 공간비 및 광원에서 격자까지의 거리 L에 의해 결정된다. 라인 대 공간비가 1:1인 π위상 천위 격자의 경우, 주로 홀수의 탈봇 분획 차수를 사용하여 거리 D를 결정한다. X-선 광원이 유한한 거리(즉, L이 무한대가 아닌 경우)에 위치한 경우, D는 다음과 같이 증가한다:
주어진 분수 차수에 대한 탈봇 간섭무늬의 주기 pf는 다음과 같다:
상기 식에서 K는 빔 분할 격자 G1의 감쇠 또는 위상 천이 특성에 의존하는 파라미터이다. 빔 분할 격자가 π 위상 천위 격자일 때 K는 1/2이며 빔 분할 격자가 π /2 위상 천이 격자일 때 K는 1이다.
마찬가지로 탈봇 간섭무늬의 대조도는 크기가 작은 X-선 서브 광원을 사용 시 향상되는데, 이때 빔 분할 격자 G1에 사용된 주기 p1은 서브 광원의 크기 a와 이들 사이의 거리 L과 관련하여 다음의 조건을 만족한다:
상기 식에서 λ는 미리 결정된 X-선 파장을 의미하며 일반적으로 해당 서브 광원에 의해 발생한 단색 X-선의 파장 혹은 더욱 넓은 스펙트럼을 갖는 X-선 서브 광원의 평균 X-선 파장에 해당한다.
상기 진공 챔버(002)에서 전자(111)는 표적에 충격을 가하고 상기 미세구조(700)에 열과 X-선을 발생시킨다. 기판(1000) 물질의 경우, 보통 Z값이 낮은 물질을 기판에 사용하여 X-선 발생 물질로 이루어진 미세구조에 비해 비교적 낮은 전자 에너지 증착 속도를 갖도록 하는데, 그 결과 상당한 수준의 열과 X-선이 발생되지 않는다. 또한, 기판(1000) 물질은 보통 100 W/(m℃)보다 큰 값의 높은 열 전도도를 갖도록 선택할 수 있다. X-선 발생 물질로 구성된 미세구조 역시 통상적으로 기판 내에 함입되는데, 미세구조가 예를 들어 장방형 프리즘의 형상인 경우 여섯 면 중 최소 다섯 면이 기판(1000)과 밀접하게 열 접촉하도록 하여 미세구조(700)의 열이 기판에 효율적으로 전도되도록 한다. 그러나 다른 실시 예에서 사용된 표적에서는 직접적으로 접촉되는 면의 수가 적을 수 있다. 본원에서 "함입"이라는 용어가 사용될 시, 이는 일반적으로 미세구조의 표면적 중 최소 절반의 면적이 기판과 밀접하게 열 접촉함을 의미한다.
상기 미세구조는 대개 리드(022)를 통해 고전압 공급원(010)의 양극단자에 전기적으로 연결되는데, 이로 인해 표적은 전기 시스템에서 양극의 역할을 수행한다. 혹은 양극이 음극에 비해 더 높은 전압을 가진다는 조건 하에, 음극(전자 방출기)은 음전하를 띠게 하고 표적을 접지하거나, 음극을 접지하고 표적을 정극에 연결할 수 있다. 또한, 일부 실시 예에서는 전자빔을 더욱 집속하기 위하여 전자(111) 경로의 주변 또는 가까이에 있는 진공 챔버(002)의 내부 또는 외부에 정전 렌즈나 마그네틱 코일 등의 전자 광학 장치를 배치할 수 있다.
도시된 바와 같이 표적(100)이 부가적으로 진공 챔버(002)의 창으로써 기능하여 X-선 발생 물질은 진공 챔버와 전자 공급원의 내부를 향하고 X-선은 표적(100)의 뒷면을 통과하여 빔 분할 격자 G1(210)를 향해 전파된다. 다른 실시 예에서는 별도의 창을 사용하고 X-선 필터 역시 추가로 사용할 수 있다.
상기 광원(008)에 의해 발생된 X-선(888)은 선택적인 셔터(optional shutter)(230)를 통과하고 원하는 파장의 원하는 스펙트럼 대역폭(spectral bandwidth)을 얻기 위해 X-선 스펙트럼 필터(spectral filter)를 통과한 후, 검사 대상인 피검체(240-M)를 통과한다. 그 다음, X-선은 기판(211)에 추가로 장착할 수 있는 빔 분할 격자 G1(210)을 지나 회절되고, 마찬가지로 기판(221)에 장착할 수 있는 검광자 격자 G2 (220) 위로 떨어진다. 최종 간섭무늬는 배열 검출기(290)에 의해 검출되는데, 배열 검출기는 커넥터(291)를 통해 X-선 강도에 대한 전자 신호를 영상 처리 시스템(295)으로 전송하고 영상 처리 시스템은 전송된 전자 신호를 분석한다.
X-선 광원 및 간섭 검출 시스템에 더하여, 피검체(240-M)와 다양한 격자를 서로에 대해 검출기 방향으로 또는 광원 방향으로 이동시키는 수단(means) 또한 사용할 수 있다. 도 10의 영상 처리 시스템(295)은 네트워크(231)를 통해 피검체의 위치와 각도를 설정하는 스테이지(stage)(244)를 제어하는 수단(245)으로 연결될 수 있고, 빔 분할 격자 G1(210)의 위치와 각도를 설정하는 마운트(mount)(214)를 제어하는 수단(215)으로 연결될 수 있으며 검광자 격자 G2(220)의 위치와 각도를 설정하는 마운트(224)를 제어하는 수단(225)에 연결될 수 있을 뿐 아니라 셔터(230)에도 연결될 수 있고 혹은 X-선을 이동 및 변조할 수 있도록 고전압 전원(010)의 스위치(030)(온/오프 스위치)에 연결될 수 있다. 영상 처리 시스템(295)의 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어는 격자 G1(210)과 G2(220), 피검체(240-M), 그리고 X-선의 노출을 제어하여 복수의 영상을 수집하고 수집된 영상을 기반으로 피검체(240-M)의 상세한 진폭과 차동 위상, 위상 대조 및 산란 대조 영상을 취득한다.
추가의 실시 예는 또한 전자빔의 이동 또는 변조를 가능하게 하는 제어를 포함할 수 있다. 예를 들어 검광자 격자 G2를 기준으로 X-선 광원의 양극을 병진이동시키는 수단을 추가로 포함한 실시 예를 설계할 수 있다. X-선 검출기(290)의 위치와 각도를 조정 가능하도록 하는 추가의 실시 예 역시 설계할 수 있다.
도 13은 기판(1000)과 다수의 미세구조 라인 광원(line source)(701)으로 구성된 표적(100)을 포함한 본 발명의 일 실시 예를 도시한다. 이 미세구조의 라인 서브 광원(701)은 대개 한 방향(서브 광원 크기 파라미터인 a와 일치하며 일반적으로 격자 G1(210)과 G2(220)의 라인 방향에 직각인 방향으로, 도 13에서는 y 방향에 해당함)으로는 수 마이크론의 폭을 갖지만, 라인에 평행한 방향으로는 더욱 큰 값(예를 들어 1000 마이크론 또는 수 밀리미터에 이르는 값)을 갖는다. 도 13에 도시된 서브 광원으로서의 미세구조(701)의 피치는 p0로 식 4에 의해 검광자/검출기의 피치와 관련된다.
도 14는 검사 대상인 피검체(240-M)가 격자 G1(210)과 검출기(290) 사이에 배치된 본 발명의 일 실시 예를 도시한다. 도 14에 도시된 바와 같이 표적 상의 X-선 발생물질로 이루어진 미세구조(700)는 서로 직교하는 두 방향의 2차원 주기적 배열로 정렬된 서브 광원을 포함하는데, 빔 분할 격자 G1(210)의 간섭 조사 조건을 만족하는 임의의 주기적 배열이 사용될 수 있으며 격자, 메쉬, 체커보드, 또는 기타 주기적 구조가 이에 포함된다.
격자가 일차원 구조로 구성된 경우, 표적(100) 내 미세구조(700)는 G1(210)과 G2(220)의 1차원 배열과 같은 방향에서 반드시 주기적이어야 하지만(이상적인 미세구조(701)의 라인은 격자 라인과 평행함) 수직 방향에서는 임의의 구조 또는 비주기적 구조를 가질 수 있다.
도 15는 검광자 격자 G2(220)를 포함하지 않는 대신, 격자 라인에 직교하는 방향의 픽셀 해상도가 탈봇 간섭 주기의 삼 분의 일(1/3)과 같거나 좋은 고해상도 배열 GD를 포함한 검출기(299)를 사용하는 본 발명의 일 실시 예를 추가로 도시한다. 이러한 해상도를 바탕으로 단일 노출 영상을 처리하면 흡수, 위상 및 산란 대조 영상을 동시에 취득할 수 있다. 이는 보통 G2(220)를 통과하는 X-선에서 나타나는 50% 이상의 강도의 손실을 막을 수 있고 검출기에 도달하는 신호와 이에 따른 신호 대 잡음비를 크게 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.
피검체(240-M)에 대한 상세한 진폭, 차동 위상, 위상 대조, 산란 대조 영상의 계산을 위한 복수의 영상을 수집하기 위해 도 15의 실시 예에서는 격자 G1의 평면에 평행한 두 횡 방향뿐만 아니라 X -선 전파 경로를 따라 정의된 방향으로도 검출기(290)를 병진이동하는 수단(255)을 추가하여 검출기(299)가 탈봇 거리 TD의 정확한 배수에 해당하는 위치에 배치되어 있음을 보장한다.
도 16은 이차원 주기적 배열의 투과 격자 또는 위상 격자로 구성된 빔 분할 격자 G1(210-2D)을 포함한 본 발명의 일실시예를 도시한다. 이러한 유형의 2차원 빔 분할 격자를 사용 시, 패턴은 다양한 종류의 주기적 패턴 중 어느 것으로도 정렬될 수 있으며 도 17에 도시된 패턴 같은 메쉬 또는 도 18에 도시된 것처럼 체커보드 패턴이 이에 포함된다. 해당 도면에서 투명한 영역은 위상 천이되지 않은 영역을 나타내고 패턴 영역은 상대적 위상 천이를 갖는 영역을 나타낸다. 일부 실시 예에서는 이와 다르거나 심지어 반대인 위상 천이를 사용할 수 있는데, 예를 들면 투명한 영역이 위상 천이된 영역을, 패턴 영역이 천이되지 않은 영역을 나타낼 수 있다.
사용하는 입사 X-선 빔의 스펙트럼 대역폭이 평균 에너지의 ±15%보다 작은 경우, π라디안의 위상 천이와 1:1의 라인 대 공간비를 갖는 빔 분할 격자가 선호된다. 스펙트럼 대역폭이 평균 에너지의 ±15%보다 큰 입사 빔을 사용 시, π/2라디안의 상대적 위상 천이가 선호된다.
일부 실시 예에서의 빔 분할 격자는 론치 프로파일(Ronchi profile) 또는 장방형 프로파일의 구조와 같은 1차원 줄무늬(stripes)로 구성된 프로파일을 포함할 수 있다. 어둡고 투명한 줄무늬 간의 상대적 위상 천이는 가급적 π또는 π/2라디안으로 선택되는데, π의 모든 정수배 또는 약분 역시 선택될 수 있다. 또는 어두운 줄무늬에서의 X-선 투과를 낮게 하여 빔 분할 격자가 흡수 격자가 되도록 할 수 있다.
도 16은 도 15에 또한 도시된 바와 같이 고해상도의 검출기(299)와 함께 사용된 상기의 2차원 빔 분할 격자 G1(210-2D)을 도시한다. 서로 직교하는 두 방향에서 차동 위상 대조, 위상 대조, 흡수, 산란 대조 영상을 동시에 취득하려면, X-선 서브 광원의 크기 a, 격자 G1(210-2D)의 주기 p1과 거리 L 등의 기하학적 파라미터가 두 방향에서의 간섭 조사 조건을 모두 만족해야 한다. 이전과 마찬가지로, 검출기(299)는 영상 평면의 두 직교 방향에서 탈봇 간섭무늬 주기의 1/3과 같거나 좋은 공간 해상도를 갖고 탈봇 간섭무늬 패턴과 정렬되도록 배치된다.
빔 분할 격자 G1(210-2D) 상의 2차원 패턴을 사용한 실시 예는 전술된 저해상도 검출기(290)를 이차원 검광자 격자 G2와 함께 사용할 수 있으며 임의의 순서의 두 방향으로 검광자 격자를 위상 이동하여 두 직교 방향에서 모두 위상 정보를 취득할 수 있도록 한다. 상기의 G1(210-2D)에 대한 설명과 유사하게 이 2차원 검광자 격자는 메쉬, 체커보드, 또는 원, 삼각형, 정사각형, 직사각형 등의 구조의 2차원 배열과 같은 임의의 주기적 구조일 수 있다.
도 19는 도 16과 유사한 실시 예를 나타내는데, 검사 중인 피검체(240-M)가 X-선 광원과 빔 분할 격자(210-2D) 사이에 배치된 점에서 상이하다.
참고로 일부 실시 예는 일차원 탈봇-윤 간섭계(Talbot-Yun interferometer)로, 한 방향의 흡수, 위상 및 산란 정보를 취득하고, 최소한 격자 라인 방향에 직교하는 방향으로 주기적인(다른 방향에서도 주기적일 수 있음) 미세구조의 광원 표적과 함께 사용되는 하나 이상의 1차원 격자를 포함한다. 다른 실시 예는 이차원 탈봇-ST 간섭계로, 서로 직교하는 두 방향에서(또는 2차원 탈봇-윤 셋업을 사용, 컴퓨터 단층 촬영을 실행하여 세 방향 모두에 대해 적용) 흡수, 위상 및 산란 정보를 취득한다.
도 20과 21은 상기 X-선 광원(080)이 상기 X-선 차폐 하우징(050) 내 마운트에 지지된 상기 진공 챔버(020)를 포함한 본 발명의 또 다른 실시 예를 도시한다. 광원(080)은 또한 기판(1000)과 진공 챔버(020) 내에 완전히 장착된 X-선 서브 광원(700)을 포함한 주기적 패턴으로 구성된 표적(100)을 포함한다. 이전과 마찬가지로, 상기 실시 예 또한 고전압 전원(010)을 포함하는데, 전원의 음극 단자는 리드(021-A)를 통해 전자 방출기(011-A)에 연결되고 전원의 양극 단자는 하나 이상의 리드(022)를 통해 표적의 미세구조에 연결되어 이들이 양극의 역할을 하도록 한다.
그러나 상기 실시 예에서 X-선 발생 물질로 구성된 X-선 서브 광원(700)의 주기적 배열을 포함한 표적의 표면은 진공 챔버(020)의 벽에 장착된 창을 향하고 있으며 전자 방출기(011-A)는 창(040)을 향해 있는 서브 광원(700)을 포함한 표적(100)의 표면 위로 전자빔(111-A)을 방출할 수 있도록 정렬되어 있다.
도 22와 23은 기판(1000)과 진공 챔버(020) 내에 완전히 장착된 X-선 서브 광원을 포함한 주기적 패턴으로 구성된 표적을 포함한 본 발명의 또 다른 실시 예를 도시한다. 이전과 마찬가지로, 상기 실시 예 또한 고전압 전원(010)을 포함하며 전원의 음극 단자는 리드(021-B)를 통해 전자 방출기(011-B)에 연결되고 양극 단자는 하나 이상의 리드(022)를 통해 표적의 미세구조에 연결되어 이들이 양극의 역할을 하도록 한다.
그러나, 상기 실시 예에서 X-선 발생 물질로 구성된 X-선 서브 광원(700)의 주기적 배열을 포함한 표적의 표면은 일정한 방향성을 가지는데, 이로 인해 일부 미세구조에서 발생된 X-선은 X-선을 발생시키는 다른 미세구조를 향해 전파되고 다수의 미세구조(700)에서의 X-선의 선형 축적이 표적에서 나타나게 된다. 상기 미세구조와 미세구조(700) 간의 거리 g는 표적에서 나타난다. 미세구조 간의 거리 g와 전파 방향으로의 폭 wx는 축적된 X-선에 기여하는 n번째 미세구조에서의 방출이 식 9의 크기가 a인 단일 서브 광원으로 간주될 수 있도록 충분히 작아야 한다.
상기 식에서 a는 시스템의 간섭 조건을 만족하는 서브 광원의 크기를, θ는 시스템의 시야각(field-of-view angle)의 절반을 의미한다.
본 발명의 상기 실시 예에서 사용된 X-선 광원의 선형 축적은 본 발명의 발명자가 출원한 선형 축적을 이용한 X-선 광원(X-RAY SOURCES USING LINEAR ACCUMULATION)이라는 명칭의 동시계류중인 미국 특허 출원(출원 번호 제14/490,672호, 2014년 9월 19일자 출원) 에 더욱 상세히 설명되어 있으며 여기에서의 인용에 의해 그 전체 내용이 본원에 통합된다. 상기 참조된 동시계류중인 출원에 개시된 모든 광원의 설계와 구성은 본원에 개시된 일부 혹은 모든 간섭 영상 시스템의 구성 요소로써 사용될 수 있다.
마찬가지로, 도 24와 도 25는 X-선의 선형 축적을 이용한 본 발명의 또 다른 실시 예를 도시한다. 이 실시 예에서 X-선 광원(080)은 진공 챔버(020) 내에 완전히 장착된 기판(2210)과 첫 번째 서브 광원 세트(707) 및 두 번째 서브 광원 세트(708)로 구성된 표적(2200)을 포함한다. 이전과 마찬가지로, 상기 실시 예 역시 고전압 전원(010)을 포함하는데, 이 고전압 전원은 각 리드(021-D, 021-E)를 통해 두 전자 방출기(011-D, 011-E)에 고전압을 공급하는 접합점(010-2)에 연결된다. 도 24와 도 25에 도시된 바와 같이, 첫 번째 전자 방출기(011-D)는 첫 번째 서브 광원 세트(707)에 충격을 가하는 전자빔을 제공하고 두 번째 전자 방출기(011-E)는 두 번째 서브 광원 세트(708)에 충격을 가하는 전자빔을 제공한다. 표적(2200)에서의 X-선(2888) 생성을 위해 결합된 첫 번째 서브 광원(707)과 두 번째 서브 광원(708)으로부터 X-선 영상 빔 축을 따라 발생된 일부 X-선(788)은 두 X-선 서브 광원 세트에서의 X-선 선형 축적에 의해 증가한다. 일부 실시 예에서 두 서브 광원 세트(707, 708) 간의 거리는 5mm보다 작고 두 서브 광원 세트의 중심을 지나는 직선에 직교하는 방향의 광원의 크기보다 크다. 두 서브 광원(707, 708)의 주기는 빔 분할 격자 G1 하향의 관련된 탈봇 간섭무늬가 상당 부분 중첩되도록 선택할 수 있다.
또한, 열 부하를 분배하기 위해 전자 충격이 가해지는 표적/양극을 이동, 병진이동하거나 또는 회전하는 X-선 광원을 포함한 본 발명의 다른 실시 예 역시 가능하다는 것은 해당 업계 종사자들에게 잘 알려져 있다.
참고: 도 10부터 도 25까지의 도면은 축척에 따라 도시되지 않으며 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것으로 상기의 미세구조(700)와 표적(100) 및 다양한 격자 주기 p1과 p2 간의 특정한 관계를 설명하고자 함이 아니다. 상기 미세구조(700, 701, 707, 708 등)는 수십 마이크론의 크기를 가질 수 있으며 검사 대상인 피검체(240-M)는 수십 센티미터의 크기를 가질 수 있다. 마찬가지로 여기에서는 센티미터 크기의 피검체(쥐)를 사용하지만, 본원에 설명된 기술은 이러한 피검체에 제한되지 않으며 검출기의 해상도가 적절하고 간섭계의 기타 요소가 적합하게 구성되는 한, 더욱 큰 구조뿐 아니라 매우 작은 구조에도 사용할 수 있다.
2. X-선 표적 제작.
본원에 개시된 본 발명에 따른 X-선 광원에 사용된 것과 같은 표적은 본 발명의 발명자가 출원한 X-선 발생을 위한 구조화 표적(STRUCTURED TARGETS FOR X-RAY GENERATION)의 명칭으로 동시계류중인 미국 특허 출원(출원 번호 제14/465,816호, 2014년 8월 21일자 출원) 에 상세히 설명되어 있으며 여기에서의 인용에 의해 그 전체 내용이 본원에 통합된다. 상기 참조된 동시계류중인 출원에 개시된 모든 표적 설계는 본원에 개시된 일부 또는 모든 X-선 광원의 구성 요소로서 사용될 수 있다.
본원 및 상기 인용된 계류중인 특허 출원에 개시된 바와 같이 X-선 광원에 사용된 표적은 주기적 배열의 서브 광원을 포함할 수 있다. 각 서브 광원은 X-선 발생 물질로 이루어진 단일 또는 복수의 미세구조로 구성되며 미세구조는 열 전도도를 기준으로 선택된 기판에 열 접촉하거나 가급적 함입된다. 미세구조와 높은 열 전도도의 기판 간에 양호한 열 접촉이 이루어지는 경우, 과량의 열을 기판으로 끌어내릴 수 있기 때문에 더욱 높은 전자 전류 밀도를 사용하여 X-선을 발생시킬 수 있다. 높은 전자 밀도를 사용 시 X-선 플럭스가 높아져 높은 밝기의 광원을 만들 수 있다. 상기의 동시계류중인 특허 출원에서 설명된 바와 같이, X-선 발생 물질로 이루어진 미세구조를 포함한 광원은 동일한 물질로 이루어진 간단한 구조보다 10배 이상의 높은 밝기를 가질 수 있다. 복수의 서브 광원을 정렬하여 동일 축상의 X-선에 기여하도록 하는 추가 구성은 X-선 서브 광원의 선형 축적을 통해 추가로 밝기를 크게 증가시킬 수 있다.
또한, "미세구조"라는 단어가 본원에서 사용될 때 이는 구체적으로 X-선 발생 물질을 포함한 미세구조를 의미한다는 점에 유의해야 한다. X-선 미세구조를 형성하는 데 사용되는 공동(cavity)과 같은 다른 구조는 동일한 수준의 크기를 가지므로 역시 "미세구조"로 간주될 수 있다. 그러나 본원에서 사용된 바와 같이 "구조", "공동", "구멍", "개구" 등의 다른 단어는 기판처럼 X-선 발생 특성을 기준으로 선택되지 않은 물질로 형성된 구조에 대해 사용될 수 있다. "미세구조"라는 단어는 X-선 발생 특성을 기준으로 선택된 물질을 포함한 구조에 대해 사용될 것이다.
마찬가지로, "미세구조"라는 단어가 사용될지라도, 해당 특성이 다양한 실시 예에서 설정된 서브 광원의 크기와 격자 피치에 대한 기하학적 인자와 일치하는 한, 1 마이크론보다 작은 치수 혹은 이보다 더 작은 나노 규모의 크기(즉, 10 nm보다 큰 경우)의 X-선 발생 구조 또한 본원에 사용된 바와 같이 "미세구조"라는 단어로 설명된다는 점에 유의해야 한다.
또한, "서브 광원"이라는 단어가 사용될 때, 이는 X-선 생성 물질로 이루어진 단일 미세구조를 의미하거나 탈봇 간섭계를 위한 단일 구조와 유사한 기능을 하는 작은 미세구조의 앙상블(ensemble)을 의미한다는 점에 유의해야 한다.
이러한 미세구조 표적의 제조는 기판에 함입된 구조를 만드는 데 사용되는 잘 알려진 공정 단계를 따를 수 있다. 기판의 물질이 다이아몬드와 같이 높은 열 전도도를 갖는 경우에는 집속 이온빔 리소그래피 또는 전자빔 리소그래피와 같이 감광제(photoresist)를 이용한 종래의 리소그래피 패터닝(lithographic patterning)를 사용하여 마이크론 크기의 구조를 생산할 수 있으며, 반응성 이온 식각(reactive ion etching (RIE)) 등의 공정을 통해 상기 구조를 기판 상에 식각할 수 있다. 그리고 전기도금, 화학 증착(CVD), 원자층 증착 또는 열간압축(hot pressing) 등의 표준 증착 공정을 사용하여 기판에 형성된 식각 구조에 X-선 발생 물질을 증착할 수 있다.
높은 전자 전력을 광원에 공급하여 X-선 발생을 증가시키기 위해서는 이상적으로 표적에 사용된 X-선 발생 물질이 높은 용융점과 높은 열 전도도와 같은 양호한 열 특성을 가져야 한다. X-선 발생 물질은 양호한 X-선 생성 특성을 기준으로 추가로 선택되어야 하는데, 이러한 특성에는 X-선 생성 효율(원자 번호에 비례함)이 포함되며 일부 경우에는 특성 X-선 스펙트럼 라인(characteristic x-ray spectral line)과 같은 관심 대상의 특정 스펙트럼을 생성하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 이유로 표적은 흔히 원자번호 Z=74의 텅스텐을 사용하여 제작된다.
표 1은 X-선 표적에 일반적으로 사용되는 물질과 추가로 표적이 될 가능성이 있는 물질(관심 대상의 특정한 특성 라인(characteristic line)에 특히 유용함) 및 표적 물질에 대해 기판으로 사용될 수 있는 물질을 열거한다. 용융점과 열 및 전기 전도도는 300K (27℃)에 가까운 값에 대해 제시되어 있다. 대부분의 값은 CRC Handbook of Chemistry and Physics, 90th ed. [CRC Press, Boca Raton, FL, 2009]에서 인용하였다. 다른 값은 인터넷상에서 찾을 수 있는 다양한 소스에서 인용하였다. 참고로, 예를 들어 사파이어와 같은 일부 물질에 대해 액체 질소의 온도(77ㅀK) 이하로 냉각하면 한 자릿수가 더 큰 수준으로 열 전도도를 증가할 수 있다. [Section 2.1.5, Thermal Properties, of E.R. Dobrovinskaya et al., Sapphire: Material, Manufacturing, Applications, Springer Science + Business Media, LLC, 2009의 예를 참조하시오].
도 26은 본 발명의 일부 실시 예에서 사용될 수 있는 표적을 도시한다. 이 그림에서 기판(1000)은 X-선 발생 물질로 이루어진 미세구조를 포함한 서브 광원 배열(700)로 구성된 영역(1001)을 갖고, 서브 광원은 장방형 프리즘의 규칙적인 배열로 정렬된다. 진공에서 전자(111)는 상기의 표적에 충격을 가하여 미세구조(700) 내에 열과 X-선을 발생시킨다. 기판(1000)의 물질은 X-선을 발생시키는 미세구조 물질에 비해 상대적으로 낮은 X-선 생성(효율은 원자번호에 비례함)과 낮은 전자 에너지 증착 속도(정지 전력은 밀도에 비례함)를 갖도록 선택되고 따라서 상당 수준의 열과 X-선이 발생하지 않는다. 이는 통상적으로 기판에 낮은 질량 밀도와 낮은 원자번호(Z) 물질을 사용함으로써 이루어진다.
또한, 상기 기판(1000) 물질은 대개 100 W/(m℃)보다 큰 값의 높은 열 전도도를 갖도록 선택될 수 있고, 상기 미세구조는 보통 기판 내부에 함입되는데, 미세구조가 장방형 프리즘의 형상을 한 경우 바람직하게는 여섯 면 중 최소 다섯 면이 기판(1000)과 밀접하게 열 접촉함으로써 미세구조(700)에서 발생한 열이 효과적으로 기판(100)으로 전도된다. 하지만, 다른 실시 예에 사용된 기판에서는 직접적으로 접촉되는 표면이 더 적을 수 있다. 일반적으로 본원에서 "함입"이라는 용어를 사용될 때에는 최소한 미세구조 표면적의 절반이 기판과 밀접하게 열 접촉한다.
| 물질(원소 기호) | 원자 번호 Z |
용융점ㅀC (1 atm) |
열 전도도 (W/(m℃)) |
전기 전도도 (MS/m) |
| 일반 표적 물질: | ||||
| 크롬 (Cr) | 24 | 1907 | 93.7 | 7.9 |
| 철 (Fe) | 26 | 1538 | 80.2 | 10.0 |
| 코발트 (Co) | 27 | 1495 | 100 | 17.9 |
| 구리 (Cu) | 29 | 1085 | 401 | 58.0 |
| 몰리브덴 (Mo) | 42 | 2623 | 138 | 18.1 |
| 은 (Ag) | 47 | 962 | 429 | 61.4 |
| 텅스텐 (W) | 74 | 3422 | 174 | 18.4 |
| 다른 가능한 표적 물질: | ||||
| 티타늄 (Ti) | 22 | 1668 | 21.9 | 2.6 |
| 갈륨 (Ga) | 35 | 30 | 40.6 | 7.4 |
| 로듐 (Rh) | 45 | 1964 | 150 | 23.3 |
| 인듐 (In) | 49 | 157 | 81.6 | 12.5 |
| 세슘 (Cs) | 55 | 28 | 35.9 | 4.8 |
| 레늄 (Re) | 75 | 3185 | 47.9 | 5.8 |
| 금 (Au) | 79 | 1064 | 317 | 44.0 |
| 납 (Pb) | 82 | 327 | 35.3 | 4.7 |
| 저 원자번호의 다른 잠재적 기판 물질 | ||||
| 베릴륨 (Be) | 4 | 1287 | 200 | 26.6 |
| 탄소 (C): 다이아몬드 | 6 | * | 2300 | 10-19 |
| 탄소 (C): 그래파이트 || | 6 | * | 1950 | 0.25 |
| 탄소 (C): 나노튜브 (SWNT) | 6 | * | 3180 | 100.0 |
| 탄소C): 나노튜브 (벌크,bulk) | 6 | * | 200 | |
| 보론 나이트라이드 (BN) | B=5 N= 7 |
** | 20 | 10-17 |
| 실리콘 (Si) | 14 | 1414 | 124 | 1.56 x 10-9 |
| 실리콘 카바이드(-SiC) | Si=14 C= 6 |
2798 | 0.49 | 10-9 |
| 사파이어 (Al2O3) || C | Al=13 O= 8 |
2053 | 32.5 | 10-20 |
| *탄소는 1 atm 에서 용융하지 않고 ~3600℃에서 승화한다. | ||||
| **보론 나이트라이드(BN)은 1 atm에서 용융하지 않고 ~2973℃에서 승화한다. | ||||
참고로, 일부 실시 예에서의 서브 광원의 크기와 치수는 종래 격자 G0의 주기성 p0에 대한 제한 조건과 동일하게 제한될 수 있다. 다시 말해, 도 9에서 도25까지 나타난 X-선 간섭 영상 시스템 내 피검체의 위치에서 달성 가능한 공간 해상도는 X-선 광원의 전체 크기와 검출기의 해상도에 의해 결정되고 이는 탈봇-라우 시스템과 같은 종래의 간섭 영상 시스템에서 설명된 조건과 유사하다. 따라서, 최대 X-선 광원의 크기(각 미세구조 스폿의 폭)는 주어진 검출기 해상도와 광원과 피검체 간의 거리와 광원과 검출기 간의 거리에 의해 결정된, 주어진 영상화 기하에 대해 제한된다.
서브 광원 배열의 라인 대 공간비는 모든 시스템의 설계 시 고려해야 하는 설계 파라미터이다. 큰 공간 간섭 거리는 X-선 광원 또는 서브 광원의 크기에 반비례한다. 탈봇 간섭무늬의 간섭무늬 가시성은 비율 값이 0.3에서 1에 이르는, 조사되는 X-선 빔의 공간 간섭 거리와 빔 분할 격자 p1의 상대적 비율에 비례하여 증가하므로, 일반적으로 작은 크기의 광원을 사용하는 것이 선호된다. 반면, X-선 생성은 서브 광원의 면적에 반비례한다(예를 들어 라인폭을 줄이면 X-선 생성이 감소함). 일반적으로 영상 시스템의 처리량(throughput)이 CTF(contrast transfer function)의 제곱에 비례하고 X-선 플럭스에는 비례하므로, 일반적으로 1:1보다 작은 라인 대 공간비가 선호된다. 본 발명의 일부 실시 예는 1:5와 1:2 사이의(X-선 발생 물질의 상대적 면적이 20%에서 33%에 해당함) 라인 대 공간비(X-선 발생 물질 대 기판 물질)를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 표적 물질 선택에 도움이 될 성능 지수는 미세구조에 의해 발생한 X-선 대비 기판에 충격을 가하는 전자에 의해 발생한 X-선의 비율이다. 이 성능 지수는 상기 시스템의 표적을 구성할 물질을 설계하고 선택하는 데 유용하며 기판의 열 전도도와 함께 고려되어야 한다. 전자 에너지 증착 속도가 질량 밀도에 비례하고 물질의 X-선 생성 효율이 물질의 원자번호에 비례하므로, 이러한 성능 지수는 다음과 같이 정의된다:
상기 식에서 Z는 원자번호를, ρ는 밀도를 의미하고 물질 1은 기판, 물질 2는 X-선 발생 물질을 의미한다.
| 기판 물질 | 미세구조 물질 | 성능 지수 | ||||
| 물질 | 원자 번호Z 1 | 질량 밀도 (g/cm3) |
물질 | 원자 번호Z 2 | 질량 밀도 (g/cm3) |
 |
| 실리콘 카바이드 | 12.55 | 3.21 | Cu | 29 | 8.96 | 6 |
| 실리콘 | 14 | 2.33 | Cu | 29 | 8.96 | 8 |
| 실리콘 카바이드 | 12.55 | 3.21 | Mo | 42 | 10.2 | 11 |
| 다이아몬드 | 6 | 3.5 | Cu | 29 | 8.96 | 12 |
| 실리콘 | 14 | 2.33 | Mo | 42 | 10.2 | 13 |
| 다이아몬드 | 6 | 3.5 | Mo | 42 | 10.2 | 21 |
| 실리콘 카바이드 | 12.55 | 3.21 | W | 74 | 19.25 | 35 |
| 베릴륨 | 4 | 1.85 | Cu | 29 | 8.96 | 35 |
| 실리콘 | 14 | 2.33 | W | 74 | 19.25 | 44 |
| 베릴륨 | 4 | 1.85 | Mo | 42 | 10.2 | 59 |
| 다이아몬드 | 6 | 3.5 | W | 74 | 19.25 | 68 |
| 베릴륨 | 4 | 1.85 | W | 74 | 19.25 | 193 |
미세구조와 기판 물질의 다양한 조합은 표 2에 열거되어 있다. 표2에 열거된 모든 조합을 사용할 수 있지만, 성능 지수가 12보다 크고 상온에서 기판 물질의 열 전도도가 100 W/(m℃)보다 큰 물질을 선택하는 것이 바람직하다.
도 27은 본 발명의 일부 실시 예에서 사용할 수 있는, 정전 렌즈(electrostatic lense)를 이용하여 전자빔(111-F)을 지시함으로써 더욱 집속되고 집광되는 스폿을 형성하는 또 다른 표적을 도시한다. 이 경우에도 표적(1100-F)은 X-선 물질로 이루어진 미세구조 배열(700-F)을 포함한 영역(1001-F)으로 구성되지만, 이 영역(1001-F)의 크기와 치수는 전자 노출이 발생하는 영역에 매칭될 수 있다. 상기 표적에서는 주로 미세구조 영역(1001-F)으로 발생되는 열의 양을 제한하는 설계를 하는 동시에 설계 및 제조의 복잡성을 또한 줄일 수 있도록 광원 기하와 X-선 생성 물질의 "조정(tuning)"을 제어할 수 있다. 이는 마이크로스폿의 형성을 위해 집속 전자빔을 사용하거나 더욱 복잡한 전자 노출 패턴을 형성하는 복잡한 시스템에 특히 유용하다.
마이크론 단위의 침투 깊이 x는 keV 단위의 전자 에너지를 3/2승한 값의 10%를 물질의 밀도로 나눈 것과 같다는 포츠의 법칙(Potts' law) [P.J. Potts, Electron Probe Microanalysis, Ch. 10 of A Handbook of Silicate Rock Analysis, Springer Netherlands, 1987, p. 336)]을 이용하면 물질 내 전자가 침투하는 깊이를 추정할 수 있다.
다이아몬드 기판과 같이 밀도가 낮은 물질의 경우, X-선 생성에 사용되는 원소를 포함한 대부분의 물질처럼 밀도가 큰 물질보다 침투 깊이가 훨씬 크다.
상기 공식을 사용하여 표3은 일반적인 일부 X-선 표적 물질에 대한 침투 깊이의 추정값을 나타낸다.
| 물질 | Z | 밀도(g/cm3) | 침투 깊이(μm) |
| 다이아몬드 | 6 | 3.5 | 13.28 |
| 구리 | 29 | 8.96 | 5.19 |
| 몰리브덴 | 42 | 10.28 | 4.52 |
| 텅스텐 | 74 | 19.25 | 2.41 |
60 keV의 전자의 일부 물질에 대한 침투 깊이(penetration depth) 추정값이다.
특성 Cu K X-선의 대부분은 침투 깊이 내에서 발생한다. 이 깊이 아래에 위치한 전자의 상호작용은 대개 특성 K-라인 X-선을 거의 생성하지 않지만 열을 발생시켜 깊이 방향을 따라 낮은 열 기울기(thermal gradient)가 나타난다. 따라서 일부 실시 예에서는 물질에서의 전자 상호작용을 제한하고 국지적인 열 기울기를 최적화하기 위해 표적 내 미세구조의 최대 두께를 설정하는 것이 선호된다. 본 발명의 한 실시 예는 표적 내 미세구조의 X-선 생성 물질의 깊이를 입사 전자 에너지에서의 기판 내 전자 침투 깊이의 삼 분의 일에서 삼 분의 이로 제한한다. 이 경우, 기판의 낮은 질량 밀도로 인해 X-선 발생 물질의 바로 아래에 위치한 기판 물질의 에너지 증착 속도가 낮아져서 결국에는 아래의 기판 물질의 온도가 낮아지게 된다. 그 결과, X-선 발생 물질과 기판 간의 열 기울기가 높아지고 열 전도가 증가한다. 열 기울기는 기판 물질의 높은 열 전도도에 의해 더욱 크게 증가한다.
유사한 이유로, 제동 복사 방사선(bremsstrahlung radiation)을 효율적으로 생성하려면 일반적으로 미세구조의 두께를 기판 내 전자 침투 깊이의 절반보다 작게 하는 것이 바람직한데, 이는 이 깊이보다 낮은 위치의 전자가 낮은 에너지를 갖고 따라서 낮은 X-선 생성 효율성을 갖기 때문이다.
참고: X-선 생성 물질의 치수에 대해 다른 선택 값을 사용할 수 있다. 본 발명의 일부 실시 예에서 사용된 표적에서는 X-선 물질의 깊이가 기판 내 전자 침투 깊이의 50%가 되도록 선택할 수 있다. 다른 실시 예에서는 X-선 물질의 깊이가 기판 내 전자 침투 깊이의 33%가 되도록 선택할 수 있다. 다른 실시 예에서는 물질의 전자에 대한 "연속 감소 근사(continuous slowing down approximation)"(CSDA) 영역과 관련하여 미세구조의 깊이를 선택할 수 있다. 다른 깊이의 경우 원하는 X-선 스펙트럼과 선택된 X-선 물질의 특성에 근거하여 깊이를 지정할 수 있다.
도 28은 본 발명의 일부 실시 예에서 사용될 수 있는, 규칙적인 배열로 정렬된 X-선 발생 물질로 구성된 장방형 프리즘 형태의 미세구조로 이루어진 서브 광원 배열(700)을 포함한 표적의 영역(1001)을 도시한다. 도 28a는 이러한 표적을 위한 16개의 미세구조(700)의 사시도를 나타내고, 도 28b는 동일한 영역의 평면도를 도시하며, 도 28c는 동일한 영역의 측면/단면도를 나타낸다. (본원에서 사용된 용어 "측면/단면도"에서의 도(view)는 피검체의 횡단면을 만든 후 횡단 표면을 향한 측면에서 바라보는 것을 의미한다. 기판 자체가 투명하다고 가정할 때[다이아몬드의 경우 일반적으로 가시광선에 대해 성립됨], 이는 횡단면의 관점에서뿐만 아니라 측면에서 바라보는 물질 내부의 더욱 깊은 영역에 대해 상세하게 보여준다.
상기 표적의 미세구조는 여섯 면 중 다섯 면이 기판과 밀접하게 열 접촉하도록 제조된다. 도시된 바와 같이 미세구조(700)의 상단은 기판의 표면과 같은 높이를 갖지만, 미세구조가 안으로 들어간(recessed) 다른 표적이 제작될 수 있으며 게다가 미세구조가 기판에 비해 지형적으로 "돌출된(bump)" 다른 표적 역시 제작될 수 있다.
본 발명의 일부 실시 예에서는 단순히 기판 표면에 장착된 장방형 프리즘으로 구성된 여러 개의 미세구조를 포함한 표적을 대안적으로 사용할 수 있다. 이 경우에는 프리즘의 기저부만 기판과 열 접촉한다. 도 28c에 도시된 바와 같이 측면/단면도의 기판에 함입된 미세구조를 포함한, 깊이가 Dz이고 기판 평면에서의 횡 방향 치수가 Wx , Wy인 구조의 경우, 함입된 미세 구조 대비 증착된 미세구조의 기판과 접촉된 총 표면적의 비율은 다음과 같다.
D가 W와 L 에 비해 작기 때문에 기본적으로 비율은 1이다. 두께가 두꺼운 경우에는 이 비율이 커지고, 5개의 동일한 면이 열 접촉하는 정육면체(D=W=L)의 경우에는 비율이 5가 된다. 질량 밀도와 열 전도도의 측면에서 기판과 유사한 특성을 갖는 물질로 구성된 캡층(cap layer)을 사용하면 상기 비율을 6까지 증가시킬 수 있다.
도 29는 도 13에서 이미 도시한 바와 같이 본 발명의 일부 실시 예에서 사용될 수 있는, 규칙적인 배열로 정렬된 X-선 발생 물질로 구성된 장방형 프리즘 형태의 미세구조를 보유한 선형 서브 광원의 배열을 포함한 표적의 영역(1001)을 도시한다. 도 29a는 이 표적에 대한 세 개의 미세구조의 사시도를 나타내고 도 29b는 동일한 영역에 대한 평면도를 도시하며 도 29c는 동일한 영역에 대한 측면/단면도를 나타낸다.
상기 실시 예에서 기판 평면의 횡 방향 치수는 폭 Wx 와 길이 Ly이다. 서브 광원의 유효 크기 a는 폭 Wx와 일치할 것이다.
도30과 도 31은 도 28과 도 29에 도시된 것과 같은 표적을 형성 시 발생할 수 있는 실질적인 문제를 도시한다. 도 30은 도 28에 도시된 X-선을 발생시키는 미세구조(700)의 격자판에 대해 가능한 변형 예를 도시하며, 도 31은 도 29에 도시된 선형 X-선을 발생시키는 미세구조(701)에 대해 가능한 변형 예를 도시한다.
도 30에서는 다른 기하학적 형상의 특이한 형상을 가진 미세구조(700-A)를 형성할 수 있다. 마찬가지로, 특정한 구조가 예상되는 영역에서 보이드(700-O)가 역시 나타날 수 있다. 다른 증착 공정, 예를 들어 X-선 발생 물질로 이루어진 미리 형성된 입자를 사용한 증착 공정은 입자(700-C)의 앙상블 클러스터(ensemble cluster)를 생성할 수 있는데, 상기 입자는 전자에 의해 충격이 가해질 시 균일한 구조에 의해 형성된 미세구조의 기능과 유사하게 X-선 서브 광원으로서 기능할 수 있다. 도30은 또한 다중 결정 구조 및 결정입계(700-G)의 미세구조를 포함하며 이 미세구조 역시 균일한 구조에 의해 생성된 미세구조와 유사하게 X-선 생성을 생성할 수 있지만, 미세구조의 앙상블로 구성된 것으로 간주될 수 있다.
상기의 모든 경우에서 유효 광원 크기는 미세구조가 상당히 작은 입자를 포함하더라도 크기 파라미터 a를 사용하여 근사할 수 있다.
도 31은 선형 미세구조(701) 제작 시 발생할 수 있는 앙상블 미세구조의 예를 보여준다. X-선 생성물질의 미리 제작된 균일한 입자를 생성하여 기판 상에 코팅하면 X-선 발생 물질로 구성된 입자의 앙상블(703)을 형성할 수 있다. 다른 공정에서는 비균일한 입자를 사용 시, 보이드의 갭(gap)을 포함한 비균일 분포를 갖는 일부 경우에 대하여 입자의 클러스터(704-A, 704-B)가 형성될 수 있다. 다른 공정에서는 X-선 발생 물질로 구성된 입자의 앙상블(704)이 X-선의 선광원을 근사할 수 있다.
상기의 모든 앙상블은 전자에 의해 충격이 가해질 시 균일한 선형 구조에 의해 생성된 미세구조의 기능과 유사하게 X-선 서브 광원으로서 기능할 수 있다. 상기의 경우에서 유효 광원 크기는 미세구조가 상당히 작은 입자를 포함하더라도 크기 파라미터 a를 사용하여 근사할 수 있다.
전자 충격 시 발생할 수 있는 열 전달은 도 32에서 화살표로 도시되는데, 기판(1000)에 함입된 서브 광원(700)에서 발생한 열은 하부 및 측면(도면의 평면 밖으로 향하는 측면을 통한 전달을 나타내는 화살표는 도시하지 않음)을 통해 서브 광원(700)을 포함한 미세구조 밖으로 전도된다. 면적 A와 두께 d의 물질을 통해 전도되는 단위 시간당 열 전달량(ΔQ)은 다음과 같이 주어진다:
상기 식에서 k는 W/(m℃) 단위의 열 전도도를 의미하고 ΔT는 두께 d 에 대한 ℃단위의 온도차를 의미한다. 따라서, 표면적 A가 증가하고 두께 d 가 감소하고 ΔT가 증가하면 이에 비례하여 열 전달이 증가한다.
도 33은 상기 기판이 추가로 냉각 채널(1200)을 포함하는 대안적 실시 예를 도시한다. 이러한 냉각 채널은 상기에 논의된 바와 같이 기판으로부터 다른 곳으로 열을 전도하기 위해 물 또는 다른 냉각액을 사용하는 종래의 냉각 채널이거나 함입된 미세구조(700)의 주변 영역으로부터 열을 가장 잘 제거하도록 구성한 설계에 따라 제작될 수 있다.
다양한 실시 예에 대한 다른 표적 구조는 해당 업계 종사자들에 의해 이해되고 고안될 수 있는데, 예를 들면 개선된 열 전달을 위해 구리 블록(copper block)과 같은 열 싱크(heat sink)에 기판을 부착할 수 있다. 그 결과, 구리 블록은 블록 내 열을 블록으로부터 멀리 보내는 데 도움을 주는 냉각 채널을 갖게 된다. 또는, 특별 제작된 반도체 소자에 전압이 가해지는 열전 냉각기에 기판을 부착할 수 있다. 이러한 소자에서 전류의 흐름은 한 쪽을 가열하는 반면, 다른 쪽은 냉각시킨다. 펠티어 쿨러(Peltier cooler)와 같은 시판 장치는 장치에 걸쳐 70℃ 까지의 온도차를 생성할 수 있지만, 열원으로부터 다량의 열을 제거하기에는 전반적인 용량에 있어 제한적일 수 있다. 컴팩트한 설계를 고려해야 하는 서버 팜(server farm)의 CPU칩을 냉각하는 데 사용되는 열파이프와 같이, 증발 및 응축하는 열 전달액을 포함한 열파이프 역시 기판을 냉각시키는 데 사용할 수 있다.
혹은, 기판이 액체 질소의 흐름을 위한 채널을 포함한 블록과 같은 극저온 냉각기(cryogenic cooler)에 부착되거나 액체 질소 또는 부동액 등의 다른 저온 물질을 저장한 용기와 열 접촉하여 더욱 극단적인 냉각을 제공할 수 있다. 다이아몬드, 사파이어, 실리콘, 혹은 실리콘 카바이드와 같은 물질로 구성된 기판의 경우, 온도가 상온보다 내려가면 일반적으로 열 전도도가 증가한다. 이 경우에는 표적이 이러한 저온으로의 냉각을 견딜 수 있도록 표적을 설계하는 것이 바람직하다.
도 34는 상기 미세구조(700)를 형성하는 X-선 발생 물질을 함입하기 전에 상기 기판(1000)에 형성된 공동을 먼저 접착층(adhesion layer)(715)으로(가급적 최소의 두께로) 코팅하는, 본 발명의 실시 예에서 사용될 수 있는 표적의 대안적 예를 도시한다. 이러한 접착층은 X-선 생성 물질과 기판 물질 간의 접합이 약한 경우에 적절할 수 있다. 두 물질의 열팽창 계수의 차이가 큰 경우, 접착층은 또한 버퍼층(buffer layer)으로서 기능할 수 있다. 일부 선택 물질에 대해 접착층은 물질이 미세구조에서 기판 물질로(혹은 반대로) 확산되지 않도록 확산 방지층(diffusion barrier layer)으로 대체되거나 확장될(또 다른 층을 추가) 수 있다. 접착층 및/또는 확산 방지층이 사용된 실시 예의 경우, 물질과 두께를 선택 시 접착층(715)으로 인해 미세구조(700)로부터 기판(1000)까지의 열 흐름이 크게 방해되거나 단열되지 않도록 해당 층의 열 특성 또한 고려해야 한다.
도 35는 표적의 표면에 전기 전도층(electrically conducting layer)(725)이 추가된 실시 예에서 사용될 수 있는 표적의 대안적 예를 도시한다. 초과 전하는 전자에 의한 충격이 가해질 시 표적이 효과적으로 양극으로서 기능하도록 접지 리턴 경로를 필요로 한다. 전자 충격이 계속되는 조건 하에 도 28과 도 20에 도시된 것과 같은 표적이 전기 절연성 기판 물질(도핑되지 않은 다이아몬드 등) 내부에 단지 이산형의 연결되지 않은 미세구조(700)만을 포함하게 되면 상당한 전하가 표면에 축적된다. 그 결과, 음극에서 방출된 전자가 동일한 에너지로 표적과 충돌하지 않거나 심지어 반발하여 X-선의 생성을 감소시킬 수 있다.
이는 전도성 물질로 이루어진 얇은 층을 증착함으로써 해결할 수 있는데, 알루미늄(Al), 베릴륨(Be), 탄소(C), 크롬(Cr), 또는 티타늄 (Ti) 등의 가급적이면 비교적 낮은 원자번호의 물질을 전도성 물질로 사용함으로써 전기 전도가 상기 이산형 미세구조(700)에서부터 고전압 전원에 기준한 양극 단자에 연결된 전기 경로(722)까지 이루어지도록 한다. 실질적으로 이 단자는 대개 상기 시스템의 전기 접지에 해당하며 음극 전자원은 음의 고전압을 공급받는다.
도 36은 상기 서브 광원(702)이 상기 기판(1000)에 더욱 깊이 함입되거나 매립된, 본 발명의 실시 예에서 사용될 수 있는 표적의 또 다른 예를 도시한다. 이러한 함입 미세구조에 대해 추가층(1010)을 증착하여 추가적으로 미세구조를 덮을 수 있는데, 추가층에는 예를 들어 기판과 동일한 열전달 특성을 지닌 다이아몬드를 사용할 수 있다. 이로 인해 열은 매립된 서브 광원(702)의 모든 면으로부터 멀리 전도된다. 이러한 경우 및 추가층(1010)이 충분한 전기 전도도를 가지지 못할 때, 구조에 입사된 전자에 대하여 접지로의 경로(path)(722)를 제공하는 것이 바람직하며 이는 추가층(1010)을 증착하기 전에 내려놓은 함입된 전도층(726)의 형태일 수 있다. 일부 실시 예에서 이 전도층(726)은 보통 기둥 혹은 원통 형태의 "비아(via)"(727)(수직으로 연결)를 포함할 것이며, 이는 합입된 전도층(726)을 표적 표면 상의 추가 전도층(728)에 연결하기 위한 전기 전도성 구조를 제공하고 추가 전도층은 접지로의 경로(722) 또는 고전압 전원에 차례로 연결된다.
도 37은 상기 서브 광원(702)이 기판 내에 다시 매립되는, 본 발명의 실시 예에서 사용될 수 있는 또 다른 예를 도시한다. 그러나 이 실시 예에서는 우선 전기 전도층을 제공한 뒤 추가 캡층을 증착하는 대신, 전기적 특성과 열전도 특성의 조합을 기준으로 선택된 단일층(770)만을 증착한다. 예를 들면, 표면을 기준으로 수직 방향으로 탄소 나노튜브 (Z=6)를 증착하여 열과 전자를 매립된 미세구조(702)로부터 멀리 전도되도록 한다. 이 단일층(770)은 표적이 X-선 발생 시스템의 양극으로서 기능하도록 접지로의 경로(722)에 차례로 연결될 수 있다. 혹은, 상기 층의 물질이 알루미늄(Al), 베릴륨(Be), 크롬(Cr), 또는 구리(Cu)를 포함하도록 선택할 수 있다.
도 38은 차단 물질의 추가 패턴(729)이 상기 표적 기판(1000)의 뒷면에 증착된, 한 실시 예의 또 다른 변형 예를 도시한다. 표 2에서 논의된 바와 같이 선택된 물질의 조합에 대한 성능 지수가 크지 않은 경우, 상당 수준의 X-선이 기판에 의해 발생할 수 있어 이미지의 대조를 저하할 것이다. 이렇게 기판에 의해 발생한 X-선은 차단 구조(729)의 기능을 하는, 금과 같은 적절한 물질의 증착에 의해 차단될 수 있다. 도 39에 도시된 바와 같이 금(Z=79)은 X-선을 강하게 흡수한다. 상기 차단 구조의 증착 공정은 표준 증착 공정을 포함할 수 있으며 반대측의 X-선 발생 구조와의 정렬을 보장하기 위한 정렬 단계를 필요로 할 수 있다.
일부 실시 예가 도 26 내지 38에 개별적으로 제시되고 이들 제작과 관련된 다양한 공정이 후에 제시될 것이지만, 상기 실시 예들의 구성 요소를 서로 조합하거나 일반적으로 업계에 알려진 다른 표적 제작 방법과 조합할 수 있다는 점은 해당 업계 종사자들에게 명백해야 한다. 예를 들어, 도 37의 매립된 서브 광원(702)은 도 30과 도 31에 도시된 바와 같이 미세구조로 이루어진 다중 입자를 또한 포함할 수 있다. 마찬가지로, 도 34에 도시된 접착층(715)은 도 35에 나타난 함입된 서브 광원(700)의 제작에 역시 사용될 수 있다. 이러한 대안의 구분은 단지 도시하기 위한 것으로 특정 공정에 제한하려는 의도가 아니다.
도 26 내지 38에 도시된 서브 광원은 균일한 크기와 형상을 가진 규칙적인 간격의 패턴으로 표현되어 있지만, 비균일한 크기와 형상을 가진 규칙적인 패턴의 서브 광원 역시 본 발명의 일부 예에서 사용될 수 있다. 이에 더하여 규칙적이고 주기적인 패턴 내의 각 서브 광원은 비균일한 크기와 형상을 가진 복수의 작은 미세구조로 구성될 수 있다. 이러한 작은 미세구조는 불규칙적일 수 있으며 각 미세구조 그룹을 구성하는 큰 서브 광원이 주기적 특성을 갖는 한, 반드시 유사한 X-선 방출 특성 혹은 세기(strength)를 가질 필요는 없다.
마찬가지로, 일부 실시 예에서는 예를 들어 장방형 프리즘의 형상으로 미세구조를 설명했지만, 제조 공정은 사용된 특정 공정의 아티팩트(artifact)에 따라 90ㅀ 이외의 각을 이룬 벽(wall)을 포함하거나 정확하게 직각이 아닌 둥글거나 경사지거나 덜 잘려진 모서리를 갖는 구조를 생성할 수 있다. 본원에서 설명된 형상과 실질적으로 유사한 미세구조를 사용한 실시 예에 대해 해당 업계 종사자들은 도시되거나 설명된 형상이 공정의 아티팩트로 인해 일부 차이를 보이더라도 해당 내용이 개시된 것으로 이해할 것이다.
상기 시스템의 다른 실시 예에서는 종래의 탈봇-라우 간섭계에서 사용된 주기적인 감쇠 격자 G0 또한 본 발명의 광원과 함께 사용할 수 있는데, 이로 인해 서브 광원을 둘러싸고 있는 기판 물질에 의해 발생한 X-선이 더욱 감쇠되어 단색성이 증가하고 따라서 광원에 대한 공간 간섭성이 증가한다. 격자의 개구는 미세구조의 X-선 서브 광원의 투영(projection)과 일치해야 하며 또는 일부 실시 예에서는 개구가 광원의 자기이미지와 일치하도록 광원 하향의 탈봇 분수 또는 정수 거리에 배치될 수 있다. 제작의 용이성을 위해 격자 G0는 높은 원자 번호와 비교적 낮은 종횡비를 갖도록 하는 것이 바람직하다.
3. 계측 및 검사에의 응용.
이제까지 종래의 X-선 분석 또는 영상 시스템은 확장된 영역에 걸쳐 피검체를 균일하게 조사하거나 특정한 특징에 집중된 조사빔을 사용하는 것에 크게 의존해 왔다. 예를 들어, 트랜지스터 구조나 주기적 실리콘 관통전극(TSV)과 같은 반도체 IC 또는 IC 패키지 상의 특정 소자나 특징에 관한 정보는 이러한 소자나 구조로부터 X-선 형광을 관찰함으로써 수집할 수 있다. 그러나 투광 조명(flood illumination)에 의해 조사된 경우, 주변의 실리콘 웨이퍼로부터 발생한 추가적인 X-선 신호가 검출된 신호에 배경(background)으로써 기여하여 신호 대 잡음비를 감소시키고 민감도(sensitivity)를 감소시킬 수 있다. 이와 유사하게 X-선이 단일 특징에 집중된 경우 특정한 특징에 대한 정보를 수집할 수 있지만, 주어진 IC 내 수백만 또는 심지어 수십억 개의 특징이 존재한다는 점을 고려할 때 다수의 특징에 대한 통계적 특성의 분석은 과도한 양의 시간이 걸릴 것이며 매우 비효율적이다.
그러나, 트랜지스터 혹은 TSV가 흔히 그러하듯이 매우 유사한 소정의 특징이 주기적 패턴으로 배치되는 경우, 주기적 패턴의 조명으로 이러한 주기적 특징을 선택적으로 조사하는 방식은 다수의 특징에 대한 정보를 제공할 수 있으며 동시에 높은 신호 대 잡음비 및 높은 측정 처리량을 얻을 수 있다. 이러한 경우에는 관찰 중인 특징에만 집중하여 X-선을 조사하고 주변 영역의 X-선 신호를 최대한 저감하는 것이 유용하다.
상기에 논의된 바와 같이 지난 10년간 탈봇 기반의 영상 기술은 X-선 격자 기반의 위상 대조 영상을 위해 개발되었다. 탈봇 효과는 빔 분할 격자가 충분히 큰 공간 간섭성과 충분히 좁은 스펙트럼 대역폭을 가진 빔에 의해 조사될 때 발생하며 그 결과 주기적 간섭 패턴(탈봇 패턴)이 격자의 하향면 상의 탈봇 분획 거리에서 형성된다.
"탈봇 간섭계를 이용한 X-선 위상 영상(X-Ray Phase Imaging with Talbot Interferometry by A Momose et al. in BIOMEDICAL MATHEMATICS: Promising Directions in Imaging, Therapy Planning, and Inverse Problems (Medical Physics Publishing, Madison WI, 2010), pp. 281 - 320)" 등의 문헌에서 이전에 제시된 바와 같이 위상 유형 및 흡수 유형의 회절 격자는 다른 위치의 정의된 탈봇 거리에서 하향의 강도 변조(intensity modulation)를 생성한다. 탈봇 패턴의 강도 변조는 상쇄 간섭 영역(마디)(node)에서는 0이며 배율이 1인 경우 격자에 입사하는 강도의 2배가 되는데, 이는 z가 회절 격자로부터의 강도 변조의 거리이고 R이 X-선 광원으로부터의 회절 격자의 거리일 때 (R+z/R)로 정의된 확대 계수(magnification factor)의 제곱만큼 스케일링(scaling)될 수 있다. 이 원리는 샘플로부터 위상 정보를 취득 시 매우 흔히 사용되지만 아직까지 다른 X-선 방식에 대해서는 유용한 현상으로 사용되고 있지 않다.
본 절에서는 탈봇 간섭 패턴의 일부로서 생성된 주기적인 X-선 마이크로빔(microbeam)의 사용을 통해 다수의 주기적 특징을 측정할 수 있는 방법 및 장치를 포함한 다양한 실시 예를 설명한다. 이러한 패턴 조명의 사용은 자연적으로 발생하거나 인공적으로 생성된 주기적 구조를 특성화하고 분석하며 측정하는 데 사용될 수 있다.
상기에 설명된 바와 같이 탈봇 간섭 패턴은 빔 분할 격자에 의해 발생한다. 이러한 주기적 마이크로빔은 확립된 기술(X-선 흡수, 소각 X-선 산란(SAXS), X-선 형광(XRF), X-선 회절(XRD), X-선 반사(XRR) 등)을 단독으로 혹은 조합하여 특정 주기적 영역을 정밀히 검사(probe)하는 데 이용될 수 있다.
주기적 배열의 X-선 마이크로빔은 높은 공간적 특성화를 위해 최소한 한 방향에서 100nm 이하의 크기를 가질 수 있다. 단일의 집중 조사 빔을 사용하거나 크고 균일한 단일 조사 빔을 사용하는 종래의 방법과는 달리, 검사할 피검체 내 다수의 주기적 영역을 동시에 검사할 수 있도록 10nm까지 내려가는 공간 해상도를 취득할 수 있다.
충분한 공간 간섭성을 지닌 조사 빔 하에 1차원 또는 2차원 투과 격자와 같은 주기적 구조가 잘 정의된 거리(회절 격자가 흡수 또는 위상 천이할 때 유도된 위상 천이량, 격자의 라인 대 공간비를 포함한 여러 인수에 의해 거리를 결정할 수 있으며 관련 내용은 아래에 자세히 설명될 것이다.)에서의 보강 및 상쇄 간섭으로 인해 강한 대조도(100%까지 도달)의 강도 패턴을 생성할 수 있다는 점은 탈봇 효과와 관련한 연구와 종래의 기술에서 잘 공지된 사실이다. 반도체 웨이퍼 또는 칩 상의 트랜지스터, 인터커넥트(interconnect), 실리콘 관통전극(TSV)과 같은 주기적 구조를 포함한 피검체에 대해 특정 치수의 X-선 마이크로빔의 주기적 배열을 생성하는 빔 분할 격자를 설계하고, 마이크로빔이 단지 특정 소자 또는 구조를 포함한 주기적 구조의 위치만을 조사하게 정렬되도록 주기적 구조의 피검체를 배치함으로써 높은 신호 대 잡음비와 높은 효율성으로 이들을 분석하고 특성화할 수 있다.
탈봇 간섭 패턴의 마디(node)가 피검체의 표면 근처에서 피검체 내부 깊은 곳까지 이동되도록 X-선 빔 축(z)을 따라 검사 대상인 피검체를 이동함으로써 깊이 방향의 검사(probing) 또한 가능하다. 그 결과, 다른 깊이에서 복수의 영역을 조사하는 것이 가능하며, 이를 바탕으로 예를 들면 소각 산란, 회절, 형광, 흡수, 또는 반사 측정에서의 차이를 깊이의 함수로 나타낼 수 있다.
또한, 본 절에서는 탈봇 효과를 위한 충분한 공간 간섭성의 광원(미세초점 X-선 광원, 작은 스폿(spot) 크기의 액체 금속 제트 광원(liquid metal jet source), 흡수 격자를 포함한 확장된 X-선 광원 등이 이에 포함됨) 또는 미세구조의 양극을 포함한 X-선 광원의 공지된 설계와 특정 강도 패턴과 프로브 크기를 갖는 X-선 프로브(probe)를 취득하기 위한 X-선 시스템의 방법과 설계를 설명한다.
또한, 본 절에서는 검사할 피검체의 지정된 영역(예를 들어 조성 분석, 층 두께 결정 등)으로부터 X-선 형광을 수집함으로써 주기적 X-선 마이크로빔이 샘플의 특정 주기 영역을 화학적으로 분석하는 데 사용될 수 있는 본 발명의 다양한 실시 예를 설명한다.
또한, 본 절에서는 주기적 X-선 마이크로빔이 샘플 내 특정 주기 영역의 X-선 회절을 분석하는 데(예를 들어 결정구조를 결정하고(결정구조 결정, 스트레인(strain) 분석) 층 두께를 측정함) 사용될 수 있는 본 발명의 다양한 실시 예를 설명한다. 본 발명을 사용한 이러한 회절 측정은 투과하는 X-선을 사용하여 수행될 수 있지만 반사된 X-선 역시 사용될 수 있다.
또한, 본 절에서는 주기적 X-선 마이크로빔이 소각 산란 기술을 이용하여 주기적 구조에 대한 통계적 정보를 취득하는 데 사용될 수 있는 본 발명의 다양한 실시 예를 설명한다. 반도체 소자에의 응용 예의 경우, 임계 치수의 결정, 측벽 각도, 피치, 선폭 거칠기 등의 파라미터와 같은 정보를 취득하는 데 사용할 수 있다.
또한, 본 절에서는 X-선의 반사율 정보를 이용하여 주기적 구조의 박막 구조 결정을 특성화하고 분석하며 측정하는 데 사용할 수 있는 본 발명의 다양한 실시 예를 설명한다. 일례로, 이러한 반사율의 측정은 다층 구조(multi-layered structure)에서 층의 두께와 밀도 및 거칠기(roughness) 등의 파라미터를 결정하는 데 사용될 수 있다. 본 발명을 사용하여 이루어진 이들 측정은 높은 종횡비를 가진 구조의 측벽으로부터 반사된 X-선을 웨이퍼 혹은 소자에 투과하여 수행될 수 있지만, 또한 표면 및 계면(interface)으로부터 반사된 X-선을 이용하여 수행될 수 있다.
또한, 본 절에서는 주기적 구조에 대한 보완적이고 종합적인 정보를 얻기 위해 상기에 언급된 방법의 조합 또는 부세트(subset)를 사용하여 광범위한 응용에 걸쳐 다수의 샘플의 주기적 구조를 특성화하고 분석하며 측정할 수 있는 본 발명의 다양한 실시 예를 설명한다.
본원에 설명된 바와 같은 본 발명의 실시 예는 반도체 웨이퍼, 집적 회로(IC), IC 패키징, 또는 기타 전자 부품, 제조된 물질 또는 장치(예: 격자), 단백질 결정 구조, 또는 화학적 혹은 고분자 화합물 등의 인공적으로 생성된 피검체에 대해, 이들이 측정될 물리적 파라미터(형상, 물질 조성, 결정, 질감(texture) 등)에 있어 상당히 유사하며 주기적으로 배치된다는 조건 하에 이들 피검체를 검사하고 분석하는 데 사용될 수 있다. 본원에 개시된 본 발명의 실시 예는 (다양한 강도의) 탈봇 간섭무늬가 생성되고 샘플 내의 관심 영역이 하나 이상의 탈봇 간섭무늬의 배(antinode)(보강 간섭 영역)와 정렬될 시 상기 기술에 적용할 수 있다.
3.2. 탈봇 간섭무늬를 포함한 방법.
"탈봇 간섭계를 이용한 X-선 위상 영상"(X-Ray Phase Imaging with Talbot Interferometry) by A Momose et al. pp. 281 - 320 of BIOMEDICAL MATHEMATICS: Promising Directions in Imaging, Therapy Planning, and Inverse Problems (Medical Physics Publishing, Madison WI, 2010)의 그림 4의 예에서 도출된 탈봇 간섭 패턴의 추가 예는 도 40에 도시되어 있다. 도 40a는 인접한 공간과 1:1의 폭 비율로 π라디안의 위상 천이를 도입하는 라인(단면으로 도시)을 갖는 격자(210-1-90)에 의해 생성된 강도 패턴을 도시한다. 도 40b는 인접한 공간과 1:1의 폭 비율로 π라디안의 위상 천이를 도입하는 라인(단면으로 도시)을 갖는 격자(210-1-180)에 의해 생성된 강도 패턴을 도시한다. 도 40c는 인접한 공간과 1:3의 폭 비율로 π라디안의 위상 천이를 도입하는 라인(단면으로 도시)을 갖는 격자(210-3-180)에 의해 생성된 강도 패턴을 도시한다. 도 40의 모든 격자는 론치(예를 들어 라인/공간 구형파 ) 프로파일을 가지며 이들 도면에서는 충분한 공간 간섭성을 지닌 점 방사선 광원(point radiation source)이 사용된다. 빔 분할 격자는 발산하는 X-선 조명에 의해 조사되고, 따라서 간섭무늬의 주기는 일반적으로 격자로부터 떨어진 거리에 따라 증가한다.
많은 실시 예에서 이러한 빔 분할 회절 격자는 흡수율이 낮지만 π나 π/2 라디안 또는 π의 분율 등의 지정되거나 미리 결정된 값에 해당하는 상당 수준의 X-선 위상 천이를 생성하는 위상 격자이다. 이 격자는 특성상 1차원이거나 2차원일 수 있다. 일부 실시 예에서 검사 중인 피검체는 다음 식으로 표현된 회절 격자 하향의 탈봇 분획 거리 D_N 에 배치된다.
상기 식에서 p1은 빔 분할 격자의 주기를, D_N은 평면파 조사에 대한 탈봇 분획 거리를 의미하며, λ는 평균 X-선 파장을, Na는 피검체의 위치에서의 탈봇 분획 차수(N=1,2,3,… )를 의미한다. 일부 실시 예에서 피검체는 회절 격자 하향의 탈봇 분획 거리에 위치하지 않는 대신, 분석하려는 관심 주기 영역에 해당하는 배(anti-node)와 마디(node) 영역으로 파면이 구성된 거리에 위치한다.
격자 파라미터(예를 들어 π 위상 천이 격자 대비 π/2 위상 천이 격자)에 따라 관심 대상이거나 해당 응용에 가장 적합한 간섭 패턴에 대한 최적 탈봇 거리(Na)를 선택할 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서는 주기적 피검체의 앙상블 측정을 수행하기 위해 다음의 단계가 뒤따른다. 이는 도 41에 나타난 흐름도에 도시되어 있다.
도 41의 단계(4000)에 나타난 바와 같이, 우선 간섭성 또는 부분 간섭성을 지닌 X-선 광원이 빔 분할 격자와의 상호작용을 위해 지향되고 지정된 공간 영역에 X-선의 탈봇 간섭 패턴이 형성된다. 이 경우, 높은 대조도(일반적으로 20%보다 높은 대조도)의 탈봇 간섭무늬를 형성하기에 충분한 간섭성을 지닌 임의의 광원의 X-선을 사용할 수 있으며 도 4에 도시된 바와 같은 점 광원 혹은 미세초점 X-선 광원, 도 7에 도시된 바와 같은 패턴 개구와 함께 사용된 확장 광원, 또는 도 9 내지 16 및 19 내지 38에 도시된 바와 같이 열 전도성 기판에 함입된 이산형 구조로부터 발생한 X-선 배열 광원을 사용할 수 있다. 일부 예에서는 또한 평행한 X-선 빔을 생성하기 위하여 광원 하향에 포물선형 반사 광학 장치(parabolic reflecting optic)와 같은 X-선 시준 광학 장치를 포함한 미세초점 광원을 포함할 수 있다. 또한, 개시된 구성은 이중 결정 단색화 장치 (double crystal monochromator), 채널 컷 단색화 장치(channel cut monochromator), 또는 X-선 빔의 대역폭을 좁히는 임의의 X-선 필터를 선택적으로 포함할 수 있다.
빔 분할 격자는 본원의 다른 곳에서 설명된 바와 같이, 다양한 패턴 중 임의의 한 패턴을 갖는 개구/위상 천이기로 구성된 흡수 격자, 위상 천이 격자, 또는 이들의 조합과 같은, 탈봇 간섭 패턴을 형성하는 데 적합한 임의의 격자일 수 있다. 그러나, 빔 분할 격자의 특징은 일반적으로 공지된 피치에서의 TSV를 포함한 IC 패키지와 같이 특정한 주기적 패턴을 가진 특정한 피검체와 함께 사용되도록 설계된다는 점이다. 생성된 탈봇 패턴은 그 치수와 피치에 있어 검사 대상인 피검체와 일치한다.
다음 단계(4010)에서는 원하는 패턴의 마디와 배가 형성된 소정의 위치에 검사할 주기적 구조의 피검체가 삽입된다. 일반적으로 X-선을 끈 상태에서 삽입되거나 X-선이 켜지고 탈봇 패턴이 나타나는 동안 삽입될 수 있다. 탈봇 간섭무늬가 형성될 영역에 이미 배치된 피검체를 회전 및/또는 병진이동할 수 있는 5축 마운트, 회전 스테이지(rotation stage), 또는 다른 홀더(holder) 등의 마운트를 사용하여 피검체를 삽입할 수 있다.
어떤 경우에도 피검체가 제 위치에 있는 한, 피검체는 탈봇 패턴으로 조사될 것이다.
다음 단계(4020)에서 피검체는 탈봇 패턴에 정렬된다. 상기에 논의된 바와 같이 이는 일반적으로 병진이동 및/또는 회전을 이용하여 탈봇 패턴의 밝은 배(antinode)가 주기적 구조와 겹치도록 주기적 구조를 배치하는 것을 포함한다. 구조의 피치와 탈봇의 피치가 1:1 관계로 일치하거나 피검체의 주기적 구조 혹은 관심 영역의 정수배가 되도록 정렬할 수 있다.
주기적 특징에 대한 이러한 주기적 조명의 정렬은 투과된 X-선을 전반적으로 관찰하고, 투과된 신호를 최대화(주기적 피검체의 X-선 투과율이 높은 경우)하거나 최소화(주기적 피검체의 X-선 흡수율이 높은 경우)함으로써 수행될 수 있다.
또한, 정렬은 예를 들어 형광을 사용하여 수행될 수 있는데, 이는 피검체로부터의 형광 신호가 피검체를 기준으로 X-선 광원과 같은 쪽에 위치한 X-선 신호 검출기 등을 포함한 임의의 공지된 구성에서 검출되기 때문이다. 사용된 X-선 에너지에 대한 형광 신호가 주기적 피검체에서보다 높은 경우에는 검출된 형광 신호가 최대가 될 때까지, 형광 신호가 주기적 피검체에 대해 낮은 경우에는 형광 신호가 최소가 될 때까지 정렬을 조정한다. 또한, 에너지 분산형 분광기 혹은 파장 분산형 분광기와 같이 에너지 분해능을 보유한 검출기를 이용하여 형광 신호를 검출할 수 있다. 이러한 검출기를 이용 시 특정 형광 신호를 최적화할 수 있다. 예를 들어, 피검체는 관심 대상의 구조 또는 영역의 특정 형광 라인(fluorescence line)이 최대가 될 때까지 혹은 관심 대상의 구조 또는 영역 내에 부재하거나 미미한 수준으로 존재하는 형광 라인이 최소가 될 때까지 정렬될 수 있다. 실질적인 일례는 관심 대상인 구조가 벌크(bulk) 실리콘 기판 내 주기적인 구리 구조일 때 실리콘 형광 라인을 최소화하는 것이다.
탈봇 패턴이 주기적 구조를 조사하도록 정렬되면, 다음 단계(4030)에서 원하는 물리량을 측정할 수 있다. 정확한 프로토콜(protocol)은 원하는 측정에 따라 결정될 것이다. 예를 들어 측정해야 할 물리량이 앙상블 TSV의 평균 두께인 경우, TSV는 탈봇 배와 겹치도록 정렬된다. 이 예에서는 TSV의 X-선 투과와 흡수가 측정되며 평균 두께는 해당 업계에 공지된 확립된 방법을 이용하여 결정될 수 있다. 예를 들어 측정해야 할 물리량이 앙상블 TSV 내 치수가 작은 보이드의 크기 및 크기 분포인 경우, 탈봇 패턴의 배와 정렬된 TSV의 소각 산란 패턴이 측정되며 공지된 분석 방법을 이용하여 보이드의 크기와 크기 분포가 결정된다. TSV의 측벽 또는 코팅을 원하는 경우, TSV의 중심이 아닌 위치와 배를 정렬할 수 있지만, 대신 두 개의 배를 TSV의 각 면에 정렬함으로써 소각 산란을 이용한 공지된 방법을 통해 측벽의 거칠기와 같은 물리량을 분석할 수 있도록 한다.
한편, 주기적 피검체의 결정도(crystallinity) 또는 조성을 결정해야 하는 경우에는 X-선 회절 신호 혹은 X-선 형광 신호가 측정된다. 탈봇 패턴의 3차원 성질(예를 들어 z 방향(빔 전파 방향)과 횡방향을 따르는 강도 변화)은 예를 들어 가장 높은 강도의 점이 주기적 구조를 통과하여 이동하도록 탈봇 간섭무늬를 따라 z 방향으로 탈봇 패턴에 관해 피검체를 스캔(scan)함으로써 주기적 구조에 대한 정보를 분석하고 측정하며 특성화하는 데 사용할 수 있으며, 탈봇 배가 위치한 가장 밝은 부분에 해당하는 깊이와 측정된 신호(X-선 회절 강도와 같은)를 상관시켜 해당 구조가 소정 규격의 균일한 결정도를 갖는지 결정할 수 있다.
흡수, 소각 산란, 회절 또는 반사를 측정하는 경우에는 대개 검사 중인 피검체에서 약간 떨어진 곳에 장착된 픽셀 배열을 포함한 X-선 검출기를 사용하여 데이터를 수집하며, X-선 형광을 측정할 때에는 X-선 분광기를 사용하여 데이터를 수집한다. X-선 강도는 전자 신호로 변환되어 연결 케이블이나 무선 인터페이스를 통해 데이터 저장 및 분석 시스템으로 전달된다.
측정치가 수집되면 다음 단계(4040)에서 측정치를 분석하여 원하는 메트릭(metric)을 계산하거나 도출한다. 이는 피검체의 물리적 치수, 조성 또는 결정 구조, 주기적 피검체 내의 응력(stress)의 국부적 존재 또는 부재 등과 관련될 수 있다.
상기 방법은 X-선 투과 혹은 흡수 측정, 소각 X-선 산란(SAXS), X-선 형광(XRF) 검출, X-선 반사(XRR) 측정 및 X-선 회절(XRD) 측정을 포함하되 이에 국한되지 않는 다양한 측정 및 검출 응용에 적용할 수 있다. 피검체의 주기성에 맞춰 구조화된 강도 패턴으로 X-선을 조사하는 상기 방법의 다른 응용은 해당 업계 종사자들에게 공지되어 있다.
본 발명의 일부 예에서 사용될 수 있는, 빔 분할 격자(210-1-90)에 대한 탈봇 간섭무늬 패턴 내의 주기적 특징(2420)을 포함한 피검체 배치(2400)의 한 예가 도 42에 도시되어 있다. 피검체(2400 310)는 관심 대상인 피검체의 특징(2420 320)이 배(간섭 패턴의 보강 간섭 영역)와 정렬되도록 탈봇 분획 거리에 배치된다. 이는 X-선이 이러한 주기적 특징(2420)과는 효과적으로 상호 작용하는 반면, 마디(패턴의 상쇄 간섭 영역)에 해당하는 인접한 영역은 매우 감소된 신호를 생성하거나 신호를 생성하지 않음을 의미한다.
도 42에 도시된 탈봇 패턴은 "단일 위상 격자를 이용한 X-선 위상 영상(X-Ray Phase Imaging with Single Phase Grating" by Y. Takeda et al., Jpn. J. Appl. Phys. vol. 46, 2007, pp. L89-L91.)"의 예에서 도시된 바와 같이 1:1 π/2 위상 천이 패턴을 갖는 빔 분할 격자(210-1-90 )에 대한 강도 패턴에 해당한다.
검사 중인 피검체의 주기적 특징 및/또는 관심 영역은 원하는 측정 결과에 따라 수많은 다양한 방식으로 정렬될 수 있다. 예를 들어 특징 자체의 조성 또는 치수가 관심 대상인 경우에는 탈봇 간섭 패턴의 배를 중심으로 정렬되어야 한다. 특징의 측면과 같은 관심 영역이 존재하는 경우, 검사 중인 피검체는 밝은 배가 해당 영역과 일치하도록 배치되어야 한다. 또한 상기 방법에 깊이 감도(depth-sensitivity)가 있음을 유의해야 한다. 상기 방법은 충분히 얇은 샘플을 이용하여 간섭무늬를 따라 샘플을 이동시킴으로써 원하는 특성의 깊이 감응 매핑(depth-sensitive mapping)을 수행하는 데 사용할 수 있다.
상기와 같은 사용의 일례는 빔 분할기가 적절한 공간 간섭성을 가진 상향의 X-선에 의해 조사되어 빔 분할기 하향의 정의된 거리(분수 및 정수의 탈봇 거리)에서 탈봇 자기이미지 및 강도 패턴을 생성하는 것이다. 이 예에서 투과 기하의 형태로 영상화될 평면 샘플(샘플의 평면이 회절 격자에 평행함)은 X-선 간섭에 의해 높고 낮은 강도 패턴이 존재하는 빔 분할기 하향의 거리에 배치된다. 빔 분할 격자가 위상 천이 유형인 경우, 다음과 같이 탈봇 분획 거리 중 하나에 배치될 수 있다.
상기 식에서 p1은 빔 분할 격자의 주기이고, DN은 평면파 조명에 대한 탈봇 분획 거리이며 λ는 평균 X-선 파장이고, Na는 검출기 위치에서의 탈봇 분획 차수((N=1,2,3,… ) 이다.
상기 빔 분할기의 피치는 관심 영역(특징 또는 특징 에지(feature edge))의 피치와 일치하도록 선택할 수 있다; 이는 다음과 같은 1차 관계로 설명될 수 있다:
상기 식에서 df는 관심 대상의 특징 또는 영역의 피치로 정의되고, dg는 회절 격자의 피치이며, Sφ는 배율 계수(scaling factor)(위상 유형의 회절 격자인 경우, 위상 천이가 π/2이면 Sφ 는 1이고 위상 천이가 π이면 Sφ 는 1/2이다.)이고, M은 유효 광원 지점으로부터 회절 격자까지의 거리 L1과 격자로부터 검사 중인 피검체까지의 거리 L2가 주어졌을 때 (L1+L2)/L1 로 정의된 확대 계수(magnification factor)이다.
검사할 피검체의 주기적 특징을 간섭 패턴의 배와 마디(상쇄 간섭)에 정렬함으로써 X-선 여기(excitation)는 단지 밝은 배에서만 발생하고 따라서, 관심 대상의 영역과 특징만을 조사, 후속 측정, 특성화 및 분석하는 것이 가능하다.
샘플이 빔 분할기로부터 떨어진 거리에 따라 빔 분할 격자 상에 제조된 구조가 검사할 주기적 구조보다 훨씬 큰 구성이 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 도면 위에 그려진 일부의 중간 탈봇 거리에 대한 간섭무늬의 주기를 갖는 도 2에서의 탈봇 간섭무늬는 도 43에 도시되어 있다 (참고로 가장 작은 주기는 빔 분할 격자 p의 주기보다 4배 작다.)
탈봇 거리 DT에서 원래의 격자 패턴은 원래의 격자 주기와 일치하는 주기 p로 자체 패턴을 재현한다. 탈봇 거리의 절반인 DT/2에서도 주기는 p이지만 마디와 배는 반대가 된다. 그러나, 탈봇 거리의 사 분의 일인 DT/4에서는 간섭무늬 주기가 원래의 격자에서의 값의 절반에 해당하는 p/2가 된다. 그리고 그 절반(DT/8의 탈봇 거리)에서의 간섭무늬 주기는 p/4가 된다. 따라서, 빔 분할기의 적절한 선택이 이루어진다면 10나노미터의 피치에서의 구조는 40나노미터의 주기를 갖는 빔 분할 격자를 사용하여 본 발명에 따라 효과적으로 조사될 수 있다.
상황에 따라 피검체 자체가 빔 분할 격자로서 기능할 수 있음을 또한 유의해야 한다. 구리로 제조된 TSV는 X-선에 대해 위상 천이를 도입할 수 있고 주기적 TSV로 구성된 피검체는 적절한 간섭성을 가진 조명과 함께 빔 분할 격자로서 사용될 수 있다. 이를 통해 생성된 간섭 패턴 자체는 다른 피검체 또는 광학 소자와 추가적인 상호 작용을 할 필요 없이 TSV의 다양한 특성을 추론하는 데 사용할 수 있다.
3.3. 장치로서의 실시 예.
추가적으로 장치는 상기의 방법에 기반한 측정을 구현하도록 구성될 수 있다. 측정, 특성화(예를 들어 계측 혹은 검사) 및/또는 분석 장치와 관련한 본 발명의 실시 예는 다음을 포함할 수 있다:
a) 충분한 간섭성의 X-선 발생기를 포함하는 X-선 광원 시스템 또는 흡수 격자 등의 다른 소자와 함께 사용 시 충분한 공간 간섭성을 갖게 되는 X-선 광원;
b) 충분한 공간 간섭성의 X-선으로 조사 시 탈봇 간섭 패턴을 형성하는 바람직한 투과 기하 형태의 회절 격자와 같은 주기적 회절 광학 소자;
c) 해당 업계에 공지된 위치 감응 검출기(position-sensitive detector) 또는 해당 업계에 공지된 X-선 분광기와 같이 얻고자 하는 관심 대상의 X-선 정보에 의존하는 유형의 하나 이상의 X-선 검출기-분석기 시스템;
d) 간섭 패턴에 대하여 검사할 피검체의 주기적 특징을 정렬하는 수단,
e) 검출된 신호를 기록하는 수단; 및
f) 기록된 신호를 분석하는 수단.
탈봇 효과를 얻기 위하여 X-선 광원 시스템은 충분한 간섭성의 X-선 조명을 제공해야 하며 이는 고체 표적 또는 액체 금속 분사(liquid metal jet) 표적을 사용하는 높은 밝기의 미세초점/나노초점(nanofocus) 광원을 포함하여 해당 업계 숙련자에게 이미 공지된 방법에 의해 이루어질 수 있다. 또는, 광원은 상기에 설명된 바와 유사한 미세구조의 양극 또는 선형 축적하는 서브 광원을 포함할 수 있다.
본 발명의 여러 실시 예에서는 회절 소자(가급적 위상 유형의 주기적 격자)를 사용하여 한 방향에서의 탈봇 간섭무늬 또는 서로 직교하는 두 방향에서의 간섭 패턴을 생성하는 수단이 사용된다. 회절 소자는 격자 라인을 통과하는 X-선의 위상을 전진 또는 지연시켜 X-선 빔을 분할하는 위상 천이 부분을 포함하거나 흡수성의 특성을 지닌 회절 격자일 수 있으며, 그 결과 진폭, 위상, 또는 결과 파면의 진폭과 위상 모두에 대해 주기적 공간 변조가 발생될 수 있다.
도 24에 도시된 구성 요소를 포함할 탈봇 기반 검사(probing) 방법을 이용한 계측 또는 특성화 장치의 여러 실시 예에서 시스템은 통상적으로 다음을 포함한다:
X-선(888)을 발생시키는 X-선 광원(002),
주기 p1의 X-선 빔 분할기를 포함하는 회절 소자(210),
검사할 피검체(2400)를 분수 또는 정수의 탈봇 거리에 위치하도록 이동하고, 또한 주기적 탈봇 간섭무늬에 대하여 피검체의 주기적 구조가 소정의 방식으로 배치되도록 정렬하는 제어기(controller)(265)에 의해 배치되거나 제어될 수 있는 샘플 홀더(sample holder)(264) 및
X-선 검출기/분석기 시스템(290).
상기 실시 예에서 X-선 광원(002)은 생성될 높은 대조(예를 들어 20%보다 높은 대조도)의 탈봇 간섭무늬에 대해 충분한 간섭성의 X-선을 발생시켜야 한다. 이 X-선 광원은 높은 밝기의 미세초점/나노초점 광원, 또는 작은 초점의 액체 금속 분사 광원, 또는 도 7에 도시된 바와 같이 작은 간섭성의 X-선 광원 배열을 생성하기 위해 전면에 배치된 다중 슬릿 격자(흡수 격자)(308)를 포함한 확장 광원(300) 등의 종래의 X-선 광원일 수 있다. 혹은, 광원이 높은 열 전도성의 제2재료(1000)에 함입된, 원하는 특성의 X-선을 생성하는 물질 또는 물질들을 포함하는 미세구조(700)의 선형 또는 2차원 배열로 구성된 X-선 발생기(002)일 수 있다. 이러한 광원의 예는 이미 상기에서 설명되었으며, 앞서 언급한, 본 발명의 발명자가 선형 축적을 이용한 X-선 광원(X-RAY SOURCES USING LINEAR ACCUMULATION)의 명칭으로 출원한 미국 특허 출원에 더욱 상세히 설명되어 있다(미국 특허 출원 제14/490,672호 2014년 9월 19일자 출원).
도 44는 개시된 X-선 특성화 장치의 실시 예의 개략도이다; 도시된 X-선 특성화 시스템은 XRF, XRD, 영상, SAXS를 포함하는 관심 대상의 X-선 정보의 임의의 조합을 얻는 데 사용할 수 있다. 도 44는 X-선 발생 물질로 이루어진 미세구조(700)를 포함한 기판(1000)으로 구성된 미세구조의 양극 광원을 포함한다. 높은 공간 간섭성의 X-선 빔(888)은 상기 광원(002)으로부터 거리 L1만큼 떨어진 위치의 회절 격자(210)를 조사한다. 격자 하향의 탈봇 거리 L2에 피검체를 배치하여 피검체의 관심 영역 또는 특징(2420)이 탈봇 강도 패턴의 배와 정렬되도록 한다. 참고로, 이러한 영역의 주기성 p2는 회절 격자의 주기성 p1과 다음의 관계를 갖는다.
상기 식에서 Sφ는 배율 계수(위상 타입의 회절 격자인 경우, 위상 천이가 π/2이면 Sφ 는 1이고 위상 천이가 π이면 Sφ 는 1/2이다.)로 격자의 유형뿐만 아니라 탈봇 거리에 의해 결정될 수 있다.
또한, 일부 실시 예에서 회절 소자는 위상 격자이며 분수 또는 정수 형태의, 예를 들면 π/4, π/2, π 또는 3/2π 등의 π천이가 일어날 수 있도록 가장 바람직하게 설계된다. 상기 방법과 마찬가지로, 샘플은 가급적 회절 소자 하향의 분수 또는 정수 형태의 거리에 위치한다. 추가의 실시 예는 임의로 조합된 하나 이상의 상기의 기능을 포함할 수 있다. 이는 추가 검출기와 포함 또는 제거할 수 있는 광학 소자를 사용하여 이루어질 수 있다. 이러한 다목적 계측 시스템을 위한 광원 및 검출기 구성의 예는 미국 특허 No. 7,551,719 (Boris Yokhin et al.)에 제시되어 있다.
3.4. 소각 X-선 산란 (SAXS)을 이용한 실시 예 장치.
도 45와 도 46은 개시된 장치의 주기적 마이크로빔을 사용하여 관심 대상의 영역 또는 특징으로부터 소각 X-선 산란 정보를 취득하는 본 발명의 실시 예의 개략도를 나타낸다.
이 실시 예에서 X-선 광원(002)으로부터 발생한 간섭성의 X-선(888)은 위상 격자(210-1-90)를 조사한다. 선택적 개구 또는 시준 시스템(예를 들어 하나 이상의 개구 또는 슬릿)이 위상 격자의 전후에 배치될 수 있다. 상기 X-선(888)은 상기 격자(210-1-90)와 상호 작용한 후 탈봇 간섭 패턴(888-T)을 형성한다. 주기적 구조를 포함한 피검체(2400)는 관심 구조(2420)가 탈봇 패턴의 배와 일치하여 소각 X-선 산란을 생성할 수 있도록 정렬된다. 산란된 X-선(889)은 검출기(290)에 의해 검출되는데, 대개 해당 업계에 공지된 위치 감응 유형의 검출기가 사용된다. 산란되지 않은 1차 X-선(primary X-ray) 투과의 검출을 차단하기 위해 X-선을 흡수하는 영역(424)의 선택적인 빔 스톱(beam stop)(422)이 사용될 수 있다. 본 발명의 일부 실시 예의 경우, 50 밀리라디안까지의X-선 소각 산란(898)은 검출기에 의해 검출될 수 있으며 0라디안부터 상기 시스템의 기하학적 배치에 의해 지정된 각도까지의 범위에 해당하는 각은 빔 스톱(422)에 의해 차단될 것이다. 예를 들어, 검출기가 피검체로부터 1미터 떨어져 있고 전체 조명 면적이 직경 100 마이크론인 경우, 바로 투과된(산란되지 않은) 모든 X-선을 제거하기 위해서 빔 스톱은 0 밀리라디안부터 최소 0.1 밀리라디안 또는 이보다 큰 값을 가질 수 있는 각까지 차단해야 한다. 일부 실시 예에서 빔 스톱(422)는 상기 검출기에 가깝게 위치한 단일의 균일한 빔 스톱으로 대체되며 바로 투과된 X-선을 정지시키도록 설계된다.
일부 실시 예에서 검사 대상인 피검체(2400)는 마운트에 장착될 수 있고 스테이지, 5축 마운트(505) 또는 측각기(goniometer)에 의해 회전 또는 병진이동될 수 있다.
탈봇 간섭 패턴의 발산, 시준 혹은 수렴은 X-선 빔이 시준된 정도와 피검체가 광원으로부터 떨어진 거리에 따라 결정되므로, 도시된 상기의 실시 예는 축척에 따르지 않음을 유의해야 한다.
3.5. X-선 형광을 이용한 실시 예 장치.
도 47은 개시된 장치를 사용하여 검사할 피검체 내 주기적 영역으로부터 X-선 형광 정보를 취득하는 본 발명의 일 실시 예의 개략도이다. 이 실시 예에서 기하학적 구성은 전체 X-선 형광(TXRF)의 구성과 일치하도록 이루어진다. 앞서 설명된 실시 예에서와 같이 X-선 광원(002)은 위상 격자(210)를 조사하고 격자(210)와 상호 작용한 후 탈봇 간섭 패턴(888-T)를 형성한다. 주기적 구조(2420)를 포함한 피검체(2400)는 관심 구조(2420)가 탈봇 패턴의 배와 일치하여 X-선 형광을 생성할 수 있도록 정렬된다. 도시된 바와 같이 탈봇 간섭무늬는 피검체의 물질에 대해 스침 각에 근사한 각 θ로 피검체(2400)와 만나는데, 다른 입사각 역시 사용될 수 있다. 그 다음, X-선 형광(887)은 피검체로부터 소정 거리만큼 떨어진 위치의 검출기(290-F)에 의해 검출된다.
도시된 바와 같이 탈봇 간섭 패턴은 공간 체적을 채우는 3차원 구조이며 따라서 피검체의 주기적 구조는 동일한 탈봇 거리에 위치하지 않는다. 보다 실질적인 실시 예에서는 탈봇 패턴이 시트(sheet) 형태이며 1차원 라인의 X-선으로 피검체를 조사하는 2차원 탈봇 패턴을 사용할 수 있다. 따라서, 모든 특징이 빔 분할 격자로부터 동일한 거리에 있으므로 주기적 구조가 모두 동일한 탈봇 간섭무늬에 의해 조사될 수 있다.
일부 실시 예에서는 스테이지, 5축 마운트, 혹은 측각기를 사용하여 검사할 피검체(2400)를 회전 또는 병진이동할 수 있다.
상기 실시 예의 변형 예에서는 빔 분할기를 조사하고 피검체에 입사하는 탈봇 간섭 패턴을 형성하기 위하여 미세구조 광원, 선형 축적되는 서브 광원으로 구성된 광원, 미세초점 광원 또는 다중 슬릿과 결합한 확장 광원 등의 X-선 광원 시스템을 사용할 수 있다. 광원과 빔 분할기 사이에 선택적으로 광학 및 단색화 장치를 배치할 수 있다. 상기 시스템은 수평 또는 수직 방향일 수 있다. 작은 입사각 θ로 나타나거나 90°와 같거나 가까운 입사각을 갖도록 지향될 수 있다. 검출기는 샘플에서 방출되는 X-선 형광을 수집하거나 혹은 광학 장치 또는 다중층에 의한 반사 후 형광 신호를 수신하도록 오프셋(offset)될 수 있다. 검출기는 실리콘 드리프트 검출기(silicon drift detector), 신틸레이션 검출기(scintillation detector), 비례 계수기(proportional counter)와 같이 파장 혹은 에너지에 감응하는 유형일 수 있다.
일부 실시 예에서 검출기는 피검체를 기준으로 X-선 광원과 같은 쪽에 위치할 수 있다. 이 구성에서 검출기는 중앙을 관통하는 구멍을 갖는 실리콘 드리프트 검출기가 선호되지만, 에너지 또는 파장 감응 분광기가 사용될 수 있다. 선택적인 X-선 광학 소자는 빔 분할 격자 하향의 탈봇 거리에 배치되어 선택적으로 사용될 수 있으며 타원형 모세관 소자(monocapillary)와 같은 반사형 모세관 X-선 광학 소자가 선호된다. 혹은, 광학 소자 대신에 개구 또는 시준 장치를 사용할 수 있다. 시준되거나 집속되는 X-선은 주기적 영역에서 피검체를 조사한다. 그 다음, 피검체 가까이에 위치한 검출기를 이용하여 피검체에 의해 발생한 형광 X-선을 수집하고 이를 연구하여 수집한 입체각을 최대화한다. 본 발명의 실시 예에 적용된 X-선 광학 소자와 구성 요소 및 시스템은 본 발명의 발명자가 출원한 높은 플럭스와 높은 플럭스 밀도를 가진 X-선 조명기(X-RAY ILLUMINATORS WITH HIGH FLUX AND HIGH FLUX DENSITY)의 명칭으로 동시계류중인 미국 특허 출원(출원 번호 제14/544,191호, 2014년 12월 5일자 출원)과 본 발명의 발명자가 출원한 X-선 표면 분석 및 측정 장치(X-RAY SURFACE ANALYSIS AND MEASUREMENT APPARATUS)의 명칭으로 출원한 미국 특허 출원(출원 번호 제14/634,834호, 2015년 3월 1일자 출원)에 더욱 상세히 설명되어 있으며, 상기의 출원 모두 여기에서의 인용에 의해 그 전체 내용이 본원에 통합된다.
3.6. X-선 반사를 이용한 실시 예 장치
본 발명의 다른 실시 예에서는 검사 중인 피검체 내의 주기적 영역으로부터 X-선 반사에 대한 정보를 얻는 데 본원에 개시된 장치를 사용한다. 이 예에서 기하학적 구성은 X-선 반사(XRR) 구성과 일치하도록 이루어진다. 앞서 설명된 형광 실시 예와 마찬가지로, X-선 광원은 위상 격자를 조사하고 격자와 상호 작용한 후 탈봇 간섭 패턴을 형성한다. 앞서 설명된 실시 예의 일부와 마찬가지로, 탈봇 간섭 패턴에 대한 소정의 파면 프로파일(수렴, 발산 또는 시준)을 생성하기 위해 집속 또는 시준 시스템을 선택적으로 사용할 수 있다. 이러한 집속 또는 시준 시스템은 필터나 단색화 등을 위한 소자를 포함하여 추가적으로 대역폭을 제한하거나 단색화할 수 있다. 집속 시스템은 또한 위상 격자 전후(가급적 탈봇 거리만큼 떨어진 위치)에 배치될 수 있다.
주기적 구조를 포함한 피검체는 관심 구조가 탈봇 패턴의 배와 일치하도록 정렬되고 X-선은 주기적 구조의 조사된 표면으로부터 반사된다. 그리고 반사된 X-선은 피검체로부터 소정 거리만큼 떨어진 위치의 검출기에 의해 검출된다.
3.7. X-선 회절을 이용한 실시 예 장치.
도 48은 주기적 구조 또는 관심 특징으로부터 X-선 회절(XRD) 정보를 얻기 위해 개시된 장치의 주기적인 마이크로빔을 사용한 본 발명의 일 실시 예를 도시한 개략도를 나타낸다. 투과 기하의 형태를 갖는 X-선 회절의 실시 예의 한 예가 도 48에 도시되어 있으며 다른 실시 예는 스침 각/반사 기하의 형태를 가질 수 있다.
도 48의 실시 예에서 X-선 광원(002)(미세구조의 양극 광원으로 도시되어 있지만, 광원 격자를 포함한 확장 광원이나 충분한 간섭성의 기타 X-선 발생기를 대신 사용할 수 있음)은 위상 격자(210)를 조사한다. 개구 혹은 시준 시스템(예를 들어 하나 이상의 개구 또는 슬릿)을 위상 격자 전후에 선택적으로 배치할 수 있다. X-선(888)은 상기 격자(210)와 상호 작용한 후 탈봇 간섭 패턴(888-T)을 형성한다. 주기적 구조(2420)를 포함하는 피검체(2400)는 관심 구조(2420)가 탈봇 패턴의 배와 일치하도록 정렬되어 X-선 회절(898-D)을 발생시킨다. 회절된 X-선(898-D)은 대개 해당 업계에 잘 공지된 위치 감응 타입인 검출기(290-D)에 의해 검출된다. 회절되지 않은 1차 X-선의 투과의 검출을 차단하기 위해 X-선을 흡수하는 영역(424)의 빔 스톱(422)이 선택적으로 사용될 수 있다.
3.8. 실시 예의 조합.
상기에서 소각 X-선 산란과 X-선 형광, X-선 반사 및 X-선 회절과 관련된 신호를 생성하기 위해 탈봇 간섭무늬와 같은 주기적으로 구조화된 조명을 사용한 장치에 대해 설명하였지만, 상기의 측정 시스템들은 상호 배타적이지 않으므로 이들을 조합하여 순차적으로 또는 동시에 정보를 수집할 수 있다. 본원에 제시된 설명은 제한되지 않으며 상기 실시 예의 조합은 해당 업계 종사자들에 명백할 것이다.
4. 격자의 제작.
본 발명의 실시 예에서 사용된 격자는 Christian David의 [C. David et al., "Fabrication of diffraction gratings for hard x-ray phase contrast imaging", Microelectron. Eng. 84, 1172-1177, 2007]에서 이전에 설명된 바와 같이 공지된 종래의 제조 공정을 사용하여 제작될 수 있다.
X-선 격자는 지형적으로 식각의 정도가 다른 실리콘 기판을 사용하여 제작될 수 있는데, 이러한 실리콘 기판을 사용 시 위상 변화와 금(Au, Z=79) 등의 Z가 높은 물질의 증착을 유도하여 X-선의 흡수를 변화시킬 수 있다.
식각(etching)하여 수직 입사각으로 떨어지는 X-선에 대해 주기적인 위상 천이를 유도하는 구조를 생성할 수 있다. 위상 천이는 식각 깊이에 따라 달라지는데, 다음의 조건이 만족될 때 수직으로 입사한 X-선에 대한 위상 천이값은 π 라디안이다:
여러 X-선 에너지에서의 실리콘의 δ값은 π 라디안의 위상 천이를 위해 필요한 식각 구조의 깊이와 함께 표 4에 나타나 있다.
통상적인 격자 제조 공정은 감광제로 지향된 실리콘 웨이퍼를 코팅하고 종래의 포토리소그래피, 집속 이온빔 리소그래피 또는 전자빔 리소그래피를 이용하여 감광제를 패터닝하는 것을 포함한다. 그 다음, 실리콘은 예를 들어 수산화 칼륨(KOH) 용액에서의 습식 식각(wet etching) 또는 반응성 이온 식각(RIE) 등의 식각 공정을 거치는데, 식각은 감광제에 의해 마스크되지 않은 부분에만 선택적으로 이루어진다. 식각 공정의 시간을 조정하여 식각 깊이를 제어할 수 있다. 식각 공정의 다른 변형 예는 반도체 공정과 제조 업계의 종사자들에게 공지되어 있다.
| X-선 에너지 (keV) | 파장 λ(nm) |
δ | π 위상 천이 깊이 (μm) |
| 3.0 | 0.413 | 5.43E-05 | 3.81 |
| 5.0 | 0.248 | 1.98E-05 | 6.26 |
| 8.048 (Cu Kα) | 0.154 | 7.58E-06 | 10.17 |
| 10.0 | 0.124 | 4.89E-06 | 12.69 |
| 17.48 (Mo Kα ) | 0.0709 | 1.59E-06 | 22.36 |
| 30.0 | 0.0413 | 5.36E-07 | 38.52 |
| 50.0 | 0.0248 | 1.93E-07 | 64.31 |
| 59.39 (W Kα) | 0.0209 | 1.37E-07 | 76.32 |
| 100.0 | 0.0124 | 4.82E-08 | 128.74 |
π 라디안의 실리콘 위상 천이에 대한 식각 깊이이다.
G2에 사용된 것과 같은 흡수 격자는 앞서 설명된 바와 같이 우선 실리콘 위상 격자 틀을 만들고, 실리콘에 이미 패터닝된 그루브(groove)에 금 등의 X-선 흡수 물질을 증착하여 제작할 수 있다. 도 50에 도시된 바와 같이 상당 수준의 금과 같은 X-선 흡수 물질(3030)이 실리콘 기판(3000) 내 생성된 그루브를 채운다. 금을 실리콘 그루브에 증착시키는 공정은 표준 전기 도금 공정을 포함한다. 금이 그루브에만 증착되도록 먼저 알루미늄 희생층(sacrificial layer)을 일정 각도로 증착시키고 그 다음 크롬(Cr)과 금(Au)을 포함한 약 50 nm의 두께의 시드 층(seed layer)을 증착시킨다. 실리콘 구조의 상부에 증착된 모든 물질은 인산 처리를 통해 제거되고 그 결과 시드 물질은 실리콘 내 그루브 하부에만 존재하게 된다. 증착된 시드 층에서만 금의 양이 증가하도록 하는 표준 전기 도금이 뒤따를 수 있다. 수백 마이크론에 해당하는 금을 증착하면 75% 이상의 투과 변조를 갖는 흡수 격자를 생성할 수 있다. 그러나 도 1과 도 39에 도시된 바와 같이 X-선 흡수는 X-선 에너지와 물질의 흡수 계수에 따라 결정될 것이다. X-선 흡수 격자를 만드는 다른 방법들은 해당 업계 종사자들에게 공지되어 있다.
일부 응용 및 특정 X-선 파장의 경우, 결정 격자 또한 사용될 수 있다.
5.0 검출기 특성.
검출기는 X-선 영상을 형성하는 데 사용되는 다양한 검출기 중 하나일 수 있다. 일반적으로 사용되는 X-선 검출기 유형은 X-선에 노출 시 가시광선 광자를 방출하는 요오드화세슘(CsI), 탈륨 도핑된 요오드화세슘, 이트륨 알루미늄 가넷(YAG), 또는 가돌리늄 설폭실레이트(GOS) 층으로 구성된 형광성 스크린 또는 신틸레이터를 포함한다. 그리고 가시광선 광자는 전자 센서에 의해 검출되는데, 전자 센서는 가시광선 강도를 전자 신호로 변환하며 종종 형광 스크린에 의해 방출된 광자의 강도 패턴을 확장하고 확대하는 가시광학 장치를 사용하여 릴레이(relay) 영상을 추가적으로 형성한다. 릴레이 광학 장치를 사용하므로 전자 검출기는 자체에 고 해상도 센서를 포함할 필요가 없으며, 예를 들면 각 픽셀이 24 μm x 24 μm 스퀘어(square) 인 1024 x 1024 픽셀의 저렴한 상용 CCD 검출기 또는 상보형 금속 산화 반도체(CMOS) 센서 배열을 사용할 수 있다.
신틸레이터 물질 층이 종래의 광학 이미지 센서의 배열에 근접하게(또는 코팅되어) 배치된 상용 플랫 패널 디지털 X-선 센서는 예를 들어 캘리포니아 팔로알토의 Varian Inc.와 메사추세츠 빌레리카의 General Electric, Inc. 에서 제작된다. 이미지 센서의 기타 구성 요소는 해당 업계 종사자들에게 공지되어 있을 수 있다. 검광기 격자 G2가 사용된 실시 예에서는 의료 및 산업용으로 사용되는 플랫 패널 검출기와 같이 매우 효율적이고 판독(read-out)이 빠른 검출기를 사용하는 것이 바람직하다. 많은 응용 분야에서, 20마이크론보다 높은 해상도의 플랫 패널 검출기는 탈봇 간섭무늬 주기와 동일한 주기의 검광기 격자 G2가 검출기 전의 X-선 빔 경로에 배치된다는 조건을 필요로 한다.
두번째 방법은 예를 들어 비정질 셀레늄(a-Se) 내에 직접 전자-정공 쌍을 생성하여 X-선의 흡수에 대해 직접적으로 전기 신호를 생성하는 전자 센서를 사용하는 것이다. 이들은 곧 박막 필름 트랜지스터(TFT)에 의해 전자 신호로 변환된다. 일본 교토의 Shimadzu Corp.에서 출시한 Safire FPD와 같은 이러한 직접형 플랫 패널 검출기(FPD)는 상용화되어 있다.
6.0. 변형
실시 예는 원하는 X-선 에너지 대역폭을 얻기 위한 스펙트럼 필터와 시스템의 모든 다양한 구성 요소에 대한 위치 제어 시스템 등의 탈봇 간섭계에 통상적으로 포함된 다른 구성 요소를 추가로 포함할 수 있다.
본 개시 내용에 사용된 특정 용어는 격자판 또는 격자와 같이 해당 업계 종사자들에게 잘 공지되어 있음을 유의해야 한다. 여기의 설명에서 격자판과 격자는 혼용하여 사용할 수 있는 용어이며 특정 격자판, 주기 또는 패턴에 제한되지 않는다.
마찬가지로, 본 개시 내용에서 사용된 특정 용어는 탈봇 간섭무늬, 간섭 패턴, 또는 "카펫"과 같이 해당 업계 종사자들에게 잘 공지되어 있음을 유의해야 한다. 여기의 설명에서 간섭 패턴, 간섭무늬 또는 "카펫"은 혼용하여 사용할 수 있는 용어이며 특정 강도 패턴에 제한되지 않는다.
마찬가지로, 상기의 방법과 시스템은 주기적 구조에 사용하기 위한 것이지만 유용한 이득을 얻기 위해 구조가 균일하게 주기적일 필요가 없음을 유의해야 한다. 배열의 행 또는 열이 누락된 격자선 구조는 준주기적 구조(quasi-periodic)와 마찬가지로 직접 자기조립(directed self-assembly), DSA)과 같은 유용한 신호를 제공할 수 있다. 구조의 일부가 일반적으로 어느 정도의 주기성을 갖는 한, 본 발명의 방법과 시스템을 사용할 수 있다.
본원에서는 발명자들에 의해 고안된 최상의 모드를 포함한 본 발명의 여러 실시 예가 개시되어 있다. 특정한 실시 예가 제시되어 있지만 일부 실시 예에서만 자세히 논의된 구성 요소는 다른 실시 예에 또한 적용될 수 있다는 점에 유의한다.
특정 물질, 설계, 구성 및 제작 단계가 본 발명 및 바람직한 실시 예를 설명하기 위해 제시되었지만 이러한 설명은 제한하려는 의도가 아니다. 수정 및 변경은 해당 업계 종사자들에게 명백할 것이며, 본 발명은 첨부된 청구항의 범위에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.
Claims (28)
- 주기적 구조를 갖는 피검체를 검사하는 방법에 있어서,
탈봇 간섭 패턴이 형성될 체적을 결정하고, X-선 광원 및 X-선 빔 분할 격자를 사용하여 상기 탈봇 간섭 패턴을 형성하는 단계;
상기 주기적 구조를 상기 체적 내에 배치하는 단계;
탈봇 간섭 패턴을 형성하는 단계;
피검체의 주기적 구조를 상기 탈봇 간섭 패턴의 배와 정렬하는 단계; 및
상기 탈봇 간섭 패턴과 피검체의 상기 주기적 구조의 상호작용에 의한 X-선 신호를 검출하는 단계
를 포함하는 주기적 구조 검사 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 X-선 신호는, 상기 주기적 구조를 투과한 X-선으로부터 발생하는 주기적 구조 검사 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 X-선 신호는, 소각 X-선 산란, X-선 형광, X-선 반사 및 X-선 회절
을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 현상에서 발생하는 주기적 구조 검사 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 X-선 광원은, 미세초점 광원인 주기적 구조 검사 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 X-선 광원은, 주기적 개구를 포함하는 흡수 격자와 함께 사용되는 확장 광원인 주기적 구조 검사 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 X-선 광원은, 진공 챔버;
전자 빔 방출기; 및
제 1 재료를 포함하고, X-선 발생 특성을 기준으로 선택된 제 2 재료를 포함하는 적어도 복수의 이산형 구조를 함입하며, 상기 복수의 이산형 기판이 주기적 패턴의 서브 광원을 형성하도록 배열된 기판을 포함하는 전자 타겟;
을 포함하는 주기적 구조 검사 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 X-선 빔 분할 격자는, 소정의 X-선 파장에 대해 π 라디안의 위상 천이를 발생시키는 구조
를 포함하는 주기적 구조 검사 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 X-선 빔 분할 격자는, 소정의 X-선 파장에 대해 π/2 라디안의 위상 천이를 발생시키는 구조
를 포함하는 주기적 구조 검사 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 X-선 빔 분할 격자는, X-선 위상 천이 격자의 주기 p1이 X-선 광원으로부터의 X-선의 횡 간섭성 거리보다 작거나 같은 X-선 위상 천이 격자
를 포함하는 주기적 구조 검사 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 제1 재료는, 베릴륨, 다이아몬드, 흑연, 실리콘, 보론 나이트라이드, 실리콘 카바이드, 사파이어, 및 다이아몬드형 탄소;를 포함하는 그룹으로부터 선택되며
상기 제2 재료는, 철, 코발트, 니켈, 구리, 갈륨, 아연, 이트륨, 지르코늄, 몰리브덴, 니오브, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 주석, 이리듐, 탄탈룸, 텅스텐, 인듐, 세슘, 바륨, 금, 백금, 납, 조합 및 합금을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 주기적 구조 검사 방법.
- X-선 계측 시스템에 있어서,
진공 챔버; 전자 빔 방출기; 및 제 1 재료를 포함하고, X-선 발생 특성을 기준으로 선택된 제 2 재료를 포함하는 적어도 복수의 이산형 구조를 함입하며, 상기 복수의 이산형 기판이 주기적 패턴의 서브 광원을 형성하도록 배열된 기판을 포함하는 전자 타겟;을 포함하는 X-선 광원;
X-선의 서브 광원에 의해 발생된 X-선을 회절시키도록 배치된, X-선 위상 격자를 형성하는 주기적 구조를 포함하는 빔 분할 X-선 격자;
빔 분할 X-선 격자로부터 회절된 X-선을 기준으로 마운트를 이동하는 메커니즘을 포함한, 검사할 피검체를 고정하는 마운트 시스템;
마운트 시스템에 장착된 피검체와의 상호작용에 의한 X-선을 검출하도록 배치된, 이차원 배열의 X-선 검출 소자로 구성된 X-선 검출기;
를 포함하는 X-선 계측 시스템.
- 제 11 항에 있어서,
상기 마운트 시스템은, 마운트를 배치하는 메커니즘을 추가로 포함하는 X-선 계측 시스템.
- 제 11 항에 있어서,
상기 X-선 위상 천이 격자는, 소정의 X-선 파장에 대해 π 라디안의 위상 천이를 발생시키는 구조
를 포함하는 X-선 계측 시스템.
- 제 11 항에 있어서,
상기 X-선 위상 천이 격자는, 소정의 X-선 파장에 대해 π/2 라디안의 위상 천이를 발생시키는 구조
를 포함하는 X-선 계측 시스템.
- 제 11 항에 있어서,
상기 빔 분할 X-선 위상 천이 격자는, 소정의 X-선 파장 λ와 표적과 빔 분할 X-선 격자 사이의 거리 L에 대하여 X-선 위상 천이 격자의 주기 p1이 X선 표적의 이산형 구조 중 적어도 하나의 구조에 대한 치수 a와 다음의 관계를 갖는:
X-선 위상 천이 격자를 포함하는 X-선 계측 시스템.
- 제 15 항에 있어서,
상기 X-선 광원에 의해 발생한 X-선은, 빔 분할 격자와 상호작용하여 탈봇 간섭 패턴을 형성하는 X-선 계측 시스템.
- 제 16 항에 있어서,
상기 마운트 시스템은, 반도체 웨이퍼의 적어도 일부분을 고정하도록 설계되는 X-선 계측 시스템.
- 제 16 항에 있어서,
상기 마운트 시스템은, 집적 회로의 적어도 일부분을 고정하도록 설계되는 X-선 계측 시스템.
- 제 16 항에 있어서,
상기 마운트 시스템은, 집적 회로용 패키지 부품의 적어도 일부분을 고정하도록 설계되는 X-선 계측 시스템.
- 제 16 항에 있어서,
상기 마운트 시스템은, 결정 샘플을 고정하도록 설계되는 X-선 계측 시스템.
- 제 16 항에 있어서,
상기 마운트 시스템에 장착된 피검체와의 상호 작용에 의한 X-선은 투과된 X-선인 X-선 계측 시스템.
- 제 16 항에 있어서,
상기 탈봇 간섭 패턴은 전파 방향을 갖고;
마운트 시스템에 장착된 피검체와의 상호 작용에 의한 X-선은 탈봇 간섭 패턴의 전파 방향으로부터 40 밀리라디안 이하의 각도로 산란된 X-선인 X-선 계측 시스템.
- 제 16 항에 있어서,
상기 마운트 시스템에 장착된 피검체와의 상호 작용에 의한 X-선은 형광 X- 선인 X-선 계측 시스템.
- 제 16 항에 있어서,
상기 마운트 시스템에 장착된 피검체와의 상호 작용에 의한 X-선은 회절된 X-선인 X-선 계측 시스템.
- 제 16 항에 있어서,
상기 마운트 시스템에 장착된 피검체와의 상호 작용에 의한 X-선은 반사된 X-선인 X-선 계측 시스템.
- 제 16 항에 있어서, 탈봇 간섭 패턴의 대조도는 20%를 초과하는 X-선 계측 시스템.
- 제 16 항에 있어서,
상기 X-선 검출기는, X-선의 특성과 관련된 전자 신호를 생성하고;
검출기에 의해 생성된 정보를 기록하는 수단
을 추가로 포함하는 X-선 계측 시스템.
- 제 27 항에 있어서,
상기 X-선 검출기는, X-선의 특성과 관련된 전자 신호를 생성하고;
기록된 정보를 분석하는 수단
을 추가로 포함하는 X-선 계측 시스템.
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