相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)是2014年10月29日提交的題為“x-rayinterferometricimagingsystem”的美國(guó)專利申請(qǐng)14/527,523的部分繼續(xù)申請(qǐng)并要求其優(yōu)先權(quán)，該美國(guó)專利申請(qǐng)14/527,523要求下述申請(qǐng)的權(quán)益：2013年10月31日提交的題為“x-rayphasecontrastimagingsystem”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)杗o.61/898,019、2013年11月7日提交的題為“anx-raysourceconsistingofanarrayoffinesub-sources”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?1/901,361、和2014年4月17日提交的題為“twodimensionalphasecontrastimagingapparatus”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)杗o.61/981,098，這些申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。本申請(qǐng)附加地要求下述申請(qǐng)的權(quán)益：2014年5月1日提交的題為“methodsofreducingscatterradiationusingtalboteffect”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?1/987,106、2014年5月7日提交的題為“methodsofimprovingdetectormtfanddqeandreducingscatterbackgroundofanx-rayimagingsystemusingcoherenceeffect”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?1/989,743、和2014年5月12日提交的題為“methodofsingle-shotimagingtoobtainabsorptionanddifferentialphase，and/orscattering，and/orphasecontrastimages”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?1/991,889。本發(fā)明要求下述申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益：2014年5月15日提交的題為“methodoftalboteffectbasedx-rayimagingwithhighimagecontrastanddesignofapparatususingsuch”的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)61/993,811、2014年5月15日提交的題為“methodoftalbot-effectbasedx-raypatternedprobeandcharacterization(metrologyorinspection)apparatusesusingsuch”的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)61/993,792(在此并入作為第67頁(yè)的附錄a)、和2015年5月15日提交的題為“x-raymethodforformeasurement，characterization，andanalysisofperiodicstructures”美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)14/712,917，所有這些申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容在此通過(guò)引用并入本文并且申請(qǐng)人要求其權(quán)益。

在此公開的本發(fā)明的實(shí)施例涉及使用x射線的干涉系統(tǒng)，并且特別是用于觀察周期性結(jié)構(gòu)的干涉測(cè)量、表征和分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用x射線的高亮度相干源，其繼而可以使用包括嵌入在低原子序數(shù)材料的導(dǎo)熱基底中的x射線產(chǎn)生材料的周期性微結(jié)構(gòu)的靶或陽(yáng)極。

背景技術(shù)：

x射線由在1895年當(dāng)他在真空管中進(jìn)行電子轟擊靶試驗(yàn)時(shí)首次發(fā)現(xiàn)[w.c.“eineneueartvonstrahlen”(wurzburgverlag，1896)；“onanewkindofrays，”nature，vol.53，pp.274-276(jan.231896)]。在含鈣(原子序數(shù)z＝20)的骨骼和主要含碳(z＝6)的軟組織的吸收之間的對(duì)比十分明顯，因?yàn)檫@兩種體料在5和30kev之間的x射線能量下的吸收差異相差10倍或更多，如圖1所示。這些高能量的短波長(zhǎng)光子現(xiàn)在常規(guī)地用于醫(yī)療應(yīng)用和診斷評(píng)估，以及用于安全篩檢、工業(yè)檢查、質(zhì)量控制和故障分析，以及用于科學(xué)應(yīng)用比如晶體學(xué)、斷層攝影、x射線熒光分析等。

盡管x射線陰影圖已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)診斷工具，但是存在簡(jiǎn)單吸收對(duì)比成像的問(wèn)題。值得注意的是，對(duì)于諸如乳腺x射線照相術(shù)等的測(cè)試，生物組織中的變化可能僅導(dǎo)致細(xì)微的x射線吸收?qǐng)D像對(duì)比度，使得難以明確檢測(cè)腫瘤或異常組織。

在過(guò)去十年中，基于x射線相位對(duì)比干涉測(cè)量法已經(jīng)出現(xiàn)一種新型的x射線成像方法。該方法依賴于最初在1837年觀察到的眾所周知的talbot干涉效應(yīng)[h.f.talbot，“factsrelatingtoopticalscienceno.iv”，philos.mag.vol.9，pp.401-407，1836]，并由lordrayleigh于1881年詳盡解釋[lordrayleigh，“oncopyingdiffractiongratingsandsomephenomenaconnectedtherewith，”philos.mag.vol.11，pp.196-205(1881)]。

該效應(yīng)在圖2中示出。對(duì)于周期為p的吸收光柵g，來(lái)自具有足夠相干性的波長(zhǎng)λ的單色射束的衍射圖案形成重復(fù)的干涉圖案，其按dt(稱為talbot距離)的倍數(shù)重建原始光柵圖案(被稱為“自成像”)。對(duì)于入射射束是平面波(等效于位于離光柵g無(wú)窮遠(yuǎn)處的光源)的情況，dt由下式給出：

在光柵g與talbot距離之間，也出現(xiàn)其它周期性干涉圖案。talbot條紋的周期性和位置取決于光柵g的透射特性，包括相移量和吸收百分比、以及光柵線對(duì)空間(開口)比或占空因數(shù)。例如，對(duì)于周期性吸收光柵，以半個(gè)光柵周期的橫向移位而重建原始光柵圖案的條紋圖案發(fā)生在talbot距離的一半(dt/2)處，并且周期為原始光柵周期的一半的條紋圖案發(fā)生在talbot距離的四分之一(dt/4)處以及在talbot距離的四分之三(3dt/4)處，如圖2所示。這些二維(2d)干涉圖案有時(shí)被稱為“talbot毯”，因?yàn)檫@些復(fù)雜圖案與華麗的東方地毯相似。[注釋：圖2中的光學(xué)talbot毯的圖像選自bengoodman創(chuàng)建的文件并可獲取自<http://commons.wikimedia.org/wiki/file：optical_talbot_carpet.png>。]

圖3和圖4示出現(xiàn)有技術(shù)的talbot干涉儀，包括x射線288的局部相干源200(示出為微聚焦源)和周期p1的分束光柵g1210，其建立了一組talbot干涉條紋圖案289。應(yīng)當(dāng)注意的是，x射線源的相干長(zhǎng)度優(yōu)選設(shè)定為相當(dāng)于或大于分束光柵g1210的周期p1，使得talbot干涉條紋將具有高的對(duì)比度(如果條紋對(duì)比度例如大于20％，則可以良好地定義talbot條紋)。分束光柵210可以是振幅(也稱為吸收或透射)光柵，從而產(chǎn)生如圖2所示的強(qiáng)度條紋，但更通常為相位光柵，用于有效地使用照射x射線，從而將周期性相移引入到也形成周期性talbot條紋289的x射線圖案。此后，在本申請(qǐng)中，透射光柵將被用來(lái)描述通過(guò)光柵線的x射線透射小于10％的光柵，并且相位光柵將被用來(lái)描述通過(guò)光柵線的相移為π的分?jǐn)?shù)(例如1/2)或奇整數(shù)倍的光柵。

使用x射線檢測(cè)器290檢測(cè)talbot條紋289，x射線檢測(cè)器優(yōu)選具有相等于或更佳于talbot條紋周期的三分之一的空間分辨率和具有高的x射線量子檢測(cè)效率。檢測(cè)器290將x射線強(qiáng)度圖案轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，該電子信號(hào)經(jīng)由連接器291傳送到圖像處理系統(tǒng)295。當(dāng)物體被放置在射束路徑中時(shí)，圖像處理系統(tǒng)295用于處理x射線強(qiáng)度圖案強(qiáng)度信息298，以獲得吸收、相位和散射對(duì)比度圖像。

在實(shí)踐中，檢測(cè)器290(比如平板檢測(cè)器、或耦合了閃爍器(其將x射線轉(zhuǎn)換為可見光)的電荷耦合器件(ccd))的空間分辨率通常是幾十微米或更大的量級(jí)，并且talbot條紋289可能太細(xì)以致不能直接用檢測(cè)器290檢測(cè)。在這種情況下，周期p2的分析光柵g2220經(jīng)常被用來(lái)產(chǎn)生moiré條紋。為記錄一組完整的圖像，所述分析光柵g2220將被移動(dòng)一段相對(duì)于所述檢測(cè)器且正交于光柵周期的預(yù)定距離、以收集在被稱為“相位步進(jìn)”的過(guò)程中的多個(gè)干涉圖案，或較不常見的是，被旋轉(zhuǎn)相對(duì)于g1的一個(gè)小角度、以獲得用于傅里葉分析的在單次圖像中的moiré圖案。然后該圖像被處理以重建波陣面并確定創(chuàng)建它們的物體的形狀、結(jié)構(gòu)和組成。

還應(yīng)當(dāng)注意的是，代替物理移動(dòng)分析光柵220，也可以移位x射線源的位置以創(chuàng)建干涉圖像的平移，該平移允許相移信息的收集。這可以通過(guò)下述途徑從而以電子方式得以實(shí)現(xiàn)：移動(dòng)電子束——其轟擊用作x射線源的x射線產(chǎn)生材料——的位置[參見例如h.miao等人的“motionlessphasesteppinginx-rayphasecontrastimagingwithacompactsource″，proceedingsofthenationalacademyofsciences，vol.110(48)pp.19268-19272，2013]或相對(duì)于分析光柵220的固定位置物理移動(dòng)x射線源。

這些基于光柵的x射線相位對(duì)比成像(xpci)技術(shù)通常被稱為“基于光柵的干涉測(cè)量法”(gbi)。

如至此已說(shuō)明的，光柵干涉儀僅僅產(chǎn)生干涉條紋，這些條紋的分析將揭示已知光柵g1210的結(jié)構(gòu)或照射射束的波陣面。然而，當(dāng)物體被引入到x射線束的路徑中時(shí)，由物體引入的波陣面的變化導(dǎo)致talbot干涉條紋的圖案的對(duì)應(yīng)變化，通常稱為moiré條紋。然后可以使用干涉圖像重建技術(shù)來(lái)分析波陣面并重建表示未知物體的結(jié)構(gòu)的圖像。

在圖5中，這樣示出圖3和圖4的現(xiàn)有技術(shù)的talbot干涉儀：被用作對(duì)于放置在源200與分束光柵g1210之間的生物樣品(在本例情況中為鼠240-m)的成像技術(shù)。來(lái)自相干光源200的x射線288穿過(guò)鼠240-m和分束光柵g1210，并創(chuàng)建一組受擾的talbot條紋289-m。局部相移創(chuàng)建角偏差，該角偏差在由分析光柵g2220和檢測(cè)器290分析時(shí)轉(zhuǎn)化為局部透射強(qiáng)度的變化。針對(duì)分析光柵g2220已經(jīng)被移位多個(gè)預(yù)定位置的情形從x射線檢測(cè)器290收集多個(gè)圖像，這允許干涉圖案289-m的記錄。

如前所述，檢測(cè)器290將x射線強(qiáng)度圖案轉(zhuǎn)變成電子信號(hào)，該電子信號(hào)經(jīng)由連接器291傳送到用于產(chǎn)生帶有吸收、差分相位、相位和散射對(duì)比度信息的一個(gè)或多個(gè)圖像298-m的圖像處理系統(tǒng)295。圖像的數(shù)字處理，包括由具有和不具有被調(diào)查物體的系統(tǒng)所收集的圖像，可以被用于推斷創(chuàng)建它們的物體(包括諸如鼠240-m的物體)的形狀和結(jié)構(gòu)。所記錄的強(qiáng)度振蕩可以由傅里葉級(jí)數(shù)表示，并且利用適當(dāng)?shù)膱D像處理算法，可以提取差分相移和吸收信號(hào)，并且可以合成對(duì)應(yīng)于由物體引起的x射線吸收、相位對(duì)比度和散射的圖像。[參見例如，a.momose等人的“demonstrationofx-raytalbotinterferometry”，jpn.j.appl.phys.vol.42，pp.l866-l868，2003；a.momose于2007年2月20日獲頒的美國(guó)專利no.7,180,979；t.weitkamp等人的“hardx-rayphaseimagingandtomographywithagratinginterferometer”，proc.spievol5535，pp.137-142，2004，和“x-rayphaseimagingwithagratinginterferometer”，opticsexpressvol.13(16)，pp.6296-6304，2005；以及c.kottler和r.kaufmann的美國(guó)專利7,924,973.]。

應(yīng)當(dāng)注意的是，存在其它的配置，其中，物體諸如鼠240-m可放置在分束光柵g1210-a和分析光柵g2220與檢測(cè)器290之間，如圖6所示。使用各種相位和振幅光柵或使用具有較高分辨率像素的檢測(cè)器290而沒(méi)有分析光柵220的其它配置，也可為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知曉。

除了對(duì)鼠的解剖進(jìn)行成像外，相位對(duì)比x射線成像的臨床應(yīng)用也可以在乳房x射線照相術(shù)中找到，其中癌組織的密度可能具有與健康組織不同的相位特性[參見例如j.等人的“phasecontrastx-rayimagingofbreast”，actaradiologicavol.51(8)pp.866-884，2010]，或用于骨骼疾病比如骨質(zhì)疏松癥或骨關(guān)節(jié)炎，其中骨結(jié)構(gòu)的角度取向可以是骨骼疾病的早期指示物[參見例如p.coan等人的“invivox-rayphasecontrastanalyzer-basedimagingforlongitudinalosteoarthritisstudiesinguineapigs”，phys.med.biol.vol.55(24)，pp.7649-62，2010]。

然而，對(duì)于迄今描述的現(xiàn)有技術(shù)配置，x射線功率是一個(gè)問(wèn)題。具有全寬半最大直徑s的x射線源由下式給出：

其中p1是分束光柵g1210的周期并且l是在源200和分束光柵g1210之間的距離，該x射線源是產(chǎn)生高對(duì)比度條紋和moiré圖案的技術(shù)所需要的。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用和系統(tǒng)幾何形狀，這意味著微聚焦源。然而，靶的電子轟擊也導(dǎo)致加熱，并且可實(shí)現(xiàn)的x射線功率受到可落在微點(diǎn)上而不熔化x射線產(chǎn)生材料的最大總電子功率限制。受限的電子功率意味著受限的x射線功率，并且當(dāng)用于例如乳房x線照相術(shù)或涉及活體患者或動(dòng)物的其它診斷測(cè)試時(shí)，通常的x射線靶可實(shí)現(xiàn)的低x射線通量可能導(dǎo)致不可接受的長(zhǎng)暴露時(shí)間?？偟膞射線通量可以通過(guò)在較大面積上分布較高的電子功率來(lái)增加，但是此后源變得較少相干，從而降低了圖像對(duì)比度。

具有更高亮度和足夠通量的相干x射線可以通過(guò)使用同步加速器或自由電子激光器的x射線源來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是這些機(jī)器可能占用覆蓋數(shù)英畝土地的設(shè)施，并且對(duì)于臨床環(huán)境中的使用是不切實(shí)際的。

已展示來(lái)實(shí)現(xiàn)更大x射線功率的一個(gè)創(chuàng)新采用附加光柵g0[參見例如，johnf.clauser于1998年9月22日頒布的美國(guó)專利5,812,629]，這樣的系統(tǒng)在圖7中示出。在該結(jié)構(gòu)中，具有周期p0的源光柵g0308——其通常為x射線透射光柵——被用在x射線源300的前方。在這種情況下，x射線源可以是具有大的入射電子束區(qū)域的高功率擴(kuò)展源(而不是微聚焦源)，其產(chǎn)生更高的x射線總通量。

x射線388穿過(guò)光柵g0308并且從光柵孔口出來(lái)，作為用于分束光柵g1的照射的單獨(dú)空間相干(類似于以上描述的微聚焦源)但互不相干的子源陣列。為了確保g0中每個(gè)x射線子源建設(shè)性地有助于圖象形成過(guò)程，安裝的幾何結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足下述條件：

當(dāng)條件滿足時(shí)，來(lái)自g0的許多孔口的x射線產(chǎn)生相同的(重疊的)talbot干涉圖案，并且由于該各種互不相干源互不干擾，這些talbot圖案將作為強(qiáng)度添加。因此，在檢測(cè)器290處的效果是簡(jiǎn)單地增加單個(gè)相干源可以提供的信號(hào)(以及信噪比)。

這種配置被稱為talbot-lau干涉儀[參見franzpfeiffer等人的“phaseretrievalanddifferentialphase-contrastimagingwithlow-brilliancex-raysources”，naturephysicsvol.2，pp.258-261，2006；并且也在christiandavid、franzpfeiffer和timmweitkamp于2011年2月15日頒布的美國(guó)專利7,889,838中描述]。

圖8示出物體(ic或硅晶片)中的周期性結(jié)構(gòu)的示例，其可以使用本文公開的本發(fā)明的方法檢查。此圖(victorvartanian等人發(fā)表的“metrologyneedsforthrough-siliconviafabrication”j.micro/nanolith.memsmoems13(1)，011206(jan-mar2014)中圖6)示出遍及硅通孔(tsv)的銅的橫截面，這些硅通孔已經(jīng)在tsv的中心用空洞制成。

遺憾的是，talbot-laugbis的現(xiàn)有技術(shù)具有對(duì)于比如半導(dǎo)體器件檢查等大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用的許多限制，包括要求源光柵g0和分析光柵g2具有細(xì)間距和大縱橫比率的孔口。

對(duì)于源光柵g0的要求是，創(chuàng)建精細(xì)的單獨(dú)良好分離的x射線子源，以將由于通過(guò)孔口限定結(jié)構(gòu)的不希望的x射線的透射造成的圖像對(duì)比度的降低最小化。然而，對(duì)于1∶1的線空比(line-to-spaceratio)光柵，簡(jiǎn)單的x射線陰影指示通過(guò)光柵的x射線透射被限制為小于50％，并且當(dāng)包括角度陰影(限制來(lái)自源的x射線到達(dá)物體的角度范圍)時(shí)進(jìn)一步減小。此外，對(duì)于減少對(duì)物體的輻射劑量(對(duì)臨床前期和臨床成像應(yīng)用而言很重要)的g0，最佳線空比更接近3∶1而不是1∶1。在這種情況下，來(lái)自源的x射線的約75％僅由于區(qū)域陰影而被阻擋，并且當(dāng)使用具有大縱橫比的光柵時(shí)，由于角度陰影而產(chǎn)生更大的損失。

對(duì)于分析光柵g2的要求是，要能以足夠分辨率對(duì)talbot干涉條紋采樣，而不損失對(duì)比度。其結(jié)果是，g0和g2光柵都必須既具有小的孔口、而且具有足以將不希望的x射線透射最小化的厚度，這限制了來(lái)自源的x射線的有效利用。此外，來(lái)自分析光柵g2的損失還導(dǎo)致：由于對(duì)相位步進(jìn)多次暴露和導(dǎo)致較低信噪比的x射線的吸收，對(duì)所研究物體為產(chǎn)生具有良好特性的圖像，而造成顯著較高劑量(相對(duì)于無(wú)g2光柵的相同系統(tǒng))。當(dāng)所研究物體是活體動(dòng)物或人時(shí)，電離輻射的較高劑量是不期望的，并且通常是不鼓勵(lì)的。

如果光柵g0的孔口尺寸較大，角度準(zhǔn)直可被減少(雖然不是區(qū)域遮蔽)，使得x射線透射不嚴(yán)重降低，但是這降低了來(lái)自孔口的x射線束下游的空間相干長(zhǎng)度，并導(dǎo)致圖像對(duì)比度的降低。較小的孔口可以通過(guò)提高空間相干性增加可能的圖像對(duì)比度和分辨率，但會(huì)降低系統(tǒng)中的x射線的總數(shù)量，因此需要較長(zhǎng)的暴露時(shí)間。此外，使用較小的孔口，這些精細(xì)光柵變得更難以制造。

該問(wèn)題在試圖使用用于較高能量x射線的talbot-lau干涉儀時(shí)惡化，該talbot-lau干涉儀通常被期望來(lái)獲得通過(guò)物體的足夠透射并減少配給量。通常，如圖1所示，對(duì)于能量大于5kev的x射線，生物組織的x射線吸收遠(yuǎn)遠(yuǎn)較低，并且使用較高能量x射線將多數(shù)量級(jí)地減少潛在的有害電離輻射的吸收劑量。然而，5kev光子具有0.248nm的波長(zhǎng)，并且50kev光子具有小10倍(0.0248nm)的波長(zhǎng)。此外，建立用于這些較高能量較短波長(zhǎng)x射線的吸收光柵如g0和g2可能存在困難，因?yàn)楣鈻诺暮穸缺仨氈笖?shù)級(jí)地增加以對(duì)于較高能量x射線(x射線衰減長(zhǎng)度近似與ekev³成比例)保持相同的吸收因子。

如果希望產(chǎn)生在兩個(gè)正交方向上的相位對(duì)比圖像，使用線性光柵(其可用于僅在一個(gè)維度收集干擾數(shù)據(jù))的talbot-laugbis的前述問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。這通常需要使圖像重建健全且圖像更易于理解，并且因?yàn)樵谝痪S(1d)情況下平行于光柵線的特征通常測(cè)量不太準(zhǔn)確。一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是在兩個(gè)正交方向上執(zhí)行xpci，然后緊接地正確地配準(zhǔn)兩個(gè)數(shù)據(jù)集。除了與成像和配準(zhǔn)過(guò)程相關(guān)的挑戰(zhàn)之外，這種方法可能是不實(shí)用的，特別是當(dāng)用于可能移動(dòng)或只是變得不耐煩的活體受試物、以及在如果必須進(jìn)行兩個(gè)方向上的相位步進(jìn)的情況下將遭受增加的(加倍的)劑量的活體受試物。同時(shí)的二維的xpci將是合乎需要的，特別是如果在單次暴露(照射)和高x射線能量下的數(shù)據(jù)收集可能減少暴露時(shí)間和吸收劑量。

因此，需要一種x射線干涉成像系統(tǒng)，其提供talbot-lau干涉儀的分辨率和探測(cè)能力、但采用更亮的緊湊x射線源、并且理想情況下采用更亮的高能量x射線源，特別是可以提供同時(shí)的二維相位對(duì)比成像。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文公開了用于測(cè)量、表征和分析包含周期性結(jié)構(gòu)的物體的x射線干涉方法。x射線照射的周期性空間圖案被用來(lái)收集關(guān)于周期性物體的信息。可以使用相干的或部分相干的x射線源與分束光柵的相互作用來(lái)創(chuàng)建具有周期性結(jié)構(gòu)的talbot干涉圖案，以創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化照射。然后將要測(cè)量的具有周期性結(jié)構(gòu)的物體放置到該結(jié)構(gòu)化照射中并且與該結(jié)構(gòu)化照射對(duì)準(zhǔn)，并且分析來(lái)自多個(gè)照射點(diǎn)的信號(hào)的集合以確定物體及其結(jié)構(gòu)的各種性質(zhì)。對(duì)于x射線吸收/透射、小角度x射線散射、x射線熒光、x射線反射和x射線衍射的應(yīng)用都可以使用本發(fā)明的方法。

雖然實(shí)施例可利用許多不同的x射線源來(lái)實(shí)現(xiàn)，一個(gè)實(shí)施例可以采用陣列源，其中所述x射線源包括具有布置在周期性陣列圖案中以形成x射線的周期性子源的多個(gè)微結(jié)構(gòu)化x射線產(chǎn)生材料的靶。該系統(tǒng)附加地包括：創(chuàng)建talbot干涉圖案的分束光柵g1，和將二維x射線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的x射線檢測(cè)器。

使用呈talbot干涉圖案形式的結(jié)構(gòu)化照射來(lái)照射周期性物體，這可以通過(guò)使用分束光柵g1來(lái)進(jìn)行，分束光柵g1被設(shè)計(jì)來(lái)按與要檢查物體中的周期性特征相同的間距和特征尺寸來(lái)產(chǎn)生干涉圖案。不同光柵g1可以與不同的物體一起使用。光柵g1可以制造成光刻產(chǎn)生的硅中微結(jié)構(gòu)，并且可以包括一維結(jié)構(gòu)、二維結(jié)構(gòu)或它們的組合。

在一些實(shí)施例中，x射線源靶包括：與低原子序數(shù)材料(諸如金剛石或鈹)的導(dǎo)熱基底緊密熱接觸的x射線產(chǎn)生材料(如鉬或鎢)的多個(gè)微結(jié)構(gòu)。x射線產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)可以呈周期性圖案布置，圖案的每個(gè)周期性元素對(duì)應(yīng)于單個(gè)離散微結(jié)構(gòu)，或者可選地，圖案的每個(gè)周期性元素包括多個(gè)離散微結(jié)構(gòu)。一個(gè)或多個(gè)電子源轟擊通常布置在周期性陣列內(nèi)的多個(gè)x射線產(chǎn)生材料，使得從每個(gè)周期性陣列元件產(chǎn)生的x射線用作用于分束光柵g1的照射的單獨(dú)相干的x射線子源。在一些實(shí)施例中，微結(jié)構(gòu)具有在微米量級(jí)上測(cè)量的側(cè)向尺寸，并且具有在基底材料內(nèi)的電子穿透深度的一半量級(jí)的厚度。在一些實(shí)施例中，微結(jié)構(gòu)形成呈規(guī)則的二維陣列。

本發(fā)明的一個(gè)特別的優(yōu)點(diǎn)是：通過(guò)使用x射線靶可以實(shí)現(xiàn)x射線高亮度和大功率，其中高z物質(zhì)的微結(jié)構(gòu)緊密熱接觸于或嵌入于具有低z材料和高熱導(dǎo)率(例如鈹或金剛石)的基底中。基底從x射線產(chǎn)生材料吸走熱量的能力，允許使用較高的電子密度和功率，從而從每個(gè)子源產(chǎn)生更大的x射線亮度和功率。這導(dǎo)致從高z材料產(chǎn)生單獨(dú)良好分離的空間相干的x射線子源，而使用具有低z和低質(zhì)量密度的基底使得來(lái)自基底的x射線的產(chǎn)生(其導(dǎo)致圖像對(duì)比度降低)最小化。

附圖說(shuō)明

圖1示出碳和鈣的x射線吸收作為x射線能量的函數(shù)的曲線圖。

圖2示出通過(guò)透射光柵產(chǎn)生的現(xiàn)有技術(shù)的talbot干涉圖案。

圖3示出使用微聚焦源的現(xiàn)有技術(shù)的x射線光柵干涉系統(tǒng)。

圖4示出圖3的現(xiàn)有技術(shù)的x射線光柵干涉系統(tǒng)的橫截面圖。

圖5示出用來(lái)形成鼠的x射線造影圖像的圖3的現(xiàn)有技術(shù)的x射線光柵干涉系統(tǒng)。

圖6示出用來(lái)形成鼠的x射線造影圖像的圖3的現(xiàn)有技術(shù)的x射線光柵干涉系統(tǒng)的變型。

圖7示出用來(lái)形成鼠的x射線造影圖像的現(xiàn)有技術(shù)的talbot-lau干涉儀。

圖8示出可以使用本發(fā)明的方法進(jìn)行檢查的周期性物體(在硅晶片中的缺陷tsv)的公開示例。

圖9示出根據(jù)本發(fā)明的x射線干涉成像系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意性橫截面圖。

圖10示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意性橫截面圖。

圖11示出圖10所示的本發(fā)明的實(shí)施例的透視圖，其中x射線靶包括x射線產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)的二維周期性陣列。

圖12示出圖10和圖11所示的本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)的示意性橫截面圖。

圖13示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的透視圖，其中x射線靶包括呈平行線形式的x射線產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)。

圖14示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的透視圖，其中物體(鼠)置于光柵g1和g2之間。

圖15示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)的示意性橫截面圖，其中使用高分辨率檢測(cè)器而沒(méi)有分析光柵。

圖16示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的透視圖，其中物體(鼠)置于光柵g1和檢測(cè)器之間，并且光柵g1包括二維相位結(jié)構(gòu)。

圖17示出在本發(fā)明的一些實(shí)施例中使用的用于分束光柵的“網(wǎng)格狀”二維圖案。

圖18示出在本發(fā)明的一些實(shí)施例中使用的用于分束光柵的“棋盤狀”二維圖案。

圖19示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的透視圖，其中物體(鼠)被放置在源和光柵g1之間，并且光柵g1包括二維相位結(jié)構(gòu)。

圖20示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意性橫截面圖，其中靶被安裝在真空室內(nèi)。

圖21示出圖20所示的本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)的示意性橫截面圖。

圖22示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意性橫截面圖，其中靶被安裝在真空室內(nèi)并且x射線是使用線性累加產(chǎn)生。

圖23示出圖22所示的本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)的示意性橫截面圖。

圖24示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意性橫截面圖，其中兩個(gè)電子束從兩側(cè)轟擊靶。

圖25示出圖24所示的本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)的示意性橫截面圖。

圖26示出在本發(fā)明的一些實(shí)施例中可以使用的靶的透視圖，該靶包括在較大基底上的嵌入式矩形靶微結(jié)構(gòu)格柵。

圖27示出在本發(fā)明的一些實(shí)施例中可以使用的靶的變型的透視圖，該靶包括用于與聚焦電子束一起使用的、在較大基底上的嵌入式矩形靶微結(jié)構(gòu)格柵。

圖28a示出如本發(fā)明的一些實(shí)施例中使用的靶的透視圖，該靶包括嵌入式矩形靶微結(jié)構(gòu)格柵。

圖28b示出圖28a的靶的頂視圖。

圖28c示出圖28a和圖28b的靶的側(cè)視/橫截面圖。

圖29a示出如本發(fā)明的一些實(shí)施例中使用的靶的透視圖，該靶包括形成周期性線性圖案的一組嵌入式矩形靶微結(jié)構(gòu)。

圖29b示出圖29a的靶的頂視圖

圖29c示出圖29a和圖29b的靶的側(cè)視/橫截面圖。

圖30示出對(duì)于圖28a-c所示的靶在靶結(jié)構(gòu)上的變型，其可以由工藝變化產(chǎn)生。

圖31示出對(duì)于圖29a-c所示的靶在靶結(jié)構(gòu)上的變型，其可以由工藝變化產(chǎn)生。圖32示出圖28a-c和/或圖29a-c的靶的一部分的橫截面圖，顯示根據(jù)本發(fā)明在電子束暴露下熱轉(zhuǎn)印到導(dǎo)熱基底。圖33示出圖28a-c、圖29a-c和/或圖32的靶的變型的橫截面圖，其包括根據(jù)本發(fā)明的具有熱量冷卻通道的基底。圖34示出圖28a-c和/或圖29a-c的靶的另一變型的橫截面圖，其包括根據(jù)本發(fā)明的粘合層。

圖35示出圖28a-c和/或圖29a-c的靶的另一變型的橫截面圖，其包括根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)電覆蓋層。

圖36示出圖28a-c和/或圖29a-c的靶的另一變型的橫截面圖，其包括根據(jù)本發(fā)明的埋入式x射線材料。

圖37示出圖28a-c和/或圖29a-c的靶的另一變型的橫截面圖，其包括根據(jù)本發(fā)明的埋入式x射線材料和厚的導(dǎo)熱導(dǎo)電覆蓋層。

圖38示出圖28a-c和/或圖29a-c的靶的另一變型的橫截面圖，其包括在基底的背表面上的附加阻擋結(jié)構(gòu)，以阻擋由基底產(chǎn)生的x射線的透射。

圖39示出金和硅的x射線吸收作為x射線能量的函數(shù)的曲線圖。

圖40a示出對(duì)于1∶1π/2相移光柵的talbot干涉條紋圖案的示例。

圖40b示出對(duì)于1∶1π相移光柵的talbot干涉條紋圖案的示例。

圖40c示出對(duì)于1∶3π相移光柵的talbot干涉條紋圖案的示例。

圖41示出根據(jù)本發(fā)明使用結(jié)構(gòu)化照射來(lái)照射物體的周期性結(jié)構(gòu)的步驟。

圖42示出根據(jù)本發(fā)明、包含周期性結(jié)構(gòu)的物體置于talbot干涉圖案中的放置的橫截面。

圖43示出可用于圖2的talbot圖案的較小周期。

圖44示出根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的橫截面的示意圖，其中包括周期性結(jié)構(gòu)的物體被放置到talbot干涉圖案中。

圖45示意地示出在產(chǎn)生小角度x射線散射的talbot干涉圖案中的物體。

圖46示出根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的橫截面的示意圖，其中在talbot干涉圖案中的物體產(chǎn)生小角度x射線散射。

圖47示出根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的橫截面的示意圖，其中在talbot干涉圖案中的物體在掠入射處產(chǎn)生x射線熒光。

圖48示出根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的橫截面的示意圖，其中在talbot干涉圖案中的物體產(chǎn)生x射線衍射。

圖49示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的x射線相位光柵的可能結(jié)構(gòu)。

圖50示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的x射線吸收光柵的可能結(jié)構(gòu)。

注釋：在本申請(qǐng)中所公開的附圖的圖示通常不按比例示出，并且僅是為了說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功能、以及靶上的微結(jié)構(gòu)之間的不特定關(guān)系和各種光柵周期p1，p2.p3，p4，p5，p6。請(qǐng)參閱說(shuō)明書文本中對(duì)這些物體的尺寸的特定細(xì)節(jié)的描述。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的各種實(shí)施例的描述。

本文公開的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是如圖9所示的x射線相位對(duì)比成像(xpci)系統(tǒng)。該系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)talbot-lau干涉儀有一些相似在于，它包括：建立talbot干涉圖案的周期p1的分束光柵g1210、和通常包括傳感器陣列以將二維x射線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的x射線檢測(cè)器290。

該分束光柵g1210可以是相位光柵或透射光柵，并且可以包括一維周期圖案(線性光柵)，或者可以包括更復(fù)雜的二維結(jié)構(gòu)諸如在兩個(gè)正交方向周期性的格柵。

該系統(tǒng)也可以包括周期p2的分析光柵g2220，其可被放置在檢測(cè)器的前方以形成附加的干涉條紋，如moiré條紋。該系統(tǒng)可以附加地包括：用來(lái)相對(duì)于檢測(cè)器平移分析光柵g2220的裝置225、和將對(duì)應(yīng)于所檢測(cè)到的x射線強(qiáng)度的電子信號(hào)傳送到圖像處理系統(tǒng)295進(jìn)行處理的連接器291。

然而，代替使用擴(kuò)展x射線源和附加光柵g0來(lái)產(chǎn)生多個(gè)x射線源點(diǎn)，如在talbot-lau系統(tǒng)中所做的，本發(fā)明的實(shí)施例使用從電子束轟擊產(chǎn)生x射線188的包括布置呈周期性陣列的多個(gè)x射線產(chǎn)生子源108的x射線源，使得每個(gè)子源是單獨(dú)相干的、但一起作用為用于分束光柵g1的照射的一組互不相干的或部分相干的子源。如利用talbot-lau干涉儀的源光柵和擴(kuò)展x射線源的組合，這些子源108形成由分束光柵g1210創(chuàng)建的、受物體240-m干擾的、并且可被檢測(cè)器290記錄的talbot干涉條紋圖案。如果檢測(cè)器290的空間分辨率具有等于或更佳于talbot條紋周期的三分之一的空間分辨率，檢測(cè)器可以直接記錄條紋。如果使用較低分辨率的檢測(cè)器，也可用分析光柵g2220來(lái)創(chuàng)建moiré條紋，如對(duì)于talbot-lau干涉儀已描述的。

該多個(gè)離散的x射線子源可以比talbot-lau系統(tǒng)的x射線源亮得多。因?yàn)樵撛窗ㄗ韵喔傻囊部赡芑ゲ幌喔傻淖釉?，沒(méi)有必要為衰減透射光柵g0創(chuàng)建來(lái)自擴(kuò)展x射線源的子源陣列。

根據(jù)本發(fā)明的、包括結(jié)構(gòu)化靶中的多個(gè)子源的系統(tǒng)，可被指定為talbot-st干涉儀。

圖10、圖11和圖12示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的更詳細(xì)的圖示，其中使用嵌入在熱傳導(dǎo)基底中的x射線產(chǎn)生材料的微結(jié)構(gòu)形成子源陣列。在本實(shí)施例中，x射線源008照射物體240-m和分束光柵g1210，并且它們形成的干涉圖案由檢測(cè)器290檢測(cè)。

對(duì)于x射線源008，高電壓電源010將電子經(jīng)由引線021提供到真空室002中的電子發(fā)射器011，該真空室002由支撐件003保持于屏蔽殼體005。電子發(fā)射器011朝向靶100發(fā)射電子111。靶100包括基底1000和一區(qū)域，該區(qū)域包括：包括定位在或嵌入或埋入在基底(通常是低z材料，比如鈹、金剛石、碳化硅)中的x射線產(chǎn)生材料(通常是高z金屬材料，比如銅、鉬或鎢)的離散微結(jié)構(gòu)700的周期性陣列。該離散微結(jié)構(gòu)700可以是任何數(shù)量的尺寸或形狀，但一般設(shè)計(jì)成具有至少一個(gè)維度上微米尺寸量級(jí)的側(cè)向尺寸的直四棱柱的周期性陣列，使得來(lái)自每個(gè)微結(jié)構(gòu)的發(fā)射充當(dāng)具有相當(dāng)于或大于分束光柵g1210處的光柵周期p1的空間相干長(zhǎng)度的x射線子源。此外，微結(jié)構(gòu)優(yōu)選具有(如通常正交于靶表面測(cè)量的)基底材料內(nèi)的電子穿透深度的一半的量級(jí)的厚度。

形成x射線子源的微結(jié)構(gòu)700的周期p0按下式與系統(tǒng)中的其它幾何參數(shù)相關(guān)：

其中，l是從x射線子源700到光柵g1210的距離，d是從光柵g1到具有周期p2的檢測(cè)器/分析光柵g2220的距離。在一些實(shí)施例中，d將被設(shè)定為具有高對(duì)比度(可見性)的干涉條紋的talbot距離的分?jǐn)?shù)之一，由下式定義：

其中imax和imin分別是物體不在射束路徑中時(shí)talbot干涉條紋的強(qiáng)度峰值和谷值。

對(duì)于具有π相移的分束光柵的平面波照射(即相當(dāng)于位于無(wú)窮遠(yuǎn)處的x射線源)，該距離d優(yōu)選由下式給出：

其中，dn是對(duì)于平面波照射的talbot距離的分?jǐn)?shù)，λ是平均x射線波長(zhǎng)，并且n被稱作talbot分?jǐn)?shù)階。d的優(yōu)選值取決于分束光柵g1的衰減或相移特性、分束光柵g1的線空比、以及源到光柵的距離l。對(duì)于具有1∶1線空比的π相移光柵，奇整數(shù)talbot分?jǐn)?shù)階n(n＝1，3，5...)優(yōu)選用于確定所述距離d。對(duì)于位于有限距離處的x射線源(例如l不是無(wú)窮大)，d增加至：

talbot條紋周期pf對(duì)于給定的分?jǐn)?shù)階由下式給出：

其中，k是取決于分束光柵g1的衰減或相移特性的參數(shù)。當(dāng)分束光柵是π相移光柵時(shí)k等于1/2，并且當(dāng)分束光柵是π/2相移光柵時(shí)k等于1。

同樣，talbot條紋對(duì)比度在如果使用較小的x射線子源尺寸(即更多空間相干的x射線)的情況下得到改善，其中用于分束光柵g1的節(jié)距p1與子源a的大小和它們之間的距離l相關(guān)，滿足以下要求：

其中，λ是預(yù)定的x射線波長(zhǎng)，其通常將對(duì)應(yīng)于由相應(yīng)的子源產(chǎn)生的單色x射線的波長(zhǎng)、或具有更廣光譜的x射線子源的平均x射線波長(zhǎng)。

在真空室002中，電子111轟擊靶，并且在微結(jié)構(gòu)700中產(chǎn)生熱和x射線888。通常通過(guò)為基底選擇低z材料，從而基底1000中的材料被選擇成使得其相比于x射線產(chǎn)生材料的微結(jié)構(gòu)具有對(duì)于電子的相對(duì)低的能量沉積速率，并因此不會(huì)產(chǎn)生顯著量的熱和x射線。基底1000材料也可以被選擇為具有高導(dǎo)熱性，通常大于100w/(m℃)。x射線產(chǎn)生材料的微結(jié)構(gòu)通常還嵌入在基底內(nèi)，即，如果微結(jié)構(gòu)被成形為矩形棱柱，優(yōu)選是六個(gè)側(cè)面中的至少五個(gè)側(cè)面與基底1000緊密熱接觸，從而使得在微結(jié)構(gòu)700中產(chǎn)生的熱被有效地傳導(dǎo)離開到基底1000中。然而，在其它實(shí)施例中使用的靶可能具有較少的直接接觸表面。在一般情況下，當(dāng)“嵌入”一詞在本公開中使用時(shí)，微結(jié)構(gòu)的表面面積的至少一半將處于與基底緊密熱接觸。

微結(jié)構(gòu)通常將引線022電連接到高電壓源010的正端，以允許靶作為在電氣系統(tǒng)中的陽(yáng)極。或者，靶可以接地而陰極(電子發(fā)射器)是負(fù)電荷的，或者靶可以被連接到正端而陰極接地，只要陽(yáng)極具有比陰極相對(duì)更高的電壓。另外，在一些實(shí)施例中，電子光學(xué)比如靜電透鏡或磁場(chǎng)線圈可以被放置在真空室002的內(nèi)部或外部在電子111的路徑附近或周圍、以進(jìn)一步引導(dǎo)和聚焦電子束。

如所示的靶100可以附加地充當(dāng)真空室002中的窗口，使得x射線產(chǎn)生材料面向真空室的內(nèi)部和電子源，但x射線888也通過(guò)靶100的背側(cè)朝向分束光柵g1210傳播。在其它實(shí)施例中，使用單獨(dú)的窗口，并且也可以使用附加的x射線過(guò)濾器。

x射線888一旦由源008產(chǎn)生，可穿過(guò)可選的快門230、用以獲得具有期望波長(zhǎng)的期望光譜帶寬的x射線光譜濾波器、和要研究的物體240-m。x射線然后從分束光柵g1210(其可以附加地安裝在基底211上)衍射出來(lái)，然后落在分析光柵g2220上(其也可以被安裝在基底221上)。最終的干涉圖案將由陣列檢測(cè)器290檢測(cè)，陣列檢測(cè)器290將對(duì)應(yīng)于x射線強(qiáng)度的電信號(hào)經(jīng)由連接器291提供到圖像處理系統(tǒng)295用于分析。

除了x射線源和干擾檢測(cè)系統(tǒng)之外，還可使用用來(lái)將物體240-m和各種光柵相對(duì)于彼此、相對(duì)于檢測(cè)器、相對(duì)于源進(jìn)行移動(dòng)的裝置。在圖10中，圖像處理系統(tǒng)295還可以經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)231連接到控制置物臺(tái)244(其設(shè)定物體240-m的位置和角度)的裝置245、連接到控制支架214(其設(shè)定分束光柵g1210的位置和角度)的裝置215、連接到控制支架224(其設(shè)定分析光柵g2220的位置和角度)的裝置225、以及可能連接到快門230或?qū)τ诟唠妷弘娫?10的開關(guān)013以允許x射線被移動(dòng)和調(diào)制(比如被打開和關(guān)閉)。圖像處理系統(tǒng)295中的處理器所運(yùn)行的軟件可以控制光柵g1210、g2220、物體240-m的運(yùn)動(dòng)、以及x射線暴露以允許收集為獲得物體240-m的詳細(xì)的振幅、差分相位、相位對(duì)比度、和散射對(duì)比度圖像所需的多個(gè)圖像。

另外的實(shí)施例還可以包括允許電子束被移動(dòng)或調(diào)制的控制件。例如，實(shí)施例可被設(shè)計(jì)成附加地包括將x射線源陽(yáng)極相對(duì)于分析光柵g2進(jìn)行平移的裝置。也可以設(shè)計(jì)其它的實(shí)施例，其允許調(diào)整x射線檢測(cè)器290的位置和角度。

圖13示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中靶100包括基底1000和多個(gè)微結(jié)構(gòu)化的線源701。這些微結(jié)構(gòu)化線子源701通常是在一個(gè)方向上幾微米寬(對(duì)應(yīng)于子源尺寸參數(shù)a，一般在正交于光柵g1210和g2220的線的方向——其對(duì)應(yīng)于圖13的y方向)，但是在平行于線的方向(其對(duì)應(yīng)于圖13中的x方向)上長(zhǎng)得多(例如長(zhǎng)達(dá)1000微米或若干毫米)。作為子源的微結(jié)構(gòu)701的節(jié)距如圖13所示為p0，并且按方程式4與分析器/檢測(cè)器的節(jié)距相關(guān)。

圖14示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中要檢查的物體240-m被放置在光柵g1210和檢測(cè)器290之間。如圖14所示的靶上的x射線產(chǎn)生材料的微結(jié)構(gòu)700包括在兩個(gè)正交方向上布置呈二維周期性陣列的子源，但也可以是滿足分束光柵g1210的相干照射條件的任何周期性陣列，包括格柵狀、網(wǎng)狀、棋盤狀、或其它的周期性結(jié)構(gòu)。

如果光柵包括一維結(jié)構(gòu)，在源靶100中的微結(jié)構(gòu)700僅需要在與g1210和g2220的一維陣列相同的方向上呈周期性(即微結(jié)構(gòu)701的線理想地平行于光柵的線)，但可在垂直方向上具有任意的或非周期性的結(jié)構(gòu)。

圖15附加地示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中沒(méi)有分析光柵g2220，而是檢測(cè)器299具有：擁有在正交于光柵線的方向上等于或更佳于talbot條紋周期的三分之一(1/3)的像素分辨率的高分辨率陣列g(shù)d。利用此分辨率，單個(gè)暴露圖像可被處理以同時(shí)獲得吸收、相位和散射對(duì)比度圖像。這可以有利于：對(duì)于通過(guò)g2220的x射線通常發(fā)生的50％或更多的強(qiáng)度損失得以避免，并且到達(dá)檢測(cè)器的信號(hào)以及信噪比相當(dāng)高。

為了收集對(duì)于物體240-m用于詳細(xì)的振幅、差分相位、相位對(duì)比度、和散射對(duì)比度圖像的計(jì)算的多個(gè)圖像，圖15的實(shí)施例可以附加地包括用于平移檢測(cè)器290的裝置255，所述平移不僅在平行于光柵g1的平面的兩個(gè)側(cè)向方向上、也在沿x射線傳播的路徑所限定的方向上，以確保檢測(cè)器299被放置在talbot距離td的正確倍數(shù)處。

圖16示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中分束光柵g1210-2d包括二維周期性陣列，其可以是透射光柵或相位光柵。當(dāng)使用這種類型的二維分束光柵時(shí)，圖案可以布置呈多個(gè)周期性圖案之任一種，包括網(wǎng)格比如圖17所示的圖案、或如圖18所示的棋盤狀圖案。在這些圖示中，明區(qū)域(clearregion)是無(wú)相移區(qū)域，而圖案化的區(qū)域表示具有相對(duì)相移的區(qū)域。也可以在一些實(shí)施例中使用不同的、或甚至相反的相對(duì)相移，即，明區(qū)域可以是有相移的而圖案化的區(qū)域沒(méi)有。

對(duì)于與具有比平均能量小±15％左右的光譜帶寬的入射x射線束一起使用時(shí)，可能優(yōu)選的是具有π弧度相移和1∶1線空比的分束光柵。對(duì)于與大±15％的光譜帶寬的入射束一起使用時(shí)，可能優(yōu)選的是具有π/2弧度的相對(duì)相移。

在一些實(shí)施例中的分束光柵可具有包括一維條紋的輪廓，比如ronchi輪廓或具有矩形輪廓的結(jié)構(gòu)。暗明條紋之間的相對(duì)相移優(yōu)選被選擇為π或π/2弧度，但也可以是π的任何整數(shù)倍數(shù)或分?jǐn)?shù)；或者，所述暗條紋可以具有低的x射線透射，使得分束光柵是吸收光柵。

圖16示出二維分束光柵g1210-2d與高分辨率檢測(cè)器299相結(jié)合的使用，也如圖15示出。為同時(shí)獲得在兩個(gè)正交方向上差分相位對(duì)比度、相位對(duì)比度、吸收、散射對(duì)比度圖像，幾何參數(shù)——包括x射線源尺寸a、光柵g1210-2d的周期p1和距離l——需要在該兩個(gè)方向上滿足光柵g1的相干照射條件。如前所述，檢測(cè)器299具有在圖像平面中的兩個(gè)正交方向上等于或更佳于talbot條紋周期的1/3的空間分辨率，并且被定位成與talbot條紋圖案對(duì)齊。

具有分束光柵g1210-2d上二維圖案的這種實(shí)施例，也可與先前描述的較低分辨率檢測(cè)器290一起、結(jié)合二維分析光柵g2使用，該二維分析光柵g2可以是在兩個(gè)方向上以任何順序相位步進(jìn)，使得在兩個(gè)正交方向上獲得相位信息。類似于以上g1210-2d的描述，此二維分析光柵g2可以具有任何周期性結(jié)構(gòu)(諸如網(wǎng)格、棋盤)或諸如圓形、三角形、正方形、矩形等結(jié)構(gòu)的二維陣列。

圖19示出類似于圖16的實(shí)施例，只是被檢查物體240-m現(xiàn)在被放置在x射線源和分束光柵210-2d之間。

注意，一些實(shí)施例是一維talbot-yun干涉儀，其中吸收、相位、和散射信息在一個(gè)方向獲得，并且結(jié)合了與在至少在垂直于光柵線方向的方向上呈周期性的(而在其它方向上可能也呈周期性的)微結(jié)構(gòu)化源靶相組合的一個(gè)或多個(gè)一維光柵。其它實(shí)施例是二維talbot-st干涉儀，其中吸收、相位、和散射信息在兩個(gè)正交方向獲得(或使用二維talbot-yun設(shè)定通過(guò)執(zhí)行計(jì)算機(jī)斷層掃描在所有三個(gè)維度上獲得)。

圖20和圖21示出本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中x射線源080包括被支撐在x射線屏蔽殼體050內(nèi)的支架030上的真空室020。源080還包括完全安裝在真空室020內(nèi)的靶100，該靶100包括：基底1000和包含x射線子源700的周期性圖案。如前所述，此實(shí)施例還包括高電壓源010，其具有負(fù)端，該負(fù)端經(jīng)由引線021-a連接到電子發(fā)射器011-a，而正端經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)引線022連接到靶中的微結(jié)構(gòu)，從而允許它們用作陽(yáng)極。

然而，在該實(shí)施例中，靶100包括含有x射線產(chǎn)生材料的x射線子源700的周期陣列的那一表面面向安裝在真空室020的壁中的窗口040，并且電子發(fā)射器011-a被對(duì)準(zhǔn)來(lái)將電子束111-a發(fā)射到靶100的面向窗口040且包括子源700的那一表面上。

圖22和圖23示出本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中完全安裝在真空室020內(nèi)的靶100包括：基底1000和包含x射線子源700的周期性圖案。如前所述，此實(shí)施例還包括高電壓源010，其具有負(fù)端，該負(fù)端經(jīng)由引線021-b連接到電子發(fā)射器011-b，而正端經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)引線022連接到靶中的微結(jié)構(gòu)，從而允許它們用作陽(yáng)極。

然而，在該實(shí)施例中，靶100的包括含有x射線產(chǎn)生材料的x射線子源700的周期陣列的那一表面被定向成使得：由一些微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的x射線朝向其它也產(chǎn)生x射線的微結(jié)構(gòu)傳播，并且來(lái)自多個(gè)微結(jié)構(gòu)700的x射線888-b的線性累加從靶射出。微結(jié)構(gòu)與微結(jié)構(gòu)700之間的距離g從靶中呈現(xiàn)。在傳播方向上微結(jié)構(gòu)之間的距離g和寬度wx應(yīng)足夠小，使得貢獻(xiàn)給累加的x射線的來(lái)自第n個(gè)微結(jié)構(gòu)的發(fā)射可被認(rèn)為是具有方程式9給出的尺寸a的單個(gè)子源，即：

a≥tanθ·(n(g+wx))[方程式10]

其中，a是滿足該系統(tǒng)的相干要求的子源尺寸，并且θ是該系統(tǒng)的視場(chǎng)角度的一半。

x射線源的線性累加，如在本發(fā)明的此實(shí)施例中所使用的，在本發(fā)明的發(fā)明人的題為x-raysourcesusinglinearaccumulation的共同未決的美國(guó)專利申請(qǐng)(2014年9月19日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)14/490,672)中更詳盡描述，其在此通過(guò)引用將其全文并入本文。在以上參考的共同未決的申請(qǐng)中所披露的源的任何設(shè)計(jì)和構(gòu)造，可被考慮用作為在此公開的任一或所有干涉成像系統(tǒng)中的部件。

同樣，圖24和圖25示出利用x射線的線性累加的本發(fā)明的另一實(shí)施例。在本實(shí)施例中，x射線源080包括完全安裝在真空室020內(nèi)的靶2200，該靶2200包括：基底2210和第一組子源707以及第二組子源708。如前所述，此實(shí)施例還包括高電壓源010，但是此高電壓源被連接到結(jié)點(diǎn)010-2，該結(jié)點(diǎn)010-2將高電壓分別經(jīng)由引線021-d和021-e提供到兩個(gè)電子發(fā)射器011-d和011-e。如圖24和圖25所示，第一電子發(fā)射器021-d提供轟擊第一組子源707的電子束111-d，而第二電子發(fā)射器021-e提供轟擊第二組子源708的電子束111-e。第一組子源707和第二組子源708沿x射線成像射束軸所產(chǎn)生的x射線788中的一些相組合來(lái)產(chǎn)生來(lái)自靶2200的x射線2888，其將通過(guò)來(lái)自這兩組x射線子源的x射線的線性累加從而增大。在一些實(shí)施例中，兩組子源707和708之間的間隔可以是小于5毫米、但大于在與穿過(guò)兩個(gè)子源的中心的線相垂直的方向上的源尺寸。子源707和708的周期都可被選擇成使得：分束光柵g1下游的相關(guān)talbot條紋大致重疊。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員也公知的是，包括下述x射線源的本發(fā)明的其它實(shí)施例也是可能的，在所述x射線源中在電子轟擊下靶/陽(yáng)極被移動(dòng)、平移、或旋轉(zhuǎn)來(lái)散布熱負(fù)荷。

注釋：圖10至圖25的圖示并非按比例示出，并且是為了說(shuō)明本發(fā)明的原理和微結(jié)構(gòu)700、靶100和各種光柵周期p1和p2之間的非特定關(guān)系。微結(jié)構(gòu)700，701，707，708等可以具有在尺寸上微米的量級(jí)，而被檢查物體240-m可以是在尺寸上厘米量級(jí)。同樣地，盡管示出了這些，其中具有厘米量級(jí)尺寸的物體(鼠)中被示出，但是所描述的技術(shù)并不限于這樣的物體，而是也可以用于檢查甚至更大的結(jié)構(gòu)或微觀結(jié)構(gòu)，只要對(duì)于檢測(cè)器和干涉儀的其它元件的合適分辨率得以適當(dāng)?shù)貥?gòu)成。

2.x射線靶的制備。

各種靶，如根據(jù)在此公開的本發(fā)明的x射線源中所使用的那些，在本發(fā)明的發(fā)明人的題為structuredtargetsforx-raygeneration的共同未決的美國(guó)專利申請(qǐng)(2014年8月21日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)14/465,816)中詳細(xì)描述，其在此通過(guò)引用將其全文并入本文。在以上參考的共同未決的申請(qǐng)中所披露的靶的任何設(shè)計(jì)和構(gòu)造，可被考慮用作為在此公開的任一或所有x射線源中的部件。

如在本文中和在上述引用的未決專利申請(qǐng)中所描述的，在x射線源中所用的靶可以包括子源的周期性陣列。每個(gè)子源可以包括：與根據(jù)導(dǎo)熱性選取的基底熱接觸的或者優(yōu)選嵌入在基底中的x射線產(chǎn)生材料的單個(gè)或多個(gè)微結(jié)構(gòu)。當(dāng)微結(jié)構(gòu)與具有高導(dǎo)熱性的基底良好熱接觸時(shí)，較高的電子流密度可被用來(lái)產(chǎn)生x射線，因?yàn)檫^(guò)量的熱將被吸走到基底中。該較高的電子流密度會(huì)引起更高的x射線通量，從而引致更高亮度源。如在上述共同未決的專利申請(qǐng)中所描述，具有x射線產(chǎn)生材料的微結(jié)構(gòu)的源可以具有比由相同材料制成的較簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)大10倍以上的亮度。另外的配置(其中多個(gè)子源被對(duì)準(zhǔn)來(lái)促成在同一軸線上的x射線)可通過(guò)x射線子源的線性累加進(jìn)一步使亮度倍增。

還應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)本文中使用詞語(yǔ)“微結(jié)構(gòu)”時(shí)，它是特定地指包括x射線產(chǎn)生材料的微結(jié)構(gòu)。其它結(jié)構(gòu)，比如用于形成x射線微結(jié)構(gòu)的空腔，具有相同量值量級(jí)的尺寸，并且也可被認(rèn)為是“微結(jié)構(gòu)”。然而，如本文中所使用的，其它詞語(yǔ)，比如“結(jié)構(gòu)”、“空腔”、“孔”、“孔口”等，當(dāng)它們被形成在未根據(jù)x射線產(chǎn)生特性而選取的材料(比如基底)中時(shí)，也可用于這些結(jié)構(gòu)。詞語(yǔ)“微結(jié)構(gòu)”將被保留用于包括根據(jù)x射線產(chǎn)生特性而選取的材料的結(jié)構(gòu)。

同樣，應(yīng)當(dāng)注意的是，雖然使用詞語(yǔ)“微結(jié)構(gòu)”，但是具有小于1微米尺寸或甚至小到納米級(jí)尺寸(即大于10nm)的x射線產(chǎn)生結(jié)構(gòu)也可以由如在此使用的詞語(yǔ)“微結(jié)構(gòu)”進(jìn)行描述，只要性質(zhì)與對(duì)于在各種實(shí)施例中所列的光柵節(jié)距和子源尺寸的幾何因數(shù)相一致。

這里還應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)使用詞語(yǔ)“子源”時(shí)，它可以指x射線產(chǎn)生材料的單個(gè)微結(jié)構(gòu)、或與用于talbot干涉用途的單個(gè)結(jié)構(gòu)相類似地起作用的更小的微結(jié)構(gòu)的集合。

這些微結(jié)構(gòu)化靶的制造可以按照用于在基底中創(chuàng)建嵌入式結(jié)構(gòu)的公知處理步驟進(jìn)行。如果基底是具有高導(dǎo)熱性的材料(比如鉆石)，使用光致抗蝕劑的傳統(tǒng)的光刻構(gòu)圖(比如聚焦離子束光刻或電子束光刻)可產(chǎn)生微米尺寸的結(jié)構(gòu)，其然后可以使用比如反應(yīng)式離子蝕刻(rie)等工藝被蝕刻到基底中。x射線產(chǎn)生材料在形成于基底中的蝕刻結(jié)構(gòu)中的沉積然后可以使用標(biāo)準(zhǔn)沉積工藝(比如電鍍、化學(xué)氣相沉積(cvd)、原子層沉積、或熱壓)來(lái)進(jìn)行。

在靶中使用的x射線產(chǎn)生材料應(yīng)理想地具有良好的熱性能，比如高熔點(diǎn)和高熱導(dǎo)率，以允許加載在源上的更高的電子功率來(lái)增加x射線產(chǎn)率。x射線產(chǎn)生材料應(yīng)該附加地根據(jù)良好x射線產(chǎn)生性能——其包括x射線產(chǎn)生效率(與它的原子序數(shù)成比例)——來(lái)選取，并且在某些情況下，可能希望產(chǎn)生關(guān)注的特定光譜(比如特征x射線譜線)。由于這些原因，靶通常使用具有原子序數(shù)z＝74的鎢制得。

表i列出了常用于x射線靶的一些材料、一些另外可能的靶材料(特別有用于關(guān)注的特定特性線)、以及可被用作用于靶材料的基底的一些材料。熔點(diǎn)、導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率都為300°k(27℃)附近的值。大部分值引用自第90版crchandbookofchemistryandphysics[crcpress，bocaraton，fl，2009]。其它值引用自互聯(lián)網(wǎng)上找到各種來(lái)源。需要注意的是，對(duì)于一些材料(比如藍(lán)寶石)，以熱導(dǎo)率為例，當(dāng)冷卻到低于液氮(77°k)的溫度時(shí)可能具有較大幅值量級(jí)[參見例如e.r.dobrovinskaya等人的sapphirematerial，manufacturing，applications，章節(jié)2.1.5thermalproperties，springerscience+businessmedia，llc，2009]。

圖26示出可以在本發(fā)明的一些實(shí)施例中使用的靶。在該圖中，基底1000具有區(qū)域1001，該區(qū)域1001包括包含x射線產(chǎn)生材料(通常是金屬材料)的微結(jié)構(gòu)的子源陣列700，其中所述子源被布置在直四棱柱的規(guī)則陣列中。在真空中，電子111從上方轟擊靶，并且在微結(jié)構(gòu)700中產(chǎn)生熱和x射線。在基底1000的材料被選擇成使得它——相比于x射線產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)材料——具有相對(duì)低的x射線產(chǎn)率(效率與原子序數(shù)成比例)和對(duì)于電子的能量沉積速率(停止功率與密度成比例)，因此不會(huì)產(chǎn)生顯著量的熱和x射線。這通常是通過(guò)選擇用于基底的低質(zhì)量密度和低原子序數(shù)(z)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。

基底1000材料也可以被選擇成具有高導(dǎo)熱率，通常大于100w/(m℃)，并且微結(jié)構(gòu)通常被嵌入在基底內(nèi)，也就是說(shuō)，如果微結(jié)構(gòu)被成形為矩形棱柱，優(yōu)選是六個(gè)側(cè)面中的至少五個(gè)側(cè)面與基底1000緊密熱接觸，以便在微結(jié)構(gòu)700產(chǎn)生的熱被有效地傳導(dǎo)離開到基底1000中。然而，在其它實(shí)施例中使用的靶可能具有較少的直接接觸表面。在一般情況下，當(dāng)在本公開中使用詞語(yǔ)“嵌入”時(shí)，微結(jié)構(gòu)的表面面積的至少一半將與基底緊密熱接觸。

表i：各種靶和基底材料以及選定的性質(zhì)。

注意，一些實(shí)施例中子源大小和尺寸可以按現(xiàn)有技術(shù)中光柵g0的周期p0的相同限制來(lái)約束。換句話說(shuō)，在如圖9至圖25所示的x射線干涉成像系統(tǒng)中物體位置處可實(shí)現(xiàn)的空間分辨率由總的x射線源尺寸和檢測(cè)器分辨率來(lái)確定，類似于在現(xiàn)有技術(shù)的干涉成像系統(tǒng)(比如talbot-lau系統(tǒng))中所描述的條件。因此，對(duì)于給定的檢測(cè)器分辨率和給定的——如由源和物體之間的距離以及物體到檢測(cè)器之間的距離所確定的——成像幾何，最大x射線源尺寸(每個(gè)微結(jié)構(gòu)點(diǎn)的寬度)是有限的。

子源的陣列的線空比是應(yīng)該在任何系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)。大的空間相干長(zhǎng)度與x射線源或子源的尺寸成反比例。因?yàn)閠albot干涉條紋的條紋可見度隨著照射x射線束的空間相干長(zhǎng)度對(duì)分束光柵的周期p1的相對(duì)比率——對(duì)于比率的值從0.3到1——而線性增大，通常優(yōu)選具有小的光源尺寸。然而，x射線產(chǎn)率與子源的面積成反比例(例如線寬的減小會(huì)導(dǎo)致x射線產(chǎn)率的減少)。由于成像系統(tǒng)的吞吐量一般與對(duì)比度傳遞函數(shù)的平方成比例并且僅與x射線通量成比例，通常優(yōu)選具有小于1∶1的線空比。本發(fā)明的一些實(shí)施例可以使用1∶5和1∶2之間的線空比(即x射線產(chǎn)生材料對(duì)基底材料的比率)(即x射線產(chǎn)生材料的相對(duì)面積可在從20％至33％的范圍內(nèi))。

可能有助于對(duì)用于根據(jù)本發(fā)明的靶的材料的選取的品質(zhì)因數(shù)(fom)是：由微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的x射線對(duì)由還電子轟擊基底所產(chǎn)生的x射線的比率。此品質(zhì)因數(shù)可有用于對(duì)用于該系統(tǒng)的靶的材料的設(shè)計(jì)和選擇，并在除了基底的熱導(dǎo)率之外也應(yīng)加以考慮。因?yàn)殡娮幽芰砍练e速率與質(zhì)量密度成比例并且材料中的x射線產(chǎn)生效率與其原子序數(shù)成比例，該品質(zhì)因數(shù)可以如下式來(lái)定義：

其中z是原子序數(shù)，ρ是密度，材料1是基底，材料2是x射線產(chǎn)生材料。

表ii：對(duì)x射線材料/基底組合的品質(zhì)因數(shù)。

許多微結(jié)構(gòu)和基底材料組合在以下表ii中列出。下列任何組合都可使用，但優(yōu)選是：材料被選擇成使得fom大于12，并且使得基底材料的導(dǎo)熱率在室溫時(shí)大于100w/(m℃)。

圖27示出可以在本發(fā)明的一些實(shí)施例中使用的另一種靶，其中電子束111-f由靜電透鏡導(dǎo)向以形成更集中的聚焦點(diǎn)。對(duì)于這種情況，靶1100-f仍然將包括區(qū)域1001-f，該區(qū)域1001-f包括包含x射線材料的微結(jié)構(gòu)的陣列700-f，但該區(qū)域1001-f的大小和尺寸可以匹配到會(huì)發(fā)生電子暴露的區(qū)域。在這些靶中，可以控制對(duì)源幾何形狀和x射線產(chǎn)生材料的“調(diào)節(jié)”，使得設(shè)計(jì)主要限制產(chǎn)生到微結(jié)構(gòu)化區(qū)域1001-f的熱量，同時(shí)也降低設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜性。當(dāng)與聚焦形成微斑點(diǎn)的電子束一起使用或者采用形成更復(fù)雜電子暴露圖案的更復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，這可能是特別有用的。

電子進(jìn)入材料的穿透深度可通過(guò)pott定律估計(jì)[p.j.potts，electronprobemicroanalysis，ch.10ofahandbookofsilicaterockanalysis，springernetherlands，1987，p.336)]，其指出：微米的穿透深度x與以kev為單位的電子能量e0升高到3/2次冪并除以材料密度所得值的10％有關(guān)：

對(duì)于較小密度的材料，例如金剛石基底，穿透深度比較大密度的材料(比如含有用于x射線產(chǎn)生元素的大多數(shù)材料)大得多。

采用此公式，表iii示出對(duì)于一些常見的x射線靶材料的一些估計(jì)穿透深度。

表iii：對(duì)于60kev電子進(jìn)入一些材料的穿透深度的估計(jì)。

大部分特征cukx射線產(chǎn)生在穿透深度內(nèi)。在該深度下方的電子相互作用通常產(chǎn)生很少的特征k-線x射線，但是將造成發(fā)熱，因此導(dǎo)致沿著深度方向的低的熱梯度。因此，優(yōu)選是，在一些實(shí)施例中設(shè)定對(duì)于靶中的微結(jié)構(gòu)的最大厚度，以限制在材料中的電子相互作用并且優(yōu)化局部熱梯度。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例將靶中的微結(jié)構(gòu)化x射線產(chǎn)生材料的深度限制成：在入射電子能量下基底中電子穿透深度的1/3和2/3之間。在這種情況下，基底的較低質(zhì)量密度導(dǎo)致在緊接于x射線產(chǎn)生材料下方的基底材料中較低的能量沉積速率，這繼而導(dǎo)致在下方基底材料中的較低溫度。這導(dǎo)致在x射線產(chǎn)生材料與基底之間的較高的熱梯度，從而增進(jìn)熱傳遞。熱梯度被基底材料的高導(dǎo)熱率進(jìn)一步增強(qiáng)。

由于類似原因，選擇微結(jié)構(gòu)的厚度小于基底中電子穿透深度的一半也通常優(yōu)選地用于高效地產(chǎn)生韌致輻射，因?yàn)樵谠撋疃认路降碾娮泳哂休^低能量以及較低的x射線產(chǎn)生效率。

注釋：也可使用對(duì)于x射線產(chǎn)生材料的尺寸的其它選擇。在如本發(fā)明的一些實(shí)施例中使用的靶中，x射線材料的深度可選擇為基底中電子穿透深度的50％。在其它實(shí)施例中，x射線材料的深度可被選擇為基底中電子穿透深度的33％。在其它實(shí)施例中，微結(jié)構(gòu)的深度可被選擇與材料中針對(duì)電子的″連續(xù)慢化近似(csda)″范圍相關(guān)。依據(jù)期望的x射線譜和選定的x射線材料的特性，可規(guī)定其它深度。

圖28示出如可用于本發(fā)明的一些實(shí)施例中的靶的區(qū)域1001，其包括具有呈直四棱柱形式的微結(jié)構(gòu)的子源陣列700，所述微結(jié)構(gòu)包含布置在規(guī)律陣列中的x射線產(chǎn)生材料。圖28a展示用于這種靶的十六個(gè)微結(jié)構(gòu)700的透視圖，而圖28b示出相同區(qū)域的俯視圖，并且圖28c展示相同區(qū)域的側(cè)視/橫截面圖。(對(duì)于本公開中的術(shù)語(yǔ)″側(cè)視/橫截面圖″，該視圖表示就像做出該物體的橫截面、然后從側(cè)面朝向橫截面表面查看的視圖。這示出在橫截面的點(diǎn)處以及在可能從側(cè)面看到的內(nèi)部更深材料處的細(xì)節(jié)，假定基底本身是透明的[在金剛石的情況下，對(duì)于可見光而言，這通常是成立的]。)

在這些靶中，微結(jié)構(gòu)被制成使得它們?cè)诹鶄€(gè)側(cè)面中的五個(gè)側(cè)面上與基底緊密熱接觸。如圖所示，微結(jié)構(gòu)700的頂部與基底的表面齊平，但可制造微結(jié)構(gòu)凹陷于其中的其它靶，也可制造其中微結(jié)構(gòu)相對(duì)于基底表面呈現(xiàn)形貌″凸塊″的其它靶。

可用于本發(fā)明的一些實(shí)施例中的替代靶可具有簡(jiǎn)單地沉積到基底表面上的若干直四棱柱微結(jié)構(gòu)。在此情況下，僅棱柱的底部將與基底處于熱接觸。對(duì)于包括嵌入于基底中的微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，其具有如圖28c所示的側(cè)視/橫截面圖，具有深度dz和在基底平面中的側(cè)向尺寸wx和wy，則嵌入式微結(jié)構(gòu)相比于沉積的微結(jié)構(gòu)與基底接觸的總表面積的比率如下：

在d相對(duì)于w和l具有小值的情況下，該比率基本上為1。對(duì)于更大的厚度，該比率變得更大，并且就立方體(d＝w＝l)而言，其中5個(gè)相同側(cè)面處于熱接觸，該比率為5。如果使用在質(zhì)量密度和熱導(dǎo)率方面與基底有類似特性的材料的頂蓋層，該比率可增加到6。

圖29示出可用于本發(fā)明的一些實(shí)施例中的靶的區(qū)域1001，如先前在圖13中所示，其包括具有呈直四棱柱形式的微結(jié)構(gòu)的線性子源陣列701，所述微結(jié)構(gòu)包含布置在規(guī)律陣列中的x射線產(chǎn)生材料。圖29a展示了用于這種靶的三個(gè)微結(jié)構(gòu)701的透視圖，而圖29b示出了相同區(qū)域的俯視圖，并且圖29c表示相同區(qū)域的側(cè)視/橫截面圖。

在本實(shí)施例中，在基底平面中的側(cè)向尺寸為寬度wx和長(zhǎng)度ly。有效子源大小α將對(duì)應(yīng)于寬度wx。

圖30和圖31示出一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，其可能在如圖28和圖29所示的那些靶的形成中出現(xiàn)。圖30示出對(duì)于如圖28所示的x射線產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)700的格柵的可能變型，并且圖31示出對(duì)于如圖29所示的線性x射線產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)701的可能變型。

在圖30中，可以形成具有其它幾何形狀的奇異形狀微結(jié)構(gòu)700-a。同樣地，空隙700-0也可能出現(xiàn)，而在其中可以預(yù)期某些結(jié)構(gòu)。其它的沉積工藝，例如使用x射線產(chǎn)生材料的預(yù)成形顆粒進(jìn)行沉積，可以創(chuàng)建顆粒簇700-c的集合，其當(dāng)用電子轟擊時(shí)仍可充當(dāng)功能上與由均勻結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的那些相似的x射線子源。圖30還示出具有多個(gè)晶體結(jié)構(gòu)和晶界的微結(jié)構(gòu)700-g，其仍可產(chǎn)生與由均勻結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的那些相似的x射線，但可被視為包括微結(jié)構(gòu)的集合。

在所有這些情況下的有效x射線子源尺寸可以使用尺寸參數(shù)α來(lái)近似，即使微結(jié)構(gòu)包括那些明顯更小的顆粒。

圖31中示出在制造線性微結(jié)構(gòu)701時(shí)可能出現(xiàn)的集合微結(jié)構(gòu)的示例。如果x射線產(chǎn)生材料的均勻預(yù)制顆粒被創(chuàng)建并涂覆到基底上，則可以形成x射線產(chǎn)生材料的顆粒703的集合。在其它過(guò)程中，如果使用非均勻顆粒，則在具有可能包括空隙間隙的非均勻分布的一些情況下，可以形成顆粒簇704-a和704-b。在其它過(guò)程中，x射線產(chǎn)生材料的顆粒704的集合可以近似于x射線的線源。

所有這些集合，當(dāng)用電子轟擊時(shí)，仍可充當(dāng)功能上與由均勻線性結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的那些相似的x射線子源。在這些情況下的有效源尺寸可以使用尺寸參數(shù)α來(lái)近似，即使微結(jié)構(gòu)包括那些明顯更小的顆粒。

在電子轟擊下可能發(fā)生的熱傳遞以圖32中的表示箭頭示出，其中在嵌入于基底1000中的子源700中產(chǎn)生的熱經(jīng)由底部和側(cè)面(箭頭表示經(jīng)由圖畫平面外的側(cè)面的傳遞)而被傳導(dǎo)離開包括子源700的微結(jié)構(gòu)。經(jīng)由面積a和厚度d的材料傳導(dǎo)的、每單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量(δq)由下式給出：

其中，κ是單位為w/(m℃)的熱導(dǎo)率，δt是單位為℃的橫跨厚度d的溫度差。因此，增大表面積a、減小厚度d、以及增大δt都導(dǎo)致熱傳遞的成比例增加。

圖33示出一個(gè)替代實(shí)施例，其中基底附加地包括冷卻通道1200。這種冷卻通道可以是現(xiàn)有技術(shù)的冷卻通道，如以上所討論的，其使用水或某些其它冷卻流體以將熱傳導(dǎo)離開基底，或可根據(jù)適于從嵌入式微結(jié)構(gòu)700附近的區(qū)域最佳地進(jìn)行除熱的設(shè)計(jì)而制造。

本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以理解或設(shè)計(jì)出用于各種實(shí)施例的其它靶結(jié)構(gòu)，其中基底可被例如粘合到散熱器(比如銅塊)以改善熱傳遞。銅塊可繼而在其內(nèi)部具有冷卻渠道，以協(xié)助將熱載送離開銅塊?；蛘?，基底可以附連到熱電式冷卻器，其中電壓被施加到特定構(gòu)造的半導(dǎo)體裝置。在這些裝置中，電流的流動(dòng)導(dǎo)致一側(cè)冷卻而另一側(cè)升溫。市售裝置(比如peltier冷卻器)可以產(chǎn)生在整個(gè)裝置上高達(dá)70℃的溫度差，但也可能在其從熱源移除大量熱的總體能力上受限制。也可使用含有能夠蒸發(fā)和冷凝的傳熱流體的熱管來(lái)冷卻基底，如在考慮緊湊設(shè)計(jì)時(shí)為冷卻服務(wù)器群組中的cpu芯片所用的。

替代地，基底可以附連到低溫冷卻器(比如含有用于液氮流的通道的塊體)，或者與液態(tài)氮或一些其它低溫物質(zhì)(比如防凍劑溶液)的貯存器處于熱接觸，以提供更極端的冷卻。當(dāng)基底包括諸如金剛石、藍(lán)寶石、硅或碳化硅等材料時(shí)，導(dǎo)熱率通常隨著從室溫降低溫度而增加。在這樣的情況下，優(yōu)選是，設(shè)計(jì)靶使得它可以承受冷卻至這些可優(yōu)選的較低的溫度。

圖34示出可在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的靶的替代示例，其中，在嵌入形成微結(jié)構(gòu)700的x射線產(chǎn)生材料之間，形成在基底1000中的空腔被首先涂覆以粘合層715(優(yōu)選具有最小厚度)。這樣的粘合層在x射線材料與基底材料之間的接合弱的情況下可能是適合的。粘合層也可以在該兩種材料的熱膨脹系數(shù)之間的差較大時(shí)充當(dāng)緩沖層。對(duì)于材料的某些選擇，粘合層可以被擴(kuò)散阻擋層取代或擴(kuò)展(通過(guò)添加另一層)，以防止材料從微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到基底材料中(或反之)。對(duì)于使用粘合層和/或擴(kuò)散阻擋層的一些實(shí)施例，材料和厚度的選擇還應(yīng)當(dāng)考慮層的熱學(xué)性質(zhì)，使得從微結(jié)構(gòu)700至基底1000的熱流不因粘合層715的存在而顯著受阻或受隔絕。

圖35示出可在實(shí)施例中使用的靶的替代示例，其中導(dǎo)電層725已被添加到靶的表面上。當(dāng)由電子轟擊時(shí)，過(guò)量電荷需要返回到靶的接地的路徑，以有效地充當(dāng)陽(yáng)極。如果如圖28和圖29所示的靶僅包括在電絕緣基底材料(諸如未經(jīng)摻雜的金剛石)內(nèi)的離散的、未連接的微結(jié)構(gòu)700，在持續(xù)電子轟擊下，大量電荷將累加在該表面上。來(lái)自陰極的電子于是將不以相同的能量與靶碰撞或者可能甚至被排斥，從而減少x射線的產(chǎn)生。

這可以通過(guò)優(yōu)選具有相對(duì)低原子序數(shù)的傳導(dǎo)材料(諸如鋁(al)、鈹(be)、碳(c)、鉻(cr)或鈦(ti))的薄層的沉積來(lái)解決，這些材料薄層允許從離散的微結(jié)構(gòu)700向電路徑722導(dǎo)電，所述電路徑722連接到相對(duì)于高電壓源的正端。實(shí)際上，這個(gè)端通常是該系統(tǒng)的電氣接地，而陰極電子源被供給負(fù)的高電壓。

圖36示出可以在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的靶的另一個(gè)示例，其中，子源702被更深地嵌入或埋入到基底1000中。這種嵌入式微結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步通過(guò)沉積附加層1010而覆蓋，附加層1010可以是例如金剛石，從而提供與基底相同的傳熱特性。這允許從埋入式子源702的所有側(cè)面?zhèn)髯邿?。?duì)于這樣的情況，并且當(dāng)附加層1010不具有足夠的導(dǎo)電率時(shí)，提供使入射于該結(jié)構(gòu)上的電子接地的路徑722是明智的，該路徑722可以呈嵌入式傳導(dǎo)層726的形式，所述嵌入式傳導(dǎo)層726在沉積附加層1010之前鋪設(shè)。在一些實(shí)施例中，此傳導(dǎo)層726將具有″通路″727或者豎直連接部，常常呈柱子或圓柱形式，其提供導(dǎo)電結(jié)構(gòu)以將嵌入式傳導(dǎo)層726聯(lián)結(jié)到靶表面上的附加傳導(dǎo)層728，該附加傳導(dǎo)層728繼而連接到接地路徑722或高電壓源。

圖37示出可以在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的靶的另一個(gè)示例，其中微結(jié)構(gòu)702同樣埋入于基底內(nèi)。然而，在此實(shí)施例中，代替首先提供導(dǎo)電層然后再沉積附加頂蓋層，在此實(shí)施例中僅沉積單個(gè)層770，根據(jù)導(dǎo)電特性與導(dǎo)熱特性的組合選擇該單個(gè)層。這可以是例如碳納米管(z＝6)的沉積，碳納米管相對(duì)于該表面豎直定向，使得它們將熱和電子從埋入式微結(jié)構(gòu)702帶走。此單個(gè)層770繼而可連接到接地路徑722以允許靶用作x射線產(chǎn)生系統(tǒng)中的陽(yáng)極。替代地，層770的材料可經(jīng)選擇包括鋁(al)、鈹(be)、鉻(cr)、或銅(cu)。

圖38示出一個(gè)實(shí)施例的另一變型，其中阻擋材料729的附加圖案已經(jīng)被沉積在靶基底1000的背側(cè)上。如果品質(zhì)因數(shù)對(duì)于所選定的材料組合——如上面的表ii中所討論的——并不大，則仍存在由基底產(chǎn)生的顯著x射線，這將減少在圖像中的對(duì)比度。這些由基底產(chǎn)生的x射線可由作為阻擋結(jié)構(gòu)729的合適材料(比如金)的沉積所阻擋。金(z＝79)具有強(qiáng)的x射線吸收，如圖39示出。沉積這些阻擋結(jié)構(gòu)的工藝可以包括標(biāo)準(zhǔn)沉積工藝，以及可能需要對(duì)準(zhǔn)步驟，以確保與在相反側(cè)的x射線產(chǎn)生結(jié)構(gòu)對(duì)齊。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，盡管在圖26至圖38中單獨(dú)地展示了若干實(shí)施例，并且將在下面給出用于其制造的各種過(guò)程，這些實(shí)施例的元件可以彼此組合，或者與本領(lǐng)域中已知的其它常規(guī)已知靶制造方法組合。例如，圖37的埋入式子源702也可以包括微結(jié)構(gòu)的多晶粒，如圖30和圖31所示。同樣，如圖34所示的粘合層715也可以適用于制造如圖35所示的嵌入式微結(jié)構(gòu)700。運(yùn)些替代方案分開只是出于說(shuō)明目的，并不意味著限制任何特定過(guò)程。

盡管圖26至圖38所示的子源被示出為具有均勻大小和形狀的有規(guī)律間隔開的圖案，但是具有非均勻大小和形狀的子源的有規(guī)律圖案也可用于本發(fā)明的一些實(shí)施例中。此外，規(guī)則的周期性圖案內(nèi)的每個(gè)子源可進(jìn)一步包括具有非均勻尺寸和形狀的多個(gè)較小微結(jié)構(gòu)。這些較小微結(jié)構(gòu)可以是非規(guī)則的，并且不一定需要具有相似的x射線發(fā)射特性或強(qiáng)度，只要各組微結(jié)構(gòu)所包括的較大子源在本質(zhì)上是周期性的。

同樣，盡管描述了具有例如呈直四棱柱形狀的微結(jié)構(gòu)的一些實(shí)施例，制造過(guò)程可能創(chuàng)建出具有成非90°角度的壁的結(jié)構(gòu)，或者并不具有完全直角的拐角，而是可能是倒圓的或有斜面的或者是底切，取決于所用的具體過(guò)程的人為因素(artifact)。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解公開了具有與本文所描述的形狀基本上類似的微結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，即使過(guò)程的人為因素導(dǎo)致與附圖所示或者所描述的形狀有些偏差。

在該系統(tǒng)的其它實(shí)施例中，周期衰減光柵g0(如在現(xiàn)有技術(shù)中使用的talbot-lau干涉儀)也可以與本發(fā)明的源相結(jié)合使用，以使由圍繞子源的基底材料所產(chǎn)生的x射線被進(jìn)一步衰減，從而允許對(duì)于源的更大的單色性以及更高的空間相干性。光柵的孔口應(yīng)與微結(jié)構(gòu)化x射線子源的突起重合，或者可以在一些實(shí)施例中被放置在源的下游在talbot距離的分?jǐn)?shù)或整數(shù)倍位置處而孔口與源的自像重合。優(yōu)選是，光柵g0具有高原子序數(shù)和相對(duì)低的縱橫比，以便于制造。

3.應(yīng)用于計(jì)量和檢驗(yàn)。

常規(guī)的x射線分析或成像系統(tǒng)迄今依賴于延伸區(qū)域上物體的均勻照射或者使用聚焦到特定特征上的照射射束。例如，關(guān)于在半導(dǎo)體ic或ic封裝上的特定器件或功能(比如晶體管結(jié)構(gòu)或周期性穿透硅通孔(tsv))的信息，可以通過(guò)從這些器件或結(jié)構(gòu)觀察x射線熒光來(lái)收集。然而，如果通過(guò)泛光照射來(lái)照射，則來(lái)自周圍的硅晶片的額外的x射線信號(hào)可以作為背景從而有助于被檢測(cè)信號(hào)、減少來(lái)自特征的信息的信噪比、和降低靈敏度。類似地，如果x射線束聚焦在單個(gè)特征上，則關(guān)于該特定特征的信息可以被收集，但考慮到在給定的ic中可能有幾百萬(wàn)甚至十億個(gè)這種特征，因此判定該多個(gè)特征的統(tǒng)計(jì)特性將花費(fèi)過(guò)多的時(shí)間并且是非常低效的。

然而，如果某些大致類似的特征(例如晶體管或tsv通常如此)被放置在周期性圖案內(nèi)，則利用照射的周期性圖案選擇性地照射這些周期性特征的這一方法可以以高信噪比和高測(cè)量吞吐量同時(shí)提供關(guān)于大量特征的信息。在這樣的情況下，有用的是，將x射線照射完全集中在被觀察特征上，并盡可能降低來(lái)自周圍區(qū)域的x射線信號(hào)。

如上所討論的，在過(guò)去的十年中，基于talbot的成像技術(shù)已被開發(fā)用于x射線基于光柵的相襯成像(phasecontrastimaging)。當(dāng)利用具有足夠大的空間相干性和足夠窄的光譜帶寬的射束照射分束光柵時(shí)出現(xiàn)talbot效應(yīng)，并且因此，周期性干擾圖案(talbot圖案)被形成在光柵的下游側(cè)在talbot距離的分?jǐn)?shù)位置處。

相位型和吸收型的衍射光柵都在不同定義的talbot距離處的下游產(chǎn)生強(qiáng)度調(diào)制，如先前已在引用參考中所描述的，例如amomose等人的“x-rayphaseimagingwithtalbotinterferometry”biomedicalmathematics：promisingdirectionsinimaging，therapyplanning，andinverseproblems(medicalphysicspublishing，madisonwi，2010)，pp.281-320。talbot圖案的強(qiáng)度調(diào)制從在破壞性干擾的區(qū)域(節(jié)點(diǎn))處為零變化到為光柵上倍率1的入射強(qiáng)度的兩倍，并且可以通過(guò)定義為(r+z/r)的放大因數(shù)的平方進(jìn)行比例縮放，其中z是強(qiáng)度調(diào)制相距于衍射光柵的距離，r是衍射光柵相距于x射線源的距離。此原理已很大程度地用于從樣品獲得相位信息，但到目前為止，還沒(méi)有被用作為對(duì)其它x射線形態(tài)有用的現(xiàn)象。

在本節(jié)描述的是方法和裝置的各種實(shí)施例，所述方法和裝置可以通過(guò)使用作為talbot干涉圖案的一部分而生成的周期性x射線微束來(lái)實(shí)現(xiàn)大量周期性特征的測(cè)量。此圖案化照射的使用，可用于表征、分析、和測(cè)量天然存在的或人造的周期性結(jié)構(gòu)。

talbot干涉圖案由如以上已描述的分束光柵引起。這些周期性微束可被利用——通過(guò)單獨(dú)地或組合地使用已建立的x射線技術(shù)(例如x射線吸收、小角度x射線散射(saxs)、x射線熒光(xrf)、x射線衍射(xrd)、x射線反射(xrr)等)——來(lái)探測(cè)特定的和周期性的區(qū)域。

x射線微束的周期性陣列可以在對(duì)于高空間表征的至少一個(gè)維度上具有亞100納米的尺寸。可獲得降低到10納米的空間分辨率來(lái)同時(shí)探測(cè)被檢查物體中的多個(gè)周期性區(qū)域，這與傳統(tǒng)方法相反，在傳統(tǒng)方法中使用一個(gè)聚焦的照射射束或一個(gè)大的均勻照射射束。

從對(duì)talbot效應(yīng)和現(xiàn)有技術(shù)的研究，眾所周知：在具有足夠的空間相干性的照射射束下，周期性結(jié)構(gòu)(比如一維或二維透射光柵)會(huì)產(chǎn)生具有強(qiáng)烈(高達(dá)100％)對(duì)比度的強(qiáng)度圖案，其是由在明確定義的距離處的相長(zhǎng)與相消干涉而造成(所述距離可以取決于若干因素，包括衍射光柵是否為吸收型或相移型、光柵的線空比和誘導(dǎo)相移，如將在下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的)。設(shè)計(jì)分束光柵以產(chǎn)生具有特定尺寸——所述特定尺寸對(duì)應(yīng)于具有周期性結(jié)構(gòu)的物體(諸如晶體管、互連、以及半導(dǎo)體晶片或芯片上的硅通孔(tsv)——的x射線微束的周期性圖案，并把該具有周期性結(jié)構(gòu)的物體放置在一定位置、使得微束被對(duì)準(zhǔn)來(lái)僅照亮所述周期性結(jié)構(gòu)的含有特定器件或結(jié)構(gòu)的位置，從而以高信噪比和高效率實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的分析和表征。

通過(guò)將被檢查物體沿著x射線束軸(z)移動(dòng)，使得talbot干涉圖案節(jié)點(diǎn)從物體的表面附近移位到物體內(nèi)部更深處，從而深度方向探測(cè)也是可能的。這將允許不同深度處的多個(gè)區(qū)域的照射，從而允許例如將在小角度散射、衍射、熒光、吸收或反射測(cè)量中的差異映射為深度的函數(shù)。

在本節(jié)還描述了一種x射線系統(tǒng)的方法和設(shè)計(jì)，利用具有針對(duì)talbot效應(yīng)的足夠的空間相干性的源的已知設(shè)計(jì)(包括：微聚焦x射線源、具有小光點(diǎn)尺寸的液體金屬射流源、帶有吸收光柵的擴(kuò)展x射線源)或具有微結(jié)構(gòu)化陽(yáng)極的x射線源，所述x射線系統(tǒng)的方法和設(shè)計(jì)用于獲得具有特定強(qiáng)度圖案和探針尺寸的x射線探測(cè)器。

在本節(jié)還描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，這些實(shí)施例通過(guò)收集來(lái)自被檢查物體的特定區(qū)域的x射線熒光、同時(shí)降低來(lái)自物體的未被周期性x射線微束照射的區(qū)域的熒光信號(hào)的產(chǎn)生，從而可以實(shí)現(xiàn)利用周期性x射線微束對(duì)樣品的特定周期區(qū)域的化學(xué)分析(例如組成分析、層厚度判定等)。

在本節(jié)還描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，這些實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)利用周期性x射線微束來(lái)執(zhí)行樣品中特定周期性區(qū)域的x射線衍射分析；例如進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)判定(例如晶體結(jié)構(gòu)判定、應(yīng)變分析)和層厚度測(cè)量。利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的該衍射測(cè)量，可以使用透射的x射線來(lái)進(jìn)行，但也可以使用反射的x射線來(lái)進(jìn)行。

在本節(jié)還描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，這些實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)利用周期性x射線微束——通過(guò)使用小角散射技術(shù)——來(lái)獲得周期性結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)信息。對(duì)于應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的一個(gè)示例，所實(shí)現(xiàn)的能力包涵信息(比如臨界尺寸的判定)、示例性參數(shù)(包括側(cè)壁角度、節(jié)距和線寬粗糙度等)。

在本節(jié)還描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，這些實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)利用周期性x射線微束——通過(guò)使用x射線反射信息——對(duì)周期性結(jié)構(gòu)的薄膜結(jié)構(gòu)判定的表征、分析和測(cè)量。作為示例，此反射測(cè)量可以被用來(lái)確定在多層式結(jié)構(gòu)中的諸如層厚度、密度、和粗糙度等參數(shù)。利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的這些測(cè)量，可以使用從高縱橫比結(jié)構(gòu)的側(cè)壁反射的x射線透射經(jīng)過(guò)晶片或器件來(lái)進(jìn)行，但也可以使用從表面和界面反射的x射線來(lái)進(jìn)行。

在本節(jié)還描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，這些實(shí)施例可以在廣范應(yīng)用中——使用以上指出的方法的子集或組合來(lái)獲得周期性結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)和全面的信息——從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大量樣本的周期性結(jié)構(gòu)的表征、分析和測(cè)量。

如在此描述的本發(fā)明的實(shí)施例可用于檢查和分析人造物體(比如半導(dǎo)體晶片、集成電路(ic)、ic封裝、或其它電子元件、制成的物質(zhì)或器件(比如光柵)、蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)、或化學(xué)或聚合化合物)，只要它們?cè)谝獪y(cè)量的物理參數(shù)(例如形狀、物質(zhì)組成、晶體學(xué)、紋理等)上基本相似并且周期性地定位。本文所公開的本發(fā)明的實(shí)施例可適用于這些技術(shù)，條件是(變化強(qiáng)度的)talbot干涉條紋被產(chǎn)生、并且樣本內(nèi)的關(guān)注區(qū)域與talbot干涉條紋的腹點(diǎn)點(diǎn)(相長(zhǎng)干涉的區(qū)域)中的一個(gè)或多個(gè)對(duì)準(zhǔn)。

3.2涉及talbot條紋的方法。

圖40示出talbot條紋圖案的另外示例，其源自于amomose等人的“x-rayphaseimagingwithtalbotinterferometry”pp.281-320ofbiomedicalmathematics：promisingdirectionsinimaging，therapyplanning，andinverseproblems(medicalphysicspublishing，madisonwi，2010)其中圖4的示例。圖40a示出由光柵210-1-90產(chǎn)生的強(qiáng)度圖案，該光柵具有與相鄰空間的寬度比率1∶1、引入π/2弧度相移的線(以橫截面示出)。圖40b示出由光柵210-1-180產(chǎn)生的強(qiáng)度圖案，該光柵具有與相鄰空間的寬度比率1∶1、引入π弧度相移的線(以橫截面示出)。圖40c示出由光柵210-3-180產(chǎn)生的強(qiáng)度圖案，該光柵具有與相鄰空間的寬度比率1∶3、引入π弧度相移的線(以橫截面示出)。圖40的所有光柵具有：ronchi廓形(例如線/空方波)，和對(duì)于這些圖示的具有足夠的空間相干性的點(diǎn)輻射源。分束光柵被發(fā)散的x射線照射線照射，并且條紋的周期因此通常隨與光柵的距離增加而增大。

在許多實(shí)施例中，此分束衍射光柵是低吸收的相位光柵，但產(chǎn)生π/2或π弧度、或一些其它指定或預(yù)定值(比如π的分?jǐn)?shù))的相當(dāng)大的x射線相移。這些光柵可以在本質(zhì)上是一維的或二維的。在一些實(shí)施例中，被檢查物體被放置在衍射光柵的下游在下式所表示的talbot距離的分?jǐn)?shù)dn處：

其中，p1是分束光柵的周期，dn為對(duì)于平面波照射的talbot距離的分?jǐn)?shù)，λ是平均x射線波長(zhǎng)，na是在物體被放置處的talbot分?jǐn)?shù)階(n＝1，2，3，...)。在一些實(shí)施例中，物體被放置在衍射光柵的下游在并非talbot距離的分?jǐn)?shù)處，而是位于一段距離處——其中波陣面包括與分析所關(guān)注的周期性區(qū)域相對(duì)應(yīng)的腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的區(qū)域。

依據(jù)光柵參數(shù)(例如，π相移光柵對(duì)比π/2相移光柵)，最優(yōu)talbot距離(na)可以根據(jù)關(guān)注的干涉圖案或最適合于應(yīng)用來(lái)選擇。

在根據(jù)本發(fā)明的方法中，將遵循下面的步驟來(lái)進(jìn)行周期性物體的集合測(cè)量。這些步驟在圖41所示的流程圖中示出。

首先，如圖41所示，在步驟4000，x射線的相干的或部分相干的源被導(dǎo)向成與分束光柵進(jìn)行相互作用，x射線的talbot干涉圖案建立在指定空間區(qū)域中。這可以利用來(lái)自具有足夠相干性的任何源的x射線來(lái)建立高對(duì)比度(通常具有對(duì)比度大于20％)的talbot條紋，并且可以利用x射線的點(diǎn)源或微聚焦源(如圖4所示)、與圖案化孔口相組合使用的擴(kuò)展x射線源(如圖7所示)、或來(lái)自嵌入于導(dǎo)熱基底中的離散結(jié)構(gòu)的x射線的陣列源，(如圖9至圖16和圖19至圖38所示)。一些實(shí)施例還可以包括微聚焦源——其具有在源的下游的準(zhǔn)直x射線光學(xué)器件(比如拋物面反射光學(xué)器件)——來(lái)產(chǎn)生平行的x射線束。所公開的構(gòu)造可進(jìn)一步可選地包括單色器(比如雙晶單色器或切槽單色器)或任何x射線濾波器來(lái)縮窄x射線束的帶寬。

分束光柵可以是適合于形成talbot干涉圖案的任何光柵(比如吸收光柵、相移光柵、或它們的組合)，帶有具有各種圖案之任一種的孔口/移相器，如在本公開中其它地方已說(shuō)明的。然而，分束光柵的一個(gè)特征是：它將通常被設(shè)計(jì)成與具有特定周期性圖案的特定物體(比如具有處于已知節(jié)距的tsv的ic封裝)相組合使用。所建立的talbot圖案將在尺寸和節(jié)距上匹配于被檢查物體。

在下一步驟4010，具有周期性結(jié)構(gòu)的被檢查物體將被插放到預(yù)定位置處——節(jié)點(diǎn)和腹點(diǎn)的期望圖案將在該處形成——的區(qū)域中。它通常可以在x射線關(guān)閉的情況下被插放，或者在x射線開啟以及talbot圖案有效的情況下被插放。它可利用已被定位在talbot條紋將建立所在的區(qū)域中的、具有旋轉(zhuǎn)和/或平移物體的能力的支架(比如5軸支架)、旋轉(zhuǎn)置物臺(tái)或其它保持器來(lái)插放。

在任何情況下，一旦該物體到位，物體將被talbot圖案照射。

在下一步驟4020，物體將被對(duì)準(zhǔn)到talbot圖案。如上所討論的，這將通常涉及使用平移和/或旋轉(zhuǎn)來(lái)定位所述周期性結(jié)構(gòu)，使得talbot圖案的明亮腹點(diǎn)重疊該周期性結(jié)構(gòu)。該對(duì)準(zhǔn)可以將結(jié)構(gòu)的節(jié)距按1∶1的關(guān)系匹配到talbot圖案的節(jié)距，或者可以等于物體的關(guān)注區(qū)域或周期性結(jié)構(gòu)的整數(shù)倍。

周期性照射到周期性特征的這種對(duì)準(zhǔn)，可以通過(guò)觀察總的透射的x射線、并且最大化透射的信號(hào)(在該周期性物體更具透射性的情況下)或最小化透射的信號(hào)(在周期性結(jié)構(gòu)更具吸收性的情況下)來(lái)進(jìn)行。

對(duì)準(zhǔn)也可以使用例如熒光來(lái)進(jìn)行，因?yàn)閬?lái)自物體的熒光信號(hào)在任何已知配置中被檢測(cè)到，所述已知配置比如具有放置在相對(duì)于物體在x射線源同側(cè)的x射線信號(hào)檢測(cè)器。該對(duì)準(zhǔn)被調(diào)節(jié)，直到所檢測(cè)到的熒光信號(hào)被最大化(如果該熒光信號(hào)對(duì)于所使用的x射線能量而言對(duì)于周期性物體較高時(shí))或被最小化(如果熒光信號(hào)對(duì)于周期性物體較低時(shí))。另外，該熒光信號(hào)可以利用具備能量分辨率能力的檢測(cè)器(比如能量分散光譜儀或波長(zhǎng)分散光譜儀)來(lái)檢測(cè)。利用這樣的檢測(cè)器，特定的熒光信號(hào)可以被優(yōu)化。例如，物體可被對(duì)準(zhǔn)，直到來(lái)自關(guān)注的區(qū)域或結(jié)構(gòu)的特定熒光線被最大化，或直到熒光線——其將是不存在或最低限度地位于關(guān)注的區(qū)域或結(jié)構(gòu)處——被最小化。一個(gè)實(shí)際的示例可以是：當(dāng)關(guān)注的結(jié)構(gòu)是塊體硅基底中的周期性銅結(jié)構(gòu)時(shí)硅熒光線的最小化。

一旦talbot圖案已被對(duì)準(zhǔn)來(lái)照射周期性結(jié)構(gòu)，在下一步驟4030中就可以測(cè)量所期望的量。確切的協(xié)議將取決于所期望的測(cè)量。例如，如果tsv的集合的平均厚度是待測(cè)量的量，則tsv被對(duì)準(zhǔn)來(lái)與talbot腹點(diǎn)重疊。在此示例中，經(jīng)過(guò)tvs的x射線的透射和吸收被測(cè)量，并且可以使用本領(lǐng)域已知的已確立的方法來(lái)確定平均厚度。例如，如果在tsv的集合中小尺寸空隙的尺寸和尺寸分布是要測(cè)量的量，則來(lái)自與talbot圖案的腹點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的tsv的小角散射圖案被測(cè)量，并且已知的分析方法被用于確定空隙的尺寸和尺寸分布。如果關(guān)注的是tsv的側(cè)壁或涂層，則腹點(diǎn)可以不與tsv的中心對(duì)準(zhǔn)，而是兩個(gè)腹點(diǎn)與tsv的每一側(cè)對(duì)準(zhǔn)，從而允許通過(guò)已知的方法使用小角度散射分析諸如側(cè)壁粗糙度這類事物。

另一方面，如果要確定周期性物體的結(jié)晶或組成，則測(cè)量x射線衍射信號(hào)或x射線熒光信號(hào)。talbot圖案的三維性質(zhì)(例如，沿z方向(波束傳播方向)和橫向方向的強(qiáng)度變化)可被利用來(lái)通過(guò)針對(duì)talbot圖案掃描物體(例如沿talbot條紋在z方向)從而分析、測(cè)量、和表征周期性結(jié)構(gòu)周圍的信息，使得最高強(qiáng)度的點(diǎn)移動(dòng)通過(guò)周期性結(jié)構(gòu)，并且，所測(cè)量的信號(hào)(例如x射線衍射強(qiáng)度)與talbot腹點(diǎn)的最亮部分被定位所在的深度相關(guān)聯(lián)可允許判定是否結(jié)構(gòu)具有預(yù)定規(guī)格的均勻結(jié)晶度。

數(shù)據(jù)采集通常將在測(cè)量吸收、小角散射、衍射或反射時(shí)使用具有安裝在距被檢查物體某距離處的像素陣列的x射線檢測(cè)器來(lái)進(jìn)行，或在測(cè)量x射線熒光時(shí)使用x射線光譜儀。x射線強(qiáng)度將被轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，其然后將經(jīng)由連接電纜或無(wú)線接口傳遞到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析系統(tǒng)。

一旦測(cè)量已被采集，在下一步驟4040中，對(duì)測(cè)量進(jìn)行分析以計(jì)算或以其它方式推導(dǎo)期望的度量。這可能關(guān)聯(lián)于物體的物理尺寸、周期性物體內(nèi)應(yīng)力的局部存在或不存在、組成物或晶體結(jié)構(gòu)等。

此方法可以適用于任何數(shù)量的測(cè)量和檢測(cè)應(yīng)用，包括但不限于x射線透射或吸收測(cè)量、小角度x射線散射(saxs)、x射線熒光(xrf)檢測(cè)、x射線反射(xrr)測(cè)量、和x射線衍射(xrd)測(cè)量。本領(lǐng)域技術(shù)人員將知曉暴露于x射線照射——具有調(diào)整到被檢查物體周期性的結(jié)構(gòu)化強(qiáng)度圖案——的此方法的其它應(yīng)用。

圖42示出物體2400的一種放置的示例，物體2400包括如可在本發(fā)明一些實(shí)施例中使用的分束光柵210-1-90的talbot干涉條紋圖案中的周期性特征2420。物體2400310被放置在talbot距離的分?jǐn)?shù)位置處，使得關(guān)注的物體特征2420320對(duì)準(zhǔn)于腹點(diǎn)(干涉圖案的相長(zhǎng)干涉區(qū)域)。這意味著x射線有效地只與這些周期性特征2420相互作用，而對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)(圖案的相消干涉區(qū)域)的周邊區(qū)域不產(chǎn)生或產(chǎn)生極具減少的信號(hào)。

圖42示出的talbot圖案對(duì)應(yīng)于具有1∶1、π/2相移圖案的分束光柵210-1-90的強(qiáng)度圖案，例如，如示出于下述參考文獻(xiàn)“x-rayphaseimagingwithsinglephasegrating”byy.takedaetal.，jpn.j.appl.phys.vol.46，2007，pp.l89-l91。

被檢查物體的關(guān)注的區(qū)域和/或周期性特征可以以多種不同方式被對(duì)準(zhǔn)，取決于期望的測(cè)量結(jié)果。例如，如果關(guān)注的是特征本身的尺寸或組成，它們應(yīng)被定中心在talbot干涉圖案的腹點(diǎn)上。如果存在諸如特征的側(cè)面這類的關(guān)注區(qū)域，被檢查物體應(yīng)被定位成使得亮的腹點(diǎn)對(duì)應(yīng)于這些區(qū)域。還應(yīng)當(dāng)注意的是，對(duì)于此方法有深度靈敏度。利用足夠薄的樣品，通過(guò)沿干涉條紋移動(dòng)樣品，此方法可用于執(zhí)行期望特性的深度敏感映射。

這種使用的一個(gè)示例是：其中分束器由上游足夠空間相干的x射線束照射，從而在光分束器下游規(guī)定距離處(talbot距離的分?jǐn)?shù)和整數(shù)位置處)產(chǎn)生talbot自像和強(qiáng)度圖案。在此示例中，呈透射幾何結(jié)構(gòu)的要成像的平面型樣品(樣品平面平行于衍射光柵)被放置在分束器下游一段距離處，在該距離處存在由x射線的干涉造成的高低強(qiáng)度圖案。如果分束光柵是相移型，它可以被放置在talbot距離的分?jǐn)?shù)之一的位置處，例如：

其中，p1是分束光柵的周期，dn為平面波照射的talbot距離的分?jǐn)?shù)，λ是平均x射線波長(zhǎng)，和n5是檢測(cè)器放置所在處的talbot分?jǐn)?shù)階(n＝1，2，3，...)。

分束器的節(jié)距可以被選擇成匹配所關(guān)注的區(qū)域的節(jié)距(例如，特征或特征邊緣)；這可以按下式與第一階有關(guān)：

其中，df定義為關(guān)注的區(qū)域或特征的節(jié)距，dg是衍射光柵的節(jié)距，是縮放因子(對(duì)于相位型衍射光柵而言，對(duì)于π/2相移為1，對(duì)于π相移為1/2)，m是定義為(l1+l2)/l1的放大因數(shù)，其中l(wèi)1是從有效源點(diǎn)到衍射光柵的距離，l2是從光柵到被檢查物體的距離。

被檢查物體的周期性特征與干涉圖案的腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)(相消干涉)的對(duì)準(zhǔn)確保了x射線激發(fā)只發(fā)生在明亮的腹點(diǎn)處，從而允許對(duì)僅關(guān)注的特征和區(qū)域的照射和隨后的測(cè)量、表征和分析。

應(yīng)當(dāng)注意的是，可以使用下述配置，其中分束光柵上制作的結(jié)構(gòu)可以比被檢查的周期性結(jié)構(gòu)大得多，取決于樣品距分束器的距離。圖43示出來(lái)自圖2的talbot條紋，而針對(duì)talbot距離的一些中間值的干涉條紋的周期繪制在圖的上方(注意，最小周期比分束光柵的周期p小4倍)。

在talbot距離dt處，原始的光柵條紋圖案本身再現(xiàn)，而周期p匹配原始光柵周期。在talbot距離的一半(dt/2)處，周期也是p，但節(jié)點(diǎn)和腹點(diǎn)逆反。然而，在talbot距離的四分之一(dt/4)處，條紋周期為p/2——在原始光柵處的值的一半。并且，在其一半處(talbot距離的八分之一(dt/8)處)，條紋周期為p/4。因此，呈10納米節(jié)距的結(jié)構(gòu)可根據(jù)本發(fā)明的方法通過(guò)使用周期為40納米的分束光柵(如果分束器的選擇合適的話)從而被有效地照射。

還應(yīng)當(dāng)注意的是，在一些情況下，物體本身能夠充當(dāng)分束光柵。銅制成的tsv可對(duì)x射線引入相移，并且包含周期性tsv的物體可以被用作具有合適的相干照射的分束光柵。所得的干涉圖案本身可被用來(lái)推斷tsv的各種性質(zhì)，而無(wú)需與其它物體或光學(xué)元件的另外相互作用。

3.3.作為裝置的實(shí)施例。

此外，一種裝置可以被構(gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn)基于前述方法的測(cè)量。本發(fā)明的關(guān)于測(cè)量、表征(例如計(jì)量或檢驗(yàn))、和/或分析裝置的實(shí)施例可以包括：

a)x射線源系統(tǒng)，其包括：具有足夠空間相干性的x射線發(fā)生器，或一種x射線源——其當(dāng)與另一元件(比如吸收光柵)組合時(shí)實(shí)現(xiàn)足夠的空間相干性；

b)周期性衍射光學(xué)元件(比如優(yōu)選呈透射幾何的衍射光柵)，其當(dāng)被具有足夠空間相干性的x射線束照射時(shí)產(chǎn)生talbot干涉圖案；

c)一個(gè)或多個(gè)x射線檢測(cè)器-分析器系統(tǒng)，其類型取決于要獲得的x射線信息，比如本領(lǐng)域已知的位置敏感探測(cè)器或本領(lǐng)域已知的x射線光譜儀；

d)用于針對(duì)干涉圖案將被檢查物體的周期性特征進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)的裝置，

e)用于記錄所檢測(cè)信息的裝置；和

f)用于分析所記錄信息的裝置。

為了實(shí)現(xiàn)talbot效應(yīng)，x射線源系統(tǒng)必須提供具有足夠空間相干性的照射x射線束，其可以通過(guò)本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員已知曉的方法實(shí)現(xiàn)，所述已知曉的方法包括：使用固體靶或液態(tài)金屬射流靶的高亮度微聚焦/納米焦點(diǎn)源。替代地，該源可以包括微結(jié)構(gòu)化陽(yáng)極或線性累加的子源，類似于上述那些。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，采用了一種裝置，其在一個(gè)方向上產(chǎn)生talbot干涉條紋或通過(guò)使用衍射元件(優(yōu)選相移型周期光柵)從而在兩個(gè)正交方向上產(chǎn)生干涉圖案。該衍射元件可以是包括相移部分——通過(guò)提前或推遲穿過(guò)光柵線的x射線的相位從而分割x射線束——的衍射光柵，或本質(zhì)上吸收型的衍射光柵，以獲得在幅度、相位、或合成波陣面的幅度和相位兩者的周期性空間調(diào)制。

在一些使用基于talbot探測(cè)方法的計(jì)量或表征裝置的實(shí)施例中，將具有如圖44所示的部件，該系統(tǒng)通常包括：

產(chǎn)生x射線888的x射線源002，

衍射元件210，其包括周期p1的x射線分束器，

樣本保持器264，其被放置或者可通過(guò)控制器265被控制來(lái)移動(dòng)要被定位在talbot距離的分?jǐn)?shù)或整數(shù)位置處的被檢查物體2400，并且也針對(duì)周期性talbot干涉條紋以預(yù)定方式把要被定位的物體的周期性結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)，以及

x射線檢測(cè)器/分析器系統(tǒng)290。

在這樣的實(shí)施例中，x射線源002必須產(chǎn)生具有足夠相干性的x射線，用于要產(chǎn)生的具有高對(duì)比度(例如對(duì)比度大于20％)的talbot干涉條紋。此x射線源可以是常規(guī)的x射線源，例如高亮度微聚焦/納米聚焦源、或小焦點(diǎn)液態(tài)金屬噴射源，或者如圖7所示的擴(kuò)展源300——其具有放置在它前方的多狹縫光柵(吸收光柵)308以產(chǎn)生小的相干x射線源陣列。替代地，源可以是包括線性或二維陣列微結(jié)構(gòu)700的x射線發(fā)生器002，所述微結(jié)構(gòu)700包含嵌入在具有高導(dǎo)熱率的第二種材料1000中的、產(chǎn)生具有期望特性的x射線的材料。這種源的示例在上面已經(jīng)描述，并在前面提及的本發(fā)明的發(fā)明人的題為x-raysourcesusinglinearaccumulation的美國(guó)專利申請(qǐng)(2014年9月19日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)14/490,672)中更詳細(xì)地描述。

圖44是所公開的x射線表征裝置的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；示出的x射線表征系統(tǒng)可以用來(lái)獲取關(guān)注的x射線信息(包括xrf、xrd、成像和saxs)的任何組合。圖44包括微結(jié)構(gòu)化陽(yáng)極源，其包括具有x射線產(chǎn)生材料的微結(jié)構(gòu)700的基底1000。具有高的空間相干性的x射線束888照射定位在相距源002距離l1處的衍射光柵210。在光柵下游talbot距離l2處，物體2400被放置成使得它的關(guān)注的區(qū)域或特征2420與talbot強(qiáng)度圖案的腹點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。注意，這些區(qū)域的周期p2按下式與衍射光柵的周期p1相關(guān)

其中，是縮放因數(shù)(對(duì)于相位型衍射光柵，對(duì)于π/2相移為1，對(duì)于π相移為1/2)，并可以取決于光柵的類型以及talbot距離。

此外，在一些實(shí)施例中，衍射元件是相位光柵，并且最優(yōu)選設(shè)計(jì)為引起π的分?jǐn)?shù)或整數(shù)倍(比如π/4、π/2、π、或3/2π等)相移。因?yàn)樵谠摲椒ㄖ校瑯悠穬?yōu)選位于衍射元件的下游在分?jǐn)?shù)或整數(shù)距離處。另外的實(shí)施例可以包括上述能力中一個(gè)以上能力的任何組合。這可以通過(guò)使用附加檢測(cè)器和結(jié)合可被加入或去除的光學(xué)元件來(lái)完成。用于這種多用途式計(jì)量系統(tǒng)的源和檢測(cè)器構(gòu)造的示例，已由borisyokhin等人提出(美國(guó)專利no.7,551,719)。

3.4.采用小角度x射線散射(saxs)的裝置實(shí)施例。

圖45和圖46示出本發(fā)明的實(shí)施例的示意圖，其中所公開的裝置的周期性微束被用來(lái)獲取來(lái)自關(guān)注的區(qū)域或特征的小角度x射線散射(saxs)信息。

在本實(shí)施例中，來(lái)自x射線源002的相干x射線888照射相位光柵210-1-90?？蛇x的孔口或準(zhǔn)直系統(tǒng)(例如，一個(gè)或多個(gè)孔口或狹縫)可被放置在相位光柵之前或之后。x射線888在與光柵210-1-90相互作用后形成talbot干涉圖案888-t。包括周期性結(jié)構(gòu)2420的物體2400被對(duì)準(zhǔn)，使得關(guān)注的結(jié)構(gòu)2420與talbot圖案腹點(diǎn)重合，并產(chǎn)生小角度x射線散射。散射的x射線889由檢測(cè)器290檢測(cè)，該檢測(cè)器290通常是本領(lǐng)域中公知的位置敏感型檢測(cè)器?？蛇x的束終止器422，其具有吸收x射線的區(qū)域424，可以被采用來(lái)阻擋未散射的主要x射線889的透射的檢測(cè)。對(duì)于該系統(tǒng)的一些實(shí)施例，x射線898的高達(dá)50毫弧度的小角度散射可由檢測(cè)器檢測(cè)到，而束終止器422將阻擋從0弧度的角度到系統(tǒng)的幾何布置所決定的角度的范圍。例如，如果該檢測(cè)器相距物體1米遠(yuǎn)，并且整體被照射區(qū)域的直徑為100微米，則束終止器將需要阻擋從0毫弧度到至少高達(dá)0.1毫弧度以及可能更大的量，以消除所有直接透射的(未散射的)x射線。在一些實(shí)施例中，束終止器422被取代為：被放置在靠近檢測(cè)器并且被設(shè)計(jì)為阻止直接透射的x射線的單個(gè)均勻束終止器。

在一些實(shí)施例中，被檢查物體2400可以被安裝在支架上，并且通過(guò)置物臺(tái)、5軸支架505或測(cè)角器從而被旋轉(zhuǎn)或平移。

應(yīng)當(dāng)注意的是，所示的這些實(shí)施例不是按比例的，因?yàn)閠albot干涉圖案的發(fā)散、準(zhǔn)直或收斂將取決于x射線束被準(zhǔn)直的良好度以及物體被放置成距離源的遠(yuǎn)度。

3.5.采用x射線熒光的裝置實(shí)施例

圖47是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中所公開的裝置被用來(lái)獲取來(lái)自被檢查物體內(nèi)部的周期性區(qū)域的x射線熒光信息。在本實(shí)施例中，幾何結(jié)構(gòu)被布置成符合總x射線熒光(txrf)配置。如在先前描述的實(shí)施例中，x射線源002照射相位光柵210并且與光柵210相互作用后形成talbot干涉圖案888-t。包括周期性結(jié)構(gòu)2420的物體2400被對(duì)準(zhǔn)成使得：關(guān)注的結(jié)構(gòu)2420與talbot圖案腹點(diǎn)重合，并產(chǎn)生x射線熒光887。如圖所示，talbot條紋在θ角度(對(duì)于物體的材料鄰近掠入射)與物體2400相交，雖然也可以使用入射的其它角度。x射線熒光887然后由定位在相距物體某一預(yù)定距離處的檢測(cè)器290-f檢測(cè)。

如所示，talbot干涉圖案是填充一定空間體積的三維結(jié)構(gòu)，因此，物體的周期性結(jié)構(gòu)不定位在同一talbot距離處。一個(gè)更實(shí)際的實(shí)施例可以是使用二維talbot圖案，其中talbot圖案呈薄片形式，并以一維x射線照射物體。這允許周期性結(jié)構(gòu)全被相同的talbot條紋照射，因?yàn)槿刻卣鞫枷嗑喾质鈻畔嗤嚯x。

在一些實(shí)施例中，通過(guò)利用置物臺(tái)、5軸支架或測(cè)角器509旋轉(zhuǎn)或平移物體，從而被檢查物體2400可以被旋轉(zhuǎn)或平移。

在該實(shí)施例的變型中，x射線源系統(tǒng)——其具有微結(jié)構(gòu)化源、由線性累加子源構(gòu)成的源、小焦點(diǎn)源、或與多狹縫相組合的擴(kuò)展源——可被用來(lái)照射分束器，并形成入射在物體上的talbot干涉圖案?？蛇x地，光學(xué)元件和單色器可被放置在源和分束器之間。此系統(tǒng)可以是水平的或豎直的。如所示，它以入射的小角度θ，或具有在90°或接近90°的入射角度被定向。該檢測(cè)器可被偏置來(lái)收集以一角度自樣本發(fā)出的x射線熒光，或替代地接收在光學(xué)元件或多層反射后的熒光信號(hào)。該檢測(cè)器可以是波長(zhǎng)或能量敏感型，比如硅漂移檢測(cè)器、閃爍檢測(cè)器、和比例計(jì)數(shù)器。

在一些實(shí)施例中，檢測(cè)器可被放置在物體的與x射線源相同的一側(cè)。在這種配置中，檢測(cè)器優(yōu)選是中間有孔的硅漂移檢測(cè)器，也可以是任何能量敏感或波長(zhǎng)敏感光譜儀。可選的x射線光學(xué)元件可以可選地使用、放置在分束器的下游的talbot距離處、并且優(yōu)選是反射式毛細(xì)管x射線光學(xué)元件(例如橢圓單毛細(xì)管透鏡)。替代地，代替光學(xué)元件，可以使用孔口或準(zhǔn)直部件。經(jīng)準(zhǔn)直或聚焦的x射線照射處于周期性區(qū)域中的物體。由物體產(chǎn)生的熒光x射線然后被檢測(cè)器收集，該檢測(cè)器放置在被檢查物體附近以最大化收集的立體角?？蓱?yīng)用于本發(fā)明的實(shí)施例的x射線光學(xué)元件、配置和系統(tǒng)，已在本發(fā)明的發(fā)明人的題為“x-rayilluminatorswithhighfluxandhighfluxdensity”的共同未決的美國(guó)專利申請(qǐng)(2014年12月5日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)14/544,191)中、以及在本發(fā)明的發(fā)明人的“x-raysurfaceanalysisandmeasurementapparatus”(2015年3月1日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)14/634,834)中更詳盡地描述，其都在此通過(guò)引用整體并入本文。

3.6.采用x射線反射的裝置實(shí)施例

本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中所公開的裝置被用來(lái)獲得來(lái)自被檢查物體內(nèi)部周期性區(qū)域的x射線反射信息。在本實(shí)施例中，幾何結(jié)構(gòu)被布置成符合x射線反射(xrr)配置。如在前面描述的熒光實(shí)施例中，x射線源照射相位光柵并且在與光柵相互作用后形成talbot干涉圖案。如在一些前面描述的實(shí)施例中，可選的聚焦或準(zhǔn)直系統(tǒng)可以用來(lái)創(chuàng)建用于talbot干涉圖案的(會(huì)聚的、發(fā)散的、或準(zhǔn)直的)預(yù)定波陣面輪廓。這種聚焦或準(zhǔn)直系統(tǒng)可以通過(guò)包括過(guò)濾、單色化等元件從而附加地具備帶寬限制或單色化。該聚焦系統(tǒng)也可被放置在相位光柵之前或之后(優(yōu)選在talbot距離處)。

包含周期性結(jié)構(gòu)的物體被對(duì)準(zhǔn)，使得所關(guān)注的結(jié)構(gòu)重合于talbot圖案腹點(diǎn)，并且x射線從周期性結(jié)構(gòu)的被照射面反射。反射的x射線然后被定位在離物體某預(yù)定距離處的檢測(cè)器檢測(cè)。

3.7.采用x射線衍射的裝置實(shí)施例

圖48示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中所公開的裝置的周期性微束被用來(lái)獲取來(lái)自關(guān)注的周期性結(jié)構(gòu)或特征的x射線衍射(xrd)信息。具有透射幾何結(jié)構(gòu)的x射線衍射實(shí)施例的示例示于圖48，而其它實(shí)施例可以具有掠入射/反射幾何形狀。

在圖48的實(shí)施例中，x射線源002(示出為微結(jié)構(gòu)化陽(yáng)極源，但它可以替代地為具有源光柵的擴(kuò)展源或具有足夠空間相干性的任何其它x射線發(fā)生器)照射相位光柵210。可選的孔口或準(zhǔn)直系統(tǒng)(例如，一個(gè)或多個(gè)孔口或狹縫)可被放置在相位光柵之前或之后。x射線888在與光柵210相互作用之后形成talbot干涉圖案888-t。包括周期性結(jié)構(gòu)2420的物體2400被對(duì)準(zhǔn)成使得關(guān)注的結(jié)構(gòu)2420重合于talbot圖案腹點(diǎn)，并產(chǎn)生x射線衍射898-d。衍射的x射線898-d是由檢測(cè)器290-d檢測(cè)，該檢測(cè)器290-d通常將是本領(lǐng)域中公知的位置敏感型檢測(cè)器。可選的束終止器422，其具有吸收x射線的區(qū)域424，可以被采用來(lái)阻擋未衍射的主要x射線的透射的檢測(cè)。

3.8.實(shí)施例的組合。

盡管已描述了一些裝置，其使用周期性結(jié)構(gòu)化照射(諸如talbot干涉條紋)來(lái)產(chǎn)生與小角度x射線散射、x射線熒光、x射線反射和x射線衍射相關(guān)的信號(hào)，但是這些測(cè)量系統(tǒng)并非相互排斥的，并且可以被組合來(lái)序列地或并行地收集信息。這里給出的描述并不意味著是限制性的，并且這些實(shí)施例的組合對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。

4.0光柵的制作。

在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的光柵的制造可以利用已知的現(xiàn)有技術(shù)制造工藝制成，所述現(xiàn)有技術(shù)制造工藝比如christiandavid先前描述的那些[c.davidetal.，“fabricationofdiffractiongratingsforhardx-rayphasecontrastimaging”，microelectron.eng.84，1172-1177，2007]。

用于x射線的光柵可以使用硅基底來(lái)制造，利用形貌上蝕刻的變化來(lái)引入相位變化和更高z物質(zhì)(比如金(au，z＝79))的沉積來(lái)引入吸收變化。黃金和硅的x射線吸收特性在圖39中示出。

如圖49所示，周期性圖案3010可以被蝕刻到硅基底3000來(lái)創(chuàng)建一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)于在法向入射的x射線引入周期性相移。該相移取決于蝕刻深度，當(dāng)下列條件滿足實(shí)現(xiàn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)法向入射x射線的π弧度相移：

表iv示出在一些x射線能量下硅的δ值、以及對(duì)于π弧度相移需要的蝕刻結(jié)構(gòu)的深度。

典型的光柵制造工藝包括：用光致抗蝕劑涂覆<110>取向的硅晶片，并且使用常規(guī)光刻、聚焦離子束光刻或電子束光刻來(lái)圖案化該光致抗蝕劑。然后對(duì)硅執(zhí)行蝕刻工藝，比如在例如氫氧化鉀(koh)溶液中濕蝕刻、或反應(yīng)性離子蝕刻(rie)，而蝕刻僅選擇性地發(fā)生于沒(méi)有被光致抗蝕劑掩蔽的硅部分。蝕刻深度可通過(guò)調(diào)節(jié)蝕刻工藝的時(shí)間來(lái)控制。蝕刻工藝的其它變型將是半導(dǎo)體加工和制造領(lǐng)域技術(shù)人員所知曉的。

表iv：對(duì)于硅的π弧度相移的蝕刻深度。

吸收光柵(比如用于g2的那些)可以通過(guò)初始創(chuàng)建硅相位光柵(如上所述)、然后將x射線吸收材料(比如金)淀積到硅中已圖案化的凹槽中從而制得。這在圖50示出，其中x射線吸收材料3030(比如金)的量已填充硅基底3000中創(chuàng)建的凹槽。用于金沉積到硅凹槽中的一種工藝涉及標(biāo)準(zhǔn)電鍍工藝。以確保金僅淀積到凹槽中，可首先以一個(gè)角度地沉積鋁犧牲層，然后沉積含有鉻(cr)和金(au)的約50納米厚的種子層。磷酸處理去除沉積在硅結(jié)構(gòu)的頂部上的所有材料，從而留下僅在硅中凹槽的底部中的種子材料。隨后可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)電鍍，而金的生長(zhǎng)僅發(fā)生在沉積的種子層上。幾百微米的金沉積可以創(chuàng)建具有75％或更高的透射調(diào)制的吸收光柵。然而，吸收將取決于x射線能量和材料的吸收系數(shù)，如圖1和圖39所示。用于制造x射線吸收光柵的其它方法將是本領(lǐng)域技術(shù)人員所知曉的。

對(duì)于一些應(yīng)用和對(duì)于一定的x射線波長(zhǎng)，也可以使用晶體光柵。

5.0檢測(cè)器性質(zhì)

檢測(cè)器可以是用于形成x射線圖像的許多檢測(cè)器中的任何一種。常用的x射線檢測(cè)器的一種類型包括：熒光屏或閃爍器(比如包括一層碘化銫(csi)、鉈摻雜的碘化銫、釔鋁石榴石(yag)或硫氧化釓(gadoliniumsulfoxylate，gos)的一種熒光屏或閃爍器)，其當(dāng)暴露于x射線時(shí)發(fā)射可見光光子。可見光光子然后由使用可見光光學(xué)元件(其放大和增強(qiáng)熒光屏發(fā)射的光子的強(qiáng)度圖案)將可見光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)(經(jīng)常帶有中繼圖像的附加形成)的電子傳感器檢測(cè)。利用中繼光學(xué)元件，電子檢測(cè)器不需要自身包括高分辨率傳感器，并且可以使用便宜的商業(yè)ccd檢測(cè)器或具有例如每24μmx24μm平方1024×1024像素的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)傳感器陣列。

商業(yè)平板數(shù)字x射線傳感器——其中閃爍器材料的層被放置成靠近(或甚至涂覆到)常規(guī)光學(xué)圖像傳感器陣列——由例如加利福尼亞州paloalto的varian公司、馬薩諸塞州的billerica的generalelectric公司制造。圖像傳感器的其它構(gòu)造可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。在使用了g2分析光柵的一些實(shí)施例中，優(yōu)選使用用于醫(yī)療和工業(yè)用途的高效率的、快速讀出的檢測(cè)器，比如平板檢測(cè)器。對(duì)于許多應(yīng)用，具有大于20微米的分辨率的平板檢測(cè)器將要求具有周期等于talbot條紋周期的分析光柵g2被放置在檢測(cè)器之前的x射線束路徑中。

第二種途徑是使用一種電子傳感器，其響應(yīng)于x射線的吸收、通過(guò)例如在非晶硒(α-se)中電子-空穴對(duì)的直接產(chǎn)生從而直接產(chǎn)生電信號(hào)。這些然后使用薄膜晶體管(tft)陣列從而被轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)。這種直接式平板檢測(cè)器(fpd)是商業(yè)可獲得的，比如日本kyoto的shimadzu公司的safirefpd。

6.0.變型

實(shí)施例可以進(jìn)一步包括通常包含在talbot干涉儀中的其它部件(包括光譜過(guò)濾器)，以獲得對(duì)系統(tǒng)的所有的各種部件所期望的x射線能量帶寬和定位控制系統(tǒng)。

應(yīng)當(dāng)注意，本公開中所使用的某些術(shù)語(yǔ)將是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的，比如格柵(grid)或光柵(grating)。在本文的描述中，格柵和光柵是可以互換使用的術(shù)語(yǔ)，并且不意味著受限于特定的格柵、周期、或圖案。

同樣地，應(yīng)當(dāng)注意，本公開中所使用的某些術(shù)語(yǔ)將是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的，比如talbot條紋、干涉圖案、或“毯”。在本文的描述中，干涉圖案、條紋、或“毯”是可以互換使用的術(shù)語(yǔ)，并且不意味著受限于任何特定的強(qiáng)度圖案。

同樣地，應(yīng)當(dāng)注意，雖然這些方法和系統(tǒng)旨在與周期性結(jié)構(gòu)一起使用，但是所述結(jié)構(gòu)不必是均勻周期性的來(lái)實(shí)現(xiàn)有用的益處。缺少陣列的某些行或列的格柵化結(jié)構(gòu)，仍可以提供有用的信號(hào)，如準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)那樣(比如使用定向自組裝(dsa)而形成的那些)。只要結(jié)構(gòu)的一部分是一定程度上大體周期性的，就可以采用本發(fā)明的方法和系統(tǒng)。

本申請(qǐng)公開了本發(fā)明的若干實(shí)施例，包括發(fā)明者設(shè)想到的最佳實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，雖然可能給出了具體實(shí)施例，對(duì)于某些實(shí)施例詳細(xì)地討論的元件也可以適用于其它實(shí)施例。

雖然闡述了具體的材料、設(shè)計(jì)、構(gòu)造和制造步驟來(lái)描述本發(fā)明和優(yōu)選實(shí)施例，但這些描述并不意在是限制性的。修改和變化對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯然的，并且意圖是本發(fā)明僅由隨附權(quán)利要求的范圍來(lái)限定。

優(yōu)選地包括本文描述的所有元件、零件和步驟。應(yīng)理解，這些元件、零件和步驟中的任一個(gè)可以被其它的元件、零件和步驟取代或者一并刪除，正如對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員所顯而易見的。

本書面描述公開了一種用于周期性結(jié)構(gòu)的測(cè)量、表征和分析的x射線方法。

概括地說(shuō)，本書面描述公開了至少以下內(nèi)容：

x射線照射的周期性空間圖案被用來(lái)收集關(guān)于周期性物體的信息?？梢允褂孟喔傻幕虿糠窒喔傻膞射線源與分束光柵的相互作用來(lái)創(chuàng)建具有周期性結(jié)構(gòu)的talbot干涉圖案，以創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化照射。然后將要測(cè)量的具有周期性結(jié)構(gòu)的物體放置到該結(jié)構(gòu)化照射中，并且分析來(lái)自多個(gè)照射點(diǎn)的信號(hào)的集合以確定物體及其結(jié)構(gòu)的各種性質(zhì)。使用本發(fā)明的方法，對(duì)于x射線吸收/透射、小角度x射線散射、x射線熒光、x射線反射和x射線衍射的應(yīng)用都是可能的。

構(gòu)思

本文也給出至少以下構(gòu)思。

1.一種用于檢查具有周期性結(jié)構(gòu)的物體的方法，包括：

確定將在其中形成talbot干涉圖案的體積，

所述talbot干涉圖案使用下述項(xiàng)形成：

x射線源和

x射線分束光柵；

將具有周期性結(jié)構(gòu)的物體放置到所述體積中；

建立talbot干涉圖案；

將所述物體的周期性結(jié)構(gòu)與所述talbot干涉圖案的腹節(jié)點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)；和

檢測(cè)由于下述項(xiàng)的相互作用而引起的x射線信號(hào)：

talbot干涉圖案和

所述物體的周期性結(jié)構(gòu)。

2.如構(gòu)思1所述的方法，其中，

x射線信號(hào)是起因于通過(guò)所述周期性結(jié)構(gòu)的x射線的透射而產(chǎn)生的信號(hào)。

3.如構(gòu)思1所述的方法，其中，

x射線信號(hào)是起因于選自以下項(xiàng)構(gòu)成的組中的一種或多種現(xiàn)象而產(chǎn)生的信號(hào)：

小角度x射線散射、x射線熒光、x射線反射、和x射線衍射。

4.如構(gòu)思1至3所述的方法，其中，

x射線源是微聚焦源。

5.如構(gòu)思1至4所述的方法，其中，

x射線源是與包括周期性孔口的吸收光柵相結(jié)合使用的擴(kuò)展源。

6.如構(gòu)思1至5所述的方法，其中，x射線源包括：

真空室；

用于電子束的發(fā)射器；和

電子靶，其包括：

包括第一材料的基底，和嵌入在所述基底中的

包括根據(jù)x射線產(chǎn)生性質(zhì)選取的第二材料的至少多個(gè)離散結(jié)構(gòu)，

并且其中所述多個(gè)離散結(jié)構(gòu)被布置成形成子源的周期性圖案。

7.如構(gòu)思1至6所述的方法，其中，

x射線分束光柵包括用以對(duì)預(yù)定x射線波長(zhǎng)引入大約π弧度相移的結(jié)構(gòu)。

8.如構(gòu)思1至6所述的方法，其中，

x射線分束光柵包括用以對(duì)預(yù)定x射線波長(zhǎng)引入大約π/2弧度相移的結(jié)構(gòu)。

9.如構(gòu)思1至8所述的方法，其中

x射線分束光柵包括x射線相移光柵，其中所述x射線相移光柵的周期p1小于或等于來(lái)自x射線源的x射線的橫向相干長(zhǎng)度。

10.如構(gòu)思6至9所述的方法，其中，

第一選擇的材料是選自以下項(xiàng)構(gòu)成的組：

鈹、金剛石、石墨、硅、氮化硼、碳化硅、藍(lán)寶石和類金剛石碳；以及

第二材料是選自以下項(xiàng)構(gòu)成的組：

鐵、鈷、鎳、銅、鎵、鋅、釔、鋯、鉬、鈮、釕、銠、鈀、銀、錫、銥、鉭、鎢、銦、銫、鋇、金、鉑、鉛、及其組合和合金。

11.一種x射線計(jì)量系統(tǒng)，包括：

x射線源，其包括：

真空室；

用于電子束的發(fā)射器；和

電子靶，其包括：

包括第一材料的基底和，嵌入在所述基底中的

包括根據(jù)x射線產(chǎn)生性質(zhì)選取的第二材料的至少多個(gè)離散結(jié)構(gòu)，

并且其中所述多個(gè)離散結(jié)構(gòu)被布置在子源的周期性圖案內(nèi)；

x射線分束光柵，其包括形成x射線相移光柵的周期性結(jié)構(gòu)，所述x射線相移光柵定位成使x射線子源所產(chǎn)生的x射線衍射；

用于保持要檢查物體的支架系統(tǒng)，其包括用以將支架相對(duì)于從x射線分束光柵衍射的x射線進(jìn)行移動(dòng)的機(jī)構(gòu)；

x射線檢測(cè)器，其包括x射線檢測(cè)元件的二維陣列，并定位成檢測(cè)由于與安裝在支架系統(tǒng)中的物體的相互作用而引起的x射線。

12.如構(gòu)思11所述的x射線計(jì)量系統(tǒng)，其中，

所述支架系統(tǒng)附加地包括用于定位支架的機(jī)構(gòu)。

13.如構(gòu)思11或12所述的x射線計(jì)量系統(tǒng)，其中，

x射線相移光柵包括用以對(duì)預(yù)定x射線波長(zhǎng)引入大約π弧度相移的結(jié)構(gòu)。

14.如構(gòu)思11或12所述的x射線計(jì)量系統(tǒng)，其中，

x射線相移光柵包括用以對(duì)預(yù)定x射線波長(zhǎng)引入大約π/2弧度相移的結(jié)構(gòu)。

15.如構(gòu)思11至14所述的x射線計(jì)量系統(tǒng)，其中，

x射線分束相移光柵包括

x射線相移光柵，其中所述x射線相移光柵的周期p1按下式與用于x射線靶的離散結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)的尺寸a相關(guān)

其中，λ是預(yù)定x射線波長(zhǎng)，

并且l是靶和x射線分束光柵之間的距離。

16.如構(gòu)思15所述的x射線計(jì)量系統(tǒng)，其中，

x射線源產(chǎn)生的x射線與所述分束光柵相互作用以形成talbot干涉圖案。

17.如構(gòu)思16所述的x射線計(jì)量系統(tǒng)，其中，

所述支架系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成保持半導(dǎo)體晶片的至少一部分。

18.如構(gòu)思16所述的x射線計(jì)量系統(tǒng)，其中，

所述支架系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成保持集成電路的至少一部分。

19.如構(gòu)思16所述的x射線計(jì)量系統(tǒng)，其中，

所述支架系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成保持用于集成電路的封裝部件的至少一部分。

20.如構(gòu)思16所述的x射線計(jì)量系統(tǒng)，其中，

所述支架系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成保持晶體樣品。

21.如構(gòu)思16至20所述的x射線計(jì)量系統(tǒng)，其中，

由于與安裝在所述支架系統(tǒng)中的物體的相互作用而引起的x射線是透射的x射線。

22.如構(gòu)思16至20所述的x射線計(jì)量系統(tǒng)，其中，

talbot干涉圖案具有傳播方向；以及

由于與安裝在所述支架系統(tǒng)中的物體的相互作用而引起的x射線是以從talbot干涉圖案的傳播方向小于或等于40毫弧度的角度散射的x射線。

23.如構(gòu)思16至20所述的x射線計(jì)量系統(tǒng)，其中，

由于與安裝在所述支架系統(tǒng)中的物體的相互作用而引起的x射線是熒光x射線。

24.如構(gòu)思16至20所述的x射線計(jì)量系統(tǒng)，其中，

由于與安裝在所述支架系統(tǒng)中的物體的相互作用而引起的x射線是衍射的x射線。

25.如構(gòu)思16至20所述的x射線計(jì)量系統(tǒng)，其中，

由于與安裝在所述支架系統(tǒng)中的物體的相互作用而引起的x射線是反射的x射線。

26.如構(gòu)思16至26所述的x射線計(jì)量系統(tǒng)，其中，

talbot干涉圖案的對(duì)比度大于20％。

27.如構(gòu)思16至26所述的x射線計(jì)量系統(tǒng)，其中，

x射線檢測(cè)器產(chǎn)生與x射線的性質(zhì)相關(guān)的電子信號(hào)；并且附加地包括：

用于記錄由檢測(cè)器產(chǎn)生的信息的裝置。

28.如構(gòu)思27所述的x射線計(jì)量系統(tǒng)，其中，

x射線檢測(cè)器產(chǎn)生與x射線的性質(zhì)相關(guān)的電子信號(hào)；并且附加地包括：

用于分析所記錄信息的裝置。

附錄a

基于talbot效應(yīng)的x射線圖案化探測(cè)的方法和使用該方法的表征(計(jì)量或檢驗(yàn))裝置

摘要

公開了一種在基于x射線的裝置中利用talbot效應(yīng)的探測(cè)方法，其使用呈圖案的x射線照射或準(zhǔn)直射束。此方法可用于照射和分析周期性圖案化材料和器件，并且將特別有用于半導(dǎo)體特征(比如晶體管、接觸孔、或互連(interconnects))的x射線分析。進(jìn)一步公開的是計(jì)量或檢驗(yàn)裝置，其對(duì)于一些技術(shù)(包括小角散射(saxs)、x射線熒光(xrf)、x射線衍射(xrd)和x射線反射(xrr))使用基于talbot的圖案化聚焦方法。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的x射線分析或成像系統(tǒng)迄今依賴于樣本的均勻照射或在一個(gè)特征上的聚焦照射。然而，在一些樣本中，期望一種選擇地探測(cè)周期性區(qū)域的方法；例如，來(lái)自半導(dǎo)體器件中的周期性晶體管的熒光信息可能是所期望的，但是來(lái)自周邊晶片的熒光信息可能模糊該信息和降低靈敏度。在這樣的情況下，優(yōu)選是將x射線探測(cè)僅集中在晶體管上，并盡可能降低來(lái)自樣本的周邊非晶體管區(qū)域的熒光。

在過(guò)去十年中，基于talbot的成像技術(shù)已在最近被開發(fā)用于x射線基于光柵的相襯成像(phasecontrastimaging)。當(dāng)分束光柵被具有足夠大的空間相干性和足夠窄的光譜帶寬的射束照射時(shí)，發(fā)生talbot效應(yīng)，并且因此，光柵的重復(fù)的自像被形成在光柵的下游側(cè)的talbot距離之一處。相位型和吸收型的衍射光柵都在下游不同定義的talbot距離處產(chǎn)生強(qiáng)度調(diào)制(供參考：momose等人的“x-rayphaseimagingwithtalbotinterferometry”biomedicalmathematicspromisingdirectionsinimaging，therapy，andinverseproblems2009)。該強(qiáng)度調(diào)制從在相消干涉的區(qū)域(節(jié)點(diǎn))處為零變化到為入射到光柵上的強(qiáng)度的兩倍(在倍率1、按定義為(r+z/r)的放大因數(shù)的平方進(jìn)行比例縮放)，其中z是強(qiáng)度調(diào)制相距于衍射光柵的距離，r是衍射光柵相距于源的距離。此原理已很大程度地用于獲得來(lái)自樣本的相位信息，但到目前為止，還沒(méi)有被作為針對(duì)其它x射線形態(tài)的有用的現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容

以下是本發(fā)明的目的：

1.發(fā)明各種方法，其使用由talbot效應(yīng)產(chǎn)生的周期性x射線微束來(lái)表征、分析、和測(cè)量天然存在的或人造的周期性結(jié)構(gòu)。talbot效應(yīng)引起衍射光柵的下游的周期性強(qiáng)度條紋。這些高低強(qiáng)度條紋(一維)或圖案(二維)可以用于單獨(dú)地或組合地利用已建立的x射線技術(shù)(比如xrf、xrd、saxs等)來(lái)探測(cè)特定的周期性區(qū)域。

2.優(yōu)選的目的是產(chǎn)生在對(duì)高維空間表征的至少一個(gè)維度上具有亞100納米尺寸的x射線微束的周期性陣列?？色@得降低到10納米的空間分辨率來(lái)同時(shí)探測(cè)樣本中的多個(gè)周期性區(qū)域，這與探測(cè)一個(gè)集中區(qū)域或一個(gè)統(tǒng)一區(qū)域的傳統(tǒng)方法相反。從對(duì)talbot效應(yīng)和現(xiàn)有技術(shù)的研究，眾所周知：在具有足夠的空間相干性的照射射束下，周期性結(jié)構(gòu)(比如一維或二維透射光柵)會(huì)產(chǎn)生具有強(qiáng)烈(高達(dá)100％)對(duì)比度的強(qiáng)度圖案，其是由在明確定義的距離處的相長(zhǎng)與相消干涉而造成(所述距離取決于若干因素，包括衍射光柵是否為吸收型或相移型、光柵的線空比和引起的相移)。周期性區(qū)域的這種探測(cè)將能夠?qū)崿F(xiàn)：天然存在的或人造的(例如半導(dǎo)體器件，其被用來(lái)作為一個(gè)非限制性示例來(lái)說(shuō)明本方法)周期性結(jié)構(gòu)的分析和表征。

3.通過(guò)將樣本沿著x射線束軸(z)移動(dòng)，使得talbot干涉圖案從樣本(例如平面型樣本)的表面附近移位到樣本內(nèi)部更深處，從而提供深度方向探測(cè)。這將允許不同深度處樣本的多個(gè)區(qū)域的照射，從而允許例如將在小角度散射、衍射、熒光或反射測(cè)量中的差異映射為深度的函數(shù)。

4.一種x射線系統(tǒng)的方法和設(shè)計(jì)，其利用具有針對(duì)talbot效應(yīng)的足夠空間相干性的源的已知設(shè)計(jì)(包括：微聚焦x射線源、具有小光點(diǎn)尺寸的液體金屬射流源、帶有吸收光柵的擴(kuò)展x射線源)或具有相似于主發(fā)明者最近在一些專利中提出的微結(jié)構(gòu)化陽(yáng)極的x射線源，從而用于獲得具有特定強(qiáng)度圖案和探測(cè)尺寸的x射線探測(cè)器。

5.一種使用周期性微束對(duì)樣本的特定及優(yōu)選周期性的區(qū)域的化學(xué)分析的方法，其通過(guò)收集來(lái)自樣本的特定區(qū)域的x射線熒光、同時(shí)降低來(lái)自樣本的其它區(qū)域的熒光信號(hào)的產(chǎn)生從而實(shí)現(xiàn)。

6.一種使用周期性微束來(lái)執(zhí)行樣本中周期性區(qū)域的x射線衍射分析的方法；例如執(zhí)行晶體結(jié)構(gòu)判定(例如組成分析、應(yīng)變分析)和層厚度測(cè)量。此衍射測(cè)量?jī)?yōu)選在透射幾何結(jié)構(gòu)中、但也可在反射幾何結(jié)構(gòu)中進(jìn)行。

7.一種使用周期性微束來(lái)獲得周期性結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)信息的方法，其通過(guò)利用小角散射技術(shù)從而實(shí)現(xiàn)。對(duì)于半導(dǎo)體器件的一個(gè)示例應(yīng)用，所實(shí)現(xiàn)的能力包涵信息(比如臨界尺寸的判定)、示例性參數(shù)(包括側(cè)壁角度、節(jié)距和線寬粗糙度等)。

8.利用周期性x射線微束——通過(guò)使用x射線反射信息——對(duì)周期性結(jié)構(gòu)的薄膜結(jié)構(gòu)判定的表征、分析和測(cè)量的方法。作為示例，此反射測(cè)量可以被用來(lái)確定在多層式結(jié)構(gòu)中的諸如層厚度、密度、和粗糙度等參數(shù)。本發(fā)明優(yōu)選用于透射幾何結(jié)構(gòu)、但也可在反射幾何結(jié)構(gòu)中進(jìn)行。

9.一種在廣范應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大量樣本的周期性區(qū)域的表征和分析的方法，其利用前述方法的組合或子集來(lái)獲得周期性結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充的和全面的信息。樣本優(yōu)選是人造半導(dǎo)體或電子器件樣本、制造的材料或裝置(例如光柵)、蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)、或者化學(xué)的或聚合化合物。然而，本方法也可用于天然存在的物質(zhì)(比如貴重礦物或含油巖石)的分析。

這些和其它目的在本發(fā)明的公開的方法中得以實(shí)現(xiàn)，其中(變化強(qiáng)度的)talbot干涉條紋被產(chǎn)生，并且樣本內(nèi)關(guān)注的區(qū)域與talbot干涉條紋的腹點(diǎn)(相長(zhǎng)干涉的區(qū)域)中的一個(gè)或多個(gè)對(duì)準(zhǔn)。非限制性示例方法是下述一種：其中衍射相位光柵被上游的適當(dāng)空間相干的x射線束照射，從而在衍射光柵的下游規(guī)定距離處(talbot距離的整數(shù)和分?jǐn)?shù)位置處)產(chǎn)生talbot自像和強(qiáng)度圖案。在此示例方法中，呈透射幾何結(jié)構(gòu)的要成像的平面型樣本(樣本平面平行于衍射光柵)被放置在由于x射線的干涉引起高低強(qiáng)度圖案的talbot距離處。如果衍射光柵是相位型，它被優(yōu)選地放置在所述距離的分?jǐn)?shù)位置之一處，例如zt＝n*p1²/8/λ，其中n是整數(shù)，p1是衍射光柵的周期，且λ是波長(zhǎng)(供參考：美國(guó)專利7,924,973b2已關(guān)于干涉圖案和talbot距離進(jìn)行了詳細(xì)討論)。衍射光柵節(jié)距可以選擇成匹配所關(guān)注的區(qū)域(例如，特征或特征邊緣)的節(jié)距；這可以按下式與第一階相關(guān)：

df＝dg*sφ*m

其中，df定義為關(guān)注的區(qū)域或特征的節(jié)距，dg是衍射光柵的節(jié)距，sφ是縮放因子(對(duì)于相位型衍射光柵而言，對(duì)于pi/2相移sφ為1，對(duì)于pi相移sφ為1/2)，m是定義為(l1+l2)/l1的放大因數(shù)，其中l(wèi)1是從源到衍射光柵的距離，及l(fā)2是從光柵到樣本的距離。樣本特征與干涉圖案的腹點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)(相消干涉)的對(duì)準(zhǔn)確保了x射線激發(fā)只發(fā)生在腹點(diǎn)內(nèi)，從而允許對(duì)僅關(guān)注的特征和區(qū)域的表征和分析。所公開的方法的優(yōu)選實(shí)施例是用于亞100納米的特征的節(jié)距df。

此外，這些目的在基于前述方法的裝置中實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的關(guān)于表征(如計(jì)量或檢驗(yàn))的裝置的實(shí)施例包括：a)x射線源系統(tǒng)，其包括：具有足夠空間相干性的x射線發(fā)生器，或一種x射線源——其當(dāng)與另一元件(比如吸收光柵)組合時(shí)實(shí)現(xiàn)足夠的空間相干性；b)衍射光學(xué)元件(比如優(yōu)選呈透射幾何結(jié)構(gòu)的衍射光柵)，其當(dāng)被具有足夠空間相干性的x射線束照射時(shí)產(chǎn)生高低干涉圖案；c)一個(gè)或多個(gè)x射線檢測(cè)器-分析器系統(tǒng)，其類型取決于要獲得的x射線信息，比如本領(lǐng)域已知的位置敏感探測(cè)器或能量發(fā)散型檢測(cè)器；d)用于記錄所檢測(cè)信息的裝置；和e)用于分析所記錄信息的裝置。為了實(shí)現(xiàn)talbot效應(yīng)，x射線源系統(tǒng)必須提供具有足夠空間相干性的照射x射線束，其可以通過(guò)本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員已知的方法實(shí)現(xiàn)，所述已知的方法包括：使用固體靶或液態(tài)金屬射流靶的高亮度微聚焦/納米聚焦源。替代地，源可以包括微結(jié)構(gòu)化陽(yáng)極，類似于主發(fā)明者在先前的專利申請(qǐng)中所公開的那些。

附圖說(shuō)明

包含在說(shuō)明書中并構(gòu)成說(shuō)明書的一部分的附圖示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例、特征、和各個(gè)方面，并與說(shuō)明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。附圖不一定是按比例繪制的；而是重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的原理。

圖1由透射分束光柵產(chǎn)生的talbot干涉圖案的示意圖。示出的是由talbot效應(yīng)引起的、在垂直于光柵線并包含射束軸的平面中的四種類型的線性光柵后方的強(qiáng)度分布：(a)具有pi/2相移和1∶1線空比的相位光柵220，(b)具有pi相移和1∶1線空比的相位光柵230，(c)具有pi/2相移和1∶3線空比的相位光柵240，和(d)吸收衍射光柵210。所有示出的光柵具有ronchi輪廓。假設(shè)一個(gè)具有足夠空間相干性的點(diǎn)輻射源。標(biāo)記在水平軸上的量m是talbot距離的分?jǐn)?shù)的小數(shù)值(例如，1/8＝0.125)。注意，強(qiáng)度圖案由吸收型衍射光柵和相位型衍射光柵兩者產(chǎn)生。這些周期性圖案可用于選擇性地探測(cè)樣本內(nèi)的周期性區(qū)域，或者，利用增加孔口、狹縫、或阻擋器件以除去周圍的周期性圖案從而可用于聚焦在樣本內(nèi)僅一個(gè)小區(qū)域上。因?yàn)閺?qiáng)度條紋與衍射光柵周期(見前面的討論)相關(guān)，優(yōu)選使用小周期的衍射光柵，以實(shí)現(xiàn)亞100納米強(qiáng)度條紋。

圖2是該方法的一個(gè)實(shí)施例的示意圖：樣本310被放置在衍射光柵230(在此非限制性示例中示出為具有pi相移和1∶1線空比的相位光柵)的下游、對(duì)應(yīng)于talbot距離(在本例中，與第3/8m相對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)位置，其中m是整數(shù)talbot距離)，并且使得所關(guān)注的特征或區(qū)域320對(duì)準(zhǔn)于talbot圖案的腹點(diǎn)(相長(zhǎng)干涉的區(qū)域)。

圖3是本發(fā)明方法的工作原理的示意圖：關(guān)注的特征或區(qū)域被與周期性腹點(diǎn)(相長(zhǎng)干涉)對(duì)準(zhǔn)，從而被以大致的兩倍強(qiáng)度照射，而其它區(qū)域由于在那些位置x射線的相消干涉而不被照射。樣本被示出為一橫截面，其中，從左至右的軸為z，并且是透射幾何結(jié)構(gòu)中照射用x射線束的相同方向。如從圖中可以看出，該方法是深度敏感的，并且可將樣本移動(dòng)，使得腹點(diǎn)探測(cè)樣本的不同深度，以產(chǎn)生來(lái)自各種深度的信息。圖3a和圖3b所示的示例是使用了具有周期性特征(比如樣本內(nèi)的晶體管)的樣本。在圖3a中，特征與腹點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。在圖3b中，特征的特定區(qū)域(在此特定圖示中為特征的側(cè)面)被腹點(diǎn)照射。這對(duì)于通過(guò)小角度散射進(jìn)行諸如側(cè)壁粗糙度這類的測(cè)量可以是有用的，如圖3b所示。

圖4是所公開的x射線表征裝置的兩個(gè)示例性實(shí)施例的示意圖；示出的x射線表征系統(tǒng)可以用來(lái)獲得關(guān)注的x射線信息(包括xrf、xrd、成像和saxs)的任何組合。圖4a包括微結(jié)構(gòu)化陽(yáng)極源410，圖4b包括擴(kuò)展源415，其包含與光柵416相組合的擴(kuò)展源415。具有高的空間相干性的射束照射任意類型的衍射光柵420。在光柵的下游talbot距離l2處，放置樣本310，使得它的關(guān)注的特征或區(qū)域320與強(qiáng)度圖案的腹點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。請(qǐng)注意，這些區(qū)域的周期性p2按下式與衍射光柵的周期p1相關(guān)：

其中sφ是縮放因子(對(duì)于相位型衍射光柵而言，對(duì)于pi/2相移sφ為1，對(duì)于pi相移sφ為1/2)，并可以取決于光柵的類型以及talbot距離(例如，在圖1d中，請(qǐng)注意吸收光柵產(chǎn)生在分?jǐn)?shù)距離處的許多更小更細(xì)的干涉圖案)。

圖5是實(shí)施例的示意圖，其中所公開的裝置的周期性微束被用來(lái)獲得來(lái)自關(guān)注的區(qū)域或特征的小角度x射線散射(saxs)信息。示例的小角度x射線散射的實(shí)施例示于圖5中，包括在圖5a中的透射幾何結(jié)構(gòu)和在圖5b中的掠入射/反射幾何結(jié)構(gòu)，其可用于同時(shí)獲得散射和反射信息。在圖5a的實(shí)施例中，x射線源410(示出為微結(jié)構(gòu)化陽(yáng)極源，但可以替代地為具有源光柵的擴(kuò)展源或具有足夠空間相干性的任何其它x射線發(fā)生器)照射相位光柵420?？蛇x的孔口或準(zhǔn)直系統(tǒng)(例如，一個(gè)或多個(gè)孔口或狹縫)480可被放置在相位光柵之前或之后(示出在之后)。樣本310產(chǎn)生來(lái)自于與檢測(cè)器440所檢測(cè)出的腹點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的關(guān)注區(qū)域或特征的小角度x射線散射信息，該檢測(cè)器440優(yōu)選是本領(lǐng)域已知的位置敏感型檢測(cè)器?？蛇x的束終止器490可用于阻擋未散射的主x射線的透射的檢測(cè)。在圖5b的實(shí)施例中，x射線源系統(tǒng)410產(chǎn)生射束，該射束然后行進(jìn)通過(guò)準(zhǔn)直/聚焦系統(tǒng)425(例如，一系列準(zhǔn)直狹縫)。衍射光柵420可被放置在準(zhǔn)直/聚焦系統(tǒng)之前或之后。照射用x射線402是以接近臨界角的角度(低于或高于臨界角，取決于進(jìn)行樣本測(cè)量所在的期望深度)入射在樣本上，其通常是約0.2至0.5度的角度。此外，通過(guò)保持入射和檢測(cè)角度的總和恒定而樣本旋轉(zhuǎn)來(lái)允許更大的可接近的粒徑成像，利用樣本置物臺(tái)或測(cè)角器509旋轉(zhuǎn)樣本來(lái)實(shí)現(xiàn)搖擺曲線。在圖5b所示的幾何結(jié)構(gòu)中，相位光柵相對(duì)于樣本表面成一定角度，這導(dǎo)致干涉圖案的橫截面的外形可以延續(xù)出，作為該角度的函數(shù)，并且很可能會(huì)更復(fù)雜。圖5c示出未放置在透射模式中的樣本(例如，粗白線)可如何相遇干涉圖案。這是說(shuō)明性示例并且不是按比例的，因?yàn)樵黾痈缮鎴D案的傳播取決于x射線束被準(zhǔn)直的良好度以及樣本離源的遠(yuǎn)度。

圖6是實(shí)施例的示意圖，其中所公開的裝置被用來(lái)獲得來(lái)自樣本內(nèi)周期性區(qū)域的x射線熒光信息。這些實(shí)施例包括：諸如圖6a所示那種的垂直幾何系統(tǒng)，如圖6b所示的具有源與檢測(cè)器在相同側(cè)的配置、以及如圖6c所示的全x射線熒光(txrf)裝置。在圖6a中，源系統(tǒng)——其具有微結(jié)構(gòu)化源、小焦點(diǎn)源、或與多縫416相組合的擴(kuò)展源415——用來(lái)照射被入射在樣本310上的相位光柵420。此系統(tǒng)可以是水平的，如圖所描繪，或者優(yōu)選豎直的。檢測(cè)器620可被偏置來(lái)收集以一角度(未示出)自樣本發(fā)出的x射線熒光，或替代地，接收在光學(xué)元件或多層610反射后的熒光信號(hào)。該檢測(cè)器可以是波長(zhǎng)或能量敏感型，比如硅漂移檢測(cè)器、閃爍檢測(cè)器、和正比計(jì)數(shù)器。在圖6b中，檢測(cè)器620優(yōu)選放置成相對(duì)于所述樣本的定位、與x射線源同一側(cè)。該檢測(cè)器優(yōu)選是中間有孔的硅漂移檢測(cè)器，也可以是具有透射窗口的任何能量敏感或波長(zhǎng)敏感檢測(cè)器。可選的光學(xué)元件610可被采用，放置在相位光柵420的下游talbot距離處，并且優(yōu)選為橢圓單毛細(xì)管透鏡?；蛘撸婀鈱W(xué)元件，可以使用孔口或準(zhǔn)直部件。經(jīng)準(zhǔn)直或聚焦的x射線，由圖6b中虛線所示例地示出，照射在周期性區(qū)域處的樣本310。由樣本產(chǎn)生的熒光x射線然后被檢測(cè)器620收集，該檢測(cè)器620放置在樣本附近以最大化收集的立體角。圖6c示出一個(gè)全x射線反射系統(tǒng)：x射線源系統(tǒng)410產(chǎn)生x射線，該x射線由光學(xué)的或多層式系統(tǒng)670反射或聚焦在樣本430上。主x射線被反射，并且來(lái)自樣本的熒光x射線被定位在樣本上方的檢測(cè)器620檢測(cè)。注意，照射面積遵循與圖5c中所討論內(nèi)容相同的原理。通過(guò)增加利用talbot效應(yīng)來(lái)優(yōu)選探測(cè)樣本內(nèi)的周期性區(qū)域，從而這些和本領(lǐng)域已知的其它x射線熒光配置處于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。

圖7是實(shí)施例的示意圖，其中所公開的裝置的周期性微束被用來(lái)獲得來(lái)自樣本內(nèi)特定區(qū)域的x射線反射信息。非限制性的示例實(shí)施例示于圖7。源410被用來(lái)照射衍射元件420，該衍射元件420優(yōu)選為相位光柵。可選的聚焦或準(zhǔn)直系統(tǒng)720優(yōu)選用來(lái)聚焦x射線束于呈圖案的樣本310表面上，如圖5c所討論的。此聚焦或準(zhǔn)直系統(tǒng)可以通過(guò)包括過(guò)濾、單色化等元件從而附加地具備帶寬限制或單色化。該聚焦系統(tǒng)也可被放置在相位光柵之前或之后(優(yōu)選在相距相位光柵talbot距離處)。相位光柵的參數(shù)取決于該聚焦或準(zhǔn)直系統(tǒng)的放置。此外，x射線反射系統(tǒng)可以使用會(huì)聚射束或如本領(lǐng)域技術(shù)專業(yè)人員知曉的平行束類型。探測(cè)器440收集x射線反射信號(hào)。

圖8是實(shí)施例的示意圖，其中所公開的裝置的周期性微束被用于獲得x射線衍射(xrd)信息。示出了透射幾何結(jié)構(gòu)(8a)和反射幾何結(jié)構(gòu)(8b)。圖8a所示的非限制示例的xrd(x射線衍射)裝置實(shí)施例包括源415和源光柵416，但也可替代地包括替代源可選物(比如微結(jié)構(gòu)化陽(yáng)極源)?？卓诨驕?zhǔn)直系統(tǒng)810被放置在產(chǎn)生talbot效應(yīng)的衍射元件820的上游或下游(如圖所示)。注意，在一些實(shí)施例中，810可以是聚焦光學(xué)系統(tǒng)(比如橢圓單毛細(xì)管透鏡)以產(chǎn)生微x射線衍射信息。因周期性干涉條紋，樣本310被照射。x射線衍射信息由檢測(cè)器440檢測(cè)，該檢測(cè)器440優(yōu)選是本領(lǐng)域已知的位置敏感型檢測(cè)器并且可以是二維(陣列)的或線性的。可選地，準(zhǔn)直/孔口系統(tǒng)820可被放置在檢測(cè)器440之前。反射幾何結(jié)構(gòu)xrds可包括一個(gè)或多個(gè)測(cè)角器和/或置物臺(tái)來(lái)移動(dòng)源、樣本和/或檢測(cè)器的組合，如本領(lǐng)域已知的。

具體實(shí)施方式

在本發(fā)明方法的一些實(shí)施例中，采用了一種裝置，其通過(guò)使用衍射元件(優(yōu)選相位型周期光柵)在一個(gè)方向上產(chǎn)生talbot干涉條紋或在兩個(gè)正交方向上產(chǎn)生干涉圖案。該衍射元件優(yōu)選是可具有相移的衍射光柵，其通過(guò)提前或推遲穿過(guò)光柵線的x射線的相位從而分割x射線束，或本質(zhì)上吸收型的衍射光柵，以獲得在合成波陣面的幅度或相位上的周期性空間調(diào)制。示例的干涉圖案示于圖1中，并且包括：由吸收光柵產(chǎn)生的圖案(1a)、由1∶1pi/2相移光柵產(chǎn)生的圖案(1b)、由1∶1pi相移光柵產(chǎn)生的圖案(1c)。

優(yōu)選地，該分束衍射光柵是具有低吸收、但產(chǎn)生相當(dāng)大的(pi/2、pi、或更大的)x射線相移的相位光柵。在優(yōu)選實(shí)施例中，樣本被放置在衍射光柵的下游在talbot距離的分?jǐn)?shù)位置dn處，dn由方程式dn＝(n/8)*pi²/λ表示，其中n是整數(shù)，pi是衍射光柵周期，λ是波長(zhǎng)。如kottler等人在美國(guó)專利7,924,973b2中所描述，依據(jù)光柵參數(shù)(例如pi相移光柵對(duì)比pi/2相移光柵)，最優(yōu)talbot距離(n)可以根據(jù)關(guān)注的干涉圖案或最適合于應(yīng)用來(lái)選擇。樣本的示例放置示于圖2：樣本310被放置在talbot距離的分?jǐn)?shù)位置處(在此例中，m＝3/8)，并且關(guān)注的樣本特征320與腹點(diǎn)(干涉圖案的相長(zhǎng)干涉區(qū)域)對(duì)準(zhǔn)，使得這些區(qū)域被有效地探測(cè)，而與節(jié)點(diǎn)(圖案的相消干涉區(qū)域)相對(duì)應(yīng)的周圍區(qū)域?qū)⒈缓雎浴?/p>

圖3示出關(guān)注的樣本特征和/或區(qū)域可以如何與腹點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。例如，如果特征本身是所關(guān)注的，它們應(yīng)當(dāng)被定中心在腹點(diǎn)(3a)上，或者如果存在諸如特征的側(cè)面這類的關(guān)注區(qū)域，則腹點(diǎn)應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)于那些區(qū)域(3b)。請(qǐng)注意，對(duì)于此方法，存在深度靈敏度。利用足夠薄的樣本，通過(guò)沿干涉條紋(例如，如果在透射模式下，如該圖所示，沿z方向)移動(dòng)樣本，此方法可用于執(zhí)行期望特性的深度敏感映射。此外，該相位光柵的參數(shù)(周期、相移、線空比)優(yōu)選地選擇成匹配期望的腹點(diǎn)周期。重要的是應(yīng)注意：相位型光柵中減小的相移對(duì)應(yīng)于針對(duì)腹點(diǎn)的減小的周期。預(yù)期的是，對(duì)于非常小的特征(比如半導(dǎo)體器件中的晶體管)，較大的周期變化(periodshift)是優(yōu)選的。

在使用圖4所示的和上述的基于talbot的探測(cè)方法的表征裝置的一些實(shí)施例中，系統(tǒng)包括：x射線源(分別是在圖4a和圖4b中的410和415)；衍射元件420，其優(yōu)選是具有周期pi的相移光柵；樣本保持器，其被放置在或?qū)颖?30移動(dòng)到talbot距離的分?jǐn)?shù)或整數(shù)位置處；和x射線檢測(cè)器-分析器系統(tǒng)440。在這樣的實(shí)施例中，x射線源必須產(chǎn)生用于talbot效應(yīng)的足夠相干性。此相干源可以是本領(lǐng)域技術(shù)專業(yè)人員已知的，包括高亮度微聚焦/納米聚焦源、小焦點(diǎn)液態(tài)金屬噴射源，或者，如圖4b所示的擴(kuò)展源415——其具有放置在它前方的多縫光柵(吸收光柵)416以實(shí)質(zhì)上產(chǎn)生小的相干x射線源的陣列。替代地和更優(yōu)選地，該源為x射線發(fā)生器，其包括：微結(jié)構(gòu)陽(yáng)極，其包含線性的或二維陣列412的x射線產(chǎn)生材料，所述x射線產(chǎn)生材料產(chǎn)生期望特性的x射線并且被嵌入在具有高導(dǎo)熱率的第二材料411中。所述源實(shí)質(zhì)上——從樣本觀察——呈現(xiàn)為小的相干x射線源的陣列。這種源的示例已經(jīng)由主發(fā)明者在一些專利中描述，這些專利包括：

·題為“microstructuredtarget/anodeforx-raysource”、申請(qǐng)?zhí)?1,873,735；

·題為“rotatinganodex-raysource”、申請(qǐng)?zhí)?1,928,911；

·題為″anx-raysourceconsistingofanarrayoffinesub-sources″、申請(qǐng)?zhí)?1,901,361；

·題為“microstructuredx-raysourcetarget/anodeoptimizedforalimitedemissionangularrange”、申請(qǐng)?zhí)?1,894,073；

·題為“x-raysourceoptimizedforhighbrightnesswithlinearaccumulation”、申請(qǐng)?zhí)?1,931,519；

·題為“methodofgeneratinghighbrightnessand/orhighfluxx-raysbylinearaccumulationofx-raysgeneratedfromapluralityoftransmissiontargets”、申請(qǐng)?zhí)?1,880,151；

·題為″highsensitivity，highresolution，andhighthroughputscanningxrfmicroprobe″、申請(qǐng)?zhí)?1,912,486；

·題為″highthroughputx-rayilluminationsystem″、申請(qǐng)?zhí)?1,912,478；

·題為“focusedx-raybeamgeneratingapparatus”、申請(qǐng)?zhí)?1,946,475。

此外，在一些實(shí)施例中，衍射元件最優(yōu)選為相位光柵并且最優(yōu)選設(shè)計(jì)成引起分?jǐn)?shù)或整數(shù)倍pi相移(比如pi/4、pi/2、pi、或3/2pi)。因?yàn)樵谠摲椒ㄖ?，樣本?yōu)選地位于衍射元件的下游的分?jǐn)?shù)或整數(shù)倍距離處。在用于成像的實(shí)施例中，檢測(cè)器440是位置敏感檢測(cè)器，并且優(yōu)選放置在與衍射光柵420相距talbot距離處。

另外的實(shí)施例可以以任何組合包括上述功能的一個(gè)以上。這可以通過(guò)使用額外的檢測(cè)器和并入可被加入或去除的光學(xué)元件來(lái)完成。對(duì)于這類多用途計(jì)量系統(tǒng)的源和檢測(cè)器構(gòu)造的示例在美國(guó)專利us7551719b2中。

權(quán)利要求：

1.一種使用talbot效應(yīng)探測(cè)區(qū)域或同時(shí)探測(cè)多個(gè)周期性區(qū)域的方法，包括：一種通過(guò)使用衍射元件(優(yōu)選相位型周期光柵)從而產(chǎn)生在一個(gè)方向或兩個(gè)正交方向干涉的talbot干涉條紋的裝置，所述裝置被放置在樣本的上游在talbot距離的分?jǐn)?shù)或整數(shù)位置處，使得相長(zhǎng)干涉區(qū)域與樣本的關(guān)注的區(qū)域或特征對(duì)準(zhǔn)。

2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過(guò)沿射束方向移動(dòng)樣本可以實(shí)現(xiàn)在不同深度處的信息映射，從而使得腹點(diǎn)從樣本的表面被移至較深的深度。

3.如權(quán)利要求1和2所述的方法，其中，腹點(diǎn)周期是亞100納米。

4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，talbot效應(yīng)是通過(guò)包括擴(kuò)展x射線源和周期性一維或二維吸收光柵的系統(tǒng)利用具有足夠相干的x射線照射相移型或吸收型光柵而實(shí)現(xiàn)。

5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，talbot效應(yīng)是通過(guò)微結(jié)構(gòu)化x射線源利用相干的x射線照射相移型或吸收型光柵而實(shí)現(xiàn)，所述微結(jié)構(gòu)化x射線源有效地產(chǎn)生精細(xì)x射線子源的周期性陣列。

6.如權(quán)利要求4和5所述的方法，其中，源被放置在離talbot光柵一段距離處，使得來(lái)自所述擴(kuò)展源和光柵系統(tǒng)或微結(jié)構(gòu)化陽(yáng)極所產(chǎn)生子源的條紋相長(zhǎng)地重疊。

7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，產(chǎn)生talbot效應(yīng)的光柵是：具有ronchi輪廓、1∶1的線空比、線空之間相移為pi或pi的奇整數(shù)倍的一維線性光柵。

8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，產(chǎn)生talbot效應(yīng)的光柵是：具有ronchi輪廓、1∶1的線空比、線空之間相移為pi/2或pi/2的奇整數(shù)倍的一維線性光柵。

9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，產(chǎn)生talbot效應(yīng)的光柵是：具有棋盤結(jié)構(gòu)、ronchi輪廓、相鄰方塊之間相移為pi或pi的奇整數(shù)倍的二維光柵。

10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，產(chǎn)生talbot效應(yīng)的光柵是：具有棋盤結(jié)構(gòu)、ronchi輪廓、相鄰方塊之間相移為pi/2或pi/2的奇整數(shù)倍的二維光柵。

11.如權(quán)利要求1-10所述的方法，其中，光柵平行于主輻射并且可以傾斜或成形成適應(yīng)發(fā)散的主輻射束。

12.如權(quán)利要求1-11所述的方法，其中，衍射光柵具有周期性和在期望周期的節(jié)點(diǎn)和腹點(diǎn)的樣本處產(chǎn)生talbot干涉圖案的周期移位。

13.一種用于x射線表征的裝置，其能夠獲取x射線熒光、x射線衍射、小角度x射線散射、x射線圖像(相位或吸收對(duì)比度)、x射線反射、或它們的任何組合，所述裝置包括：

a.x射線源系統(tǒng)，其產(chǎn)生用于talbot效應(yīng)的具有足夠空間相干性的一個(gè)或多個(gè)x射線束；

b.衍射光柵，其產(chǎn)生因干涉條紋引起的強(qiáng)度圖案；

c.x射線檢測(cè)器。

14.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述照射源是本領(lǐng)域已知的類型，包括微聚焦/納米聚焦點(diǎn)尺寸光源、液態(tài)金屬噴射源、以及帶有放置在其前方的多縫吸收光柵的擴(kuò)展源。

15.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述照射源是主發(fā)明者在先前專利中所公開的源，這些先前專利比如：

·題為“microstructuredtarget/anodeforx-raysource”、申請(qǐng)?zhí)?1,873,735；

·題為“rotatinganodex-raysource”、申請(qǐng)?zhí)?1,928,911；

·題為″anx-raysourceconsistingofanarrayoffinesub-sources″、申請(qǐng)?zhí)?1,901,361；

·題為“microstructuredx-raysourcetarget/anodeoptimizedforalimitedemissionangularrange”、申請(qǐng)?zhí)?1,894,073；

·題為“x-raysourceoptimizedforhighbrightnesswithlinearaccumulation”、申請(qǐng)?zhí)?1,931,519；

·題為“methodofgeneratinghighbrightnessand/orhighfluxx-raysbylinearaccumulationofx-raysgeneratedfromapluralityoftransmissiontargets”、申請(qǐng)?zhí)?1,880,151；

·題為″highsensitivity，highresolution，andhighthroughputscanningxrfmicroprobe″、申請(qǐng)?zhí)?1,912,486；

·題為″highthroughputx-rayilluminationsystem″、申請(qǐng)?zhí)?1,912,478；

·題為“focusedx-raybeamgeneratingapparatus”、申請(qǐng)?zhí)?1,946,475。

16.如權(quán)利要求13-15所述的裝置，還包括：放置在衍射光柵前方或后方的準(zhǔn)直或聚焦x射線光學(xué)元件。

17.如權(quán)利要求13-16所述的裝置，其中，衍射元件是由權(quán)利要求4-12中列出的性質(zhì)單獨(dú)地或組合地描述的光柵。