特許 7046746 Ｘ線生成のための薄片成形されたターゲット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-25

(45)【発行日】2022-04-04

(54)【発明の名称】Ｘ線生成のための薄片成形されたターゲット

(51)【国際特許分類】

   G01N 23/046 20180101AFI20220328BHJP

   H05G 1/00 20060101ALI20220328BHJP

   H05G 1/52 20060101ALI20220328BHJP

   G01N 23/2252 20180101ALI20220328BHJP

   H01J 37/244 20060101ALI20220328BHJP

   H01J 37/20 20060101ALI20220328BHJP

   H01J 37/22 20060101ALI20220328BHJP

   H01J 37/28 20060101ALI20220328BHJP

   H01J 37/147 20060101ALI20220328BHJP

【ＦＩ】

G01N23/046

H05G1/00 E

H05G1/52 B

H05G1/52 A

G01N23/2252

H01J37/244

H01J37/20 A

H01J37/22 502H

H01J37/22 502Z

H01J37/28 B

H01J37/147 B

【請求項の数】 19

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2018130470

(22)【出願日】2018-07-10

(65)【公開番号】P2019021625

(43)【公開日】2019-02-07

【審査請求日】2021-03-31

(31)【優先権主張番号】62/531,097

(32)【優先日】2017-07-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】501233536

【氏名又は名称】エフ イー アイ カンパニ

【氏名又は名称原語表記】ＦＥＩ ＣＯＭＰＡＮＹ

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100091214

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 進介

(72)【発明者】

【氏名】ホルヘ フィレヴィッチ

【審査官】田中 洋介

(56)【参考文献】

【文献】特開平０３－２７３２００（ＪＰ，Ａ）

【文献】実公昭５５－０１５２５０（ＪＰ，Ｙ２）

【文献】特開２０１５－２０７５５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０９０４８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００７／１４１８６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３５１３７０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０５０４４００１（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２３／００－２３／２２７６

Ｈ０１Ｊ ３５／００－３７／３６

Ｈ０５Ｇ １／００－２／００

Ｇ２１Ｋ １／００－７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料のＸ線像を生成する方法であって、
薄片成形されたターゲットの第１表面上に第１軸に沿って２０００ｅＶより小さいランディングエネルギーを有する電子ビームを方向づけるステップであって、前記薄片成形されたターゲット上への前記電子ビーム内の電子の衝突は、前記薄片成形されたターゲット内の相互作用体積内からＸ線を生成し、前記Ｘ線の一部は、前記薄片成形されたターゲットの前面表面を介してＸ線検出器に向けて第２軸に沿って放出され、前記前面表面は前記第１表面と異なり、前記第２軸は前記第１軸と異なる、ステップと、
前記薄片成形されたターゲットと前記Ｘ線検出器との間で前記第２軸に沿って試料を配置するステップと、
前記試料を透過した前記Ｘ線を、前記Ｘ線検出器を用いて収集することによりＸ線像を取得するステップと、
を含み、
前記薄片成形されたターゲットは、前記第１軸に沿った方向において高さを、前記第２軸に沿った方向において長さを、前記第１軸及び前記第２軸と異なる第３軸に沿って幅を有し、
前記高さ及び前記長さは、前記幅の少なくとも２倍であり、
前記相互作用体積は、前記第１表面から前記薄片成形されたターゲットの前記高さよりも小さい距離だけ前記第１軸に沿って広がり、それにより、前記薄片成形されたターゲットの前記高さによらず、前記第１軸に沿った前記相互作用体積の前記広がりによって、前記第１軸に沿った仮想ソースサイズが特定される仮想Ｘ線ソースが生成される、
方法。

【請求項2】

前記電子ビームを方向づけるステップは、前記第１表面において前記薄片成形されたターゲットの前記幅よりも大きい直径を有する電子ビームを前記方向づけるステップを含む、
請求項１記載の方法。

【請求項3】

前記相互作用体積は、前記第１表面から前記薄片成形されたターゲットの前記高さの半分よりも少ない距離へと広がる、
請求項１記載の方法。

【請求項4】

前記高さ及び前記長さは、両方とも少なくとも前記幅の２倍である、
請求項１乃至３いずれか１項記載の方法。

【請求項5】

前記高さ及び前記長さは、両方とも５００ｎｍより大きく、前記幅は２００ｎｍよりも小さい、
請求項１乃至４いずれか１項記載の方法。

【請求項6】

ａ） 前記試料を回転させるステップと、
ｂ） 前記薄片成形されたターゲットの第１表面上に前記電子ビームを方向づけるステップと、
ｃ） 後続のＸ線像を取得するステップと、
ｄ） 複数のＸ線像を取得するためにステップａ）ｂ）及びｃ）を繰り返すステップと、
ｅ） 前記試料の３次元トモグラフィ再構成を形成するために前記複数のＸ線像を処理するステップと、
をさらに有する請求項１乃至５いずれか１項記載の方法。

【請求項7】

前記長さ及び前記高さは２００ｎｍ以上であり、前記幅は２００ｎｍ以下である、
請求項１乃至３いずれか１項記載の方法。

【請求項8】

前記第３軸に沿った前記仮想Ｘ線ソースは、前記薄片成形されたターゲットの前記幅によって特定される、
請求項１乃至７いずれか１項記載の方法。

【請求項9】

前記薄片成形されたターゲットは、ターゲット材料を含み、
前記電子ビームの直径は、前記第１表面において、前記薄片成形されたターゲットの前記長さより小さい、
請求項１乃至８いずれか１項記載の方法。

【請求項10】

試料のＸ線像を生成する方法であって、
薄片成形されたターゲットの第１表面上に第１軸に沿って電子ビームを方向付けるステップであって、前記薄片成形されたターゲット上への前記電子ビーム中の電子の衝突は、前記薄片成形されたターゲット内の相互作用体積内からＸ線を生成し、前記Ｘ線の一部は、前記薄片成形されたターゲットの前面表面を介してＸ線検出器に向けて放出され、前記前面表面は前記第１表面と異なる、ステップと、
前記薄片成形されたターゲットと前記Ｘ線検出器との間に第２軸に沿って試料を配置するステップと、
前記Ｘ線検出器を用いて前記試料を透過した前記Ｘ線を収集することによりＸ線像を取得するステップと、
を含み、
前記薄片成形されたターゲットは、前記第１軸に沿った方向において高さを、前記第２軸に沿った方向において長さを、前記第１軸及び前記第２軸と異なる第３軸に沿った方向において幅を有し、
前記高さ及び前記長さは、前記幅の少なくとも２倍であり、
前記相互作用体積は、前記第１表面から前記薄片成形されたターゲットの前記高さよりも小さい距離だけ前記第１軸に沿って広がる、
方法。

【請求項11】

前記高さ及び前記長さは、前記幅の少なくとも３倍である、
請求項１０記載の方法。

【請求項12】

さらに、
ａ） 前記試料を回転させるステップと、
ｂ） 前記薄片成形されたターゲットの第１表面上に前記電子ビームを方向づけるステップと、
ｃ） 後続のＸ線像を取得するステップと、
ｄ） 複数のＸ線像を取得するためにステップａ）ｂ）及びｃ）を繰り返すステップと、
前記試料の３次元トモグラフィ再構成を形成するために前記複数のＸ線像を処理するステップと、
をさらに含む、請求項１０又は１１記載の方法。

【請求項13】

前記薄片成形されたターゲットの前記第１表面上に前記電子ビームを方向づけるステップは、
１５００から２０００ｅＶの範囲のランディングエネルギーを有する前記電子ビームを方向づけるステップを含む、
請求項１０乃至１２いずれか１項記載の方法。

【請求項14】

前記薄片成形されたターゲットの前記第１表面上に前記電子ビームを方向づけるステップは、
前記電子が前記薄片成形されたターゲットの前記幅の２倍以下の侵入深さを有する電子ビームを方向づけるステップを含む、
請求項１０乃至１３いずれか１項記載の方法。

【請求項15】

試料からＸ線像を取得するためのシステムであって、
第１軸に沿って電子ビームを生成し、薄片成形されたターゲットの第１表面上に方向付けるための電子カラムと、
前記電子ビームによって衝突されるようにターゲット位置に配置された薄片成形されたターゲットと、
前記ターゲット上への前記電子ビームの衝突によって前記ターゲット内の相互作用体積から放出されるＸ線によって前記試料が衝突される試料位置に、前記試料を配置するための試料ステージと、
前記電子ビームの衝突によって前記ターゲットの前面表面を介して放出され、前記試料を通過するＸ線を収集するためのＸ線検出器であって、前記薄片成形されたターゲットから前記試料位置を通過し前記Ｘ線検出器に至るラインが第２軸を画定し、前記前面表面は前記第１表面と異なり、前記第２軸は前記第１軸と異なる、Ｘ線検出器と、
を備え、
前記薄片成形されたターゲットは、前記第１軸に沿った方向に高さを、前記第２軸に沿った方向に長さを、前記第１軸及び前記第２軸に垂直な方向に幅を有し、前記高さ及び前記長さは少なくとも前記幅の２倍であり、
前記相互作用体積は、前記第１表面から前記薄片成形されたターゲットの前記高さよりも小さい距離だけ前記第１軸に沿って広がる、
試料からＸ線像を取得するためのシステム。

【請求項16】

前記試料ステージは回転可能な試料ステージである、
請求項１５記載の試料からＸ線像を取得するためのシステム。

【請求項17】

試料からのＸ線像の取得を制御するためのコントローラと、
前記コントローラによって実行されるための、機械読取可能な命令を保存するように構成されたコンピュータメモリと、
をさらに備える、請求項１５又は１６記載の試料からＸ線像を取得するためのシステム。

【請求項18】

前記コンピュータメモリは、
反復して前記試料からＸ線像を取得し、前記試料を回転し、前記試料の３次元表現を生成するために、反復して取得された像を組み合わせるための、命令を保存する、請求項１７記載の試料からＸ線像を取得するためのシステム。

【請求項19】

前記薄片成形されたターゲットは、
タングステン、モリブデン、チタン、スカンジウム、バナジウム、銀又は高融点金属
を含むＸ線生成材料の群から作製されている、
請求項１５乃至１８いずれか１項記載の試料からＸ線像を取得するためのシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、Ｘ線を生成するシステムに関し、特にＸ線画像化及びトモグラフィシステムの解像度及び／又はスループットを増加させるように設計されたＸ線ターゲットに関する。

【背景技術】

【0002】

Ｘ線トモグラフィシステムは、サンプルを破壊又は横断することなく、試料の内部構造の情報を提供することができる。Ｘ線は、試料の横断面から吸収像を得るために、試料を通過し、Ｘ線検出器によって検出される。Ｘ線検出器は、二次元のＸ線陰影（吸収－コントラスト）像を得る。３次元トモグラフィのために、試料及び／又はＸ線ソース及び検出器は、複数の角度から得られる断面像を可能にするためにインクリメンタルに回転されることができる。このようにして得られた一連の断面像は、その後、試料の３次元像を再構成するために数学的に操作される。

【0003】

用語：
「ＳＥＭベースのナノ・トモグラフィシステム」は、Ｘ線を生成するためにターゲット上に衝突する電子ビームを使用する任意のシステムを備え、２次元Ｘ線画像化及び３次元Ｘ線トモグラフィの非常に高い解像度のために設計されたＸ線システムの範囲を含む。かかるシステムは、典型的には～５００ｎｍより小さい仮想Ｘ線ソースからＸ線を生成するために、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）又は走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）によって生成された電子ビームを使用するという点において、（例えば＞１μｍの）低解像度のために使用される、より一般的なＸ線システムと異なる。ビーム内の電子がターゲットに衝突することで、Ｘ線が発生する。

【0004】

Ｘ線トモグラフィシステムの２つの重要なパラメータは、解像度及びスループットである。「スループット」とは、システムがどのくらい早く画像又は一連の画像を取得できるかを意味する。「解像度」には多くの定義があるが、典型的には２つの対象物がどのくらい近づくことができるか、又は２つの別個の対象物として区別することができるかを意味する。解像度は、システムが画像化できるフィーチャがどれくらい小さいかについて影響を及ぼす。スループットは、試料を通過するＸ線束を増加させることによって、増加されることができ、ターゲットに衝突する電子ビーム流（the electron beam current）を増加させることによって達成されうる。しかしながら、ターゲットとの電子ビームの衝撃は、過剰な加熱を生じさせることがあり、ターゲットの溶解さえ起こし得る。そこで、電子ビーム電流は、６０ｋｅＶまでのビームエネルギーに対して１～２μＡ未満に制限され得る。電子ビーム直径が、サブミクロンの範囲にあるので、典型的には極めて高いエネルギー密度がターゲット内で生じる。

【0005】

いくつかのＸ線生成システムは、生成されたＸ線を焦束するために集束光学素子を使用するが、他のシステムは集束光学素子を使用しない。Ｘ線集束光学素子のないＸ線トモグラフィシステムの解像度は、主にそのＸ線ソースの有効（「仮想」）サイズで特定される。Ｘ線を生成する電子ビームを用いたシステムについては、有効ソースサイズは、ビーム電子がターゲットと相互作用し、ターゲット内で停止するところの体積によってしばしば特定される。この相互作用体積は、主にターゲット材料の密度及び原子番号と、電子ビームの直径及びエネルギーとによって特定され、典型的には涙滴形である。Ｘ線ターゲットの設計は、解像度、画像化時間及び画像ＳＮ比並びに他の操作上の考慮点に関するシステム性能の決定的要因である。

【0006】

これらのシステムに採用される原型ターゲットは、「バルクターゲット」であり、典型的には、ターゲット材料（タングステン、モリブデン、チタン、スカンジウム、バナジウム、銀又はその他の高融点金属ターゲット材料等の通常の材料）のピースであり、Ｘ線放射を誘導するために使用される電子ビームの直径より著しく大きかった。ターゲットに当たる電子ビームのエネルギーの大部分が（Ｘ線ではなく）熱の生成に携わるため、これらのターゲットタイプの高い冷却効率は、Ｘ線束及び従ってスループットを最大化するのに有利であった。しかしながら、画像化解像度はターゲット材料内での電子ビームの拡散によって制限された。これは、電子分散体積が仮想ソースサイズにも対応するからであり、従って解像度は制限された。

【0007】

本発明の譲受人に譲受された、米国特許公開第２０１５／０３０３０２１号公報「High Aspect Ratio X-Ray Targets and Uses of Same」に開示されるように、近年、ＳＥＭベースのナノ・トモグラフィシステムにおいて新しいタイプのＸ線ターゲットが採用されている。ポストターゲットは、非常に小さい、略矩形（横断面）を有し、典型的には、２つの軸において＜５００ｎｍの寸法を有し、仮想ソースサイズを特定し、約１乃至２μｍの長さ（Ｘ寸法）であり、支持ベースに取り付けられる。ターゲットのビームスポットの直径は、ポストの断面の最大寸法（例えば、円筒形ポストの直径又は直角柱体ポストの対角線）より大きくてもよい。支持ベースは、例えばシリコン、アルミニウム、ベリリウム又は他の低原子番号材料等の材料から成ることができる。そして、それは電子ビームの衝突によって、ターゲット材料より少ないＸ線を生成する。ポストターゲットの端部に当たる電子ビームは、バルクターゲット内のような電子分散距離よりむしろ、ポストのＹ－Ｚ寸法によって制御された仮想ソースサイズのＸ線を生成する。従って、ポストターゲットによれば、バルクターゲットによるよりも、高い画像化解像度が可能になる。しかしながら、ポストの少ない断面積のため、熱伝導率はバルクターゲットに対してより著しく低い。従って過剰な加熱は、溶融が発生し得る前にターゲット内に付され得る許容可能な電子ビームエネルギーに制限を呈する。

【0008】

それ故、一般的に用いられるバルクターゲット及びより最近開発されたポストターゲットの両方が、ＳＥＭベースのナノ・トモグラフィシステムの解像度とスループットの最適化に対して問題点を有する。図４Ａ乃至５Ｂに記載されている実施形態は、種々のソースタイプのソースパラメータの総合的な概要を提供する図９とともに、これらの懸念に対処する。

【0009】

図１Ａ乃至１Ｄは、円形電子ビーム１０６に衝突されるバルクターゲット１０８を使用するＸ線ソースの動作の４つのビ概観を示す。バルクターゲットは、典型的にはターゲット材料、例えばタングステン、モリブデン、チタン、スカンジウム、バナジウム、銀又は他の高融点金属等を含み、Ｘ線を生成するターゲットに向けて方向づけられる電子ビームの予測サイズと比較して、Ｘ－Ｙ－Ｚ寸法において比較的大きい。

【0010】

図１Ａは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）、又は、高電流密度の電子ビームをターゲット上に集束することができる任意の電子ビームシステムに見られるような、（図示されていない）電子カラムによって円形電子ビーム１０６内に集束される電子ビーム内の電子１０２によって衝突される上面１０４を有するバルクターゲット１０８の等角図を示す。バルクターゲット１０８との電子１０２の衝突の結果、全方向に向けて（４ステラジアン立体角へ）伝搬されるＸ線が生成される。Ｘ線束１１２は、Ｘ線検出器（図２参照）に向かう方向においてターゲット１０８の前面表面１１０から放出される全Ｘ線束のごく小さい部分（典型的には０．１～０．４％）のみを表す。電子ビーム１０６のバルクターゲット１０８への衝突によって生成される全Ｘ線束の大部分（Ｘ線１１２を含まない）は、Ｘ線検出器から離れる方向に放出され、従ってＸ線画像化に寄与しない

【0011】

図１Ｂは、図１ＡからのＸ線ソースの（Ｘ‐Ｙ平面における）平面図であり、図１Ｃ及び１Ｄにそれぞれ表される、２つのＡ－Ａ及びＢ－Ｂ横断面を示す。電子１０２からの運動エネルギーの吸収によってターゲット１０８において発生する熱１２２の分散も図示されている。典型的には、ほとんどの電子エネルギーは熱を生成し、電子エネルギーの少ない部分だけがＸ線を生成する。電子ビーム１０６がバルクターゲットの寸法と比較して比較的小さいので、熱１２２は図示されるようにターゲット１０８内でＸ－Ｙ平において～１８０の範囲にわたる熱伝導によって（即ち、表面１１０を通らずに）急速に放散され得る。

【0012】

図１Ｃは、図１Ａ乃至１ＢからのＸ線ソースの（Ｘ－Ｚ平面における）Ａ－Ａ断面側面図である。ターゲット１０８内への電子１０２の侵入距離は、典型的には、電子１０２のエネルギーによって特定される上面１０４から下方への深さを有する球（bulb）形状の体積１４２である。高エネルギー電子１０２については、侵入深さはマイクロメートルでもよく、１．５ｋｅＶの電子については、侵入深さは～５０ｎｍだけでもよい。ターゲット１０８内で発生するＸ線の部分は、出射面１１０に到達する前に、ターゲット１０８内で再吸収され得る。チタンターゲットにおいて生成される～０．５ｋｅＶのＸ線の場合、典型的には２０％足らずが、ターゲット１０８内で吸収される。見て取れるように、熱１２２は、電子侵入体積１４２から、Ｘ－Ｚ平面内で（即ち表面１０４又は１１０を通らずに）～９０の範囲を超えて分散され得る。

【0013】

図１Ｄは、図１Ａ－１ＢからのＸ線ソースの（Ｙ－Ｚ平面における）Ｂ－Ｂ断面図正面図である。侵入体積１６２は、一般的には、ターゲット１０８に衝突する電子ビーム１０２が円形である場合について、図１Ｃの侵入体積１４２のように見える。見て取れるように、熱１２２は、電子侵入体積１６２から、Ｙ－Ｚ平面内で～１８０の角度範囲にわたって分散され得る。

【0014】

図１Ｂ乃至１Ｄに図示された熱分散１２２の広い角度範囲は、バルクターゲット内での熱分散が、ターゲット１０８との電子１０２の電子ビーム（衝突領域）１０６から急速に離れることができることを示す。従って、比較的高い電子ビーム出力が使用されることができ、より大きいＸ線束が発生することを可能にする。電子ビームによるＸ線生成に対する典型的「目安」は、電子ビームのエネルギーの１／３までのエネルギー範囲を有する。従って、３０ｋｅＶの電子ビームは、主に～１０ｋｅＶまでのＸ線を効果的に生成し、６０ｋｅＶのより高いエネルギーの電子ビームは、主に～２０ｋｅＶまでのエネルギーを有するＸ線を生成するであろう。用途によっては、しかしながら、より低いＸ線エネルギーが好ましいことがあり、後述する。

【0015】

バルクターゲットは、従って電子ビームの衝突からターゲット内で生成された熱を分散することができる。バルクターゲットの不利な点は、仮想ソースサイズが侵入体積（図１Ｃの１４２、図１Ｄの１６２）で特定されるということである。達成可能な画像化解像度は、ソースサイズによって基本的に特定される。したがって、より大きいソースサイズは、２次元Ｘ線像又は３次元トモグラフィ再構成の低い解像度になる。これらの問題は、さらに次のセクションで述べられる。図９の表９００は、検討された多くのソースパラメータをまとめる。典型的には、バルクターゲットは、図８に図示されるように、支持構造物に取り付けられることができ、次に、支持アームに固定されることができる。

【0016】

図２は、投影Ｘ線画像化配置２００の（Ｘ－Ｙ平面における）平面図を示す。図１Ａ乃至１Ｄにて図示したように、Ｘ線は、電子ビーム（図示せず）の衝突のために、ターゲット２０２から放出される。ターゲット２０２において生成されるＸ線は、全方向（４ステラジアン）に放出される。しかしながら、全Ｘ線束の小さい部分（典型的には、０．１～０．４％）２０４は、ターゲット２０２に関してＸ線検出器２０８によって定められた立体角内に放射される。試料２０６のＸ線画像化又はＸ線トモグラフィのために、Ｘ線２０４の一部が試料２０６を通過し、Ｘ線の一部が試料２０６に吸収され、それにより検出器２０８に陰影像が生成される。図１０のフローチャートは、図２に示されるような実験的構造を採用する、Ｘ線画像化及びＸ線トモグラフィのための方法を記載する。

【0017】

図３Ａ乃至３Ｄは、円形電子ビーム３０６によって衝突されるポストターゲット３０８を使用するＸ線ソースの４つの概観を示す。ポストターゲットは、典型的に、タングステン、モリブデン、チタン、スカンジウム、バナジウム、銀又は高融点金属等の、バルクターゲットと同じターゲット材料のいくつかを含む。しかしながら、バルクターゲットの状況とは異なり、ポストターゲットは、所望のＸ線放射方向に沿って（すなわち、試料及び検出器に向かって、 図２参照）、非常に小さい構造を含む。ポストターゲットに対する仮想ソースサイズは、横断寸法（即ち、試料及び検出器に向かうＸ線放射のＹ軸及びＺ軸に沿った、Ｘ軸に垂直な寸法、図２参照）によって特定される。Ｙ方向における横寸法は、電子ビームの直径より小さくてもよい。その結果、Ｙ方向における仮想Ｘ線ソースのサイズは、電子ビームの直径ではなく、ターゲットのＹ寸法によって特定される。

【0018】

ポストターゲット３０８は、図３Ａの左上に位置するはずの支持構造物（図示せず）によって支持される。電子ビーム３０６内の電子３０２の衝突による支持構造物からのＸ線生成３１２を回避するために、少なくとも２つのアプローチが可能である。いくつかの実施形態では、支持構造物は、ポストターゲット３０８の材料よりもＸ線生成に効果の少ない（例えばシリコン、アルミニウム又はベリリウム等の典型的に低い原子番号の）材料から製造される。従って、電子ビーム３０６の端が支持構造物に衝突しても、Ｘ線像の解像度に影響与える恐れのある最小限の異質Ｘ線生成が生じ得る。他の実施形態では、支持構造は、ポストターゲット３０８と同じ材料から製造されてもよいが、ポストターゲット３０８は、電子ビーム３０６がポストターゲット３０８にのみ衝突し、ポストターゲット３０８には衝突しないことを保証するのに十分な（Ｘ軸）長さを有して製造される。これらの２つの方法は、さらに他の実施形態に組み込まれることができる。

【0019】

図３Ａは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）、又は、高電流密度の電子ビームをターゲット上に集束することができる任意の電子ビームシステムに見られるような、電子カラムによって円形電子ビーム３０６内に集束される電子ビーム内の電子３０２によって衝突される上面３０４を有するポストターゲット３０８の等角図を示す。図１Ａ乃至１Ｄの電子ビーム１０６の場合とは異なり、ここでは、いくつかの電子３０２が、細いポストターゲット３０８を外れ、ポストターゲット３０８の両側で伝搬し、したがってＸ線を生成しない。加えて、ポストターゲットのＺ軸厚さが侵入深さ（それぞれ、図１Ｃ及び１Ｄの侵入深さ１４２又は１６２のような）より小さくてもよいので、電子３０２のいくつかはポストターゲット３０８の下部表面を外へ伝搬することができる。いくつかの電子３０２がポストターゲット３０８に衝突しないことができ、いくつかの他の電子３０２がポストターゲット３０８を通過することができるので、ポストターゲットによるＸ線生成はバルクターゲットに対してより効率的でないかもしれない（所与の電子ビーム電流のＸ線束で測定される）。図１Ａ乃至１Ｄのバルクターゲット１０８の場合と同様に、ポストターゲット３０８との電子４０２の衝突は、全ての方向に（４つのステラジアン立体角へと）伝わるＸ線を生成する。Ｘ線束３１２は、全Ｘ線束のうちの、Ｘ線検出器に向かう方向（図２参照）にターゲット３０８の前面３１０を通って放出される、ごくわずかな部分（典型的には０．１から０．４％）を表す。

【0020】

図３Ｂは、図３ＡからのＸ線ソースの（Ｘ‐Ｙ平面における）平面図であり、図３Ｃ及び３Ｄにそれぞれ表される、２つのＣ－Ｃ及びＤ－Ｄ横断面を示す。電子３０２からの運動エネルギーの吸収によってターゲット３０８において生成される熱３２２の分散も示されている。典型的には、殆ど全ての電子エネルギーは熱を生成し、電子エネルギーのわずかな部分のみがＸ線を生成する。しかしながら、所与の電子ビーム電流に対して、ターゲットを外れる電子と、ターゲットを通り抜ける電子との、上述した２つの要因のために、バルクターゲット１０８の場合に典型的であるよりも、より少ない熱がポストターゲット３０８に付される。図３Ｂ乃至３Ｃに模式的に示されているように、ポストターゲット３０８内の熱分散は、分散矢印３２２によって図示されるように、電子ビーム３０６の衝突領域から離れるように効果的に伝導されず、熱は、バルクターゲット１０８に対するケースのようにＸ及びＹ方向の両方において離れることができず、ポストターゲット３０８の長さに沿って伝えられることができる。従って、ポストターゲットは、電子ビームからのより少ない熱をいくらか吸収することができるが、（電子ビーム３０６において）ポストターゲット３０８の端部の温度上昇は、同じビーム電圧において同じ電子ビーム電流によって衝突されたバルクターゲット１０８に対してよりもはるかに大きくてもよい。

【0021】

図３Ｃは、図３Ａ乃至３ＢからのポストターゲットＸ線ソースの（Ｘ－Ｚ平面における）Ｃ－Ｃ断面側面図である。上述したように、ポストターゲット３０８のＺ軸寸法は、電子３０２の典型的な侵入距離よりも小さいので、電子３０２はポストターゲット３０８を全体的に通過し、図示のように底部から出て行くことができる。したがって、バルクターゲット１０８の場合とは異なり、エネルギーの高い電子ビーム（例えば、約～５ｋｅＶを超えるエネルギー）では、Ｘ線は、ポストターゲット３０８（領域３４２）の全Ｚ軸寸法から放出されることができ、Ｚ軸ソースサイズは、ポストターゲット３０８のＺ軸寸法に対応する。侵入深さが～５０ｎｍだけであり得る、より低いエネルギー電子ビーム（例えば１．５ｋｅＶ）に対して、電子ビームは、侵入深さを超えるＺ軸寸法（即ち、１．５ｋｅＶの電子に対してＺ軸寸法＞５０ｎｍ）を有するポストターゲット３０８内で停止し得る。ターゲット３０８内で発生するＸ線の部分は、出射面３１０に到達する前に、ターゲット３０８内で再吸収されることができる。

【0022】

図３Ｄは、図３Ａ乃至３ＣからのポストターゲットＸ線ソースの（Ｙ－Ｚ平面における）Ｄ－Ｄ断面正面図である。仮想ソースサイズは、表面３１０に基本的に対応する。

【0023】

図３Ｂ乃至３Ｄに図示された熱分散３２２の狭い角度範囲は、ポストターゲット内の熱分散が図１Ａ乃至１Ｄのバルクターゲットと比較して実質的に低減し得ることを示す。ターゲットが融解するのを避けるために、バルクターゲットと比較して相対的に低い電子ビーム出力（低減された電子ビーム電流であるがおそらく同じビーム電圧である）が必要となり得、それによって低Ｘ線束を生成する。ポストターゲットのために仮想ソースサイズは、ポストのＹ軸及びＺ軸寸法によって特定され、（バルクターゲットに対するソースサイズを特定する）バルク１０８における侵入深さ１４２及び１６２よりも実質的に小さくなり得るので、より高い２次元画像化及び３次元トモグラフィ解像度は、ポストターゲットで達成され得る。ただし、より長い画像取得時間がポストターゲットによって生成された低Ｘ線束から生じる。典型的には、ポストターゲットは、図８に図示されるように、支持構造物に取り付けられることができ、同様に、支持アームに固定されることができる。ポストターゲット３０８のＸ－Ｙ－Ｚ寸法は、以下の基準で決定されることができる：

【0024】

Ｘ寸法（電子ビームに対して垂直な長さ）は、好ましくは、支持構造物に衝突することによる電子ビームを防止するために十分大きいが、好ましくは、（電子ビーム３０６が衝突する）端部からの熱伝導を乏しくするほど長くない。

【0025】

Ｙ寸法（電子ビームに対して垂直な幅）は、Ｘ線像の所望のＹ軸解像度と同等である。

【0026】

Ｚ寸法（電子ビームに対して平行な深さ）は、Ｘ線像の所望のＺ軸解像度と同等である。

【0027】

従って、Ｘ線画像化システムにおいて解像度を維持すると共に、スループットを改良するために、有利である。

【0028】

サブミクロンの仮想ソースサイズを維持しつつ、低エネルギーＸ線の生成に改良されたスループットを有する改良されたＸ線ターゲット設計を提供することも有利であろう。

【0029】

さらに、水と生物学的材料との間の自然なコントラストが生じる（Ｘ線エネルギー）２８０～５３０ｅＶのＸ線スペクトル領域にある「ウォーターウィンドウ」に対応するエネルギー範囲におけるＸ線画像化を可能にする、低エネルギーＸ線を採用する、改良された画像化性能を有するＸ線画像化システムを提供することも有利であろう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0030】

【文献】米国特許公開第２０１５／０３０３０２１号公報

【発明の概要】

【0031】

本発明の目的は、画像化のためのＸ線を生成するために荷電粒子ビームを使用する改良されたシステムを提供することにある。

【0032】

Ｘ線像を生成するためのシステムは、画像化解像度と画像取得時間との間の通常のトレードオフを改善するために、薄片成形されたターゲットを使用する。電子ビームは、第１軸に沿って薄片成形されたターゲットの第１表面上に方向付けられる。ビーム内の電子の薄片成形されたターゲット上への衝突は、薄片成形されたターゲット内の相互作用体積内（within an interaction volume）からＸ線を生成し、Ｘ線の一部はＸ線検出器に向けて放出される。試料は、薄片成形されたターゲットとＸ線検出器との間で第２軸に沿って配置される。Ｘ線像は、試料によって吸収されないＸ線を収集することによって取得される。

【0033】

上記は、以下の本発明の詳細な説明をよりよく理解できるように、本発明の特徴及び技術的利点をむしろ広く概説したものである。本発明の付加的な特徴及び効果は、以下に記載される。開示された概念及び特定の実施形態は、本発明の同じ目的を実行するための他の構造を変更又は設計するための基礎として容易に利用され得ることは、当業者には理解されるべきである。また、当業者であれば、そのような等価な構成は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱しないことを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

【0034】

本発明及びその利点のより完全な理解のために、添付の図面と併せて以下の説明を参照する。

【図1A】 図１Ａは、バルクターゲットを用いるＸ線ソースを示す図である。

【図1B】 図１Ｂは、バルクターゲットを用いるＸ線ソースを示す図である。

【図1C】 図１Ｃは、バルクターゲットを用いるＸ線ソースを示す図である。

【図1D】 図１Ｄは、バルクターゲットを用いるＸ線ソースを示す図である。

【図2】図２は、投影Ｘ線画像化構成を示す。

【図3A】 図３Ａは、ポストターゲットを用いるＸ線ソースの図を示す。

【図3B】 図３Ｂは、ポストターゲットを用いるＸ線ソースを示す図である。

【図3C】 図３Ｃは、ポストターゲットを用いるＸ線ソースを示す図である。

【図3D】 図３Ｄは、ポストターゲットを用いるＸ線ソースを示す図である。

【図4A】 図４Ａは、薄片成形されたターゲットを用いるＸ線ソースを円形電子ビームとともに示す図である。

【図4B】 図４Ｂは、薄片成形されたターゲットを用いるＸ線ソースを円形電子ビームとともに示す図である。

【図4C】 図４Ｃは、薄片成形されたターゲットを用いるＸ線ソースを円形電子ビームとともに示す図である。

【図4D】 図４Ｄは、薄片成形されたターゲットを用いるＸ線ソースを円形電子ビームとともに示す図である。

【図5A】 図５Ａは、薄片成形されたターゲットを用いるＸ線ソースを非点収差補正電子ビームとともに示す図である。

【図5B】 図５Ｂは、薄片成形されたターゲットを用いるＸ線ソースを非点収差補正電子ビームとともに示す図である。

【図6】図６は、広いＸ線エネルギー範囲にわたるＸ線エネルギーの関数としてのＸ線伝送のグラフである。

【図7】図７は、吸収線に集中した狭いＸ線エネルギー範囲にわたるＸ線エネルギーの関数としてのＸ線伝送のグラフである。

【図8】図８は、ＳＥＭベースのナノ・トモグラフィシステムの概略図である。

【図9】図９は、種々のターゲットタイプに対するソースパラメータの表である。

【図10】図１０は、Ｘ線像及びトモグラフィデータを収集するための方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0035】

ＳＥＭベースのトモグラフィシステムで使用するための、以下に説明されるＸ線ターゲットは、それらを組み込んだ画像化システムの改善された解像度及び／又はスループットを提供することができる。薄片成形されたターゲットはバルクターゲット及びポストターゲットの利点のいくつかを提供し、その一方で、これらのターゲットの不利な点のいくつかを回避する。本明細書で用いられる「薄片成形されたターゲット」は薄いプレートのように成形されたターゲットを意味し、（電子ビーム軸に沿った）高さと、（ターゲットと検出器との間の軸に沿った）長さと、（検出器に面するターゲットの表面上のラインに沿って、電子ビーム軸に垂直なラインの）幅とを有する。

【0036】

ポストターゲットは、小さい仮想ソースサイズを提供するので、有用である。しかしながら、ポストターゲットの小さい高さは熱伝導率を低下させ、使用することができる電子ビーム電流を制限する。例えば、比較的低いエネルギーの光子（例えば１０００ｅＶより低い、好ましくは５００ｅＶよりも低い、特に２８０～５３０ｅＶの間の範囲であって、水と生物材料との間で自然なコントラストが生じる）を使用することによって、又は、低い電子侵入深さを有するターゲット材料を使用することによって、ビーム相互作用体積のサイズを制限することで、ビーム軸に沿った方向の仮想ソースサイズを制限することができることを出願人は見出した。相互作用体積が薄片成形されたターゲットの底部まで広がらない場合、相互作用体積の下のターゲットの追加の高さは、仮想ソースサイズに影響を与えないが、追加高さは、ビームの衝突点から熱を取り去る。いくつかの実施形態では、相互作用体積は、薄片成形されたターゲットの高さより少ない量による電子カラムに対向する表面の下で延在する。いくつかの実施形態では、相互作用体積は、薄片成形されたターゲットの高さの半分より小さく延在する。いくつかの実施形態では、相互作用体積は、薄片成形されたターゲットの高さの１／４より小さく延在する。

【0037】

図４Ａ乃至４Ｄは、薄片成形されたターゲット４０８を使用したＸ線ソースを円形電子ビーム４０６とともに示す図である。薄片成形されたターゲットを有するＸ線ソースは、図９の表９００にまとめられるように、バルクターゲットとポストターゲットの両方の利点のいくつかを組み合わせるとともに、それらの不利な点を回避し得る。薄片成形されたターゲット４０８は、タングステン、モリブデン、チタン、スカンジウム、バナジウム、銀又は高融点金属等を含む、バルクターゲット１０８又はポストターゲット３０８と同じターゲット材料のいくつかを含むことができる。薄片成形されたターゲット４０８は、ポストターゲットと同じ狭いＹ軸寸法を電子ビーム４０６に示すが、バルクターゲットに特徴的な、より大きいＺ軸寸法を有する。それによって、改善された熱伝導と、ポテンシャルのより高いＸ線束が達成されることを可能にする。その一方で、特に低エネルギーＸ線を生成するために、Ｚ軸において小さい仮想ソース寸法をさらに成し遂げる。

【0038】

図４Ａは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）、又は、高電流密度の電子ビームをターゲット上に集束することができる任意の電子ビームシステムに見られるような電子カラムによって円形電子ビーム４０６内に集束される電子ビーム内の電子４０２によって衝突される上面４０４を有する薄片成形されたターゲット４０８の等角図を示す。電子４０２のランディングエネルギーは、ビームによって生成されるＸ線光子の所望のエネルギーによって異なる。例えば、約２８０と約５３０ｅＶの間のＸ線を生成するために、電子ランディングエネルギーは、２５００ｅＶ未満でもよくて、１５００ｅＶと２０００ｅＶの間に範囲であってもよい。Ｙ方向における横断寸法（薄片成形されたターゲットの「幅」と称される）は、電子ビームの直径より小さくてもよい。その結果、Ｙ方向における仮想Ｘ線ソースのサイズは、電子ビームの直径ではなく、ターゲットのＹ寸法によって特定される。

【0039】

薄片成形されたターゲット４０８は、図４Ａの左上に位置するはずの支持構造物（図示せず）によって支持される。いくつかの実施形態では、薄片成形されたターゲット４０８は、支持構造物に部分的に埋め込まれることができる。電子ビーム４０６による衝撃による支持構造体からのＸ線発生を回避するために、図３Ａ乃至３Ｄのポストターゲット３０８について上述したのと同じ少なくとも２つのアプローチ（いくつかの実施形態において組み合わせることができる）が可能である。いくつかの実施形態では、薄片成形されたターゲットに衝突する代わり支持部に衝突する電子ビーム電流の量を低減し又は除去するために、薄片成形されたターゲット４０８は、支持構造物のエッジから十分離れた距離だけ、支持構造物から外へ片持ち梁支持されている。これは支持部から生成される制御放射（Bremsstrahlung）の量を低減するか又は除去する。この放射線は画像の解像度及びコントラストを低減する傾向がある。

【0040】

図３Ａ乃至３Ｄの電子ビーム３０６場合と同様に、電子ビーム４０６の部分は、薄片成形されたターゲット４０８を外れることができ、両側でターゲット４０８をパスして伝搬することができ、従ってＸ線を生成しないことがある。Ｚ軸に沿った寸法（薄片成形されたターゲットの「高さ」と称される）は、侵入深さより大きくてもよく、ターゲット４０８を外れない電子ビーム４０６の部分は完全に、ターゲット４０８によってその後吸収され、ポストターゲットに対して底部を通らないであろう。なぜなら、いくつかの電子４０２はターゲット４０８に衝撃を与えることができないので、薄片成形されたターゲットによるＸ線生成は、バルクターゲット（全ての電子がターゲットに衝突する所で）に対してより効率的でなくてもよいが、（電子が底部を通らないため）ポストターゲットに対してより効率的であってもよい。図１Ａ乃至１Ｄ２のバルクターゲット１０８の場合と同様に、薄片成形されたターゲット４０８との電子４０２の衝突は、全ての方向に（４つのステラジアン立体角へと）侵入するＸ線を生成する。Ｘ線流束４１２は、ターゲット４０８の前面４１０を通ってＸ線検出器（図示せず、図２参照）に向かう方向に放出される全Ｘ線の非常に小さい部分（fraction）を表す。

【0041】

図４Ｂは、図４ＡからのＸ線ソースの（Ｘ‐Ｙ平面における）平面図であり、図４Ａ及び４Ｄにそれぞれ表される、２つのＥ－Ｅ及びＦ－Ｆ横断面を示す。Ｘ－Ｙ平面内において、Ｘ方向に沿った電子４０２からの運動エネルギーの吸収によってターゲット４０８内に発生する熱分散（the dissipation of heat）４２２も示されている。Ｘ方向の寸法は、薄片成形されたターゲットの「長さ」と称される。長さは、仮想ソースサイズにほとんど影響を及ぼさないので、電子ビームによって生成される熱分散を助けるために、通常、幅の数倍の大きさである。

【0042】

図４Ｃは、図４Ａ乃至４Ｂからの薄片成形されたターゲットのＸ線ソースの（Ｘ－Ｚ平面における）Ｅ－Ｅ断面側面図である。ポストターゲット４０８のＺ軸寸法が電子分散距離より大きいので、電子４０２は薄片成形されたターゲット内で停止する。高エネルギー（＞５ｋｅＶ）電子４０２では、停止距離は比較的大きく（＞１μｍ）、結果として、仮想ソースサイズのＺ寸法が大きくなる。侵入深さが～５０ｎｍしかない低エネルギー電子ビーム（例えば、１．５ｋｅＶ）では、電子ビームは薄片成形されたターゲット４０８内で停止することがある。ターゲット４０８内で発生するＸ線の部分は、出射面４１０に到達する前に、ターゲット４０８内で再吸収されることができる。熱分散４２２は、バルクターゲットに関する図１Ｃの状況と同様に、電子侵入体積４４２からＺ方向及びＸ方向に侵入することができる。

【0043】

図４Ｄは、図３Ａ乃至３Ｃからの薄片成形されたターゲットのＸ線ソースの（Ｙ－Ｚ平面における）Ｆ－Ｆ断面側面図である。仮想ソース領域は、表面４１０の上部領域を主に有し、電子侵入体積４６２から生じる。熱分散４２２は、電子侵入体積４６２から負Ｚ方向において流れることができる。

【0044】

熱分散４２２の角度範囲は、図４Ｃ乃至４Ｄに示される。薄片成形されたターゲット内での熱分散は、バルクターゲット１０８の高伝導とポストターゲット３０８の低伝導の間の中間であり得る。これは、図９の表９００に示される。ポストターゲットと比較した薄片成形されたターゲットの付加的な利点は、増加した機械的強度でもあり得る。より長いターゲットのライフタイム及び増加した信頼性を可能にすることができる。薄片成形されたターゲットは、図８に図示されるように、典型的に、支持構造物に取り付けられることができ、同様に、支持アームに固定されることができる。

【0045】

薄片成形されたターゲット４０８のＸ－Ｙ－Ｚ寸法は、以下の基準で決定されることができる：

【0046】

Ｘ寸法（電子ビームに対して垂直な長さ）は、好ましくは、支持構造物に衝突することによる電子ビームを防止するために十分大きいが、好ましくは、（電子ビーム４０６が衝突する）端部からの熱伝導を乏しくするほど長くない。Ｘ寸法は、少なくとも５００ｎｍ、少なくとも１μｍ、又は少なくとも２μｍであることができる。

【0047】

Ｙ寸法（電子ビームに対して垂直な幅）は、Ｘ線像の所望のＹ軸解像度と同等である。Ｙ寸法は、５００ｎｍ未満、２５０ｎｍ未満又は１００ｎｍ未満であることができる。

【0048】

Ｚ寸法（電子ビームと平行の深さ）は、低エネルギーＸ線像に対して、好ましくは、ターゲット材料内の電子浸入深さより大きい。Ｚ寸法は、少なくとも２００ｎｍ、少なくとも５００ｎｍ、又は少なくとも１μｍであり得る。２ｋｅＶ未満の、低エネルギー電子ビームに対して、電子侵入深さは比較的小さく、従って、薄片成形されたターゲットの付加的な深さは、仮想ソースサイズのＺ寸法を増加させない。薄片成形されたターゲットは、従って、ターゲットの加熱を低減する。ビーム衝突領域から熱を取り除くように伝導する付加的な熱伝導材料を提供し、周辺材料へと熱を通過させ、熱を放射して取り除くより大きい表面領域を提供するからである。

【0049】

実施形態のＸ－Ｙ－Ｚ寸法は、寸法比率によって特徴づけられることもできる。Ｚ寸法のＹ方向に対する比は、少なくとも２：１、少なくとも５：１、又は少なくとも１０：１である。Ｘ寸法のＹ寸法に対する比は、少なくとも５：１、少なくとも７：１、又は少なくとも１０：１である。

【0050】

いくつかの実施形態では、Ｚ寸法及びＸ寸法の両方は、Ｙ寸法の２倍を超える。

【0051】

図５Ａ乃至５Ｂは、薄片成形されたターゲットを使用したＸ線ソースを非点収差補正電子ビームとともに示す。

【0052】

図５Ａは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）、又は、高電流密度の電子ビームをターゲット上に集束することができる任意の電子ビームシステムに見られるような、電子カラムによって楕円形（例えば非点収差補正）５０６内に集束される電子ビーム内の電子５０２によって衝突される上面５０４を有する薄片成形されたターゲット５０８（いくつかの実施形態においては薄片成形されたターゲット４０８と同一である）の（Ｘ－Ｙ平面における）平面図を示す。Ｇ－Ｇ断面は、図５Ｂに示される。図４Ａ乃至４Ｄの電子ビーム４０６の場合とは異なり、電子ビーム５０６が、楕円形５０６へと（非点収差補正されて）変形されることにより、それは全体的に表面５０４上へ落射され、従ってＸ線流束５１２は、図４Ａ乃至４Ｄの流束４１２と比べて増加する。この実施形態の他の態様は、図４Ａ乃至４Ｄの実施形態に対するものと類似していてもよい。図９の表９００は、これらの態様をさらに特徴づける。

【0053】

図５Ｂは、図５ＡからのＸ線ソースの（Ｘ－Ｚ平面における）Ｇ‐Ｇ断面図である。電子５０２からの運動エネルギーの吸収によりターゲット５０８内で発生した熱分散５２２は、図４Ｃの状況と同様に、Ｘ方向及びＺ方向において電子分散体積（electron dissipation volume）５４２から出るように図示される。電子分散体積５４２が今やＸ方向において延長されるにもかかわらず、これは、Ｘ軸に沿って試料と検出器の斜視図から見られるように、仮想ソースサイズに最小限の効果を有することに留意すべきである。

【0054】

図９の表９００は、バルクターゲット（図１Ａ乃至１Ｄ）、ポストターゲット（図３Ａ乃至３Ｄ）、及び、円形ビーム（図４Ａ乃至４Ｄ）と非点収差補正（楕円）電子ビーム（図５Ａ乃至５Ｂ）との両方とともに使用される薄片成形されたターゲット（図４Ａ乃至４Ｄ）についてのＸ線ソース動作及び性能の種々の態様を要約する。高エネルギー（＞５ｋｅＶ）電子ビーム及び低エネルギー（＜２ｋｅＶ）電子ビームが考慮される。いくつかの実施形態の利点は、低エネルギービーム（表９００の下半分）に対して最も現れうる。ここで、薄片成形されたターゲットは、ポストターゲットに類似した仮想ソースサイズを生成し、かつ、改善された熱分散のために、バルクターゲットで達成されるのにより近い、より高いＸ線流束の生成を可能にする。より高い電子ビームエネルギーに対して、薄片成形されたターゲットは、延長された仮想ソース形状（Ｚ方向により大きく、Ｙ方向により小さい）が許容される状況で、バルクターゲットとポストターゲットのＸ線ソース両方を超えるさらにいくつかの利点を示すことができる。

【0055】

図６は、２８０ｅＶから５２０ｅＶまでの広い光子エネルギーにわたるＸ線エネルギー範囲６０４の関数としての、１００ｎｍのチタンを通るＸ線透過６０２のグラフである。４５４ｅＶ付近の吸収ライン６０８以下では、領域６０６の透過は約０．８６までの範囲であり、吸収ライン６０８のちょうど上で０．３以下まで急激に降下し、その後緩やかに領域６１０内で増加する。電子ビームによるＸ線で最も効果的な生成が、電子ビームエネルギーの約１／３の以下のＸ線を主に生成することを考えれば、約１．５ｋｅＶを有する電子ビームが使用される場合、生成されるＸ線はほとんど吸収ピーク以下のエネルギーを有し、これは、ターゲットから効率的に放射される。この考察は、ターゲット材料がチタンであると仮定すれば、バルクターゲット、ポストターゲット又は薄片成形されたターゲットのいずれに対しても当てはまる。（吸収ラインに対して異なるエネルギーを有する）類似の曲線は、他のソース材料に当てはまる。

【0056】

図７は、４５０ｅＶから４６０ｅＶの狭い光子エネルギー範囲にわたるＸ線エネルギー７０４の関数としての、１００ｎｍのチタンのＸ線透過７０２のグラフである。約４５４ｅＶの吸収ライン７０８は、０．３を下回る透過の領域７１０から、０．８を上回る透過の領域７０６を鋭く分離する。チタンは、約４５２ｅＶでＸ線を放出し、Ｘ線は低吸収領域７０６に入るので、これらのＸ線は実質的に、ターゲットを通って透過しターゲット上に伝搬する。水と生物学的物質との間に自然のコントラストが生じる「ウォーターウィンドウ（water window）」は、約２８０～５３０ｅＶのエネルギー範囲のＸ線に対応し、本発明の実施形態は、生物学的試料を画像化するのに特に有利である。

【0057】

図８は、ＳＥＭベースのナノ・トモグラフィシステム８００の概略図である。電子顕微鏡のＳＥＭ、ＴＥＭ又はＳＴＥＭカラム等の電子ビームカラム８０２は、マウンティングアーム８０８によって支持されるＸ線ターゲット８０６上に方向づけられ得る焦束電子ビーム８０４を生成する。マウンティングアーム８０８は、ターゲットステージ８１０によって種々の軸に沿って順次支持され移動される。ターゲット８０６は、バルク又はポストターゲットでもよく、又は、薄片成形されたターゲットでもよい。ターゲット８０６から放出されＸ線検出器へ向かうＸ線８１８、Ｘ線８１８の一部は、検出器８２０に到達する前に試料（サンプル）８１４を通り抜けて通過することができる。試料８１４に入射する若干のＸ線は試料８１４内の材料によって吸収されることができる。結果として、検出器８２０によって収集される吸収コントラスト画像がもたらされる。試料８１４は、ステージ８１６によって支持されて、回転され、配置される。典型的には高真空レベルにポンピングされた真空エンクロージャ８１２は、カラム８０２、ターゲット８０６、試料８１４及び検出器８２０の一部を取り囲んでいる。Ｘ線は空気中を自由に通過することができるが、電子ビーム８０４は大気圧の空気中の電子の平均自由行程が非常に小さいために真空を必要とする。ターゲットステージ、支持アーム、Ｘ線ターゲット、及びＸ線検出器、並びに場合によっては改善された試料ステージを追加することによって、標準的なＳＥＭを使用することができ、それにより、「ＳＥＭベースのナノＣＴ（コンピュータトモグラフィ）システム」を構成する。典型的には、システムコントローラ８２２は、カラム８０２、ターゲットステージ８１０、試料ステージ８１６及びＸ線検出器８２０の動作を調整するように構成される。非一時的コンピュータ可読記憶媒体８２４は、本明細書に記載の方法を実行するためにコンピュータ制御装置８２２へのコンピュータ命令を格納し、検出器８２０によって取得されたＸ線画像データを格納することができる。例えば、システムコントローラ８２２は、システム８００に、試料を通る異なる角度において複数のＸ線画像を取得させることができる。システムコントローラ８２２はシステム８００に、試料８１４のＸ線像を形成させ、試料を回転させ、別のＸ線像を形成させ、画像化及び回転のこのシークエンスを複数回繰り返させることができる。システムコントローラ８２２は、その後、トモグラフィ像を生成するために、複数のＸ線像から試料の３次元表現を再構成するためにプログラムを実行することができる。表示装置８２６はシステム制御情報並びに２次元Ｘ線像及び３次元Ｘ線トモグラフィ結果を表示することができる。

【0058】

図１０は、Ｘ線像及びトモグラフィデータを収集するための方法を表すフローチャート１０００である。ブロック１００２において薄片成形されたターゲットが製造される。いくつかの実施形態では、ターゲットの製造は、Ｔｈｅｒｍｏ－Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｃｏｒｐ．製のデュアルビームＦＩＢ－ＳＥＭのような独立型マイクロファブリケーションシステム内で、集束イオンビームを用いて、行われることができる。他の実施態様において、ターゲットの製造は、図８に示されるような類似のシステムにて実行されることができる。ここで、付加的な集束イオンビーム・カラムが追加されると、薄片材料のＦＩＢ－ミリングと、プロセスモニタリング及びエンドポイント制御のためのＳＥＭ画像化との両方を可能にすることができる。薄片が、Ｘ線画像化に使用されるのと同じシステム内で製造される場合、（薄片成形されたターゲットは、製造中に既にターゲットステージ上にある場合があるので）ブロック１００４はスキップされることができる。

【0059】

薄片成形されたターゲットの製造後、ブロック１００４で、図８の実施形態にて図示したように、ターゲットは、ターゲットステージ上にマウント（mounted）される。その後、ブロック１００６において、電子ビームカラムが電子ビームをターゲット上に集束するために、典型的には試料に最も近いターゲットの端部とＸ線検出器に向けて、調整されることができる。ビームは円形（図４Ａ－４Ｄのような）又は楕円形（図５Ａ－５Ｂのような）であることができる。電子ビームがターゲット上に集束されると、ブロック１００８で、周知のプロセスにおいて、ビーム中の入射する電子とターゲット材料の内殻電子との間の相互作用によってＸ線が生成される。図２及び図８の両方に図示されるように、ブロック１０１０で、全Ｘ線束（４ステラジアンの立体角に放出される）のわずかな部分が、ターゲットのＸ線検出器によって定められた立体角内に放射される。適切なＸ線画像化のために、ステージ８１６を使用して、Ｘ線束の円錐８１８内にサンプル８１４を配置することが必要な場合がある。ブロック１０１２において、それらのＸ線は、最初にターゲット８０６からＸ線検出器８２０に向けて放出され、実質的に試料８１４内で吸収されず、Ｘ線陰影（即ち吸収）像を取得するために、検出器８２０によって収集される。Ｘ線陰影像は、ブロック１０１４においてシステムコントローラ８２２に伝達され、その後、ブロック１０１６において、非一時的コンピュータ読出可能格納媒体８２４に格納される、

【0060】

ブロック１０１８において、ユーザが２次元Ｘ線画像化（すなわち、トモグラフィでない）を行っている場合には、ブロック１０２０が開始され、システムコントローラ又は他の（オフライン）処理システムが画像解析、処理及び表示のために使用されることができる。ユーザが３次元トモグラフィを行っている場合、典型的に試料８１４の種々の回転角度の一連の画像が必要とされ、ブロック１０２２が開始される。そこで、試料は典型的には０．５～２．０の角度インクリメントだけ回転され、その後、１００６が開始され、ブロック１００６～１０１６を含む画像取得ループが再び実行される。この反復は、典型的には、９０～３６０の画像を必要とし、その後、３次元トモグラフィ再構成を実行するためにブロック１０２０に入る。

【0061】

以下は、本開示よる追加の例示的実施形態である。

【0062】

第１実施形態は、試料のＸ線像を生成する方法であって、方法は、
薄片成形されたターゲットの第１表面上に第１軸に沿って２０００ｅＶより小さいランディングエネルギーを有する電子ビームを方向づけるステップであって、薄片成形されたターゲット上へのビーム内の電子の衝突は、薄片成形されたターゲット内の相互作用体積内からＸ線を生成し、Ｘ線の一部はＸ線検出器に向けて放出される、ステップと、
薄片成形されたターゲットとＸ線検出器との間に第２軸に沿って試料を配置するステップと、
Ｘ線検出器を用いて試料によって吸収されていないＸ線を収集することによりＸ線像を取得するステップと、を含み、
薄片成形されたターゲットは、第１軸に沿った方向に高さを、第２軸に沿った方向に長さを、第１軸及び第２軸と異なる第３軸に沿って幅を有し、高さ及び長さは少なくとも幅の２倍であり、
電子ビームの相互作用体積（interaction volume）は、第１表面から薄片成形されたターゲットの高さよりも小さい距離だけ第１軸に沿って広がり、
薄片成形されたターゲットの高さによらず、第１軸に沿った相互作用体積の広がりによって、第１軸に沿った仮想ソースサイズが特定される。

【0063】

第２実施形態は、第１実施形態の方法であって、電子ビームを方向づけるステップは、ターゲット表面において薄膜成形されたターゲットの幅よりも大きい直径を有する電子ビームを方向づけるステップを含む。

【0064】

第３実施形態は、第１実施形態の方法であって、相互作用体積は、第１表面から薄片成形されたターゲットの高さの半分よりも少ない距離へと広がる。

【0065】

第４実施形態は、第１実施形態の方法であって、相互作用体積は、第１表面から薄片成形されたターゲットの高さの４分の１よりも少ない距離へと広がる。

【0066】

第５実施形態は、第１実施形態の方法であって、高さ及び長さは、両方とも少なくとも幅の２倍である。

【0067】

第６実施形態は、第１実施例の方法であって、高さ及び長さは、両方とも５００ｎｍより大きく、幅は２００ｎｍよりも小さい。

【0068】

第７の実施形態は、第１実施例の方法であり、
ａ） 試料を回転させるステップと、
ｂ） 薄片成形されたターゲットの第１表面上に電子ビームを方向づけるステップと、
ｃ） 後続のＸ線像を取得するステップと、
その後、複数のＸ線像を取得するためにステップａ）ｂ）及びｃ）を繰り返すステップと、
試料の３次元トモグラフィ再構成を形成するために複数のＸ線像を処理するステップと、を含む。

【0069】

第８の実施形態は、第１実施形態の方法であって、
薄片成形されたターゲットの第１表面上に第１軸に沿って２０００ｅＶより小さいランディングエネルギーを有する電子ビームを方向づけるステップは、
１５００から２０００ｅＶの範囲のランディングエネルギーを有する電子ビームを方向づけるステップを含む。

【0070】

第９実施形態は、試料のＸ線像を生成する方法であって、方法は、
薄片成形されたターゲットの第１表面上に第１軸に沿って電子ビームを方向付けるステップであって、薄片成形されたターゲット上へのビーム中の電子の衝突はＸ線を生成し、Ｘ線の一部はＸ線検出器に向けて放出される、ステップと、
薄片成形されたターゲットとＸ線検出器との間に第２軸に沿って試料を配置するステップと、
Ｘ線検出器を用いて試料によって吸収されていないＸ線を収集することによりＸ線像を取得するステップと、
薄片成形されたターゲットは、第１軸に沿った方向において高さを、第２軸に沿った方向において長さを、第１軸及び第２軸と異なる第３軸に沿った方向において幅を有し、
高さ及び長さは、幅の少なくとも２倍である、

【0071】

第１０実施形態は、第８実施形態の方法であり、高さ及び長さが、少なくとも幅の３倍である。

【0072】

第１１の実施形態は、第８実施形態の方法であり、
ａ） 試料を回転させるステップと、
ｂ） 薄片成形されたターゲットの第１表面上に電子ビームを方向づけるステップと、
ｃ） 後続のＸ線像を取得するステップと、
ｄ） 複数のＸ線像を取得するためにステップａ）ｂ）及びｃ）を繰り返すステップと、
試料の３次元トモグラフィ再構成を形成するために複数のＸ線像を処理するステップと、を含む。

【0073】

第１２実施形態は、第８の実施形態の方法であり、
薄片成形されたターゲットの第１表面上に電子ビームを方向づけるステップは、
１５００から２０００ｅＶの範囲のランディングエネルギーを有する電子ビームを方向づけるステップを含む。

【0074】

第１３実施形態は、第１２の実施形態の方法であり、
薄片成形されたターゲットの第１表面上に電子ビームを方向づけるステップは、
電子が薄片成形されたターゲットの幅の２倍以下の侵入深さを有する電子ビームを方向づけるステップを含む。

【0075】

第１４実施形態は、第１実施形態の方法であり、長さ及び高さが２００ｎｍ以上であり、幅は２００ｎｍ以下である。

【0076】

第１５実施形態は、第１実施形態の方法であり、長さ及び高さが、１μｍ以上であり、幅が２００ｎｍ以下である。

【0077】

第１６の実施形態は、第１実施形態の方法であり、深さの幅に対する比は少なくとも５：１である。

【0078】

第１７実施形態は、試料からＸ線画像を取得するためのシステムであり、
第１軸に沿って電子ビームを生成するための電子カラムと、
電子ビームによって衝突されるようにターゲット位置に配置された薄片成形されたターゲットと、
ターゲット上への電子ビームの衝突によってターゲットから放出されるＸ線によって試料が衝突される試料位置に、試料を配置するための試料ステージと、
電子ビームの衝突によってターゲットから放出され、試料を通過するＸ線を収集するためのＸ線検出器であって、薄片成形されたターゲットから試料位置を通過しＸ線検出器に至るラインが第２軸を画定する、Ｘ線検出器と、
薄片成形されたターゲットは、第１軸に沿った方向に高さを、第２軸に沿った方向に長さを、第１軸及び第２軸に垂直な方向に幅を有し、高さ及び長さは少なくとも幅の２倍である。

【0079】

第１８実施形態は、第１７実施形態のシステムであって、試料ステージが回転可能な試料ステージである。

【0080】

第１９実施形態は、第１７実施形態のシステムであり、さらに試料からのＸ線画像の取得を制御するためのコントローラ及び、処理システムによって実行されるための、機械読み取り可能な命令を保存するように構成されたコンピュータメモリを有する。

【0081】

第２０実施形態は、第１９の実施形態のシステムであって、コンピュータメモリは、試料のＸ線画像を繰り返し取得し試料を回転させるための命令、及び、試料の３次元表現を生成するために、反復して取得された像を組み合わせるための命令を保存することができる。

【0082】

第２１実施形態は、第１７実施形態のシステムであり、薄片成形されたターゲットは、タングステン、モリブデン、チタン、スカンジウム、バナジウム、銀又は高融点金属を含むＸ線生成材料の群から製造される。

【0083】

本発明及びその利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された実施形態に対して様々な変更、置換及び改変を行うことができることを理解されたい。さらに、本出願の範囲は、本明細書に記載されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法及びステップの特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。

【0084】

例えば、本明細書で開示される方法及び装置は、Ｘトモグラフィシステムでの使用について説明されているが、本方法及び装置は、任意のタイプのＸ線投影画像化システムにおいて一般的に使用され得る。さらに、Ｘ線吸収画像を得ることに加えて、開示された方法及び装置は、他のタイプの試料コントラスト画像、例えば位相コントラスト画像又は回折コントラスト画像、を得るために用いることができる。位相及び回折コントラスト像は、小構造を含む試料の画像化の場合に、より有用であり得る。

【0085】

当業者は、本発明の開示から容易に理解されるように、本明細書で説明される実施形態に対応するのと本質的に同じ機能を果たす又は同じ結果を実質的に達成する、現在存在する又は後に開発されるプロセス、機械、製造物、組成物、手段、方法又はステップは、本発明に従って利用されることができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、かかるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法又はステップをその範囲内に含むことが意図されている。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】