극소형 대상물의 고 분해능 Ｘ-ray 이미징

극소형 대상물의 고 분해능 Ｘ-ray 이미징{HIGH RESOLUTION Ｘ-RAY IMAGING OF VERY SMALL OBJECTS}

본 발명은 일반적으로 X-ray 등과 같은 투과성 방사선을 사용하여 극소형 대상물의 형상(feature)을 고분해능으로 이미징하는 것에 관련된다. 본 발명은 특히 X-ray 위상 콘트라스트 극미소 이미징을 수행하는 데 적합하고, 바이러스 및 셀 등의 미소 생물계와 대형 생물 분자를 포함하는 극미소 대상물 및 형상에 대한 초고도 공간분해능 이미징에 유용하게 적용될 수 있다.

X-ray를 사용하는 현미경검사(microscopy)에 대한 기존의 접근법은, 포커스(focused)된 전자 빔이 여기하여 호일(foil) 또는 다른 타겟(target)에 스폿 X-ray 소스(spot x-ray source)를 발생시키는 투영 X-ray 현미경검사이다. 대상물은 타겟(target)과 사진 또는 다른 검출판 사이의 발산 빔에 위치된다. 최근에, X-ray 현미경 검사용 포인트 원(point source)을 여기시키기 위하여 전자 현미경의 전자빔을 사용하는 다수의 제안이 있었다. 전자 현미경내로 단층 X-ray 사진 촬영장치의 직접적인 통합이 J. Microscopy 147, 169, 179(1987)에서 Sasov에 의해 제안되었다. 전하결합소자(CCD) 검출기를 사용한 주사 전자 현미경용 원형 단층 X-ray 사진촬영장치의 부착이 Cazaux 등, J. Microsc. Electron. 14, 263(1989), Cazaux 등, J. Phys. (Paris) IV C7, 2099 (1993) 및 Cheng 등 X-ray Microscopy III, ed. A. Michette et al(Springer Berlin, 1992), 184 페이지에 제안되었다. Ferreira de Paiva 등(Rev. Sci. Instrum. 67(6), 2251 (June 1996))은 Cazaux 및 Cheng 의 제안에 근거하여 마이크로토모그래피(microtomography) 시스템의 성능을 발전 및 연구했다. 이 장치는 상업적으로 이용가능한 전자 마이크로프로브에 적합하였고 전자 광학 칼럼(column)에 따라 주요 변경을 필요로 하지 않고 약 10 ㎛ 분해능으로 이미지를 생성할 수 있었다. 이들은 단층 X-ray 사진 촬영장치에서의 1㎛ 분해능이 이들 장치에서 실현가능하고 모든 시스템 구성요소들 및 이들 작업에서의 이미지 강도 데이터의 해석의 방법들은 흡수 콘트라스트의 메카니즘에 근거한다.

X-ray 현미경 검사에 관한 W. Nixon에 의한 기사가 "X-rays : The First Hundred Years", ed. A Michette & S. Pfauntsch, (Wiley, 1996, ISBN 0.471-96502-2), 43-60 페이지에서 얻을 수 있다.

본 출원인의 국제 특허공보 WO 95/05725 는 하드(hard)한 X-ray를 사용하는 미분 위상 콘트라스트 이미징에 적합한 다양한 구성 및 조건을 개시한다. 소비에트 특허 1402871와 미국특허 5319694에는 다른 개시가 발견된다. 하드(hard)한 X-ray 위상 콘트라스트 이미징을 수행하는 실제적인 방법이 본 출원인의 계류중인 국제특허 공보 WO 96/31098 (PCT/AU96/00178)에 개시되어 있다. 이들 방법은 바람직하게는 다색성일 수 있는 마이크로포커스 X-ray 소스를 사용하고, 대상물과 소스 및 대상물과 이미지 평면 사이의 적당한 거리를 사용한다. 대상물로부터 출구 평면에서 X-ray 파장(wavefield)의 위상변화를 추출하는 여러가지 수학적 수치적 방법들이 상기 출원(PCT/AU96/00178)에 개시되어 있고, 또한 Wilkins 등의 "다색성의 하드(hard)한 X-ray를 사용하는 위상 콘트라스트 이미징" Nature(London) 384, 335 (1996) 및 계류중인 국제특허 출원 PCT/AU97/00882에 개시되어 있다. 이들 참고자료에 주어진 예시들은 주로 거시적인 대상물과 형상, 그리고 시료로부터 적절히 이격되어 자체완비된 종래 연구형 X-ray 소스와 관련된다.

본 발명의 목적은 적어도 바람직한 응용에서 미소 대상물 및 형상의 X-ray 위상 콘트라스트 이미징을 용이하게 하는데 있다.

본 발명은, 상술된 목적이 X-ray 이미징에 전자 현미경을 적합시키는 신규한 접근법에 의하거나, 마이크로포커스 X-ray 소스를 생성하기 위하여 강한 레이저원 또는 X-ray 싱크로트론원을 사용함으로써 달성될 수 있도록 한다.

본 발명의 제 1형태에서, 시료용 챔버를 형성하는 구조체 및 그 구조체에 장착된 X-ray 방사선을 발생시키는 적절한 입사빔에 의해 여기가능한 물질체(a body of a substance)를 포함하는 X-ray 이미징에 사용되는 시료셀이 제공되며, 이 셀은 사용시에 X-ray 방사선의 적어도 일부가 그 안의 시료를 조사하도록 이 챔버를 가로지른 후, 검출을 위해 상기 구조를 빠져나가도록 되어 있다.

일 실시예에서, 셀은 현미경 또는 마이크로프로브의 전자빔이 여기가능한 물질체상에 포커스(focused)되어 X-ray 방사선을 발생시키도록 물질을 여기시키는 입사빔을 제공하는 위치에서 주사 전자 현미경 또는 마이크로프로브의 보충홀더수단, 예를 들어 시료 스테이지내에 삽입되기에 적합하도록 치수가 정해지는 일체의 자체완비 유닛이다.

다른 실시예에 있어서, 이 물질은 X-ray 방사선을 발생시키기 위하여 전자기 방사의 포커스(focused)된 입사빔, 예를 들어, 레이저 빔 또는 싱크로트론 방사 빔에 의해 여기될 수 있다.

이 셀은 바람직하게는 1 미크론 또는 수 밀리미터 예를 들어 10 밀리미터 범위내인 층 평면에 대응하는 치수를 갖는 층들의 배열이다. 이 셀은 여기된 X-ray 방사선이 통과하는 상기 층들은 고도로 균질(homogeneous)하고, 또한 시료를 조사하는 방사에서의 입사빔의 높은 공간 코히어런스를 보존하기 위해서 매우 매끄러운(smooth) 표면을 가져서, 이미지내의 유용한 콘트라스트를 최적화한다는 점에서 위상 콘트라스트 이미징에서의 사용에 적합한 것이 장점이다. 이것은 특히 상기 여기가능물질의 층으로부터의 출구표면과 시료 셀내의 연속적인 층에 바람직하다.

여기가능물질은 바람직하게는 셀을 한정하는 구조체에 적용되는 물질의 층이지만, 독립해 있을 수 있다. 이 구조체는 바람직하게는 X-ray에 또는 여기가능 물질층을 시료로부터 분리시키는 선택된 X-ray 에너지 밴드에 일반적으로 투과되는 기판 및/또는 격막층을 포함한다. 비록 관심있는 방사 에너지 밴드에 대부분 투과되더라도, 기판 및/또는 공간층은 이미지에 기여하는 X-ray 빔의 색채 코히어런스를 향상시키도록 이 밴드 밖의 에너지에 대하여 강하게 흡수하도록 선택될 수 있다.

상기 셀은 개방될 수 있거나, 기밀하게 밀봉되도록, 예를 들어 챔버내에 시료를 배치한 후 전자 현미경 챔버의 배기를 허용하도록 구성될 수 있다. 이 챔버 또는 셀은 밀봉될 수 있고 그렇다면 이 구조체는 X-ray 투과창을 포함하고, 이 투과창에 의해서 상기 X-ray 방사선이 검출을 위해서 상기 구조를 빠져나간다.

여기가능물질의 층은 바람직하게는 10 내지 1000 nm 범위의 두께이고, 사용중에는 이 층이 시료로부터 떨어진 간격은 1 내지 1000 ㎛범위 내일 수 있다.

이 제 1형태에 있어서, 본 발명은 포커스(focused)된 전자 빔을 발생시키는 수단과, 상기 전자 빔이 여기가능한 상기 물질체상에 포커스(focused)되어 X-ray 방사선을 발생시키기 위하여 상기 물질을 여기시키는 상기 입사빔을 제공하는 위치에서 홀더 수단내에 유지된, 개시된 하나 이상의 변형례에서 상술된 바와 같은 시료 셀을 갖으며, X-ray 현미경 또는 마이크로프로브, 예를 들어 주사 X-ray 현미경 또는 마이크로프로브까지 연장된다. 바람직하게는, 초고 분해능 이미징을 위하여, 포커스(focused)된 전자 빔을 발생시키는 수단은 장 방출 팁 전자원(field emission tip electron source)을 포함한다.

제 2형태에 있어서, 본 발명은 시료의 하나 이상의 내부경계 또는 다른 형상의 확대된 X-ray 이미지를 유도하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 본 발명의 제 1형태에 따라서 시료 셀내에 시료를 배치하고 현미경 또는 마이크로프로브의 전자빔이 여기가능한 상기 물질체상에 포커스(focused)되어서 X-ray 방사선을 발생시키도록 상기 물질을 여기시키는 상기 입사빔을 제공하는 위치에서, 전자 현미경 또는 마이크로프로브의 홀더 수단내로 셀을 끼워 맞추는 단계; 상기 물질로 하여금 X-ray를 발생시키도록 하기 위하여 전자 빔으로 상기 여기가능물질을 조사하는 단계로서, 상기 방사선의 적어도 일부가 하나 이상의 내부 경계 또는 다른 형상을 포함하는 시료를 조사하기 위하여 시료를 가로지른 후 셀 구조체를 빠져나가게 하는 단계; 및 시료의 하나 이상의 내부 경계의 또는 다른 형상의 이미지를 제공하기 위하여 시료를 조사한 후 상기 방사의 적어도 일부를 검출하고 기록하는 단계를 포함하여 이루어진다.

X-ray 이미징은 흡수 콘트라스트 또는 위상 콘트라스트 이미징 또는 양자일 수 있다. 본 발명은 특히 위상 콘트라스트 이미징의 수행에 적합하다. 이미지는 검출기 시스템 또는 다른 수단에 의해 에너지 필터링될 수 있거나, 일련의 X-ray 에너지 대역에 대응하는 일 세트의 이미지로 동시에 수집될 수 있다.

여기가능물질에 의해 발생된 X-ray 방사선은 바람직하게는 하드(hard)한 X-ray 범위의 중간, 즉 1 keV 내지 1 MeV 범위에 있고, 실질적으로 단색성 또는 다색성일 수 있다. 전자의 경우, 이 방법은 단색성의 정도를 향상시킨다. 이 방법의 실시 또는 장치의 사용에 있어서, 시료 대 이미지 평면 거리는 바람직하게는 10 내지 200 mm 정도인 것이 바람직하다.

다른 형태에 있어서, 본 발명은, X-ray 방사선을 발생시키기 위하여 적당한 입사빔에 의해 상기 여기가능한 물질체와, 사용시에 상기 물질체와 상기 시료 사이에 배치되어 상기 물질체를 보유하고 격막으로서 역할하는 기판으로 구성된 시료 지지수단; 그리고 상기 시료와 상기 물질체의 상대 위치를 조정하는 수단을 포함하는 X-ray 현미경 이미징 구성을 제공한다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시의 방식으로 상세히 설명된다.

도 1은 본 발명의 제 2형태의 실시예에 따라 고분해능의 하드(hard)한 X-ray 현미경 검사를 수행하는, 본 발명의 제 1형태의 실시예에 따른 시료 셀의 횡단면도;

도 2는 더욱 소프트(soft)한 X-ray에 적당한 수정된 시료 셀을 나타내는 도면;

도 3은 100 배 내지 100,000 배 까지의 이미지의 배율의 실질적인 변동을 가능하게 하는, 본 발명의 다른 실시에에 따른 시료 셀의 유사한 도면;

도 4는 타겟층이 패터닝되거나 분할된 실시예를 나타낸 도면;

도 5는 주사 전자 현미경(SEM)의 시료 스테이지에 탑재된 도 1의 시료 셀을 나타내는 도면;

도 6은 인시튜(in situ)로 도시된, 더욱 느슨하게 조립된 셀의 대안적인 실시예;

도 7은 도 6에 도시된 실시예의 수정된 형태;

도 8은 도 1에 대응하고 아래에서 설명되는 이미지 확대에 영향을 주는 주요 형상 인자를 나타내는 도면;

도 9 내지 도 12는 서로 다른 크기 및 서로 다른 조건하에 있는 단순 원통형 시료에 대해 계산된 X-ray 강도 프로파일을 예시한 도면이다.

도 1에 도시된 시료 셀(10)은 일반적으로 3차원 직사각형 모양의 일체의 자체완비 유닛이다. 시료 셀은 폐쇄된 시료 챔버(12)를 형성하는 구조체(11)를 포함하고, X-ray 방사선(6)을 발생시키기 위하여 적당한 입사빔(5)에 의해 여기가능한 물질체 또는 타겟층(20)이 구조체(11)에 부착되어 탑재되어 있다. 셀(10)은 방사선(6)의 적어도 일부가 챔버(12)를 가로질러 챔버내의 시료(7)를 조사한 후 X-ray 검출기(35)에 의한 검출을 위해서 상기 구조를 빠져나가도록 구성되어 있다.

구조체(11)는 상대적으로 두꺼운 기판/격막 층(22)과 상대적으로 얇은 창 층(24)를 포함한다. 이들은 챔버(12)를 형성하도록 이격되어 있으며, 주변 측벽(26)에 의해 측방향으로 폐쇄되어 있다. 타겟층(20)은 마그네트론 스퍼터링, 열 또는 전자 빔 증착, 또는 화학기상증착(CVD)등의 기상증착기법에 의해 챔버(12)의 외부면인 기판(22)의 주요면(23)에 도포된다.

대안적인 구성에서, 챔버(12)는 개방될 수 있지만, 특히 생체내 또는 시험관 내에서 연구되는 생물학적 시료재료와 함께 사용하기 위해서, 개스킷 또는 접착된 마일라(mylar) 또는 에폭시 수지등의 다른 적당한 장치로 밀봉되어 있는 것이 바람직하다.

본 실시예에 있어서, 여기가능물질의 타겟층(20)은 통상적으로 전자빔에 의한 여기에 응답하여 여기층 및 셀의 나머지 부분을 용이하게 투과할 수 있는 하드(hard)한 X-ray(> ∼ 1keV)에 매체를 제공하기에 충분히 높은 원자번호(Z)를 갖는 물질로 구성되어 있는 여기층이다. 적당한 재료의 예로서는 금, 백금, 구리, 알루미늄, 니켈, 몰리브덴 및 텅스텐 등이 있다. 타겟층(20)의 두께는 통상적으로 10nm 내지 1000 nm 범위 내일 수 있다. 층 두께는 여기층에서 여기된 X-ray 소스에 의해 생성된 X-ray의 상승(take-off)각이 관여되기 때문에, 특히 여기 빔의 소정의 시계(field of view) 및 형상(geometry)에 의해 영향을 받는 원하는 유효 소스크기에 따라 선택된다.

타겟층(20)의 전자 여기의 경우에, 만일 여기층이 도체라면, 상기 층은 충전되는 것을 방지하도록 전기적으로 접지될 필요가 있을 수 있다. 상기 기판을 통한 열 전도를 통하여 타겟층의 냉각의 약간의 향상은 이로울 수 있다.

입사입자 또는 방사선빔, 그리고 바람직한 구성에서는 전자 빔은 이미징에 요구되는 제동복사(Bremstrahlung)의 범위 또는 원하는 특성 에너지 X-ray를 여기 시키기에 충분한 에너지를 갖는다. 전자 빔에 의한 여기의 경우, 전자 에너지는 이미징용으로 제안된 주요라인의 특성 X-ray 에너지에 비해 충분한 과전압을 갖도록 해서 충분한 X-ray 강도를 내도록 하는 것이 바람직하다. 이것은 전자의 가속전압으로 1kV 내지 150 kV 영역에 있을 수 있다.

기판 또는 격막 층(22)은 다음과 같은 여러가지 방식, 즉

(i) 비교적 얇은 타겟층(20)의 물리적 지지체로서;

(ii) 소스로부터 시료의 제어된 분리를 제공하는 격막층으로서,

(iii) 투과된 방사에 대한 대역 통과 필터(bandpass filter)로서; 및

(iv) 타겟층의 냉각 보조제로서 역할을 할 수 있다.

여기서 두께는 1㎛ 내지 500㎛ 영역에 있을 수 있다. 이 두께는 소정의 배율을 제어하는데 있어서 주요한 결정인자이다. 이 층의 다른 기능은 비교적 하드(hard)한 X-ray가 생성되는 두께를 감소시키는 것이고, 따라서 이층은 통상적으로 타겟층(20)보다 더 낮은 원자번호 및/또는 밀도를 갖는 재료로 구성된다. 적당한 재료로는 폴리싱된 규소(Si)(상업적으로 이용가능한 웨이퍼), 플로트 유리 또는 폴리싱된 유리 및 베릴륨(Be), 붕소(B), 마이카, 사파이어, 다이아몬드 및 기판으로 사용되는 다른 반도체 재료들의 얇은 층 등이 있다. 이들은 원자 레벨에 가깝게 매우 매끄러운(smooth) 표면을 갖도록 생성될 수 있다. 기판으로서 역할을 할 때, 이 층은 바람직하게는 여기 재료(층(20))의 박막에 대한 물리적 지지를 제공하도록 하고, 바람직하게는,

(i) 고도로 균질(즉, 원자 레벨에서 밀도와 두께가 균일)하고,

(ii) 매우 매끄러운(smooth) 표면을 가져서,

여기층에서 유도된 X-ray파장(wavefield)의 공간 코히어런스를 현저히 저하시키지 않도록, 즉 시료를 조사하는 방사내의 입사빔의 높은 공간 코히어런스를 보존하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 콘트라스트는 국제 특허공보 WO 96/31098에서 기술된 개념에 근거하여 이미지에서 최적화된다.

층(22)의 다른 기능은 여기층의 전자 빔의 스플래쉬(splash) 또는 스프레딩(spreading)을 끊어 X-ray 소스의 유효한 크기로 자르는 것이다. 어떤 경우에, 타겟(target) 재료가 기계적으로 충분히 안정하고, 유효 X-ray 소스 크기의 확장이 타겟(target) 두께에 의해 악화되지 않으면 층(22)은 필요 없을 것이다.

특히 Al Kα등의 낮은 에너지의 X-ray 여기의 경우에 흡수의 효과를 감소시키는 기판/격막층을 도려냄으로써 셀의 기본설계에 대한 수정이 가능하다. 이러한 일반형의 수정된 셀(10')이 도 2에 도시되며, 동일한 프라임 부호(')가 붙여진 숫자는 동일한 구성요소를 나타낸다. 층(22')에 형성된 공동은 30으로 나타낸다. 도려내고 남은 나머지 얇은 격막(22a)이 공동(30)과 시료 챔버(12')사이에 남겨진다. 이 나머지 얇은 격막은 타겟층(20')과 유사한 방식이나 더욱 얇은 재료층(25)으로 시료 측면상에 코팅될 수 있으나 낮은 X-ray 에너지 흡수 필터로서 작용한다.

출구 또는 창층(24, 24')은 시료를 포함하도록 작용하고, 또한 여기층의 경우보다 더 큰 유효 소스크기를 가져서 분해능의 손실을 초래하는, 기판/격막층(22, 22')의 여기로 인해 생성되는 임의의 원치 않는 X-ray 방사선을 필터링하도록 작용할 수 있다. 적합한 재료로는 캡톤(Kapton), 알루미늄, 마일라, 규소 및 게르마늄일 수 있다. 층(24)은 바람직하게는 위상 콘트라스트 효과로 인한 이미지내에 부가적인 구조체를 초래하지 않도록 매끄럽거나(smooth) 균일한 밀도를 가져야 한다. 충분한 에너지 여과 또는 폐쇄된 시료에 대한 물리적 지지를 달성하기에 적당한 두께를 갖는다. 또한, 이러한 출구창은 적당한 선택적 X-ray 흡수제로 코팅될 수 있다.

셀의 다른 수정예가 도 3에서는 10"로 도시되고, 이미지에 있어서의 배율, 예를 들어 100 배에서 100,000배의 범위에 걸친 실질적인 변동을 가능하게 한다. 도 3에 있어서, 동일한 구성요소는 동일한 이중 프라임이 붙은 참조번호로 나타낸다. 배율의 변동은, 주변 벽(42)내의 격막(22a) 쪽으로 또한 그 반대쪽으로 병진가능한 유닛(40)으로서 여기가능한 타겟 층(20'') 및 기판(22'')을 제공함으로써 얻어진다. 대안적으로, 주변 벽(42)은 격막(22a)을 이동시키기 위해서 타겟층(20") 쪽으로 또한 그 반대쪽으로 병진될 수 있다.

다른 수정예에서, 타겟층(20)은 연속적인 기판(22)상에서 분할되거나 패터닝될 수 있다. 도 4는 타겟층(20)을 포함하는 골드 스폿(gold spots)(20a)이 실리콘 기판(22)상에 이격되어 있는 예시적 구성을 도식적으로 나타낸다. 이러한 구성의 이점은 정확히 예측할 수 있는 "소스(source)"크기를 갖는 X-ray 빔(6)이 더 넓고, 덜 예리하게 포커스(focused)된 전자 빔(5)에 의해 발생될 수 있다는 것이다.

도시된 셀은 통상적으로, 이 셀이 일체의 자체완비 유닛으로서 챔버(12)내에 미리 삽입된 시료(7)와 함께, 하나 이상의 형태의 상업적으로 이용가능한 전자현미경 또는 마이크로프로브의 시료 스테이지 내로 삽입될 수 있도록 선택된 치수로 마이크로 머시닝(micromachining) 또는 종래의 기법에 의해 제조된다. 도 5는 도 1의 실시예에 대하여 주사전자현미경(SEM)에서의 이러한 조립체를 단지 도식적으로 나타낸다. 일단 시료로 채워지면, 시료 셀(10)은 시료 스테이지(60)의 상측 벽(61)으로부터 차례로 매달린 홀더(50)내에 위치된다. 홀더(50)는 벽(61)에 매달려 있고 안으로 구부러진(inturned) 하측 플랜지(52a, 53a)를 갖는 한 쌍의 고정 측벽(52, 53)과 플랜지(52a, 53a)상에 놓인 조정가능한 레일(54, 55)를 포함한다. 각각의 피에조 액추에이터(56)는 측벽(52, 53)에 대하여 수평으로 레일(54, 55)의 정밀한 조정, 및 레일(54, 55)에 대하여 수직으로 셀(10)의 정밀한 조정을 제공한다.

셀(10)은 전자빔이 스캐닝 코일(72)에 유지된 차폐 파이프(70)로부터 타겟층(20)으로 향해지는, 상측 스테이지 벽(61)의 조사구멍(irradiation aperture)(62) 아래 중심에 위치한다. 빔은 적당한 전자빔원(도시하지 않음)에서 발생하고 전자빔을 타겟층(20)상에 포커싱(focusing)하는 포커스 자석(75)에 의해 둘러싸인다. 초고도의 공간분해능 X-ray 이미징을 위해서, 전자빔원은 스폿 크기를 최소화하여 상술된 바와 같이 측방향 공간 코히어런스를 향상시키기 위하여 장 방출 팁(field emission tip)인 것이 유리하다.

시료 스테이지(60)는 종래와 마찬가지로 표유 방사(stray radiation)에 대한 차폐로서 작용하고, 상당한 수직 조정을 허락하는 마운트(64)상에 유지된다. 전체 조립체는 외부 하우징(76)에 의해 형성된 배기가능한 챔버(77)내에 유지된다. 제 2차 검출기(78)는 정렬 및 포커싱을 용이하게 하도록 측면에 제공된다.

시료 스테이지(60)는 구동기(69)를 구비한 셔터(68)에 의해 제어되는 중심 구멍(67)을 갖는 환형 격막(66)을 부가로 포함한다. 시료 스테이지(60)의 베이스(63)는 이 경우 진공상태에 있는 검출기(35)인 X-ray 기록매체를 지지한다. 하지만, 많은 경우에, 검출기 시스템은 진공 챔버 밖에 있을 수 있으며, 그러한 경우 적절한 X-ray 창 수단이 외부 하우징(76)내에 내장될 수 있음을 유념해야 한다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에서는, 시료 셀 자체가 외부 하우징(76)의 진공 창을 구성할 수 있다.

도시된 실시예에 의하면, X-ray 흡수 또는 위상 콘트라스트 이미징에 현미경이 사용될 수 있고, X-ray 방사선(6)은 창 층(24) 밖으로 통과한 후 X-ray 기록 매체(35)에서 검출될 수 있다. CCD 검출기 또는 광자극성 형광체(phosphor) 이미지평면을 사용하는 X-ray 이미징 시스템은 기록 매체(35)용으로 적합하다. 이미지평면을 처리하는데 스캐너가 이용될 수 있다. 본 발명의 다른 이로운 실시예는 좁은 X-ray 에너지 대역에 각각 대응하는 하나 이상의 유효 X-ray 이미지를 동시에 유도하기 위하여 CdMnTe 또는 초전도 Josephson 접합에 기초하는 것들과 같은 2차원 에너지 분해 검출기의 사용을 포함한다. 이것은 계류중인 국제 특허 출원 PCT/AU97/00882에 기재된 위상 회복법(phase retrieval method)에의 사용에, 특히 본 명세서의 마이크로 이미징에서 요구되는 고도의 공간분해능을 위하여 매우 적합한 데이터이다.

도 4에 도시된 구성은 바이러스 및 세포등의 미세 생물계 및 대형 생물 분자를 포함하는 현미경적 대상물 및 형상의 초고도 공간분해능 이미징에 적합하다. 이 구성은, 대상물 대 이미지평면 거리가 예를 들어 10 내지 100 mm 가량으로 거시적인 반면 소스 대 대상물 거리를 수십 미크론 이하급으로 매우 짧게 하여 만듦으로서 높은 공간분해능 또는 유용한 배율이 얻어질 수 있도록 극미세 유효 소스 크기를 가능하게 할 수 있다. 입사 전자빔(5)은 바람직하게는 타겟에서 10 내지 1000nm 범위의 폭으로 촛점이 맞춰진다. 앞에서 암시한 바와 같이, 위상 콘트라스트 이미징의 최적의 성능을 위하여, 계류중인 국제특허 공보 WO 96/31098에서 알려진 바와 같이, 시료를 제외한 모든 구성요소는 X-ray 빔의 측방향 공간 코히어런스를 가능한한 높게 보존하도록 해야하는데, 실제로 이것은 이들이 실질적으로 원자 이하의 레벨의 극히 매끄러운(smooth) 표면을 가지며 고도의 균일한 밀도, 즉 고도의 균질성을 갖고 미세한 결함이나 불순물이 없어야 가장 좋다는 것을 의미한다.

실질적으로, X-ray 방사선은 이미지의 용도 및 유도방법에 따라 다색성 또는 단색성일 수 있다. 후자의 경우, 예를 들어 재료의 적절한 선택 및/또는 타겟층을 가격하는 전자의 여기전압의 적절한 선택에 의해 단색성의 정도를 향상시키는 것이 유익할 수 있다. 전자의 경우, 에너지 감응 검출기를 사용하는 것이 유익할 수도 있다.

도 6은 시료 셀(110)이 시료 스테이지 상측 벽(161)의 조사 구멍(162)내에 조립된 대안적인 실시예를 도시한다. 구멍(162)은 발산하는 또는 원추형의 상측 개구(202) 및 축소된 직경의 하측 개구(204)를 구비한 일반적으로 원통형 공동(200)을 포함한다. 공동(200)은 도 1의 실시예의 측벽(26)과 유사한 고정 주변링(126)에 의해 하측부 및 상측부로 분할된다. 시료(127)의 창 플랫폼(124)은 링 레일(154)상에 조정가능하게 보유된다: 따라서 피에조 액추에이터(156, 157)는 이전과 같이 시료위치의 측방향 및 축방향 조정을 허용한다.

타겟층(120) 및 기판/격막 층(122)을 포함하는 일체 판(integral plate)은 링(126)상에 위치되고, 필요하다면 조립된 셀을 완성하기 위하여 안정화 링(95)이 최상부에 위치된다. 시료 챔버(112)는 각각의 기판/격막 층(112), 링(126) 및 창 플랫폼(124)에 의해 어느정도 형성되고, 타겟층과 시료의 분리는 피에조 액추에이터(156, 157)에 의해 축방향으로 조정가능하다.

통상적으로, 타겟층 또는 시료 스테이지는 현미경의 배율을 변경하기 위하여 조정가능함은 물론이다.

도 7은 도 6의 실시예의 수정된 형태이고, 동일한 부품은 동일한 프라임이 붙여진 참조번호로 표기된다. 여기서, 구성요소들은 측벽(152)에 의해 형성된 자체완비 유닛(150)으로서 유지되고, 이 측벽(152)은 개구(204')의 플랜지(203)상에서 공동(200')내에 꼭맞게 장착된다. 분할 격막 링(126')은 링 레일(154')을 미끄럼가능하게 지지하기 위하여 안으로 구부러진(inturned) 하측 플랜지(152a)를 갖는 이 측벽상에 고정된다.

상술된 각각의 실시예에는 단일 시료 챔버(12)가 존재한다. 특별한 용도의 경우, 자체 완비된 셀 구조체는 이산된 시료 챔버를 갖는 다수의 서브 셀을 형성할 수 있다.

이하에서는 주사 전자 현미경내 도시된 형태의 셀을 사용하는 X-ray 이미징 장치의 중요한 파라미터에 관련해서 설명한다. 이러한 설명을 위해, 도 1에 표시된 다음과 같은 파라미터의 값들을 참조할 수 있다: 이들은 본 발명의 실시예에서 실제로 사용하기에 적합한 통상적이거나 대표적인 값들이다.

t ₁ 타겟층(20)의 두께 10 nm(및 100nm)

t ₂ 지지/격막 층(22)의 두께 10 미크론

t ₃ 시료 챔버(12)의 두께 수 미크론(통상적으로 t ₃ ≤t ₂ )

t ₄ 창 층(24)의 두께 수 십 미크론, 그러나 이것은 임계 파 라미터가 아님

α 입사 전자 빔(5)의 수렴 각 2°

β X-ray 빔(6)의 각도 폭 10°

l _oi 창 대 검출기 거리 100 mm

유한 소스 크기로 인한 이미지의 흐릿함(Blurring)

유한 소스 크기에 기인한 이미지 평면에서의 흐릿함(Blurring)은 순전히 기하학적 영향만을 고려하면,

∼ |t ₁ sin(β/2)| + |t ₁ tan(α/2)|

정도의 공간 크기로 생긴다.

이들 파라미터에 대해 위에서 선택된 수치에 대하여, 이것은 1nm의 정도의 값으로 주어지므로 본 파라미터 값의 경우에는 무시할 수 있다.

배율

배율 M에 영향을 미치는 주요 기하학적 파라미터는 도 8의 다이어그램에 표기되어 있다. 이 근사치에 의해, 이미지의 배율은 다음과 같이 주어진다.

M

_oi + t

₂ +

t

₄ )/

t

₂ ∼ l

_oi /t

₂

l _oi ∼ 100mm, t ₂ ∼ 10㎛에 대하여:

M = 100/0.01 = 10 ⁴

따라서, 대상물에서의 2.5 nm의 형상이 이미지에서는 0.025mm(25㎛)의 형상으로 나타난다. 이러한 형상은 전하 결합소자 및 광자극성 형광 이미징판에 기초한 고 분해능 디지털 X-ray 이미징 시스템과 함께 이용가능한 통상적인 공간분해능과 비교가능하다.

시계(Field of View)

β및 t ₂ 는 시료(대상물)의 큰 시계를 생성하기 위하여 큰 것이 바람직하다, 즉:

= 2 t ₂ tan(β/2)

2

t

₂ β/2

이고, 대상물 평면에서 위에서 선택된 특정 파라미터 값에 대하여,

∼2 x 10 x tan(5°)

이다.

전자 이미징 시스템을 가지고, 프로브 빔을 주사(래스터링)함으로써 동일한 시료로부터 다수의 이미지를 기록할 수 있다. 시료상의 2 미크론 시계는 이미지평면상에서 (2 x 10 ⁴ ) x (2 x 10 ⁴ )(㎛ ² )=20 x 20 (mm ² )에 대응한다.

이것은 또한 CCD 등의 고 분해능 전자 이미징 시스템의 시계에 적합하다.

콘트라스트와 분해능

마이크로포커스(microfocus) 소스를 갖는 X-ray 이미징과 관련된 주요 물리적 파라미터에 대한 콘트라스트 및 분해능의 의존성의 상세한 분석은 다음의 주요 양(quantities)을 포함한다.

s 소스 크기

R ₁ 소스 대 대상물 평면 거리

R ₂ 대상물 평면 대 이미지 평면 거리

λ X-ray 파장(wavelength)

u=1/d 여기서, u는 공간주기 d에 대응하는 대상물의 공간 주파수이 다.

D 이미징 평면에서의 공간 분해능

α 준 평면파(quasi-plane wave) 경우의 각도 발산.

본 발명자들은 다른 사람들과 함께 얇은 대상물의 부분적 코히어런트 조명을 위한 콘트라스트 및 분해능의 종래의 광학 처리를 수행하였고, 이는 1997년 7월 Rev. Sci. Instrums. 68 (7)에 발간(본 출원의 우선일 후에)되었다. 결과는 이미지에 대한 흡수-콘트라스트 및 위상-콘트라스트 기여를 위한 광전달함수로 표현된다. 부가된 표 1에, X-ray 현미경 검사에서의 콘트라스트 및 분해능을 지배하는 임계 조건이 요약되어 제공된다. 더욱 상세하게 설명하면, 구면파(spherical-wave)(현재) 경우의 최적 위상 콘트라스트는,

u = (2λR ₁ ) ^-1/2

로 주어지고, R ₁ = 10 ㎛, λ= 0.1 nm로 하면, u = 1/d∼40nm를 얻는다.

유한 소스 크기(예를 들어, s = 10nm)로 인한 분해능에 관한 코히어런스 한계 d _low 는 u=1/s=10 ⁸ m ^-1 또는 d _low = 10nm이다.

u 상한에서의 가시성 1/s는 상기의 경우에 R ₁ = s ² /2λ=(10x10 ^-9 ) ² /(2x10 ^-10 ) = 0.5 ㎛일 때 최적 위상 콘트라스트와 함께 발생한다.

이들 결과는 주어진 X-ray 파장에 대한 최적 콘트라스트를 주는데 필요한 주요 파라미터의 치수에 대한 어느 정도의 감(feeling)을 준다.

이미지 강도의 분석 및 유효한 순수 위상 및 흡수 콘트라스트 이미지 또는 혼합의 추출은, 맥스웰 방정식 또는 적당한 변형방정식, 예를 들어 이 분야의 선행 특허 출원, 특히 계류중인 국제특허출원 PCT/AU97/00882에 서술된 바와 같이 푸리에 광학 또는 적절한 강도이송 방정식(TIE:Transport of Intensity Equations)을 이용한 방정식을 토대로 하는 것이 유리하다.

본 발명을 사용하여 극미세 대상물의 X-ray 현미경 검사의 경우에 예상되는 콘트라스트 및 분해능의 특성을 설명하는 것을 돕기 위하여, 소정의 계산된 강도 프로파일(이미지의 섹션들)들이 도 9 내지 도 12에 나타나 있다. 이들 계산은, 1 keV X-ray 및 변수 R ₁ (소스-대상물 거리) 그러나 상수 R ₁ + R ₂ (R ₂ 는 대상물-이미지 거리)에 대하여, 서로 다른 크기 및 서로 다른 이미징 조건하에 있는 단순 원통형 시료(대상물)(폴리스티렌 섬유)에 대한 것이다.

주요 관찰가능 형상은 1 keV X-ray로 얻어지는 콘트라스트 및 분해능의 레벨이다. 제 1근사에서, 최대 콘트라스트 조건은 표 1에 주어진 결과로부터 얻어질 수 있다.

도 9 내지 도 12을 도출하는 계산은 전자기 방사의 전파에 대한 키르히호프 방정식에 기초한 파동 광학을 사용하여 수행되었다. 이들 계산은 매우 인텐시브(intensive)한 수치 적분에 의해서 수행된다. 흡수와 위상 효과 양자가 고려된다. 도시된 바와 같이, 이들 곡선은 이미지 평면내의 강도이지만, 대상물상의 거리도 나타낸다. 이들 4개의 그림은 서로 다른 직경을 갖는 섬유에 대한 것이고 모두 1 keV X-ray이며 R ₁ + R ₂ 는 10cm로 고정된다. 각각의 그림은 서로 다른 R ₁ 값(따라서, R ₂ 값)에 대한 곡선을 도시한다. 수직의 점선은 관련된 섬유의 에지(edge)를 나타낸다. 가장 작은 섬유(0.05㎛)에도, 적합한 R ₁ 에 대한 4% 가량의 콘트라스트가 존재하며, 이것은 유용하다. 강도 1 값은 대상물의 부재시 얻어지는 값에 대응한다.

X-ray 현미경에서의 대상물 재구성

시료(대상물)의 투영된 구조는 대상물의 특성 및 원하는 정교함의 정도 및 정밀도에 따라, 여러가지 방식으로 하나 이상의 디지탈화된 이미지로부터 재구성될 수 있다. 본 명세서에서의 재구성이란 광축을 따라 대상물의 투영된 굴절률의 실제(굴절성)와 가상(흡수성)의 부분들의 분포를 결정하는 것을 의미한다.

많은 경우에, 통상적으로 현미경 내에서 검사되는 얇은 대상물에 대하여, 가장 유용한 개시 점은 아마도 선형화된 회절 방정식(1 차원)이다.

여기서, λ는 X-ray 파장, z=R ₁ R ₂ /(R ₁ +R ₂ )이고 현미경 검사법에 대하여 z

₁ 이고, I, φ 및 μ는 각각 이미지 강도 및 대상물 위상 및 흡수 전달함수의 푸리에(Fourier) 표현이다. 변수 u는 공간 주파수를 나타낸다. z 방향으로 전파하는 입사 단색 평면파를 가정한다. 비록 구면파 경우가 실제로 현미경 검사에 더 적당하고 또 적절한 대수적 변형에 의해 평면파 경우로부터 추론될 수 있다 하더라도, 본 서술에서는 평면파 경우에 한한다.

일반적으로 φ(u) 와 μ(u)는 둘 다 I(u)의 단일 측정으로부터 결정될 수 없다. 서로 다른 z 또는 λ값을 사용하여 적어도 2개의 독립 측정이 필요하다. 그러나, 수학식(1)의 마지막 항이 소거되는 순수 위상 대상물의 경우, I(u)의 단일 측정, 즉 단일 이미지 측정은 원칙적으로 φ(u), 대상물에 기인한 위상 시프트(phase shift)의 공간 분포를 결정하기에 충분하다. 그러나, 여기서도 공간 주파수 u의 특정 값에 대한 정보의 손실을 초래하는 "전달함수" sin(πλz u ² )의 영점 및 노이즈의 효과를 감소시키기 위하여 수회의 측정을 행하는 것이 유리하다. 이것이 "촛점 길이" z 및/또는 파장 λ의 가변성이 본 장치의 유용한 특징이라고 사료되는 한가지 이유이다.

충분히 작은 λz u ² 값에 대하여, 사인 및 코사인 항을 1차수까지 전개하면, 수학식(1)은 다음과 같이 더욱 단순화될 수 있다.

이것은 강도 전달방정식(MR Teague J.Opt.Soc.Am., A73, 1434-41, (1983); TE Gureyev, A. Roberts, & KA Nugent, J.Opt.Soc.Am., A12 1932-41, 1942-46(1995); Gureyev & Wilkins, J.Opt.Soc.Am. A15, 579-585(1998))의 형태와 유사하다. 이것은 이미 소개된(Wilkins 등, 네이쳐(1996) 참조) 미분 위상-콘트라스트 체제(Pogany, Gao, & Wilkins, Rev.Sci. Instrum. 68, 2774-82(1997))를 기술한다.

만일 선형이론이 부적합하다면, 다음과 같은 기본 Fresnel-Kirchoff 회절 공식(푸리에 공간에서),

으로 되돌아갈 수 있으며 관찰된 강도 I(x) = |F(x)| ² 를 가장 잘 재생하는 대상물 전송 함수 Q를 얻는 것을 시도할 수 있다. 이것은 광학 홀로그램 및 전자 현미경 이미지의 재구성(복구)의 수치적 형태로 사용되는 것과 유사한 방식으로 반복적으로 수행될 수 있으며, 여러가지 방법들이 기술되었다(JR Fienup, "Phase Retrieval Algorithms : A Comparison", Appl. Opt 21 2758(1982); RW Gerchberg and WO Saxton, Optik(Stuttgart)35 237, (1972)). 하지만, 수렴(convergence)은 때로는 매우 느리고, 개선된 알고리즘에 대한 여지가 많다.

상술된 모든 것은 대상물 구조체의 일차원 또는 이차원 투영을 언급하고 있다. 삼차원의 대상물 재구성에 대하여는, 적어도 2개의 투영이 통상적으로 필요하고(입체경검사법(stereoscopy)의 경우) 또는 다수의 투영이 필요(단층 X-ray 사진 촬영(tomography)의 경우)하다. 전자는 빔 편향을 사용하여 본 장치에서 달성될 수 있다. 후자는 시료를 정확히 회전시키는 수단을 필요로 하며, 이것은 종래의 기계적 수단에 의해 행해질 수 있지만, 본 출원에 기술된 표준 현미경 구성을 초월한 다른 수정을 필요로 한다.

고 분해능의 하드(hard)한 X-ray 이미징(특히 위상 콘트라스트 이미징)에 대한 도시된 시료 셀 및 관련된 방법의 장점은 다음과 같다.