用于测量、表征和分析周期性结构的x射线方法
阅读：698发布：2023-01-29
专利汇可以提供用于测量、表征和分析周期性结构的x射线方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且x射线照射的周期性空间图案用于收集关于周期性物体的信息。可以使用相干的或部分相干的x射线源与分束光栅的相互作用来创建具有周期性结构的Talbot干涉图案，以创建结构化照射。然后将要测量的具有周期性结构的物体放置到该结构化照射中，并且分析来自多个照射点的 信号 的集合以确定物体及其结构的各种性质。对于x射线吸收/透射、小 角 度x射线散射、x射线 荧光 、x射线反射和x射线衍射的应用都可以使用本 发明 的方法。，下面是用于测量、表征和分析周期性结构的x射线方法专利的具体信息内容。
1.一种用于检查具有周期性结构的物体的方法，包括：
确定将在其中形成Talbot干涉图案的体积，
所述Talbot干涉图案使用下述项形成：
x射线源和
x射线分束光栅；
将具有周期性结构的物体放置到所述体积中；
建立Talbot干涉图案；
将所述物体的周期性结构与所述Talbot干涉图案的腹点对准；和
检测由于下述项的相互作用而引起的x射线信号：
Talbot干涉图案和
所述物体的周期性结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中，
所述x射线信号是起因于通过所述周期性结构的x射线的透射而产生的信号。
3.如权利要求1所述的方法，其中，
所述x射线信号是起因于选自以下项构成的组中的一种或多种现象而产生的信号：
小角度x射线散射、x射线荧光、x射线反射、和x射线衍射。
4.如权利要求1所述的方法，其中，
x射线源是微聚焦源。
5.如权利要求1所述的方法，其中，
x射线源是与包括周期性孔口的吸收光栅相结合使用的扩展源。
6.如权利要求1所述的方法，其中，
所述x射线源包括：
真空室；
用于电子束的发射器；和
电子靶，其包括：
包括第一材料的基底，和嵌入在所述基底中的
包括根据x射线产生性质选取的第二材料的至少多个离散结构，
并且其中所述多个离散结构被布置成形成子源的周期性图案。
7.如权利要求1所述的方法，其中，
x射线分束光栅包括用以对预定x射线波长引入大约π弧度相移的结构。
8.如权利要求1所述的方法，其中，
x射线分束光栅包括用以对预定x射线波长引入大约π/2弧度相移的一些结构。
9.如权利要求1所述的方法，其中，
所述x射线分束光栅包括x射线相移光栅，其中所述x射线相移光栅的周期p1小于或等于来自x射线源的x射线的横向相干长度。
10.如权利要求6所述的方法，其中，
所述第一选择的材料是选自以下项构成的组：
铍、金刚石、石墨、硅、氮化硼、碳化硅、蓝宝石和类金刚石碳；以及
第二材料是选自以下项构成的组：
铁、钴、镍、铜、镓、锌、钇、锆、钼、铌、钌、铑、钯、银、锡、铱、钽、钨、铟、铯、钡、金、铂、铅、及其组合和合金。
11.一种x射线计量系统，包括：
x射线源，其包括：
真空室；
用于电子束的发射器；和
电子靶，其包括：
包括第一材料的基底，和嵌入在所述基底中的
包括根据x射线产生性质选取的第二材料的至少多个离散结构，
并且其中所述多个离散结构被布置在子源的周期性图案内；
x射线分束光栅，其包括形成x射线相移光栅的周期性结构，所述x射线相移光栅定位成使x射线子源所产生的x射线衍射；
用于保持要检查物体的支架系统，其包括用以将支架相对于从x射线分束光栅衍射的x
射线进行移动的机构；
x射线检测器，其包括x射线检测元件的二维阵列，并定位成检测由于与安装在支架系
统中的物体的相互作用而引起的x射线。
12.如权利要求11所述的x射线计量系统，其中，
所述支架系统附加地包括用于定位支架的机构。
13.如权利要求11所述的x射线计量系统，其中，
x射线相移光栅包括用以对预定x射线波长引入大约π弧度相移的结构。
14.如权利要求11所述的x射线计量系统，其中，
x射线相移光栅包括用以对预定x射线波长引入大约π/2弧度相移的结构。
15.如权利要求11所述的x射线计量系统，其中，
x射线分束相移光栅包括x射线相移光栅，其中所述x射线相移光栅的周期p1按下式与用于所述x射线靶的离散结构中的至少一个的尺寸a相关：
其中，λ是预定x射线波长，
并且L是靶和x射线分束光栅之间的距离。
16.如权利要求15所述的x射线计量系统，其中，
x射线源产生的x射线与所述分束光栅相互作用以形成Talbot干涉图案。
17.如权利要求16所述的x射线计量系统，其中，
所述支架系统被设计成保持半导体晶片的至少一部分。
18.如权利要求16所述的x射线计量系统，其中，
所述支架系统被设计成保持集成电路的至少一部分。
19.如权利要求16所述的x射线计量系统，其中，
所述支架系统被设计成保持用于集成电路的封装部件的至少一部分。
20.如权利要求16所述的x射线计量系统，其中，
所述支架系统被设计成保持晶体样品。
21.如权利要求16所述的x射线计量系统，其中，
由于与安装在所述支架系统中的物体的相互作用而引起的所述x射线是透射的x射线。
22.如权利要求16所述的x射线计量系统，其中，
所述Talbot干涉图案具有传播方向；以及
由于与安装在所述支架系统中的物体的相互作用而引起的x射线是以从Talbot干涉图
案的传播方向小于或等于40毫弧度的角度散射的x射线。
23.如权利要求16所述的x射线计量系统，其中，
由于与安装在所述支架系统中的物体的相互作用而引起的x射线是荧光x射线。
24.如权利要求16所述的x射线计量系统，其中，
由于与安装在所述支架系统中的物体的相互作用而引起的x射线是衍射的x射线。
25.如权利要求16所述的x射线计量系统，其中，
由于与安装在所述支架系统中的物体的相互作用而引起的x射线是反射的x射线。
26.如权利要求16所述的x射线计量系统，其中，
所述Talbot干涉图案的对比度大于20％。
27.如权利要求16所述的x射线计量系统，其中，
所述x射线检测器产生与x射线的性质相关的电子信号；并且附加地包括：
用于记录由检测器产生的信息的装置。
28.如权利要求27所述的x射线计量系统，其中，
x射线检测器产生与x射线的性质相关的电子信号；并且附加地包括：
用于分析所记录信息的装置。
用于测量、表征和分析周期性结构的x射线方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请是2014年10月29日提交的题为“X-RAY INTERFEROMETRIC IMAGING SYSTEM”的美国专利申请14/527,523的部分继续申请并要求其优先权，该美国专利申请14/
527,523要求下述申请的权益：2013年10月31日提交的题为“X-ray Phase Contrast
imaging System”的美国临时专利申请号No.61/898,019、2013年11月7日提交的题为“An X-ray Source Consisting of an Array of Fine Sub-Sources”的美国临时专利申请号
61/901,361、和2014年4月17日提交的题为“Two Dimensional Phase Contrast Imaging
Apparatus”的美国临时专利申请号No.61/981,098，这些申请的全部内容通过引用并入本
文。本申请附加地要求下述申请的权益：2014年5月1日提交的题为“METHODS OF REDUCING SCATTER RADIATION USING TALBOT EFFECT”的美国临时专利申请号61/987,106、2014年5
月7日提交的题为“Methods of Improving Detector MTF and DQE and Reducing
Scatter Background of an X-ray Imaging System Using Coherence Effect”的美国临
时专利申请号61/989,743、和2014年5月12日提交的题为“Method of Single-Shot
Imaging to Obtain Absorption and Differential Phase，and/or Scattering，and/or Phase Contrast Images”的美国临时专利申请号61/991,889。本发明要求下述申请的优先权和权益：2014年5月15日提交的题为“Method of Talbot Effect Based X-ray Imaging with High Image Contrast and Design of Apparatus Using Such”的美国申请序列号
61/993,811、2014年5月15日提交的题为“Method of Talbot-Effect Based X-ray
Patterned Probe and Characterization(Metrology or Inspection)Apparatuses
Using Such”的美国申请序列号61/993,792(在此并入作为第67页的附录A)、和2015年5月
15日提交的题为“X-ray Method for for Measurement，Characterization，and Analysis of Periodic Structures”美国申请序列号14/712,917，所有这些申请的全部内容在此通
过引用并入本文并且申请人要求其权益。
527,523要求下述申请的权益：2013年10月31日提交的题为“X-ray Phase Contrast
imaging System”的美国临时专利申请号No.61/898,019、2013年11月7日提交的题为“An X-ray Source Consisting of an Array of Fine Sub-Sources”的美国临时专利申请号
61/901,361、和2014年4月17日提交的题为“Two Dimensional Phase Contrast Imaging
Apparatus”的美国临时专利申请号No.61/981,098，这些申请的全部内容通过引用并入本
文。本申请附加地要求下述申请的权益：2014年5月1日提交的题为“METHODS OF REDUCING SCATTER RADIATION USING TALBOT EFFECT”的美国临时专利申请号61/987,106、2014年5
月7日提交的题为“Methods of Improving Detector MTF and DQE and Reducing
Scatter Background of an X-ray Imaging System Using Coherence Effect”的美国临
时专利申请号61/989,743、和2014年5月12日提交的题为“Method of Single-Shot
Imaging to Obtain Absorption and Differential Phase，and/or Scattering，and/or Phase Contrast Images”的美国临时专利申请号61/991,889。本发明要求下述申请的优先权和权益：2014年5月15日提交的题为“Method of Talbot Effect Based X-ray Imaging with High Image Contrast and Design of Apparatus Using Such”的美国申请序列号
61/993,811、2014年5月15日提交的题为“Method of Talbot-Effect Based X-ray
Patterned Probe and Characterization(Metrology or Inspection)Apparatuses
Using Such”的美国申请序列号61/993,792(在此并入作为第67页的附录A)、和2015年5月
15日提交的题为“X-ray Method for for Measurement，Characterization，and Analysis of Periodic Structures”美国申请序列号14/712,917，所有这些申请的全部内容在此通
过引用并入本文并且申请人要求其权益。
技术领域
[0003] 在此公开的本发明的实施例涉及使用x射线的干涉系统，并且特别是用于观察周期性结构的干涉测量、表征和分析系统。该系统使用x射线的高亮度相干源，其继而可以使用包括嵌入在低原子序数材料的导热基底中的x射线产生材料的周期性微结构的靶或阳
极。
极。
背景技术
[0004] x射线由 在1895年当他在真空管中进行电子轰击靶试验时首次发现[W.C. “Eine Neue Art von Strahlen”(Wurzburg Verlag，1896)；“On a New
Kind of Rays，”Nature，Vol.53，pp.274-276(Jan.23 1896)]。在含钙(原子序数Z＝20)的骨骼和主要含碳(Z＝6)的软组织的吸收之间的对比十分明显，因为这两种体料在5和30keV
之间的x射线能量下的吸收差异相差10倍或更多，如图1所示。这些高能量的短波长光子现
在常规地用于医疗应用和诊断评估，以及用于安全筛检、工业检查、质量控制和故障分析，以及用于科学应用比如晶体学、断层摄影、x射线荧光分析等。
Kind of Rays，”Nature，Vol.53，pp.274-276(Jan.23 1896)]。在含钙(原子序数Z＝20)的骨骼和主要含碳(Z＝6)的软组织的吸收之间的对比十分明显，因为这两种体料在5和30keV
之间的x射线能量下的吸收差异相差10倍或更多，如图1所示。这些高能量的短波长光子现
在常规地用于医疗应用和诊断评估，以及用于安全筛检、工业检查、质量控制和故障分析，以及用于科学应用比如晶体学、断层摄影、x射线荧光分析等。
[0005] 尽管x射线阴影图已经成为标准的医学诊断工具，但是存在简单吸收对比成像的问题。值得注意的是，对于诸如乳腺x射线照相术等的测试，生物组织中的变化可能仅导致细微的x射线吸收图像对比度，使得难以明确检测肿瘤或异常组织。
[0006] 在过去十年中，基于x射线相位对比干涉测量法已经出现一种新型的x射线成像方法。该方法依赖于最初在1837年观察到的众所周知的Talbot干涉效应[H.F.Talbot，“Facts relating to optical science No.IV”，Philos.Mag.vol.9，pp.401-407，1836]，并由Lord Rayleigh于1881年详尽解释[Lord Rayleigh，“On copying diffraction gratings and
some phenomena connected therewith，”Philos.Mag.vol.11，pp.196-205(1881)]。
some phenomena connected therewith，”Philos.Mag.vol.11，pp.196-205(1881)]。
[0007] 该效应在图2中示出。对于周期为p的吸收光栅G，来自具有足够相干性的波长λ的单色射束的衍射图案形成重复的干涉图案，其按DT(称为Talbot距离)的倍数重建原始光栅
图案(被称为“自成像”)。对于入射射束是平面波(等效于位于离光栅G无穷远处的光源)的情况，DT由下式给出：
图案(被称为“自成像”)。对于入射射束是平面波(等效于位于离光栅G无穷远处的光源)的情况，DT由下式给出：
[0008]
[0009] 在光栅G与Talbot距离之间，也出现其它周期性干涉图案。Talbot条纹的周期性和位置取决于光栅G的透射特性，包括相移量和吸收百分比、以及光栅线对空间(开口)比或占空因数。例如，对于周期性吸收光栅，以半个光栅周期的横向移位而重建原始光栅图案的条纹图案发生在Talbot距离的一半(DT/2)处，并且周期为原始光栅周期的一半的条纹图案发
生在Talbot距离的四分之一(DT/4)处以及在Talbot距离的四分之三(3DT/4)处，如图2所示。
这些二维(2D)干涉图案有时被称为“Talbot毯”，因为这些复杂图案与华丽的东方地毯相
似。[注释：图2中的光学Talbot毯的图像选自Ben Goodman创建的文件并可获取自。]
生在Talbot距离的四分之一(DT/4)处以及在Talbot距离的四分之三(3DT/4)处，如图2所示。
这些二维(2D)干涉图案有时被称为“Talbot毯”，因为这些复杂图案与华丽的东方地毯相
似。[注释：图2中的光学Talbot毯的图像选自Ben Goodman创建的文件并可获取自
[0010] 图3和图4示出现有技术的Talbot干涉仪，包括x射线288的局部相干源200(示出为微聚焦源)和周期p1的分束光栅G1 210，其建立了一组Talbot干涉条纹图案289。应当注意的是，x射线源的相干长度优选设定为相当于或大于分束光栅G1 210的周期p1，使得Talbot干涉条纹将具有高的对比度(如果条纹对比度例如大于20％，则可以良好地定义Talbot条
纹)。分束光栅210可以是振幅(也称为吸收或透射)光栅，从而产生如图2所示的强度条纹，但更通常为相位光栅，用于有效地使用照射x射线，从而将周期性相移引入到也形成周期性Talbot条纹289的x射线图案。此后，在本申请中，透射光栅将被用来描述通过光栅线的x射线透射小于10％的光栅，并且相位光栅将被用来描述通过光栅线的相移为π的分数(例如1/
2)或奇整数倍的光栅。
纹)。分束光栅210可以是振幅(也称为吸收或透射)光栅，从而产生如图2所示的强度条纹，但更通常为相位光栅，用于有效地使用照射x射线，从而将周期性相移引入到也形成周期性Talbot条纹289的x射线图案。此后，在本申请中，透射光栅将被用来描述通过光栅线的x射线透射小于10％的光栅，并且相位光栅将被用来描述通过光栅线的相移为π的分数(例如1/
2)或奇整数倍的光栅。
[0011] 使用x射线检测器290检测Talbot条纹289，x射线检测器优选具有相等于或更佳于Talbot条纹周期的三分之一的空间分辨率和具有高的x射线量子检测效率。检测器290将x
射线强度图案转换为电子信号，该电子信号经由连接器291传送到图像处理系统295。当物
体被放置在射束路径中时，图像处理系统295用于处理x射线强度图案强度信息298，以获得吸收、相位和散射对比度图像。
射线强度图案转换为电子信号，该电子信号经由连接器291传送到图像处理系统295。当物
体被放置在射束路径中时，图像处理系统295用于处理x射线强度图案强度信息298，以获得吸收、相位和散射对比度图像。
[0012] 在实践中，检测器290(比如平板检测器、或耦合了闪烁器(其将x射线转换为可见光)的电荷耦合器件(CCD))的空间分辨率通常是几十微米或更大的量级，并且Talbot条纹
289可能太细以致不能直接用检测器290检测。在这种情况下，周期p2的分析光栅G2220经常被用来产生Moiré条纹。为记录一组完整的图像，所述分析光栅G2 220将被移动一段相对于所述检测器且正交于光栅周期的预定距离、以收集在被称为“相位步进”的过程中的多个干涉图案，或较不常见的是，被旋转相对于G1的一个小角度、以获得用于傅里叶分析的在单次图像中的Moiré图案。然后该图像被处理以重建波阵面并确定创建它们的物体的形状、结构和组成。
289可能太细以致不能直接用检测器290检测。在这种情况下，周期p2的分析光栅G2220经常被用来产生Moiré条纹。为记录一组完整的图像，所述分析光栅G2 220将被移动一段相对于所述检测器且正交于光栅周期的预定距离、以收集在被称为“相位步进”的过程中的多个干涉图案，或较不常见的是，被旋转相对于G1的一个小角度、以获得用于傅里叶分析的在单次图像中的Moiré图案。然后该图像被处理以重建波阵面并确定创建它们的物体的形状、结构和组成。
[0013] 还应当注意的是，代替物理移动分析光栅220，也可以移位x射线源的位置以创建干涉图像的平移，该平移允许相移信息的收集。这可以通过下述途径从而以电子方式得以
实现：移动电子束——其轰击用作x射线源的x射线产生材料——的位置[参见例如H.Miao
等人的“Motionless phase stepping in X-ray phase contrast imaging with a
compact source″，Proceedings of the National Academy of Sciences，vol.110(48)
pp.19268-19272，2013]或相对于分析光栅220的固定位置物理移动x射线源。
实现：移动电子束——其轰击用作x射线源的x射线产生材料——的位置[参见例如H.Miao
等人的“Motionless phase stepping in X-ray phase contrast imaging with a
compact source″，Proceedings of the National Academy of Sciences，vol.110(48)
pp.19268-19272，2013]或相对于分析光栅220的固定位置物理移动x射线源。
[0014] 这些基于光栅的x射线相位对比成像(XPCI)技术通常被称为“基于光栅的干涉测量法”(GBI)。
[0015] 如至此已说明的，光栅干涉仪仅仅产生干涉条纹，这些条纹的分析将揭示已知光栅G1 210的结构或照射射束的波阵面。然而，当物体被引入到x射线束的路径中时，由物体引入的波阵面的变化导致Talbot干涉条纹的图案的对应变化，通常称为Moiré条纹。然后可以使用干涉图像重建技术来分析波阵面并重建表示未知物体的结构的图像。
[0016] 在图5中，这样示出图3和图4的现有技术的Talbot干涉仪：被用作对于放置在源200与分束光栅G1 210之间的生物样品(在本例情况中为鼠240-M)的成像技术。来自相干光
源200的x射线288穿过鼠240-M和分束光栅G1 210，并创建一组受扰的Talbot条纹289-M。局部相移创建角偏差，该角偏差在由分析光栅G2 220和检测器290分析时转化为局部透射强
度的变化。针对分析光栅G2 220已经被移位多个预定位置的情形从x射线检测器290收集多
个图像，这允许干涉图案289-M的记录。
源200的x射线288穿过鼠240-M和分束光栅G1 210，并创建一组受扰的Talbot条纹289-M。局部相移创建角偏差，该角偏差在由分析光栅G2 220和检测器290分析时转化为局部透射强
度的变化。针对分析光栅G2 220已经被移位多个预定位置的情形从x射线检测器290收集多
个图像，这允许干涉图案289-M的记录。
[0017] 如前所述，检测器290将x射线强度图案转变成电子信号，该电子信号经由连接器291传送到用于产生带有吸收、差分相位、相位和散射对比度信息的一个或多个图像298-M
的图像处理系统295。图像的数字处理，包括由具有和不具有被调查物体的系统所收集的图像，可以被用于推断创建它们的物体(包括诸如鼠240-M的物体)的形状和结构。所记录的强度振荡可以由傅里叶级数表示，并且利用适当的图像处理算法，可以提取差分相移和吸收
信号，并且可以合成对应于由物体引起的x射线吸收、相位对比度和散射的图像。[参见例
如，A.Momose等人的“Demonstration of x-ray Talbot interferometry”，
Jpn.J.Appl.Phys.vol.42，pp.L866-L868，2003；A.Momose于2007年2月20日获颁的美国专利No.7,180,979；T.Weitkamp等人的“Hard X-ray phase imaging and tomography with a grating interferometer”，Proc.SPIE vol 5535，pp.137-142，2004，和“X-ray phase imaging with a grating interferometer”，Optics Express vol.13(16)，pp.6296-
6304，2005；以及C.Kottler和R.Kaufmann的美国专利7,924,973.]。
的图像处理系统295。图像的数字处理，包括由具有和不具有被调查物体的系统所收集的图像，可以被用于推断创建它们的物体(包括诸如鼠240-M的物体)的形状和结构。所记录的强度振荡可以由傅里叶级数表示，并且利用适当的图像处理算法，可以提取差分相移和吸收
信号，并且可以合成对应于由物体引起的x射线吸收、相位对比度和散射的图像。[参见例
如，A.Momose等人的“Demonstration of x-ray Talbot interferometry”，
Jpn.J.Appl.Phys.vol.42，pp.L866-L868，2003；A.Momose于2007年2月20日获颁的美国专利No.7,180,979；T.Weitkamp等人的“Hard X-ray phase imaging and tomography with a grating interferometer”，Proc.SPIE vol 5535，pp.137-142，2004，和“X-ray phase imaging with a grating interferometer”，Optics Express vol.13(16)，pp.6296-
6304，2005；以及C.Kottler和R.Kaufmann的美国专利7,924,973.]。
[0018] 应当注意的是，存在其它的配置，其中，物体诸如鼠240-M可放置在分束光栅G1 210-A和分析光栅G2 220与检测器290之间，如图6所示。使用各种相位和振幅光栅或使用具有较高分辨率像素的检测器290而没有分析光栅220的其它配置，也可为本领域技术人员所
知晓。
知晓。
[0019] 除了对鼠的解剖进行成像外，相位对比x射线成像的临床应用也可以在乳房x射线照相术中找到，其中癌组织的密度可能具有与健康组织不同的相位特性[参见例如J.
等人的“Phase contrast X-ray imaging of breast”，Acta Radiologica
vol.51(8)pp.866-884，2010]，或用于骨骼疾病比如骨质疏松症或骨关节炎，其中骨结构的角度取向可以是骨骼疾病的早期指示物[参见例如P.Coan等人的“In vivo x-ray phase
contrast analyzer-based imaging for longitudinal osteoarthritis studies in
guinea pigs”，Phys.Med.Biol.vol.55(24)，pp.7649-62，2010]。
等人的“Phase contrast X-ray imaging of breast”，Acta Radiologica
vol.51(8)pp.866-884，2010]，或用于骨骼疾病比如骨质疏松症或骨关节炎，其中骨结构的角度取向可以是骨骼疾病的早期指示物[参见例如P.Coan等人的“In vivo x-ray phase
contrast analyzer-based imaging for longitudinal osteoarthritis studies in
guinea pigs”，Phys.Med.Biol.vol.55(24)，pp.7649-62，2010]。
[0020] 然而，对于迄今描述的现有技术配置，x射线功率是一个问题。具有全宽半最大直径S的x射线源由下式给出：
[0021]
[0022] 其中p1是分束光栅G1 210的周期并且L是在源200和分束光栅G1 210之间的距离，该x射线源是产生高对比度条纹和Moiré图案的技术所需要的。对于实际应用和系统几何形
状，这意味着微聚焦源。然而，靶的电子轰击也导致加热，并且可实现的x射线功率受到可落在微点上而不熔化x射线产生材料的最大总电子功率限制。受限的电子功率意味着受限的x
射线功率，并且当用于例如乳房x线照相术或涉及活体患者或动物的其它诊断测试时，通常的x射线靶可实现的低x射线通量可能导致不可接受的长暴露时间。总的x射线通量可以通
过在较大面积上分布较高的电子功率来增加，但是此后源变得较少相干，从而降低了图像
对比度。
状，这意味着微聚焦源。然而，靶的电子轰击也导致加热，并且可实现的x射线功率受到可落在微点上而不熔化x射线产生材料的最大总电子功率限制。受限的电子功率意味着受限的x
射线功率，并且当用于例如乳房x线照相术或涉及活体患者或动物的其它诊断测试时，通常的x射线靶可实现的低x射线通量可能导致不可接受的长暴露时间。总的x射线通量可以通
过在较大面积上分布较高的电子功率来增加，但是此后源变得较少相干，从而降低了图像
对比度。
[0024] 已展示来实现更大x射线功率的一个创新采用附加光栅G0[参见例如，John F.Clauser于1998年9月22日颁布的美国专利5,812,629]，这样的系统在图7中示出。在该结构中，具有周期p0的源光栅G0308——其通常为x射线透射光栅——被用在x射线源300的前
方。在这种情况下，x射线源可以是具有大的入射电子束区域的高功率扩展源(而不是微聚
焦源)，其产生更高的x射线总通量。
方。在这种情况下，x射线源可以是具有大的入射电子束区域的高功率扩展源(而不是微聚
焦源)，其产生更高的x射线总通量。
[0025] x射线388穿过光栅G0308并且从光栅孔口出来，作为用于分束光栅G1的照射的单独空间相干(类似于以上描述的微聚焦源)但互不相干的子源阵列。为了确保G0中每个x射线
子源建设性地有助于图象形成过程，安装的几何结构应满足下述条件：
子源建设性地有助于图象形成过程，安装的几何结构应满足下述条件：
[0026]
[0027] 当条件满足时，来自G0的许多孔口的x射线产生相同的(重叠的)Talbot干涉图案，并且由于该各种互不相干源互不干扰，这些Talbot图案将作为强度添加。因此，在检测器
290处的效果是简单地增加单个相干源可以提供的信号(以及信噪比)。
290处的效果是简单地增加单个相干源可以提供的信号(以及信噪比)。
[0028] 这种配置被称为Talbot-Lau干涉仪[参见Franz Pfeiffer等人的“Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with low-brilliance X-ray
sources”，Nature Physics vol.2，pp.258-261，2006；并且也在Christian David、Franz Pfeiffer和Timm Weitkamp于2011年2月15日颁布的美国专利7,889,838中描述]。
sources”，Nature Physics vol.2，pp.258-261，2006；并且也在Christian David、Franz Pfeiffer和Timm Weitkamp于2011年2月15日颁布的美国专利7,889,838中描述]。
[0029] 图8示出物体(IC或硅晶片)中的周期性结构的示例，其可以使用本文公开的本发明的方法检查。此图(Victor Vartanian等人发表的“Metrology needs for through-
silicon via fabrication”J.Micro/Nanolith.MEMS MOEMS 13(1)，011206(Jan-Mar
2014)中图6)示出遍及硅通孔(TSV)的铜的横截面，这些硅通孔已经在TSV的中心用空洞制
成。
silicon via fabrication”J.Micro/Nanolith.MEMS MOEMS 13(1)，011206(Jan-Mar
2014)中图6)示出遍及硅通孔(TSV)的铜的横截面，这些硅通孔已经在TSV的中心用空洞制
成。
[0031] 对于源光栅G0的要求是，创建精细的单独良好分离的x射线子源，以将由于通过孔口限定结构的不希望的x射线的透射造成的图像对比度的降低最小化。然而，对于1∶1的线空比(line-to-space ratio)光栅，简单的x射线阴影指示通过光栅的x射线透射被限制为
小于50％，并且当包括角度阴影(限制来自源的x射线到达物体的角度范围)时进一步减小。
此外，对于减少对物体的辐射剂量(对临床前期和临床成像应用而言很重要)的G0，最佳线
空比更接近3∶1而不是1∶1。在这种情况下，来自源的x射线的约75％仅由于区域阴影而被阻挡，并且当使用具有大纵横比的光栅时，由于角度阴影而产生更大的损失。
小于50％，并且当包括角度阴影(限制来自源的x射线到达物体的角度范围)时进一步减小。
此外，对于减少对物体的辐射剂量(对临床前期和临床成像应用而言很重要)的G0，最佳线
空比更接近3∶1而不是1∶1。在这种情况下，来自源的x射线的约75％仅由于区域阴影而被阻挡，并且当使用具有大纵横比的光栅时，由于角度阴影而产生更大的损失。
[0032] 对于分析光栅G2的要求是，要能以足够分辨率对Talbot干涉条纹采样，而不损失对比度。其结果是，G0和G2光栅都必须既具有小的孔口、而且具有足以将不希望的x射线透射最小化的厚度，这限制了来自源的x射线的有效利用。此外，来自分析光栅G2的损失还导致：
由于对相位步进多次暴露和导致较低信噪比的x射线的吸收，对所研究物体为产生具有良
好特性的图像，而造成显著较高剂量(相对于无G2光栅的相同系统)。当所研究物体是活体
动物或人时，电离辐射的较高剂量是不期望的，并且通常是不鼓励的。
由于对相位步进多次暴露和导致较低信噪比的x射线的吸收，对所研究物体为产生具有良
好特性的图像，而造成显著较高剂量(相对于无G2光栅的相同系统)。当所研究物体是活体
动物或人时，电离辐射的较高剂量是不期望的，并且通常是不鼓励的。
[0033] 如果光栅G0的孔口尺寸较大，角度准直可被减少(虽然不是区域遮蔽)，使得x射线透射不严重降低，但是这降低了来自孔口的x射线束下游的空间相干长度，并导致图像对比度的降低。较小的孔口可以通过提高空间相干性增加可能的图像对比度和分辨率，但会降
低系统中的x射线的总数量，因此需要较长的暴露时间。此外，使用较小的孔口，这些精细光栅变得更难以制造。
低系统中的x射线的总数量，因此需要较长的暴露时间。此外，使用较小的孔口，这些精细光栅变得更难以制造。
[0034] 该问题在试图使用用于较高能量x射线的Talbot-Lau干涉仪时恶化，该Talbot-Lau干涉仪通常被期望来获得通过物体的足够透射并减少配给量。通常，如图1所示，对于能量大于5keV的x射线，生物组织的x射线吸收远远较低，并且使用较高能量x射线将多数量级地减少潜在的有害电离辐射的吸收剂量。然而，5keV光子具有0.248nm的波长，并且50keV光子具有小10倍(0.0248nm)的波长。此外，建立用于这些较高能量较短波长x射线的吸收光栅如G0和G2可能存在困难，因为光栅的厚度必须指数级地增加以对于较高能量x射线(x射线衰减长度近似与Ekev3成比例)保持相同的吸收因子。
[0035] 如果希望产生在两个正交方向上的相位对比图像，使用线性光栅(其可用于仅在一个维度收集干扰数据)的Talbot-LauGBIs的前述问题变得更加严重。这通常需要使图像
重建健全且图像更易于理解，并且因为在一维(1D)情况下平行于光栅线的特征通常测量不
太准确。一个简单的方法是在两个正交方向上执行XPCI，然后紧接地正确地配准两个数据
集。除了与成像和配准过程相关的挑战之外，这种方法可能是不实用的，特别是当用于可能移动或只是变得不耐烦的活体受试物、以及在如果必须进行两个方向上的相位步进的情况
下将遭受增加的(加倍的)剂量的活体受试物。同时的二维的XPCI将是合乎需要的，特别是
如果在单次暴露(照射)和高x射线能量下的数据收集可能减少暴露时间和吸收剂量。
重建健全且图像更易于理解，并且因为在一维(1D)情况下平行于光栅线的特征通常测量不
太准确。一个简单的方法是在两个正交方向上执行XPCI，然后紧接地正确地配准两个数据
集。除了与成像和配准过程相关的挑战之外，这种方法可能是不实用的，特别是当用于可能移动或只是变得不耐烦的活体受试物、以及在如果必须进行两个方向上的相位步进的情况
下将遭受增加的(加倍的)剂量的活体受试物。同时的二维的XPCI将是合乎需要的，特别是
如果在单次暴露(照射)和高x射线能量下的数据收集可能减少暴露时间和吸收剂量。
[0036] 因此，需要一种x射线干涉成像系统，其提供Talbot-Lau干涉仪的分辨率和探测能力、但采用更亮的紧凑x射线源、并且理想情况下采用更亮的高能量x射线源，特别是可以提供同时的二维相位对比成像。
发明内容
[0037] 本文公开了用于测量、表征和分析包含周期性结构的物体的x射线干涉方法。x射线照射的周期性空间图案被用来收集关于周期性物体的信息。可以使用相干的或部分相干
的x射线源与分束光栅的相互作用来创建具有周期性结构的Talbot干涉图案，以创建结构
化照射。然后将要测量的具有周期性结构的物体放置到该结构化照射中并且与该结构化照
射对准，并且分析来自多个照射点的信号的集合以确定物体及其结构的各种性质。对于x射线吸收/透射、小角度x射线散射、x射线荧光、x射线反射和x射线衍射的应用都可以使用本发明的方法。
的x射线源与分束光栅的相互作用来创建具有周期性结构的Talbot干涉图案，以创建结构
化照射。然后将要测量的具有周期性结构的物体放置到该结构化照射中并且与该结构化照
射对准，并且分析来自多个照射点的信号的集合以确定物体及其结构的各种性质。对于x射线吸收/透射、小角度x射线散射、x射线荧光、x射线反射和x射线衍射的应用都可以使用本发明的方法。
[0038] 虽然实施例可利用许多不同的x射线源来实现，一个实施例可以采用阵列源，其中所述x射线源包括具有布置在周期性阵列图案中以形成x射线的周期性子源的多个微结构
化x射线产生材料的靶。该系统附加地包括：创建Talbot干涉图案的分束光栅G1，和将二维x射线强度转换成电子信号的x射线检测器。
化x射线产生材料的靶。该系统附加地包括：创建Talbot干涉图案的分束光栅G1，和将二维x射线强度转换成电子信号的x射线检测器。
[0039] 使用呈Talbot干涉图案形式的结构化照射来照射周期性物体，这可以通过使用分束光栅G1来进行，分束光栅G1被设计来按与要检查物体中的周期性特征相同的间距和特征
尺寸来产生干涉图案。不同光栅G1可以与不同的物体一起使用。光栅G1可以制造成光刻产生的硅中微结构，并且可以包括一维结构、二维结构或它们的组合。
尺寸来产生干涉图案。不同光栅G1可以与不同的物体一起使用。光栅G1可以制造成光刻产生的硅中微结构，并且可以包括一维结构、二维结构或它们的组合。
[0040] 在一些实施例中，x射线源靶包括：与低原子序数材料(诸如金刚石或铍)的导热基底紧密热接触的x射线产生材料(如钼或钨)的多个微结构。x射线产生微结构可以呈周期性
图案布置，图案的每个周期性元素对应于单个离散微结构，或者可选地，图案的每个周期性元素包括多个离散微结构。一个或多个电子源轰击通常布置在周期性阵列内的多个x射线
产生材料，使得从每个周期性阵列元件产生的x射线用作用于分束光栅G1的照射的单独相
干的x射线子源。在一些实施例中，微结构具有在微米量级上测量的侧向尺寸，并且具有在基底材料内的电子穿透深度的一半量级的厚度。在一些实施例中，微结构形成呈规则的二
维阵列。
图案布置，图案的每个周期性元素对应于单个离散微结构，或者可选地，图案的每个周期性元素包括多个离散微结构。一个或多个电子源轰击通常布置在周期性阵列内的多个x射线
产生材料，使得从每个周期性阵列元件产生的x射线用作用于分束光栅G1的照射的单独相
干的x射线子源。在一些实施例中，微结构具有在微米量级上测量的侧向尺寸，并且具有在基底材料内的电子穿透深度的一半量级的厚度。在一些实施例中，微结构形成呈规则的二
维阵列。
[0041] 本发明的一个特别的优点是：通过使用x射线靶可以实现x射线高亮度和大功率，其中高Z物质的微结构紧密热接触于或嵌入于具有低Z材料和高热导率(例如铍或金刚石)
的基底中。基底从x射线产生材料吸走热量的能力，允许使用较高的电子密度和功率，从而从每个子源产生更大的x射线亮度和功率。这导致从高Z材料产生单独良好分离的空间相干
的x射线子源，而使用具有低Z和低质量密度的基底使得来自基底的x射线的产生(其导致图
像对比度降低)最小化。
附图说明
的基底中。基底从x射线产生材料吸走热量的能力，允许使用较高的电子密度和功率，从而从每个子源产生更大的x射线亮度和功率。这导致从高Z材料产生单独良好分离的空间相干
的x射线子源，而使用具有低Z和低质量密度的基底使得来自基底的x射线的产生(其导致图
像对比度降低)最小化。
附图说明
[0042] 图1示出碳和钙的x射线吸收作为x射线能量的函数的曲线图。
[0043] 图2示出通过透射光栅产生的现有技术的Talbot干涉图案。
[0044] 图3示出使用微聚焦源的现有技术的x射线光栅干涉系统。
[0045] 图4示出图3的现有技术的x射线光栅干涉系统的横截面图。
[0046] 图5示出用来形成鼠的x射线造影图像的图3的现有技术的x射线光栅干涉系统。
[0047] 图6示出用来形成鼠的x射线造影图像的图3的现有技术的x射线光栅干涉系统的变型。
[0048] 图7示出用来形成鼠的x射线造影图像的现有技术的Talbot-Lau干涉仪。
[0050] 图9示出根据本发明的x射线干涉成像系统的一个实施例的示意性横截面图。
[0051] 图10示出本发明的一个实施例的示意性横截面图。
[0052] 图11示出图10所示的本发明的实施例的透视图，其中x射线靶包括x射线产生微结构的二维周期性阵列。
[0053] 图12示出图10和图11所示的本发明的实施例的详细的示意性横截面图。
[0054] 图13示出本发明的一个实施例的透视图，其中x射线靶包括呈平行线形式的x射线产生微结构。
[0055] 图14示出本发明的一个实施例的透视图，其中物体(鼠)置于光栅G1和G2之间。
[0056] 图15示出本发明的一个实施例的详细的示意性横截面图，其中使用高分辨率检测器而没有分析光栅。
[0057] 图16示出本发明的一个实施例的透视图，其中物体(鼠)置于光栅G1和检测器之间，并且光栅G1包括二维相位结构。
[0058] 图17示出在本发明的一些实施例中使用的用于分束光栅的“网格状”二维图案。
[0059] 图18示出在本发明的一些实施例中使用的用于分束光栅的“棋盘状”二维图案。
[0060] 图19示出本发明的一个实施例的透视图，其中物体(鼠)被放置在源和光栅G1之间，并且光栅G1包括二维相位结构。
[0061] 图20示出本发明的一个实施例的示意性横截面图，其中靶被安装在真空室内。
[0062] 图21示出图20所示的本发明的实施例的详细的示意性横截面图。
[0063] 图22示出本发明的一个实施例的示意性横截面图，其中靶被安装在真空室内并且x射线是使用线性累加产生。
[0064] 图23示出图22所示的本发明的实施例的详细的示意性横截面图。
[0065] 图24示出本发明的一个实施例的示意性横截面图，其中两个电子束从两侧轰击靶。
[0066] 图25示出图24所示的本发明的实施例的详细的示意性横截面图。
[0067] 图26示出在本发明的一些实施例中可以使用的靶的透视图，该靶包括在较大基底上的嵌入式矩形靶微结构格栅。
[0068] 图27示出在本发明的一些实施例中可以使用的靶的变型的透视图，该靶包括用于与聚焦电子束一起使用的、在较大基底上的嵌入式矩形靶微结构格栅。
[0069] 图28A示出如本发明的一些实施例中使用的靶的透视图，该靶包括嵌入式矩形靶微结构格栅。
[0070] 图28B示出图28A的靶的顶视图。
[0071] 图28C示出图28A和图28B的靶的侧视/横截面图。
[0072] 图29A示出如本发明的一些实施例中使用的靶的透视图，该靶包括形成周期性线性图案的一组嵌入式矩形靶微结构。
[0073] 图29B示出图29A的靶的顶视图
[0074] 图29C示出图29A和图29B的靶的侧视/横截面图。
[0075] 图30示出对于图28A-C所示的靶在靶结构上的变型，其可以由工艺变化产生。
[0076] 图31示出对于图29A-C所示的靶在靶结构上的变型，其可以由工艺变化产生。图32示出图28A-C和/或图29A-C的靶的一部分的横截面图，显示根据本发明在电子束暴露下热
转印到导热基底。图33示出图28A-C、图29A-C和/或图32的靶的变型的横截面图，其包括根据本发明的具有热量冷却通道的基底。图34示出图28A-C和/或图29A-C的靶的另一变型的
横截面图，其包括根据本发明的粘合层。
转印到导热基底。图33示出图28A-C、图29A-C和/或图32的靶的变型的横截面图，其包括根据本发明的具有热量冷却通道的基底。图34示出图28A-C和/或图29A-C的靶的另一变型的
横截面图，其包括根据本发明的粘合层。
[0078] 图36示出图28A-C和/或图29A-C的靶的另一变型的横截面图，其包括根据本发明的埋入式x射线材料。
[0079] 图37示出图28A-C和/或图29A-C的靶的另一变型的横截面图，其包括根据本发明的埋入式x射线材料和厚的导热导电覆盖层。
[0080] 图38示出图28A-C和/或图29A-C的靶的另一变型的横截面图，其包括在基底的背表面上的附加阻挡结构，以阻挡由基底产生的x射线的透射。
[0081] 图39示出金和硅的x射线吸收作为x射线能量的函数的曲线图。
[0082] 图40A示出对于1∶1π/2相移光栅的Talbot干涉条纹图案的示例。
[0083] 图40B示出对于1∶1π相移光栅的Talbot干涉条纹图案的示例。
[0084] 图40C示出对于1∶3π相移光栅的Talbot干涉条纹图案的示例。
[0085] 图41示出根据本发明使用结构化照射来照射物体的周期性结构的步骤。
[0086] 图42示出根据本发明、包含周期性结构的物体置于Talbot干涉图案中的放置的横截面。
[0087] 图43示出可用于图2的Talbot图案的较小周期。
[0088] 图44示出根据本发明的系统的横截面的示意图，其中包括周期性结构的物体被放置到Talbot干涉图案中。
[0089] 图45示意地示出在产生小角度x射线散射的Talbot干涉图案中的物体。
[0090] 图46示出根据本发明的系统的横截面的示意图，其中在Talbot干涉图案中的物体产生小角度x射线散射。
[0091] 图47示出根据本发明的系统的横截面的示意图，其中在Talbot干涉图案中的物体在掠入射处产生x射线荧光。
[0092] 图48示出根据本发明的系统的横截面的示意图，其中在Talbot干涉图案中的物体产生x射线衍射。
[0093] 图49示出根据本发明的一些实施例的x射线相位光栅的可能结构。
[0094] 图50示出根据本发明的一些实施例的x射线吸收光栅的可能结构。
[0095] 注释：在本申请中所公开的附图的图示通常不按比例示出，并且仅是为了说明本发明的原理及其功能、以及靶上的微结构之间的不特定关系和各种光栅周期p1，p2.p3，p4，p5，p6。请参阅说明书文本中对这些物体的尺寸的特定细节的描述。
具体实施方式
[0096] 本发明的各种实施例的描述。
[0097] 本文公开的本发明的一个实施例是如图9所示的x射线相位对比成像(XPCI)系统。该系统与现有技术Talbot-Lau干涉仪有一些相似在于，它包括：建立Talbot干涉图案的周
期p1的分束光栅G1 210、和通常包括传感器阵列以将二维x射线强度转换成电子信号的x射
线检测器290。
期p1的分束光栅G1 210、和通常包括传感器阵列以将二维x射线强度转换成电子信号的x射
线检测器290。
[0098] 该分束光栅G1 210可以是相位光栅或透射光栅，并且可以包括一维周期图案(线性光栅)，或者可以包括更复杂的二维结构诸如在两个正交方向周期性的格栅。
[0099] 该系统也可以包括周期p2的分析光栅G2220，其可被放置在检测器的前方以形成附加的干涉条纹，如Moiré条纹。该系统可以附加地包括：用来相对于检测器平移分析光栅G2
220的装置225、和将对应于所检测到的x射线强度的电子信号传送到图像处理系统295进行
处理的连接器291。
220的装置225、和将对应于所检测到的x射线强度的电子信号传送到图像处理系统295进行
处理的连接器291。
[0100] 然而，代替使用扩展x射线源和附加光栅G0来产生多个x射线源点，如在Talbot-Lau系统中所做的，本发明的实施例使用从电子束轰击产生x射线188的包括布置呈周期性
阵列的多个x射线产生子源108的x射线源，使得每个子源是单独相干的、但一起作用为用于分束光栅G1的照射的一组互不相干的或部分相干的子源。如利用Talbot-Lau干涉仪的源光
栅和扩展x射线源的组合，这些子源108形成由分束光栅G1 210创建的、受物体240-M干扰
的、并且可被检测器290记录的Talbot干涉条纹图案。如果检测器290的空间分辨率具有等
于或更佳于Talbot条纹周期的三分之一的空间分辨率，检测器可以直接记录条纹。如果使
用较低分辨率的检测器，也可用分析光栅G2 220来创建Moiré条纹，如对于Talbot-Lau干涉仪已描述的。
阵列的多个x射线产生子源108的x射线源，使得每个子源是单独相干的、但一起作用为用于分束光栅G1的照射的一组互不相干的或部分相干的子源。如利用Talbot-Lau干涉仪的源光
栅和扩展x射线源的组合，这些子源108形成由分束光栅G1 210创建的、受物体240-M干扰
的、并且可被检测器290记录的Talbot干涉条纹图案。如果检测器290的空间分辨率具有等
于或更佳于Talbot条纹周期的三分之一的空间分辨率，检测器可以直接记录条纹。如果使
用较低分辨率的检测器，也可用分析光栅G2 220来创建Moiré条纹，如对于Talbot-Lau干涉仪已描述的。
[0101] 该多个离散的x射线子源可以比Talbot-Lau系统的x射线源亮得多。因为该源包括自相干的也可能互不相干的子源，没有必要为衰减透射光栅G0创建来自扩展x射线源的子
源阵列。
源阵列。
[0103] 图10、图11和图12示出本发明的一个实施例的更详细的图示，其中使用嵌入在热传导基底中的x射线产生材料的微结构形成子源阵列。在本实施例中，x射线源008照射物体
240-M和分束光栅G1 210，并且它们形成的干涉图案由检测器290检测。
240-M和分束光栅G1 210，并且它们形成的干涉图案由检测器290检测。
[0104] 对于x射线源008，高电压电源010将电子经由引线021提供到真空室002中的电子发射器011，该真空室002由支撑件003保持于屏蔽壳体005。电子发射器011朝向靶100发射
电子111。靶100包括基底1000和一区域，该区域包括：包括定位在或嵌入或埋入在基底(通常是低Z材料，比如铍、金刚石、碳化硅)中的x射线产生材料(通常是高Z金属材料，比如铜、钼或钨)的离散微结构700的周期性阵列。该离散微结构700可以是任何数量的尺寸或形状，但一般设计成具有至少一个维度上微米尺寸量级的侧向尺寸的直四棱柱的周期性阵列，使
得来自每个微结构的发射充当具有相当于或大于分束光栅G1210处的光栅周期p1的空间相
干长度的x射线子源。此外，微结构优选具有(如通常正交于靶表面测量的)基底材料内的电子穿透深度的一半的量级的厚度。
电子111。靶100包括基底1000和一区域，该区域包括：包括定位在或嵌入或埋入在基底(通常是低Z材料，比如铍、金刚石、碳化硅)中的x射线产生材料(通常是高Z金属材料，比如铜、钼或钨)的离散微结构700的周期性阵列。该离散微结构700可以是任何数量的尺寸或形状，但一般设计成具有至少一个维度上微米尺寸量级的侧向尺寸的直四棱柱的周期性阵列，使
得来自每个微结构的发射充当具有相当于或大于分束光栅G1210处的光栅周期p1的空间相
干长度的x射线子源。此外，微结构优选具有(如通常正交于靶表面测量的)基底材料内的电子穿透深度的一半的量级的厚度。
[0105] 形成x射线子源的微结构700的周期p0按下式与系统中的其它几何参数相关：
[0106]
[0107] 其中，L是从x射线子源700到光栅G1 210的距离，D是从光栅G1到具有周期p2的检测器/分析光栅G2 220的距离。在一些实施例中，D将被设定为具有高对比度(可见性)的干涉条纹的Talbot距离的分数之一，由下式定义：
[0108]
[0109] 其中Imax和Imin分别是物体不在射束路径中时Talbot干涉条纹的强度峰值和谷值。
[0110] 对于具有π相移的分束光栅的平面波照射(即相当于位于无穷远处的x射线源)，该距离D优选由下式给出：
[0111]
[0112] 其中，DN是对于平面波照射的Talbot距离的分数，λ是平均x射线波长，并且N被称作Talbot分数阶。D的优选值取决于分束光栅G1的衰减或相移特性、分束光栅G1的线空比、以及源到光栅的距离L。对于具有1∶1线空比的π相移光栅，奇整数Talbot分数阶N(N＝1，3，5...)优选用于确定所述距离D。对于位于有限距离处的x射线源(例如L不是无穷大)，D增加至：
[0113]
[0114] Talbot条纹周期pf对于给定的分数阶由下式给出：
[0115]
[0116] 其中，K是取决于分束光栅G1的衰减或相移特性的参数。当分束光栅是π相移光栅时K等于1/2，并且当分束光栅是π/2相移光栅时K等于1。
[0117] 同样，Talbot条纹对比度在如果使用较小的x射线子源尺寸(即更多空间相干的x射线)的情况下得到改善，其中用于分束光栅G1的节距p1与子源a的大小和它们之间的距离L相关，满足以下要求：
[0118]
[0119] 其中，λ是预定的x射线波长，其通常将对应于由相应的子源产生的单色x射线的波长、或具有更广光谱的x射线子源的平均x射线波长。
[0120] 在真空室002中，电子111轰击靶，并且在微结构700中产生热和x射线888。通常通过为基底选择低Z材料，从而基底1000中的材料被选择成使得其相比于x射线产生材料的微
结构具有对于电子的相对低的能量沉积速率，并因此不会产生显著量的热和x射线。基底
1000材料也可以被选择为具有高导热性，通常大于100W/(m℃)。x射线产生材料的微结构通常还嵌入在基底内，即，如果微结构被成形为矩形棱柱，优选是六个侧面中的至少五个侧面与基底1000紧密热接触，从而使得在微结构700中产生的热被有效地传导离开到基底1000
中。然而，在其它实施例中使用的靶可能具有较少的直接接触表面。在一般情况下，当“嵌入”一词在本公开中使用时，微结构的表面面积的至少一半将处于与基底紧密热接触。
结构具有对于电子的相对低的能量沉积速率，并因此不会产生显著量的热和x射线。基底
1000材料也可以被选择为具有高导热性，通常大于100W/(m℃)。x射线产生材料的微结构通常还嵌入在基底内，即，如果微结构被成形为矩形棱柱，优选是六个侧面中的至少五个侧面与基底1000紧密热接触，从而使得在微结构700中产生的热被有效地传导离开到基底1000
中。然而，在其它实施例中使用的靶可能具有较少的直接接触表面。在一般情况下，当“嵌入”一词在本公开中使用时，微结构的表面面积的至少一半将处于与基底紧密热接触。
[0121] 微结构通常将引线022电连接到高电压源010的正端，以允许靶作为在电气系统中的阳极。或者，靶可以接地而阴极(电子发射器)是负电荷的，或者靶可以被连接到正端而阴极接地，只要阳极具有比阴极相对更高的电压。另外，在一些实施例中，电子光学比如静电透镜或磁场线圈可以被放置在真空室002的内部或外部在电子111的路径附近或周围、以进
一步引导和聚焦电子束。
一步引导和聚焦电子束。
[0122] 如所示的靶100可以附加地充当真空室002中的窗口，使得x射线产生材料面向真空室的内部和电子源，但x射线888也通过靶100的背侧朝向分束光栅G1210传播。在其它实
施例中，使用单独的窗口，并且也可以使用附加的x射线过滤器。
施例中，使用单独的窗口，并且也可以使用附加的x射线过滤器。
[0123] x射线888一旦由源008产生，可穿过可选的快门230、用以获得具有期望波长的期望光谱带宽的x射线光谱滤波器、和要研究的物体240-M。x射线然后从分束光栅G1 210(其
可以附加地安装在基底211上)衍射出来，然后落在分析光栅G2 220上(其也可以被安装在
基底221上)。最终的干涉图案将由阵列检测器290检测，阵列检测器290将对应于x射线强度的电信号经由连接器291提供到图像处理系统295用于分析。
可以附加地安装在基底211上)衍射出来，然后落在分析光栅G2 220上(其也可以被安装在
基底221上)。最终的干涉图案将由阵列检测器290检测，阵列检测器290将对应于x射线强度的电信号经由连接器291提供到图像处理系统295用于分析。
[0124] 除了x射线源和干扰检测系统之外，还可使用用来将物体240-M和各种光栅相对于彼此、相对于检测器、相对于源进行移动的装置。在图10中，图像处理系统295还可以经由网络231连接到控制置物台244(其设定物体240-M的位置和角度)的装置245、连接到控制支架
214(其设定分束光栅G1 210的位置和角度)的装置215、连接到控制支架224(其设定分析光
栅G2220的位置和角度)的装置225、以及可能连接到快门230或对于高电压电源010的开关
013以允许x射线被移动和调制(比如被打开和关闭)。图像处理系统295中的处理器所运行
的软件可以控制光栅G1 210、G2 220、物体240-M的运动、以及x射线暴露以允许收集为获得物体240-M的详细的振幅、差分相位、相位对比度、和散射对比度图像所需的多个图像。
214(其设定分束光栅G1 210的位置和角度)的装置215、连接到控制支架224(其设定分析光
栅G2220的位置和角度)的装置225、以及可能连接到快门230或对于高电压电源010的开关
013以允许x射线被移动和调制(比如被打开和关闭)。图像处理系统295中的处理器所运行
的软件可以控制光栅G1 210、G2 220、物体240-M的运动、以及x射线暴露以允许收集为获得物体240-M的详细的振幅、差分相位、相位对比度、和散射对比度图像所需的多个图像。
[0125] 另外的实施例还可以包括允许电子束被移动或调制的控制件。例如，实施例可被设计成附加地包括将x射线源阳极相对于分析光栅G2进行平移的装置。也可以设计其它的
实施例，其允许调整x射线检测器290的位置和角度。
实施例，其允许调整x射线检测器290的位置和角度。
[0126] 图13示出本发明的一个实施例，其中靶100包括基底1000和多个微结构化的线源701。这些微结构化线子源701通常是在一个方向上几微米宽(对应于子源尺寸参数a，一般
在正交于光栅G1 210和G2 220的线的方向——其对应于图13的y方向)，但是在平行于线的
方向(其对应于图13中的x方向)上长得多(例如长达1000微米或若干毫米)。作为子源的微
结构701的节距如图13所示为p0，并且按方程式4与分析器/检测器的节距相关。
在正交于光栅G1 210和G2 220的线的方向——其对应于图13的y方向)，但是在平行于线的
方向(其对应于图13中的x方向)上长得多(例如长达1000微米或若干毫米)。作为子源的微
结构701的节距如图13所示为p0，并且按方程式4与分析器/检测器的节距相关。
[0127] 图14示出本发明的一个实施例，其中要检查的物体240-M被放置在光栅G1 210和检测器290之间。如图14所示的靶上的x射线产生材料的微结构700包括在两个正交方向上
布置呈二维周期性阵列的子源，但也可以是满足分束光栅G1 210的相干照射条件的任何周
期性阵列，包括格栅状、网状、棋盘状、或其它的周期性结构。
布置呈二维周期性阵列的子源，但也可以是满足分束光栅G1 210的相干照射条件的任何周
期性阵列，包括格栅状、网状、棋盘状、或其它的周期性结构。
[0128] 如果光栅包括一维结构，在源靶100中的微结构700仅需要在与G1 210和G2 220的一维阵列相同的方向上呈周期性(即微结构701的线理想地平行于光栅的线)，但可在垂直
方向上具有任意的或非周期性的结构。
方向上具有任意的或非周期性的结构。
[0129] 图15附加地示出本发明的一个实施例，其中没有分析光栅G2 220，而是检测器299具有：拥有在正交于光栅线的方向上等于或更佳于Talbot条纹周期的三分之一(1/3)的像
素分辨率的高分辨率阵列GD。利用此分辨率，单个暴露图像可被处理以同时获得吸收、相位和散射对比度图像。这可以有利于：对于通过G2 220的x射线通常发生的50％或更多的强度损失得以避免，并且到达检测器的信号以及信噪比相当高。
素分辨率的高分辨率阵列GD。利用此分辨率，单个暴露图像可被处理以同时获得吸收、相位和散射对比度图像。这可以有利于：对于通过G2 220的x射线通常发生的50％或更多的强度损失得以避免，并且到达检测器的信号以及信噪比相当高。
[0130] 为了收集对于物体240-M用于详细的振幅、差分相位、相位对比度、和散射对比度图像的计算的多个图像，图15的实施例可以附加地包括用于平移检测器290的装置255，所
述平移不仅在平行于光栅G1的平面的两个侧向方向上、也在沿x射线传播的路径所限定的
方向上，以确保检测器299被放置在Talbot距离TD的正确倍数处。
述平移不仅在平行于光栅G1的平面的两个侧向方向上、也在沿x射线传播的路径所限定的
方向上，以确保检测器299被放置在Talbot距离TD的正确倍数处。
[0131] 图16示出本发明的一个实施例，其中分束光栅G1 210-2D包括二维周期性阵列，其可以是透射光栅或相位光栅。当使用这种类型的二维分束光栅时，图案可以布置呈多个周
期性图案之任一种，包括网格比如图17所示的图案、或如图18所示的棋盘状图案。在这些图示中，明区域(clear region)是无相移区域，而图案化的区域表示具有相对相移的区域。也可以在一些实施例中使用不同的、或甚至相反的相对相移，即，明区域可以是有相移的而图案化的区域没有。
期性图案之任一种，包括网格比如图17所示的图案、或如图18所示的棋盘状图案。在这些图示中，明区域(clear region)是无相移区域，而图案化的区域表示具有相对相移的区域。也可以在一些实施例中使用不同的、或甚至相反的相对相移，即，明区域可以是有相移的而图案化的区域没有。
[0132] 对于与具有比平均能量小±15％左右的光谱带宽的入射x射线束一起使用时，可能优选的是具有π弧度相移和1∶1线空比的分束光栅。对于与大±15％的光谱带宽的入射束一起使用时，可能优选的是具有π/2弧度的相对相移。
[0133] 在一些实施例中的分束光栅可具有包括一维条纹的轮廓，比如Ronchi轮廓或具有矩形轮廓的结构。暗明条纹之间的相对相移优选被选择为π或π/2弧度，但也可以是π的任何整数倍数或分数；或者，所述暗条纹可以具有低的x射线透射，使得分束光栅是吸收光栅。
[0134] 图16示出二维分束光栅G1 210-2D与高分辨率检测器299相结合的使用，也如图15示出。为同时获得在两个正交方向上差分相位对比度、相位对比度、吸收、散射对比度图像，几何参数——包括x射线源尺寸a、光栅G1210-2D的周期p1和距离L——需要在该两个方向上满足光栅G1的相干照射条件。如前所述，检测器299具有在图像平面中的两个正交方向上等于或更佳于Talbot条纹周期的1/3的空间分辨率，并且被定位成与Talbot条纹图案对齐。
[0135] 具有分束光栅G1210-2D上二维图案的这种实施例，也可与先前描述的较低分辨率检测器290一起、结合二维分析光栅G2使用，该二维分析光栅G2可以是在两个方向上以任何顺序相位步进，使得在两个正交方向上获得相位信息。类似于以上G1 210-2D的描述，此二维分析光栅G2可以具有任何周期性结构(诸如网格、棋盘)或诸如圆形、三角形、正方形、矩形等结构的二维阵列。
[0136] 图19示出类似于图16的实施例，只是被检查物体240-M现在被放置在x射线源和分束光栅210-2D之间。
[0137] 注意，一些实施例是一维Talbot-Yun干涉仪，其中吸收、相位、和散射信息在一个方向获得，并且结合了与在至少在垂直于光栅线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)微结构化源靶相组合的一个或多个一维光栅。其它实施例是二维
Talbot-ST干涉仪，其中吸收、相位、和散射信息在两个正交方向获得(或使用二维Talbot-Yun设定通过执行计算机断层扫描在所有三个维度上获得)。
Talbot-ST干涉仪，其中吸收、相位、和散射信息在两个正交方向获得(或使用二维Talbot-Yun设定通过执行计算机断层扫描在所有三个维度上获得)。
[0138] 图20和图21示出本发明的另一实施例，其中x射线源080包括被支撑在x射线屏蔽壳体050内的支架030上的真空室020。源080还包括完全安装在真空室020内的靶100，该靶
100包括：基底1000和包含x射线子源700的周期性图案。如前所述，此实施例还包括高电压源010，其具有负端，该负端经由引线021-A连接到电子发射器011-A，而正端经由一个或多个引线022连接到靶中的微结构，从而允许它们用作阳极。
100包括：基底1000和包含x射线子源700的周期性图案。如前所述，此实施例还包括高电压源010，其具有负端，该负端经由引线021-A连接到电子发射器011-A，而正端经由一个或多个引线022连接到靶中的微结构，从而允许它们用作阳极。
[0139] 然而，在该实施例中，靶100包括含有x射线产生材料的x射线子源700的周期阵列的那一表面面向安装在真空室020的壁中的窗口040，并且电子发射器011-A被对准来将电
子束111-A发射到靶100的面向窗口040且包括子源700的那一表面上。
子束111-A发射到靶100的面向窗口040且包括子源700的那一表面上。
[0140] 图22和图23示出本发明的另一实施例，其中完全安装在真空室020内的靶100包括：基底1000和包含x射线子源700的周期性图案。如前所述，此实施例还包括高电压源010，其具有负端，该负端经由引线021-B连接到电子发射器011-B，而正端经由一个或多个引线
022连接到靶中的微结构，从而允许它们用作阳极。
022连接到靶中的微结构，从而允许它们用作阳极。
[0141] 然而，在该实施例中，靶100的包括含有x射线产生材料的x射线子源700的周期阵列的那一表面被定向成使得：由一些微结构产生的x射线朝向其它也产生x射线的微结构传
播，并且来自多个微结构700的x射线888-B的线性累加从靶射出。微结构与微结构700之间
的距离g从靶中呈现。在传播方向上微结构之间的距离g和宽度wx应足够小，使得贡献给累
加的x射线的来自第n个微结构的发射可被认为是具有方程式9给出的尺寸a的单个子源，
即：
播，并且来自多个微结构700的x射线888-B的线性累加从靶射出。微结构与微结构700之间
的距离g从靶中呈现。在传播方向上微结构之间的距离g和宽度wx应足够小，使得贡献给累
加的x射线的来自第n个微结构的发射可被认为是具有方程式9给出的尺寸a的单个子源，
即：
[0142] a≥tanθ·(n(g+wx)) [方程式10]
[0143] 其中，a是满足该系统的相干要求的子源尺寸，并且θ是该系统的视场角度的一半。
[0144] x射线源的线性累加，如在本发明的此实施例中所使用的，在本发明的发明人的题为X-RAY SOURCES USING LINEAR ACCUMULATION的共同未决的美国专利申请(2014年9月19
日提交的美国专利申请14/490,672)中更详尽描述，其在此通过引用将其全文并入本文。在以上参考的共同未决的申请中所披露的源的任何设计和构造，可被考虑用作为在此公开的
任一或所有干涉成像系统中的部件。
日提交的美国专利申请14/490,672)中更详尽描述，其在此通过引用将其全文并入本文。在以上参考的共同未决的申请中所披露的源的任何设计和构造，可被考虑用作为在此公开的
任一或所有干涉成像系统中的部件。
[0145] 同样，图24和图25示出利用x射线的线性累加的本发明的另一实施例。在本实施例中，x射线源080包括完全安装在真空室020内的靶2200，该靶2200包括：基底2210和第一组子源707以及第二组子源708。如前所述，此实施例还包括高电压源010，但是此高电压源被连接到结点010-2，该结点010-2将高电压分别经由引线021-D和021-E提供到两个电子发射
器011-D和011-E。如图24和图25所示，第一电子发射器021-D提供轰击第一组子源707的电
子束111-D，而第二电子发射器021-E提供轰击第二组子源708的电子束111-E。第一组子源
707和第二组子源708沿x射线成像射束轴所产生的x射线788中的一些相组合来产生来自靶
2200的x射线2888，其将通过来自这两组x射线子源的x射线的线性累加从而增大。在一些实施例中，两组子源707和708之间的间隔可以是小于5毫米、但大于在与穿过两个子源的中心的线相垂直的方向上的源尺寸。子源707和708的周期都可被选择成使得：分束光栅G1下游
的相关Talbot条纹大致重叠。
器011-D和011-E。如图24和图25所示，第一电子发射器021-D提供轰击第一组子源707的电
子束111-D，而第二电子发射器021-E提供轰击第二组子源708的电子束111-E。第一组子源
707和第二组子源708沿x射线成像射束轴所产生的x射线788中的一些相组合来产生来自靶
2200的x射线2888，其将通过来自这两组x射线子源的x射线的线性累加从而增大。在一些实施例中，两组子源707和708之间的间隔可以是小于5毫米、但大于在与穿过两个子源的中心的线相垂直的方向上的源尺寸。子源707和708的周期都可被选择成使得：分束光栅G1下游
的相关Talbot条纹大致重叠。
[0146] 对于本领域技术人员也公知的是，包括下述x射线源的本发明的其它实施例也是可能的，在所述x射线源中在电子轰击下靶/阳极被移动、平移、或旋转来散布热负荷。
[0147] 注释：图10至图25的图示并非按比例示出，并且是为了说明本发明的原理和微结构700、靶100和各种光栅周期p1和p2之间的非特定关系。微结构700，701，707，708等可以具有在尺寸上微米的量级，而被检查物体240-M可以是在尺寸上厘米量级。同样地，尽管示出了这些，其中具有厘米量级尺寸的物体(鼠)中被示出，但是所描述的技术并不限于这样的
物体，而是也可以用于检查甚至更大的结构或微观结构，只要对于检测器和干涉仪的其它
元件的合适分辨率得以适当地构成。
物体，而是也可以用于检查甚至更大的结构或微观结构，只要对于检测器和干涉仪的其它
元件的合适分辨率得以适当地构成。
[0148] 2.x射线靶的制备。
[0149] 各种靶，如根据在此公开的本发明的x射线源中所使用的那些，在本发明的发明人的题为STRUCTURED TARGETS FOR X-RAY GENERATION的共同未决的美国专利申请(2014年8
月21日提交的美国专利申请14/465,816)中详细描述，其在此通过引用将其全文并入本文。
在以上参考的共同未决的申请中所披露的靶的任何设计和构造，可被考虑用作为在此公开
的任一或所有x射线源中的部件。
月21日提交的美国专利申请14/465,816)中详细描述，其在此通过引用将其全文并入本文。
在以上参考的共同未决的申请中所披露的靶的任何设计和构造，可被考虑用作为在此公开
的任一或所有x射线源中的部件。
[0150] 如在本文中和在上述引用的未决专利申请中所描述的，在x射线源中所用的靶可以包括子源的周期性阵列。每个子源可以包括：与根据导热性选取的基底热接触的或者优
选嵌入在基底中的x射线产生材料的单个或多个微结构。当微结构与具有高导热性的基底
良好热接触时，较高的电子流密度可被用来产生x射线，因为过量的热将被吸走到基底中。
该较高的电子流密度会引起更高的x射线通量，从而引致更高亮度源。如在上述共同未决的专利申请中所描述，具有x射线产生材料的微结构的源可以具有比由相同材料制成的较简
单结构大10倍以上的亮度。另外的配置(其中多个子源被对准来促成在同一轴线上的x射
线)可通过x射线子源的线性累加进一步使亮度倍增。
选嵌入在基底中的x射线产生材料的单个或多个微结构。当微结构与具有高导热性的基底
良好热接触时，较高的电子流密度可被用来产生x射线，因为过量的热将被吸走到基底中。
该较高的电子流密度会引起更高的x射线通量，从而引致更高亮度源。如在上述共同未决的专利申请中所描述，具有x射线产生材料的微结构的源可以具有比由相同材料制成的较简
单结构大10倍以上的亮度。另外的配置(其中多个子源被对准来促成在同一轴线上的x射
线)可通过x射线子源的线性累加进一步使亮度倍增。
[0151] 还应当注意的是，当本文中使用词语“微结构”时，它是特定地指包括x射线产生材料的微结构。其它结构，比如用于形成x射线微结构的空腔，具有相同量值量级的尺寸，并且也可被认为是“微结构”。然而，如本文中所使用的，其它词语，比如“结构”、“空腔”、“孔”、“孔口”等，当它们被形成在未根据x射线产生特性而选取的材料(比如基底)中时，也可用于这些结构。词语“微结构”将被保留用于包括根据x射线产生特性而选取的材料的结构。
[0152] 同样，应当注意的是，虽然使用词语“微结构”，但是具有小于1微米尺寸或甚至小到纳米级尺寸(即大于10nm)的x射线产生结构也可以由如在此使用的词语“微结构”进行描述，只要性质与对于在各种实施例中所列的光栅节距和子源尺寸的几何因数相一致。
[0153] 这里还应当注意的是，当使用词语“子源”时，它可以指x射线产生材料的单个微结构、或与用于Talbot干涉用途的单个结构相类似地起作用的更小的微结构的集合。
[0154] 这些微结构化靶的制造可以按照用于在基底中创建嵌入式结构的公知处理步骤进行。如果基底是具有高导热性的材料(比如钻石)，使用光致抗蚀剂的传统的光刻构图(比如聚焦离子束光刻或电子束光刻)可产生微米尺寸的结构，其然后可以使用比如反应式离
子蚀刻(RIE)等工艺被蚀刻到基底中。x射线产生材料在形成于基底中的蚀刻结构中的沉积
然后可以使用标准沉积工艺(比如电镀、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积、或热压)来进行。
子蚀刻(RIE)等工艺被蚀刻到基底中。x射线产生材料在形成于基底中的蚀刻结构中的沉积
然后可以使用标准沉积工艺(比如电镀、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积、或热压)来进行。
[0155] 在靶中使用的x射线产生材料应理想地具有良好的热性能，比如高熔点和高热导率，以允许加载在源上的更高的电子功率来增加x射线产率。x射线产生材料应该附加地根
据良好x射线产生性能——其包括x射线产生效率(与它的原子序数成比例)——来选取，并
且在某些情况下，可能希望产生关注的特定光谱(比如特征x射线谱线)。由于这些原因，靶通常使用具有原子序数Z＝74的钨制得。
据良好x射线产生性能——其包括x射线产生效率(与它的原子序数成比例)——来选取，并
且在某些情况下，可能希望产生关注的特定光谱(比如特征x射线谱线)。由于这些原因，靶通常使用具有原子序数Z＝74的钨制得。
[0156] 表I列出了常用于x射线靶的一些材料、一些另外可能的靶材料(特别有用于关注的特定特性线)、以及可被用作用于靶材料的基底的一些材料。熔点、导热率和导电率都为
300°K(27℃)附近的值。大部分值引用自第90版CRC Handbook of Chemistry and Physics
[CRC Press，Boca Raton，FL，2009]。其它值引用自互联网上找到各种来源。需要注意的是，对于一些材料(比如蓝宝石)，以热导率为例，当冷却到低于液氮(77°K)的温度时可能具有
较大幅值量级[参见例如E.R.Dobrovinskaya等人的Sapphire Material，Manufacturing，
Applications，章节2.1.5Thermal Properties，Springer Science+Business Media，LLC，
2009]。
300°K(27℃)附近的值。大部分值引用自第90版CRC Handbook of Chemistry and Physics
[CRC Press，Boca Raton，FL，2009]。其它值引用自互联网上找到各种来源。需要注意的是，对于一些材料(比如蓝宝石)，以热导率为例，当冷却到低于液氮(77°K)的温度时可能具有
较大幅值量级[参见例如E.R.Dobrovinskaya等人的Sapphire Material，Manufacturing，
Applications，章节2.1.5Thermal Properties，Springer Science+Business Media，LLC，
2009]。
[0157] 图26示出可以在本发明的一些实施例中使用的靶。在该图中，基底1000具有区域1001，该区域1001包括包含x射线产生材料(通常是金属材料)的微结构的子源阵列700，其
中所述子源被布置在直四棱柱的规则阵列中。在真空中，电子111从上方轰击靶，并且在微结构700中产生热和x射线。在基底1000的材料被选择成使得它——相比于x射线产生微结
构材料——具有相对低的x射线产率(效率与原子序数成比例)和对于电子的能量沉积速率
(停止功率与密度成比例)，因此不会产生显著量的热和x射线。这通常是通过选择用于基底的低质量密度和低原子序数(Z)材料来实现。
中所述子源被布置在直四棱柱的规则阵列中。在真空中，电子111从上方轰击靶，并且在微结构700中产生热和x射线。在基底1000的材料被选择成使得它——相比于x射线产生微结
构材料——具有相对低的x射线产率(效率与原子序数成比例)和对于电子的能量沉积速率
(停止功率与密度成比例)，因此不会产生显著量的热和x射线。这通常是通过选择用于基底的低质量密度和低原子序数(Z)材料来实现。
[0158] 基底1000材料也可以被选择成具有高导热率，通常大于100W/(m℃)，并且微结构通常被嵌入在基底内，也就是说，如果微结构被成形为矩形棱柱，优选是六个侧面中的至少五个侧面与基底1000紧密热接触，以便在微结构700产生的热被有效地传导离开到基底
1000中。然而，在其它实施例中使用的靶可能具有较少的直接接触表面。在一般情况下，当在本公开中使用词语“嵌入”时，微结构的表面面积的至少一半将与基底紧密热接触。
1000中。然而，在其它实施例中使用的靶可能具有较少的直接接触表面。在一般情况下，当在本公开中使用词语“嵌入”时，微结构的表面面积的至少一半将与基底紧密热接触。
[0160]
[0161]
[0162] 注意，一些实施例中子源大小和尺寸可以按现有技术中光栅G0的周期p0的相同限制来约束。换句话说，在如图9至图25所示的x射线干涉成像系统中物体位置处可实现的空
间分辨率由总的x射线源尺寸和检测器分辨率来确定，类似于在现有技术的干涉成像系统
(比如Talbot-Lau系统)中所描述的条件。因此，对于给定的检测器分辨率和给定的——如
由源和物体之间的距离以及物体到检测器之间的距离所确定的——成像几何，最大x射线
源尺寸(每个微结构点的宽度)是有限的。
间分辨率由总的x射线源尺寸和检测器分辨率来确定，类似于在现有技术的干涉成像系统
(比如Talbot-Lau系统)中所描述的条件。因此，对于给定的检测器分辨率和给定的——如
由源和物体之间的距离以及物体到检测器之间的距离所确定的——成像几何，最大x射线
源尺寸(每个微结构点的宽度)是有限的。
[0163] 子源的阵列的线空比是应该在任何系统的设计中要考虑的设计参数。大的空间相干长度与x射线源或子源的尺寸成反比例。因为Talbot干涉条纹的条纹可见度随着照射x射
线束的空间相干长度对分束光栅的周期p1的相对比率——对于比率的值从0.3到1——而
线性增大，通常优选具有小的光源尺寸。然而，x射线产率与子源的面积成反比例(例如线宽的减小会导致x射线产率的减少)。由于成像系统的吞吐量一般与对比度传递函数的平方成
比例并且仅与x射线通量成比例，通常优选具有小于1∶1的线空比。本发明的一些实施例可以使用1∶5和1∶2之间的线空比(即x射线产生材料对基底材料的比率)(即x射线产生材料的相对面积可在从20％至33％的范围内)。
线束的空间相干长度对分束光栅的周期p1的相对比率——对于比率的值从0.3到1——而
线性增大，通常优选具有小的光源尺寸。然而，x射线产率与子源的面积成反比例(例如线宽的减小会导致x射线产率的减少)。由于成像系统的吞吐量一般与对比度传递函数的平方成
比例并且仅与x射线通量成比例，通常优选具有小于1∶1的线空比。本发明的一些实施例可以使用1∶5和1∶2之间的线空比(即x射线产生材料对基底材料的比率)(即x射线产生材料的相对面积可在从20％至33％的范围内)。
[0164] 可能有助于对用于根据本发明的靶的材料的选取的品质因数(FOM)是：由微结构产生的x射线对由还电子轰击基底所产生的x射线的比率。此品质因数可有用于对用于该系
统的靶的材料的设计和选择，并在除了基底的热导率之外也应加以考虑。因为电子能量沉
积速率与质量密度成比例并且材料中的x射线产生效率与其原子序数成比例，该品质因数
可以如下式来定义：
统的靶的材料的设计和选择，并在除了基底的热导率之外也应加以考虑。因为电子能量沉
积速率与质量密度成比例并且材料中的x射线产生效率与其原子序数成比例，该品质因数
可以如下式来定义：
[0165]
[0166] 其中Z是原子序数，ρ是密度，材料1是基底，材料2是x射线产生材料。
[0167] 表II：对x射线材料/基底组合的品质因数。
[0168]
[0169] 许多微结构和基底材料组合在以下表II中列出。下列任何组合都可使用，但优选是：材料被选择成使得FOM大于12，并且使得基底材料的导热率在室温时大于100W/(m℃)。
[0170] 图27示出可以在本发明的一些实施例中使用的另一种靶，其中电子束111-F由静电透镜导向以形成更集中的聚焦点。对于这种情况，靶1100-F仍然将包括区域1001-F，该区域1001-F包括包含x射线材料的微结构的阵列700-F，但该区域1001-F的大小和尺寸可以匹
配到会发生电子暴露的区域。在这些靶中，可以控制对源几何形状和x射线产生材料的“调节”，使得设计主要限制产生到微结构化区域1001-F的热量，同时也降低设计和制造复杂
性。当与聚焦形成微斑点的电子束一起使用或者采用形成更复杂电子暴露图案的更复杂系
统时，这可能是特别有用的。
配到会发生电子暴露的区域。在这些靶中，可以控制对源几何形状和x射线产生材料的“调节”，使得设计主要限制产生到微结构化区域1001-F的热量，同时也降低设计和制造复杂
性。当与聚焦形成微斑点的电子束一起使用或者采用形成更复杂电子暴露图案的更复杂系
统时，这可能是特别有用的。
[0171] 电子进入材料的穿透深度可通过Pott定律估计[P.J.Potts，Electron Probe Microanalysis，Ch.10 of A Handbook of Silicate Rock Analysis，Springer
Netherlands，1987，p.336)]，其指出：微米的穿透深度x与以keV为单位的电子能量E0升高到3/2次幂并除以材料密度所得值的10％有关：
Netherlands，1987，p.336)]，其指出：微米的穿透深度x与以keV为单位的电子能量E0升高到3/2次幂并除以材料密度所得值的10％有关：
[0172]
[0173] 对于较小密度的材料，例如金刚石基底，穿透深度比较大密度的材料(比如含有用于x射线产生元素的大多数材料)大得多。
[0174] 采用此公式，表III示出对于一些常见的x射线靶材料的一些估计穿透深度。
[0175] 表III：对于60keV电子进入一些材料的穿透深度的估计。
[0176]
[0177] 大部分特征CuKx射线产生在穿透深度内。在该深度下方的电子相互作用通常产生很少的特征K-线X射线，但是将造成发热，因此导致沿着深度方向的低的热梯度。因此，优选是，在一些实施例中设定对于靶中的微结构的最大厚度，以限制在材料中的电子相互作用
并且优化局部热梯度。本发明的一个实施例将靶中的微结构化x射线产生材料的深度限制
成：在入射电子能量下基底中电子穿透深度的1/3和2/3之间。在这种情况下，基底的较低质量密度导致在紧接于x射线产生材料下方的基底材料中较低的能量沉积速率，这继而导致
在下方基底材料中的较低温度。这导致在x射线产生材料与基底之间的较高的热梯度，从而增进热传递。热梯度被基底材料的高导热率进一步增强。
并且优化局部热梯度。本发明的一个实施例将靶中的微结构化x射线产生材料的深度限制
成：在入射电子能量下基底中电子穿透深度的1/3和2/3之间。在这种情况下，基底的较低质量密度导致在紧接于x射线产生材料下方的基底材料中较低的能量沉积速率，这继而导致
在下方基底材料中的较低温度。这导致在x射线产生材料与基底之间的较高的热梯度，从而增进热传递。热梯度被基底材料的高导热率进一步增强。
[0178] 由于类似原因，选择微结构的厚度小于基底中电子穿透深度的一半也通常优选地用于高效地产生韧致辐射，因为在该深度下方的电子具有较低能量以及较低的x射线产生
效率。
效率。
[0179] 注释：也可使用对于x射线产生材料的尺寸的其它选择。在如本发明的一些实施例中使用的靶中，x射线材料的深度可选择为基底中电子穿透深度的50％。在其它实施例中，x射线材料的深度可被选择为基底中电子穿透深度的33％。在其它实施例中，微结构的深度
可被选择与材料中针对电子的″连续慢化近似(CSDA)″范围相关。依据期望的X射线谱和选定的x射线材料的特性，可规定其它深度。
可被选择与材料中针对电子的″连续慢化近似(CSDA)″范围相关。依据期望的X射线谱和选定的x射线材料的特性，可规定其它深度。
[0180] 图28示出如可用于本发明的一些实施例中的靶的区域1001，其包括具有呈直四棱柱形式的微结构的子源阵列700，所述微结构包含布置在规律阵列中的x射线产生材料。图
28A展示用于这种靶的十六个微结构700的透视图，而图28B示出相同区域的俯视图，并且图
28C展示相同区域的侧视/横截面图。(对于本公开中的术语″侧视/横截面图″，该视图表示就像做出该物体的横截面、然后从侧面朝向横截面表面查看的视图。这示出在横截面的点
处以及在可能从侧面看到的内部更深材料处的细节，假定基底本身是透明的[在金刚石的
情况下，对于可见光而言，这通常是成立的]。)
28A展示用于这种靶的十六个微结构700的透视图，而图28B示出相同区域的俯视图，并且图
28C展示相同区域的侧视/横截面图。(对于本公开中的术语″侧视/横截面图″，该视图表示就像做出该物体的横截面、然后从侧面朝向横截面表面查看的视图。这示出在横截面的点
处以及在可能从侧面看到的内部更深材料处的细节，假定基底本身是透明的[在金刚石的
情况下，对于可见光而言，这通常是成立的]。)
[0181] 在这些靶中，微结构被制成使得它们在六个侧面中的五个侧面上与基底紧密热接触。如图所示，微结构700的顶部与基底的表面齐平，但可制造微结构凹陷于其中的其它靶，也可制造其中微结构相对于基底表面呈现形貌″凸块″的其它靶。
[0182] 可用于本发明的一些实施例中的替代靶可具有简单地沉积到基底表面上的若干直四棱柱微结构。在此情况下，仅棱柱的底部将与基底处于热接触。对于包括嵌入于基底中的微结构的结构，其具有如图28C所示的侧视/横截面图，具有深度Dz和在基底平面中的侧
向尺寸Wx和Wy，则嵌入式微结构相比于沉积的微结构与基底接触的总表面积的比率如下：
向尺寸Wx和Wy，则嵌入式微结构相比于沉积的微结构与基底接触的总表面积的比率如下：
[0183]
[0184] 在D相对于W和L具有小值的情况下，该比率基本上为1。对于更大的厚度，该比率变得更大，并且就立方体(D＝W＝L)而言，其中5个相同侧面处于热接触，该比率为5。如果使用在质量密度和热导率方面与基底有类似特性的材料的顶盖层，该比率可增加到6。
[0185] 图29示出可用于本发明的一些实施例中的靶的区域1001，如先前在图13中所示，其包括具有呈直四棱柱形式的微结构的线性子源阵列701，所述微结构包含布置在规律阵
列中的x射线产生材料。图29A展示了用于这种靶的三个微结构701的透视图，而图29B示出
了相同区域的俯视图，并且图29C表示相同区域的侧视/横截面图。
列中的x射线产生材料。图29A展示了用于这种靶的三个微结构701的透视图，而图29B示出
了相同区域的俯视图，并且图29C表示相同区域的侧视/横截面图。
[0186] 在本实施例中，在基底平面中的侧向尺寸为宽度Wx和长度Ly。有效子源大小α将对应于宽度Wx。
[0187] 图30和图31示出一个实际问题，其可能在如图28和图29所示的那些靶的形成中出现。图30示出对于如图28所示的x射线产生微结构700的格栅的可能变型，并且图31示出对
于如图29所示的线性x射线产生微结构701的可能变型。
于如图29所示的线性x射线产生微结构701的可能变型。
[0188] 在图30中，可以形成具有其它几何形状的奇异形状微结构700-A。同样地，空隙700-0也可能出现，而在其中可以预期某些结构。其它的沉积工艺，例如使用x射线产生材料的预成形颗粒进行沉积，可以创建颗粒簇700-C的集合，其当用电子轰击时仍可充当功能上与由均匀结构所产生的那些相似的x射线子源。图30还示出具有多个晶体结构和晶界的微
结构700-G，其仍可产生与由均匀结构所产生的那些相似的x射线，但可被视为包括微结构
的集合。
结构700-G，其仍可产生与由均匀结构所产生的那些相似的x射线，但可被视为包括微结构
的集合。
[0189] 在所有这些情况下的有效x射线子源尺寸可以使用尺寸参数α来近似，即使微结构包括那些明显更小的颗粒。
[0190] 图31中示出在制造线性微结构701时可能出现的集合微结构的示例。如果x射线产生材料的均匀预制颗粒被创建并涂覆到基底上，则可以形成x射线产生材料的颗粒703的集
合。在其它过程中，如果使用非均匀颗粒，则在具有可能包括空隙间隙的非均匀分布的一些情况下，可以形成颗粒簇704-A和704-B。在其它过程中，x射线产生材料的颗粒704的集合可以近似于x射线的线源。
合。在其它过程中，如果使用非均匀颗粒，则在具有可能包括空隙间隙的非均匀分布的一些情况下，可以形成颗粒簇704-A和704-B。在其它过程中，x射线产生材料的颗粒704的集合可以近似于x射线的线源。
[0191] 所有这些集合，当用电子轰击时，仍可充当功能上与由均匀线性结构所产生的那些相似的x射线子源。在这些情况下的有效源尺寸可以使用尺寸参数α来近似，即使微结构包括那些明显更小的颗粒。
[0192] 在电子轰击下可能发生的热传递以图32中的表示箭头示出，其中在嵌入于基底1000中的子源700中产生的热经由底部和侧面(箭头表示经由图画平面外的侧面的传递)而
被传导离开包括子源700的微结构。经由面积A和厚度d的材料传导的、每单位时间内所传递的热量(ΔQ)由下式给出：
被传导离开包括子源700的微结构。经由面积A和厚度d的材料传导的、每单位时间内所传递的热量(ΔQ)由下式给出：
[0193]
[0194] 其中，κ是单位为W/(m℃)的热导率，ΔT是单位为℃的横跨厚度d的温度差。因此，增大表面积A、减小厚度d、以及增大ΔT都导致热传递的成比例增加。
[0195] 图33示出一个替代实施例，其中基底附加地包括冷却通道1200。这种冷却通道可以是现有技术的冷却通道，如以上所讨论的，其使用水或某些其它冷却流体以将热传导离
开基底，或可根据适于从嵌入式微结构700附近的区域最佳地进行除热的设计而制造。
开基底，或可根据适于从嵌入式微结构700附近的区域最佳地进行除热的设计而制造。
[0196] 本领域技术人员也可以理解或设计出用于各种实施例的其它靶结构，其中基底可被例如粘合到散热器(比如铜块)以改善热传递。铜块可继而在其内部具有冷却渠道，以协
助将热载送离开铜块。或者，基底可以附连到热电式冷却器，其中电压被施加到特定构造的半导体装置。在这些装置中，电流的流动导致一侧冷却而另一侧升温。市售装置(比如
Peltier冷却器)可以产生在整个装置上高达70℃的温度差，但也可能在其从热源移除大量
热的总体能力上受限制。也可使用含有能够蒸发和冷凝的传热流体的热管来冷却基底，如
在考虑紧凑设计时为冷却服务器群组中的CPU芯片所用的。
助将热载送离开铜块。或者，基底可以附连到热电式冷却器，其中电压被施加到特定构造的半导体装置。在这些装置中，电流的流动导致一侧冷却而另一侧升温。市售装置(比如
Peltier冷却器)可以产生在整个装置上高达70℃的温度差，但也可能在其从热源移除大量
热的总体能力上受限制。也可使用含有能够蒸发和冷凝的传热流体的热管来冷却基底，如
在考虑紧凑设计时为冷却服务器群组中的CPU芯片所用的。
[0197] 替代地，基底可以附连到低温冷却器(比如含有用于液氮流的通道的块体)，或者与液态氮或一些其它低温物质(比如防冻剂溶液)的贮存器处于热接触，以提供更极端的冷
却。当基底包括诸如金刚石、蓝宝石、硅或碳化硅等材料时，导热率通常随着从室温降低温度而增加。在这样的情况下，优选是，设计靶使得它可以承受冷却至这些可优选的较低的温度。
却。当基底包括诸如金刚石、蓝宝石、硅或碳化硅等材料时，导热率通常随着从室温降低温度而增加。在这样的情况下，优选是，设计靶使得它可以承受冷却至这些可优选的较低的温度。
[0198] 图34示出可在本发明的实施例中使用的靶的替代示例，其中，在嵌入形成微结构700的x射线产生材料之间，形成在基底1000中的空腔被首先涂覆以粘合层715(优选具有最
小厚度)。这样的粘合层在x射线材料与基底材料之间的接合弱的情况下可能是适合的。粘
合层也可以在该两种材料的热膨胀系数之间的差较大时充当缓冲层。对于材料的某些选
择，粘合层可以被扩散阻挡层取代或扩展(通过添加另一层)，以防止材料从微结构扩散到
基底材料中(或反之)。对于使用粘合层和/或扩散阻挡层的一些实施例，材料和厚度的选择还应当考虑层的热学性质，使得从微结构700至基底1000的热流不因粘合层715的存在而显
著受阻或受隔绝。
小厚度)。这样的粘合层在x射线材料与基底材料之间的接合弱的情况下可能是适合的。粘
合层也可以在该两种材料的热膨胀系数之间的差较大时充当缓冲层。对于材料的某些选
择，粘合层可以被扩散阻挡层取代或扩展(通过添加另一层)，以防止材料从微结构扩散到
基底材料中(或反之)。对于使用粘合层和/或扩散阻挡层的一些实施例，材料和厚度的选择还应当考虑层的热学性质，使得从微结构700至基底1000的热流不因粘合层715的存在而显
著受阻或受隔绝。
[0199] 图35示出可在实施例中使用的靶的替代示例，其中导电层725已被添加到靶的表面上。当由电子轰击时，过量电荷需要返回到靶的接地的路径，以有效地充当阳极。如果如图28和图29所示的靶仅包括在电绝缘基底材料(诸如未经掺杂的金刚石)内的离散的、未连
接的微结构700，在持续电子轰击下，大量电荷将累加在该表面上。来自阴极的电子于是将不以相同的能量与靶碰撞或者可能甚至被排斥，从而减少x射线的产生。
接的微结构700，在持续电子轰击下，大量电荷将累加在该表面上。来自阴极的电子于是将不以相同的能量与靶碰撞或者可能甚至被排斥，从而减少x射线的产生。
[0200] 这可以通过优选具有相对低原子序数的传导材料(诸如铝(Al)、铍(Be)、碳(C)、铬(Cr)或钛(Ti))的薄层的沉积来解决，这些材料薄层允许从离散的微结构700向电路径722导电，所述电路径722连接到相对于高电压源的正端。实际上，这个端通常是该系统的电气接地，而阴极电子源被供给负的高电压。
[0201] 图36示出可以在本发明的实施例中使用的靶的另一个示例，其中，子源702被更深地嵌入或埋入到基底1000中。这种嵌入式微结构可以进一步通过沉积附加层1010而覆盖，
附加层1010可以是例如金刚石，从而提供与基底相同的传热特性。这允许从埋入式子源702的所有侧面传走热。对于这样的情况，并且当附加层1010不具有足够的导电率时，提供使入射于该结构上的电子接地的路径722是明智的，该路径722可以呈嵌入式传导层726的形式，所述嵌入式传导层726在沉积附加层1010之前铺设。在一些实施例中，此传导层726将具有″通路″727或者竖直连接部，常常呈柱子或圆柱形式，其提供导电结构以将嵌入式传导层726联结到靶表面上的附加传导层728，该附加传导层728继而连接到接地路径722或高电压源。
附加层1010可以是例如金刚石，从而提供与基底相同的传热特性。这允许从埋入式子源702的所有侧面传走热。对于这样的情况，并且当附加层1010不具有足够的导电率时，提供使入射于该结构上的电子接地的路径722是明智的，该路径722可以呈嵌入式传导层726的形式，所述嵌入式传导层726在沉积附加层1010之前铺设。在一些实施例中，此传导层726将具有″通路″727或者竖直连接部，常常呈柱子或圆柱形式，其提供导电结构以将嵌入式传导层726联结到靶表面上的附加传导层728，该附加传导层728继而连接到接地路径722或高电压源。
[0202] 图37示出可以在本发明的实施例中使用的靶的另一个示例，其中微结构702同样埋入于基底内。然而，在此实施例中，代替首先提供导电层然后再沉积附加顶盖层，在此实施例中仅沉积单个层770，根据导电特性与导热特性的组合选择该单个层。这可以是例如碳纳米管(Z＝6)的沉积，碳纳米管相对于该表面竖直定向，使得它们将热和电子从埋入式微
结构702带走。此单个层770继而可连接到接地路径722以允许靶用作x射线产生系统中的阳
极。替代地，层770的材料可经选择包括铝(Al)、铍(Be)、铬(Cr)、或铜(Cu)。
结构702带走。此单个层770继而可连接到接地路径722以允许靶用作x射线产生系统中的阳
极。替代地，层770的材料可经选择包括铝(Al)、铍(Be)、铬(Cr)、或铜(Cu)。
[0203] 图38示出一个实施例的另一变型，其中阻挡材料729的附加图案已经被沉积在靶基底1000的背侧上。如果品质因数对于所选定的材料组合——如上面的表II中所讨论
的——并不大，则仍存在由基底产生的显著x射线，这将减少在图像中的对比度。这些由基底产生的x射线可由作为阻挡结构729的合适材料(比如金)的沉积所阻挡。金(Z＝79)具有
强的x射线吸收，如图39示出。沉积这些阻挡结构的工艺可以包括标准沉积工艺，以及可能需要对准步骤，以确保与在相反侧的x射线产生结构对齐。
的——并不大，则仍存在由基底产生的显著x射线，这将减少在图像中的对比度。这些由基底产生的x射线可由作为阻挡结构729的合适材料(比如金)的沉积所阻挡。金(Z＝79)具有
强的x射线吸收，如图39示出。沉积这些阻挡结构的工艺可以包括标准沉积工艺，以及可能需要对准步骤，以确保与在相反侧的x射线产生结构对齐。
[0204] 对于本领域技术人员显而易见的是，尽管在图26至图38中单独地展示了若干实施例，并且将在下面给出用于其制造的各种过程，这些实施例的元件可以彼此组合，或者与本领域中已知的其它常规已知靶制造方法组合。例如，图37的埋入式子源702也可以包括微结构的多晶粒，如图30和图31所示。同样，如图34所示的粘合层715也可以适用于制造如图35所示的嵌入式微结构700。运些替代方案分开只是出于说明目的，并不意味着限制任何特定过程。
[0205] 尽管图26至图38所示的子源被示出为具有均匀大小和形状的有规律间隔开的图案，但是具有非均匀大小和形状的子源的有规律图案也可用于本发明的一些实施例中。此
外，规则的周期性图案内的每个子源可进一步包括具有非均匀尺寸和形状的多个较小微结
构。这些较小微结构可以是非规则的，并且不一定需要具有相似的x射线发射特性或强度，只要各组微结构所包括的较大子源在本质上是周期性的。
外，规则的周期性图案内的每个子源可进一步包括具有非均匀尺寸和形状的多个较小微结
构。这些较小微结构可以是非规则的，并且不一定需要具有相似的x射线发射特性或强度，只要各组微结构所包括的较大子源在本质上是周期性的。
[0206] 同样，尽管描述了具有例如呈直四棱柱形状的微结构的一些实施例，制造过程可能创建出具有成非90°角度的壁的结构，或者并不具有完全直角的拐角，而是可能是倒圆的或有斜面的或者是底切，取决于所用的具体过程的人为因素(artifact)。本领域技术人员
理解公开了具有与本文所描述的形状基本上类似的微结构的实施例，即使过程的人为因素
导致与附图所示或者所描述的形状有些偏差。
理解公开了具有与本文所描述的形状基本上类似的微结构的实施例，即使过程的人为因素
导致与附图所示或者所描述的形状有些偏差。
[0207] 在该系统的其它实施例中，周期衰减光栅G0(如在现有技术中使用的Talbot-Lau干涉仪)也可以与本发明的源相结合使用，以使由围绕子源的基底材料所产生的x射线被进
一步衰减，从而允许对于源的更大的单色性以及更高的空间相干性。光栅的孔口应与微结
构化x射线子源的突起重合，或者可以在一些实施例中被放置在源的下游在Talbot距离的
分数或整数倍位置处而孔口与源的自像重合。优选是，光栅G0具有高原子序数和相对低的
纵横比，以便于制造。
一步衰减，从而允许对于源的更大的单色性以及更高的空间相干性。光栅的孔口应与微结
构化x射线子源的突起重合，或者可以在一些实施例中被放置在源的下游在Talbot距离的
分数或整数倍位置处而孔口与源的自像重合。优选是，光栅G0具有高原子序数和相对低的
纵横比，以便于制造。
[0208] 3.应用于计量和检验。
[0209] 常规的x射线分析或成像系统迄今依赖于延伸区域上物体的均匀照射或者使用聚焦到特定特征上的照射射束。例如，关于在半导体IC或IC封装上的特定器件或功能(比如晶体管结构或周期性穿透硅通孔(TSV))的信息，可以通过从这些器件或结构观察x射线荧光
来收集。然而，如果通过泛光照射来照射，则来自周围的硅晶片的额外的x射线信号可以作为背景从而有助于被检测信号、减少来自特征的信息的信噪比、和降低灵敏度。类似地，如果x射线束聚焦在单个特征上，则关于该特定特征的信息可以被收集，但考虑到在给定的IC中可能有几百万甚至十亿个这种特征，因此判定该多个特征的统计特性将花费过多的时间
并且是非常低效的。
来收集。然而，如果通过泛光照射来照射，则来自周围的硅晶片的额外的x射线信号可以作为背景从而有助于被检测信号、减少来自特征的信息的信噪比、和降低灵敏度。类似地，如果x射线束聚焦在单个特征上，则关于该特定特征的信息可以被收集，但考虑到在给定的IC中可能有几百万甚至十亿个这种特征，因此判定该多个特征的统计特性将花费过多的时间
并且是非常低效的。
[0210] 然而，如果某些大致类似的特征(例如晶体管或TSV通常如此)被放置在周期性图案内，则利用照射的周期性图案选择性地照射这些周期性特征的这一方法可以以高信噪比
和高测量吞吐量同时提供关于大量特征的信息。在这样的情况下，有用的是，将x射线照射完全集中在被观察特征上，并尽可能降低来自周围区域的x射线信号。
和高测量吞吐量同时提供关于大量特征的信息。在这样的情况下，有用的是，将x射线照射完全集中在被观察特征上，并尽可能降低来自周围区域的x射线信号。
[0211] 如上所讨论的，在过去的十年中，基于Talbot的成像技术已被开发用于x射线基于光栅的相衬成像(phase contrast imaging)。当利用具有足够大的空间相干性和足够窄的
光谱带宽的射束照射分束光栅时出现Talbot效应，并且因此，周期性干扰图案(Talbot图
案)被形成在光栅的下游侧在Talbot距离的分数位置处。
光谱带宽的射束照射分束光栅时出现Talbot效应，并且因此，周期性干扰图案(Talbot图
案)被形成在光栅的下游侧在Talbot距离的分数位置处。
[0212] 相位型和吸收型的衍射光栅都在不同定义的Talbot距离处的下游产生强度调制，如先前已在引用参考中所描述的，例如A Momose等人的“X-Ray Phase Imaging with
Talbot Interferometry”BIOMEDICAL MATHEMATICS：Promising Directions in Imaging，Therapy Planning，and Inverse Problems(Medical Physics Publishing，Madison WI，
2010)，pp.281-320。Talbot图案的强度调制从在破坏性干扰的区域(节点)处为零变化到为光栅上倍率1的入射强度的两倍，并且可以通过定义为(R+z/R)的放大因数的平方进行比例
缩放，其中z是强度调制相距于衍射光栅的距离，R是衍射光栅相距于x射线源的距离。此原理已很大程度地用于从样品获得相位信息，但到目前为止，还没有被用作为对其它x射线形态有用的现象。
Talbot Interferometry”BIOMEDICAL MATHEMATICS：Promising Directions in Imaging，Therapy Planning，and Inverse Problems(Medical Physics Publishing，Madison WI，
2010)，pp.281-320。Talbot图案的强度调制从在破坏性干扰的区域(节点)处为零变化到为光栅上倍率1的入射强度的两倍，并且可以通过定义为(R+z/R)的放大因数的平方进行比例
缩放，其中z是强度调制相距于衍射光栅的距离，R是衍射光栅相距于x射线源的距离。此原理已很大程度地用于从样品获得相位信息，但到目前为止，还没有被用作为对其它x射线形态有用的现象。
[0213] 在本节描述的是方法和装置的各种实施例，所述方法和装置可以通过使用作为Talbot干涉图案的一部分而生成的周期性x射线微束来实现大量周期性特征的测量。此图
案化照射的使用，可用于表征、分析、和测量天然存在的或人造的周期性结构。
案化照射的使用，可用于表征、分析、和测量天然存在的或人造的周期性结构。
[0214] Talbot干涉图案由如以上已描述的分束光栅引起。这些周期性微束可被利用——通过单独地或组合地使用已建立的x射线技术(例如x射线吸收、小角度x射线散射(SAXS)、x射线荧光(XRF)、x射线衍射(XRD)、x射线反射(XRR)等)——来探测特定的和周期性的区域。
[0215] x射线微束的周期性阵列可以在对于高空间表征的至少一个维度上具有亚100纳米的尺寸。可获得降低到10纳米的空间分辨率来同时探测被检查物体中的多个周期性区
域，这与传统方法相反，在传统方法中使用一个聚焦的照射射束或一个大的均匀照射射束。
域，这与传统方法相反，在传统方法中使用一个聚焦的照射射束或一个大的均匀照射射束。
[0216] 从对Talbot效应和现有技术的研究，众所周知：在具有足够的空间相干性的照射射束下，周期性结构(比如一维或二维透射光栅)会产生具有强烈(高达100％)对比度的强
度图案，其是由在明确定义的距离处的相长与相消干涉而造成(所述距离可以取决于若干
因素，包括衍射光栅是否为吸收型或相移型、光栅的线空比和诱导相移，如将在下面进一步详细描述的)。设计分束光栅以产生具有特定尺寸——所述特定尺寸对应于具有周期性结
构的物体(诸如晶体管、互连、以及半导体晶片或芯片上的硅通孔(TSV)——的x射线微束的周期性图案，并把该具有周期性结构的物体放置在一定位置、使得微束被对准来仅照亮所
述周期性结构的含有特定器件或结构的位置，从而以高信噪比和高效率实现对它们的分析
和表征。
度图案，其是由在明确定义的距离处的相长与相消干涉而造成(所述距离可以取决于若干
因素，包括衍射光栅是否为吸收型或相移型、光栅的线空比和诱导相移，如将在下面进一步详细描述的)。设计分束光栅以产生具有特定尺寸——所述特定尺寸对应于具有周期性结
构的物体(诸如晶体管、互连、以及半导体晶片或芯片上的硅通孔(TSV)——的x射线微束的周期性图案，并把该具有周期性结构的物体放置在一定位置、使得微束被对准来仅照亮所
述周期性结构的含有特定器件或结构的位置，从而以高信噪比和高效率实现对它们的分析
和表征。
[0217] 通过将被检查物体沿着x射线束轴(z)移动，使得Talbot干涉图案节点从物体的表面附近移位到物体内部更深处，从而深度方向探测也是可能的。这将允许不同深度处的多
个区域的照射，从而允许例如将在小角度散射、衍射、荧光、吸收或反射测量中的差异映射为深度的函数。
个区域的照射，从而允许例如将在小角度散射、衍射、荧光、吸收或反射测量中的差异映射为深度的函数。
[0218] 在本节还描述了一种x射线系统的方法和设计，利用具有针对Talbot效应的足够的空间相干性的源的已知设计(包括：微聚焦x射线源、具有小光点尺寸的液体金属射流源、带有吸收光栅的扩展x射线源)或具有微结构化阳极的x射线源，所述x射线系统的方法和设
计用于获得具有特定强度图案和探针尺寸的x射线探测器。
计用于获得具有特定强度图案和探针尺寸的x射线探测器。
[0219] 在本节还描述了本发明的各种实施例，这些实施例通过收集来自被检查物体的特定区域的x射线荧光、同时降低来自物体的未被周期性x射线微束照射的区域的荧光信号的
产生，从而可以实现利用周期性x射线微束对样品的特定周期区域的化学分析(例如组成分
析、层厚度判定等)。
产生，从而可以实现利用周期性x射线微束对样品的特定周期区域的化学分析(例如组成分
析、层厚度判定等)。
[0220] 在本节还描述了本发明的各种实施例，这些实施例可以实现利用周期性x射线微束来执行样品中特定周期性区域的x射线衍射分析；例如进行晶体结构判定(例如晶体结构
判定、应变分析)和层厚度测量。利用本发明实现的该衍射测量，可以使用透射的x射线来进行，但也可以使用反射的x射线来进行。
判定、应变分析)和层厚度测量。利用本发明实现的该衍射测量，可以使用透射的x射线来进行，但也可以使用反射的x射线来进行。
[0221] 在本节还描述了本发明的各种实施例，这些实施例可以实现利用周期性x射线微束——通过使用小角散射技术——来获得周期性结构的统计结构信息。对于应用于半导体
器件的一个示例，所实现的能力包涵信息(比如临界尺寸的判定)、示例性参数(包括侧壁角度、节距和线宽粗糙度等)。
器件的一个示例，所实现的能力包涵信息(比如临界尺寸的判定)、示例性参数(包括侧壁角度、节距和线宽粗糙度等)。
[0222] 在本节还描述了本发明的各种实施例，这些实施例可以实现利用周期性x射线微束——通过使用x射线反射信息——对周期性结构的薄膜结构判定的表征、分析和测量。作为示例，此反射测量可以被用来确定在多层式结构中的诸如层厚度、密度、和粗糙度等参
数。利用本发明实现的这些测量，可以使用从高纵横比结构的侧壁反射的x射线透射经过晶片或器件来进行，但也可以使用从表面和界面反射的x射线来进行。
数。利用本发明实现的这些测量，可以使用从高纵横比结构的侧壁反射的x射线透射经过晶片或器件来进行，但也可以使用从表面和界面反射的x射线来进行。
[0223] 在本节还描述了本发明的各种实施例，这些实施例可以在广范应用中——使用以上指出的方法的子集或组合来获得周期性结构的互补和全面的信息——从而实现对大量
样本的周期性结构的表征、分析和测量。
样本的周期性结构的表征、分析和测量。
[0224] 如在此描述的本发明的实施例可用于检查和分析人造物体(比如半导体晶片、集成电路(IC)、IC封装、或其它电子元件、制成的物质或器件(比如光栅)、蛋白质晶体结构、或化学或聚合化合物)，只要它们在要测量的物理参数(例如形状、物质组成、晶体学、纹理等)上基本相似并且周期性地定位。本文所公开的本发明的实施例可适用于这些技术，条件是
(变化强度的)Talbot干涉条纹被产生、并且样本内的关注区域与Talbot干涉条纹的腹点点
(相长干涉的区域)中的一个或多个对准。
(变化强度的)Talbot干涉条纹被产生、并且样本内的关注区域与Talbot干涉条纹的腹点点
(相长干涉的区域)中的一个或多个对准。
[0225] 3.2涉及Talbot条纹的方法。
[0226] 图40示出Talbot条纹图案的另外示例，其源自于A Momose等人的“X-Ray Phase Imaging with Talbot Interferometry”pp.281-320 of BIOMEDICAL MATHEMATICS：
Promising Directions in Imaging，Therapy Planning，and Inverse Problems(Medical Physics Publishing，Madison WI，2010)其中图4的示例。图40A示出由光栅210-1-90产生的强度图案，该光栅具有与相邻空间的宽度比率1∶1、引入π/2弧度相移的线(以横截面示出)。图40B示出由光栅210-1-180产生的强度图案，该光栅具有与相邻空间的宽度比率1∶1、引入π弧度相移的线(以横截面示出)。图40C示出由光栅210-3-180产生的强度图案，该光栅具有与相邻空间的宽度比率1∶3、引入π弧度相移的线(以横截面示出)。图40的所有光栅具有：Ronchi廓形(例如线/空方波)，和对于这些图示的具有足够的空间相干性的点辐射源。
分束光栅被发散的x射线照射线照射，并且条纹的周期因此通常随与光栅的距离增加而增
大。
Promising Directions in Imaging，Therapy Planning，and Inverse Problems(Medical Physics Publishing，Madison WI，2010)其中图4的示例。图40A示出由光栅210-1-90产生的强度图案，该光栅具有与相邻空间的宽度比率1∶1、引入π/2弧度相移的线(以横截面示出)。图40B示出由光栅210-1-180产生的强度图案，该光栅具有与相邻空间的宽度比率1∶1、引入π弧度相移的线(以横截面示出)。图40C示出由光栅210-3-180产生的强度图案，该光栅具有与相邻空间的宽度比率1∶3、引入π弧度相移的线(以横截面示出)。图40的所有光栅具有：Ronchi廓形(例如线/空方波)，和对于这些图示的具有足够的空间相干性的点辐射源。
分束光栅被发散的x射线照射线照射，并且条纹的周期因此通常随与光栅的距离增加而增
大。
[0227] 在许多实施例中，此分束衍射光栅是低吸收的相位光栅，但产生π/2或π弧度、或一些其它指定或预定值(比如π的分数)的相当大的x射线相移。这些光栅可以在本质上是一维的或二维的。在一些实施例中，被检查物体被放置在衍射光栅的下游在下式所表示的Talbot距离的分数DN处：
[0228]
[0229] 其中，p1是分束光栅的周期，DN为对于平面波照射的Talbot距离的分数，λ是平均x射线波长，Na是在物体被放置处的Talbot分数阶(N＝1，2，3，...)。在一些实施例中，物体被放置在衍射光栅的下游在并非Talbot距离的分数处，而是位于一段距离处——其中波阵面包括与分析所关注的周期性区域相对应的腹点和节点的区域。
[0230] 依据光栅参数(例如，π相移光栅对比π/2相移光栅)，最优Talbot距离(Na)可以根据关注的干涉图案或最适合于应用来选择。
[0231] 在根据本发明的方法中，将遵循下面的步骤来进行周期性物体的集合测量。这些步骤在图41所示的流程图中示出。
[0232] 首先，如图41所示，在步骤4000，x射线的相干的或部分相干的源被导向成与分束光栅进行相互作用，x射线的Talbot干涉图案建立在指定空间区域中。这可以利用来自具有足够相干性的任何源的x射线来建立高对比度(通常具有对比度大于20％)的Talbot条纹，
并且可以利用x射线的点源或微聚焦源(如图4所示)、与图案化孔口相组合使用的扩展x射
线源(如图7所示)、或来自嵌入于导热基底中的离散结构的x射线的阵列源，(如图9至图16
和图19至图38所示)。一些实施例还可以包括微聚焦源——其具有在源的下游的准直x射线
光学器件(比如抛物面反射光学器件)——来产生平行的x射线束。所公开的构造可进一步
可选地包括单色器(比如双晶单色器或切槽单色器)或任何x射线滤波器来缩窄x射线束的
带宽。
并且可以利用x射线的点源或微聚焦源(如图4所示)、与图案化孔口相组合使用的扩展x射
线源(如图7所示)、或来自嵌入于导热基底中的离散结构的x射线的阵列源，(如图9至图16
和图19至图38所示)。一些实施例还可以包括微聚焦源——其具有在源的下游的准直x射线
光学器件(比如抛物面反射光学器件)——来产生平行的x射线束。所公开的构造可进一步
可选地包括单色器(比如双晶单色器或切槽单色器)或任何x射线滤波器来缩窄x射线束的
带宽。
[0233] 分束光栅可以是适合于形成Talbot干涉图案的任何光栅(比如吸收光栅、相移光栅、或它们的组合)，带有具有各种图案之任一种的孔口/移相器，如在本公开中其它地方已说明的。然而，分束光栅的一个特征是：它将通常被设计成与具有特定周期性图案的特定物体(比如具有处于已知节距的TSV的IC封装)相组合使用。所建立的Talbot图案将在尺寸和
节距上匹配于被检查物体。
节距上匹配于被检查物体。
[0234] 在下一步骤4010，具有周期性结构的被检查物体将被插放到预定位置处——节点和腹点的期望图案将在该处形成——的区域中。它通常可以在x射线关闭的情况下被插放，或者在x射线开启以及Talbot图案有效的情况下被插放。它可利用已被定位在Talbot条纹
将建立所在的区域中的、具有旋转和/或平移物体的能力的支架(比如5轴支架)、旋转置物
台或其它保持器来插放。
将建立所在的区域中的、具有旋转和/或平移物体的能力的支架(比如5轴支架)、旋转置物
台或其它保持器来插放。
[0235] 在任何情况下，一旦该物体到位，物体将被Talbot图案照射。
[0236] 在下一步骤4020，物体将被对准到Talbot图案。如上所讨论的，这将通常涉及使用平移和/或旋转来定位所述周期性结构，使得Talbot图案的明亮腹点重叠该周期性结构。该对准可以将结构的节距按1∶1的关系匹配到Talbot图案的节距，或者可以等于物体的关注区域或周期性结构的整数倍。
[0237] 周期性照射到周期性特征的这种对准，可以通过观察总的透射的x射线、并且最大化透射的信号(在该周期性物体更具透射性的情况下)或最小化透射的信号(在周期性结构
更具吸收性的情况下)来进行。
更具吸收性的情况下)来进行。
[0238] 对准也可以使用例如荧光来进行，因为来自物体的荧光信号在任何已知配置中被检测到，所述已知配置比如具有放置在相对于物体在x射线源同侧的x射线信号检测器。该
对准被调节，直到所检测到的荧光信号被最大化(如果该荧光信号对于所使用的x射线能量
而言对于周期性物体较高时)或被最小化(如果荧光信号对于周期性物体较低时)。另外，该荧光信号可以利用具备能量分辨率能力的检测器(比如能量分散光谱仪或波长分散光谱
仪)来检测。利用这样的检测器，特定的荧光信号可以被优化。例如，物体可被对准，直到来自关注的区域或结构的特定荧光线被最大化，或直到荧光线——其将是不存在或最低限度
地位于关注的区域或结构处——被最小化。一个实际的示例可以是：当关注的结构是块体
硅基底中的周期性铜结构时硅荧光线的最小化。
对准被调节，直到所检测到的荧光信号被最大化(如果该荧光信号对于所使用的x射线能量
而言对于周期性物体较高时)或被最小化(如果荧光信号对于周期性物体较低时)。另外，该荧光信号可以利用具备能量分辨率能力的检测器(比如能量分散光谱仪或波长分散光谱
仪)来检测。利用这样的检测器，特定的荧光信号可以被优化。例如，物体可被对准，直到来自关注的区域或结构的特定荧光线被最大化，或直到荧光线——其将是不存在或最低限度
地位于关注的区域或结构处——被最小化。一个实际的示例可以是：当关注的结构是块体
硅基底中的周期性铜结构时硅荧光线的最小化。
[0239] 一旦Talbot图案已被对准来照射周期性结构，在下一步骤4030中就可以测量所期望的量。确切的协议将取决于所期望的测量。例如，如果TSV的集合的平均厚度是待测量的量，则TSV被对准来与Talbot腹点重叠。在此示例中，经过TVS的x射线的透射和吸收被测量，并且可以使用本领域已知的已确立的方法来确定平均厚度。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测量的量，则来自与Talbot图案的腹点对准的TSV的小角散
射图案被测量，并且已知的分析方法被用于确定空隙的尺寸和尺寸分布。如果关注的是TSV的侧壁或涂层，则腹点可以不与TSV的中心对准，而是两个腹点与TSV的每一侧对准，从而允许通过已知的方法使用小角度散射分析诸如侧壁粗糙度这类事物。
射图案被测量，并且已知的分析方法被用于确定空隙的尺寸和尺寸分布。如果关注的是TSV的侧壁或涂层，则腹点可以不与TSV的中心对准，而是两个腹点与TSV的每一侧对准，从而允许通过已知的方法使用小角度散射分析诸如侧壁粗糙度这类事物。
[0240] 另一方面，如果要确定周期性物体的结晶或组成，则测量x射线衍射信号或x射线荧光信号。Talbot图案的三维性质(例如，沿z方向(波束传播方向)和横向方向的强度变化)可被利用来通过针对Talbot图案扫描物体(例如沿Talbot条纹在z方向)从而分析、测量、和表征周期性结构周围的信息，使得最高强度的点移动通过周期性结构，并且，所测量的信号(例如x射线衍射强度)与Talbot腹点的最亮部分被定位所在的深度相关联可允许判定是否
结构具有预定规格的均匀结晶度。
结构具有预定规格的均匀结晶度。
[0241] 数据采集通常将在测量吸收、小角散射、衍射或反射时使用具有安装在距被检查物体某距离处的像素阵列的x射线检测器来进行，或在测量x射线荧光时使用x射线光谱仪。
x射线强度将被转换成电子信号，其然后将经由连接电缆或无线接口传递到数据存储和分
析系统。
x射线强度将被转换成电子信号，其然后将经由连接电缆或无线接口传递到数据存储和分
析系统。
[0242] 一旦测量已被采集，在下一步骤4040中，对测量进行分析以计算或以其它方式推导期望的度量。这可能关联于物体的物理尺寸、周期性物体内应力的局部存在或不存在、组成物或晶体结构等。
[0243] 此方法可以适用于任何数量的测量和检测应用，包括但不限于x射线透射或吸收测量、小角度x射线散射(SAXS)、x射线荧光(XRF)检测、x射线反射(XRR)测量、和x射线衍射(XRD)测量。本领域技术人员将知晓暴露于x射线照射——具有调整到被检查物体周期性的
结构化强度图案——的此方法的其它应用。
结构化强度图案——的此方法的其它应用。
[0244] 图42示出物体2400的一种放置的示例，物体2400包括如可在本发明一些实施例中使用的分束光栅210-1-90的Talbot干涉条纹图案中的周期性特征2420。物体2400310被放
置在Talbot距离的分数位置处，使得关注的物体特征2420320对准于腹点(干涉图案的相长
干涉区域)。这意味着x射线有效地只与这些周期性特征2420相互作用，而对应于节点(图案的相消干涉区域)的周边区域不产生或产生极具减少的信号。
置在Talbot距离的分数位置处，使得关注的物体特征2420320对准于腹点(干涉图案的相长
干涉区域)。这意味着x射线有效地只与这些周期性特征2420相互作用，而对应于节点(图案的相消干涉区域)的周边区域不产生或产生极具减少的信号。
[0245] 图42示出的Talbot图案对应于具有1∶1、π/2相移图案的分束光栅210-1-90的强度图案，例如，如示出于下述参考文献“X-Ray Phase Imaging with Single Phase Grating”by Y.Takeda et al.，Jpn.J.Appl.Phys.vol.46，2007，pp.L89-L91。
[0246] 被检查物体的关注的区域和/或周期性特征可以以多种不同方式被对准，取决于期望的测量结果。例如，如果关注的是特征本身的尺寸或组成，它们应被定中心在Talbot干涉图案的腹点上。如果存在诸如特征的侧面这类的关注区域，被检查物体应被定位成使得
亮的腹点对应于这些区域。还应当注意的是，对于此方法有深度灵敏度。利用足够薄的样
品，通过沿干涉条纹移动样品，此方法可用于执行期望特性的深度敏感映射。
亮的腹点对应于这些区域。还应当注意的是，对于此方法有深度灵敏度。利用足够薄的样
品，通过沿干涉条纹移动样品，此方法可用于执行期望特性的深度敏感映射。
[0247] 这种使用的一个示例是：其中分束器由上游足够空间相干的x射线束照射，从而在光分束器下游规定距离处(Talbot距离的分数和整数位置处)产生Talbot自像和强度图案。
在此示例中，呈透射几何结构的要成像的平面型样品(样品平面平行于衍射光栅)被放置在
分束器下游一段距离处，在该距离处存在由x射线的干涉造成的高低强度图案。如果分束光栅是相移型，它可以被放置在Talbot距离的分数之一的位置处，例如：
在此示例中，呈透射几何结构的要成像的平面型样品(样品平面平行于衍射光栅)被放置在
分束器下游一段距离处，在该距离处存在由x射线的干涉造成的高低强度图案。如果分束光栅是相移型，它可以被放置在Talbot距离的分数之一的位置处，例如：
[0248]
[0249] 其中，p1是分束光栅的周期，DN为平面波照射的Talbot距离的分数，λ是平均x射线波长，和N5是检测器放置所在处的Talbot分数阶(N＝1，2，3，...)。
[0250] 分束器的节距可以被选择成匹配所关注的区域的节距(例如，特征或特征边缘)；这可以按下式与第一阶有关：
[0251]
[0252] 其中，df定义为关注的区域或特征的节距，dg是衍射光栅的节距， 是缩放因子(对于相位型衍射光栅而言，对于π/2相移 为1，对于π相移 为1/2)，M是定义为(L1+L2)/L1的放大因数，其中L1是从有效源点到衍射光栅的距离，L2是从光栅到被检查物体的距离。
[0253] 被检查物体的周期性特征与干涉图案的腹点和节点(相消干涉)的对准确保了x射线激发只发生在明亮的腹点处，从而允许对仅关注的特征和区域的照射和随后的测量、表
征和分析。
征和分析。
[0254] 应当注意的是，可以使用下述配置，其中分束光栅上制作的结构可以比被检查的周期性结构大得多，取决于样品距分束器的距离。图43示出来自图2的Talbot条纹，而针对Talbot距离的一些中间值的干涉条纹的周期绘制在图的上方(注意，最小周期比分束光栅
的周期p小4倍)。
的周期p小4倍)。
[0255] 在Talbot距离DT处，原始的光栅条纹图案本身再现，而周期p匹配原始光栅周期。在Talbot距离的一半(DT/2)处，周期也是p，但节点和腹点逆反。然而，在Talbot距离的四分之一(DT/4)处，条纹周期为p/2——在原始光栅处的值的一半。并且，在其一半处(Talbot距离的八分之一(DT/8)处)，条纹周期为p/4。因此，呈10纳米节距的结构可根据本发明的方法通过使用周期为40纳米的分束光栅(如果分束器的选择合适的话)从而被有效地照射。
[0256] 还应当注意的是，在一些情况下，物体本身能够充当分束光栅。铜制成的TSV可对x射线引入相移，并且包含周期性TSV的物体可以被用作具有合适的相干照射的分束光栅。所得的干涉图案本身可被用来推断TSV的各种性质，而无需与其它物体或光学元件的另外相互作用。
[0257] 3.3.作为装置的实施例。
[0258] 此外，一种装置可以被构造来实现基于前述方法的测量。本发明的关于测量、表征(例如计量或检验)、和/或分析装置的实施例可以包括：
[0259] a)x射线源系统，其包括：具有足够空间相干性的x射线发生器，或一种x射线源——其当与另一元件(比如吸收光栅)组合时实现足够的空间相干性；
[0260] b)周期性衍射光学元件(比如优选呈透射几何的衍射光栅)，其当被具有足够空间相干性的x射线束照射时产生Talbot干涉图案；
[0261] c)一个或多个x射线检测器-分析器系统，其类型取决于要获得的x射线信息，比如本领域已知的位置敏感探测器或本领域已知的x射线光谱仪；
[0262] d)用于针对干涉图案将被检查物体的周期性特征进行对准的装置，
[0263] e)用于记录所检测信息的装置；和
[0264] f)用于分析所记录信息的装置。
[0265] 为了实现Talbot效应，x射线源系统必须提供具有足够空间相干性的照射x射线束，其可以通过本领域专业人员已知晓的方法实现，所述已知晓的方法包括：使用固体靶或液态金属射流靶的高亮度微聚焦/纳米焦点源。替代地，该源可以包括微结构化阳极或线性累加的子源，类似于上述那些。
[0266] 在本发明的一些实施例中，采用了一种装置，其在一个方向上产生Talbot干涉条纹或通过使用衍射元件(优选相移型周期光栅)从而在两个正交方向上产生干涉图案。该衍
射元件可以是包括相移部分——通过提前或推迟穿过光栅线的x射线的相位从而分割x射
线束——的衍射光栅，或本质上吸收型的衍射光栅，以获得在幅度、相位、或合成波阵面的幅度和相位两者的周期性空间调制。
射元件可以是包括相移部分——通过提前或推迟穿过光栅线的x射线的相位从而分割x射
线束——的衍射光栅，或本质上吸收型的衍射光栅，以获得在幅度、相位、或合成波阵面的幅度和相位两者的周期性空间调制。
[0267] 在一些使用基于Talbot探测方法的计量或表征装置的实施例中，将具有如图44所示的部件，该系统通常包括：
[0268] 产生x射线888的x射线源002，
[0269] 衍射元件210，其包括周期p1的x射线分束器，
[0270] 样本保持器264，其被放置或者可通过控制器265被控制来移动要被定位在Talbot距离的分数或整数位置处的被检查物体2400，并且也针对周期性Talbot干涉条纹以预定方
式把要被定位的物体的周期性结构对准，以及
式把要被定位的物体的周期性结构对准，以及
[0271] x射线检测器/分析器系统290。
[0272] 在这样的实施例中，x射线源002必须产生具有足够相干性的x射线，用于要产生的具有高对比度(例如对比度大于20％)的Talbot干涉条纹。此x射线源可以是常规的x射线
源，例如高亮度微聚焦/纳米聚焦源、或小焦点液态金属喷射源，或者如图7所示的扩展源
300——其具有放置在它前方的多狭缝光栅(吸收光栅)308以产生小的相干x射线源阵列。
替代地，源可以是包括线性或二维阵列微结构700的x射线发生器002，所述微结构700包含
嵌入在具有高导热率的第二种材料1000中的、产生具有期望特性的x射线的材料。这种源的示例在上面已经描述，并在前面提及的本发明的发明人的题为X-RAY SOURCES USING
LINEAR ACCUMULATION的美国专利申请(2014年9月19日提交的美国专利申请14/490,672)
中更详细地描述。
源，例如高亮度微聚焦/纳米聚焦源、或小焦点液态金属喷射源，或者如图7所示的扩展源
300——其具有放置在它前方的多狭缝光栅(吸收光栅)308以产生小的相干x射线源阵列。
替代地，源可以是包括线性或二维阵列微结构700的x射线发生器002，所述微结构700包含
嵌入在具有高导热率的第二种材料1000中的、产生具有期望特性的x射线的材料。这种源的示例在上面已经描述，并在前面提及的本发明的发明人的题为X-RAY SOURCES USING
LINEAR ACCUMULATION的美国专利申请(2014年9月19日提交的美国专利申请14/490,672)
中更详细地描述。
[0273] 图44是所公开的x射线表征装置的一个实施例的示意图；示出的x射线表征系统可以用来获取关注的x射线信息(包括XRF、XRD、成像和SAXS)的任何组合。图44包括微结构化阳极源，其包括具有x射线产生材料的微结构700的基底1000。具有高的空间相干性的x射线束888照射定位在相距源002距离L1处的衍射光栅210。在光栅下游Talbot距离L2处，物体
2400被放置成使得它的关注的区域或特征2420与Talbot强度图案的腹点对准。注意，这些
区域的周期p2按下式与衍射光栅的周期p1相关
2400被放置成使得它的关注的区域或特征2420与Talbot强度图案的腹点对准。注意，这些
区域的周期p2按下式与衍射光栅的周期p1相关
[0274]
[0275] 其中， 是缩放因数(对于相位型衍射光栅，对于π/2相移 为1，对于π相移 为1/2)，并可以取决于光栅的类型以及Talbot距离。
[0276] 此外，在一些实施例中，衍射元件是相位光栅，并且最优选设计为引起π的分数或整数倍(比如π/4、π/2、π、或3/2π等)相移。因为在该方法中，样品优选位于衍射元件的下游在分数或整数距离处。另外的实施例可以包括上述能力中一个以上能力的任何组合。这可以通过使用附加检测器和结合可被加入或去除的光学元件来完成。用于这种多用途式计量
系统的源和检测器构造的示例，已由Boris Yokhin等人提出(美国专利No.7,551,719)。
系统的源和检测器构造的示例，已由Boris Yokhin等人提出(美国专利No.7,551,719)。
[0277] 3.4.采用小角度x射线散射(SAXS)的装置实施例。
[0278] 图45和图46示出本发明的实施例的示意图，其中所公开的装置的周期性微束被用来获取来自关注的区域或特征的小角度x射线散射(SAXS)信息。
[0279] 在本实施例中，来自x射线源002的相干x射线888照射相位光栅210-1-90。可选的孔口或准直系统(例如，一个或多个孔口或狭缝)可被放置在相位光栅之前或之后。x射线
888在与光栅210-1-90相互作用后形成Talbot干涉图案888-T。包括周期性结构2420的物体
2400被对准，使得关注的结构2420与Talbot图案腹点重合，并产生小角度x射线散射。散射的x射线889由检测器290检测，该检测器290通常是本领域中公知的位置敏感型检测器。可
选的束终止器422，其具有吸收x射线的区域424，可以被采用来阻挡未散射的主要x射线889的透射的检测。对于该系统的一些实施例，x射线898的高达50毫弧度的小角度散射可由检
测器检测到，而束终止器422将阻挡从0弧度的角度到系统的几何布置所决定的角度的范
围。例如，如果该检测器相距物体1米远，并且整体被照射区域的直径为100微米，则束终止器将需要阻挡从0毫弧度到至少高达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射线。在一些实施例中，束终止器422被取代为：被放置在靠近检测器并且被设计为阻止直接透射的x射线的单个均匀束终止器。
888在与光栅210-1-90相互作用后形成Talbot干涉图案888-T。包括周期性结构2420的物体
2400被对准，使得关注的结构2420与Talbot图案腹点重合，并产生小角度x射线散射。散射的x射线889由检测器290检测，该检测器290通常是本领域中公知的位置敏感型检测器。可
选的束终止器422，其具有吸收x射线的区域424，可以被采用来阻挡未散射的主要x射线889的透射的检测。对于该系统的一些实施例，x射线898的高达50毫弧度的小角度散射可由检
测器检测到，而束终止器422将阻挡从0弧度的角度到系统的几何布置所决定的角度的范
围。例如，如果该检测器相距物体1米远，并且整体被照射区域的直径为100微米，则束终止器将需要阻挡从0毫弧度到至少高达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射线。在一些实施例中，束终止器422被取代为：被放置在靠近检测器并且被设计为阻止直接透射的x射线的单个均匀束终止器。
[0280] 在一些实施例中，被检查物体2400可以被安装在支架上，并且通过置物台、5轴支架505或测角器从而被旋转或平移。
[0281] 应当注意的是，所示的这些实施例不是按比例的，因为Talbot干涉图案的发散、准直或收敛将取决于x射线束被准直的良好度以及物体被放置成距离源的远度。
[0282] 3.5.采用x射线荧光的装置实施例
[0283] 图47是本发明的一个实施例的示意图，其中所公开的装置被用来获取来自被检查物体内部的周期性区域的x射线荧光信息。在本实施例中，几何结构被布置成符合总x射线
荧光(TXRF)配置。如在先前描述的实施例中，x射线源002照射相位光栅210并且与光栅210
相互作用后形成Talbot干涉图案888-T。包括周期性结构2420的物体2400被对准成使得：关注的结构2420与Talbot图案腹点重合，并产生x射线荧光887。如图所示，Talbot条纹在θ角度(对于物体的材料邻近掠入射)与物体2400相交，虽然也可以使用入射的其它角度。x射线荧光887然后由定位在相距物体某一预定距离处的检测器290-F检测。
荧光(TXRF)配置。如在先前描述的实施例中，x射线源002照射相位光栅210并且与光栅210
相互作用后形成Talbot干涉图案888-T。包括周期性结构2420的物体2400被对准成使得：关注的结构2420与Talbot图案腹点重合，并产生x射线荧光887。如图所示，Talbot条纹在θ角度(对于物体的材料邻近掠入射)与物体2400相交，虽然也可以使用入射的其它角度。x射线荧光887然后由定位在相距物体某一预定距离处的检测器290-F检测。
[0284] 如所示，Talbot干涉图案是填充一定空间体积的三维结构，因此，物体的周期性结构不定位在同一Talbot距离处。一个更实际的实施例可以是使用二维Talbot图案，其中Talbot图案呈薄片形式，并以一维x射线照射物体。这允许周期性结构全被相同的Talbot条纹照射，因为全部特征都相距分束光栅相同距离。
[0285] 在一些实施例中，通过利用置物台、5轴支架或测角器509旋转或平移物体，从而被检查物体2400可以被旋转或平移。
[0286] 在该实施例的变型中，x射线源系统——其具有微结构化源、由线性累加子源构成的源、小焦点源、或与多狭缝相组合的扩展源——可被用来照射分束器，并形成入射在物体上的Talbot干涉图案。可选地，光学元件和单色器可被放置在源和分束器之间。此系统可以是水平的或竖直的。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。该检测器可被偏置来收集以一角度自样本发出的x射线荧光，或替代地接收在光学元件或多层反射后的荧光信号。该检测器可以是波长或能量敏感型，比如硅漂移检测器、闪烁检测器、和比例计数器。
[0287] 在一些实施例中，检测器可被放置在物体的与x射线源相同的一侧。在这种配置中，检测器优选是中间有孔的硅漂移检测器，也可以是任何能量敏感或波长敏感光谱仪。可选的x射线光学元件可以可选地使用、放置在分束器的下游的Talbot距离处、并且优选是反射式毛细管x射线光学元件(例如椭圆单毛细管透镜)。替代地，代替光学元件，可以使用孔口或准直部件。经准直或聚焦的x射线照射处于周期性区域中的物体。由物体产生的荧光x
射线然后被检测器收集，该检测器放置在被检查物体附近以最大化收集的立体角。可应用
于本发明的实施例的x射线光学元件、配置和系统，已在本发明的发明人的题为“X-RAY
ILLUMINATORS WITH HIGH FLUX AND HIGH FLUX DENSITY”的共同未决的美国专利申请
(2014年12月5日提交的美国专利申请14/544,191)中、以及在本发明的发明人的“X-RAY
SURFACE ANALYSIS AND MEASUREMENT APPARATUS”(2015年3月1日提交的美国专利申请14/
634,834)中更详尽地描述，其都在此通过引用整体并入本文。
射线然后被检测器收集，该检测器放置在被检查物体附近以最大化收集的立体角。可应用
于本发明的实施例的x射线光学元件、配置和系统，已在本发明的发明人的题为“X-RAY
ILLUMINATORS WITH HIGH FLUX AND HIGH FLUX DENSITY”的共同未决的美国专利申请
(2014年12月5日提交的美国专利申请14/544,191)中、以及在本发明的发明人的“X-RAY
SURFACE ANALYSIS AND MEASUREMENT APPARATUS”(2015年3月1日提交的美国专利申请14/
634,834)中更详尽地描述，其都在此通过引用整体并入本文。
[0288] 3.6.采用x射线反射的装置实施例
[0289] 本发明的另一实施例，其中所公开的装置被用来获得来自被检查物体内部周期性区域的x射线反射信息。在本实施例中，几何结构被布置成符合x射线反射(XRR)配置。如在前面描述的荧光实施例中，x射线源照射相位光栅并且在与光栅相互作用后形成Talbot干
涉图案。如在一些前面描述的实施例中，可选的聚焦或准直系统可以用来创建用于Talbot
干涉图案的(会聚的、发散的、或准直的)预定波阵面轮廓。这种聚焦或准直系统可以通过包括过滤、单色化等元件从而附加地具备带宽限制或单色化。该聚焦系统也可被放置在相位
光栅之前或之后(优选在Talbot距离处)。
涉图案。如在一些前面描述的实施例中，可选的聚焦或准直系统可以用来创建用于Talbot
干涉图案的(会聚的、发散的、或准直的)预定波阵面轮廓。这种聚焦或准直系统可以通过包括过滤、单色化等元件从而附加地具备带宽限制或单色化。该聚焦系统也可被放置在相位
光栅之前或之后(优选在Talbot距离处)。
[0290] 包含周期性结构的物体被对准，使得所关注的结构重合于Talbot图案腹点，并且x射线从周期性结构的被照射面反射。反射的x射线然后被定位在离物体某预定距离处的检
测器检测。
测器检测。
[0291] 3.7.采用x射线衍射的装置实施例
[0292] 图48示出本发明的一个实施例的示意图，其中所公开的装置的周期性微束被用来获取来自关注的周期性结构或特征的x射线衍射(XRD)信息。具有透射几何结构的x射线衍
射实施例的示例示于图48，而其它实施例可以具有掠入射/反射几何形状。
射实施例的示例示于图48，而其它实施例可以具有掠入射/反射几何形状。
[0293] 在图48的实施例中，x射线源002(示出为微结构化阳极源，但它可以替代地为具有源光栅的扩展源或具有足够空间相干性的任何其它x射线发生器)照射相位光栅210。可选
的孔口或准直系统(例如，一个或多个孔口或狭缝)可被放置在相位光栅之前或之后。x射线
888在与光栅210相互作用之后形成Talbot干涉图案888-T。包括周期性结构2420的物体
2400被对准成使得关注的结构2420重合于Talbot图案腹点，并产生x射线衍射898-D。衍射
的x射线898-D是由检测器290-D检测，该检测器290-D通常将是本领域中公知的位置敏感型
检测器。可选的束终止器422，其具有吸收x射线的区域424，可以被采用来阻挡未衍射的主要x射线的透射的检测。
的孔口或准直系统(例如，一个或多个孔口或狭缝)可被放置在相位光栅之前或之后。x射线
888在与光栅210相互作用之后形成Talbot干涉图案888-T。包括周期性结构2420的物体
2400被对准成使得关注的结构2420重合于Talbot图案腹点，并产生x射线衍射898-D。衍射
的x射线898-D是由检测器290-D检测，该检测器290-D通常将是本领域中公知的位置敏感型
检测器。可选的束终止器422，其具有吸收x射线的区域424，可以被采用来阻挡未衍射的主要x射线的透射的检测。
[0294] 3.8.实施例的组合。
[0295] 尽管已描述了一些装置，其使用周期性结构化照射(诸如Talbot干涉条纹)来产生与小角度x射线散射、x射线荧光、x射线反射和x射线衍射相关的信号，但是这些测量系统并非相互排斥的，并且可以被组合来序列地或并行地收集信息。这里给出的描述并不意味着
是限制性的，并且这些实施例的组合对本领域技术人员将是显而易见的。
是限制性的，并且这些实施例的组合对本领域技术人员将是显而易见的。
[0296] 4.0光栅的制作。
[0297] 在本发明的实施例中使用的光栅的制造可以利用已知的现有技术制造工艺制成，所述现有技术制造工艺比如Christian David先前描述的那些[C.David et al.，
“Fabrication of diffraction gratings for hard x-ray phase contrast imaging”，Microelectron.Eng.84，1172-1177，2007]。
“Fabrication of diffraction gratings for hard x-ray phase contrast imaging”，Microelectron.Eng.84，1172-1177，2007]。
[0298] 用于x射线的光栅可以使用硅基底来制造，利用形貌上蚀刻的变化来引入相位变化和更高Z物质(比如金(Au，Z＝79))的沉积来引入吸收变化。黄金和硅的x射线吸收特性在图39中示出。
[0299] 如图49所示，周期性图案3010可以被蚀刻到硅基底3000来创建一种结构，该结构对于在法向入射的x射线引入周期性相移。该相移取决于蚀刻深度，当下列条件满足实现
时，实现对法向入射x射线的π弧度相移：
时，实现对法向入射x射线的π弧度相移：
[0300]
[0301] 表IV示出在一些x射线能量下硅的δ值、以及对于π弧度相移需要的蚀刻结构的深度。
[0302] 典型的光栅制造工艺包括：用光致抗蚀剂涂覆<110>取向的硅晶片，并且使用常规光刻、聚焦离子束光刻或电子束光刻来图案化该光致抗蚀剂。然后对硅执行蚀刻工艺，比如在例如氢氧化钾(KOH)溶液中湿蚀刻、或反应性离子蚀刻(RIE)，而蚀刻仅选择性地发生于
没有被光致抗蚀剂掩蔽的硅部分。蚀刻深度可通过调节蚀刻工艺的时间来控制。蚀刻工艺
的其它变型将是半导体加工和制造领域技术人员所知晓的。
没有被光致抗蚀剂掩蔽的硅部分。蚀刻深度可通过调节蚀刻工艺的时间来控制。蚀刻工艺
的其它变型将是半导体加工和制造领域技术人员所知晓的。
[0303] 表IV：对于硅的π弧度相移的蚀刻深度。
[0304]
[0305] 吸收光栅(比如用于G2的那些)可以通过初始创建硅相位光栅(如上所述)、然后将x射线吸收材料(比如金)淀积到硅中已图案化的凹槽中从而制得。这在图50示出，其中x射
线吸收材料3030(比如金)的量已填充硅基底3000中创建的凹槽。用于金沉积到硅凹槽中的
一种工艺涉及标准电镀工艺。以确保金仅淀积到凹槽中，可首先以一个角度地沉积铝牺牲
层，然后沉积含有铬(Cr)和金(Au)的约50纳米厚的种子层。磷酸处理去除沉积在硅结构的
顶部上的所有材料，从而留下仅在硅中凹槽的底部中的种子材料。随后可进行标准电镀，而金的生长仅发生在沉积的种子层上。几百微米的金沉积可以创建具有75％或更高的透射调
制的吸收光栅。然而，吸收将取决于x射线能量和材料的吸收系数，如图1和图39所示。用于制造x射线吸收光栅的其它方法将是本领域技术人员所知晓的。
线吸收材料3030(比如金)的量已填充硅基底3000中创建的凹槽。用于金沉积到硅凹槽中的
一种工艺涉及标准电镀工艺。以确保金仅淀积到凹槽中，可首先以一个角度地沉积铝牺牲
层，然后沉积含有铬(Cr)和金(Au)的约50纳米厚的种子层。磷酸处理去除沉积在硅结构的
顶部上的所有材料，从而留下仅在硅中凹槽的底部中的种子材料。随后可进行标准电镀，而金的生长仅发生在沉积的种子层上。几百微米的金沉积可以创建具有75％或更高的透射调
制的吸收光栅。然而，吸收将取决于x射线能量和材料的吸收系数，如图1和图39所示。用于制造x射线吸收光栅的其它方法将是本领域技术人员所知晓的。
[0306] 对于一些应用和对于一定的x射线波长，也可以使用晶体光栅。
[0307] 5.0检测器性质
[0308] 检测器可以是用于形成x射线图像的许多检测器中的任何一种。常用的x射线检测器的一种类型包括：荧光屏或闪烁器(比如包括一层碘化铯(CSI)、铊掺杂的碘化铯、钇铝石榴石(YAG)或硫氧化钆(gadolinium sulfoxylate，GOS)的一种荧光屏或闪烁器)，其当暴露于x射线时发射可见光光子。可见光光子然后由使用可见光光学元件(其放大和增强荧光屏
发射的光子的强度图案)将可见光强度转换成电子信号(经常带有中继图像的附加形成)的
电子传感器检测。利用中继光学元件，电子检测器不需要自身包括高分辨率传感器，并且可以使用便宜的商业CCD检测器或具有例如每24μm x24μm平方1024×1024像素的互补金属氧
化物半导体(CMOS)传感器阵列。
发射的光子的强度图案)将可见光强度转换成电子信号(经常带有中继图像的附加形成)的
电子传感器检测。利用中继光学元件，电子检测器不需要自身包括高分辨率传感器，并且可以使用便宜的商业CCD检测器或具有例如每24μm x24μm平方1024×1024像素的互补金属氧
化物半导体(CMOS)传感器阵列。
[0309] 商业平板数字x射线传感器——其中闪烁器材料的层被放置成靠近(或甚至涂覆到)常规光学图像传感器阵列——由例如加利福尼亚州Palo Alto的Varian公司、马萨诸塞
州的Billerica的General Electric公司制造。图像传感器的其它构造可以是本领域技术
人员已知的。在使用了G2分析光栅的一些实施例中，优选使用用于医疗和工业用途的高效
率的、快速读出的检测器，比如平板检测器。对于许多应用，具有大于20微米的分辨率的平板检测器将要求具有周期等于Talbot条纹周期的分析光栅G2被放置在检测器之前的x射线
束路径中。
州的Billerica的General Electric公司制造。图像传感器的其它构造可以是本领域技术
人员已知的。在使用了G2分析光栅的一些实施例中，优选使用用于医疗和工业用途的高效
率的、快速读出的检测器，比如平板检测器。对于许多应用，具有大于20微米的分辨率的平板检测器将要求具有周期等于Talbot条纹周期的分析光栅G2被放置在检测器之前的x射线
束路径中。
[0310] 第二种途径是使用一种电子传感器，其响应于x射线的吸收、通过例如在非晶硒(α-Se)中电子-空穴对的直接产生从而直接产生电信号。这些然后使用薄膜晶体管(TFT)阵列从而被转换成电子信号。这种直接式平板检测器(FPD)是商业可获得的，比如日本Kyoto
的Shimadzu公司的Safire FPD。
的Shimadzu公司的Safire FPD。
[0311] 6.0.变型
[0312] 实施例可以进一步包括通常包含在Talbot干涉仪中的其它部件(包括光谱过滤器)，以获得对系统的所有的各种部件所期望的x射线能量带宽和定位控制系统。
[0313] 应当注意，本公开中所使用的某些术语将是本领域技术人员熟知的，比如格栅(grid)或光栅(grating)。在本文的描述中，格栅和光栅是可以互换使用的术语，并且不意味着受限于特定的格栅、周期、或图案。
[0314] 同样地，应当注意，本公开中所使用的某些术语将是本领域技术人员熟知的，比如Talbot条纹、干涉图案、或“毯”。在本文的描述中，干涉图案、条纹、或“毯”是可以互换使用的术语，并且不意味着受限于任何特定的强度图案。
[0315] 同样地，应当注意，虽然这些方法和系统旨在与周期性结构一起使用，但是所述结构不必是均匀周期性的来实现有用的益处。缺少阵列的某些行或列的格栅化结构，仍可以提供有用的信号，如准周期性结构那样(比如使用定向自组装(DSA)而形成的那些)。只要结构的一部分是一定程度上大体周期性的，就可以采用本发明的方法和系统。
[0316] 本申请公开了本发明的若干实施例，包括发明者设想到的最佳实施方式。应当认识到，虽然可能给出了具体实施例，对于某些实施例详细地讨论的元件也可以适用于其它
实施例。
实施例。
[0317] 虽然阐述了具体的材料、设计、构造和制造步骤来描述本发明和优选实施例，但这些描述并不意在是限制性的。修改和变化对于本领域技术人员来说是显然的，并且意图是本发明仅由随附权利要求的范围来限定。
[0318] 优选地包括本文描述的所有元件、零件和步骤。应理解，这些元件、零件和步骤中的任一个可以被其它的元件、零件和步骤取代或者一并删除，正如对于本领域技术人员所显而易见的。
[0319] 本书面描述公开了一种用于周期性结构的测量、表征和分析的x射线方法。
[0320] 概括地说，本书面描述公开了至少以下内容：
[0321] x射线照射的周期性空间图案被用来收集关于周期性物体的信息。可以使用相干的或部分相干的x射线源与分束光栅的相互作用来创建具有周期性结构的Talbot干涉图
案，以创建结构化照射。然后将要测量的具有周期性结构的物体放置到该结构化照射中，并且分析来自多个照射点的信号的集合以确定物体及其结构的各种性质。使用本发明的方
法，对于x射线吸收/透射、小角度x射线散射、x射线荧光、x射线反射和x射线衍射的应用都是可能的。
案，以创建结构化照射。然后将要测量的具有周期性结构的物体放置到该结构化照射中，并且分析来自多个照射点的信号的集合以确定物体及其结构的各种性质。使用本发明的方
法，对于x射线吸收/透射、小角度x射线散射、x射线荧光、x射线反射和x射线衍射的应用都是可能的。
[0322] 构思
[0323] 本文也给出至少以下构思。
[0324] 1.一种用于检查具有周期性结构的物体的方法，包括：
[0325] 确定将在其中形成Talbot干涉图案的体积，
[0326] 所述Talbot干涉图案使用下述项形成：
[0327] x射线源和
[0328] x射线分束光栅；
[0329] 将具有周期性结构的物体放置到所述体积中；
[0330] 建立Talbot干涉图案；
[0331] 将所述物体的周期性结构与所述Talbot干涉图案的腹节点对准；和
[0332] 检测由于下述项的相互作用而引起的x射线信号：
[0333] Talbot干涉图案和
[0334] 所述物体的周期性结构。
[0335] 2.如构思1所述的方法，其中，
[0336] x射线信号是起因于通过所述周期性结构的x射线的透射而产生的信号。
[0337] 3.如构思1所述的方法，其中，
[0338] x射线信号是起因于选自以下项构成的组中的一种或多种现象而产生的信号：
[0339] 小角度x射线散射、x射线荧光、x射线反射、和x射线衍射。
[0340] 4.如构思1至3所述的方法，其中，
[0341] x射线源是微聚焦源。
[0342] 5.如构思1至4所述的方法，其中，
[0343] x射线源是与包括周期性孔口的吸收光栅相结合使用的扩展源。
[0344] 6.如构思1至5所述的方法，其中，x射线源包括：
[0345] 真空室；
[0346] 用于电子束的发射器；和
[0347] 电子靶，其包括：
[0348] 包括第一材料的基底，和嵌入在所述基底中的
[0349] 包括根据x射线产生性质选取的第二材料的至少多个离散结构，
[0350] 并且其中所述多个离散结构被布置成形成子源的周期性图案。
[0351] 7.如构思1至6所述的方法，其中，
[0352] x射线分束光栅包括用以对预定x射线波长引入大约π弧度相移的结构。
[0353] 8.如构思1至6所述的方法，其中，
[0354] x射线分束光栅包括用以对预定x射线波长引入大约π/2弧度相移的结构。
[0355] 9.如构思1至8所述的方法，其中
[0356] x射线分束光栅包括x射线相移光栅，其中所述x射线相移光栅的周期p1小于或等于来自x射线源的x射线的横向相干长度。
[0357] 10.如构思6至9所述的方法，其中，
[0358] 第一选择的材料是选自以下项构成的组：
[0360] 第二材料是选自以下项构成的组：
[0362] 11.一种x射线计量系统，包括：
[0363] x射线源，其包括：
[0364] 真空室；
[0365] 用于电子束的发射器；和
[0366] 电子靶，其包括：
[0367] 包括第一材料的基底和，嵌入在所述基底中的
[0368] 包括根据x射线产生性质选取的第二材料的至少多个离散结构，
[0369] 并且其中所述多个离散结构被布置在子源的周期性图案内；
[0370] x射线分束光栅，其包括形成x射线相移光栅的周期性结构，所述x射线相移光栅定位成使x射线子源所产生的x射线衍射；
[0371] 用于保持要检查物体的支架系统，其包括用以将支架相对于从x射线分束光栅衍射的x射线进行移动的机构；
[0372] x射线检测器，其包括x射线检测元件的二维阵列，并定位成检测由于与安装在支架系统中的物体的相互作用而引起的x射线。
[0373] 12.如构思11所述的x射线计量系统，其中，
[0374] 所述支架系统附加地包括用于定位支架的机构。
[0375] 13.如构思11或12所述的x射线计量系统，其中，
[0376] x射线相移光栅包括用以对预定x射线波长引入大约π弧度相移的结构。
[0377] 14.如构思11或12所述的x射线计量系统，其中，
[0378] x射线相移光栅包括用以对预定x射线波长引入大约π/2弧度相移的结构。
[0379] 15.如构思11至14所述的x射线计量系统，其中，
[0380] x射线分束相移光栅包括
[0381] x射线相移光栅，其中所述x射线相移光栅的周期p1按下式与用于x射线靶的离散结构中的至少一个的尺寸a相关
[0382]
[0383] 其中，λ是预定x射线波长，
[0384] 并且L是靶和x射线分束光栅之间的距离。
[0385] 16.如构思15所述的x射线计量系统，其中，
[0386] x射线源产生的x射线与所述分束光栅相互作用以形成Talbot干涉图案。
[0387] 17.如构思16所述的x射线计量系统，其中，
[0388] 所述支架系统被设计成保持半导体晶片的至少一部分。
[0389] 18.如构思16所述的x射线计量系统，其中，
[0390] 所述支架系统被设计成保持集成电路的至少一部分。
[0391] 19.如构思16所述的x射线计量系统，其中，
[0392] 所述支架系统被设计成保持用于集成电路的封装部件的至少一部分。
[0393] 20.如构思16所述的x射线计量系统，其中，
[0394] 所述支架系统被设计成保持晶体样品。
[0395] 21.如构思16至20所述的x射线计量系统，其中，
[0396] 由于与安装在所述支架系统中的物体的相互作用而引起的x射线是透射的x射线。
[0397] 22.如构思16至20所述的x射线计量系统，其中，
[0398] Talbot干涉图案具有传播方向；以及
[0399] 由于与安装在所述支架系统中的物体的相互作用而引起的x射线是以从Talbot干涉图案的传播方向小于或等于40毫弧度的角度散射的x射线。
[0400] 23.如构思16至20所述的x射线计量系统，其中，
[0401] 由于与安装在所述支架系统中的物体的相互作用而引起的x射线是荧光x射线。
[0402] 24.如构思16至20所述的x射线计量系统，其中，
[0403] 由于与安装在所述支架系统中的物体的相互作用而引起的x射线是衍射的x射线。
[0404] 25.如构思16至20所述的x射线计量系统，其中，
[0405] 由于与安装在所述支架系统中的物体的相互作用而引起的x射线是反射的x射线。
[0406] 26.如构思16至26所述的x射线计量系统，其中，
[0407] Talbot干涉图案的对比度大于20％。
[0408] 27.如构思16至26所述的x射线计量系统，其中，
[0409] x射线检测器产生与x射线的性质相关的电子信号；并且附加地包括：
[0410] 用于记录由检测器产生的信息的装置。
[0411] 28.如构思27所述的x射线计量系统，其中，
[0412] x射线检测器产生与x射线的性质相关的电子信号；并且附加地包括：
[0413] 用于分析所记录信息的装置。
[0414] 附录A
[0415] 基于Talbot效应的x射线图案化探测的方法和使用该方法的表征(计量或检验)装置
[0417] 公开了一种在基于x射线的装置中利用Talbot效应的探测方法，其使用呈图案的x射线照射或准直射束。此方法可用于照射和分析周期性图案化材料和器件，并且将特别有
用于半导体特征(比如晶体管、接触孔、或互连(interconnects))的x射线分析。进一步公开的是计量或检验装置，其对于一些技术(包括小角散射(SAXS)、x射线荧光(XRF)、x射线衍射(XRD)和x射线反射(XRR))使用基于Talbot的图案化聚焦方法。
用于半导体特征(比如晶体管、接触孔、或互连(interconnects))的x射线分析。进一步公开的是计量或检验装置，其对于一些技术(包括小角散射(SAXS)、x射线荧光(XRF)、x射线衍射(XRD)和x射线反射(XRR))使用基于Talbot的图案化聚焦方法。
背景技术
[0418]
[0419] 传统的x射线分析或成像系统迄今依赖于样本的均匀照射或在一个特征上的聚焦照射。然而，在一些样本中，期望一种选择地探测周期性区域的方法；例如，来自半导体器件中的周期性晶体管的荧光信息可能是所期望的，但是来自周边晶片的荧光信息可能模糊该
信息和降低灵敏度。在这样的情况下，优选是将x射线探测仅集中在晶体管上，并尽可能降低来自样本的周边非晶体管区域的荧光。
信息和降低灵敏度。在这样的情况下，优选是将x射线探测仅集中在晶体管上，并尽可能降低来自样本的周边非晶体管区域的荧光。
[0420] 在过去十年中，基于Talbot的成像技术已在最近被开发用于x射线基于光栅的相衬成像(phase contrast imaging)。当分束光栅被具有足够大的空间相干性和足够窄的光
谱带宽的射束照射时，发生Talbot效应，并且因此，光栅的重复的自像被形成在光栅的下游侧的Talbot距离之一处。相位型和吸收型的衍射光栅都在下游不同定义的Talbot距离处产
生强度调制(供参考：Momose等人的“X-ray phase imaging with Talbot
interferometry”Biomedical Mathematics Promising Directions in Imaging，
Therapy，and Inverse Problems 2009)。该强度调制从在相消干涉的区域(节点)处为零变化到为入射到光栅上的强度的两倍(在倍率1、按定义为(R+z/R)的放大因数的平方进行比
例缩放)，其中z是强度调制相距于衍射光栅的距离，R是衍射光栅相距于源的距离。此原理已很大程度地用于获得来自样本的相位信息，但到目前为止，还没有被作为针对其它x射线形态的有用的现象。
谱带宽的射束照射时，发生Talbot效应，并且因此，光栅的重复的自像被形成在光栅的下游侧的Talbot距离之一处。相位型和吸收型的衍射光栅都在下游不同定义的Talbot距离处产
生强度调制(供参考：Momose等人的“X-ray phase imaging with Talbot
interferometry”Biomedical Mathematics Promising Directions in Imaging，
Therapy，and Inverse Problems 2009)。该强度调制从在相消干涉的区域(节点)处为零变化到为入射到光栅上的强度的两倍(在倍率1、按定义为(R+z/R)的放大因数的平方进行比
例缩放)，其中z是强度调制相距于衍射光栅的距离，R是衍射光栅相距于源的距离。此原理已很大程度地用于获得来自样本的相位信息，但到目前为止，还没有被作为针对其它x射线形态的有用的现象。
发明内容
[0421]
[0422] 以下是本发明的目的：
[0423] 1.发明各种方法，其使用由Talbot效应产生的周期性x射线微束来表征、分析、和测量天然存在的或人造的周期性结构。Talbot效应引起衍射光栅的下游的周期性强度条
纹。这些高低强度条纹(一维)或图案(二维)可以用于单独地或组合地利用已建立的x射线
技术(比如XRF、XRD、SAXS等)来探测特定的周期性区域。
纹。这些高低强度条纹(一维)或图案(二维)可以用于单独地或组合地利用已建立的x射线
技术(比如XRF、XRD、SAXS等)来探测特定的周期性区域。
[0424] 2.优选的目的是产生在对高维空间表征的至少一个维度上具有亚100纳米尺寸的x射线微束的周期性阵列。可获得降低到10纳米的空间分辨率来同时探测样本中的多个周
期性区域，这与探测一个集中区域或一个统一区域的传统方法相反。从对Talbot效应和现
有技术的研究，众所周知：在具有足够的空间相干性的照射射束下，周期性结构(比如一维或二维透射光栅)会产生具有强烈(高达100％)对比度的强度图案，其是由在明确定义的距
离处的相长与相消干涉而造成(所述距离取决于若干因素，包括衍射光栅是否为吸收型或
相移型、光栅的线空比和引起的相移)。周期性区域的这种探测将能够实现：天然存在的或人造的(例如半导体器件，其被用来作为一个非限制性示例来说明本方法)周期性结构的分
析和表征。
期性区域，这与探测一个集中区域或一个统一区域的传统方法相反。从对Talbot效应和现
有技术的研究，众所周知：在具有足够的空间相干性的照射射束下，周期性结构(比如一维或二维透射光栅)会产生具有强烈(高达100％)对比度的强度图案，其是由在明确定义的距
离处的相长与相消干涉而造成(所述距离取决于若干因素，包括衍射光栅是否为吸收型或
相移型、光栅的线空比和引起的相移)。周期性区域的这种探测将能够实现：天然存在的或人造的(例如半导体器件，其被用来作为一个非限制性示例来说明本方法)周期性结构的分
析和表征。
[0425] 3.通过将样本沿着x射线束轴(z)移动，使得Talbot干涉图案从样本(例如平面型样本)的表面附近移位到样本内部更深处，从而提供深度方向探测。这将允许不同深度处样本的多个区域的照射，从而允许例如将在小角度散射、衍射、荧光或反射测量中的差异映射为深度的函数。
[0426] 4.一种x射线系统的方法和设计，其利用具有针对Talbot效应的足够空间相干性的源的已知设计(包括：微聚焦x射线源、具有小光点尺寸的液体金属射流源、带有吸收光栅的扩展x射线源)或具有相似于主发明者最近在一些专利中提出的微结构化阳极的x射线
源，从而用于获得具有特定强度图案和探测尺寸的x射线探测器。
源，从而用于获得具有特定强度图案和探测尺寸的x射线探测器。
[0427] 5.一种使用周期性微束对样本的特定及优选周期性的区域的化学分析的方法，其通过收集来自样本的特定区域的x射线荧光、同时降低来自样本的其它区域的荧光信号的
产生从而实现。
产生从而实现。
[0428] 6.一种使用周期性微束来执行样本中周期性区域的x射线衍射分析的方法；例如执行晶体结构判定(例如组成分析、应变分析)和层厚度测量。此衍射测量优选在透射几何
结构中、但也可在反射几何结构中进行。
结构中、但也可在反射几何结构中进行。
[0429] 7.一种使用周期性微束来获得周期性结构的统计结构信息的方法，其通过利用小角散射技术从而实现。对于半导体器件的一个示例应用，所实现的能力包涵信息(比如临界尺寸的判定)、示例性参数(包括侧壁角度、节距和线宽粗糙度等)。
[0430] 8.利用周期性x射线微束——通过使用x射线反射信息——对周期性结构的薄膜结构判定的表征、分析和测量的方法。作为示例，此反射测量可以被用来确定在多层式结构中的诸如层厚度、密度、和粗糙度等参数。本发明优选用于透射几何结构、但也可在反射几何结构中进行。
[0431] 9.一种在广范应用中能够实现对大量样本的周期性区域的表征和分析的方法，其利用前述方法的组合或子集来获得周期性结构的补充的和全面的信息。样本优选是人造半
导体或电子器件样本、制造的材料或装置(例如光栅)、蛋白质晶体结构、或者化学的或聚合化合物。然而，本方法也可用于天然存在的物质(比如贵重矿物或含油岩石)的分析。
导体或电子器件样本、制造的材料或装置(例如光栅)、蛋白质晶体结构、或者化学的或聚合化合物。然而，本方法也可用于天然存在的物质(比如贵重矿物或含油岩石)的分析。
[0432] 这些和其它目的在本发明的公开的方法中得以实现，其中(变化强度的)Talbot干涉条纹被产生，并且样本内关注的区域与Talbot干涉条纹的腹点(相长干涉的区域)中的一
个或多个对准。非限制性示例方法是下述一种：其中衍射相位光栅被上游的适当空间相干
的x射线束照射，从而在衍射光栅的下游规定距离处(Talbot距离的整数和分数位置处)产
生Talbot自像和强度图案。在此示例方法中，呈透射几何结构的要成像的平面型样本(样本平面平行于衍射光栅)被放置在由于x射线的干涉引起高低强度图案的Talbot距离处。如果
2
衍射光栅是相位型，它被优选地放置在所述距离的分数位置之一处，例如zT＝n*P1/8/λ，其中n是整数，P1是衍射光栅的周期，且λ是波长(供参考：美国专利7,924,973 B2已关于干涉图案和Talbot距离进行了详细讨论)。衍射光栅节距可以选择成匹配所关注的区域(例如，
特征或特征边缘)的节距；这可以按下式与第一阶相关：
个或多个对准。非限制性示例方法是下述一种：其中衍射相位光栅被上游的适当空间相干
的x射线束照射，从而在衍射光栅的下游规定距离处(Talbot距离的整数和分数位置处)产
生Talbot自像和强度图案。在此示例方法中，呈透射几何结构的要成像的平面型样本(样本平面平行于衍射光栅)被放置在由于x射线的干涉引起高低强度图案的Talbot距离处。如果
2
衍射光栅是相位型，它被优选地放置在所述距离的分数位置之一处，例如zT＝n*P1/8/λ，其中n是整数，P1是衍射光栅的周期，且λ是波长(供参考：美国专利7,924,973 B2已关于干涉图案和Talbot距离进行了详细讨论)。衍射光栅节距可以选择成匹配所关注的区域(例如，
特征或特征边缘)的节距；这可以按下式与第一阶相关：
[0433] df＝dg*Sφ*M
[0434] 其中，df定义为关注的区域或特征的节距，dg是衍射光栅的节距，Sφ是缩放因子(对于相位型衍射光栅而言，对于pi/2相移Sφ为1，对于pi相移Sφ为1/2)，M是定义为(L1+L2)/L1的放大因数，其中L1是从源到衍射光栅的距离，及L2是从光栅到样本的距离。样本特征与干涉图案的腹点和节点(相消干涉)的对准确保了x射线激发只发生在腹点内，从而允
许对仅关注的特征和区域的表征和分析。所公开的方法的优选实施例是用于亚100纳米的
特征的节距df。
许对仅关注的特征和区域的表征和分析。所公开的方法的优选实施例是用于亚100纳米的
特征的节距df。
[0435] 此外，这些目的在基于前述方法的装置中实现。本发明的关于表征(如计量或检验)的装置的实施例包括：a)x射线源系统，其包括：具有足够空间相干性的x射线发生器，或一种x射线源——其当与另一元件(比如吸收光栅)组合时实现足够的空间相干性；b)衍射
光学元件(比如优选呈透射几何结构的衍射光栅)，其当被具有足够空间相干性的x射线束
照射时产生高低干涉图案；c)一个或多个x射线检测器-分析器系统，其类型取决于要获得
的x射线信息，比如本领域已知的位置敏感探测器或能量发散型检测器；d)用于记录所检测信息的装置；和e)用于分析所记录信息的装置。为了实现Talbot效应，x射线源系统必须提供具有足够空间相干性的照射x射线束，其可以通过本领域专业人员已知的方法实现，所述已知的方法包括：使用固体靶或液态金属射流靶的高亮度微聚焦/纳米聚焦源。替代地，源可以包括微结构化阳极，类似于主发明者在先前的专利申请中所公开的那些。
光学元件(比如优选呈透射几何结构的衍射光栅)，其当被具有足够空间相干性的x射线束
照射时产生高低干涉图案；c)一个或多个x射线检测器-分析器系统，其类型取决于要获得
的x射线信息，比如本领域已知的位置敏感探测器或能量发散型检测器；d)用于记录所检测信息的装置；和e)用于分析所记录信息的装置。为了实现Talbot效应，x射线源系统必须提供具有足够空间相干性的照射x射线束，其可以通过本领域专业人员已知的方法实现，所述已知的方法包括：使用固体靶或液态金属射流靶的高亮度微聚焦/纳米聚焦源。替代地，源可以包括微结构化阳极，类似于主发明者在先前的专利申请中所公开的那些。
附图说明
[0436]
[0437] 包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出本发明的示例性实施例、特征、和各个方面，并与说明书一起用于解释本发明的原理。附图不一定是按比例绘制的；而是重点在于示出本发明的原理。
[0438] 图1由透射分束光栅产生的Talbot干涉图案的示意图。示出的是由Talbot效应引起的、在垂直于光栅线并包含射束轴的平面中的四种类型的线性光栅后方的强度分布：(a)具有Pi/2相移和1∶1线空比的相位光栅220，(b)具有Pi相移和1∶1线空比的相位光栅230，(c)具有Pi/2相移和1∶3线空比的相位光栅240，和(d)吸收衍射光栅210。所有示出的光栅具有Ronchi轮廓。假设一个具有足够空间相干性的点辐射源。标记在水平轴上的量m是Talbot距离的分数的小数值(例如，1/8＝0.125)。注意，强度图案由吸收型衍射光栅和相位型衍射光栅两者产生。这些周期性图案可用于选择性地探测样本内的周期性区域，或者，利用增加孔口、狭缝、或阻挡器件以除去周围的周期性图案从而可用于聚焦在样本内仅一个小区域
上。因为强度条纹与衍射光栅周期(见前面的讨论)相关，优选使用小周期的衍射光栅，以实现亚100纳米强度条纹。
上。因为强度条纹与衍射光栅周期(见前面的讨论)相关，优选使用小周期的衍射光栅，以实现亚100纳米强度条纹。
[0439] 图2是该方法的一个实施例的示意图：样本310被放置在衍射光栅230(在此非限制性示例中示出为具有Pi相移和1∶1线空比的相位光栅)的下游、对应于Talbot距离(在本例
中，与第3/8m相对应的分数位置，其中m是整数Talbot距离)，并且使得所关注的特征或区域
320对准于Talbot图案的腹点(相长干涉的区域)。
中，与第3/8m相对应的分数位置，其中m是整数Talbot距离)，并且使得所关注的特征或区域
320对准于Talbot图案的腹点(相长干涉的区域)。
[0440] 图3是本发明方法的工作原理的示意图：关注的特征或区域被与周期性腹点(相长干涉)对准，从而被以大致的两倍强度照射，而其它区域由于在那些位置x射线的相消干涉
而不被照射。样本被示出为一横截面，其中，从左至右的轴为Z，并且是透射几何结构中照射用x射线束的相同方向。如从图中可以看出，该方法是深度敏感的，并且可将样本移动，使得腹点探测样本的不同深度，以产生来自各种深度的信息。图3A和图3B所示的示例是使用了
具有周期性特征(比如样本内的晶体管)的样本。在图3A中，特征与腹点对准。在图3B中，特征的特定区域(在此特定图示中为特征的侧面)被腹点照射。这对于通过小角度散射进行诸
如侧壁粗糙度这类的测量可以是有用的，如图3B所示。
而不被照射。样本被示出为一横截面，其中，从左至右的轴为Z，并且是透射几何结构中照射用x射线束的相同方向。如从图中可以看出，该方法是深度敏感的，并且可将样本移动，使得腹点探测样本的不同深度，以产生来自各种深度的信息。图3A和图3B所示的示例是使用了
具有周期性特征(比如样本内的晶体管)的样本。在图3A中，特征与腹点对准。在图3B中，特征的特定区域(在此特定图示中为特征的侧面)被腹点照射。这对于通过小角度散射进行诸
如侧壁粗糙度这类的测量可以是有用的，如图3B所示。
[0441] 图4是所公开的x射线表征装置的两个示例性实施例的示意图；示出的x射线表征系统可以用来获得关注的x射线信息(包括XRF、XRD、成像和SAXS)的任何组合。图4A包括微结构化阳极源410，图4B包括扩展源415，其包含与光栅416相组合的扩展源415。具有高的空间相干性的射束照射任意类型的衍射光栅420。在光栅的下游Talbot距离L2处，放置样本
310，使得它的关注的特征或区域320与强度图案的腹点对准。请注意，这些区域的周期性p2按下式与衍射光栅的周期p1相关：
310，使得它的关注的特征或区域320与强度图案的腹点对准。请注意，这些区域的周期性p2按下式与衍射光栅的周期p1相关：
[0442]
[0443] 其中Sφ是缩放因子(对于相位型衍射光栅而言，对于pi/2相移Sφ为1，对于pi相移Sφ为1/2)，并可以取决于光栅的类型以及Talbot距离(例如，在图1D中，请注意吸收光栅产生在分数距离处的许多更小更细的干涉图案)。
[0444] 图5是实施例的示意图，其中所公开的装置的周期性微束被用来获得来自关注的区域或特征的小角度x射线散射(SAXS)信息。示例的小角度x射线散射的实施例示于图5中，包括在图5A中的透射几何结构和在图5B中的掠入射/反射几何结构，其可用于同时获得散
射和反射信息。在图5A的实施例中，x射线源410(示出为微结构化阳极源，但可以替代地为具有源光栅的扩展源或具有足够空间相干性的任何其它x射线发生器)照射相位光栅420。
可选的孔口或准直系统(例如，一个或多个孔口或狭缝)480可被放置在相位光栅之前或之
后(示出在之后)。样本310产生来自于与检测器440所检测出的腹点对准的关注区域或特征
的小角度x射线散射信息，该检测器440优选是本领域已知的位置敏感型检测器。可选的束
终止器490可用于阻挡未散射的主x射线的透射的检测。在图5B的实施例中，x射线源系统
410产生射束，该射束然后行进通过准直/聚焦系统425(例如，一系列准直狭缝)。衍射光栅
420可被放置在准直/聚焦系统之前或之后。照射用x射线402是以接近临界角的角度(低于
或高于临界角，取决于进行样本测量所在的期望深度)入射在样本上，其通常是约0.2至0.5度的角度。此外，通过保持入射和检测角度的总和恒定而样本旋转来允许更大的可接近的
粒径成像，利用样本置物台或测角器509旋转样本来实现摇摆曲线。在图5B所示的几何结构中，相位光栅相对于样本表面成一定角度，这导致干涉图案的横截面的外形可以延续出，作为该角度的函数，并且很可能会更复杂。图5C示出未放置在透射模式中的样本(例如，粗白线)可如何相遇干涉图案。这是说明性示例并且不是按比例的，因为增加干涉图案的传播取决于x射线束被准直的良好度以及样本离源的远度。
射和反射信息。在图5A的实施例中，x射线源410(示出为微结构化阳极源，但可以替代地为具有源光栅的扩展源或具有足够空间相干性的任何其它x射线发生器)照射相位光栅420。
可选的孔口或准直系统(例如，一个或多个孔口或狭缝)480可被放置在相位光栅之前或之
后(示出在之后)。样本310产生来自于与检测器440所检测出的腹点对准的关注区域或特征
的小角度x射线散射信息，该检测器440优选是本领域已知的位置敏感型检测器。可选的束
终止器490可用于阻挡未散射的主x射线的透射的检测。在图5B的实施例中，x射线源系统
410产生射束，该射束然后行进通过准直/聚焦系统425(例如，一系列准直狭缝)。衍射光栅
420可被放置在准直/聚焦系统之前或之后。照射用x射线402是以接近临界角的角度(低于
或高于临界角，取决于进行样本测量所在的期望深度)入射在样本上，其通常是约0.2至0.5度的角度。此外，通过保持入射和检测角度的总和恒定而样本旋转来允许更大的可接近的
粒径成像，利用样本置物台或测角器509旋转样本来实现摇摆曲线。在图5B所示的几何结构中，相位光栅相对于样本表面成一定角度，这导致干涉图案的横截面的外形可以延续出，作为该角度的函数，并且很可能会更复杂。图5C示出未放置在透射模式中的样本(例如，粗白线)可如何相遇干涉图案。这是说明性示例并且不是按比例的，因为增加干涉图案的传播取决于x射线束被准直的良好度以及样本离源的远度。
[0445] 图6是实施例的示意图，其中所公开的装置被用来获得来自样本内周期性区域的x射线荧光信息。这些实施例包括：诸如图6A所示那种的垂直几何系统，如图6B所示的具有源与检测器在相同侧的配置、以及如图6C所示的全x射线荧光(TXRF)装置。在图6A中，源系
统——其具有微结构化源、小焦点源、或与多缝416相组合的扩展源415——用来照射被入
射在样本310上的相位光栅420。此系统可以是水平的，如图所描绘，或者优选竖直的。检测器620可被偏置来收集以一角度(未示出)自样本发出的x射线荧光，或替代地，接收在光学
元件或多层610反射后的荧光信号。该检测器可以是波长或能量敏感型，比如硅漂移检测
器、闪烁检测器、和正比计数器。在图6B中，检测器620优选放置成相对于所述样本的定位、与x射线源同一侧。该检测器优选是中间有孔的硅漂移检测器，也可以是具有透射窗口的任何能量敏感或波长敏感检测器。可选的光学元件610可被采用，放置在相位光栅420的下游
Talbot距离处，并且优选为椭圆单毛细管透镜。或者，代替光学元件，可以使用孔口或准直部件。经准直或聚焦的x射线，由图6B中虚线所示例地示出，照射在周期性区域处的样本
310。由样本产生的荧光x射线然后被检测器620收集，该检测器620放置在样本附近以最大
化收集的立体角。图6C示出一个全x射线反射系统：x射线源系统410产生x射线，该x射线由光学的或多层式系统670反射或聚焦在样本430上。主x射线被反射，并且来自样本的荧光x
射线被定位在样本上方的检测器620检测。注意，照射面积遵循与图5C中所讨论内容相同的原理。通过增加利用Talbot效应来优选探测样本内的周期性区域，从而这些和本领域已知
的其它x射线荧光配置处于本发明的范围之内。
统——其具有微结构化源、小焦点源、或与多缝416相组合的扩展源415——用来照射被入
射在样本310上的相位光栅420。此系统可以是水平的，如图所描绘，或者优选竖直的。检测器620可被偏置来收集以一角度(未示出)自样本发出的x射线荧光，或替代地，接收在光学
元件或多层610反射后的荧光信号。该检测器可以是波长或能量敏感型，比如硅漂移检测
器、闪烁检测器、和正比计数器。在图6B中，检测器620优选放置成相对于所述样本的定位、与x射线源同一侧。该检测器优选是中间有孔的硅漂移检测器，也可以是具有透射窗口的任何能量敏感或波长敏感检测器。可选的光学元件610可被采用，放置在相位光栅420的下游
Talbot距离处，并且优选为椭圆单毛细管透镜。或者，代替光学元件，可以使用孔口或准直部件。经准直或聚焦的x射线，由图6B中虚线所示例地示出，照射在周期性区域处的样本
310。由样本产生的荧光x射线然后被检测器620收集，该检测器620放置在样本附近以最大
化收集的立体角。图6C示出一个全x射线反射系统：x射线源系统410产生x射线，该x射线由光学的或多层式系统670反射或聚焦在样本430上。主x射线被反射，并且来自样本的荧光x
射线被定位在样本上方的检测器620检测。注意，照射面积遵循与图5C中所讨论内容相同的原理。通过增加利用Talbot效应来优选探测样本内的周期性区域，从而这些和本领域已知
的其它x射线荧光配置处于本发明的范围之内。
[0446] 图7是实施例的示意图，其中所公开的装置的周期性微束被用来获得来自样本内特定区域的x射线反射信息。非限制性的示例实施例示于图7。源410被用来照射衍射元件
420，该衍射元件420优选为相位光栅。可选的聚焦或准直系统720优选用来聚焦x射线束于
呈图案的样本310表面上，如图5C所讨论的。此聚焦或准直系统可以通过包括过滤、单色化等元件从而附加地具备带宽限制或单色化。该聚焦系统也可被放置在相位光栅之前或之后
(优选在相距相位光栅Talbot距离处)。相位光栅的参数取决于该聚焦或准直系统的放置。
此外，x射线反射系统可以使用会聚射束或如本领域技术专业人员知晓的平行束类型。探测器440收集x射线反射信号。
420，该衍射元件420优选为相位光栅。可选的聚焦或准直系统720优选用来聚焦x射线束于
呈图案的样本310表面上，如图5C所讨论的。此聚焦或准直系统可以通过包括过滤、单色化等元件从而附加地具备带宽限制或单色化。该聚焦系统也可被放置在相位光栅之前或之后
(优选在相距相位光栅Talbot距离处)。相位光栅的参数取决于该聚焦或准直系统的放置。
此外，x射线反射系统可以使用会聚射束或如本领域技术专业人员知晓的平行束类型。探测器440收集x射线反射信号。
[0447] 图8是实施例的示意图，其中所公开的装置的周期性微束被用于获得x射线衍射(XRD)信息。示出了透射几何结构(8A)和反射几何结构(8B)。图8A所示的非限制示例的XRD
(x射线衍射)装置实施例包括源415和源光栅416，但也可替代地包括替代源可选物(比如微
结构化阳极源)。孔口或准直系统810被放置在产生Talbot效应的衍射元件820的上游或下
游(如图所示)。注意，在一些实施例中，810可以是聚焦光学系统(比如椭圆单毛细管透镜)以产生微x射线衍射信息。因周期性干涉条纹，样本310被照射。x射线衍射信息由检测器440检测，该检测器440优选是本领域已知的位置敏感型检测器并且可以是二维(阵列)的或线
性的。可选地，准直/孔口系统820可被放置在检测器440之前。反射几何结构XRDs可包括一个或多个测角器和/或置物台来移动源、样本和/或检测器的组合，如本领域已知的。
(x射线衍射)装置实施例包括源415和源光栅416，但也可替代地包括替代源可选物(比如微
结构化阳极源)。孔口或准直系统810被放置在产生Talbot效应的衍射元件820的上游或下
游(如图所示)。注意，在一些实施例中，810可以是聚焦光学系统(比如椭圆单毛细管透镜)以产生微x射线衍射信息。因周期性干涉条纹，样本310被照射。x射线衍射信息由检测器440检测，该检测器440优选是本领域已知的位置敏感型检测器并且可以是二维(阵列)的或线
性的。可选地，准直/孔口系统820可被放置在检测器440之前。反射几何结构XRDs可包括一个或多个测角器和/或置物台来移动源、样本和/或检测器的组合，如本领域已知的。
具体实施方式
[0448]
[0449] 在本发明方法的一些实施例中，采用了一种装置，其通过使用衍射元件(优选相位型周期光栅)在一个方向上产生Talbot干涉条纹或在两个正交方向上产生干涉图案。该衍
射元件优选是可具有相移的衍射光栅，其通过提前或推迟穿过光栅线的x射线的相位从而
分割x射线束，或本质上吸收型的衍射光栅，以获得在合成波阵面的幅度或相位上的周期性空间调制。示例的干涉图案示于图1中，并且包括：由吸收光栅产生的图案(1A)、由1∶1pi/2相移光栅产生的图案(1B)、由1∶1pi相移光栅产生的图案(1C)。
射元件优选是可具有相移的衍射光栅，其通过提前或推迟穿过光栅线的x射线的相位从而
分割x射线束，或本质上吸收型的衍射光栅，以获得在合成波阵面的幅度或相位上的周期性空间调制。示例的干涉图案示于图1中，并且包括：由吸收光栅产生的图案(1A)、由1∶1pi/2相移光栅产生的图案(1B)、由1∶1pi相移光栅产生的图案(1C)。
[0450] 优选地，该分束衍射光栅是具有低吸收、但产生相当大的(pi/2、pi、或更大的)x射线相移的相位光栅。在优选实施例中，样本被放置在衍射光栅的下游在Talbot距离的分数位置dn处，dn由方程式dn＝(n/8)*pI2/λ表示，其中n是整数，PI是衍射光栅周期，λ是波长。如Kottler等人在美国专利7,924,973 B2中所描述，依据光栅参数(例如pi相移光栅对比pi/2
相移光栅)，最优Talbot距离(n)可以根据关注的干涉图案或最适合于应用来选择。样本的
示例放置示于图2：样本310被放置在Talbot距离的分数位置处(在此例中，m＝3/8)，并且关注的样本特征320与腹点(干涉图案的相长干涉区域)对准，使得这些区域被有效地探测，而与节点(图案的相消干涉区域)相对应的周围区域将被忽略。
相移光栅)，最优Talbot距离(n)可以根据关注的干涉图案或最适合于应用来选择。样本的
示例放置示于图2：样本310被放置在Talbot距离的分数位置处(在此例中，m＝3/8)，并且关注的样本特征320与腹点(干涉图案的相长干涉区域)对准，使得这些区域被有效地探测，而与节点(图案的相消干涉区域)相对应的周围区域将被忽略。
[0451] 图3示出关注的样本特征和/或区域可以如何与腹点对准。例如，如果特征本身是所关注的，它们应当被定中心在腹点(3A)上，或者如果存在诸如特征的侧面这类的关注区
域，则腹点应当对应于那些区域(3B)。请注意，对于此方法，存在深度灵敏度。利用足够薄的样本，通过沿干涉条纹(例如，如果在透射模式下，如该图所示，沿Z方向)移动样本，此方法可用于执行期望特性的深度敏感映射。此外，该相位光栅的参数(周期、相移、线空比)优选地选择成匹配期望的腹点周期。重要的是应注意：相位型光栅中减小的相移对应于针对腹
点的减小的周期。预期的是，对于非常小的特征(比如半导体器件中的晶体管)，较大的周期变化(period shift)是优选的。
域，则腹点应当对应于那些区域(3B)。请注意，对于此方法，存在深度灵敏度。利用足够薄的样本，通过沿干涉条纹(例如，如果在透射模式下，如该图所示，沿Z方向)移动样本，此方法可用于执行期望特性的深度敏感映射。此外，该相位光栅的参数(周期、相移、线空比)优选地选择成匹配期望的腹点周期。重要的是应注意：相位型光栅中减小的相移对应于针对腹
点的减小的周期。预期的是，对于非常小的特征(比如半导体器件中的晶体管)，较大的周期变化(period shift)是优选的。
[0452] 在使用图4所示的和上述的基于Talbot的探测方法的表征装置的一些实施例中，系统包括：x射线源(分别是在图4A和图4B中的410和415)；衍射元件420，其优选是具有周期pI的相移光栅；样本保持器，其被放置在或将样本430移动到Talbot距离的分数或整数位置处；和x射线检测器-分析器系统440。在这样的实施例中，x射线源必须产生用于Talbot效应的足够相干性。此相干源可以是本领域技术专业人员已知的，包括高亮度微聚焦/纳米聚焦源、小焦点液态金属喷射源，或者，如图4B所示的扩展源415——其具有放置在它前方的多缝光栅(吸收光栅)416以实质上产生小的相干x射线源的阵列。替代地和更优选地，该源为x射线发生器，其包括：微结构阳极，其包含线性的或二维阵列412的x射线产生材料，所述x射线产生材料产生期望特性的x射线并且被嵌入在具有高导热率的第二材料411中。所述源实
质上——从样本观察——呈现为小的相干x射线源的阵列。这种源的示例已经由主发明者
在一些专利中描述，这些专利包括：
质上——从样本观察——呈现为小的相干x射线源的阵列。这种源的示例已经由主发明者
在一些专利中描述，这些专利包括：
[0453] ·题为“Microstructured target/anode for X-ray source”、申请号61,873,735；
[0454] ·题为“Rotating anode x-ray source”、申请号61,928,911；
[0455] ·题为″An X-ray source consisting of an array of fine sub-sources″、申请号61,901,361；
[0456] ·题为“Microstructured X-ray source target/anode optimized for a limited emission angular range”、申请号61,894,073；
[0457] ·题为“X-ray source optimized for high brightness with linear accumulation”、申请号61,931,519；
[0458] ·题为“Method of generating high brightness and/or high flux X-rays by linear accumulation of X-rays generated from a plurality of transmission
targets”、申请号61,880,151；
targets”、申请号61,880,151；
[0459] ·题为″High sensitivity，high resolution，and high throughput scanning XRF microprobe″、申请号61,912,486；
[0460] ·题为″High throughput x-ray illumination system″、申请号61,912,478；
[0461] ·题为“Focused x-ray beam generating apparatus”、申请号61,946,475。
[0462] 此外，在一些实施例中，衍射元件最优选为相位光栅并且最优选设计成引起分数或整数倍pi相移(比如pi/4、pi/2、pi、或3/2pi)。因为在该方法中，样本优选地位于衍射元件的下游的分数或整数倍距离处。在用于成像的实施例中，检测器440是位置敏感检测器，并且优选放置在与衍射光栅420相距Talbot距离处。
[0463] 另外的实施例可以以任何组合包括上述功能的一个以上。这可以通过使用额外的检测器和并入可被加入或去除的光学元件来完成。对于这类多用途计量系统的源和检测器
构造的示例在美国专利US7551719 B2中。
构造的示例在美国专利US7551719 B2中。
[0464] 权利要求：
[0465] 1.一种使用Talbot效应探测区域或同时探测多个周期性区域的方法，包括：一种通过使用衍射元件(优选相位型周期光栅)从而产生在一个方向或两个正交方向干涉的
Talbot干涉条纹的装置，所述装置被放置在样本的上游在Talbot距离的分数或整数位置
处，使得相长干涉区域与样本的关注的区域或特征对准。
Talbot干涉条纹的装置，所述装置被放置在样本的上游在Talbot距离的分数或整数位置
处，使得相长干涉区域与样本的关注的区域或特征对准。
[0466] 2.如权利要求1所述的方法，其中，通过沿射束方向移动样本可以实现在不同深度处的信息映射，从而使得腹点从样本的表面被移至较深的深度。
[0467] 3.如权利要求1和2所述的方法，其中，腹点周期是亚100纳米。
[0468] 4.如权利要求1所述的方法，其中，Talbot效应是通过包括扩展x射线源和周期性一维或二维吸收光栅的系统利用具有足够相干的x射线照射相移型或吸收型光栅而实现。
[0469] 5.如权利要求1所述的方法，其中，Talbot效应是通过微结构化x射线源利用相干的x射线照射相移型或吸收型光栅而实现，所述微结构化x射线源有效地产生精细x射线子
源的周期性阵列。
源的周期性阵列。
[0470] 6.如权利要求4和5所述的方法，其中，源被放置在离Talbot光栅一段距离处，使得来自所述扩展源和光栅系统或微结构化阳极所产生子源的条纹相长地重叠。
[0471] 7.如权利要求1所述的方法，其中，产生Talbot效应的光栅是：具有Ronchi轮廓、1∶1的线空比、线空之间相移为Pi或Pi的奇整数倍的一维线性光栅。
[0472] 8.如权利要求1所述的方法，其中，产生Talbot效应的光栅是：具有Ronchi轮廓、1∶1的线空比、线空之间相移为Pi/2或Pi/2的奇整数倍的一维线性光栅。
[0473] 9.如权利要求1所述的方法，其中，产生Talbot效应的光栅是：具有棋盘结构、Ronchi轮廓、相邻方块之间相移为Pi或Pi的奇整数倍的二维光栅。
[0474] 10.如权利要求1所述的方法，其中，产生Talbot效应的光栅是：具有棋盘结构、Ronchi轮廓、相邻方块之间相移为Pi/2或Pi/2的奇整数倍的二维光栅。
[0475] 11.如权利要求1-10所述的方法，其中，光栅平行于主辐射并且可以倾斜或成形成适应发散的主辐射束。
[0476] 12.如权利要求1-11所述的方法，其中，衍射光栅具有周期性和在期望周期的节点和腹点的样本处产生Talbot干涉图案的周期移位。
[0477] 13.一种用于x射线表征的装置，其能够获取x射线荧光、x射线衍射、小角度x射线散射、x射线图像(相位或吸收对比度)、x射线反射、或它们的任何组合，所述装置包括：
[0478] a.x射线源系统，其产生用于Talbot效应的具有足够空间相干性的一个或多个x射线束；
[0479] b.衍射光栅，其产生因干涉条纹引起的强度图案；
[0480] c.x射线检测器。
[0481] 14.如权利要求12所述的装置，其中，所述照射源是本领域已知的类型，包括微聚焦/纳米聚焦点尺寸光源、液态金属喷射源、以及带有放置在其前方的多缝吸收光栅的扩展源。
[0482] 15.如权利要求12所述的装置，其中，所述照射源是主发明者在先前专利中所公开的源，这些先前专利比如：
[0483] ·题为“Microstructured target/anode for X-ray source”、申请号61,873,735；
[0484] ·题为“Rotating anode x-ray source”、申请号61,928,911；
[0485] ·题为″An X-ray source consisting of an array of fine sub-sources″、申请号61,901,361；
[0486] ·题为“Microstructured X-ray source target/anode optimized for a limited emission angular range”、申请号61,894,073；
[0487] ·题为“X-ray source optimized for high brightness with linear accumulation”、申请号61,931,519；
[0488] ·题为“Method of generating high brightness and/or high flux X-rays by linear accumulation of X-rays generated from a plurality of transmission
targets”、申请号61,880,151；
targets”、申请号61,880,151；
[0489] ·题为″High sensitivity，high resolution，and high throughput scanning XRF microprobe″、申请号61,912,486；
[0490] ·题为″High throughput x-ray illumination system″、申请号61,912,478；
[0491] ·题为“Focused x-ray beam generating apparatus”、申请号61,946,475。
[0492] 16.如权利要求13-15所述的装置，还包括：放置在衍射光栅前方或后方的准直或聚焦x射线光学元件。
[0493] 17.如权利要求13-16所述的装置，其中，衍射元件是由权利要求4-12中列出的性质单独地或组合地描述的光栅。
[0494]
[0495]
[0496]
[0497]
[0498]
[0499]
[0500]
[0501]
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