使用透射x射线源的高产量3Dx射线成像系统技术方案

一种三维x射线成像系统包含至少一个检测器及包含x射线透射真空窗的x射线源。该x射线源配置为产生发散x射线，发散x射线自该真空窗出射且沿延伸通过物体的感兴趣区的x射线传播轴线传播到达该至少一个检测器。发散x射线在以该x射线传播轴线为中心的大于1度的角发散角内具有传播路径。该系统进一步包含配置为使该物体绕旋转轴线旋转的至少一个样品运动台。该系统进一步包含配置为保持该物体的样品架且包括第一部分，该第一部分在发散x射线的至少一些的传播路径中，且对于具有比发散x射线的x射线光谱的最大x射线能量的50％更大的能量的x射线，具有大于30％的x射线透射率。具有大于30％的x射线透射率。具有大于30％的x射线透射率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用透射x射线源的高产量3D x射线成像系统
[0001]优先权的主张
[0002]本申请主张2020年12月7日提交的美国临时申请第63/122,354号及2021年11月1日提交的美国临时申请第63/274,367号的优先权权利，这些申请的各者的全文以引用的方式并入本文中。


[0003]本申请大体上涉及断层摄影及层析成像x射线成像系统。

技术介绍

[0004]三维(3D)x射线成像技术可用于对物体的内部结构成像。通常，断层摄影资料集由在大角度范围(例如，约180度；约360度)上收集且随后经重建以获得3D影像的x射线透射影像组成。大角度范围用于避免(例如最小化)3D影像伪影。3D x射线成像系统包括配置为照射物体用于成像的x射线源、配置为记录透射x射线影像的位置敏感x射线检测器及用于相对于x射线源及位置敏感x射线检测器操纵物体的机电系统。
[0005]入射于物体的感兴趣区上的x射线通量与感兴趣区距x射线源的距离的平方成反比，此距离可指称焦点物体距离(FOD))。为了达成3D x射线成像的高产量，FOD选择得很小(例如，将感兴趣区放置成尽可能靠近x射线源)。例如，鉴于用于达成空间分辨率的小体素体积，将感兴趣区靠近x射线源可用于使用实验室微焦点x射线源的具有高空间分辨率的3D x射线成像。此外，对于较大物体中的小感兴趣区(例如，横向延伸的平面物体中的小感兴趣区，其示例包含(但不限于)半导体集成电路(IC)封装中的互连及大型纤维增强复合板中的精细结构细节)的3D x射线成像，最小FOD受物体尺寸限制，其实际上限制可达成产量，因为物体将旋转180度。
[0006]然而，现有技术的显微x射线计算机断层摄影(μXCT)及显微x射线计算机层析成像(μXCL)系统具有许多局限性。例如，图1A及图1B分别示意性地绘示横向延伸物体(例如，印刷电路板；晶圆)的习知断层摄影及层析成像配置，其中感兴趣区(ROI)位于物体的中心处或靠近物体的中心。x射线源发射x射线束(由水平虚线指示)且图1A及图1B中物体在垂直于页面的方向上的厚度可等于或小于物体沿x射线束的尺寸(例如，使得x射线源与x射线检测器之间有足够空间用于绕旋转轴线旋转物体)。如图1A中所见，对于断层摄影，旋转轴线大致平行于物体的表面法线且大致垂直于x射线束。如图1B中所见，对于层析成像，旋转轴线大致平行于物体的表面法线且自大致垂直于x射线束的方向倾斜一角度β。图1A及图1B展示这些习知断层摄影及层析成像配置不太适合对平行于横向延伸物体(例如半导体IC封装)的表面的平面中的缺陷成像，因为断层摄影/层析成像资料集中的透射x射线光谱随x射线束轴线相对于物体的角度而变化。因此，经重建影像(例如，计算机断层摄影或CT影像)受辐射硬化及光子饥饿伪影的影响且引入经重建特征的保真度对其相对于物体旋转轴线的定向的依赖性。平行于横向延伸物体的表面的平面中经重建影像的分辨率及影像质量通常比沿表面法线的方向差。另外，归因于物体及x射线源的实体干涉，两种技术均未最佳化以达
成小FOD。藉由减小具有高通量的x射线源大小来改善影像分辨率(其对于许多应用而言可期望)受此等现有技术XCT及XCL系统及方法的限制且沿这些扩展和/或平坦物体的表面法线的更高深度分辨率特别难以达成。

技术实现思路

[0007]在特定实施方案中，一种三维x射线成像系统配置为产生物体中感兴趣区的透射影像。该系统包括至少一个位置敏感x射线检测器，其包括至少一个主动元件。该系统进一步包括x射线源，其包括具有外表面的x射线透射真空窗。该x射线源配置为产生发散x射线，发散x射线的至少一些自该真空窗出射且沿自该x射线源延伸的x射线传播轴线传播，通过该物体的该感兴趣区到达该至少一个位置敏感x射线检测器的该至少一个主动元件。发散x射线具有以该x射线传播轴线为中心的在大于1度的角发散角内的传播路径。该x射线传播轴线相对于该真空窗的该外表面成第一角度，该第一角度在3度至45度的范围内。该系统进一步包括至少一个样品运动台，其配置为绕旋转轴线旋转该物体且配置为使得该旋转轴线相对于该x射线传播轴线具有第二角度，该第二角度在45度至90度的范围内。该系统进一步包括样品架，其位于该至少一个样品运动台上。该样品架配置为保持该物体且包括在通过该物体传播至该至少一个位置敏感x射线检测器的发散x射线的至少一些的传播路径中的第一部分。对于具有大于发散x射线的x射线光谱的最大x射线能量的50％的能量的x射线，该第一部分具有大于30％的x射线透射率。
[0008]在特定实施方案中，一种三维x射线成像系统包括至少一个位置敏感x射线检测器。该系统进一步包括x射线源，其包括具有外表面的x射线透射真空窗。该x射线源配置为产生发散x射线，发散x射线的至少一些自该真空窗出射且沿自该x射线源延伸的x射线传播轴线传播。发散x射线传播通过物体的感兴趣区到达该至少一个位置敏感x射线检测器且具有以该x射线传播轴线为中心的大于1度的角发散角。该x射线传播轴线相对于该真空窗的该外表面成第一角度，该第一角度在3度至45度的范围内。该系统进一步包括至少一个样品运动台，其配置为绕旋转轴线旋转该物体且配置为调整该旋转轴线以具有相对于该x射线传播轴线的第二角度，该至少一个样品运动台具有小于5微弧度的非系统角摆动。
附图说明
[0009]图1A及图1B分别示意性地绘示横向延伸物体的传统断层摄影及层析成像配置，其中感兴趣区(ROI)位于物体的中心处或靠近物体的中心。
[0010]图2示意性地绘示与本文中所描述的特定实施方案兼容的示例x射线3D成像系统。
[0011]图3A示意性地绘示根据本文中所描述的特定实施方案的由撞击至少一个x射线靶的电子束产生的x射线光点的横截面图。
[0012]图3B及图3C示意性地绘示根据本文中所描述的特定实施方案图3A的电子束及至少一个x射线靶的两个示例配置的俯视图。
[0013]图4示意性地绘示根据本文中所描述的特定实施方案的包括至少一个孔的另一示例系统。
[0014]图5A及图5B示意性地绘示根据本文中所描述的特定实施方案的示例系统，其中样品台及样品架配置为保持及旋转物体。
[0015]图6A及图6B示意性地绘示根据本文中所描述的特定实施方案的系统的两个示例，其中至少一个位置敏感x射线检测器包括第一位置敏感x射线检测器及第二位置敏感x射线检测器。
[0016]图7示意性地绘示根据本文中所描述的特定实施方案的配置为使用Talbot干涉量测法或Talbot
‑
Lau干涉量测法来执行多对比度x射线成像的示例系统。
[0017]图8示意性地绘示根据本文中所描述的特定实施方案的与产生平移层析成像影像兼容的示例系统。
具体实施方式
[0018]在特定实施方案中，3D x射线成像系统能够对大物体中具有非常小FOD的ROI成像以减少层析成像资料集收集时间(例如增加成像资料收集速度)。在特定实施方案中，系统还在平行于横向延伸物体的表面的平面中提供经改善影像质量(例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种配置为产生物体中感兴趣区的透射影像的三维x射线成像系统，所述系统包括：至少一个位置敏感x射线检测器，其包括至少一个主动元件；x射线源，其包括具有外表面的x射线透射真空窗，所述x射线源配置为产生发散x射线，所述发散x射线的至少一些自所述真空窗出射且沿自所述x射线源延伸的x射线传播轴线传播、通过所述物体的所述感兴趣区到达所述至少一个位置敏感x射线检测器的所述至少一个主动元件，所述发散x射线具有以所述x射线传播轴线为中心的在大于1度的角发散角内的传播路径，所述x射线传播轴线相对于所述真空窗的所述外表面成第一角度，所述第一角度在3度至45度的范围内；至少一个样品运动台，其配置为使所述物体绕旋转轴线旋转且配置为使得所述旋转轴线相对于所述x射线传播轴线具有第二角度，所述第二角度在45度至90度的范围内；及样品架，其位于所述至少一个样品运动台上，所述样品架配置为保持所述物体，所述样品架包括第一部分，所述第一部分在通过所述物体传播至所述至少一个位置敏感x射线检测器的所述发散x射线的至少一些的所述传播路径中，并且对于具有比所述发散x射线的x射线光谱的最大x射线能量的50％更大的能量的x射线，所述第一部分具有大于30％的x射线透射率。2.如权利要求1所述的系统，其中所述第二角度在大于或等于45度的范围内且所述旋转轴线相对于所述真空窗的所述外表面的表面法线成第三角度，所述第三角度在小于30度的范围内。3.如权利要求2所述的系统，其进一步包括配置为改变所述第三角度的机构。4.如权利要求1所述的系统，其中所述发散x射线不与所述至少一个样品运动台相交。5.如权利要求1所述的系统，其中所述第一部分基本上由原子序数小于14的原子元素组成。6.如权利要求1所述的系统，其中所述样品架进一步包括将所述第一部分，所述第二部分将所述第一部分机械耦合至所述至少一个样品运动台，所述第一部分及所述第二部分配置为将所述物体的所述感兴趣区自所述至少一个样品运动台偏移，使得所述发散x射线不撞击所述至少一个样品运动台或所述第二部分。7.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个样品运动台具有小于5微弧度的非系统角摆动、小于500纳米的径向跳动及小于500纳米的轴向跳动。8.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个样品运动台具有小于5微弧度的非系统角摆动误差、优于1000纳米的径向跳动重复性及优于1000纳米的轴向跳动重复性。9.如权利要求1所述的系统，其进一步包括计量系统，其配置为以优于小于1微弧度的准确度测量所述至少一个样品运动台的角摆动，以优于1000纳米的准确度测量所述至少一个样品运动台的径向摆动准确度和/或以优于1000纳米的准确度测量所述至少一个样品运动台的轴向跳动。10.如权利要求1所述的系统，其中所述x射线传播轴线相对于所述真空窗的所述外表面的所述第一角度小于30度、小于5度或小于3度。11.如权利要求1所述的系统，其中所述x射线源包括：真空腔室，其含有真空区，所述真空腔室包括所述真空窗，所述真空窗将所述真空区与所述x射线源外的非真空区分离；
至少一个x射线靶，其与所述真空窗接触；电子束源，其位于所述真空区中；及电子光学器件，其配置为将来自所述电子束源的至少一些电子引导至聚焦于所述至少一个x射线靶处的电子束中，所述聚焦电子束在所述至少一个x射线靶处具有在自10kVp至250kVp的范围内的最大聚焦电子能量，所述至少一个x射线靶配置为响应于由所述聚焦电子束的轰击而产生所述发散x射线。12.如权利要求11所述的系统，其中所述至少一个x射线靶包括选自由以下组成的组的至少一个x射线产生材料：Cr、Fe、Co、Ni、Cu、W、Rh、Mo、Au、Pt、Ag、SrB6、LaB6、GdB6及CeB6。13.如权利要求12所述的系统，其中所述至少一个x射线产生材料具有可由所述聚焦电子束轰击的多个区，每个所述区沿大致垂直于所述真空窗的所述外表面的方向具有对应厚度且在产量与分辨率之间提供不同权衡。14.如权利要求12所述的系统，其中所述至少一个x射线产生材料固定至所述真空窗且具有沿大致垂直于所述真空窗的所述外表面的方向的在0.1微米至15微米的范围内的厚度，且所述真空窗具有沿大致垂直于所述真空窗的所述外表面的所述方向的0.05毫米至3毫米的范围内的厚度。15.如权利要求11所述的系统，其中所述真空窗基本上由选自由铍、金刚石、碳化硼、碳化硅、铝及氧化铍(BeO)组成的组的材料组成。16.如权利要求11所述的系统，其中所述聚焦电子束包括具有在大致平行于所述真空窗的所述外表面的至少一个横向方向上的小于7微米的尺寸的光点大小。17.如权利要求11所述的系统，其中在所述至少一个x射线靶处的所述聚焦电子束具有光点形状，其在含有所述x射线传播轴线及所述真空窗的所述外表面的所述表面法线的平面中具有第一维度且在沿所述至少一个x射线靶且大致垂直于所述第一横向方向的第二横向方向上具有第二维度，所述第一维度大于所述第二维度。18.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个位置敏感x射线检测器包括硅、CdTe和/或CdZnTe且配置为将x射线直接转换成电子。19.如权利要求1所述的系...

【专利技术属性】
技术研发人员：云文兵，大卫，
申请(专利权)人：斯格瑞公司，
类型：发明
国别省市：