JP4155866B2

JP4155866B2 - Ｘ線断層撮像装置

Info

Publication number: JP4155866B2
Application number: JP2003129852A
Authority: JP
Inventors: 哲昭深町; 修服部
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2023-05-08
Also published as: JP2004333310A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線断層撮像装置に関し、特に、湾曲した受光面を持つＸ線断層撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線断層撮像装置は、被破壊検査の分野でよく用いられ、特に、電気・電子機器に用いる半導体や多層プリント基板の欠陥解析，バンプ接合部の欠陥解析等に利用されている。このようなＸ線断層撮像装置は、Ｘ線ラミノグラフィ検査装置と呼ばれている。
【０００３】
例えば、半導体等の欠陥を検査するＸ線断層像撮影装置は、従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。このＸ線断層像撮影装置の原理を図２を用いて簡単に説明する。図２において、固定されたX線源２１から放射状にX線２２が発生する。撮影対象となる対象物２３は、光軸２４に対して傾斜した回転軸２５の回りに回転する。検出器２６は、回転軸２５と平行な回転軸２７の回りに対象物２３と同期して回転する。光軸２４と回転軸２５の交点を含み、かつ、回転軸２５に垂直な平面（以下焦点面と称する）２８の投影像は、検出器２６により静止した像として検出されるが、焦点面２８以外の投影像は、回転している像として検出されるため、ぼやけて検出器２６に検出される。このため、焦点面２８以外、即ち、対象物２３の焦点面２８から離れた構造体の撮影像は、ぼけて検出され、焦点面２８上のX線断層像のみが鮮明に検出される。
【０００４】
上述した技術は、Ｘ線の光軸２４と回転テーブルの回転中心軸２５の交点を含む受光面に平行な面２８が断層像として得られることを示している。即ち、Ｘ線検出器２６の受光面が平面であればこの受光面と平行である対象物２３の焦点面２８の断層像を得ることができる。換言すれば、Ｘ線検出器２６の受光面が平面であることが要求されている。
【０００５】
しかしながら受光面が平面であるＸ線像を光学像に変換する手段は、多数の光ファイバで構成した装置が制作されているが、一般に市販されているＸ線イメージ・インテンシファイアに比較して高価であり、また、Ｘ線に対する感度の低いものが多い。更に、受光面積が小さく、プリント基板のような大面積のものには使用できない等、Ｘ線断層像撮影装置の用途を限定する要因となっていた。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−３１２７３５号公報（第３−５頁、図１−５）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、湾曲した受光面を持つ検出器で十分なＸ線断層像が撮像できるＸ線断層撮像装置を提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、Ｘ線受光感度を向上し、撮像面積の大きいＸ線断層撮像装置を提供することである。
【０００９】
本発明の更に他の目的は、Ｘ線イメージ・インテンシファイアを使用したＸ線断層撮像装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のＸ線断層撮像装置は、Ｘ線源と上記Ｘ線源から発生するＸ線の光軸に対して傾斜した回転軸を有し、上記回転軸のまわりに回転する対象物を搭載する載置台と、上記載置台に載置された上記対象物を透過したＸ線像を光学像に変換する手段と、上記変換された光学像を回転させる手段と、上記光学像を電気信号に変換する手段と、上記電気信号を処理してＸ線断層像を得る制御部からなり、上記載置台は、上記対象物の断層面に垂直な方向にＸ線断層分解能に相当する距離移動する移動機構を有し、上記Ｘ線像を光学像に変換する手段は、湾曲した撮像面を有し、上記制御部は、上記移動機構により上記Ｘ線断層分解能に相当する距離移動する毎に得られる複数のＸ線断層像の所定部分を合成し、上記対象物の所定の部位の断層像を得るように構成される。
【００１１】
また、本発明のＸ線断層撮像装置において、上記湾曲した撮像面に対応するフォーカスプレーンを演算により求め、上記フォーカスプレーンと上記Ｘ線断層分解能に相当する距離移動する毎に得られる複数のＸ線断層像とからそれぞれ所定の断層面に相当する領域を算出し、上記算出した領域をメモリに記憶するように構成される。
【００１２】
更に、本発明のＸ線断層撮像装置において、上記Ｘ線像を光学像に変換する手段は、Ｘ線イメージ・インテンシファイアで構成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるＸ線断層像検査装置の原理的構成を図１を用いて説明する。図１において、１は、Ｘ線を発生するＸ線管、２は、Ｘ線を発生するＸ線発生点、３は、Ｘ線管１から発生されたＸ線で、円錐状に照射されることを模擬的に示している。４は、撮像面５の中心位置とＸ線発生点２とを結ぶＸ線３の光軸を示す。６は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の移動機構で、Ｘ線の光軸４に撮影したい対象物（試料）の部位の位置ぎめを調節するためのＸＹテーブルである。７は、試料台であり、回転軸８を回転軸として回転する回転テーブルである。この回転軸８は、図２に示す回転軸２５に対応する。なお、ＸＹテーブル６および回転テーブル７には、断層面を変えるための回転面に垂直な方向の移動機構、即ち、Ｚ軸方向移動機構９（図示せず）および幾何学的拡大を行う移動機構（図示せず）が設けられている。
【００１４】
１０は、撮影したい対象物であって、回転テーブル７の上に固定されている。１１は、撮影したい対象物１０の断層面を示し、Ｘ線の光軸４と回転テーブル７の回転軸８の交点を含む試料台７に平行な平面である。なお、この断層面１１は、上述した垂直な方向の移動機構９により対象物１０の断層像を撮影したい部位に移動することができ、また、ＸＹテーブル６により対象物のＸ方向、Ｙ方向の対象物の断層像を撮影したい部位に移動することができるように構成されている。
【００１５】
１２は、蛍光倍増管であり、Ｘ線イメージインテンシファイアと呼ばれる。蛍光倍増管１２の撮像面５は、X線蛍光物質で形成されており、X線のエネルギーの強弱を可視光に変換する機能を有るが、この撮像面５で変換される可視光は、微弱なため、蛍光倍増管１２で光の強さを増幅する機能を有する。また、撮像面５は、図２で説明したＸ線検出器２６の受光面のように平面ではなく、後述するように湾曲している。
【００１６】
１３は、像回転プリズムであり、像回転プリズムの回転軸１４を回転軸として像回転プリズム１３は回転する。なお、回転軸１４は、図２に示す回転軸２７に対応するが、回転速度と方向は、回転軸８に対して等速逆方向に回転している。従って、像回転プリズム１３は、試料台である回転テーブル７と等速逆方向に回転し、かつ回転テーブル７の回転軸８と像回転プリズム１３の回転軸１４は、平行に保たれるように構成されている。
【００１７】
１５は、映像蓄積型の撮像装置、例えば、テレビカメラで、撮像面５に投射された対象物１０の断層像が蛍光倍増管１２で増幅され、像回転プリズム１３で像回転され、対象物１０の断層像がテレビカメラに撮影される。テレビカメラ１５で撮影された断層像は、映像信号に変換され、伝送路１６を経由して制御装置１７、例えば、制御用計算機に入力される。制御装置１７では、テレビカメラ１５で撮影された断層像が映像信号として制御装置１７の内部の記録装置（図示せず）に記録されると共に、必要により表示装置１８に対象物の断層像が表示される。また、制御装置１７は、対象物１０の位置決めや断層像を撮影する対象物の部位を調節するために、ＸＹテーブル６、回転テーブル７、断層面を変えるための回転面に垂直な方向のＺ軸方向移動機構９（図示せず）および幾何学的拡大を行う移動機構（図示せず）等を制御する機能を有している。更に、制御装置１７は、Ｘ線管１から対象物１０に照射されるＸ線の強度、波長を制御するために管電圧、管電流が調整できるように構成されている。
【００１８】
図１に示す構成において、対象物の断層像が撮影できる理由を以下に説明する。図２で説明したように、Ｘ線管１のＸ線発生点２から放射状にＸ線３が放射され、撮影対象となる対象物１０に所定角度で照射する。Ｘ線３の光軸４と回転テーブル７の回転軸８の交点を含む対象物１０の断層面１１（焦点面）の断層像が撮像面５に投影される。撮像面５に投影された断層像は、蛍光倍増管１２で増幅され、上記回転テーブル７と等速逆方向に回転する像回転プリズム１３で断層像を逆回転させテレビカメラ１５に入射される。ここで回転軸８に対してＸ線３の光軸４は、傾斜しているため、撮像面５への断層面１１の投影像は、テレビカメラ１５により撮影される断層像では、静止した像として撮影されるが、断層面１１以外の投影像は、回転している像として検出されるため、ぼやけて断層像として検出される。
【００１９】
さて、上述したようにＸ線イメージインテンシファイアのような大口径、例えば、口径１０ｃｍの蛍光倍増管１２の撮像面５は、図１で示すように平面ではなく、湾曲している。従って、図２で示すような検出器２６の撮像面のように平坦ではないため、対象物１０の断層面１１の断層像が撮像面５上に結像されないという問題がある。これについて図３および図４をもとに説明する。なお、図３および図４において、図１と同じものには同じ符号が付されている。図３は、図１に示すＸ線イメージインテンシファイアのような大口径の蛍光倍増管１２を持つＸ線断層撮像装置において、Ｘ線発生点２で発生したＸ線３が対象物１０を透過して蛍光倍増管１２に投影された状態を示している。この図からも明らかなように蛍光倍増管１２の撮像面５は、湾曲しているため、対象物１０でのフォーカスプレーンは、３１で示すように湾曲したフォーカスプレーンとなる。なお、対象物１０の断層面のＸ線像は、撮像面５上に所定倍率で拡大され投影される。倍率Ｍは、次式で示される。
【００２０】
Ｍ＝Ｌ２／Ｌ１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
ここに、Ｌ１は、Ｘ線発生点２から光軸４とフォーカスプレーン３１との交点までの距離を表し、Ｌ２は、Ｘ線発生点２から光軸４と撮像面５との交点までの距離を表す。
【００２１】
また、撮像面５上の任意の点の座標を（Ａ、Ｂ）とし、Ｘ線発生点２とこの座標（Ａ、Ｂ）を結ぶ線３２とフォーカスプレーン３１との交点の座標を（ａ、ｂ）とすると、座標（ａ、ｂ）は、次式で求められる。
【００２２】
ａ＝Ａ×Ｌ１／Ｌ２・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
ｂ＝Ｂ×Ｌ１／Ｌ２・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
図４は、図３で示す対象物１０とフォーカスプレーン３１との関係を拡大して示す図である。図４において、サンプルとして使用した対象物１０は、例えば、大きさが約２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ約３００μｍの６層の多層プリント基板である。また、フォーカスプレーン３１は、蛍光倍増管１２の湾曲した撮像面５に沿った曲面と相似形曲面になっている。換言すれば、フォーカスプレーン３１の曲率は、撮像面５の曲率と同じである。蛍光倍増管１２の撮像面５の曲面は、一般に放物面の形状を持ち、実測により求めることができるので、この実測値をもとに上記（２）および（３）式からフォーカスプレーン３１の形状を演算により求めることができる。なお、対象物１０をここでは一例として６層の多層プリント基板を用いて説明しているが、多層プリント基板に限られるものではなく、一般の半導体、樹脂材料、その他Ｘ線断層像が撮影できる材料の非破壊検査できるもの全てに適用できることは言うまでもない。その場合、多層構造ではないが、Ｘ線の断層分解能の厚さで区切った層をここでは便宜上、１層、２層、・・・・ｎ層と呼ぶことにする。また、本発明で用いたＸ線断層撮像装置では、１層の厚さ（または断層分解能）は、約５０μｍである。この断層分解能は、装置の性能により決められるもので、５０μｍに限定されるものではない。
【００２３】
而して、図４に示す多層プリント基板１０を回転軸８を回転軸として回転する回転試料台７上に固定し、ＸＹテーブル６のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を制御装置１７で制御して回転軸８とＸ線の光軸４が多層プリント基板３１の１層目で交差するように調節する。このようにして多層プリント基板３１のＸ線像を蛍光倍増管１２の撮像面５に形成すると、撮像面５には、フォーカスプレーン３１で示す曲面の拡大されたＸ線像が得られる。ここでフォーカスプレーン３１とは、回転軸８を中心にして曲線３１を回転してできる回転面を言う。なお、蛍光倍増管１２の撮像面５は、実際は、複雑な形状をしているため、フォーカスプレーン３１は、曲線３１を回転してできる回転面とは必ずしも一致しないが、極めて近い回転面となる。従って、ここでは簡単のためフォーカスプレーン３１を曲線３１を回転してできる回転面と称することにする。
【００２４】
このＸ線像において、多層プリント基板１０の１層目に相当する直径Ｓ１で示される円形部分４１のＸ線像は、断層分解能の範囲にあるため鮮明に得られるが、円形部分４１以外は、フォーカスプレーン３１は、２層、３層、・・・・６層のそれぞれ異なる層のＸ線像を示し、１層目の円形部分４１以外の１層目の部分ＳｘのＸ線像を得ることができない。
【００２５】
次に、上述したように撮像面が湾曲した蛍光倍増管を用いて対象物のＸ線平面断層像を撮影する原理について図５および６を用いて説明する。図５は、図４で示す対象物１０と同じものを示している。図５は、対象物１０にＸ線３を照射したときに対象物１０に対してフォーカスプレーン３１が形成されている状態を示す。なお、対象物１０は、図４に示すものと同じである。まず、図５（ａ）では、対象物１０の１層目の中心部分▲１▼で示される範囲のＸ線断層像が蛍光倍増管１２の撮像面５で撮像される。しかし、領域▲２▼では、２層目のＸ線断層像が撮像され、領域▲３▼では、３層目のＸ線断層像が撮像され、領域▲４▼では、４層目のＸ線断層像が撮像されることになる。従って、図５（ａ）の撮像では、１層目の全面にわたってＸ線断層像を撮像することができない。
【００２６】
これを改善するために図５（ｂ）では、対象物１０を矢印方向に５０μｍ移動する。即ち、制御装置１７によってＸＹテーブル６のＺ方向移動機構９を制御して対象物１０を５０μｍだけＺ方向（断層分解能に相当する距離、以下同じ）に移動する。これにより１層目の領域▲２▼が撮影できる。図５（ｃ）では、更に、対象物１０をＺ方向に５０μｍ移動する。これによって１層目の領域▲３▼が撮影できる。図５（ｄ）では、更に、対象物１０をＺ方向に５０μｍ移動する。これにより１層目の領域▲４▼が撮影できる。従って、これを６層目まで実行すると対象物１０の１層目の全領域のＸ線断層像を得ることができる。
【００２７】
図６は、図５で示すＸ線断層像を平面的に表した図である。即ち、図６（ａ）、図６（ｂ）・・図６（ｄ）は、それぞれ図５（ａ）、図５（ｂ）・・図５（ｄ）に対応する。即ち、対象物１０の１層目の各領域▲１▼▲２▼・・・▲４▼のＸ線断層像を対象物１０を順次移動することにより撮像できることを示している。
【００２８】
図７は、上記図５および図６で撮像されたＸ線断層像から対象物１０の１層目のＸ線断層像画像を構成するための原理を説明する図である。図６（ａ）、図６（ｂ）・・図６（ｄ）では、斜線で示す▲１▼、▲２▼、・・▲４▼の各領域は、１層目のＸ線断層像画像斜線あるが、実際の表示装置１８上ではどの領域が１層目のＸ線断層像画像であるのかの区別がつけられない。従って、図６に示す各Ｘ線断層像画像から１層目のＸ線断層像画像を再構成することが必要となる。図７は、これを説明するための図である。
【００２９】
先に説明したように蛍光倍増管１２の湾曲している撮像面５の形状を前もって実測で求めておくと、フォーカスプレーン３１の座標は、式（２）（３）から求められる。その結果、図７（ａ）では、領域▲１▼は、次のようにして演算で求めることができる。即ち、図４からも明らかなように光軸４とフォーカスプレーン３１の交点の座標（ａ₀、ｂ₀）が算出できるので、５０μｍシフトされた直径Ｓ１の面積の円周の座標を求めることができる。従って、求められたフォーカスプレーン３１上の座標に対応する撮像面５の座標を演算すると、表示装置１８上での領域▲１▼に相当する範囲が算出できる。従って、この領域７１を制御装置１７のメモリに記憶する。次に、対象物１０を約５０μｍ移動した図７（ｂ）に示すＸ線断層像画像の領域▲２▼を同様に演算し、この領域７１を制御装置１７のメモリに記憶する。これを順次行うと、４回移動した場合、１層目の各領域７１〜７４のＸ線断層像画像がメモリに登録される。従って、これら各領域７１〜７４を加算して表示装置１８に表示することにより１層目の全体のＸ線断層像画像を得ることができる。
【００３０】
図８は、本発明の他の一実施例を説明するための図である。図７では撮像面５上の領域▲１▼▲２▼・・・▲４▼の各領域の境界を座標をもとに演算し、メモリに記憶し、それぞれ表示装置１８に表示することについて説明した。しかし、Ｘ線断層像撮像装置の断層分解能および使用する蛍光倍増管も一度システムとして組み込まれると変更されるものではないので、例えば、製品の出荷時に断層分解能の設定あるいは撮像面の計測をしておけば、領域▲１▼▲２▼・・・▲４▼の各領域は、前もってテーブル化してメモリに記憶させることが出来る。このメモリに記憶したテーブルを表示装置８１の画面の領域▲１▼▲２▼・・・▲４▼に対応付けて表示したものを図８に示す。このようにすると撮像装置１５から得られるＸ線断層画像から座標に変換し、必要な領域を演算で算出するよりも簡単に領域▲１▼▲２▼・・・▲４▼の画像を抽出できる。また、必要により各領域の境界を示すパターンを表示装置８１上に表示し、これにＸ線断層像を重畳して表示すれば、容易に領域▲１▼▲２▼・・・▲４▼の区分をつけることも可能である。
【００３１】
なお、本発明の上記実施例では、対象物の１層目のＸ線断層像画像を構成することについて説明したが、この原理を用いれば、対象物の所定の深さでのＸ線断層像画像を適宜得ることができることは勿論のこと、対象物の移動範囲および撮像データを適宜蓄積すれば、演算により所定深さのＸ線断層像画像を適宜入手することができることは言うまでもない。
【００３２】
図９は、本発明のＸ線断層撮像装置を用いて配線パターンを持つプリント基板を撮像した場合のＸ線断層像画像の一例を示す。測定条件は、Ｘ線管の管電圧：７０ＫＶ、管電流：６０μＡ、蓄積時間：０．７秒、移動距離Ｚ：５０μｍ（１回の移動距離、断層分解能に相当）である。図９において、画像例９２は、１層目のＸ線断層像画像を示している。この画像例９２から明らかなように９４で示す中心部の配線は、比較的明瞭なＸ線断層像画像を示しているが、周辺部の配線は、良く見えない状態である。画像例９３は、４回目の移動により撮像した配線パターンの１層目のＸ線断層像画像で、９５で示す周辺部の配線が比較的明瞭なＸ線断層像画像を示している。画像例９１は、６回の移動により撮像した配線パターンの１層目のＸ線断層像画像全てを１枚のＸ線断層像画像として表示装置に表示した画像を示している。この図からも明らかなように湾曲したＸ線イメージ・インテンシファイアを用いたＸ線断層撮像装置で十分明瞭なＸ線断層像画像を得ることが出来ることを示している。
【００３３】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は、ここに記載されたＸ線断層撮像装置の実施例に限定されるものではなく、上記以外に、湾曲した撮像面を有する蛍光倍増管を用いた装置や検出方法に広く適応することが出来ることは、言うまでも無い。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、Ｘ線イメージ・インテンシファイアのような湾曲した撮像面を持つ蛍光倍増管であっても十分にＸ線断層像画像を得ることができ、また、従来使用していたＸ線像を光学像に変換する手段に比較してＸ線に対する感度が高く、従って従来技術で見ることのできなかった微小欠陥を検出できる可能性が向上する。また、撮像面積も大きく、大きさの種類も豊富なため大きな試料に対しても使用出来る等の特徴があり、Ｘ線断層撮像装置として極めて有効な装置である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の概略構成を示す図である。
【図２】従来のＸ線断層撮像装置の原理を説明する図である。
【図３】本発明の一実施例の概略構成図の一部拡大図を示す図である。
【図４】本発明の原理を説明するための図である。
【図５】本発明の原理を説明するための図である。
【図６】本発明により表示装置に表示されるＸ線断層像画像の一実施例を説明するための図である。
【図７】本発明のＸ線断層像画像の構成法を説明するための図である。
【図８】本発明の他の一実施例を説明するための図である。
【図９】本発明のＸ線断層撮像装置により撮像された画像の一例を示す図である。
【符号の説明】
１：Ｘ線管、２：Ｘ線発生、３：Ｘ線、４：光軸、５：撮像面、６：ＸＹステージ、７：回転テーブル、８：回転テーブルの回転軸、９：Ｚ軸駆動機構、１０：対象物、１１：断層面、１２：蛍光倍増管、１３：像回転プリズム、１４：像回転プリズムの回転軸、１５：映像蓄積型の撮像装置、１６：ケーブル、１７：制御装置、１８：表示装置、３１：フォーカスプレーン

Claims

Ｘ線源と上記Ｘ線源から発生するＸ線の光軸に対して傾斜した回転軸を有し、上記回転軸のまわりに回転する対象物を搭載する載置台と、上記載置台に載置された上記対象物を透過したＸ線像を光学像に変換する手段と、上記変換された光学像を回転させる手段と、上記光学像を電気信号に変換する手段と、上記電気信号を処理してＸ線断層像を得る制御部からなり、上記載置台は、上記対象物の断層面に垂直な方向にＸ線断層分解能に相当する距離移動する移動機構を有し、上記Ｘ線像を光学像に変換する手段は、湾曲した撮像面を有し、上記制御部は、上記移動機構により上記Ｘ線断層分解能に相当する距離移動する毎に得られる複数のＸ線断層像の所定部分を合成し、上記対象物の所定の部位の断層像を得ることを特徴とするＸ線断層撮像装置。
請求項１記載のＸ線断層撮像装置において、上記湾曲した撮像面に対応するフォーカスプレーンを演算により求め、上記フォーカスプレーンと上記Ｘ線断層分解能に相当する距離移動する毎に得られる複数のＸ線断層像とからそれぞれ所定の断層面に相当する領域を算出し、上記算出した領域をメモリに記憶したことを特徴とするＸ線断層撮像装置。
請求項１記載のＸ線断層撮像装置において、上記Ｘ線像を光学像に変換する手段は、Ｘ線イメージ・インテンシファイアであることを特徴とするＸ線断層撮像装置。