FYNE – ハイテク産業向けの次世代X線源

1a. ナノスケール解像度での高速測定 - 背景

効率的なイメージングセットアップを確保するには、ナノスケールイメージングにおける解像度と線量の相互作用を理解することが極めて重要です。これには、電子軌道と電子透過力という2つの主要な競合する効果があります。この競合がどのように発生し、それに対処するためにどのような戦略が存在するのかを簡単に説明します。X線管では、エミッターから電子が放出され、真空中で高電圧により加速されてターゲット材料に衝突します。その結果生じる電子とターゲット原子の衝突により、X線が発生します[3]。材料内の3D相互作用領域によって、X線源の焦点スポットの体積が決まります。加速電圧が高い場合、アノードとカソードの間の強い電場の影響により、エミッターから発生した電子の軌道は広がりにくくなります。

その結果、ターゲットに到達する電子の横方向の広がりが小さくなり（図5a参照）、焦点スポットサイズが縮小して解像度が向上します。しかし、加速電圧が高い場合、ターゲットに到達する電子の運動エネルギーも高くなります。運動エネルギーが高くなると、ターゲット材料の原子との衝突までの平均時間が増加します[4]。これは、電子がターゲットのより深くまで伝播できることを意味し、ターゲット原子との散乱を通じてさらなる横方向の広がりを引き起こします。その結果、焦点スポットの体積が増加し、最終的な解像度が低下します（図5a参照）。これら2つの効果のバランスによって、焦点スポットサイズが決まります。

このことから、ターゲットの厚さがX線相互作用体積を決定し、ひいては焦点スポットサイズを決定する上で重要な役割を果たしていることが明らかです。厚いターゲットでは、電子はターゲットの体積内で横方向に散乱することができ、この散乱は加速電圧が高いほど増加します。体積が増加すると焦点スポットが大きくなり解像度が制限されますが、同じ理由により高い線量も得られます。より厚いターゲットでは、解像度は主に3D体積全体で発生する可能性のある電子の散乱によって制限されます。

したがって、より高い解像度を達成する1つの方法は、ターゲットの厚さを制限することです（図5B参照）。これにより、材料内での電子の横方向伝播の可能性が低減され、焦点スポットの体積が制限されます。このアプローチの欠点は非常に明白であり、相互作用体積を減らすと、生成できる最大X線線量が減少します。 

1b. ナノスケール解像度での高速測定 - 例 

実際のFYNE 160 NF4線源におけるこれらの効果を説明するために、2つの例を見てみましょう。図6には、利用可能な電圧範囲（60〜160 kV）全体にわたる2つの可能な線源構成のデータを示しています。最初の例では、より厚いターゲットを使用しており、空間分解能は電圧範囲全体で約1.2 µmとほぼ一定です。しかし、検出器に到達する線量は、同じ範囲で約80%も変動します。さらに、より薄いターゲットを使用した2番目の例の線量と比較して、この場合の線量はすべての電圧ポイントで高く、より高い電圧では大幅に高くなります。この配置の欠点は、異なる動作ポイントで線量が強く変動し、最終的な解像度が制限されることです。線量が高く解像度が制限されることは、上記の議論から理解できます。つまり、より大きな相互作用体積はより多くの線量を生成しますが、同時に横方向の焦点スポットサイズも大きくします。したがって、これらの設定は、広い電圧範囲にわたって一貫した解像度とより高いX線フラックスを必要とするアプリケーションに適しています。 

図6に示す2番目の構成では、最初の構成よりも薄いターゲットを使用しています。この場合、電圧範囲全体での挙動は厚いターゲットとはまったく異なります。特に、解像度は異なる加速電圧で変化します。 

これは、より強い電場によってターゲット上の広がりが小さくなり、それがターゲット内の横方向の広がりによって相殺されないためです。ここで選択されたターゲットは、160 kVの特定の動作ポイントで0.4 µm（400 nm）の解像度を達成しながら線量を最大化するように設計されています。しかし、最初のケースとの比較で明らかなように、得られる総線量は厚いターゲットの場合よりも少なくなります。一般に、空間分解能が高いということは、X線フラックスが減少することを意味します。したがって、ナノスケールイメージングを計画する際には、線源の実際の動作ポイントとアプリケーションに必要な解像度を考慮し、これらの要件に合わせて線量を最大化することが極めて重要です。達成可能な最高の解像度を選択することは線量の減少を意味し、それほど高い解像度が必要ない場合には検査効率の大幅な低下を招くことになります。

したがって、重要なポイントは、アプリケーションの特定の要件に合わせて線源を最適化することが極めて重要であり、FYNEはその柔軟性を提供しているということです。

2. 卓越した焦点スポットの安定性

サブミクロンイメージング測定に必要な精度を考慮すると、アプリケーションに対して「仮想」焦点サイズが大きくなりすぎないよう、X線源にも極めて高い安定性が求められます。仮想焦点とは、焦点のサイズに、測定時間全体にわたって平均化したドリフトなどによるあらゆる移動量を加算したものです（図7参照）。一般的な測定時間は、2D画像の場合は数秒、詳細な3Dスキャンでは何時間にも及びます。そのため、低ドリフト特性が極めて重要となります。 

FYNE線源の優れた安定性を実証するため、24時間にわたるドリフト測定を実施しました。その間、線源に対する調整や補正は一切行っていません。振動の影響を最小限に抑えるため、線源、サンプルマニピュレータ、検出器はX線キャビネット内のグラナイトブロックを介して接続されています。ドリフトを測定するため、以下の手順を実施しました。円形の金構造を持つサンプルを視野の中心に配置し、120 kVの固定動作点で撮影しました。時刻Tにおける位置は、t = Tのときに撮影した金構造の画像から、t = 0のときに撮影した同じ構造の画像を差し引いて求められます。そして、ピクセルのシフト量をX方向およびY方向の実空間のシフト量に変換します。測定は全測定範囲にわたって無調整で実行され、つまり測定全体を通してビーム位置の制御は一切行われません。 

ここで重要なのは、焦点の本質的なドリフトに起因する画像のシフトと、イメージングチェーンの残りの部分の変化（機械的支持構造体の熱平衡化や、（線源の真前に配置される）サンプルの熱平衡化など）に起因するドリフトを完全に切り離して評価することは不可能であるという点です。初期段階では、機械システム全体が熱平衡化する期間が存在します。 

測定結果を図7に示します。得られた結果は、焦点だけでなくイメージングチェーン全体を合わせた安定性を示しています。システムの熱平衡化後、Y方向のドリフト速度は0.029 µm/h、X方向ではわずか0.012 µm/hという小さな値が観測されました。したがって、測定全体を通じた焦点の最大総偏差は、線源の分解能（0.4 µm）を下回っています。これらの値は、一部の代替的な開放型X線管の設計と比較して最大100分の1小さくなっています。測定中のいかなる時点でもアクティブなビーム安定化が使用されていないことを考慮すると、このような小さなドリフト速度は特筆すべきものです。

3. 長い線源寿命

FYNEは「開放型」X線源であり、物理的に開放してメンテナンスを行い、重要部品を交換できるため、線源の寿命は技術的に無制限です。密閉型X線管は定期的な交換が必要となるため、これは検査システムの総保有コスト（TCO）を算出する際に考慮すべき要素となります。とはいえ、特にアットラインやインラインのプロセス向けに生産環境で使用する場合、検査アプリケーションにおいては稼働時間を最大化し、メンテナンスの頻度を減らすことが極めて重要です。ナノスケールイメージングアプリケーションにおいて特に敏感な部品は電子放出部であり、従来の開放型X線管の設計ではその寿命は数百時間程度ですが、これは動作パラメータによって大きく変動します。一例として、1日あたり平均わずか8時間稼働させると仮定すると、寿命500時間のフィラメントは2か月ごとに交換する必要があります。この期間を延ばすことは、実験室と産業現場の両方で稼働時間を向上させるために不可欠です。 

図2のイメージングセットアップを使用して寿命測定を実施しました。測定の指標として、経時的なX方向およびY方向の空間分解能を選択しました。120 kVの動作点で0.06 µmの構造を撮影しました。FYNE線源はテスト中、中断することなく継続して稼働させました。結果を図8にまとめます。線源の稼働時間が2600時間を超えても、分解能に顕著な変化は観測されません。先ほどの1日8時間稼働の例に換算すると、これはメンテナンスなしで約11カ間稼働することに相当します。もちろん、線源の寿命を決定する要因は多数存在し、指標として選択されるパラメータはアプリケーション固有のものであるため、ここで一般化することはできません。しかし、今回の測定は、FYNEで達成可能な線源の寿命のオーダー、すなわち何千時間もの連続稼働を明確に示しています。