JP7806303B2 - X線蛍光を用いて試験物体を測定するための方法及び測定デバイス - Google Patents

X線蛍光を用いて試験物体を測定するための方法及び測定デバイス

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Description

本発明は、X線蛍光を用いて測定デバイスで試験物体を測定するための方法に関し、具体的には、試験物体の薄層の厚さを測定するために、または試験物体の元素濃度を判定するために提供されるような測定デバイスに関する。
工業生産の多くの分野では、いわゆる、プリント基板上の接着パッド等、ますます小さな構造が使用されるようになっている。これらの構造の個々のエリアは、測定タスクによって検査する必要がある異なる平面に位置する。X線蛍光を使用する測定を実施するための測定デバイスでは、光学デバイスが設けられ、そのビーム経路は、結合要素を介して、X線蛍光デバイスによって測定される物体に向けられた放射線源の一次放射線に結合される。これにより、測定される物体上の測定点の画像をキャプチャすることが可能になる。これらの光学デバイスは、物理的に判定される被写界深度の制限をもたらす。これにより、ユーザーが、測定タスクの基礎となるX線蛍光測定のために測定される物体の構造の測定面に合わせて測定デバイスを調整することが困難になる。測定される物体の構造内でX線蛍光測定用の測定デバイスを正しい測定面に設定することは、評価を改善するために放射された二次放射線の強度の増加を実現するために重要である。この強度の増加は、一次ビームの焦点面が試験される試験物体の小さな構造の測定面に存在する場合だけ実現できる。他方では、正しい測定面に合わせた試験物体の調整は、対象ではない試験物体上の構造を照らし、測定スポットを拡張しないようにするために重要である。
さらに、X線蛍光デバイスの放射線源と、測定される物体との間にX線光学装置、具体的には、いわゆる、ポリキャピラリティを提供することで、小さな測定スポットで強度を増加させることができる測定デバイスが知られている。しかしながら、この測定スポットは、測定される物体のそのような小さな構造の測定点よりも大きくなり、その結果、測定点の隣接エリアは、また、測定スポット内の一次放射線によって励起される。測定スポットが小さくなるにつれて、焦点面がポリカピラリーの出口にさらに近くなる。ここでの問題は、測定点の画像をキャプチャするビーム経路を結合することが困難または不可能であることである。
本発明は、X線蛍光を用いて測定デバイスで試験物体を測定するための方法と、試験物体の測定点で異なる測定面を伴う構造を検出することによって、一次ビームを特定の測定面と整列することを可能にする測定デバイスとを提案する目的に基づいている。
この目的は、X線蛍光を用いて測定デバイスで試験物体を測定するための方法によって解決される。本方法では、放射線源の一次ビームは、X線蛍光デバイスによって、測定デバイスの測定台上に位置決めされた試験物体に向けられ、そして、試験物体によって放射された二次ビームは、X線蛍光デバイスの検出器によって検出され、評価デバイスに転送されて評価される。画像キャプチャデバイス及び集光光学ユニットを備える光学デバイスは、画像キャプチャデバイスのビーム経路を一次ビームに結合要素を介して結合し、測定される物体の測定点に一次ビームを向け、測定点の画像をキャプチャする。1つ以上の試験物体に対する測定タスクが実施される前に、試験物体の測定点の構造をキャプチャする。測定台の上の距離Dを起点として、試験物体の測定点の最高点が画像によって検出され、試験物体までの距離Dが判定されるまで、焦点面は、制御可能な集光光学ユニットによって、試験物体の測定点に向かって移動する。この距離Dを起点として、集光光学ユニットはいくつかのステップで制御され、その結果、画像キャプチャデバイスのビーム経路の焦点面は、測定台の表面に向かって移動し、画像及び関連の距離D,D...Dがキャプチャされ、全てのキャプチャ画像の合成画像は評価デバイスによって判定され、測定デバイスに接続されたディスプレイ上に出力される。本方法の利点として、測定物体の測定点の小さな構造の異なる測定面をディスプレイに鮮明に示すことができることが挙げられる。これにより、ユーザーが、後続の測定タスクのための測定点の小さな構造上の対応する測定面に正確に接近して、その測定面を設定することが可能になる。
試験物体の測定点の全てのキャプチャ画像は、アルゴリズムによって合成画像に変換され、測定点は、ディスプレイによって、測定点の構造の高さ全体にわたって、被写界深度で出力されることが好ましい。そのようなアルゴリズムは、画像変換が後続の最良な可能な重ね合わせのために個々の画像に対して実施されるように提供できる。そのようなアルゴリズムは、例えば、フォーカススタッキングまたはフォーカスバリエーションを行うために特別なソフトウェアで使用される。被写界深度が制限された光学装置の場合、これにより、構造の高さ全体にわたる全被写界深度で、試験物体の測定点における画像と、測定点の構造に関する3次元情報とを取得することが可能になる。
さらに、測定台または測定物体の上方の距離Dsにわたって、集光光学ユニットの焦点面の運動が、画像キャプチャデバイスのビーム経路から、測定物体の測定点に向けて行われ、そして、距離Dsは、評価デバイスで判定される、または測定デバイスの較正によって判定されることが好ましい。結果として、構造を判定するための繰り返し発生する始点は、試験物体の所定の測定面における測定点の後続の測定のために、この小さな構造の検出のために選択できる。
測定される物体の測定点の最高点は、測定される物体の第1の距離Dまたは最小距離を判定するためにオートフォーカス測定によって検出されることが有利になる。これにより、測定点の最高点を自動的に判定することが可能になる。
電気的に制御可能な集光光学ユニットは、好ましくは、画像キャプチャデバイスのビーム経路の焦点面を変化させるために設けられている。試験物体上の測定点における小さな構造を検出するためのビーム経路または画像キャプチャデバイスの焦点面の好ましい段階的変位は、好ましくは、集光光学ユニットを制御するために電圧値を変化させることによって実施される。それによって、電圧値の各変化は、焦点面の変位をもたらし、各電圧値は、焦点面の位置を判定するために、距離D~Dに割り当てられる。各焦点面では、画像は、好ましくは、画像キャプチャデバイスによってキャプチャされ、さらには、画像キャプチャデバイスを使用して、合成画像を形成する。同時に、判定された距離に対する個々の電圧値は評価デバイスに記憶され、その結果、小さな構造上の特定の焦点面の値は、試験物体の構造上に一次ビームの測定スポットを調整するために考慮できる。
有利に、測定台の表面上に存在する最大距離Dmaxは、また、評価デバイスに記録される。これにより、距離DとDmaxとの間の焦点面の運動範囲を記憶することが可能になり、その結果、この移動範囲外の距離が検出される場合、同時に、妥当性チェックを実施できる。
測定台の表面の方向で、光学デバイスのビーム経路の結合面から始まり、一次ビームまでの距離D、D...D、Dmaxが判定されることが好ましい。
例えば、電気的に制御可能な液体レンズは、プロセスを実施するための電気的に制御可能な集光光学ユニットとして使用できる。代替として、集光光学ユニットは、また、画像キャプチャデバイスのレンズ及び/または画像面の幾何学的運動によって制御できる。
さらに、試験物体の構造がいくつかの集点面を含む測定台上に既知の構造を伴う較正標準を設置することによって検出される前に、光学デバイスは較正され、較正標準の集点面の距離は、電圧値ごとに電圧値を変化させることによって記録され、そして、距離が較正標準の既知の集点面からずれる場合、較正標準の記録された最も近い集点面に対して、特定の電圧値に対する電圧値の補正を実施することが好ましい。この較正ステップにより、後続の測定タスクの前に、測定デバイス、具体的には、光学デバイスを光学的に較正することを可能にする。結果として、測定品質の向上を実現できる。
本発明の基礎となる目的は、さらに、X線蛍光を用いる試験物体の測定デバイスによって解決され、測定デバイスは、測定物体を位置決めできる表面上に測定台を伴うハウジングと、一次ビームを放射するための放射線源と、測定物体から放射された二次放射線を検出するための検出器とを備えるX線蛍光デバイスと、画像キャプチャデバイス及び集光光学ユニットを備える光学デバイスと、を備え、評価デバイスは、上記に説明した実施形態のうちの1つに従った方法を実施するために設けられている。
本発明、及び本発明の他の実施形態ならびにさらなる実施形態は、図面に示される例を参照して、下記により詳細に記述及び説明される。本発明に従って、個々に、または任意の組み合わせで、説明及び図面から理解される特徴を使用できる。
測定デバイスの斜視図である。 図1による、測定デバイスの概略断面図である。 測定される物体の測定点で構造を検出するための集光光学ユニットを伴う光学デバイスの概略側面図である。
図1は、測定デバイス11を斜視図で示す。図2は、図1による測定デバイスの概略側面図を断面図で示す。この測定デバイス11を使用して、X線蛍光を使用する試験物体の測定を実施する。X線蛍光を使用する測定を使用して、試験物体上のコーティングの厚さを測定できる、及び/または試験物体の材料を分析できる。
測定デバイス11はハウジング12を備え、ハウジング12は、下側ハウジングセクション14及び上側ハウジングセクション15と、ハウジングカバー16とを伴う。ハウジングカバー16は、例えば、旋回軸17を中心に旋回できるように搭載され、その結果、ハウジング12に設けられた測定チャンバー18にアクセス可能になる。代替として、ハウジングカバー16は、また、さらなる機構によって、ハウジング12に対して移動または変位できる。旋回式ハウジングカバー16の代わりに、また、測定チャンバー18へのアクセスを可能にするハウジング開口も設けることができる。
ハウジング14の下部は、上側で移動可能な測定台21を収容している。この測定台21は、モーター22によって、X及びY方向に駆動される。好ましくは、測定台21は、下側ハウジング部14に対して移動できるようにクロステーブル等によって誘導される。
X線蛍光デバイス23は、ハウジング15の上部に設けられている。これは、一次ビーム25が測定点26に向けられる放射線源24を備える。シャッター、一次フィルター、及び/またはコリメータ等の一次ビーム25に配置された個々の構成要素は詳細に示されない。例えば、測定台21に静止している個々の試験物体27は、測定を実施するために、測定点26と整列して位置決めできる。検出器28は放射線源24に隣接して設けられ、試験物体27によって放射された二次放射線29を検出する。放射線源24及び検出器28の両方は制御ユニット31に接続される。
制御デバイス31は評価デバイス32を備え、これにより、測定タスクを記憶して呼び出すことができる、及び/または判定された測定値を記録、記憶、かつ/あるいは評価できる、ならびに/もしくはディスプレイ等に出力できる。
光学デバイス40はハウジング15の上部に設けられ、光学デバイス40は、CCDカメラ等の画像キャプチャデバイス33と、集光光学ユニット42とを備え、光学デバイス40を用いて、測定台21または好ましくは測定台21の全体の少なくとも1つのエリアの画像または概観画像をキャプチャできる。光学デバイス33は、偏向ミラー20を用いて、測定点26及び/または測定台21の画像をキャプチャできる。ハウジングカバー16はモーター34を介して自動的に開閉でき、さらには、モーター34は制御デバイス31に接続される。これにより、測定チャンバー18への容易なアクセスがもたらされる。ボタン要素36は、好ましくは、ハウジング14の下部に設けられ、ボタン要素36を用いて、制御デバイス31を起動もしくは停止できる、及び/またはアクティブにできる。
有利に、ディスプレイ、画面等を測定デバイス11に接続できる。また、ディスプレイまたは画面はハウジング12にも設けることができる。
後続の測定タスクのために少なくとも1つの試験物体27を測定台21に載せることをより容易にするために、測定台21を積み降ろし位置35に移動できる。この積み降ろし位置35では、測定台21は、ハウジング14の下部に対して少なくとも部分的に延在する。下側ハウジング部14を持ち上げることができるハウジングカバー16は、積み降ろし位置35に配置される測定台21に対するアクセス可能性の改善をもたらすことができる。測定台のこの積み降ろし位置35は図1に示されている。
間近で測定タスクを実施するために、測定台21は積み降ろし位置35から作動位置37に移動する。この作動位置37は図2に示されている。測定台21は測定チャンバー18の中に完全に位置決めされている。ハウジングカバー16を閉じる前に、測定台21は、閉じた測定チャンバー18の中に完全に位置決めされている。
代替として、積み降ろし位置35及び作動位置37が同じ位置にあることをもたらす可能性がある。この場合、ハウジングカバー16は、好ましくは、下側ハウジング部14に対して持ち上げ可能であり、または横方向に変位可能であり、その結果、測定台21に少なくとも1つの測定物体27を積み降ろしするために、良好なアクセス可能性を再度もたらす。
代替として、測定デバイス11の測定台21を固定することも可能である。この場合、測定台21に測定物体27を個々にまたはグループで設置できる。次に、X線蛍光デバイス23及び/または光学デバイス33は、状況に応じて、試験物体27の測定点45に移動できる。
図3は、画像キャプチャデバイス33及び集光光学ユニット42を備えている、X線蛍光デバイス23及び光学デバイス33の概略側面図を示す。測定台21に測定物体27を設置できる。この測定物体27は、例えば、異なる高さに測定面を有する構造を備える測定点45を含む。測定点45の構造は実質的に拡大するように示される。これらの構造は、500μmよりも小さくなり、具体的には、600nmの光波長よりも小さくなり得る。言い換えれば、そのような構造は、好ましくは、500μmよりも大きい測定スポットを設定できる光学システムの微小焦点よりも小さい。構造の説明図は単に実施形態の例にすぎず、この構造は、いずれかの形状を有し得、示される階段または柱状構造を備える必要はない。
画像キャプチャデバイス33の光学ビーム経路41は、結合要素20または偏向ミラーを介して一次ビーム25に結合される。画像キャプチャデバイス33または結合面46のビーム軸から、測定台21の表面及び/または測定物体27の測定点45の構造までの距離を検出する。コリメータ47は、好ましくは、結合要素20と測定台21との間に設けることができる。これは、具体的には、試験物体27の測定点45での測定面における一次ビーム25の測定スポットのサイズを調整するために使用される。
試験物体27上の測定点45を測定するための1つの測定タスクは、試験物体27上のコーティングの厚さを判定できる。測定タスクは、また、構造内の個々の測定面の材料分析または元素濃度を判定できる。これを行って、個々の構造内のコーティングが十分に厚いかどうか、または必要な元素濃度が存在しているかどうかをチェックできる。
試験物体27上の測定点45の構造を記録するために、次のように進める。
電気的に制御可能な集光光学ユニット42は、ビーム経路41の焦点面が距離Dに応じて平面内に存在するように設定される。この距離Dは、評価ユニット32で修正、較正、またはプログラムされた距離であり得る。距離Dは、好ましくは、結合面46を起点として判定される。また、その距離は、測定台21の表面を起点としても判定できる。この始点を起点として、ビーム経路41の焦点面は、測定台42の方向に移動する。試験物体27の測定点45の最高点はオートフォーカス測定によって検出される。また、これは、試験物体27の構造と結合面46との間の最小距離でもある。試験物体27の測定点45の構造のこの最高点は、DminまたはDとして記録及び記憶できる。電気的に制御可能な集光光学ユニット42により、特定の電圧値は距離Dにおける焦点面に存在する。これは距離Dに割り当てられる。距離Dにおけるこの焦点面で、画像は、光学デバイス40によってキャプチャされて記憶される。続いて、焦点面の変化は、好ましくは、集光光学ユニット42を制御するために電圧値の相関的な変化によって段階的にトリガーされる。例えば、次に、焦点面は距離D,D...Dで接近する。各々の電圧値は各距離D...Dから記録され、画像は画像キャプチャデバイス33によって作成される。この横断運動は、遅くても、焦点面が距離Dmaxにあるときに終了する。距離Dmaxは、結合面46と、測定台21の表面との間の距離に対応する。
次に、個々のキャプチャ画像は、画像変換、好ましくは、フーリエ変換を用いて処理され、その結果、そのキャプチャ画像を重ねることができる。いわゆる、フォーカススタッキングまたはフォーカスバリエーションを使用して、測定デバイス11のディスプレイで測定点45の構造の鮮明な概観画像を出力及び表示できる。
この手順では、測定デバイス11のユーザーが、試験物体47の測定点45の完全構造を深度までも明確に見ることを可能にし、ひいては、測定を実施するために、一次ビーム25の所望の測定点または測定面を選択及び定義することを可能にする。これは、測定点45の後続の評価のために十分な二次放射線を実現するために、測定タスクによって検出される測定面に最大強度を導入できるという利点をもたらす。
試験物体27上の測定点45の構造を検出するための本方法は、また、深度が鮮明である3次元画像全体から専用のターゲットパターンの検出を判定するのをより容易にするため、例えば、試験物体27のパターン認識も可能であるという利点をもたらす。
試験物体27上の測定点45の構造を記録する前に、試験物体11は第1のステップで較正できる。好ましくは、いくつかの測定面を備える既知の構造を伴う較正標準は測定台21に設置される。この既知の構造は、また、いくつかの異なる焦点面(測定面)を備える焦点標準とも呼ばれ、それによって、少なくとも1つの焦点面から測定台21上の較正標準の支持面までの距離が把握される。次に、電気的に制御可能な集光光学ユニット42は、較正標準42の中の焦点面に対してビーム経路41を移動させ、各々の関連の電圧値を記録する。電圧値が較正標準42の既知の焦点面が較正標準42の最も近い焦点面の値と違う場合、電圧値を補正する。電圧値は、ビーム経路41の焦点面と、測定台21の結合面46または表面との間に定義された距離と相関し、その結果、いずれかの許容差または誤差を補正できる。

Claims (13)

  1. X線蛍光を用いて測定デバイス(11)で試験物体(27)を測定するための方法であって、
    -放射線源(24)の一次ビーム(25)は、X線蛍光デバイス(23)から、測定台(21)に位置決めされる前記試験物体(27)に向けられ、
    -前記試験物体(27)によって放射された二次放射線(2)は、前記X線蛍光デバイス(23)の検出器(28)によって検出され、評価デバイス(32)に転送され、
    -画像キャプチャデバイス(33)及び集光光学ユニット(42)を備える光学デバイス(40)を使用して、前記光学デバイス(0)のビーム経路(41)を、結合要素(20)を介して、前記一次ビーム(25)に結合させ、前記一次ビーム(25)を、測定される前記試験物体(27)の測定点(45)に向け、画像は前記測定点(45)から獲得され、
    -前記試験物体(27)の前記測定点(5)の構造は、前記測定デバイス(11)に位置決めされた前記試験物体(27)に対して測定タスクが実施される前に検出され、
    -前記画像キャプチャデバイス(33)前記ビーム経路(41)の焦点面は、距離Dで制御可能な集光光学ユニット(42)によって接近され、前記距離Dは、前記測定台(21)の上にあり、かつ測定される前記試験物体(27)の上にある前記焦点面の位置に一致し、
    -次に、前記焦点面は、前記集光光学ユニット(42)によって、前記試験物体(27)の前記測定点(45)に向かって移動し、
    -前記試験物体(27)の前記測定点(45)の最高点は前記画像キャプチャデバイス(33)の画像によって検出され、前記測定台(21)までの距離Dが割り当てられ、
    -前記距離Dを起点として、前記集光光学ユニット(42)は複数のステップで制御され、前記画像キャプチャデバイス(33)の前記ビーム経路(41)の前記焦点面は、前記測定台(21)の方向における前記集光光学ユニット(42)によって移動され、前記試験物体(27)の前記測定点(45)の画像は、変位した前記焦点面の各ステップからキャプチャされ、距離D...Dが割り当てられ、
    -前記画像キャプチャデバイス(33)によってキャプチャされた前記画像の全ては、前記評価デバイス(32)によって、合成画像に変換され、前記測定デバイス(1)に接続されたディスプレイ(39)で出力されることを特徴とする、方法。
  2. 前記試験物体(27)の前記測定点(45)の全てのキャプチャ画像は、アルゴリズムによって合成画像に変換され、前記試験物体(27)の前記測定点(45)は、前記ディスプレイ(39)によって、前記測定点(45)の前記構造の高さ全体にわたる被写界深度で出力されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記アルゴリズムは、フォーカススタッキングまたはフォーカスバリエーションであることを特徴とする、請求項2に記載の方法。
  4. 前記測定台(21)の上にある、又は前記試験物体(27)の上にある前記距離Dにわたり、前記試験物体(27)の前記測定点(45)に向かう前記ビーム経路(41)の点面の横断運動が行われ、前記距離Dは、前記評価デバイス(32)で設定される、または前記測定デバイス(11)の較正によって判定されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  5. 前記距離Dを判定するための前記試験物体(27)の前記測定点(45)の前記最高点の前記検出は制御され、オートフォーカス測定によって検出されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  6. 電気的に制御可能な集光光学ユニット(42)が使用され、前記ビーム経路(41)の前記焦点面を変位させるための各ステップは、前記集光光学ユニット(42)の電圧値の段階的変化によって制御され、各電圧値は、前記試験物体(27)の前記構造と接続して前記各々の焦点面を判定するための距離D...Dが割り当てられることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  7. 前記ビーム経路(41)の前記点面が前記測定台(21)の表面に存在する距離Dmaxは、前記光学デバイス(33)での測定により検出され、前記評価デバイス(32)に記憶されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  8. 前記測定台(21)の表面の方向で、前記光学デバイス(33)の前記ビーム経路(41)の結合面(46)から始まり、前記一次ビーム(25)までの前記距離D、D...Dが判定されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  9. 少なくとも1つの液体レンズまたは少なくとも1つの幾何学的に移動可能な光学部品は、電気的に制御可能な集光光学ユニット(42)として使用されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  10. 前記試験物体(27)の前記測定点(45)の前記構造が検出される前に、前記光学デバイス(40)の較正が実施され、既知の構造を伴う較正標準は、前記測定台(21)に設置され、相互に異なる複数の点面を備え、前記集光光学ユニット(42)を制御するための電圧値を変化させることによって、結合面(46)からの較正機能の前記既知の構造の前記点面の距離は電圧値ごとに検出され、前記電圧値が前記同じ点面の前記判定された電圧値に対して前記較正標準の前記既知の点面の値と違う場合、前記電圧値の補正が実施されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  11. 前記試験物体(27)の薄層の厚さを測定するための方法、または前記試験物体(27)の元素濃度を判定するための方法であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  12. X線蛍光を用いて試験物体(27)を測定するための測定デバイスであって、
    -ハウジング(12)と、
    -試験物体(27)が位置付け可能である表面上に、前記ハウジング(12)に設けられた測定台(21)と、
    -一次ビーム(25)を放射するための放射線源(24)と、前記試験物体(27)によって放射された二次放射線(29)を検出するための検出器(28)と、を備えるX線蛍光デバイス(23)と、
    -画像キャプチャデバイス(33)及び集光光学ユニット(42)を備える光学デバイス(40)と、-前記画像キャプチャデバイス(33)のビーム経路(41)が前記一次ビーム(25)に結合可能である結合要素(20)と、評価デバイス(32)と、を備え、
    前記評価デバイス(32)は、請求項1に記載の方法を実施することを特徴とする、測定デバイス。
  13. 前記試験物体(27)の薄層の厚さを測定するための測定デバイス、または前記試験物体(27)の元素濃度を判定するための測定デバイスであることを特徴とする、請求項12に記載の測定デバイス。
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