Nanotech X-射線系統
Nick Hadland, X-Tek Group, Inc
「奈米科技(nanotechnology)」這個名詞對我們已不再新奇了，就某種程度上來說這要感謝媒體。近來在開放式X-射線源和X-射線投映檢測器上的發展能夠提供終端用戶在奈米範圍內具有投映圖形的能力。
發表在National Nanotechnology Initiative(NNI)網站的一段描述將奈米科技定義為：「物體的特性和操控在大約1到100奈米的尺寸以內，其獨特的現象使得新穎的應用變得可行。奈米科技涉及到在這個長度尺寸內影像、測量、模式化和操控奈米級物體(mainpulating)，包含了奈米尺度科學、工程學以及技術等。」
並沒有特定的宣告說商業上可買到如NNI所描述高解析能力的X-射線系統，那麼X-射線系統如何來評定而證明其性能呢？
當試圖著了解製造商真正所想要表達的說明，懂得專業術語是關鍵。X-射線管或X-射線源解析度稱為X-射線管所能提供的最佳解析度，這代表了X-射線管能維持的最小聚焦點(focal spot)或者放射點(emission point)。圖形辨識性(feature recognition)或缺陷檢測能力(defect detectability)這些專有術語是代表著系統所能投映出的最小缺陷或圖形。這往往被描述為光源解析度的一半，因此奈米解析度或奈米焦點比起奈米圖形辨識性或奈米缺陷檢測能力在解析度上還粗略兩倍。所以，製造商所說的1微米(1000奈米)的聚焦點指的就是0.5微米(500奈米)的圖形辨識或者缺陷檢測能力。舉例來說，一具X-射線源*有大約1000奈米的聚焦點，使用這種技術的系統則可以達到500奈米或更佳的圖形辨識性。
X-射線系統
現代的微焦點X-射線系統(micro-focus cabinet)由具有鉛板的鋼製品所構成，並且包含了X-射線源、一具操縱器以及一具X-射線投映元件。從外面來看，此系統包括了一具映像處理器、控制用電腦、和顯示螢光幕(圖一) 。
X-射線管有兩種主要的類型：密封的X-射線管(圖二a)和開放的X-射線管(圖二b)。密封管可以稱是基本款的X-射線管，其具有限的KV(典型為130kV)、解析度(5-10微米)和放大倍率能力、相對短的壽命(大約為5,000-10,000小時)以及低成本。開放管被視為高階的而且可提供高的KV(典型為160kV以上)、解析度(約為1微米以下)和放大能力，並且提供了幾乎是毫無限制的使用時間。開放管在初始購買成本上往往比較高，然而，開放管的技術被視為是唯一能夠產生1微米(1000奈米)以下非常高解析度的商業化實用技術。
高解析度的開放式X-射線源
縱然有些人引用了3-微米解析度作為實用上的限度，但是事實上開放式管解析度能力是無限制的，因為她們忽視某些X-射線源製造商現在所能供給和掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)的解析能力。這兩者有著明顯的技術相似度，舉例來說，某些開放管X-ray使用了現成的SEM絲極(filament)做為它們的電子源，而SEM也可以同樣的方式利用電磁透鏡(electromagnetic lenses)像開放管來達到電子的聚焦點在1-10─奈米範圍內。
在現代的開放式X-射線管內，絲極是被裝置在陰極配件上，絲極和陰極配件都與被真空封在管筒封套內的接地端和高壓絕緣器有著電性隔絕。陰極配件和絲極維持在對地的負電位(典型為高達-160kV)，使得電子以高速從絲極加速到接地電位，而被一具電磁透鏡聚焦到鎢/鈹X-射線靶極(target)。在聚焦點上，高能量的電子經由電子(束)對電子(靶極材料)的交互作用會被減速或者阻煞，能量則以X-射線光子(photon)的形式被釋放出來。如果需要高解析度的話，電磁透鏡可能是管筒中唯一最關鍵的零件。
電磁透鏡可以繪製示意成一簡單的光學透鏡(圖三)，此光學透鏡實際上是一會影響電子束的電磁場。電流流過一繞線銅圈而產生出磁場來，磁場的強度則隨著透鏡的聚焦功率而改變。內部的幾何構造和製程對透鏡的聚焦能力來說是重要的，在磁性透鏡上些微的不一致、雜散的磁場、線圈電流上的變動以及高電壓電源的變動都會影響透鏡聚焦點的一致性。
投映系統
最常見的X-射線投映系統包含有一具X-射線映像增強器連接到一台照相機，映像增強器是一具大面積、X-ray-to-light的轉換器和倍增器。變化能量光子的X-射線陰影表示樣品被投射到檢測器上，X-射線檢測器會轉換不同能量的光子到可見光，並且呈現映像到照相機上。此照相機將轉換可見的映像成為電訊號，再經處理而呈像顯示在螢光幕上。一台基本的系統可能使用到一具低成本的映像增強器和一台8位元的類比CCD照相機，透過電腦影像卡和螢光幕此提供了映像顯示達到255個別的色階，從白色到黑色。
某些X-射線系統製造商使用較高品質和高靈敏度的映像增強器(例如鈹映像增強器)、更高位元強度數位照相機、和可能甚至使用到衰減X-射線最低程度的鈹X-射線源窗口。照相機訊號將包含達1024(10位元)或4096(12位元)個別的色階，在黑色和白色之間提供更多的分級可以轉換成更佳的材料上差異性判定。當試圖投映微小的圖形時，改善投映系統的靈敏度是必要的，幾個微米或更小的圖形只會輕微地衰減到X-射線束，而因為在X-射線能量上微小的改變更難檢測，所以投映就更困難。圖四顯示以一台具有12-位元數位照相機為基礎的系統來檢視晶片銲接(die-attach)的映像。
新的投映技術
大部份的高階X-射線檢視系統上是可選擇的非晶系(amorphous)矽檢測器，其取代了映像增強器和照相機這兩項。這些檢測器是大面積的，非晶系矽陣列是由數千個獨立的對光敏感的光二極體(photodiode)所製成的。閃爍計數器(scintillator)材料是被裝設在非晶系陣列前面的檢測器單元內部，X-射線光子與閃爍計數器碰撞，而射出光子並由光二極體捕獲。當讀出或定位時，光二極體的訊號代表了光被捕獲的量，而最後在觀視螢光幕上將表示為圖素位置的一灰階。
非晶系檢測器提供了12、14或甚至16位元的輸出訊號；而且提供了高的動態範圍。這樣的檢測器往往包含超過100萬個光二極體，而提供了非常高解析度的輸出。這些陣列幾乎是完全平坦的，可提供無失真(distortion-free)的影像。然而還是有缺點：檢測器典型上不能即時讀取(每秒25－30個設定)，而且不能提供平滑連續的映像顯示。此檢測器尚未能生產足夠的數量來滿足成本、甚至趨近映像增強器(典型為5－10倍映像增強器的成本)。
測試技術
簡易的試片(圖五)包含了被微影蝕刻到1-微米-厚度、金在氮化矽(goal-on-slicon-nitride)上基板的星形圖案。藉由此圖案位置靠近光源，X-射線系統的圖形辨識可以經由觀看系統螢光幕上顯示的投射映像而被目視判定，投射的映像會以一連串放射狀會聚的線條顯現出來，當線條靠近光芒的亮點中心時，間距和寬度變得更緊密，線條/間距的可分解性(resolvability)在其靠向中心時指示出更好的解析度。這項簡易的測試不只評估從5微米下至0.5微米的聚焦點，也同時檢驗在聚焦點環狀內的不一致性。因為測試圖案是以一薄金層所做成的，X-射線光子通過時只會存在有限的衰減，所以檢測器系統的靈敏度和動態範圍也可以被評定出來。
結論
要達到超高解析度需要一套穩定、高解析度的X-射線管以及靈敏的、高對比的、低雜訊的X-射線投映系統，非晶系矽檢測器算是令人滿意的選擇，但如果提供了映像增強器和數位相機的正確組合對投映小圖形來說卻不見得是必要的，標準化測試元件用來證明系統的能力以及具體證實製造商所說的「奈米」。SST-AP/Taiwan
* NanoTech為X-Tek所有
作者
Nick Hadland，總裁。可以連絡X-Tek Group公司，地址：P.O. Box 374, Tyngsboro MA 01879；電話：978/649-6333；電子郵件信箱：xtekeast@xtekxray.com。
圖一：微焦聚X-射線系統(micro-focus cabinet)的示意圖。
圖二a：密封的X-射線管。