JP7059089B2 - Ｘ線検出器およびそれを用いたｘ線計測装置 - Google Patents
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Description
本発明は、Ｘ線検出器およびそれを用いたＸ線計測装置に関する。
ＸＲＦ（X-Ray Fluorescence analyzer 、蛍光Ｘ線検出装置）は、物質にＸ線を照射し、そこから発生する蛍光Ｘ線を検出することで物質の定性と定量が行えるだけでなく、物質の厚みや積層状態などを評価可能な装置である。現在、Ｘ線検出器の改良が進み、机上に置いて使えるほど小型で、かつ高感度な蛍光Ｘ線検出装置が普及している。このＸＲＦの小型化に貢献したのが、Ｘ線を検出する半導体検出器（シリコンドリフト検出器、Silicon Drift Detector：ＳＤＤ）である。ＳＤＤは、小型で検出感度が高いだけでなく、大きな冷却装置を必要としないのが最大の特徴である。そして、Ｘ線検出器においては、低エネルギーから高エネルギーまで幅広いエネルギー帯において検出感度が高いことが望ましい。
なお、特開２０１４－２１０００号公報（特許文献１）には、信号線が、配線基板などの基板に設けられたスルーホールを介して上記基板と放射線検出素子およびプリアンプとを接続する構造の放射線検出器が開示されている。
上述のＸ線検出器では、Ｘ線検出器を構成するＳｉ基板の厚さに依存して、Ｘ線が高エネルギーになるほど検出効率は低下する。標準的な０．５ｍｍの厚さのＳｉ基板で作製したＳＤＤの場合、入射エネルギーが１０ｋｅＶを超えると急激に検出効率が低下する。このため、Ｘ線エネルギーが１０ｋｅＶ以上のＸ線の検出効率を改善する手段として、Ｓｉ基板の厚さを厚くする方法がある。
しかしながら、厚いＳｉ基板でＳＤＤを作製するには専用装置の開発と購入が必要であるだけでなく、Ｓｉ基板が厚くなるほど検出効率の高いウインドウ領域が減少し、さらに別途高電圧回路が必要になるなどの問題がある。一方、ＳＤＤの基板厚さは変えずにＳＤＤを複数配置したり、あるいは、複数重ねたマルチ検出器にする方法がある。しかしながら、増えたＳＤＤの数に比例して、Ｘ線検出器の占有面積や体積が増えるだけでなく、増えたアンプや回路数だけコストも増加することが課題である。
なお、上記特許文献１では、放射線検出素子において検出される放射線のエネルギー感度については特に言及されていない。
本発明の目的は、高い分解能を維持しつつＸ線の検出効率を高めることができる技術を提供することにある。
本発明の前記の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
代表的なＸ線検出器は、試料から発生するＸ線を第１のエネルギー感度で検出する第１の半導体チップと、上記Ｘ線を上記第１のエネルギー感度と異なる第２のエネルギー感度で検出する第２の半導体チップと、を有する。さらに、上記第１の半導体チップと電気的に接続された第１の信号線と、上記第２の半導体チップと電気的に接続された第２の信号線と、上記第１の信号線と上記第２の信号線とに電気的に接続され、信号を増幅するアンプと、を有する。
また、代表的なＸ線計測装置は、試料を保持するステージと、上記試料にＸ線を照射するＸ線発生源と、上記試料から発生するＸ線を検出するＸ線検出器と、上記Ｘ線検出器から送信される信号を編集する第１の処理部と、を有する。ここで、上記Ｘ線検出器は、上記試料から発生する上記Ｘ線を第１のエネルギー感度で検出する第１の半導体チップと、上記試料から発生する上記Ｘ線を上記第１のエネルギー感度と異なる第２のエネルギー感度で検出する第２の半導体チップと、を有する。さらに、上記Ｘ線検出器は、上記第１の半導体チップと電気的に接続された第１の信号線と、上記第２の半導体チップと電気的に接続された第２の信号線と、上記第１の信号線と上記第２の信号線とに電気的に接続され、信号を増幅するアンプと、を有する。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
Ｘ線検出器およびこのＸ線検出器を有するＸ線計測装置において、高い分解能を維持しつつＸ線の検出効率を高めることができる。また、Ｘ線検出器の占有面積や体積を増やすことなく、コスト上昇も抑制してＸ線の検出効率を高めることができる。
図１は本発明の実施の形態のＸ線検出器の構成の一例を示す概略図、図２は図１に示すＸ線検出器に用いられるＳＤＤチップの構造の一部を破断して示す概略図である。
図１に示す本実施の形態のＸ線検出器１２は、後述する図１４に示すように、物質にＸ線６を照射し、そこから発生する蛍光Ｘ線７を検出することで物質の定性と定量を行うことが可能な機器である。
Ｘ線検出器１２の構成について説明すると、上記図１４に示すサンプル（試料）２４にＸ線６を照射し、サンプル２４から発生する蛍光Ｘ線７を第１のエネルギー感度で検出する第１ＳＤＤチップ（第１の半導体チップ）１と、蛍光Ｘ線７を上記第１のエネルギー感度と異なる第２のエネルギー感度で検出する第２ＳＤＤチップ（第２の半導体チップ）２と、を有している。
さらに、Ｘ線検出器１２は、第１ＳＤＤチップ１と電気的に接続された第１の信号線３と、第２ＳＤＤチップ２と電気的に接続された第２の信号線４と、第１の信号線３と第２の信号線４とに電気的に接続され、かつ信号を増幅するアンプ（増幅器）５と、を有している。
また、Ｘ線検出器１２は、各素子（各半導体チップ）の熱を吸収するペルチェ１０を備えており、さらに、各素子（各半導体チップ）の温度を検出する温度センサであるサーミスタ８が取り付けられている。
そして、Ｘ線検出器１２には、各半導体チップやペルチェ１０およびサーミスタ８などと電気的に接続され、かつ電源供給制御、温度制御および信号処理などの制御を行う制御部１１が設けられている。
なお、Ｘ線検出器１２において、第１ＳＤＤチップ１と第２ＳＤＤチップ２は、積層配置されており、第１ＳＤＤチップ１がＸ線６の入射側に配置され、一方、第２ＳＤＤチップ２は、Ｘ線６の入射側と反対側に配置されている。すなわち、Ｘ線検出器１２では、Ｘ線６の入射側から第１ＳＤＤチップ１、第２ＳＤＤチップ２の順に配置されている。これにより、第１ＳＤＤチップ１の表面（ウインドウ面）１ａは、Ｘ線６の入射側を向いており、第１ＳＤＤチップ１の裏面（リング面）１ｂと、第２ＳＤＤチップ２の表面２ａとが対向している。
また、第１ＳＤＤチップ１と第２ＳＤＤチップ２の間には、絶縁性のスペーサ９が介在されている。言い方を変えると、第１ＳＤＤチップ１は、第２ＳＤＤチップ２上にスペーサ９を介して積層されている。
また、入射側と反対側に配置された第２ＳＤＤチップ２は、その表面２ａおよび裏面２ｂに開口する貫通孔（空間部）２ｅをチップ平面（表面２ａ）の中央部に備えており、この貫通孔２ｅに第２ＳＤＤチップ２と電気的に接続する第２の信号線４が配置されている。
なお、第１ＳＤＤチップ１の裏面１ｂ上には、第１ＳＤＤチップ１の信号を外部に引き出すための回路を備えた配線層１ｄが形成されており、この配線層１ｄの内部配線を介して第１ＳＤＤチップ１の信号が外部に引き出される。
同様に、第２ＳＤＤチップ２の裏面２ｂ上にも、第２ＳＤＤチップ２の信号を外部に引き出すための回路を備えた配線層２ｄが形成されており、この配線層２ｄの内部配線を介して第２ＳＤＤチップ２の信号が外部に引き出される。なお、配線層１ｄや配線層２ｄとして、薄膜配線基板などを採用してもよい。
また、第１の信号線３と第２の信号線４の両者が電気的に接続されるアンプ５が、第１ＳＤＤチップ１の裏面１ｂに設けられた配線層１ｄ上に設けられている。
詳細には、第１の信号線３の一端は、第１ＳＤＤチップ１の裏面１ｂの中央部に設けられたアノード電極（第１の電荷収集電極）１ｃを介して第１ＳＤＤチップ１と電気的に接続され、かつ第１の信号線３の他端は、第１ＳＤＤチップ１の裏面１ｂ側の配線層１ｄ上に設けられたアンプ５と電気的に接続されている。
一方、第２の信号線４の一端は、第２ＳＤＤチップ２の裏面２ｂの中央部に設けられたアノード電極（第２の電荷収集電極）２ｃを介して第２ＳＤＤチップ２と電気的に接続され、かつ第２の信号線４は、貫通孔２ｅ内に配置されるとともに、貫通孔２ｅを介して第２の信号線４の他端がアンプ５と電気的に接続されている。
ここで、本実施の形態のＸ線検出器１２では、Ｘ線６の入射側に配置された第１ＳＤＤチップ１の厚さより、入射側と反対側に配置された第２ＳＤＤチップ２の厚さの方が厚い。一例として、第１ＳＤＤチップ１の厚さは、０．５ｍｍ程度であり、第２ＳＤＤチップ２の厚さは、１．０ｍｍ程度である。
次に、図２を用いてＳｉ基板からなるＳＤＤチップの基本構成について説明する。なお、図２に示す構造は、図１に示す第１ＳＤＤチップ１の配線層１ｄを取り除いた構造と同様である。
図２に示すように、ＳＤＤチップの表面（ウインドウ面）１ａ側は、Ｘ線６の入射面となっており、その中央部付近の最上層には酸化膜１ｅが形成されている。そして、酸化膜１ｅの周囲にはアルミニウムなどからなる配線１ｆがガードリングとして複数本リング状に形成されている。さらに、リング状の各配線１ｆの下部や酸化膜１ｅの下部にはボロン層１ｇが形成されている。また、リング状の配線１ｆ間のそれぞれには絶縁膜１ｈが形成されている。
一方、ＳＤＤチップの裏面（リング面）１ｂ側の最上層には、アルミニウムなどからなる複数のリング状の配線１ｆが形成されており、その中心部にアノード電極１ｃが形成されている。表面１ａ側と同様に、リング状の各配線１ｆの上部にはボロン層１ｇが形成されており、また、リング状の配線１ｆ間のそれぞれには絶縁膜１ｈが形成されている。複数のリング状の配線１ｆは、同一中心上に等間隔で形成された複数のリング状の配線１ｆである。
なお、表面１ａ側および裏面１ｂ側においてＳｉ基板の各ボロン層１ｇ間には、リンが注入されている。また、Ｓｉ基板の内部は空乏層となっている。
このようなＳＤＤチップに対して内電極１ｉと外電極１ｊとに電圧を印加すると、その裏面１ｂ側に、同一中心上に等間隔で複数のリング状の配線１ｆが渦巻きのように形成されているため、Ｓｉ基板の中心に向かう電界が形成される。この電界によってＸ線６の収集が行われる。図２に示すＳＤＤチップでは、裏面１ｂの中心部に電荷収集電極であるアノード電極１ｃが設けられているため、このアノード電極１ｃにＸ線６を集めることができ、Ｘ線６を高い精度で検出することができる。
本実施の形態のＸ線検出器１２は、図２に示す構造のＳＤＤチップを、図１に示す第１ＳＤＤチップ１として採用し、かつ別のＳＤＤチップを上下方向（ＳＤＤチップの厚さ方向）に重ね（積層し）、それぞれのＳＤＤチップに接続される信号線を１つのアンプ５に接続するとともに、単一の回路でＳＤＤチップを動作させるものである。
これにより、厚さが厚いＳｉ基板の取り扱いが不要になり、検出器の面積や体積を増やすことなく、かつ複数のアンプや後段回路を必要とせずに分解能を維持した状態でＸ線６の検出効率を高めることができる。
次に、本実施の形態のＸ線検出器１２に組み込まれる２つのＳＤＤチップの構造について説明する。図３は図１に示すＸ線検出器に用いられる第１ＳＤＤチップの構造の一例を示す裏面図、図４は図１に示すＸ線検出器に用いられる第２ＳＤＤチップの構造の一例を示す裏面図、図５は図１に示すＸ線検出器に用いられる第１ＳＤＤチップと第２ＳＤＤチップの積層構造の一例を図３と図４のＡ－Ａ線に沿って切断して示す断面図である。
図３に示すＳＤＤチップは、本実施の形態のＸ線検出器１２において積層される２つのＳＤＤチップのうち、Ｘ線６の入射側に配置される第１ＳＤＤチップ１に相当するものであり、第１ＳＤＤチップ１の裏面１ｂ側の構造を示している。つまり、図３に示す第１ＳＤＤチップ１は、図２に示すＳＤＤチップと同様の構造を有している。
具体的には、図５に示すように、第１ＳＤＤチップ１の表面１ａには酸化膜１ｅが形成されている。一方、裏面１ｂ側には、図３に示すように、アルミニウムなどからなる複数のリング状の配線１ｆが同一中心上に等間隔で形成されている。また、裏面１ｂの中心部にアノード電極１ｃとアンプ５とが設けられている。アンプ５は、図５に示すように、例えば、接着材１３を介して第１ＳＤＤチップ１の裏面１ｂに取り付けられている。
図４に示すＳＤＤチップは、Ｘ線６の入射側と反対側に配置され、かつ第１ＳＤＤチップ１と積層される第２ＳＤＤチップ２である。第２ＳＤＤチップ２には、その平面方向の中央部に貫通孔（空間部）２ｅが形成されている。図５に示すように貫通孔２ｅは、第２ＳＤＤチップ２の表面２ａと裏面２ｂとに開口している。
以上のように本実施の形態のＸ線検出器１２は、第１ＳＤＤチップ１と第２ＳＤＤチップ２とを積層し、それぞれの信号を１つのアンプ５で検出するものである。すなわち、単一の回路でＳＤＤ動作を実行している。そして、アンプ５によって検出されたそれぞれの信号は、例えば、図１に示す配線層１ｄの内部配線を介してチップ外に引き出される。
また、第２ＳＤＤチップ２には、第１ＳＤＤチップ１の裏面１ｂに設けられたアンプ５に信号線（第２の信号線４）を接続するための貫通孔２ｅなどの空間部（間隙）が形成されている。つまり、第２ＳＤＤチップ２では、図５に示すように、その裏面２ｂでアノード電極２ｃを介して電気的に接続された第２の信号線４を貫通孔２ｅに通し、第２の信号線４は貫通孔２ｅを介して表面２ａ側に引き出される。さらに、表面２ａ側に引き出された第２の信号線４は、第１ＳＤＤチップ１の裏面１ｂに取り付けられたアンプ５に電気的に接続されている。
なお、図４に示すように、貫通孔２ｅの平面視の形状は、縦長の長方形である。
そして、裏面２ｂにおいて、貫通孔２ｅの開口部の縦長の長方形の長辺に沿うようにアノード電極（第２の電荷収集電極）２ｃが設けられており、このアノード電極２ｃに第２の信号線４が電気的に接続されている。
第２ＳＤＤチップ２の裏面２ｂには、アノード電極２ｃと貫通孔２ｅとを中央部に配置した状態で、かつアノード電極２ｃおよび貫通孔２ｅを囲むように略同一中心上に等間隔で複数の配線２ｆが形成されている。
ここで、本実施の形態のＸ線検出器１２では、第１ＳＤＤチップ１と第２ＳＤＤチップ２とが、Ｘ線６の入射方向に対して積層して配置されているため、第１ＳＤＤチップ１の蛍光Ｘ線７を検出する第１のエネルギー感度と、第２ＳＤＤチップ２の蛍光Ｘ線７を検出する第２のエネルギー感度とは、異なっている。すなわち、Ｘ線６の入射方向に対して後方側に配置される第２ＳＤＤチップ２は、入射側の第１ＳＤＤチップ１とそのエネルギー感度が必然的に異なっている。つまり、２つのＳＤＤチップは、積層した時点で感度が異なる。この場合、後方側の第２ＳＤＤチップ２の方が、入射側の第１ＳＤＤチップ１に比較して高いエネルギー感度となる。
したがって、後方側の第２ＳＤＤチップ２によって、例えば１０ｋｅＶ以上のエネルギーのＸ線６を検出し、１０ｋｅＶを越えないエネルギーのＸ線６は入射側の第１ＳＤＤチップ１によって検出することができる。
また、本実施の形態のＸ線検出器１２におけるＳＤＤチップ２の厚さは、第１ＳＤＤチップ１の厚さより厚い。一例として、第１ＳＤＤチップ１の厚さは、０．５ｍｍ程度であり、第２ＳＤＤチップ２の厚さは、１．０ｍｍ程度である。ただし、第１ＳＤＤチップ１の厚さと第２ＳＤＤチップ２の厚さは、同じ厚さであってもよい。
本実施の形態のＸ線検出器１２においては、第１ＳＤＤチップ１と第２ＳＤＤチップ２とを積層し、かつ第２ＳＤＤチップ２の信号線を第２ＳＤＤチップ２が有する空間部に通すことで、両方のＳＤＤチップのそれぞれの信号を１つのアンプ５で検出することができる。その結果、Ｘ線検出器１２の占有面積や体積を増やさずに済むため、Ｘ線検出器１２の小型化を図ることができる。
なお、１０ｋｅＶ以上のエネルギーのＸ線６を検出しようとすると、Ｓｉ基板の場合、Ｘ線６の感度が急激に低下する特性がある。そして、高いエネルギーのＸ線６の検出感度を高める対策として、単純にＳｉ基板の厚さを厚くすることが考えられる。しかしながら、Ｓｉ基板を厚くすると、１）ＳＤＤチップの製造においてＳｉ基板のハンドリングや搬送が困難になる、２）ＳＤＤチップの分解能に影響するリーク電流が高くなる、３）Ｘ線６が入射するウインドウ面（ウインドウ領域）の実効面積がＳｉ基板の厚さに反比例して小さくなる、などの課題が発生する。
そこで、本実施の形態のＸ線検出器１２では、単純にＳＤＤチップの厚さを厚くするのではなく、２つのＳＤＤチップである第１ＳＤＤチップ１と第２ＳＤＤチップ２とを積層している。これにより、単純にＳＤＤチップの厚さを厚くした場合の上記１）～３）の課題の発生は回避することができる。
また、Ｘ線検出器１２においては、第１ＳＤＤチップ１と第２ＳＤＤチップ２を積層することにより、２つのＳＤＤチップのそれぞれのエネルギー感度が異なるため、その結果、Ｘ線検出において高い分解能を維持しつつＸ線６の検出効率を高めることができる。さらに、コスト上昇も抑制してＸ線６の検出効率を高めることができる。
また、本実施の形態のＸ線検出器１２においては、後方側の第２ＳＤＤチップ２の厚さは、入射側の第１ＳＤＤチップ１の厚さより厚い。これにより、後方側の第２ＳＤＤチップ２を高エネルギーのＸ線検出専用として用いることができる。なお、この場合の第２ＳＤＤチップ２の厚さを、例えば１．０ｍｍ程度とすることで、上述のＳｉ基板を厚くした場合の課題の発生は回避することができる。
次に、本実施の形態のＸ線検出器１２の変形例について説明する。
図６は図１に示すＸ線検出器に用いられる第２ＳＤＤチップの第１変形例の構造を示す裏面図、図７は図１に示すＸ線検出器に用いられる第１ＳＤＤチップと第２ＳＤＤチップの積層構造の第１変形例を図３と図６のＢ－Ｂ線に沿って切断して示す断面図である。
なお、図７に示す第１変形例のＸ線検出器１２における第１ＳＤＤチップ１の構造については、図３に示す第１ＳＤＤチップ１の構造と同様であるため、その重複説明は省略する。
図６に示す第２ＳＤＤチップ２には、その平面方向の中央部に、平面視の形状が縦長の長方形を成す貫通孔（空間部）２ｅが形成されている。さらに、裏面２ｂにおいて、貫通孔２ｅの開口部の縦長の長方形の短辺に沿うようにアノード電極（第２の電荷収集電極）２ｃが設けられており、図７に示すように、このアノード電極２ｃに第２の信号線４が電気的に接続されている。
そして、第２ＳＤＤチップ２の裏面２ｂには、アノード電極２ｃと貫通孔２ｅとを中央部に配置した状態で、かつアノード電極２ｃおよび貫通孔２ｅを囲むように略同一中心上に等間隔で複数の配線２ｆが形成されている。
図７に示すＸ線検出器１２では、図６に示すように第２ＳＤＤチップ２の裏面２ｂ側において、複数のリング状の配線２ｆがアノード電極２ｃの周りにも略均等に渦巻いたパターンで形成されている。すなわち、図４の第２ＳＤＤチップ２に比べて図６の第２ＳＤＤチップ２の場合、アノード電極２ｃの周辺にも電界が形成されるため、Ｘ線６を検出できる領域をさらに広げることができる。
図８は図１に示すＸ線検出器に用いられる第２ＳＤＤチップの第２変形例の構造を示す裏面図、図９は図１に示すＸ線検出器に用いられる第１ＳＤＤチップと第２ＳＤＤチップの積層構造の第２変形例を図３と図８のＢ－Ｂ線に沿って切断して示す断面図である。
なお、図９に示す第２変形例のＸ線検出器１２における第１ＳＤＤチップ１の構造については、図３に示す第１ＳＤＤチップ１の構造と同様であるため、その重複説明は省略する。
図８に示すように、第２ＳＤＤチップ２には、その平面方向の中央部に平面視の形状が円形の貫通孔（空間部）２ｅが形成されている。つまり、第２ＳＤＤチップ２の裏面２ｂの中央部に円筒形の貫通孔２ｅが形成されている。さらに、裏面２ｂにおいて、貫通孔２ｅの円形の開口部に沿って円形のアノード電極（第２の電荷収集電極）２ｃが形成されている。
そして、図９に示すように、第２ＳＤＤチップ２の裏面２ｂには、アノード電極２ｃと貫通孔２ｅとを中央部に配置した状態で、かつアノード電極２ｃおよび貫通孔２ｅを囲むように同一中心上に等間隔で図８に示す複数のリング状の配線２ｆが形成されている。
したがって、貫通孔２ｅの円形の開口部と、この開口部に沿って形成された円形のアノード電極２ｃと、複数のリング状の配線２ｆと、は同一中心上に形成されている。
また、図９に示すように、このアノード電極２ｃに第２の信号線４が電気的に接続され、さらに第２の信号線４は、貫通孔２ｅを通って第１ＳＤＤチップ１に取り付けられたアンプ５に電気的に接続されている。
図９に示すＸ線検出器１２では、図８に示す複数の配線２ｆがリング状の同一中心上に形成された配線２ｆのみであり、これらの配線２ｆによって形成される電界の形状が分かり易い。したがって、Ｘ線検出器１２の設計を容易に行うことができる。さらに、第２ＳＤＤチップ２に形成する貫通孔２ｅも円筒形であるため、貫通孔２ｅを容易に形成することができる。
図１０は図１に示すＸ線検出器に用いられる第２ＳＤＤチップの第３変形例の構造を示す裏面図、図１１は図１に示すＸ線検出器に用いられる第１ＳＤＤチップと第２ＳＤＤチップの積層構造の第３変形例を図３と図１０のＢ－Ｂ線に沿って切断して示す断面図である。
なお、図１１に示す第３変形例のＸ線検出器１２における第１ＳＤＤチップ１の構造については、図３に示す第１ＳＤＤチップ１の構造と同様であるため、その重複説明は省略する。
図１０に示す第２ＳＤＤチップ２には、その平面視において、端部から中央部に向かう切り込み（空間部）２ｇが形成されている。この切り込み２ｇは、図１１に示すように第２ＳＤＤチップ２の表面２ａおよび裏面２ｂに開口するとともに、図１０に示すように第２ＳＤＤチップ２の側面にも開口している。
また、図１０に示す裏面２ｂにおいて、その中央部の切り込み２ｇの終端部に沿うようにアノード電極（第２の電荷収集電極）２ｃが形成されている。
そして、第２ＳＤＤチップ２の裏面２ｂには、同一中心上に等間隔で複数のリング状の配線２ｆが形成されている。
また、図１１に示すように、このアノード電極２ｃに第２の信号線４が電気的に接続され、さらに第２の信号線４は、切り込み２ｇを通って第１ＳＤＤチップ１に取り付けられたアンプ５に電気的に接続されている。
図１１に示すＸ線検出器１２では、第２ＳＤＤチップ２に、空間部である切り込み２ｇを形成するのに、チップ個片化の際にダイシングやレーザー加工によって形成することができる。これにより、ウエハレベルで貫通孔２ｅなどの空間部を形成するのに比較して、チップ製造工程が容易であり、第２ＳＤＤチップ２の製造コストを低減することができる。
図１２は図１に示すＸ線検出器に用いられる第２ＳＤＤチップの第４変形例の構造を示す裏面図、図１３は図１に示すＸ線検出器に用いられる第１ＳＤＤチップと第２ＳＤＤチップの積層構造の第４変形例を図３と図１２のＢ－Ｂ線に沿って切断して示す断面図である。
なお、図１３に示す第４変形例のＸ線検出器１２における第１ＳＤＤチップ１の構造については、図３に示す第１ＳＤＤチップ１の構造と同様であるため、その重複説明は省略する。
第４変形例は、図１２および図１３に示すように、第１ＳＤＤチップ１上に２つの第２ＳＤＤチップ２が横並びで積層された構造のＸ線検出器１２となっている。すなわち、３つのＳＤＤチップを用いたＸ線検出器１２である。
図１３に示すＸ線検出器１２は、第１ＳＤＤチップ１上に２つの第２ＳＤＤチップ２を配置した構造であるが、２つの第２ＳＤＤチップ２の間には空間部が形成されており、この空間部に２つの第２ＳＤＤチップ２のそれぞれの信号線を配置して第１ＳＤＤチップ１の裏面１ｂに取り付けられたアンプ５に電気的に接続されている。
すなわち、２つの第２ＳＤＤチップ２のそれぞれの裏面２ｂにアノード電極２ｃが形成されており、それぞれのアノード電極２ｃに接続された２つの第２の信号線４が２つの第２ＳＤＤチップ２の間の空間部を通り、かつ２つの第２の信号線４のそれぞれが第１ＳＤＤチップ１の裏面１ｂに取り付けられたアンプ５に電気的に接続された構造となっている。
図１３に示すＸ線検出器１２では、第１ＳＤＤチップ１と２つの第２ＳＤＤチップ２の何れにも空間部を形成するような加工を施さなくて済む。その結果、各ＳＤＤチップを容易に製造することができる。また、各ＳＤＤチップの製造コストの低減化を図ることができる。
次に、本実施の形態のＸ線計測装置について説明する。
図１４は本発明の実施の形態のＸ線検出器を備えたＸ線計測装置の構成の一例を示す概略図、図１５は図１４に示すＸ線計測装置における処理手順の一例を示すフロー図である。
図１４に示す本実施の形態のＸ線計測装置２０は、本実施の形態のＸ線検出器１２を備えたものであり、Ｘ線検出器１２によって検出されたＸ線６の元素（物質）の定量値処理などを行うものである。例えば、Ｘ線検出器１２によって検出された物質の膜厚などを算出することも可能であり、膜厚測定装置として活用することも可能である。
図１４に示すＸ線計測装置２０の構成について説明すると、サンプル（試料）２４を保持するステージ２１と、サンプル２４にＸ線６を照射するＸ線発生源２５と、サンプル２４から発生する蛍光Ｘ線７を検出するＸ線検出器１２と、Ｘ線検出器１２から送信される信号を編集する第１の処理部と、を有している。
ここで、図１４に示すＸ線計測装置２０では、上記第１の処理部は、ＤＰＰ（Digital Pulse Processor)２６であり、ＤＰＰ２６は、Ｘ線検出器１２から送信されるデジタル信号（パルスまたは波形）を編集して制御ＰＣ（Personal Computer 、第２の処理部）２７に送信する装置である。
また、Ｘ線検出器１２は、図１に示すＸ線検出器１２や図３～図１１に示すＸ線検出器１２と同様である。すなわち、Ｘ線検出器１２の構成は、蛍光Ｘ線７を第１のエネルギー感度で検出する第１ＳＤＤチップ（第１の半導体チップ）１と、蛍光Ｘ線７を第１のエネルギー感度と異なる第２のエネルギー感度で検出する第２ＳＤＤチップ（第２の半導体チップ）２と、を有している。さらに、Ｘ線検出器１２は、第１ＳＤＤチップ１と電気的に接続された第１の信号線３と、第２ＳＤＤチップ２と電気的に接続された第２の信号線４と、第１の信号線３と第２の信号線４とに電気的に接続され、かつ信号を増幅するアンプ５と、を有している。
また、Ｘ線計測装置２０は、ステージ２１を駆動する駆動ドライバ２２を有しているとともに、駆動ドライバ２２およびＸ線発生源２５に電源を供給する電源２３を備えている。
また、Ｘ線計測装置２０には、上述のように制御ＰＣ（第２の処理部）２７が接続されている。図１４に示すように、本実施の形態のＸ線計測装置２０では、その外部に制御ＰＣ２７が接続されており、ＤＰＰ２６で編集されたＸ線６の元素（物質）の情報が制御ＰＣ２７に送信され、Ｘ線計測装置２０の外部に設けられた制御ＰＣ２７にて上記元素（物質）の定量値処理などが行われる。
次に、図１５を用いて図１４に示すＸ線計測装置２０の全般的な動作について説明する。まず、図１５のステップＳ１に示す［ステージ上にサンプルセット］を行う。ステップＳ１では、ステージ２１上にサンプル（試料）２４を載置する。
次に、ステップＳ２に示す［Ｘ線照射］を行う。ステップＳ２では、まず駆動ドライバ２２によってステージ２１を所定位置に移動させる。その後、Ｘ線発生源２５からサンプル２４の所定箇所にＸ線６を照射する。
次に、ステップＳ３に示す［蛍光Ｘ線測定］を行う。ステップＳ３では、サンプル２４から発生する蛍光Ｘ線７をＸ線検出器１２によって検出する。Ｘ線検出器１２では、蛍光Ｘ線７が入射されると、そのＸ線６のエネルギーに依存した「ｅ」と「Ｈｏｌｅ」ペアが内部で生成され、その生成数に応じた電流値をアンプ５で増幅して電圧に変換し、変換された電圧をパルス信号（波形）として出力する。
次に、ステップＳ４に示す［蛍光Ｘ線スペクトル作成］を行う。ステップＳ４では、Ｘ線検出器１２から送信されたパルス信号を、ＤＰＰ２６で編集して蛍光Ｘ線スペクトル（蛍光Ｘ線強度）を作成する。
次に、ステップＳ５に示す［定量演算処理］を行う。ステップＳ５では、ＤＰＰ２６から送信された数値を基に、制御ＰＣ２７において、その内部に組み込まれた専用プログラムにより解析（演算処理）を行う。
次に、ステップＳ６に示す［定量値出力］を行う。ステップＳ６では、制御ＰＣ２７により、検出された元素の定量値処理を行い、検出された元素の定量値を出力する。
本実施の形態のＸ線計測装置２０によれば、内部に本実施の形態のＸ線検出器１２が組み込まれるため、高い分解能を維持しつつＸ線の検出効率を高めることができる。また、内部に組み込まれるＸ線検出器１２の小型化を図ることができるため、Ｘ線計測装置２０の小型化も図ることができる。
さらに、Ｘ線検出器１２が組み込まれるため、Ｘ線計測装置２０のコスト上昇も抑制しつつＸ線６の検出効率を高めることができる。
次に、本実施の形態のＸ線計測装置２０の変形例について説明する。図１６は本発明の実施の形態における変形例のＸ線計測装置の構成を示す概略図である。
図１６に示す変形例のＸ線計測装置２０は、Ｘ線検出器１２により検出した蛍光Ｘ線７の元素の定量値を、ＤＰＰ（第１の処理部）２６から送信された情報を基に算出する制御部（第２の処理部）２８を内部に備えているものである。
すなわち、図１４に示すＸ線計測装置２０では、蛍光Ｘ線７の元素の定量値を算出する制御ＰＣ２７がＸ線計測装置２０の外部に設けられており、制御ＰＣ２７とＸ線計測装置２０とが接続されていたが、図１６に示す変形例のＸ線計測装置２０では、蛍光Ｘ線７の元素の定量値を算出する制御部２８がＸ線計測装置２０の内部に設けられている。つまり、図１６に示す変形例のＸ線計測装置２０は、蛍光Ｘ線７の元素の定量値を算出する制御部２８を内蔵している。
これにより、Ｘ線計測装置２０の機能を向上させることができる。また、Ｘ線計測装置２０のコスト上昇も抑制しつつＸ線６の検出効率を高めることができる。
次に、図１７および図１８を用いて、本発明者が行った効果のシミュレーションについて説明する。図１７は本発明の実施の形態のＸ線検出器による効果を示すデータ図、図１８は本発明の実施の形態のＸ線検出器による他の効果を示すデータ図である。
図１７では、各元素のＫａ線エネルギーとＸ線カウント（ＣＰＳ）について、比較例と本実施の形態の比較を示している。図１７の改善率は、Ｋａ線エネルギーが高いほど増加する。ＮｉやＡｓの改善率が低いのは、Ｋａ線エネルギーが１０ＫｅＶより低いか１０ＫｅＶに近いため、１つの目の検出器（第１ＳＤＤチップ１）でＫａ線のほとんどが検出され、ＳＤＤを２枚重ねる効果が小さいと思われる。
一方、Ｋａ線エネルギーが１０ＫｅＶよりも大きくなるほど改善率は高くなる。これは、Ｋａ線エネルギーが高いほど１つ目の検出器（第１ＳＤＤチップ１）を透過しやすく２つめの検出器（第２ＳＤＤチップ２）で検出される割合が高まるためである。このように、本実施の形態によるＳＤＤチップを２枚重ねる手段の効果は高く、Ｘ線が高エネルギーになるほどその影響は大きくなる。上記結果から、ＳＤＤチップの積層数を２枚から３枚に増やすほうが改善率がさらに高くなることが推察される。
また、図１８では、比較例による検出器占有体積、検出器コスト、Ｃｄ－Ｋａ線検出率を１００とした場合の本実施の形態との比較を示している。比較例では、検出器個数が増えるほど、検出器占有体積、検出器コスト、Ｃｄ－Ｋａ線検出率が比例的に増加する。Ｃｄ－Ｋａ線検出率を２倍にするには、検出占有体積、検出器コストも２倍になる。一方、本実施の形態のようにＳＤＤチップを２積層とする場合、検出器占有体積と検出器コストとをほぼ変えることなく、Ｃｄ－Ｋａ線検出率を１．７５倍にすることができる。なお、Ｃｄ－Ｋａ線検出率を２倍以上にするには、本実施の形態の３つのＳＤＤチップの積層が必要だが、検出器のコストは高くなる。
また、本実施の形態の高効率・高エネルギーのＸ線検出器１２を、ＲｏＨＳ指令で規制されている環境負荷物質の組成分析に適用すると、比較例と比較して１０ＫｅＶよりも高い蛍光Ｘ線強度を改善することができる。例えば、Ｐｂフリーハンダに含まれるＣｄのＫａ線（２３．１ＫｅＶ）強度は１．７倍、Ｋｂ線（２６．２ＫｅＶ）強度は１．８倍、ＰｂのＬｂ１線（１２．６ｋｅＶ）強度は１．２倍にすることができる。
また、プリント基板内に含まれるＰＢＢ（Polybrominated biphenyl ：ポリ臭化ビフェニル）をＢｒとして検出する場合、ＢｒのＫａ線（１１．９ＫｅＶ）強度は１．２倍、Ｋｂ線（１３．３ＫｅＶ）強度は１．３倍にすることができる。特にＣｄの規制値は、他の物質よりも１０倍厳しいため（＜１００ｐｐｍ）、本実施の形態の手段がＣｄの分析精度を向上させる効果は大きい。
以上、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、さらに、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。
例えば、上記実施の形態では、ＳＤＤチップを２つ積層する場合について説明したが、ＳＤＤチップは３つもしくは３つ以上積層してもよい。
また、上記実施の形態では、２つのＳＤＤチップを積層するのに、異なる厚さの２つのＳＤＤチップを積層する場合を説明したが、同じ厚さの２つのＳＤＤチップを積層してもよく、さらに全く同じ２つのＳＤＤチップを積層してもよい。
１ 第１ＳＤＤチップ（第１の半導体チップ）
１ａ 表面
１ｂ 裏面
１ｃ アノード電極（第１の電荷収集電極）
１ｄ 配線層
１ｅ 酸化膜
１ｆ 配線
１ｇ ボロン層
１ｈ 絶縁膜
１ｉ 内電極
１ｊ 外電極
２ 第２ＳＤＤチップ（第２の半導体チップ）
２ａ 表面
２ｂ 裏面
２ｃ アノード電極（第２の電荷収集電極）
２ｄ 配線層
２ｅ 貫通孔（空間部）
２ｆ 配線
２ｇ 切り込み（空間部）
３ 第１の信号線
４ 第２の信号線
５ アンプ
６ Ｘ線
７ 蛍光Ｘ線
８ サーミスタ
９ スペーサ
１０ ペルチェ
１１ 制御部
１２ Ｘ線検出器
１３ 接着材
２０ Ｘ線計測装置
２１ ステージ
２２ 駆動ドライバ
２３ 電源
２４ サンプル（試料）
２５ Ｘ線発生源
２６ ＤＰＰ（第１の処理部）
２７ 制御ＰＣ（第２の処理部）
２８ 制御部（第２の処理部）
１ａ 表面
１ｂ 裏面
１ｃ アノード電極（第１の電荷収集電極）
１ｄ 配線層
１ｅ 酸化膜
１ｆ 配線
１ｇ ボロン層
１ｈ 絶縁膜
１ｉ 内電極
１ｊ 外電極
２ 第２ＳＤＤチップ（第２の半導体チップ）
２ａ 表面
２ｂ 裏面
２ｃ アノード電極（第２の電荷収集電極）
２ｄ 配線層
２ｅ 貫通孔（空間部）
２ｆ 配線
２ｇ 切り込み（空間部）
３ 第１の信号線
４ 第２の信号線
５ アンプ
６ Ｘ線
７ 蛍光Ｘ線
８ サーミスタ
９ スペーサ
１０ ペルチェ
１１ 制御部
１２ Ｘ線検出器
１３ 接着材
２０ Ｘ線計測装置
２１ ステージ
２２ 駆動ドライバ
２３ 電源
２４ サンプル（試料）
２５ Ｘ線発生源
２６ ＤＰＰ（第１の処理部）
２７ 制御ＰＣ（第２の処理部）
２８ 制御部（第２の処理部）
Claims (11)
- 試料から発生するＸ線を第１のエネルギー感度で検出する第１の半導体チップと、
前記Ｘ線を前記第１のエネルギー感度と異なる第２のエネルギー感度で検出する第２の半導体チップと、
前記第１の半導体チップと電気的に接続された第１の信号線と、
前記第２の半導体チップと電気的に接続された第２の信号線と、
前記第１の信号線と前記第２の信号線とに電気的に接続され、信号を増幅するアンプと、
を有し、
前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップは、積層配置され、
前記第1の半導体チップの前記第２の半導体チップと対向する面に、同一中心上に配置された複数のリング状の配線と、前記複数のリング状の配線の中心部に配置された第１の電荷収集電極と、が形成され、
前記第１の電荷収集電極と前記アンプとが電気的に接続されている、Ｘ線検出器。 - 請求項１に記載のＸ線検出器において、
前記第１の半導体チップは、前記Ｘ線の入射側に配置され、
前記第２の半導体チップの厚さは、前記第１の半導体チップの厚さより厚い、Ｘ線検出器。 - 請求項１に記載のＸ線検出器において、
前記第２の半導体チップは、その表面および裏面に開口する空間部を備え、
前記空間部に前記第２の信号線が配置されている、Ｘ線検出器。 - 請求項３に記載のＸ線検出器において、
前記第１の信号線の一端は、前記第１の半導体チップの裏面の中央部に設けられた前記第１の電荷収集電極を介して前記第１の半導体チップと電気的に接続され、かつ前記第１の信号線の他端は、前記第１の半導体チップの前記裏面に設けられた前記アンプと電気的に接続され、
前記第２の信号線の一端は、前記第２の半導体チップの前記裏面の中央部に設けられた第２の電荷収集電極を介して前記第２の半導体チップと電気的に接続され、かつ前記第２の信号線の他端は、前記空間部を介して前記アンプと電気的に接続されている、Ｘ線検出器。 - 請求項４に記載のＸ線検出器において、
前記第２の半導体チップは、その表面および前記裏面に開口する円筒形の貫通孔を平面方向の中央部に備え、
前記第２の電荷収集電極は、前記第２の半導体チップの前記裏面において前記貫通孔の開口部に沿って円形に形成されている、Ｘ線検出器。 - 試料を保持するステージと、
前記試料にＸ線を照射するＸ線発生源と、
前記試料から発生するＸ線を検出するＸ線検出器と、
前記Ｘ線検出器から送信される信号を編集する第１の処理部と、
を有し、
前記Ｘ線検出器は、
前記試料から発生する前記Ｘ線を第１のエネルギー感度で検出する第１の半導体チップと、
前記試料から発生する前記Ｘ線を前記第１のエネルギー感度と異なる第２のエネルギー感度で検出する第２の半導体チップと、
前記第１の半導体チップと電気的に接続された第１の信号線と、
前記第２の半導体チップと電気的に接続された第２の信号線と、
前記第１の信号線と前記第２の信号線とに電気的に接続され、信号を増幅するアンプと、
を有し、
前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップは、積層配置され、
前記第1の半導体チップの前記第２の半導体チップと対向する面に、同一中心上に配置された複数のリング状の配線と、前記複数のリング状の配線の中心部に配置された第１の電荷収集電極と、が形成され、
前記第１の電荷収集電極と前記アンプとが電気的に接続されている、Ｘ線計測装置。 - 請求項６に記載のＸ線計測装置において、
前記第１の半導体チップは、前記試料から発生する前記Ｘ線の入射側に配置され、
前記第２の半導体チップの厚さは、前記第１の半導体チップの厚さより厚い、Ｘ線計測装置。 - 請求項６に記載のＸ線計測装置において、
前記第２の半導体チップは、その表面および裏面に開口する空間部を備え、
前記空間部に前記第２の信号線が配置されている、Ｘ線計測装置。 - 請求項８に記載のＸ線計測装置において、
前記第１の信号線の一端は、前記第１の半導体チップの裏面の中央部に設けられた前記第１の電荷収集電極を介して前記第１の半導体チップと電気的に接続され、かつ前記第１の信号線の他端は、前記第１の半導体チップの前記裏面に設けられた前記アンプと電気的に接続され、
前記第２の信号線の一端は、前記第２の半導体チップの前記裏面の中央部に設けられた第２の電荷収集電極を介して前記第２の半導体チップと電気的に接続され、かつ前記第２の信号線の他端は、前記空間部を介して前記アンプと電気的に接続されている、Ｘ線計測装置。 - 請求項９に記載のＸ線計測装置において、
前記第２の半導体チップは、その表面および前記裏面に開口する円筒形の貫通孔を平面方向の中央部に備え、
前記第２の電荷収集電極は、前記第２の半導体チップの前記裏面において前記貫通孔の開口部に沿って円形に形成されている、Ｘ線計測装置。 - 請求項６に記載のＸ線計測装置において、
前記試料から発生しかつ前記Ｘ線検出器により検出された前記Ｘ線の元素の定量値を、前記第１の処理部から送信された情報を基に算出する第２の処理部を備えている、Ｘ線計測装置。
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