全新一代微纳X射线分辨率测试卡——为高质量成像保驾护航

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制造业与医疗保健领域的数字化进程和技术进步为社会带来了显著效益。现代汽车（尤其是电动汽车）搭载的电子元件与安全关键电子系统日益增多，必须进行全面检测。航空工业中轻质复合材料、及基于极紫外光刻技术加工的高集成度CPU，GPU的广泛应用，都要求具备对微米级和纳米级内部结构的新型检测能力。随着产品持续微型化以及新材料、新生产工艺（如增材制造）的应用，众多行业都呈现出向微纳级无损检测发展的趋势。

目前新一代具备纳米检测能力的X射线管，可实现低至150纳米结构的可视化。基于同步辐射的扫描显微成像、全场透射X显微和ptychography成像技术可以实现低至几个纳米的成像精度，如下图二是瑞士Paul Scherrer Institute （PSI） 的研究人员与洛桑联邦理工学院、苏黎世联邦理工学院和南加州大学合作使用ptychography的技术以前所未有的高分辨率观察了微芯片内部结构，实现了4nm的图像分辨率，创下了新的世界纪录。

图二 显示了组成微芯片的不同层。在顶部可以看到较粗的结构，随着层层向下移动，微芯片变得越来越复杂 - 使那里的连接可见需要几纳米的分辨率。Paul Scherrer Institute PSI/Tomas Aidukas

工业计算机断层扫描（CT）技术飞速发展的今天，高分辨率、高对比度的成像能力已成为质量检测、缺陷分析和材料科学研究中的核心需求。那么准确、快速的评估和测量这些的设备的成像分辨极限显得尤为重要。线对卡法，是使用线对测试卡直接测试空间分辨率，由于操作方便、简捷而被广泛用于实际工业 CT 空间分辨率的测试中。

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图三. Micro CT分辨率测试卡截面图，

特征结构外包裹了一层5μm厚的聚合物保护层.

如上图三所示，XRN显微CT分辨测试卡是由先进电子束光刻技术在Si3N4薄膜上精密制作金质结构。金质特征结构的高度为1.5μm，特征细节包含了200nm到50μm的26个线对组，能满足大部分显微成像的应用场景，它具有如下特点：

（1）高衬度材料: 4 /1.5/1 μm 金可选

（2）超宽的测试范围：0.2-50μm含26中线对

（3）紧凑的设计：含或不含西门子星图案

（4）深度的SEM测试：保证出货前每片测试，以保证

测试精度

（5）保护层：5μm厚聚合物，以增强机械强度和寿命

（6）快递交付：大量库存

（7）质量保证：每年交付数百片

图四  Micro CT分辨率测试卡的两种不同设计结构.

如上图四的设计1，是经典垂直紧凑布局的线对结构。此外还可以在线对卡的基础上集成西门子星，能够定性分析极限分辨率与揭示各向异性，如图四的设计2。其广泛的特征尺寸，涵盖了微米到纳米尺度，提供了一个全面的图案细节。还可以针对各种显微成像和CT应用进行定制，确保兼容性和实用性。

对于X射线分辨率测试卡，衬噪比（CNR）是定义成像结果质量的最重要指标。它量化了特征结构区分信号和噪声的能力，从本质上将实际结构细节与背景干扰分开。

CNR=|s-n|/σn，其中s是特征结构处的平均灰度值，n是背景区域（无特征结构）的平均灰度值，σn是背景区域的标准偏差。瑞士XRnanotech通过与德国X-RAY WorX公司合作，使用XWT-240-TCHE Plus和XWT-300-CT Plus两款小焦斑、高加速电压的光源进行了测试了XRN显微CT分辨测试卡在190kV（焦斑2μm）下可以达到57的衬噪比，在300kV（焦斑4μm）下可以达到32的衬噪比。详见下图五。

图五. XRN显微CT分辨测试卡在190kV（上）

和300kV（下）光源下的衬噪比测试，衬噪比为57和32.

这些值超越了许多传统的行业标准，比如JIMA RT RC-02分辨率测试卡在190kV是17的衬噪比，在300kV下是10的衬噪比。这得益于更高的衬度材料，与JIMA RT RC-02的1μm高的钨相比，1.5μm高的金对X射线的阻挡能量更强，尤其是高能射线，这才进一步提高了衬噪比。

图六. 使用SEM对XRN显微CT分辨测试卡进行出厂测试.

对于每一个XRN显微CT分辨测试卡，严格的出厂测试是必备环节。如上图六所示，XRnanotech会使用SEM对每个图案细节进行测试，包括金的高度以及线宽。最后得到每个特征尺寸下的平均线宽，其与目标值的平均偏差几乎控制在1%以内。用户不仅可以更为直观的了解到XRN显微CT分辨测试卡的品质，还可以使用这些测试数据进行更加精确、更加定量的一些成像质量评估。

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瑞典隆德大学的Martin Bech等研究人员使用纳米X射线管、闪烁体间接探测器及高灵敏度的混合像素X射线探测器搭建了一套用于生物研究的纳米CT系统。为了评估系统的成像能力，研究人员使用了XRN显微CT分辨测试卡作为成像分辨率的度量工具，如下图七所示。上图为混合像素探测器在有效像素尺寸150nm下的成像效果，下图为闪烁体间接探测器在有效像素尺寸50nm下的成像效果。虽然几何放大倍率不同，但得益于光源的亚微米焦斑尺寸，两个探测器都能识别250nm的特性结构。

图七. XRN显微CT分辨测试卡成像效果，上图使用混合像素探测器，下图使用闪烁体间接探测器.

弗莱堡大学的David Plappert等研究人员采用微焦点X射线源与CMOS平板探测器（像素尺寸49.5 μm）搭建了一套开放式框架载物台的高分辨CT系统。在几何配置为源-物距（SOD）4mm、源-像距（SDD）840 mm的条件下，使用XRN显微CT分辨测试卡进行成像，实现了0.7μm线对结构的清晰分辨，并观察到0.4μm结构的识别能力，如下图八所示。

图八.微焦点X射线源与CMOS平板探测器搭配，

实现400nm的特征结构识别.

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瑞士XRnanotech最新研发的XRN显微CT分辨测试卡已将金结构的高度提升至6μm，进一步增强了成像对比度。如下图九所示，在100 kV和190 kV的光照条件下，这些高结构仍保持极高的对比度，这为微米CT系统提供了前所未有的成像基准。

图九.在100kV和190kV光照下，6μm高的金质Micro CT分辨率测试卡的成像效果.

在同步辐射或极少数实验室成像系统中，可以达到低几个纳米的空间分辨率，此时需要更小特征细节的分辨率测试卡。瑞士XRnanotech凭借其领先的电子束刻蚀、电镀、原子层沉积技术，可以提供最小细节为10nm的混合分辨率测试卡。这种混合分辨率测试卡，50nm以下的特征结构用Ir，50nm以上的特征结构仍用Au，并保持10:1的较高深宽比，如下图十所示。

图十.蓝色部分是Ir的特征结构，橙色部分是Au的特征结构，第九个格子还可为每个客户定制LOGO.

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