RU2018171C1

RU2018171C1 - Assembly for producing x-ray topographic image

Info

Publication number: RU2018171C1
Application number: SU914922237A
Authority: RU
Inventors: А.А. Хазанов; Ф.Н. Чуховский; Б.В. Штейнбах; М.В. Ковальчук
Original assignee: Институт кристаллографии им.А.В.Шубникова РАН
Priority date: 1991-03-26
Filing date: 1991-03-26
Publication date: 1994-08-15

Abstract

FIELD: electronic engineering. SUBSTANCE: assembly ha TV camera unit, which has luminescent screen-converter, controlled magnification optical system and "supercremnicon" camera tube with sweep and preamplification circuits, image processing unit, which has analog-to-digital converter, synchronizing unit and microcomputer. EFFECT: improved reliability of operation due to non-destructive quality control. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к рентгеновской топографии монокристаллов и может быть использовано в электронной технике для неразрушающего контроля качества монокристаллических (в частности, полупроводниковых) материалов и изделий. The invention relates to x-ray topography of single crystals and can be used in electronic technology for non-destructive quality control of single-crystal (in particular, semiconductor) materials and products.

Известны рентгенотопографические камеры, в которых используется принцип фотографической регистрации рентгенотопографического изображения. Недостатком таких камер является низкая оперативность работы, связанная с необходимостью обработки фотоматериалов, и большой расход серебросодержащей фотоэмульсии. Known x-ray cameras in which the principle of photographic registration of x-ray images is used. The disadvantage of such cameras is the low operational efficiency associated with the need to process photographic materials, and the high consumption of silver-containing emulsion.

Известны также различные устройства для телевизионной визуализации рентгенотопографических изображений, содержащие, как правило, рентгеночувствительную передающую телевизионную трубку (ПТТ), блок обработки видеосигнала и видеоконтрольный блок. Формирование изображения на экране видеоконтрольного блока таких устройств происходит практически мгновенно, благодаря чему они, в отличие от рентгенотопографических камер, могут быть использованы для оперативного неразрушающего контроля качества монокристаллических материалов в серийном производстве. Однако для достижения удовлетворительного отношения сигнал/шум, которое, наряду с пространственным разрешением, определяет качество изображения, такие устройства требуют использования источников рентгеновского излучения высокой мощности, что ограничивает область их использования. Various devices are also known for the television visualization of x-ray topographic images, containing, as a rule, an x-ray transmitting television tube (PTT), a video processing unit and a video control unit. Image formation on the screen of the video control unit of such devices occurs almost instantly, due to which they, unlike X-ray topographic cameras, can be used for operational non-destructive quality control of single-crystal materials in serial production. However, to achieve a satisfactory signal-to-noise ratio, which, along with spatial resolution, determines the image quality, such devices require the use of high-power X-ray sources, which limits their area of use.

В установке, являющейся прототипом, для улучшения отношения сигнал/шум при малой интенсивности дифрагированного пучка путем накопления полезного сигнала в течение продолжительного времени применены рентгеновидикон с регулируемой памятью и дополнительное устройство аналоговой памяти на основе литикона. Время накопления изображения может достигать десятков минут, благодаря чему обеспечивается возможность работы установки с обычной рентгеновской трубкой в качестве источника излучения. In the installation, which is the prototype, to improve the signal-to-noise ratio at a low intensity of the diffracted beam by accumulating the useful signal for a long time, an X-ray idicon with adjustable memory and an additional analog memory device based on the lyticon were used. The accumulation time of the image can reach tens of minutes, which makes it possible to operate the unit with a conventional x-ray tube as a radiation source.

Недостатком прототипа является ограниченное пространственное разрешение получаемого изображения, обусловленное структурой мишени рентгеновидикона и составляющее в лучшем случае 15-20 мкм, в то время как рентгенотопографические камеры с фоторегистрацией обеспечивают разрешение до 1-5 мкм в зависимости от типа фотоматериала. Применить для повышения пространственного разрешения известный принцип косвенной визуализации с промежуточным оптическим увеличением в данной схеме невозможно, так как для его реализации требуется использование высокочувствительных ПТТ типа "суперкремникон", не обладающих способностью накапливать изображение на мишени. Использование аналоговой памяти на основе запоминающих ЭЛТ также не решает задачи из-за ограниченности их динамического диапазона. The disadvantage of the prototype is the limited spatial resolution of the resulting image, due to the structure of the x-ray target and constituting at best 15-20 microns, while x-ray photographic cameras with photographic registration provide a resolution of up to 1-5 microns, depending on the type of photographic material. It is impossible to apply the well-known principle of indirect visualization with intermediate optical magnification in order to increase spatial resolution in this scheme, since its implementation requires the use of highly sensitive PTCs of the "super cremnicon" type, which do not possess the ability to accumulate an image on targets. The use of analogue memory based on CRTs also does not solve the problem due to the limited dynamic range.

Цель изобретения - повышение пространственного разрешения визуализируемого рентгенотопографического изображения при сохранении возможности работы в случае малой интенсивности дифрагированного пучка. The purpose of the invention is to increase the spatial resolution of the visualized x-ray image while maintaining the ability to work in the case of low intensity diffracted beam.

Для этого в предлагаемой установке используется косвенная визуализация рентгеновского изображения с промежуточным оптическим увеличением, преобразование видеосигнала в последовательность цифровых отсчетов и накопление изображения в цифровой форме в памяти микроЭВМ. От прототипа предлагаемая установка отличается применением цифровых методов накопления и обработки изображения, что снимает присущие прототипу ограничения по времени накопления и динамическому диапазону, обеспечивая тем самым реализацию предельно возможной чувствительности суперкремникона. To do this, the proposed installation uses indirect visualization of an x-ray image with intermediate optical magnification, converting the video signal into a sequence of digital samples and accumulating the image in digital form in the memory of a microcomputer. The proposed installation differs from the prototype by using digital methods of accumulation and image processing, which removes the inherent limitations of the prototype on the accumulation time and dynamic range, thereby ensuring the realization of the maximum possible sensitivity of super cremone.

Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Анализ известных технических решений в исследуемой области (т.е. визуализация рентгеновских изображений) показал, что цифровая обработка изображений известна, однако она ранее не применялась для накопления рентгенодифракционного изображения. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия". Thus, the proposed technical solution meets the criterion of "novelty." An analysis of known technical solutions in the studied area (i.e., visualization of X-ray images) showed that digital image processing is known, but it has not previously been used to accumulate X-ray diffraction images. This allows us to conclude that the technical solution meets the criterion of "significant differences".

Установка включает в себя блок телекамеры, содержащий люминесцентный экран-конвертор, оптическую систему с регулируемым увеличением и ПТТ типа "суперкремникон" с цепями развертки и предварительного усиления; блок аналоговой обработки видеосигнала и блок накопления изображения, содержащий аналого-цифровой преобразователь, устройство ввода изображения и микроЭВМ. Накопление изображения и его обработка производятся в памяти микроЭВМ под управлением соответствующего комплекса программ. The installation includes a camera unit containing a luminescent screen-converter, an optical system with adjustable magnification and a PTC type "supercremnikon" with sweep and pre-amplification circuits; an analog video processing unit and an image storage unit comprising an analog-to-digital converter, an image input device and a microcomputer. The accumulation of the image and its processing are carried out in the memory of a microcomputer under the control of the corresponding program complex.

На фиг.1 приведена схема предлагаемой установки; на фиг.2 - схема устройства ввода изображения в микроЭВМ (пример возможного исполнения). Figure 1 shows a diagram of the proposed installation; figure 2 is a diagram of an image input device in a microcomputer (an example of a possible implementation).

Установка в целом работает следующим образом. The installation as a whole works as follows.

Дифрагированный на образце 1 пучок рентгеновского излучения от источника 2, несущий информацию о дефектах структуры, попадает на экран-конвертор 3, установленный вплотную к образцу. Экран-конвертор представляет собой слой рентгенолюминофора, нанесенный на стеклянную подложку. Каждый рентгеновский квант с энергией ≈10 кэВ преобразуется им в 500-1000 оптических фотонов, часть из которых попадает на входную апертуру оптической системы 4 и формирует изображение на мишени суперкремникона 5. An x-ray beam diffracted on sample 1 from a source 2, which carries information about structural defects, enters a screen-converter 3 mounted close to the sample. The screen converter is a layer of X-ray phosphor deposited on a glass substrate. Each X-ray quantum with an energy of ≈10 keV is converted by him into 500-1000 optical photons, some of which fall on the input aperture of the optical system 4 and forms an image on the target of super-silicon 5.

Считывание сигнала с мишени суперкремникона производится в телевизионном стандарте (64 мкс на строку). За это время аналоговый видеосигнал, поступающий с телекамеры, дискретизируется с периодом Т ≈ 100 нс быстродействующим АЦП 6, и полученные цифровые отсчеты записываются в высокоскоростное буферное ЗУ малой емкости 7. Период дискретизации выбирается исходя из необходимого разрешения (числа элементов в строке) и быстродействия АЦП и ЗУ. По окончании записи строки управление передается процессору ЭВМ 9, который считывает данные из буферного ОЗУ, суммирует их с содержанием соответствующих ячеек ОЗУ микроЭВМ и записывает результат в те же ячейки. Длительность этого процесса определяется быстродействием процессора и памяти и для наиболее распространенных микроЭВМ составляет около 5 мс на строку. Таким образом, время записи кадра, содержащего 512 строк, составляет около 2,5 с. С другой стороны, известно, что из-за статистического характера рентгенотопографического изображения для получения достоверной картины дифракции требуется накопление некоторого минимального количества отсчетов на каждом элементе изображения. Необходимое для этого время можно оценить по формуле
t_min= K²(1-C)(2-C)/C²δSJ, где К - отношение средней величины полезного сигнала к его дисперсии, т.е. число достоверно различимых градаций интенсивности;
δ - коэффициент преобразования рентгеновского излучения в оптическое экраном-конвертором;
С = (J-J_ф)/J - контраст рентгеновского изображения дефекта;
J - поток дифрагированного рентгеновского излучения в области дефекта;
J_ф - то же, в области фона;
S - площадь элемента изображения.The signal is read from the target of the super-silicon cell in the television standard (64 μs per line). During this time, the analog video signal coming from the camera is sampled with a period of T ≈ 100 ns by the high-speed ADC 6, and the obtained digital samples are recorded in a high-speed buffer of small capacity 7. The sampling period is selected based on the required resolution (number of elements per line) and the speed of the ADC and memory. At the end of the line recording, control is transferred to the computer processor 9, which reads the data from the buffer RAM, summarizes them with the contents of the corresponding RAM cells of the microcomputer, and writes the result to the same cells. The duration of this process is determined by the speed of the processor and memory and for the most common microcomputers is about 5 ms per line. Thus, the recording time of a frame containing 512 lines is about 2.5 s. On the other hand, it is known that, due to the statistical nature of the X-ray diffraction image, in order to obtain a reliable diffraction pattern, the accumulation of a certain minimum number of samples on each image element is required. The time necessary for this can be estimated by the formula
t _min = K ² (1-C) (2-C) / C ² δSJ, where K is the ratio of the average value of the useful signal to its dispersion, i.e. the number of reliably distinguishable gradations of intensity;
δ is the coefficient of conversion of x-ray radiation into optical by a screen-converter;
C = (JJ _f ) / J is the contrast of the x-ray image of the defect;
J is the flux of diffracted x-ray radiation in the region of the defect;
J _f - the same in the background area;
S is the area of the image element.

Для типичных условий съемки (мощность трубки 2 кВт материал образца - кремний, Лауэ-отражение [220], J=10см^-2с^-1, S = =10 см^-2, С=0,5, α = 0,1, принимая К= 16, получаем t= 600 с. Поэтому сравнительно низкое быстродействие установки в данном случае несущественно. При увеличении мощности источника или при снижении требований к качеству изображения возможно сокращение времени съемки до 1 кадра.For typical shooting conditions (tube power 2 kW, the sample material is silicon, Laue reflection [220], J = 10 cm ^-2 s ^-1 , S = 10 cm ^-2 , C = 0.5, α = 0.1, assuming K = 16, we get t = 600 s. Therefore, the relatively low speed of the installation is not significant in this case. With an increase in the source power or with a decrease in image quality requirements, it is possible to reduce the shooting time to 1 frame.

Пространственное разрешение установки определяется при малом увеличении оптической системы - размерами поля зрения и числом строк разложения, а при большом увеличении - качеством экрана-конвертора. Предельно достижимое разрешение составляет единицы микрон. Размеры поля зрения могут варьироваться в зависимости от объекта от единиц квадратных миллиметров до десятков квадратных сантиметров путем регулирования увеличения оптической системы. The spatial resolution of the installation is determined with a small increase in the optical system - the size of the field of view and the number of lines of decomposition, and with a large increase - the quality of the screen converter. The maximum achievable resolution is units of microns. The dimensions of the field of view can vary depending on the object from units of square millimeters to tens of square centimeters by adjusting the increase in the optical system.

П р и м е р. Установка для визуализации и цифровой обработки рентгенотопографических изображений была выполнена на основе суперкремникона ЛИ-703 и микроЭВМ "Электроника-60". Установка включает в себя экран-конвертор (слой (Zn, Cd)S на стеклянной подложке), оптическую систему с регулируемым увеличением от 1^х до 10^х, телекамеру на основе суперкремникона, устройство построчного ввода изображения (УПВИ) 10 и микроЭВМ "Электроника-60" с интерфейсом И2. УПВИ предназначено для дискретизации и ввода в микроЭВМ через интерфейс И2 видеосигнала, поступающего с телекамеры. Устройство реализовано на АЦП типа КР1107ПВ1 и 14 микросхемах 155 серии и имеет следующие характеристики: максимальное число градаций яркости цифрового изображения - 64, число элементов разложения не более 256 строк по 256 точек.PRI me R. The installation for visualization and digital processing of x-ray topographic images was performed on the basis of the LI-703 super-cremonecon and the Electronics-60 microcomputer. The installation includes a screen converter (layer (Zn, Cd) S on a glass substrate), an optical system with adjustable magnification from 1 ^x to 10 ^x , a camera based on super-silicon, a line-by-line image input device (UPWI) 10, and an electronics-computer 60 "with I2 interface. UPVI is intended for discretization and input into the microcomputer via the I2 interface of the video signal coming from the camera. The device is implemented on an ADC of the KR1107PV1 type and 14 chips of the 155 series and has the following characteristics: the maximum number of gradations of the brightness of a digital image is 64, the number of decomposition elements is no more than 256 lines of 256 points.

Установка обеспечивает достаточное пространственное разрешение и передает основные элементы изображения. The installation provides sufficient spatial resolution and transmits the basic elements of the image.

Использование предлагаемой установки для контроля качества монокристаллических материалов и изделий в серийном производстве вместо применяемого в настоящее время рентгенотопографического контроля с фотографической регистрацией позволит повысить надежность и качество выпускаемой продукции за счет перехода от выборочного контроля к стопроцентному, а также обеспечит экономию фотоматериалов и трудовых затрат на их обработку. Using the proposed installation for controlling the quality of single-crystal materials and products in serial production instead of the currently used x-ray topographic control with photographic registration will improve the reliability and quality of products due to the transition from selective control to one hundred percent, and will also save photographic materials and labor costs for their processing .

Claims

1. INSTALLATION FOR RECEIVING X-RAY IMAGES, including an X-ray source, a screen converter and a television camera connected in series, an analog-to-digital converter, an image processing unit, an image output unit, characterized in that, in order to improve image quality at a low intensity of the diffracted X-ray beam by digitally accumulating the image, the image processing unit consists of accumulation and synchronization units, the accumulation unit being connected to course of the analog-digital converter, and timing unit connected to the outputs of the frame and line synchronization pulses of the television camera, to the inputs of synchronization and address image element storage unit and to the clock input of analog-to-digital converter.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the accumulation unit is connected to the output of the analog-to-digital converter through the buffer memory unit associated with the outputs of the synchronization and the address of the image element in the line of the synchronization unit, and the accumulation unit is connected to the readiness input for recording of the synchronization unit .