九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 1912121S

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL09

（様式第 5 号）
LIGA 微 細 加 工 に よ る Ｘ 線 画 像 診 断 シ ス テ ム の角 度 分 散 式 Air-Grid マ イ ク ロ メ ッ シ ュ 製 作 の 技 術 開 発 （ Ⅲ ）Technical development of the angular-dispersive Air-Grid micro-meshfor the X-ray examining system by the LIGA micro -machining(Ш)
1,日 高 昌 則 2、 野 上 大 史 1、 常 葉 信 生 2、 大 石 明 広 2、 小 林 和 矢 2、 横 尾 侑 典 2
田 中 延 和 3、 杜 下 淳 次 3、M.Hidaka, H.Nogami, N.Tokiwa, A. Oishi , K.Kobayashi, U.Yokoo,N.Tanaka, J.Morishita,
1;九 州 大 学 大 学 院 工 学 研 究 院 機 械 工 学 部 門 、 2;田 口 電 機 工 業 技 術 課 、
3; 九 州 大 学 大 学 院 医 学 研 究 院 ・ 保 健 学 部 門
1; Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kyushu
University, 2; Technical Section, Taguchi Plating Industry, Co. Ltd, 3; Department ofHealth Sciences, Faculty of Medical Sciences, Kyushu University.
１．概要
本 研 究 は 、シ ン ク ロ ト ロ ン 光 ・ 高 輝 度 Ｘ 線 お よ び 高 出 力 紫 外 線 を 利 用 す る 微 細 加 工 技法 (SL-LIGA 、 UV-LIGA)を 使 用 し て 、 Ｘ 線 画 像 診 断 装 置 に 装 備 す る 医 療 用 グ リ ッ ド ・Air-Grid マ イ ク ロ メ ッ シ ュ （ M-AGM） 製 作 に 関 す る 技 術 開 発 で あ る 。 M-AGM は 被 写
体への照射Ｘ線の空気散乱および被写体からの２次散乱Ｘ線による診断画像の低画質化 を 抑 制 す る の で 、Ｘ 線 画 像 診 断 に お け る 被 写 体 の 被 ば く 線 量 は M-AGM で か な り 減 少
さ れ る 。本 実 験 で は 、直 入 射 式 と 角 度 分 散 式 に よ る 露 光 実 験 を 行 っ た 。SL-LIGA に お ける 高 輝 度 Ｘ 線 の ビ ー ム サ イ ズ と 露 光 ・ 現 像 条 件 と の 相 関 か ら 、 M-AGM の Au 電 気 め っき技法を確立した。
In the present investigations, the t echnical development of medical grid, Air-Grid
micro-meshes (M-AGM), which are used at the X-ray imaging system, were carriedout with the LIGA micro-machining by using the high-bright X-rays emitted fromsynchrotron radiations (SL-LIGA) and the high-power ultraviolet rays (UV-LIGA).
Since the M-AGM controls the air-scattering of the incident X-rays and the secondary
X-rays scattered by the object, the exposure dose of the object is considerably reducedwith the M-AGM for the X-ray imaging system. At the present experiments, twokinds of irradiation methods to be direct and angular-dispersive were used for thehigh-bright X-ray beams. The correlation between the beam-size of the incident
X-ray beams and the conditions of the exposure - and develop-time established theelectroplating-technique for the M-AGM.

２．背景と目的
田口電機工業と九州大学大学院・理学研究院物理部門は、平成２１～２３年度に国の支援を受けて、LIGA 微細加工（UV-LIGA、SL-LIGA）に使用する各種の関連装置系を整備し、本格的な微細加工の技術開発研究を実施した。これまで国内外のシンクロトロン光研究施設を利用して、シンクロトロン光からの高輝度Ｘ線を使用した深刻Ｘ線リソグラフィによる SL-LIGA の技術開発を実施してきた。これらの各種のマイクロパーツの試作研究で、Air-Grid
画像診断用Ｘ線検出器用マイクロメッシュ製作の技術開発も行なってきた。平成２８年度から平成３０年度には、産業技術総合研究所・つくばセンターと田口電機工業は、食品異物混入のＸ線検査装置に利用する位相コントラストＸ線検査システムの共同技術開発を実施した。この研究では、マイクロパターン配列のＸ線回折格子を試作した。なお、SL-LIGA に関する露光実験は、Ｘ線源

ポハン加速器研究所（PAL・韓国）のシンクロトロン光研究被写体施設（PLS）と佐賀ＬＳで実施した。本研究の医療用 Air-Grid用マイクロメッシュ（M-AGM）試作は、これらの技術開発に基づいている。 M-AGM は４種類があり、直入射式と角度分散式に分けられる。M-AGM は被写体への照射Ｘ線の空気散乱および被写体からの２次散乱Ｘ線の影響を低下させAir-Grid 用マイクロメッシュる。従って、Ｘ線画像診断における高画質化が向上して、照射被写体の被ばく線量を抑制することが可能である。

３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
本研究では、高輝度Ｘ線による露光実験に使用するＸ線フォトマスクを製作して、医療用 Air-Grid用マイクロメッシュ（M-AGM）の試作を行なった。これらのＸ線フォトマスクは、正方形状とハニカム状のマイクロパターン配列をもつ。Ｘ線フォトマスクに描画されたマイクロパターンは、
UV-LIGA により作製された。上図の黄色部で示された４種類の M-AGM を作製するために、直入射式と角度分散式による露光実験を行った。佐賀ＬＳ・BL09 ビームラインの実験エリヤに簡易型実験ステージを仮設して、直入射式および角度分散式による露光実験を行った。これらのステージの概容は、本年度の１２月利用報告書で紹介している。使用した BL09 ビームラインでのビームサイズ（垂直方向、水平方向）は、直入射式では約（10mm、100mm）、角度分散式では約（10mm、250mm）である。高輝度Ｘ線によるＸ線フォトマスク、フォトレジストの温度上昇を抑えるために、これらを固定している Al 製基板ホルダーは、水冷式の温度制御器に設置されて、露光実験中には約 20℃で制御されている。また、垂直方向のビームサイズは実験エリヤで約 10mm であるので、２次元駆動するＸ線スキャナーに搭載された Al 製基板ホルダーは、露光中には上下方向に反復運動を行う。
左図は、直入射式と角度分散式の露光実フォトレジスト

験におけるフォトレジスト基板ホルダーとＸ線フォトマスク、高輝度Ｘ線（SL）の入射方向の概念図を表す。上図の様に、角度Al 製湾曲基板

分散式では、フォトレジストは Al 製薄板の湾曲基板ホルダー表面に、Ｘ線フォトマス

SL

クはＸ線マスクホルダーの固定窓にセットされる。ただし、上図の様に、角度分散式

Ｘ線フォトマスク

直入射式の実験では、この基板ホルダーの湾曲面は角度分散式水平面内にあり、Ｘ線フォトマスク＆レジストホルダーは Z 軸方向に反復駆動を行う。

Ｘ線画像診断装置に設置されている小さなＸ線窓から放出される照射Ｘ線は、指向性のある角度分散をもって被写体およびＸ線検出器に入射する。通常、このＸ線窓と被写体との距離は約 50～100cmである。本研究では、曲率半径 60cm の角度分散特性に対応する湾曲フォトレジストを搭載する Al製湾曲レジストホルダーを作製した。
なお、Ｘ線フォトマスクの作製、転写フォトレジスト・シートの LIGA 処理工程(現像、めっき etc. )、マイクロスコープ、レーザー顕微鏡、走査電子顕微鏡（SEM）による画像解析は、田口電機工業で行なった。
４．実験結果と考察
これまでに九州大学と田口電機工業と実施してきた共同の技術開発研究において、各種のフォトレジスト素材を調べてきた。数年間に渡る予備実験を経て、最終的に、MEMS に利用されているフォトレジスト溶媒から作製されたフォトレジスト・シートとドライフイルム状のフォトレジスト（DFレジスト）が UV-LIGA、SL-LIGA にマイクロマシンニングに有効であることを確証した。上述した４種類の M-AGM を試作するために、直入射式と角度分散式による露光実験を行った。
４－１．直入射式による露光実験
４－１－１．DF レジストとフォトレジスト・シートとの比較
本研究では、正方形状および矩形サイズのハニカム状のマイクロパターン配列をもつＸ線フォトマ
スクを使用して露光実験を行った。下図は、Ｘ線フォトマスクに描画されている正方形状の配列が露光・現像された DF レジスト（厚さ；112μm）のマイクロスコープ撮像を示す。このＸ線フォトマ
スク（１２月実験に使用）上のマイクロパターンは、PMMA 製細孔では約 300 x 300μm、Au 製部
では壁幅；約 200μm、高さ；約 30μm である。
高輝度Ｘ線の総露光量は 10mAh、現像時間は 8min であった。アスペクト比の大きなマイクロ細孔内での現像効率を高めるために、本実験では市販の加圧シャワー方式（0.3MPa）の現像装置を使用した。
本実験に使用したビームサイズは、垂直方向では約 10mm、水平方向では約 100mmである。
下図は、正方形状 Air-Grid マイクロメッシュ用の露光・現像済 DF レジストのレーザー顕微鏡によるマイクロスコープ撮像（レーザー・マイクロスコープ撮像）を示す。左側が２次元、右側が３次元の拡大撮像である。この２次元撮像において、青色部は PMMA 製の正方形角柱で、この中央部を横断する青線はレーザー光のスキャン方向を表示している。

下図には、このレーザー顕微鏡によるレーザー解析が示されている。PMMA 製角柱のサイズは幅；
約 283μm、隣接角柱間の細孔は幅；約 204μm、高さ；112μm である。従って、Air-Grid マイクロメッシュの Au 製部の高さは約 60～80μm であるので、Au めっきは可能である。
283μm

112μm

204μm

本実験では、Ｘ線フォトマスクに描画されたマイクロパターン配列を転写するフォトレジストとして、市販のフォトレジスト溶媒から作製されたフォトレジスト・シートも使用した。左図は、上述した露光実験と同じＸ線フォトマスクによる露光・現像済フォトレジスト・シートのマイクロスコープ撮像を示す。高輝度Ｘ線の総露光量は40mAh、現像時間は 7min であった。現像装置は、手製カム方式の攪拌駆動部をもつ。ただし、フォトレジスト・シートに関しては、マイクロパターンのアスペクト比および形状に応じて、前述した加圧シャワー方式とカム方式の現像技法を選択する。
下図上段は、正方形状 Air-Grid マイクロメッシュ用の露光・現像済フォトレジスト・シート（厚さ；約 76μm）のレーザー・マイクロスコープを示す。上段左側が２次元、右側が３次元の拡大撮像である。下段には、このレーザー解析が示されている。PMMA 製角柱のサイズは幅；約 293μm、隣接角柱間の細孔は幅；約 197μm、高さ；約 76μm である。従って、Air-Grid マイクロメッシュの Au製部の高さは約 60～80μm であるので、Au めっきは可能である。

293μm

76μm197μm
これらの比較実験から、DF レジストとフォトレジスト・シートの素材に関する主な違いは、露光＆現像時間であることが確証された。しかし、マイクロパターン配列の構造に関して、細孔側壁の高質化、フォトレジスト基板からの部分的な剥離などの技術開発が残されている。
４－１－２．ハニカム状 Air-Grid マイクロメッシュ
矩形ハニカム状のマイクロパターン配列をもつＸ線フォトマスク（１１、１２月実験に使用）を用いて露光実験を行った。下図は、ハニカム状 Air-Grid マイクロメッシュ用の露光・現像済 DF レジスト（厚さ；112μm）のレーザー・マイクロスコープを示す。
高輝度Ｘ線の総露光量は 5mAh、現像時間は 5min であった。アスペクト比の大きなマイクロ細孔内での現像効率を高めるために、本実験では市販の加圧シャワー方式（0.3MPa）の現像装置を使用した。

下図は、上図の DF レジストのレーザー・マイクロスコープ（上段）とレーザー解析（下段）を示す。上段の２、３次元図では、六角柱間の細孔は、深さは 112μm でほぼ一様に現像されている。レーザー解析では、六角柱の側壁間距離は約 95μm、隣接六角柱間の細孔幅は約 28μm であり、UV フォトマスクのマイクロパターン配列は、かなり精度よく転写されている。しかし、細孔底部の両側壁付近（左側壁；約 4μm、右側壁；約 1μm）では、反射レーザー光が観測されていない。この事象は、細孔側壁が少し傾斜していることを示唆する。

95μm

112μm

28μm29μm

上図のレーザー顕微鏡による計測結果から、ハニカム状 Air-Grid マイクロメッシュの Au めっきは可能である。この DF レジストに形成されたマイクロ細孔配列の六角柱の側壁間に、Au めっきが行なわれた。左図は、ハニカム状 Air-Gridマイクロメッシュのマイクロスコープ撮像を示す。隣接六角柱間の細孔内の黄色部は Au 製で、六角柱（青色部）は PMMA製である。このマイクロメッシュの外形サイズは 50 x 50mm であり、この領域内にハニカム状マイクロパターンが細密配列されている。
下図・上段は、ハニカム状 Air-Grid マイクロメッシュのレーザー・マイクロスコープ（左側；2次元、右側；３次元）を示す。下段には、レーザー解析が示されている。六角柱の側壁間距離は約 95μm、隣接六角柱間の細孔幅は約 28μm、細孔の深さは約 40μm である。

95μm40μm28μm28μm

上図の２次元図およびレーザー解析は、Au めっき部が塊形サイズ；約 1μm 以下のマイクログレイン集合体で形成されていること示す。使用した DF レジストの厚さは 112μm であるので、細孔内での Au 製部の高さは約 70μm となる。本Ｘ線画像診断装置のテスト実験に使用する Air-Grid マイク
ロメッシュの Au 製部高さは約 60～80μm である。従って、このハニカム状 Air-Grid マイクロメッ
シュは、各種のテスト実験に極めて有効である。なお、上述した正方形状 Air-Grid マイクロメッシ
ュも作製している。
４－２．角度分散式による露光実験
１１月、１２月の BL09 ビームラインで実施した角度分散式の実験では、露光・現像済フォトレジスト（DF レジスト、フォトレジスト・シート）では、ライン状およびハニカム状のマイクロ細孔配列内部に多量の残留 PMMA 製フォトレジストが観測された。この様な事象は、使用した水平方向（電子バンチ軌道面）のビームサイズ（約 400mm）に起因すると推測した。佐賀ＬＳの BL09 のエミッタンスは、垂直方向では 0.17mrad, 水平方向では横 8.3mrad である。照射Ｘ線の輝度は、ビームライン上流に設置されている Pb 製スリットの開閉状態に影響する。水平方向；400mm のビームサイズの高輝度Ｘ線は、本実験で使用するＸ線フォトマスクには過剰入射と思われる。従って、角度分散式による露光実験では、垂直方向；約 10mm、水平方向；約 250mm のビームサイズが使用された。
本実験用の広バンド状のＸ線フォトマスクは、直入射式用のハニカム状Ｘ線フォトマスク（矩形外形サイズ；50x50mm）を作製したＵＶフォトマスクが使用された。外形サイズ（100 x200mm）の同一 DF レジストの３箇所に、このＵＶフォトマスクのマイクロパターン配列が転写された。ただし、各領域間には、2mmのスペースを置いている。このスペースは、湾曲状 DF レジストでの位置を計測するのに利用する。
下図は、ハニカム状 Air-Grid マイクロメッシュ用の露光・現像済 DF レジスト（厚さ；112μm）のレーザー・マイクロスコープ（左側；2 次元、右側；３次元）を示す。高輝度Ｘ線の総露光量は 10mAh、現像時間は 8min であった。アスペクト比の大きなマイクロ細孔内での現像効率を高めるために、市販の加圧シャワー方式（0.3MPa）の現像装置が使用された。実験では水平方向；約 250mm のビームサイズが使用されたが、入射ビームの中心は DF レジストの片端から約 50mm の位置になるように off-set された。従って、それぞれの撮像下に示されている表記（中央、低角、中角、高角）は、この off-set 位置からのおおよその角度である。

中央

低角

中角高角

これらのレーザー・マイクロスコープ撮像から、PMMA 製六角柱の側壁（２次元図の黒色部）および隣接する六角柱の側壁間にあるマイクロ細孔の幅（２次元図の灰色部、３次元図の青色部）が高輝度Ｘ線の入射角度に応じて変化していることが確認される。この様な角度依存性を調べるために、それぞれの位置におけるレーザー解析が行なわれた。下図には、上図の中央と低角の位置でのレーザー解析が示されている。使用した DF レジストの厚さは 112μm であるので、これらの位置でのハニカム状マイクロ細孔の底部はフォトレジスト基板に達していると確認できる。また、低角レーザー解析の細孔底部において、赤色点線部で表示された個所では反射レーザー光は顕微鏡の対物レンズに再入射していない。これは、この細孔の左側壁が傾斜していることを示唆する。この側壁傾斜は、上図の低角における２次元撮像で確証される。上図のレーザー解析図に表示されているに黄色点線は、上図のレーザー・マイクロスコープにおける PMMA 製六角柱の側壁の傾斜を示す。従って、六角柱の側壁は、中央位置では右側に僅かに、低角位置では左側に傾斜している。
97μm111μm

中央29μm

96μm

27μm

112μm

低角30μm29μm

下図には、上図のレーザー・マイクロスコープ撮像の中角と高角の位置でのレーザー解析が示されている。これらの位置でもハニカム状マイクロ細孔の底部はフォトレジスト基板に達している。これ
らのレーザー解析図に表示されているに黄色点線は、上図のレーザー・マイクロスコープにおけるPMMA 製六角柱の側壁の傾斜を示す。従って、六角柱の側壁は、低角から高角にむけて傾斜角度が大きくなっている。
97μm

112μm

中角30μm

97μm

30μm

112μm

高角30μm30μm

なお、入射ビームの中心は、これらのレーザー解析の中央付近にあることが確認される。現在、角度分散式の露光実験により得られたハニカム状 Air-Grid マイクロメッシュに関して、上記の様なマイクロ細孔側壁の傾斜角度と高輝度Ｘ線の入射位置との相関を調べている。この解析後、金めっき工程を実施する。

＜３．実験内容＞の項で述べたように、角度分散式の露光実験では、DF レジストは Al 製湾曲基板に固定される。従って、この湾曲基板の曲率半径に応じて、Ｘ線フォトマスクに描画されたマイクロパターンは、フォトレジストの低角・中角・入射光高角領域では傾斜して転写される。左図・上側
入射・反射光は、湾曲フォトレジストで計測された低角・中角・高角領域でのレーザー解析とマイクロ細孔壁の傾斜との関係を示す。赤矢印レーザー光はレーザー顕微鏡・対物レンズへ反射して再入射する。しかし、青矢印レーザー光は、傾斜してPMMAいる PMMA 製の側壁で反射されて、対物レンズへ再入射しない。従って、角度分散式で作製反射光された Air-Grid マイクロメッシュは、傾斜したマイクロ細孔配列をもつ。この細孔配列内に形成された Au 製マイクロライン配列は、Ｘ線画像診断用グリッドの照射Ｘ線の透過路を制限する。下段には、傾斜している PMMA 製部のみを透過する照射Ｘ線（青色矢印）が表示されている。
Au めっき現在、医療用のＸ線画像診断装置に使用されているグリッドは、主に鉛薄板（Pb）とアルミニウム薄板（Al）の交互積層によるライン状格子で作製されている。この（Pb-Al）積層格子は、被写体からの２次Ｘ線散乱を抑制するために使用されていて、Ｘ線検出器（IPD 型、FPD 型）の前にセットされている。従って、（Pb-Al）積層格子の導入は、Ｘ線検出器の高質画像化に比重が置かれていると思われる。＜２．背景と目的＞の項で述べたように、本研究では、４種類（①Ｘ線源窓、②被写体直前、③被写体直後、④Ｘ線検出器窓）の医療用 Air-Grid 用マイクロメッシュ（M-AGM）の試作研究を行っている。本研究の Air-Grid 用マイクロメッシュでは、Au 製部と PMMA 製部とでマイクロパターン配列が描画されている。本露光実験では、直入射式では①、④、角度分散式では②、③の（M-AGM）作製に関する技術開発を行なっている。これらの Air-Grid 用マイクロメッシュに描画されている主なマイクロパターンは、本研究で実施している正方形状およびハニカム状のマイクロパターン配列を中心にして技術開発を実施している。特に、④の M-AGM では、２次Ｘ線・被写体散乱の抑制と検出効率の増加のために、Ｘ線検出器の光センサー素子配列を考慮する M-AGM 製作の技術開発を行なっている。
照射Ｘ線の透過を阻止するために、（Pb-Al）積層格子では Pb（原子番号；８２）を使用している。
M-AGM では照射Ｘ線の透過阻止として、Au（原子番号；７９）が使用されている。この Au 製部のマイクロパターン配列は LIGA 微細加工で作製されているので、M-AGM の全領域でのマイクロパターン配列は数ミクロンの高精度で作製されている。また、PMMA 製部では、透過Ｘ線の減衰は 1～2％程度である。
５．今後の課題
本研究の主目的は、Ｘ線画像診断装置に装備する医療用グリッド・Air-Grid マイクロメッシュ（M-AGM）製作に関する技術開発である。 BL09 ビームラインでの実験結果から、直入射式では約100mm、角度分散式では約 250m の水平方向ビームサイズは有効であることが確証できた。しかし、広面積の医療用グリッド・Air-Grid マイクロメッシュ製作には、佐賀ＬＳの水平方向；300～400mmのビーム利用が必要である。また、垂直方向にも、フォトレジストの転写領域を拡大したい。従って、今後の研究課題として、湾曲フォトレジストの露光実験を行う角度分散式では、Ｘ線スキャナーの改造を検討する。特に、この改造により、３次元的な Air-Grid マイクロメッシュの試作研究も行う。
６．参考文献 特になし
７．論文発表・特許
８．キーワード・・・LIGA, Ｘ線回折格子
９．研究成果公開について② 研究成果公報の原稿提出 （提出時期：2020 年 10 月）