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 ： 1908063S

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL09

（様式第 5 号）

実施課題名
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Technical development of the angular-dispersive Air-Grid micro-meshfor the X-ray examining system by the LIGA micro -machining.
日 高 昌 則 1, 2 、 野 上 大 史 1 、 常 葉 信 生 2 、 大 石 明 広 2 、 小 林 和 矢 2 、田 中 延 和 3、 杜 下 淳 次 3、M.Hidaka, H.Nogami, N.Tokiwa, A. Oishi , K.Kobayasi,
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 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 。
M-AGM に 描 画 さ れ る マ イ ク ロ パ タ ー ン は 、 高 い ア ス ペ ク ト 比 を も つ Au 製 部 で 作 製 され る 。本 実 験 で は 、SL-LIGA に 使 用 す る 高 質 な Ｘ 線 フ ォ ト マ ス ク の 製 作 技 法 、転 写 フ ォト レ ジ ス ト ・ シ ー ト へ の 高 輝 度 Ｘ 線 の 露 光 ・ 現 像 条 件 が 調 べ ら れ た 。 ま た 、 LIGA 技 法に適するフォトレジスト素材も調べられた。
In the present investigations, the t echnical development of medical Air-Gridmicro-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. The M-AGM micro-patters are madeby the periodic Au-network having a highly aspect -ratio. At the present experiments,
the quality of the X-ray photo-masks and the transcription of the photo-resist sheets
were studied by using the bright X -ray beams, in addition to the mater ial research
for the suitable photo-resists used at the LIGA micro-machining.

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線フォトマスクの性能と、医療用 Air-Grid用マイクロメッシュ（M-AGM）の試作が実施された。本実験で作製されたＸ線フォトマスクは、ハニカム状およびライン状のマイクロパターン配列をもつ。これらのＸ線フォトマスクのマイクロパターンは、 UV フォトマスクに描画されたマイクロパターン配列が UV-LIGA により作製された。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方法が計画されたが、本実験では直入射式実験のみを実施した。この主な原因は後述する。

フォトレジストAl 製湾曲基板SL
Ｘ線フォトマスク
直入射式

角度分散式

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
国内外のシンクロトロン光研究施設において実施されている LIGA 微細加工（SL-LIGA）の技術開発研究では、Ｘ線フォトマスクおよびこのマスクパターンを転写するフォトレジスト・シート作製（厚さ；約 50～300μm）が大きな課題になっている。LIGA 技法は、半導体部品製造に利用されてきている MEMS 微細加工と異なる。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を使用することを決めた。本実験では、これらのフォトレジスト素材と転写フォトレジストへの高輝度Ｘ線の露光・現像条件が調べられた。なお、本露光実験で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 400ｍｍであった。
４－１．ハニカム状マイクロパターンを持つ Air-Grid 用マイクロメッシュ
露光実験で使用するＸ線フォトマスクを作製するために、UV フォトマスクに描画されたハニカム状マイクロパターン配列は、UV-LIGA によりドライフイルムに転写された。下図は、この転写・現像ドライフイルムのマイクロスコープ撮像を示す。使用したドライフイルムの厚さは 56μm である。
LIGA での Au めっき工程を考慮して、このドライフイルムは無電解 Ni コートされた基板上に固定された。この撮像は、PMMA 製六角柱配列の表面（青色部）に焦点をあわせて撮られている。UV フォトマスクでのマイクロパターン配列では、六角形スリットの辺間距離は 100μm、六角形配列を形成している Cr 製壁幅は 25μm で描画されている。従って、隣接六角柱間のフォトレジストは、UV 露光後の現像により除去される。
下図・上段には、転写・現像ドライフイルム（上図）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）が示されて、左側は 2 次元、右側は３次元図である。下段には、レーザー顕微鏡によるレーザー解析結果が示されている。2 次元撮像の中央部にある横青線は、レーザー解析でのレーザー光のスキャン方向を表示している。従って、六角柱の側壁間距離は約 100μmで、隣接六角柱間の細孔幅は 24～25μm である。これらの細孔深さは約 55μm であるので、細孔はめっき用基板に達していることが確認される。また、このレーザー解析で示された細孔壁の垂直性は、細孔内に高質な Au 製マイクロ壁が作製できることを示唆した。

101μm55μm

25μm24μm左図は、上図のマイクロ細孔配列にAu めっきして作製されたＸ線フォトマ
スク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、六角柱は PMMA 製である。この
Ｘ線フォトマスクの外形サイズは 50 x50mm 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、Ｘ線フォトマスクのレーザー・マイクロスコープを示す。左側は 2 次元、右側は３次元図である。下段には、レーザー解析結果が示されている。六角柱の側壁間距離は約 100μm、隣接六角柱間の細孔幅は 23～24μm である。上図のマイクロスコープ撮像、下図の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。使用したドライフイルム厚さは 56μm を考慮すると、細孔内での Au 製壁高さは 27～30μm である。これまで数年に渡る佐賀ＬＳ－BL09 ビームラインでの露光実験では、Ｘ線フォトマ
スクの Au めっき部のマイクロ壁高さは約 20μm 以上が必要であることが確証された。従って、このＸ線フォトマスクは、BL09 での露光実験に適していることが確証された。

101μm

29μm

24μm23μm

下図は、上記のハニカム状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得られた露光・現像後のフォトレジスト・シートのマイクロスコープを示す。露光・総電流量は 93 mAh、現像時間は 40minである。現像装置は、手製カム方式の攪拌駆動部をもつ。なお、左側ではPMMA 製上表面に、マイクロスコープの焦点が合わされて撮影されている。
下図は、上図の露光・現像済フォトレジストの転写マイクロパターンのレーザー・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、六角柱間の細孔は一様な深さに現像されている。レーザー解析では、六角柱の側壁間距離は約 100μm、隣接六角柱間の細孔幅は約 28μm である。従って、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、使用したフォトレジスト・シートの厚さ；95μm を考慮すると、細孔には約 55μm のフォトレジストが残留している。橙色の点線部に関しては、（４－２）項で後述する。

98μm

40μm

27μm

29μm

４－２．矩形ライン状マイクロパターンを持つ Air-Grid 用マイクロメッシュ
Ｘ線フォトマスクを作製するために、UV フォトマスクに描画されたライン状マイクロパターン配列は、UV-LIGA によりドライフイルムに転写された。UV フォトマスクのマイクロパターン配列は、ライン状スリット幅；40μm、Cr 製ライン線幅；20μm で描画されている。
左図は、転写・現像ドライフイルムのマイクロスコープ撮像を示す。
この撮像は、PMMA 製矩形ライン配列の表面（青色）に焦点をあわせて撮られている。

下図・上段は、上図のレーザー・マイクロスコープ撮像（左側；2 次元、右側；３次元）を示す。
左側図で、レーザー顕微鏡のレーザー光は、左図の中央部に横青線に沿ってスキャンしている。下段
は、このスキャン方向に計測されたレーザー解析である。
PMMA 製ライン柱幅は 43μmで 、 ライ ン 柱間 の細 孔幅 は 約18μm である。また、これらの細孔深さは約 56μm であるので、細孔はめっき用基板に達していることが確認される。また、このレーザー解析で示された細43μm
孔壁の垂直性は、細孔内に高質な Au 製めっきを可能にする。
56μm18μm17μm

下図・上段は、このＸ線フォトマスクの２次元、３次元レーザー・マイクロスコープを示す。下段には、レーザー解析結果が示されている。PMMA 製ライン柱幅は 42μm で、ライン柱間の細孔幅は約 18μm である。また、２次元図およびレーザー解析より、Au めっき部は、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。ドライフイルム厚さ；56μm から、細孔内でのAu 製壁高さは 30～32μm である。従って、矩形ライン状マイクロパターン配列をもつＸ線フォトマ
スクは SL-LIGA に適していることが確認された。このＸ線フォトマスクの外形サイズは約 20 x80mm であり、この領域内にライン状マイクロパターン配列が描画されている。

42μm24μm

19μm17μm

このＸ線フォトマスクを使用する露光実験では、フォトレジスト基板に固定された同一フォトレジスト・シートに異なる総電流量の多重露光が行なわれた。左図は、露光・現像後のフォトレジスト基板の写真を示す。高輝度Ｘ線の総露光量は、上部では 100mAh、下部では 120 mAh であった。現像は、上部と下部を同時に行った（現像時間；7min）。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100mAhは市販の加圧シャワー方式（0.3MPa）の現像装置を使用した。前述した様に、ハニカム状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得られた露光・現像後のフォトレジスト・シートでは、六角柱間の細孔内には約 55μmのフォトレジストが残留していた。この様な残留原因に関120mAhしても調べた。
フォトレジスト基板
左図は、上記のＸ線フォトマスクを使用して得られた露光・現像後のフォトレジスト・シートのマイクロスコー
プを示す。露光・総電流量は 100 mAhである。左側では PMMA 製上表面に、マイクロスコープの焦点が合わされて撮影されている。露光・総電流量が 120mAh のマイクロスコープも同様な撮像が得られた。
下図は、上図の露光・総電流量；100 mAh で転写された現像済フォトレジストの転写マイクロパ
ターンのレーザー・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、矩形ライン状マイクロパターン配列間の細孔は一様な深さに現像されている。レーザー解析では、これらの PMMA 製矩形ライン表面部幅は約 35μm、隣接ライン間の細孔幅は 22～23μm である。
しかし、これらの細孔底部では、かなりの高さの残留フォトレジストが観測される。細孔底部付近の両側壁（点線楕円部）では、側壁表面からの反射レーザー光が観測されていない。この事象は、細孔側壁が大きく傾斜していることを示唆する。従って、細孔底部の中央付近からのみ、反射レーザー光はレーザー顕微鏡の対物レンズに入射している。この状況は、上段の２、３次元図の黒色部でも確認できる。使用したフォトレジスト・シートの厚さは 95μm であるので、細孔内には高さ；約 75μm のフォトレジストが残留している。

35μm20μm

22μm23μm

下図は、露光・総電流量；120 mAh で転写された現像済フォトレジストの転写マイクロパターンのレーザー・マイクロスコープ（上段）とレーザー解析（下段）を示す。これらの PMMA 製矩形ライン表面部幅は約 34μm、隣接ライン間の細孔幅は 24μm、細孔底部の中央付近での深さは 18μm である。これらの細孔内では、高さ；約 80μm のフォトレジストが残留して、細孔側壁は大きく傾斜している。この状況は総電流量；100 mAh の露光実験と同様である。

34μm

18μm

24μm

24μm

本実験では、ハニカム状マイクロパターン配列および矩形ライン状マイクロパターン配列を持つＸ
線フォトマスクは、厚さ；56μm のドライフイルム状のフォトレジストで作製された。これらのＸ線フォトマスクのマイクロパターン配列は、高輝度Ｘ線によりフォトレジスト・シートに転写された。
それぞれのマイクロパターン構造仕様がレーザー・マイクロスコープ、レーザー解析により調べられたが、Ｘ線フォトマスクの作製技法は確立された。

しかし、これらの転写・現像フォトレジスト・シートに形成されたマイクロパターン細孔には、かなりの高さの残留フォトレジストが観測された。これまでに BL09 ビームラインで実施してきた LIGA関連の技術開発では、フォトレジスト・シートの厚さは約 100～250μm であった。下図は、2015 年に BL09 で実施した露光実験で得たハニカム状マイクロパターン配列のレーザー解析結果である。ただし、この露光実験で使用したＸ線フォトマスクは 2015 年に作製されたが、この Au めっき部のマイクロ壁高さは約 22μm であった。露光・総電流量は 60mAh、現像は手製の簡易型シャワー方式装置を使用して 25 分であった。上段には転写マイクロパターンのレーザー・マイクロスコープ、下段にはレーザー解析が示されている。この実験で使用したフォトレジスト・シートの厚さは約 260μmで、ビームサイズは垂直方向では約 10ｍｍ、水平方向では 100ｍｍであった。

97μm

258μm

26μm26μm

下図には、上記の転写・現像済フォトレジスト・シートの Ni めっきが示されている。上段は２次元（左）、３次元（右）のレーザー・マイクロスコープ撮像、下段はレーザー解析結果である。従って、ハニカム状の隣接六角柱間の Ni 製細孔壁の高さは約 200μm である。

92μm

66μm

30μm

28μm

本実験と 2015 年実験とのフォトレジストの転写マイクロパターンに関する相違は、BL09 ビームラインの光学系に原因があると推測する。これまで数年に渡り実施した BL09 での露光実験では、ビームサイズは、垂直方向では約 10mm、水平方向では約 100mm であった。一方、本実験でのビーム

サイズは、垂直方向では約 10mm、水平方向では約 400mm であった。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。従って、本実験で観測されたハニカム状および矩形ライン状マイクロパターン配列を描画しているＸ線フォトマスクでは、入射Ｘ線はAu 製壁部をかなり透過していると思われる。この事象は、細孔内での Au 製壁部の高さをさらに大きくする必要性を示唆する。
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 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。この開発研究では、LIGA 微細加工（UV-LIGA、SL-LIGA）により直入射式および角度分散式による４種類の M-AGM 製作が要請される。従って、本実験での BL09 の400mm サイズのビーム選択は、本研究では直入射式に加えて、湾曲状フォトレジストを使用する角度分散式の露光実験も実施することに基づいた。しかし、転写・現像済フォトレジストのマイクロ構造の解析・評価は、①Ｘ線フォトマスクのマイクロパターンを描画している Au 製壁部の高さの増加、②入射高輝度Ｘ線の水平方向ビームサイズの再検討が明らかになった。今後の BL09 での露光実験では、①、②の課題をクリヤーする条件を再検討する。

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）