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 ： 2012132S

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL09

（様式第 5 号）

実施課題名
医 療 Ｘ 線 画 像 診 断 用 Air-Grid マ イ ク ロ メ ッ シ ュ 製 作 の LIGA 技 術 開 発 (Ⅱ )Technical development of the Air-Grid micro-meshes equipped
at the medical X-ray examining system, by using a LIGA method (П).
日 高 昌 則 1, 2 、 野 上 大 史 1 、 大 石 明 広 2 、 小 林 和 矢 2 、 横 尾 侑 典 2 、 田 口 和 樹 2
M.Hidaka, H.Nogami, N.Tokiwa, A. Oishi , K.Kobayashi, U.Yokoo,
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

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 （ SL） お よ び 高 出 力 紫 外 線 （ UV） 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 、 Ｘ 線 画 像 診 断 に お け る 被 写 体 の 被 ば く 線 量 の 減 少 お よ び Ｘ 線 画 像 の 高 質 化に 寄 与 で き る 。 本 実 験 で は 、 被 写 体 か ら の ２ 次 散 乱 Ｘ 線 を 抑 制 す る グ リ ッ ド ・ M-AGMの 試 作 研 究 を 行 な っ た 。 こ の M-AGM の マ イ ク ロ パ タ ー ン 配 列 は 、 Au め っ き 製 部 と フォ ト レ ジ ス ト 材 の PMMA 製 部 か ら 形 成 さ れ る 。 直 入 射 式 と 角 度 分 散 式 に よ る 露 光 実 験に よ り 、 SL-LIGA に お け る 高 輝 度 Ｘ 線 の 露 光 ・ 現 像 条 件 が 調 べ ら れ 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(SL-LIGA, UV-LIGA) by using the high-bright
X-rays emitted from synchrotron radiations (SL) and the high-power ultraviolet rays
(UV). Since the M-AGM reduces the air-scattering of the incident X-rays and thesecondary X-rays scattered by the object, the exposure dose of the object is reduced
and the quality of X-ray images is increased with the M-AGM. The M-AGM was madewith the Au-electroplating parts painting the micro -patterns and the PMMA
photo-resist parts. At the present experiments, the irradiating conditions of theincident X-ray beams and the developing ones of the exposed photo-resists for theSL-LIGA were studied by using two kinds of irradiation methods of to be direct andangular-dispersive.

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（SL）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 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年度から令和元年度では、日本健康倶楽部社・福岡支部とダイトーマイテック社・福岡営業所および九州大学医学部・保健学科の医療用Ｘ線画像診断装置を使用して、医療用の Air-Grid マイクロメッシュ（M-AGM）のテスト実験を実施してきた。これらのテスト用
M-AGM は、LIGA 技法（UV-LIGA、SL-LIGA）で作製されている。 本実験では、UV-LIGA に関する関連実験は田口電機工業で、 SL-LIGA に関する露光実
験は佐賀県立・九州シンクロトロン光研究センター（佐賀ＬＳ）で実施してきている。
本研究の M-AGM は、４種類（①～④型）である（左図）。
これらの 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。本実験では、SL の高輝度Ｘ線をフォトレジストに露光する方法として、直入射式と角度分散式を使用する。直入射式では、正方形型マイクロ細孔（正方形細孔；約 200x200μm、細孔間壁；約 40μm）の 平 行 性 細 孔 配 列 を も つ Air-Grid マ イ ク ロ メ ッ シ ュ（R–AGM）の試作研究を行う。角度分散式では、正方形型マイクロ細孔の集光性細孔配列をもつ R–AGM の技術開発を行う。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
本実験では、自作の簡易型実験ステージおよびＸ線スキャナーが、BL09 ビームラインの実験エリヤに仮設される。BL09 の水平方向ビームサイズは、直入射式および角度分散式では約 250mm を使用した。Ｘ線フォトマスク用の Al 製平板ホルダーおよびフォトレジスト用の Al 製湾曲状の基板ホルダー（湾曲レジストホルダー）は、上下駆動式のＸ線スキャナーに固定される。ただし、湾曲レジストホルダーの湾曲面は水平面（電子軌道面）内にある。また、現在使用されている市販のＸ線画像診断装置では、Ｘ線源から被写体までの距離は約 60cm～200cm である。本実験では、曲率半径；約200cm の湾曲レジストホルダーを使用する。本実験のフォトレジストはドライフイルム（DF レジスト）であり、厚さ；約 112μm の DF レジストを 2 枚貼り付けた積層 DF レジストを使用した。本実験は、厚さ；300μm 以上で、広面積（約 200 x 200mm）の M-AGM 作製の試作研究でもあった。
左図は、直入射式（左側）と角度分散式（右側）の露光実験におけるフォトレジスト基板ホルダ
ー、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。角度分散式では、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線フォトマスクは平板薄板のＸ線マスクホルダーの固定窓にセットされる（下図参照）。

下図は、BL09 実験エリヤに仮設された簡易型実験ステージ上のＸ線スキャナーを示す。この写真には、Ｘ線フォトマスクホルダー（Ｘ線マスクホルダー）が示されている。直入射式実験では、Ｘ線フォトマスクと DF レジストは Al 製薄板に密着されて、Ｘ線マスクホルダー上に固定される。また、高輝度Ｘ線によるＸ線フォトマスクおよび DF レジストの温度上昇を抑えるために、Al 製のＸ線マスクホルダーは、水冷式自動温度制御器の基板に設置されて、露光実験中には約 20℃で制御されている。また、垂直方向（Ｚ軸）のビームサイズは実験エリヤで約 10mm であるので、（Ｙ－Ｚ）
軸面内を駆動するＸ線スキャナーに搭載されたＸ線マスクホルダーは、露光中にはＺ軸に反復運動を行う。ただし、高輝度Ｘ線の入射方向がＸ軸とする。角度分散式実験では Al 製薄板は除かれていて、Ｘ線フォトマスクはＸ線マスクホルダーに設置されて、DF レジストはＸ線マスクホルダーの背後にある Al 製の湾曲レジストホルダー上に固定される。本実験では、このホルダーの湾曲面は水平面内にあり、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。本実験で使用する湾曲面は、Ｚ軸に円柱軸をもち、約 200cmの曲率半径をもつ。
実験終了直後に、露光済フォトレジストは佐賀ＬＳのケミカルラボ（ケミラボ）において再熱処理を行う。熱処理済フォトレジストは、田口電機工業の LIGA 微細加工実験室に運び、LIGA 処理工程（現像、電気めっき、剥離等）を行う。これらの一連の作業を経て試作された M-AGM は、各種計測装置（マイクロスコープ、レーザー顕微鏡、走査型電子顕微鏡、Ｘ線分析装置 etc.）により解析・評価を行う。
４．実験結果と考察
本実験で使用するＸ線フォトマスクは、田口電機工業で UV-LIGA 技法により作製された。下図は、正方形のマイクロ細孔配列をもつＸ線フォトマスクを示す。使用したフォトレジストは、半導体部品の製作に利用されている厚さ；約 56μm の DF レジストである。これらのマイクロ細孔配列を形成している直線状の黄色壁は、高さ；約 28μm、細孔間壁；40μm の金製めっき部である。青色部のマイクロ正方形角柱（高さ；約 56μm）は、フォトレジスト材の PMMA である。このＸ線フォトマスクに描画されているマイクロパターン配列は、佐賀ＬＳの高輝度Ｘ線を利用してフォトレジストに転写された。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。ただし、露光・転写に使用した DF レジスト（外形サイズ；約 100 x 200mm）は、厚さ；約 112μm の DF レジス
トを 2 枚貼り付けた積層（厚さ；約 224μm）シートである。

４－１．直入射式による露光実験
下図は、上図のＸ線フォトマスクに描画されているマイクロパターン配列が転写された露光・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。この正方形マイクロパターン配列は、高精度に転写されている。高輝度Ｘ線による露光の総電流量は 8mAh であった。これらのレーザー・マイクロスコープ撮像で、左側は２次元図、右側は 3次元図である。２次元図で、青色のマイクロ正方形角柱は DF レジストの PMMA 製部である。これらの角柱間に形成された直線状の白色部は、露光・現像処理で作製されたマイクロ細孔である。直入射式実験では、Ｘ線フォトマスクと DF レジストは、平板状のＸ線マスクホルダー上に密着固定される。従って、直入射式の露光実験では、水平方向；約 250mm の高輝度Ｘ線と DF レジストとの中央部がほぼ一致するようにセットされた。高輝度Ｘ線の入射方向（Ｘ軸）に対して、露光・現像済
DF レ ジ ス ト の 水 平 方 向 （ Ｙ 軸 ； y = ±100mm）に沿って、下図の上段、中断、下段には、それぞれ左高角、中央、右高角領域でのレーザー・マイクロスコープ撮像が示されている。入射Ｘ線の中心を原点（y = 0mm）とすると、上段は y = 約－80mm、下段は y= 約＋80mm の位置で撮られている。2020年に佐賀ＬＳ－BL09 ビームラインで実施した同種の実験では、露光・現像済 DF レジス
トは、直線状のマイクロ細孔（深さ；約 220μm）底部に僅かな残留 フォトレジストを示した。
この処理工程を改善するために、本実験では、福岡県立３次元半導体研究センターに現像処理を依頼した。この結果が左図に示されている。使用した露光用 DF レジストは無電解 Niコートされたフォトレジスト基板上に固定されている。それぞれの PMMA 製角柱の側壁は、僅かに傾斜している。

上図・各段の 2 次元レーザー・マイクロスコープ撮像で、正方形角柱配列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。下図の上段、中段、下段には、それぞれのレーザー顕微鏡によるレーザー解析（レーザー解析）が示されている。下図の上段、中段、下段において、それぞれの細孔の底部は約 40μm である。従って、これらの細孔内では、電気めっきが可能である。

４－２．角度分散式による露光実験
本研究では、角度分散式の露光実験も行った。角度分散式での露光用の湾曲フォトレジスト・DFレジストは、曲率半径；約 200cm で作製された Al 製薄板表面に固定された。（３．実験内容）項で述べた様に、正方形型マイクロパターン配列が描画されたＸ線フォトマスクは、入射Ｘ線側にセットされた平板状のＸ線フォトマスクホルダーに設置された。DF レジストの高角側にもマイクロパターン配列を転写するために、Ｘ線フォトマスクおよび湾曲 DF レジストの左端は、湾曲 Al 製薄板の頂点から左側；約 20mm に off-set された。本実験でも、福岡県立３次元半導体研究センターに現像処理を依頼した。
左図は、角度分散式の露光実験で得られた現像済 DF レジストのレーザー・マイクロスコープ撮像を示す。使用した露光用 DF レジストは、無電解 Ni コートされたフォトレジスト基板上に固定されている。正方形型マイクロパターン配列は、高精度に転写されている。露光の総電流量は10mAh であった。上段、中断、下段には、高輝度Ｘ線の入射方向（Ｘ軸）に対して、それぞれ中央（約 0.6 度）、右中角（約 3.2 度）、右高角（約 5.7度）領域でのレーザー・マイクロスコープ撮像が示されている。ただし、湾曲状態で露光された DFレジスト（外形サイズ；約 100 x 200mm）は、レーザー顕微鏡の試料ステージに設置して撮られている。上段付近を原点（y = 0mm）とすると、中段は y = 約＋100mm、下段は y = 約＋180mmの位置で撮られている。ただし、右中角および右高角の PMMA 製角柱の左側壁は、僅かに傾斜している。この傾斜は、角度分散式の特徴である。

上図・各段の 2 次元レーザー・マイクロスコープ撮像で、正方形角柱配列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。下図の上段、中段、下段には、それぞれのレーザー解析が示されている。下図の中段、下段において、細孔底部の右側壁では、底部から反射されたレーザー光はレーザー顕微鏡に戻っていない。これらの領域は、中角では約 20μm、高角では約 25μm である。この事象は、PMMA 製角柱の左側壁が傾斜していることを示唆する。

レーザー顕微鏡によるレーザー解析では、試料表面の凹凸・形状が入射光と反射光との光路差により高精度に計測される。しかし、上述した様に、反射レーザーがレーザー顕微鏡に再入射しない状況
でも、細孔底部の傾斜状況は確認できる。通常、レーザー顕微鏡によるレーザー解析では、試料はレーザー顕微鏡の平板状試料ステージ上にセットされる。下図は、直入射式の露光・現像済 DF レジス
トを示す。左側は、レーザー顕微鏡・対物レンズでのレーザー光の入射・反射経路（赤色矢印）、PMMA製のフォトレジスト・DF レジスト（黄色部）、露光・現像処理で除去された細孔（無色部）を示す。
右側は、マイクロ細孔内の Au 製めっき部（橙色部）と PMMA 製部の透過照射Ｘ線（青色矢印）との関係を示す。照射Ｘ線は、PMMA製部では透過して、Au 製部では吸収される。Ｘ線画像診断装置に使用
す る M-AGM の試作研究では 、PMMA 製部は残す。この主な理由は、Ｘ線画像診断装置の照射Ｘ線がPMMA 製部によりほとんど減衰されないことによる。ただし、Ｘ線画像診断装置の種類によっては、PMMA 製部は除去する。
下図は、角度分散式の露光・現像済 DF レジストを示す。角度分散式の露光実験では、露光用 DFレジストは、Al 製の湾曲レジストホルダーの湾曲基板に密着固定される。従って、この湾曲基板の曲率半径に応じて、Ｘ線マスクに描画されたマイクロパターンは、この湾曲状レジストの高角領域では傾斜して転写される。左側では、赤色矢印の入射レーザー光は、DF レ
ジストの表面および細孔底部から反射されて、対物レンズへ再入射する。
しかし、水色矢印レーザー光は、傾斜した PMMA 製側壁で反射されて、対物レンズへ再入射しない。従って、角度分散式で作製された DF レジストでは、再入射しない反射レーザー光は、傾斜している PMMA 製側壁の情報を与える。
この様なレーザー顕微鏡の光学特性を考慮して、上述した角度分散式の露光実験で得られたレーザー解析結果から、細孔側壁の傾斜が推定された。左図の上段、中段、下段には、中央（約 0.6 度；y =0mm ）、 中 角 （ 約 3.2 度 ； y = 約 ＋100mm）、高角（約 5.7 度；y = 約＋180mm）領域で観測される細孔側壁が示されている。水色点線は、レーザー解析から推測される細孔の右側壁の傾斜を表示する。また、赤色線は、推測される細孔の左側壁を表示する。下段・高角での黄色・平行四辺形は、現像済 DF レジス
トでの残留 PMMA 製部配列を表す。従って、DF レジストのマイクロ細孔配列は、傾斜形状の角度依存を示す。

ただし、「この様な角度分散式の露光・現像済 DF レジストで得られるマイクロ細孔配列は、本研究で推定される形状を示すのか？」この検証は重要である。前述したように、角度分散式でのレーザー解析では、DF レジストは、レーザー顕微鏡にセットされている円形板状の試料ステージで計測された。従って、レーザー顕微鏡の試料ステージは、本実験で使用した Al 製の湾曲レジストホルダーに変更された。このホルダーの曲率半径は、約 200cm である。下図の上段、中段、下段には、中央（約 0.6 度；y = 0mm）、中角（約 3.2 度；y = 約＋100mm）、高角（約 5.7 度；y = 約＋180mm）付近で再計測されたレーザー解析が示されている。これらのレーザー解析は、円形板状の試料ステーで測定した結果と異なる。大きな違いは、マイクロ細孔底部でのレーザー光のスキャン状況である。
中角と高角の２つの細孔底部の右側壁付近では、底部から反射されたレーザー光はレーザー顕微鏡に再入射している。しかし、中央と中角の右側細孔では、反射レーザー光は左側壁の極近傍ではレーザー顕微鏡に再入射していなく、これらの未観測領域は中央では約 13μm、中角では約 9μm であった。
この事象は、露光・現像済 DF レジストがレーザー顕微鏡に仮設された Al 製湾曲レジストホルダーに正確にセットされていないことを示唆する。従って、下図のレーザー解析から、角度分散式で得られた湾曲 DF レジストの平板状のマイクロ細孔配列は、垂直方向（Z 軸）に沿ったマイクロ平行四辺形柱を示す。ただし、これらの形状は、露光・現像済 DF レジストの水平方向（Ｙ軸）の角度依存をもつ。この様な集光型の マイクロ細孔配列をもつ Air-Grid マイクロメッシュ（M-AGM）は、医療用のＸ線画像診断装置のグリッドに極めて有効である。

現在、健康診断に利用されている医療用のＸ線画像診断装置では、照射Ｘ線源は、主に回転陰極型のＸ線源（回転Ｘ線式）である。この回転Ｘ線式でも、ターゲット金属面から放出されるＸ線は、ある程度の角度分散性を示す。従って、被写体の場所での照射Ｘ線の均一性を得るために、通常の医療用のＸ線画像診断装置では、Ｘ線源からＸ線検出器まで距離は、約 60～200 cm 離れてセットされている。この距離の拡大は、Ｘ線発生装置に搭載されているＸ線源の出力増加をもたらす。しかし、（２．
背景と目的）の項で述べたように、集光型のマイクロ細孔配列を持つ M-AGM は、照射Ｘ線の空気散乱および被写体の２次散乱Ｘ線の影響を減少する。この特性により、Ｘ線源の出力は低下して、Ｘ線画像の高画質化および被写体の被ばく線量の低下をもたらす。
５．今後の課題
下図・左側は、Ｘ線画像診断における被写体からの２次散乱Ｘ線の概念図を示す。被写体の後部に設置されたＸ線検出器は、Ｘ線源から放出された透過Ｘ線（青色矢印）の他に、被写体からの新たに散乱される２次散乱Ｘ線（緑色、黒色、青色 etc.）を含む。しかし、被写体から放出される３種類の２次散乱Ｘ線は、異なる角度分散をもつ（下図・右側）。 試作する M-AGM（橙色）のマイクロ集光

性スリットは、これらの２次散乱Ｘ線を抑制するためである。本実験では、曲率半径；約 200cm のAl 製湾曲レジストホルダーを使用した。しかし、この曲率半径が小さくなった場合（約 60cm 程度）には、平板状のＸ線フォトマスクホルダーに設置されたＸ線フォトマスクと湾曲フォトレジストとの距離は、かなり大きな角度依存性を示す。従って、高輝度Ｘ線の新しい露光技法の開発が望まれる。

また、（４－２．角度分散式による露光実験）の項で述べた様に、高画質のＸ線画像を必要とする診断では、マイクロ細孔内にあるフォトレジスト材・PMMA 製部は除去する。しかし、 この種のM-AGM 試作では、強度を考慮する製作工程が望まれる。現在、この技術開発を継続中である。
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：2021 年 8 月）