JP5660910B2 - 放射線画像撮影用グリッドの製造方法 - Google Patents
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- G21K2207/005—Methods and devices obtaining contrast from non-absorbing interaction of the radiation with matter, e.g. phase contrast
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図1は、第1実施形態のX線画像撮影システム10を示す概念図である。X線画像撮影システム10は、X線源11、第1のグリッド13、第2のグリッド14、及びX線画像検出器15を備えている。X線源11は、例えば、回転陽極型のX線管と、X線の照射野を制限するコリメータとを有し、被検体HにX線を放射する。第1のグリッド13及び第2のグリッド14は、X線を吸収する吸収型グリッドであり、X線照射方向であるz方向においてX線源11に対向配置されている。
第1実施形態では、グリッド層17の支持層及び電解メッキ時のシーズ層として金属板からなる導電基板18を用いたが、複数の層からなる基板を用いてもよい。図4(A)は、本実施形態の第2のグリッド30を、X線画像検出器15の側から見た平面図である。図4(B)は、同図(A)のA−A断面を表している。
上記各実施形態では、電解メッキ法を用いて溝20a内にAu27を埋め込んでいる。しかし、溝20a内の面内分布の影響により、各溝20aに対するAu27の充填度合にばらつきが生じることがある。これを解決するため、本実施形態では、図5(F)の後工程である図6(G)に示すように、溝20aを乗り越えてエッチング基板20の表面全体を覆うように電解メッキが行なわれている。電解メッキ後には、同図(H)に示すように、エッチング基板20の表面が研磨され、溝20aからはみ出ているAu27とエッチングマスク25とが除去される。
上記各実施形態では、第2基板であるエッチング基板20にシリコンを用いたが、シリコンが導電性を有する場合、電解メッキ時にエッチング基板20自体がシーズ層として機能してしまい、溝20a内へのAu27の析出が不十分になることがある。溝20a内のAu27の充填量が異なると、グリッド内のX線吸収能が不均一になり、グリッドの性能が低下してしまう。
第4実施形態では、エッチング基板に比抵抗値が100Ω・cm以上のシリコンを用いたが、図12に示す本実施形態の第2のグリッド50のように、エッチング基板20の表面に絶縁層51を形成し、事後的にエッチング基板20の比抵抗値を高くしてもよい。エッチング基板20の表面全域に絶縁層51を設けるには、例えば、SiO2やSi3N4等の絶縁材料をプラズマCVDによってエッチング基板20の表面に成膜する。また、溶液中で導電性薄膜31に電流を流し、エッチング基板20の表面を陽極酸化させてもよい。エッチング基板20の表面の一部に絶縁層51を設ける場合には、例えば、スパッタ、蒸着等によってSiO2を成膜してもよい。
第2実施形態等では、シリコンからなるエッチング基板20とAuからなる導電性薄膜31との接合に、400°C程度の低温下での拡散接合を用いている。しかし、この拡散接合では、Auの成膜による凹凸や、接合温度が低いために表面の残留物(ゴミなど)の除去が不十分になること、更にはAuの拡散による凝集などが生じることにより、エッチング基板20と導電性薄膜31との間にボイドが発生することが分かっている。エッチング基板20と導電性薄膜31との間にボイドが発生すると、導電性薄膜31からグリッド層17が剥がれやすくなり、剥がれた部分が画像欠陥の原因となるため、グリッドの品質に大きな影響を及ぼしてしまう。上記問題を解決するため、本実施形態では、導電基板または導電性薄膜にエッチング基板と同じ材質の半導体を用いている。以下、本実施形態について詳述する。
図14に示す本実施形態の第2のグリッド60のように、シリコンで構成されたエッチング基板61及び導電基板62を、それぞれを一導電型半導体基板(n型半導体)と、反対導電型半導体基板(p型半導体)から構成してもよい。これによれば、エッチング基板61と導電基板62とが逆バイアス接続となり、導電基板62からエッチング基板61に電流が流れなくなるので、エッチング基板61の表面側から溝61a内にメッキが始まるのを防止することができる。エッチング基板61及び導電基板62を半導体とするためにドープされる不純物の量は、例えば、1×1016cm−3以上であり、ドープ後の抵抗値は、例えば100Ω・cm以下であることが好ましい。また、ドープする不純物としては、放射線吸収性の低い物質、すなわち原子番号が小さい元素が好ましい。なお、導電基板62を陽極にするような電解メッキ方法があれば、エッチング基板61と導電基板62との極性を逆にしてもよい。
図15に示すように、第7実施形態の第2のグリッド60から導電基板62を除去し、X線吸収部14aとn型半導体のX線透過部14bとからなる第2のグリッド65を構成してもよい。また、図16に示すように、第7実施形態の第2のグリッド60にX線吸収部14aをマスクとしてエッチングを行い、X線吸収部14aの間のX線透過部14bを除去することにより、p型半導体の導電基板62とX線吸収部14aとからなる第2のグリッド67を構成してもよい。これらによれば、エッチング基板61あるいは導電基板62の分だけ、X線の透過性を向上させることができる。また、不純物がドープされた半導体がAu27の拡散を抑止するので、グリッドとしての性能低下を防止することができる。
第7実施形態では、導電基板を用いたグリッドを例に説明したが、図17に示す第2のグリッド70のように、エッチング基板71及び導電性薄膜72をn型半導体シリコン及びp型半導体シリコンによって構成し、支持基板73をガラス等の絶縁体によって構成してもよい。これによれば、導電性薄膜を用いた場合でも、p型及びn型半導体によるAu27の拡散抑止効果を得ることができる。また、第6実施形態と同様に、エッチング基板71及び導電性薄膜72を高抵抗シリコン及び半導体シリコンにしてもよい。更に、第8実施形態と同様に、メッキ工程後に導電性薄膜72及び支持基板73、あるいはX線透過部14bを除去してもよい。
上記第2実施形態では、支持基板32に導電性薄膜31を設けたが、図18に示すように、エッチング基板75と支持基板76との接合面にそれぞれ第1導電性薄膜77及び第2導電性薄膜78を形成し、第1及び第2導電性薄膜77、78同士を接合させてシーズ層79を形成してもよい。第1導電性薄膜77と第2導電性薄膜78との接合には、上記各実施形態と同様に、拡散接合、常温接合または陽極接合等を用いることができる。
図25は、エッチング基板90、シーズ層91及び支持基板92からなる層構造に対し、エッチング基板90に溝90a及びX線透過部14bが形成された状態を示している。本実施形態では、第10実施形態の円形状の凹部83に代えて、X線透過部14bの配列方向(x方向)に沿って設けられた複数のライン状の凹部93を備えている。
図29は、エッチング基板100、シーズ層101及び支持基板102からなる層構造に対し、エッチング基板100に溝100a及びX線透過部14bが形成された状態を示している。本実施形態では、第10実施形態のシーズ層91に代えて、エッチング基板100とシーズ層101との間に、粗面状のアンカー層103を備えている。アンカー層103は、エッチング基板100の下面全域に設けられており、X線吸収部14a及びX線透過部14bの接合面積を増加させることによって、第10実施形態のシーズ層91よりも高いアンカー効果を発揮する。
図32(A)は、第2実施形態において、エッチング基板20に溝20a及びX線透過部14bが形成された状態を示している。第2のグリッドは、X線透過部14bのピッチが数μm、X線の進行方向の厚みが数十〜百数十μmという微細で高アスペクト比な構造を有する。したがって、溝20aを形成した後のエッチング基板20は、板状のX線透過部14bがx方向に複数枚並んでいるような状態となる。
第13実施形態では、溝20aの開口側から底部まで達する透過部用ブリッジ部111を設けたが、溝20aの開口側だけに透過部用ブリッジ部を設けてもよい。図35に示すように、本実施形態の第2のグリッド115は、X線透過部14bの上に、エッチング基板20のエッチングに用いられたエッチングマスク116が設けられている。エッチングマスク116には、隣接されたX線透過部14bを連結する透過部用ブリッジ部である、ブリッジパターン117が一体に設けられている。ブリッジパターン117のy方向の幅F及びピッチUは、第13実施形態と同様とされている。ブリッジパターン117は、X線透過部14bの間隔を維持するので、第2のグリッド115の強度を向上することができる。
第14実施形態では、エッチングマスク116のブリッジパターン117によりX線透過部14bを連結したが、エッチングマスクを構成するレジストでは強度が低いことが考えられる。そこで、エッチング基板とエッチングマスクとで構成した透過部用ブリッジ部を設けてもよい。図39に示すように、本実施形態の透過部用ブリッジ部120は、X線透過部14bと一体に設けられた連結部121と、連結部121の上部に設けられた補強部材であるブリッジパターン122とを含んでいる。
第13、第14実施形態では、溝20aの開口側に透過部用ブリッジ部を設けたが、図43に示すように、溝20a内の底部に配置された透過部用ブリッジ部135を設けてもよい。
第16実施形態では、溝20aの底部に透過部用ブリッジ部135を設けたが、図49に示すように、溝20a内の中間位置に透過部用ブリッジ部150を設けてもよい。
上記各実施形態では、全てのX線透過部14bを透過部用ブリッジ部によって連結したが、X線透過部14bをx方向の複数本ごとに透過部用ブリッジ部によって連結してもよい。例えば、第13実施形態の第2のグリッド110を例に説明すると、図53(A)に示すように、3本のX線透過部14bを1組として透過部用ブリッジ部111により連結してもよいし、同図(B)に示すように、5本のX線透過部14bを1組として透過部用ブリッジ部111により連結してもよい。なお、ブリッジ部により連結するX線透過部14bの本数は、3本または5本に限定されるものではなく、その他の本数であってもよい。
第13〜第18実施形態では、グリッドのX線透過部14b間を連結する透過部用ブリッジ部について説明したが、グリッドにX線吸収部14a間を連結する吸収部用ブリッジ部を設けてもよい。
上記各実施形態では、透過部用ブリッジ部を備えたグリッドと、透過部用ブリッジ部及び吸収部用ブリッジ部の両方を備えたグリッドとを説明したが、図63に示す第2のグリッド180のように、X線吸収部14aにのみ吸収部用ブリッジ部181を設けてもよい。これによれば、X線吸収部14が透過部用ブリッジ部に分断されることがないので、第2のグリッド180の強度がより向上する。なお、吸収部用ブリッジ部181の製造方法、幅E、配置ピッチSや、配置等は、第19実施形態の吸収部用ブリッジ部172と同様であるため、詳しい説明は省略する。
グリッドは、高アスペクト比な構造を有し、製造が難しいので、製造時の各工程で加工状態を検査するのが好ましい。例えば、エッチング基板にエッチングを行なって複数の溝を形成するエッチング工程では、エッチングが所望の深さまで到達しているか、溝の幅が深さ方向で均一であるかを評価する必要がある。また、溝内に放射線吸収材料であるAuを埋め込む電解メッキ工程では、溝内にAuが均一に埋め込まれているか(ボイドがないか)を評価する必要がある。
λd、λs< λm1 <λe・・・(1)
λd、λs、λe< λm2・・・・(2)
以上で説明したX線画像撮影システムの撮影視野サイズは、X線源から第1のグリッドと第2のグリッドとの距離によって制限を受ける。すなわち、X線源は点光源とみなせるため、そこから離れた距離の分だけスポットサイズは拡大される。ただしその波面は光源からの等距離の関係が維持されるため、湾曲した面になる。すなわちグリッドの中心部と外周部での線源の入射角度は異なる。平坦なグリッド(中心、外周部で同じ入射角)を持ってきた場合、入射角度の違いにより外周部のX線の入射角度とグリッドの角度が平行でないためケラレが発生し、結果として不透過の領域ができ、有効面積が制限される。このため、X線画像撮影システムの撮影視野サイズを拡大するには、2枚のグリッドを大面積化すればよいが、大面積化に伴う周辺部でのX線のケラレへの対処と、グリッドの厚さ方向の収束性のコントロールとが必要になるので容易ではない。点光源であるX線源から放射されたX線を通過させるには、第1のグリッドと第2のグリッドとを収束型に湾曲させればよいが、従来のグリッドは硬い無機材料をベースに形成されているため、湾曲し難い。
第2のグリッド202に第2実施形態のグリッドを用いて湾曲可能に構成するには、支持基板32に、X線吸収性が低くかつフレキシブル性を持った有機材料を用いるのが好ましい。このような条件を満たす支持基板32の材質としては、例えば、アクリル、ノボラック樹脂、ポリイミド、ポリエチレン、パリレン等の樹脂材料が挙げられる。支持基板32は、第1実施形態の導電基板18のように導電性が必要ないので、X線の透過性及びフレキシブル性が高い材質を選択することができ、X線の透過率を高く、湾曲しやすいグリッドを得ることができる。また、導電性薄膜31の厚みは、支持基板32のフレキシブル性を損なわない厚さであることが必要である。
第23実施形態では、支持基板32の材質にフレキシブル性を持った有機材料を用いたが、厚みを限定することによりフレキシブル性を備えた無機材料を用いてもよい。支持基板32に用いられる無機材料は、X線吸収性の低い材料が望ましく、例えばホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラス、石英、アルミナ、GaAs、Ge等が望ましく、更にはエッチング基板20と同じシリコンが望ましい。ホウケイ酸ガラスとしては、パイレックス(登録商標)ガラス、テンパックス(登録商標)ガラス等を用いることができる。また、導電性薄膜31の材質及び設ける位置は、第23実施形態と同様であるため、詳しい説明は省略する。更に、エッチング基板20と支持基板32とを接合した厚みは、フレキシブル性を考慮して200μm未満であることが好ましい。
上記第23実施形態では、エッチング時または電解メッキ時に有機材料からなる支持基板32が撓んで溝20aが変形し、X線吸収部14aの性能が劣化する可能性がある。これを防ぐため、図67に示すように、剛性を有する補強基板205と、補強基板205上に設けられた有機材料膜206とによって支持基板207を構成し、補強基板205の剛性によってエッチング時のエッチング基板20の変形を防止してもよい。補強基板205は、溝20a内へのAuの電解メッキ後に、上記第3実施形態を適用して除去してもよいし、グリッドが湾曲可能なフレキシブル性を得られる程度まで薄層化してもよい。なお、支持基板207を用いたグリッドの製造には、第2実施形態と同様の手順が用いられるので、詳しい説明は省略する。
上記各実施形態は、第1のグリッド及び第2のグリッドを用いたX線画像撮影システムを例に説明したが、本発明は、図68に示すように、X線源11のX線放射方向の下流側に線源グリッド210を配置したX線画像撮影システム211にも適用可能である。線源グリッド210は、第1のグリッド13及び第2のグリッド14と同様にX線吸収部210a及びX線透過部210bを備えた吸収型グリッドであり、X線管11から放射されたX線を部分的に遮蔽して実効的な焦点サイズを縮小するとともに、幅の狭い多数の線光源の集合を(分散光源)を形成する。この場合、線源グリッド210に上記各実施形態の構造及び製造方法を用いることができる。
上記各実施形態では、X線吸収部及びX線透過部を交互に配列した縞状のグリッドを例に説明したが、ブリッジ部に関する実施形態以外の実施形態は、X線吸収部を十字状に構成したグリッドにも適用が可能である。図69に示すように、本実施形態の第2のグリッド220は、x、y方向に直交するように十字状に配置されたX線吸収部221と、X吸収部221の間に配置されたX線透過部222とから構成されている。なお、X線吸収部221の幅W2及びピッチP2、厚さT2等は、上記各実施形態と同様であるため、詳しい説明は省略する。
11 X線源
13 第1のグリッド
14 第2のグリッド
14a X線吸収部
14b X線透過部
15 X線画像検出器
17 グリッド層
18 導電基板
20 エッチング基板
20a 溝
27 Au
31 導電性薄膜
32 支持基板
35 保護層
51 絶縁層
79 シーズ層
83 凹部
103 アンカー層
111 透過部用ブリッジ部
116 エッチングマスク
117 ブリッジパターン
122 ブリッジパターン(補強部材)
123 ブリッジ用マスク(補強部材)
172 吸収部用ブリッジ部
203 収束用保持部材
Claims (19)
- 放射線透過性を有する第1基板と、導電性及び放射線透過性と、前記第1基板と同程度の熱膨張係数とを有する第2基板とを接合する接合工程と、
前記第1基板にエッチングマスクを介してエッチングを行って複数の溝を形成し、前記溝の間に配された部位を複数の放射線透過部とするエッチング工程と、
前記第2基板を電極として用いる電解メッキ法により、前記溝内に放射線吸収材料を充填して複数の放射線吸収部を形成するメッキ工程と、
を備えることを特徴とする放射線画像撮影用グリッドの製造方法。 - 放射線透過性を有する第1基板と、前記第1基板と同じ材質でかつ半導体であり、放射線透過性を有する第2基板とを接合する接合工程と、
前記第1基板にエッチングマスクを介してエッチングを行って複数の溝を形成し、前記溝の間に配された部位を複数の放射線透過部とするエッチング工程と、
前記第2基板を電極として用いる電解メッキ法により、前記溝内に放射線吸収材料を充填して複数の放射線吸収部を形成するメッキ工程と、
を備えることを特徴とする放射線画像撮影用グリッドの製造方法。 - 放射線透過性を有する第1基板と、前記第1基板と同じ材質でかつ半導体である導電性薄膜、及び絶縁体により構成され、前記導電性薄膜を支持する支持基板を有し、放射線透過性を有する第2基板とを接合する接合工程と、
前記第1基板にエッチングマスクを介してエッチングを行って複数の溝を形成し、前記溝の間に配された部位を複数の放射線透過部とするエッチング工程と、
前記第2基板を電極として用いる電解メッキ法により、前記溝内に放射線吸収材料を充填して複数の放射線吸収部を形成するメッキ工程と、
を備えることを特徴とする放射線画像撮影用グリッドの製造方法。 - 放射線透過性を有する第1基板と、導電性及び放射線透過性を有する第2基板とを接合する接合工程と、
前記第1基板にエッチングマスクを介してエッチングを行って複数の溝を形成し、前記溝の間に配された部位を複数の放射線透過部とするエッチング工程と、
前記第2基板を電極として用いる電解メッキ法により、前記溝内に放射線吸収材料を充填して複数の放射線吸収部を形成するメッキ工程と、を備えており、
前記第1基板は、前記エッチング工程後に、少なくとも表面が絶縁性を有することを特徴とする放射線画像撮影用グリッドの製造方法。 - 放射線透過性を有する第1基板と、導電性及び放射線透過性を有する第2基板とを接合する接合工程と、
前記第1基板にエッチングマスクを介してエッチングを行って複数の溝を形成し、前記溝の間に配された部位を複数の放射線透過部とするエッチング工程と、
前記第2基板を電極として用いる電解メッキ法により、前記溝内に放射線吸収材料を充填して複数の放射線吸収部を形成するメッキ工程と、
前記メッキ工程の後に、前記第1基板の少なくとも一方の面を研磨する工程と、
を備えることを特徴とする放射線画像撮影用グリッドの製造方法。 - 放射線透過性を有する第1基板と、導電性及び放射線透過性を有する第2基板とを接合する接合工程と、
前記第1基板にエッチングマスクを介してエッチングを行って複数の溝を形成し、前記溝の間に配された部位を複数の放射線透過部とするエッチング工程と、
前記第2基板を電極として用いる電解メッキ法により、前記溝内に放射線吸収材料を充填して複数の放射線吸収部を形成するメッキ工程と、
前記メッキ工程の後に、前記第1基板にエッチングを行なって、前記放射線吸収部の間の前記放射線透過部を除去する工程と、
を備えることを特徴とする放射線画像撮影用グリッドの製造方法。 - 放射線透過性を有する第1基板と、導電性及び放射線透過性を有する第2基板との少なくとも一方の接合面に、多数の凹部を形成する工程と、
前記第1基板と前記第2基板とを接合する接合工程と、
前記第1基板にエッチングマスクを介してエッチングを行って複数の溝を形成し、前記溝の間に配された部位を複数の放射線透過部とするエッチング工程と、
前記第2基板を電極として用いる電解メッキ法により、前記溝内に放射線吸収材料を充填して複数の放射線吸収部を形成するメッキ工程と、
前記メッキ工程の後に、前記第1基板にエッチングを行なって、前記放射線吸収部の間の前記放射線透過部を除去する工程と、
を備えることを特徴とする放射線画像撮影用グリッドの製造方法。 - 放射線透過性を有する第1基板の接合面を粗面にする工程と、
前記粗面に放射線透過性及び導電性を有するアンカー層を形成する工程と、
前記アンカー層を研磨して平滑化する工程と、
前記第1基板と、導電性及び放射線透過性を有する第2基板とを接合する接合工程と、
前記第1基板にエッチングマスクを介してエッチングを行って複数の溝を形成し、前記溝の間に配された部位を複数の放射線透過部とするエッチング工程と、
前記第2基板を電極として用いる電解メッキ法により、前記溝内に放射線吸収材料を充填して複数の放射線吸収部を形成するメッキ工程と、
を備えることを特徴とする放射線画像撮影用グリッドの製造方法。 - 放射線透過性を有する第1基板と、導電性及び放射線透過性を有する第2基板とを接合する接合工程と、
前記第1基板にエッチングマスクを介してエッチングを行って複数の溝を形成し、前記溝の間に配された部位を複数の放射線透過部とするエッチング工程と、
前記第2基板を電極として用いる電解メッキ法により、前記溝内に放射線吸収材料を充填して複数の放射線吸収部を形成するメッキ工程と、
前記接合工程、前記エッチング工程及び前記メッキ工程によって製造された放射線画像撮影用グリッドを、放射線透過性を有する保持部材に設けられた湾曲面に接合して湾曲させる工程と、
を備えることを特徴とする放射線画像撮影用グリッドの製造方法。 - 前記エッチングは、深堀用ドライエッチングによって行なわれることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の放射線画像撮影用グリッドの製造方法。
- 前記第2基板は、前記電極として用いられる導電性薄膜が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の放射線画像撮影用グリッドの製造方法。
- 前記第1基板は、不純物のドープにより一導電型を有する一導電型半導体であり、前記第2基板の半導体は、不純物のドープにより前記一導電型半導体と反対の導電型を有する反対導電型半導体であることを特徴とする請求項2または3に記載の放射線画像撮影用グリッドの製造方法。
- 前記一導電型半導体は、n型半導体からなることを特徴とする請求項12に記載の放射線画像撮影用グリッドの製造方法。
- 前記第1基板は、非導電性、あるいは比抵抗値が100Ω・cm以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の放射線画像撮影用グリッドの製造方法。
- 前記エッチング工程後に、前記第1基板の表面の全部または一部に絶縁層を形成する工程を有することを特徴とする請求項4に記載の放射線画像撮影用グリッドの製造方法。
- 前記絶縁層は、親水性を有することを特徴とする請求項15に記載の放射線画像撮影用グリッドの製造方法。
- 前記エッチング工程後に、前記第1基板にイオン注入を行なって比抵抗値を高くする工程を有することを特徴とする請求項4に記載の放射線画像撮影用グリッドの製造方法。
- 前記第1基板の前記第2基板が接合されている面を研磨する際に、前記第2基板を除去することを特徴とする請求項5に記載の放射線画像撮影用グリッドの製造方法。
- 前記第1基板の両面を研磨する場合には、前記第2基板が接合されていない面を研磨した後に当該面に保護層を形成し、その後に前記第2基板が接合されている面を研磨することを特徴とする請求項18に記載の放射線画像撮影用グリッドの製造方法。
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