CN111051863A - 用于x射线相衬和/或暗场成像的衍射光栅 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于X射线相衬和/或暗场成像的光栅。描述了在基板的表面上形成光致抗蚀剂层。使用表示所需光栅结构的掩模利用辐射来照射所述光致抗蚀剂层。对所述光致抗蚀剂层进行蚀刻以去除所述光致抗蚀剂层的部分，从而留下多个沟槽，所述多个沟槽跨基板的表面彼此横向地间隔开。在所述基板的表面上形成多个材料层。每层被形成在沟槽中。材料层包括多种材料，其中，所述多种材料在垂直于所述基板的表面的方向上一个在另一个的顶部上地形成。所述多种材料包括所具有的k边缘吸收能量高于金的k边缘吸收能量的至少一种材料，并且所述多种材料包括金。

Description

用于X射线相衬和/或暗场成像的衍射光栅
技术领域
本发明涉及一种用于相衬和/或暗场成像的衍射光栅、涉及一种X射线相衬和/或暗场系统、并且涉及一种制造用于X射线相衬和/或暗场成像的衍射光栅的方法。
背景技术
差分相衬和暗场成像(DPCI和DFI)是有前景的技术，其将可能增强X射线器械计算机断层摄影(CT)和放射摄影系统的诊断质量。常规X射线源能够与Talbot-Lau干涉仪和常规X射线探测器一起使用。然而，关键部件是光栅，特别是源光栅(G0)和分析器光栅(G2)。用于制造光栅的当前标准是“光刻、电镀和成型”LIGA技术，其中由金制成光栅。在形成光栅的各金层之间具有深沟槽的光栅是昂贵的并且难以对准。这样的光栅由金制成，因为金由于其19.3g/cm3的高密度而在大范围的相关能量上展现出优异的吸收度，这使得能够将层厚度保持得尽可能小。
US 2015/117599 A1描述了一种X射线干涉成像系统，其中，X射线源包括靶，所述靶具有被嵌入在导热基板中的多个结构化的相干的X射线子源。所述系统额外地包括：分束光栅G1，其建立Talbot干涉图案，其可以是π相移光栅；以及X射线探测器，其将二维X射线强度转换为电子信号。所述系统还可以包括第二分析器光栅G2，其可以被放置在探测器的前方以形成额外的干涉条纹；以及用于相对于探测器平移第二光栅G2的装置。在一些实施例中，所述结构是微结构，其横向尺寸是以微米的量级来测量的，并且其厚度大约为基板内电子渗透深度的一半。在一些实施例中，所述结构是在规则阵列内形成的。
WO 2017/036729 A提出了一种具有若干种选项来制造高深宽比凹陷结构的方法。所述方法基于通过干法蚀刻或化学蚀刻在硅中制造高深宽比凹陷结构，并且然后通过使用电镀、原子层沉积、晶片键合、金属铸造或者这些技术的组合而利用金属来填充高深宽比凹陷。光栅能够被用于X射线或中子成像以及空间应用。
US 2013/142307 A1描述了一种X射线成像装置，所述X射线成像装置包括：衍射光栅，其通过对从X射线源发射的X射线进行衍射而形成干涉图案；吸收光栅，其遮蔽所述干涉图案的部分；探测器，其探测从吸收光栅发射的X射线；以及移动单元，其改变样本对象与吸收光栅的相对位置。所述移动单元将样本对象与吸收光栅的相对位置从第一相对位置改变至第二相对位置。所述探测器至少在样本对象与吸收光栅处在第一相对位置处时以及在样本对象与吸收光栅处在第二相对位置处时探测X射线。
然而，需要对这样的光栅以及如何制造这样的光栅进行改进，并且以比当前的黄金标准更便宜的方式进行。
发明内容
具有一种用于相衬和/或暗场成像的经改进的衍射光栅以及一种制造用于相衬和/或暗场成像的衍射光栅的方法将是有利的。
利用独立权利要求的主题解决了本发明的目的，其中，在从属权利要求中并入了另外的实施例。应当注意，本发明的下文所描述的各方面和示例也适用于用于相衬和/或暗场成像的衍射光栅、相衬和/或暗场成像系统、用于制造用于相衬和/或暗场成像的衍射光栅的方法。
根据第一方面，提供了一种用于X射线相衬和/或暗场成像的光栅，所述光栅包括：
基板；以及
多个材料层。
所述多个材料层被形成在基板的表面上。所述多个材料层还跨基板的表面彼此横向地间隔开。所述多个材料层中的材料层包括多种材料。所述多种材料在垂直于基板的表面的方向上一个在另一个的顶部上地形成。所述多种材料包括所具有的k边缘吸收能量高于金的k边缘吸收能量的至少一种材料。所述多种材料还包括金。
以这种方式，由于金极其昂贵，因此光栅是由金之外的材料制成的，其所具有的k边缘吸收边缘高于金的k边缘吸收边缘，但是增加了金层。以这种方式，与通过仅使用其他材料的光栅能实现的相比，在相衬和/或暗场成像中所使用的分析器光栅G2和/或源光栅G0能够特别地在较低的能量下具有降低的透射率。特别地，改善了在低于其他材料的k边缘和高于金在80.7keV处的k边缘的透射率。
另外，绝对层厚度能够比单独其他材料减小(需要更浅的光栅)，这放宽了在设置相衬和/或暗场成像系统时所需的对准过程，从而改善了成像并且减少了设置成像系统所需的时间。
在示例中，所具有的k边缘吸收能量高于金的k边缘吸收能量的至少一种材料中的材料是铅。
因此，使用铅在88.0keV处的k边缘来补充金在80.7keV处的k边缘，以改善G2和/或G0光栅在高能量处所需的低透射率。
在示例中，所具有的k边缘吸收能量高于金的k边缘吸收能量的至少一种材料中的材料是铋。
因此，铋在90.5keV处的k边缘被用于补充金在80.7keV处的k边缘，以改善G2和/或G0光栅在高能量处所需的低透射率，并且这能够进一步与铅在88.0keV处的k边缘组合使用，以进一步改善G2和/或G0光栅在高能量处所需的低透射率。
在示例中，所述多种材料包括所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的至少一种材料。
以这种方式，与通过使用金之外的材料(但是其具有更高的k边缘)制成的光栅能实现的相比，在相衬和/或暗场成像中所使用的分析器光栅G2和/或源光栅能够在更高的能量和更低的能量处具有改善的透射率减小。同样地，与仅金的光栅相比，所述光栅能够具有改善的透射率减小。通过使用所具有的k边缘吸收能量高于金在80.7keV处的k边缘吸收能量的一种或者甚至超过一种材料，并且通过使用所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的一种或者甚至超过一种材料，意味着提供了设计灵活性，以便在高于80.7keV和低于该能量的宽能量范围内获得所需的低透射率。以这种方式，利用了在不同材料中的在金的k边缘之上和之下的k边缘的存在，以便提供经改进的光栅设计。
在示例中，所述至少一种材料中的所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的材料是钨。
在示例中，所述至少一种材料中的所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的材料是铁。
在示例中，所述至少一种材料中的所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的材料是钨-铁合金。
在示例中，所述多个材料层通过多个抗蚀剂层彼此横向地间隔开。
换言之，因为就材料层而言，光栅自身具有改善的性能，所以如果需要的话，能够消除去除存在于那些层之间的抗蚀剂层的要求。这实现了制造工艺的简化，以及更稳健的光栅，因为材料层不是自由站立的，而是紧靠着抗蚀剂层。
在示例中，在所述多个材料层的材料层中的金的厚度小于材料层的总厚度的10％。
因此，所需的金的量比仅金的G2光栅所需的量显著减少，导致成本的显著降低。
根据第二方面，提供了一种X射线相衬和/或暗场系统，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的用于X射线相衬和/或暗场成像的衍射光栅。
根据第三方面，提供了一种制造用于X射线相衬和/或暗场成像的光栅的方法，所述方法包括：
a)在基板的表面上形成光致抗蚀剂层；
b)使用表示所需的光栅结构的掩模利用辐射来照射所述光致抗蚀剂层；
c)对所述光致抗蚀剂层进行蚀刻以去除所述光致抗蚀剂层的部分，从而留下多个沟槽，所述多个沟槽跨基板的表面彼此横向地间隔开；
d)在所述基板的表面上形成多个材料层，其中，每个层被形成在沟槽中，其中，材料层包括多种材料，其中，所述多种材料在垂直于基板的表面的方向上一个在另一个的顶部上地形成，并且其中，所述多种材料包括所具有的k边缘吸收能量高于金的k边缘吸收能量的至少一种材料并且包括金。
在示例中，所具有的k边缘吸收能量高于金的k边缘吸收能量的至少一种材料是铅和/或铋。
在示例中，在步骤d)中，所述多种材料包括所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的至少一种材料。
在示例中，所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的至少一种材料是钨和/或铁和/或钨-铁合金。
在示例中，所述方法包括去除在所述多个材料层之间的多个抗蚀剂层的步骤e)。
有利地，由以上各方面中的任意方面所提供的益处同样适用于所有其他方面，并且反之亦然。
参考下文所描述的实施例，上述各方面和示例将变得显而易见并得以阐明。
附图说明
下文将参考以下附图来描述示例性实施例：
图1示出了针对用于相衬和/或暗场成像的衍射光栅的制造过程的部分的示例的示意性设置；
图2示出了厚度为250μum的不同层的透射率；并且
图3示出了相衬和/或暗场成像系统的示例的示意性设置。
具体实施方式
图1示出了制造用于相衬和/或暗场成像的光栅的方法的部分的示例。图1示出了在所述方法的不同阶段处的最终结果，但是未示出所有方法步骤。然而，以下描述涉及一种完整的方法，其中，在所述方法中的适当点处参考了在图1中所示的特定图。所述方法包括被称为步骤a)的第一步骤，所述第一步骤是在基板的表面上形成光致抗蚀剂层。将光致抗蚀剂沉积到金属基板上或者沉积到具有金属表面的基板上，这使得后面的层能够通过电镀来形成。在步骤a)之后，在步骤b)中，所述方法涉及使用表示期望的光栅结构的掩模利用辐射来照射光致抗蚀剂层。X射线被用于照射。然后，在步骤c)中，对所述光致抗蚀剂层进行蚀刻以去除所述光致抗蚀剂层的未被照射的部分，从而留下多个沟槽，所述多个沟槽跨所述基板的表面彼此横向地间隔开。在图1的顶视图“A”中表示了该结果。所述制造方法以步骤d)继续，在基板的表面上形成多个材料层。通过电镀在沟槽中形成每层。材料层包括多种材料，并且所述多种材料在垂直于所述基板的表面的方向上一个在另一个的顶部上地形成。所述多种材料包括金。在图1的中间图“B”中示出了该步骤的结果。所述至少一种材料还包括所具有的k边缘吸收能量高于金的k边缘吸收能量的材料。在图1的底图“C”中示出该步骤的结果。
根据示例，所具有的k边缘吸收能量高于金的k边缘吸收能量的至少一种材料是铅和/或铋。
根据示例，在步骤d)中，所述多种材料包括所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的至少一种材料。
根据示例，所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的至少一种材料是钨和/或铁和/或钨-铁合金。
根据示例，所述方法包括步骤e)，其去除在所述多个材料层之间的多个抗蚀剂层。因此，参考图1的图“C”，去除了在铅/金层之间的抗蚀剂层。
因此，提供了一种用于X射线相衬和/或暗场成像的光栅，其包括基板、多个材料层。所述多个材料层被形成在所述基板的表面上。所述多个材料层跨所述基板的表面彼此横向地间隔开。所述多个材料层中的材料层包括多种材料。所述多种材料在垂直于所述基板的表面的方向上一个在另一个的顶部上地形成。并且，所述多种材料包括所具有的k边缘吸收能量高于金的k边缘吸收能量的至少一种材料并且包括金。
在示例中，在所述多个材料层的材料层中的所具有的k边缘吸收能量高于金的k边缘吸收能量的至少一种材料的厚度大于材料层的总厚度的70％。换言之，金的厚度小于总厚度的30％，并且因此，除了提供在高能量处的经改善的透射率减小之外，还显著降低了光栅(诸如源光栅G0或分析器光栅G2)的成本。
在示例中，所述光栅是源光栅G0。在示例中，所述光栅是分析器(G2)光栅。
根据示例，所具有的k边缘吸收能量高于金的k边缘吸收能量的至少一种材料中的材料是铅。
根据示例，所具有的k边缘吸收能量高于金的k边缘吸收能量的至少一种材料中的材料是铋。
根据示例，所述多种材料包括所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的至少一种材料。
根据示例，所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的所述至少一种材料中的材料是钨。
根据示例，所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的至少一种材料中的材料是铁。
根据示例，所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的至少一种材料中的材料是钨-铁合金。
在示例中，每个材料层包括构成总厚度的约8％的金层、构成总厚度的约72％的铅(或铋层)、以及构成总厚度的约20％钨-铁黄金层。在示例中，总厚度的厚度约为250微米。
根据示例，所述多个材料层通过多个抗蚀剂层彼此横向地间隔开。
根据示例，在所述多个材料层的材料层中的金的厚度小于材料层的总厚度的10％。
在图1中所示的制造过程使用LIGA过程。由于针对电镀的主要要求是存在导电表面以用于开始所述过程，因此即使不能够通过单个电镀步骤对其进行沉积，也能够使用不同的材料和合金来构建光栅。因此，使用电镀将金之外的所具有的k边缘吸收能量高于金的材料填充到沟槽中，从而节省了成本。然而，为了进一步改善光栅，使用相对少量的金来改善较低能量的低透射率。使用不同的材料能够利用不同材料中的k边缘的存在。讨论的特定沉积技术使用LIGA过程，但是能够使用其他沉积技术，诸如化学气相沉积(CVD)或热蒸发。
图2示出了四个光栅结构的示例透射谱，每个光栅结构具有250μm厚的层。一个光栅具有由金制成的层，一个光栅具有由铅制成的层，并且一个光栅具有由钨-铁合金制成的层。最终的光栅结构具有由180μm Pb、50μm W-Fe和20μm Au制成的层。因此，以降低的成本提供了在70keV至89keV的重要范围内的宽带低透射率，最终的光栅具有改进的低透射率轮廓图(profile)，并且该轮廓图优于单独金和单独铅。
为了在上下文中放置用于X射线相衬和/或暗场成像的光栅，图3示出了X射线相衬系统的示例，所述X射线相衬系统也能够获取暗场图像。所述系统还能够获取X射线衰减图像。所述系统能够对对象OB的或对象OB中的吸收的空间分布进行成像，并且还能够对折射的空间分布进行成像(相衬成像)，并且还能够对小角度散射的空间分布进行成像(暗场成像)。所述装置具有能够跨固定的X射线探测器D进行扫描的基于光栅的干涉仪IF。在该示例中，干涉仪IF包括三个光栅结构G0、G1和G2，但是在其他示例中，使用两个光栅干涉仪(仅具有光栅G0和G1或者G1和G2)。
在图3中，光栅G1是吸收光栅(但是也能够是相移光栅)，而G2是吸收光栅。如上文参考图1所描述的，已经制造了这两个光栅。所述系统还包括X射线源XR和X射线探测器D。X射线探测器D能够是平面或弯曲的2D全视图X射线探测器。多个探测器像素作为阵列以行和列来布置，以形成能够记录由X射线源所发射的X射线辐射的2D X射线辐射敏感表面。
X射线探测器D和X射线源被间隔开以形成检查区域ER。检查区域被适当地间隔开以接收待成像的对象OB。对象可以是无生命的或有生命的。例如，对象可以是待成像的一件行李或其他样本，或者在医学背景下，对象可以是人类或动物患者或者人类或动物的至少解剖部分。
干涉光栅结构G1和G2被布置在X射线源XR与X射线探测器D之间的检查区域ER中。X射线源XR具有焦斑FS，X射线辐射束从焦斑FS射出。焦斑FS与X射线探测器的辐射敏感表面之间的空间是布置两个或三个光栅结构的位置。光栅G1是相位光栅，而光栅G2是分析器光栅。在所示的示例中，除了干涉仪IF的干涉光栅G1、G2之外，还有另外的光栅G0，其是源光栅。还已经如上文关于图1所讨论的那样制造了源光栅G0。
源光栅G0被布置在X射线源XR附近，例如被布置在X射线管的壳体的出射窗口处。源光栅G0的功能是使所发射的辐射至少部分地相干。换言之，如果使用能够产生相干辐射的X射线源，则能够省去源光栅G0。
在操作中，至少部分地相干的辐射穿过检查区域ER并且与对象OB相互作用。然后，对象将衰减、折射和小角度散射信息调制到辐射上，然后能够通过光栅串联G1和G2的操作对其进行提取。光栅G1、G2诱发干涉图案，所述干涉图案能够在X射线探测器D处被探测为莫尔图案的条纹。如果在检查区域中没有对象，则在X射线探测器D处仍能观察到干涉图案，被称为参考图案，其通常是在校准流程期间捕获的。这是通过特别地调节或“去谐”两个光栅G1与G2之间的相互空间关系来实现的，通过引起轻微的挠曲，例如使得两个光栅不完全平行。现在，如果如所提到的将对象放置在检查区域中并且与辐射相互作用，则能够将莫尔图案(现在更适当地被称为对象图案)理解为参考图案的受干扰的版本。然后，能够将与参考图案的这种差异用于计算一幅或所有相衬暗场图像。
继续图3，为了能够获取合适的信号来计算图像，通过光栅串联G1-G2进行扫描运动。作为该运动的结果，在X射线探测器D的每个像素处探测到一系列强度值。为了获得良好的结果，光栅G1、G2的去谐使得莫尔图案的周期应当在扫描运动的方向上延伸其数个周期(两个或三个)。然后，对于每个X射线探测器像素，能够将一系列强度值拟合到(正弦)信号前向模型，例如，以便导出折射、吸收和小角度散射的各自贡献。这种类型的信号处理是在图3中未示出的信号处理单元中完成的，但是对于本领域技术人员而言是已知的。对于图3中所示的沿着Z轴延伸的光轴OX的任何给定取向，X射线探测器D保持静止。换言之，X射线探测器D相对于检查区域中的任意参考点保持静止(至少在图像获取操作期间)。如上文所描述的干涉仪设置通常被称为Talbot-Lau干涉仪。必须对G0与G1之间以及G1与G2之间的距离进行精细调谐，以适配Talbot距离的要求，而Talbot距离继而是各个光栅的“间距”(亦即，光栅标尺的空间时段)的函数。相对于X射线探测器D移动干涉仪IF可能由于条纹偏移而导致条纹分布发生轻微变化。然而，能够通过将这样的偏移与参考扫描所获得的条纹偏移相关来补偿条纹偏移。这样的参考扫描可以是在X射线成像装置的安装处执行的空白扫描。
如上文所描述的光栅的对准是非常困难的，并且随着光栅的层高增加而变得更加困难。通过本制造方法制造的光栅能够具有减小的高度，从而导致对准过程的放松并且能够实现更容易的系统配置。
必须注意，参考不同的主题描述了本发明的实施例。具体地，参考方法类型的权利要求描述了一些实施例，而参考设备类型的权利要求描述了其他实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中得出，除非另行指出，否则除了属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，与不同主题相关的特征之间的任意组合也被认为被本申请公开。然而，能够组合所有特征以提供协同效果，而不仅仅是这些功能的简单加和。
尽管已经在附图和前文的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示例性的而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和从属权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的发明时，可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中所列举的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中引用特定措施的事实并不指示不能够利用这些措施的组合来获益。权利要求中的任何附图标记都不应当被解读为限制范围。

Claims (15)

1.一种用于X射线相衬和/或暗场成像的光栅，所述光栅包括：
基板；
多个材料层；
其中，所述多个材料层被形成在所述基板的表面上；
其中，所述多个材料层跨所述基板的所述表面彼此横向地间隔开；
其中，所述多个材料层中的材料层包括多种材料；
其中，所述多种材料在垂直于所述基板的所述表面的方向上一个在另一个的顶部上地形成；
其中，所述多种材料包括所具有的k边缘吸收能量高于金的k边缘吸收能量的至少一种材料并且包括金；并且
其中，所述多个材料层中的所述材料层中的金的厚度小于所述材料层的总厚度的30％。
2.根据权利要求1所述的衍射光栅，其中，所具有的k边缘吸收能量高于金的k边缘吸收能量的所述至少一种材料中的材料是铅。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的衍射光栅，其中，所具有的k边缘吸收能量高于金的k边缘吸收能量的所述至少一种材料中的材料是铋。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的衍射光栅，其中，所述多种材料包括所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的至少一种材料。
5.根据权利要求4所述的衍射光栅，其中，所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的所述至少一种材料中的材料是钨。
6.根据权利要求4-5中的任一项所述的衍射光栅，其中，所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的所述至少一种材料中的材料是铁。
7.根据权利要求4-6中的任一项所述的衍射光栅，其中，所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的所述至少一种材料中的材料是钨-铁合金。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的衍射光栅，其中，所述多个材料层通过多个抗蚀剂层彼此横向地间隔开。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的衍射光栅，其中，所述多个材料层中的所述材料层中的金的厚度小于所述材料层的总厚度的10％。
10.一种X射线相衬和/或暗场系统，包括根据前述权利要求中的任一项所述的用于X射线相衬和/或暗场成像的衍射光栅。
11.一种制造用于X射线相衬和/或暗场成像的光栅的方法，所述方法包括：
a)在基板的表面上形成光致抗蚀剂层；
b)使用表示所需光栅结构的掩模利用辐射来照射所述光致抗蚀剂层；
c)对所述光致抗蚀剂层进行蚀刻以去除所述光致抗蚀剂层的部分，从而留下多个沟槽，所述多个沟槽跨所述基板的所述表面彼此横向地间隔开；
d)在所述基板的所述表面上形成多个材料层，其中，每个层被形成在沟槽中，其中，材料层包括多种材料，其中，所述多种材料在垂直于所述基板的所述表面的方向上一个在另一个的顶部上地形成，并且其中，所述多种材料包括所具有的k边缘吸收能量高于金的k边缘吸收能量的至少一种材料并且包括金；并且
其中，所述多个材料层中的所述材料层中的金的厚度小于所述材料层的总厚度的30％。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所具有的k边缘吸收能量高于金的k边缘吸收能量的至少一种材料是铅和/或铋。
13.根据权利要求11-12中的任一项所述的方法，其中，在步骤d)中，所述多种材料包括所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的至少一种材料。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所具有的k边缘吸收能量低于金的k边缘吸收能量的所述至少一种材料是钨和/或铁和/或钨-铁合金。
15.根据权利要求11-14中的任一项所述的方法，包括去除在所述多个材料层之间的多个抗蚀剂层的步骤e)。
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