JP2016095343A - 位相格子及びトールボット干渉計。 - Google Patents

Abstract

【課題】 容易に製造することができる構造を有する１／３デューティ位相格子を提供する。【解決手段】 位相格子４は、第１の位相変調パターン４０と第２の位相変調パターン５０とを備える。第１と第２の位相変調パターンのそれぞれは、位相遅延部（４４、４８）と位相基準部（４２、４６）とが、１：２又は２：１の幅で交互に配置された位相変調パターンである。位相遅延部に対する位相基準部の位相差は、第１の位相変調パターンにおいて−２（３ｎ＋１）π／３または−２（３ｎ＋２）π／３、第２の位相変調パターンにおいて−２（３ｍ＋１）π／３または−２（３ｍ＋２）π／３である。第１と第２の位相変調パターンが、第１の位相変調パターンの周期方向（ｘ方向）と第２の位相変調パターンの周期方向（ｙ方向）とが交差するように重なることにより、位相格子４の位相変調パターンが構成される。但し、ｎとｍは０以上の整数である。【選択図】 図２

Description

本発明は、位相格子及びトールボット干渉計に関する。

近年、放射線強度パターンの被検体の有無に因る変化から、被検体による放射線の吸収強度や位相変調、散乱強度に関する情報（以下、これらの情報をまとめて、被検体情報とぶことがある）を取得することが試みられている。例えば、Ｘ線の回折格子を備えるトールボット干渉計を用いて、回折格子により回折された干渉パターンを検出し、被検体によるこの干渉パターンの変化から、被検体情報を取得する方法（トールボット干渉法）がある。

トールボット干渉法を用いた被検体の計測には、空間的に干渉性のあるＸ線源とＸ線の位相に周期的な変調を与える位相型の回折格子（以下、位相格子）が用いられることが多い。位相格子の構造は、干渉パターンの周期や周期の方向、コントラストを決定する。

特許文献１には、位相基準部と、位相基準部に対する位相差が−２π／３の位相遅延部と、位相基準部に対する位相差が−４π／３（つまり、２π／３）の位相進行部とが、２方向に周期的に配置された位相変調パターンを有する位相格子が記載されている。但し、位相基準部に対する位相差とは、位相基準部を透過したＸ線に対して、ある領域を透過したＸ線の位相がどの程度進行（位相差が正の場合）又は遅延（位相差が負の場合）しているかを指す。この位相格子の位相変調パターンは、ｘ軸方向とｙ軸方向のそれぞれにおいて、位相基準部と、位相遅延部と、位相進行部とのうち２つが１：２の幅で配置されたパターンである。以下、このような変調パターンを有する２次元位相格子を、１／３デューティ位相格子と呼ぶことがある。また、２方向に周期を有する位相変調パターンを有する位相格子を、２次元位相格子と呼ぶことがある。

米国特許５８１２６２９号公報

本発明者らによる検討の結果、上述の１／３デューティ位相格子が、一般的な２次元位相格子と比較してコントラストが高い干渉パターンを形成することが可能であることが明らかになった。尚、本明細書において一般的な２次元位相格子とは、位相基準部と、位相基準部との位相差がπ／２またはπの位相遅延部とが、２方向において１：１の幅で配置された位相変調パターンを有する２次元位相格子とする。

特許文献１には、１／３デューティ位相格子の構造と製造方法について、具体的には記載されていない。Ｘ線用の位相格子の製造方法として、Ｘ線透過率が高い材料の基板をエッチングする方法が知られているが、この方法を用いて１／３デューティ位相格子を実現するためには、３段階の厚みを実現するエッチングが必要であり、製造が困難であることが予想される。

そこで本発明は、Ｘ線透過率が高い材料の基板をエッチングして、３段階の厚みを実現するよりも容易に製造することができる構造を有する１／３デューティ位相格子を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての位相格子は、位相基準領域と、位相進行領域と、位相遅延領域とを備える位相格子であって、基板の第１の面に第１の位相変調パターンが配置されており、前記基板の前記第１の面と対向する第２の面に第２の位相変調パターンが配置されており、前記第１の位相変調パターンは、第１の位相基準部と、前記第１の位相基準部に対する第１の位相差が−２（３ｎ＋１）π／３または−２（３ｎ＋２）π／３である第１の位相遅延部とが、第1の方向において第１の幅の比で交互に配置された位相変調パターンであり、前記第２の位相変調パターンは、第２の位相基準部と、前記第２の位相基準部に対する第２の位相差が−２（３ｍ＋１）π／３または−２（３ｍ＋２）π／３である第２の位相遅延部とが、前記第１の方向と交差する第2の方向において第２の幅の比で交互に配置された位相変調パターンであり、前記第１の位相差が−２（３ｎ＋１）π／３のとき、前記第２の位相差は−２（３ｍ＋１）π／３であり、前記第１の位相差が−２（３ｎ＋２）π／３のとき、前記第２の位相差は−２（３ｍ＋２）π／３であり、前記位相基準領域と前記位相進行領域と前記位相遅延領域とは、前記第１の位相変調パターンと前記第２の位相変調パターンとが前記第１の方向と前記第２の方向とを有する平面と垂直に交差する第３の方向において重なることにより構成され、前記第1の幅の比と前記第2の幅の比とは、１：２又は２：１であり、前記第１の幅の比と前記第２の幅の比とが等しいことを特徴とする。但し、ｎとｍは０以上の整数である。

本発明の一側面としての位相格子によれば、容易に製造することができる構造を有する１／３デューティ位相格子を提供することができる。

本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で述べる。

実施形態に係る位相格子の位相変調パターンの模式図。 実施形態に係る位相格子の構成の模式図。 実施形態に係る第１と第２の位相変調パターンの断面図。 実施形態及び実施例１に係る位相格子の構造の模式図。 実施形態及び実施例２に係る位相格子の構造の模式図。 実施形態に係るトールボット干渉計の模式図。 実施例３に係る位相格子の製造方法の工程図。 一般的な２次元位相格子の位相変調パターン。

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の位相格子４は、図２に示すように、第１の位相変調パターン４０と第２の位相変調パターン５０とを組み合わせた構造を有する。第１の位相変調パターン４０は、第１の位相遅延部４４と第１の位相基準部４２とが第１の方向（ｘ方向）において交互に配置されたパターンである。一方、第２の位相変調パターン５０は、第２の位相遅延部４８と第２の位相基準部４６とが第２の方向（ｙ方向）において交互に配置されたパターンである。第１と第２の位相変調パターン（４０、５０）が重なることにより、１／３デューティ位相格子の位相変調パターン２３が形成される。このように、第１と第２の位相変調パターンを組み合わせて位相格子４の位相変調パターン２３を形成することにより、基板をエッチングする深さを切り替えて３段階の厚みを実現した構造を有する場合よりも容易に位相格子を製造することができる。以下、より詳細に本実施形態の位相格子について説明をする。

本実施形態の位相格子は、図１（（ａ）、（ｂ））に示すように、位相遅延領域２０と位相進行領域２２と位相基準領域２４とを有する位相変調パターン２３を有する。位相進行領域２２を透過したＸ線は、位相基準領域２４を透過したＸ線よりも、位相が２π／３進行し、位相遅延領域２０を透過したＸ線は、位相基準領域２４を透過したＸ線よりも、位相が２π／３遅延する。本発明及び本明細書において、位相変調パターン２３の位相は−πからπにラップされるものとして扱う。例えば、位相差が６π／３＝２πである場合は位相差がないとみなし、位相差が−４π／３や８π／３である場合は位相差が＋２π／３（２π／３進行）とみなす。また、逆に位相差が＋４π／３や−８π／３である場合、位相差が−２π／３（２π／３遅延）とみなす。図１に示した模式図は変調パターンの一部を示しており、全体を示すわけではない。また、位相遅延領域２０と位相進行領域２２と位相基準領域２４との一部または全部をまとめて、位相変調領域と呼ぶことがある。

位相変調パターン２３において、２種類の位相変調領域が第１と第２の方向のそれぞれにおいて交互に配置されている。例えば、図１（ａ）のａ−ａ’断面においては、位相変調領域のうち、位相遅延領域２０と位相基準領域２４とが交互に配置され、ｂ−ｂ’断面においては、位相変調領域のうち、位相進行領域２２と位相基準領域２４とが交互に配置されている。尚、ａ−ａ’断面、ｂ−ｂ’断面共に第１の方向と平行な方向である。また、図１（ａ）のｃ−ｃ’断面においては、位相変調領域のうち、位相遅延領域２０と位相基準領域２４とが交互に配置され、ｄ−ｄ’断面においては、位相変調領域のうち、位相進行領域２２と位相基準領域２４とが交互に配置されている。尚、ｃ−ｃ’断面、ｄ−ｄ’断面共に第２の方向と平行な方向である。このように、第１の方向と平行な断面においても、第２の方向と平行な断面においても、２種類の位相変調領域が交互に配置されている。 図１（ａ）は、正方格子状に配列した位相遅延領域２０の間隙に、チェッカー状の位相基準領域２４と正方格子状の位相進行領域２２が配置された位相変調パターン２３を示している。位相変調領域は矩形である。また、位相遅延領域２０は第１の方向においては、第１の方向における周期（以下、第１の周期と呼ぶことがある）ｆ１の２／３の幅を有し、第２の方向においては、第２の方向における周期（以下、第２の周期と呼ぶことがある）ｆ２の２／３の幅を有する。位相進行領域２２は、第１の方向においては第１の周期ｆ１の１／３の幅、第２の方向においては第２の周期ｆ２の１／３の幅を有する。位相基準領域２４は、第１の方向においては第１の周期ｆ１の１／３の幅と第２の周期ｆ２の２／３の幅、または第１の方向においては第１の周期ｆ１の２／３の幅と第２の方向においては第２の周期ｆ２の１／３の幅を有する。 図１（ｂ）に示した位相変調パターン２３も、正方格子状に配列した位相遅延領域２０の間隙に、正方格子状の位相進行領域２２とチェッカー状の位相基準領域２４が配置されている。但し、位相遅延領域２０と位相進行領域２２との大きさが、図１（ａ）に示した変調パターンにおける位相遅延領域２０と位相進行領域２２との大きさと逆である。

図１に示した１／３デューティ位相格子は、位相基準領域１２０と位相進行領域１２２とでメッシュ状の変調パターンを形成する２次元位相格子（図８）と比べて、形成できる干渉パターンのコントラストが高くなることが発明者らの検討で明らかになった。また、図１に示した各位相変調パターンによって、位相格子から干渉パターンまでの距離が異なるため、干渉計全体の設計に応じて適宜位相変調パターンを選択することができる。なお、位相変調パターン２３における位相変調領域の一辺の長さ、及び厚みは、干渉パターンを形成できる程度であれば製造上の誤差を含んでいてもよい。具体的には、位相変調部の一辺の長さ及び厚みの誤差を、設計値の±１０％以内に収めると、干渉パターンのコントラストの低下を約２％以下に収めることができるため、好ましい。
本実施形態の位相格子４が有する位相変調パターン２３は、第１の位相変調パターン４０と、第２の位相変調パターン５０とを組み合わせることで実現することができる。第１の位相変調パターン４０の、第1の方向における第１の位相基準部４２と第１の位相遅延部４４との幅の比（第1の幅の比と呼ぶことがある）は、１：２又は２：１である。また、第１の位相基準部４２に対する第１の位相遅延部４４の位相差(第1の位相差と呼ぶことがある)は−２（３ｎ＋１）π／３または−２（３ｎ＋２）π／３（但し、ｎは上述のように、０以上の整数を示す）である。第２の位相変調パターン５０も同様であり、第２の位相変調パターン５０の、第2の方向における第２の位相基準部４６と第２の位相遅延部４８との幅の比（第２の幅の比と呼ぶことがある）は、１：２又は２：１である。また、第２の位相遅延部４８に対する第２の位相基準部４６の位相差(第２の位相差と呼ぶことがある)は−２（３ｍ＋１）π／３または−２（３ｍ＋２）π／３（但し、ｍは０以上の整数）である。第２の幅の比が第１の幅の比と等しい場合、第１の位相差が−２（３ｎ＋１）π／３のときは第２の位相差も−２（３ｍ＋１）π／３であり、第１の位相差が−２（３ｎ＋２）π／３のときは第２の位相差も−２（３ｍ＋２）π／３である。第２の幅の比が第１の幅の比とが異なる（逆）の場合、第１の位相差が−２（３ｎ＋１）π／３のときは第２の位相差は−２（３ｍ＋２）π／３であり、第１の位相差が−２（３ｎ＋２）π／３のときは第２の位相差は−２（３ｍ＋１）π／３である。
第１の位相遅延部４４と第１の位相基準部４２との位相差は、第１の位相遅延部４４と第１の位相基準部４２とで、透過するＸ線の位相速度が異なることで発生する。図２に示した第１の位相変調パターン４０において、第１の位相遅延部４４は開口部であり、第１の位相基準部４２は突条部であるが、位相差が上述の通りであれば、第１の位相遅延部４４と第１の位相基準部４２との形状は特に問わない。第２の位相遅延部４８と第２の位相基準部４６についても同様である。

図３（（ａ）〜（ｄ））に、第１又は第２の位相変調パターン（４０、５０）の断面の例を示す。図３に示した第１又は第２の位相変調パターン（４０、５０）は、基板をエッチングすることによって作製することができる。エッチングによって形成する凹部の深さ（凸部５２の高さに一致）ｈは、位相格子４を透過するＸ線のうち、代表的なエネルギーのＸ線に着目し、所望の位相差が生じるように決定すればよい。透過するＸ線が複数のエネルギーの場合は、すべてのエネルギーで所望の位相差が満たされるものではない。実用上においては、設計者が設定したＸ線のエネルギーに基づいて凹部の深さｈが決定される。また、図３に示した第１又は第２の位相変調パターン（４０、５０）においては、凸部５２同士が凸部５２と同じ材料の支持構造で連結しているが、図２のように各々の凸部５２は独立していてもよい。また、支持構造が凸部５２と異なる材料であっても良いし、位相基準部と位相遅延部とを異なる材料で構成することで、位相差を生じさせても良い。図３（ａ）、（ｂ）は、第１又は第２の位相遅延部（４４、４８）と第１又は第２の位相基準部（４２、４６）との位相差が２π／３の場合を示す。凹部において位相に２π／３の遅延（すなわち、−２（３×０＋１）π／３＝−２π／３の位相変調）が生じるため、凸部が位相基準部であり凹部が位相遅延部とみなせる。一方、図３（ｃ）、（ｄ）は、第１又は第２の位相遅延部（４４、４８）と第１又は第２の位相基準部（４２、４６）との位相差が４π／３の場合を示す。一般に、位相は−π〜πにラップされるものとして扱う。例えば、３πはπであり、且つ、−πでもある。よって、凹部において位相に４π／３の遅延（すなわち−４π／３の位相変調）が生じる場合、位相に２π／３の進行が生じるとみなすこともできる。しかしながら、本発明および本明細書では、第１と第２の位相変調パターンにおいて、凸部を位相基準部とし、凹部を４π／３位相が遅れている位相遅延部として説明する。

図３（ａ）、（ｃ）は、位相基準部と位相遅延部の幅の比が１：２となり、図３（ｂ）、（ｄ）は、位相基準部と位相遅延部の幅の比が２：１となる。図３（ｂ）又は（ｃ）に示した位相変調パターン同士を第１と第２の位相変調パターン（４０、５０）として組み合わせると、図１（ａ）に示す位相変調パターンとなる。一方、図３（ａ）又は（ｄ）に示した位相変調パターン同士を第１と第２の位相変調パターン（４０、５０）として組み合わせると、図１（ｂ）に示す位相変調パターンとなる。

第１の位相変調パターン４０と第２の位相変調パターン５０とは、第１の方向と第２の方向とが交差するように、第３の方向において重なる。Ｘ線進行方向の少なくとも一部が、第３の方向と一致するように使用することで、Ｘ線は、第１と第２の位相変調パターンを透過し、図１に示したような位相変調パターンによる位相変調を受ける。尚、第３の方向は、第１の位相変調パターンの周期方向である第１の方向（ｘ方向）と第２の位相変調パターンの周期方向である第２の方向（ｙ方向）とを有する平面と垂直に交差する方向（ｚ方向）とする。

本発明及び本明細書において、上述のように、位相変調パターン２３の位相は−πからπにラップされるものとして扱う。例えば、位相差が６π／３＝２πである場合は位相差がないとみなし、位相差が−４π／３や８π／３である場合は位相差が＋２π／３（２π／３進行）とみなす。また、逆に位相差が＋４π／３や−８π／３である場合、位相差が−２π／３（２π／３遅延）とみなす。第１の位相差が−４π／３であり、第２の位相差が−４π／３である場合、第１の位相遅延部と第２の位相遅延部とが重なる領域の位相差は−４π／３−４π／３＝−８π／３であり−２π／３にラップされる。そして、位相格子の位相変調パターン２３において位相遅延領域２０として機能する。同様に、第１の位相遅延部４０と第２の位相基準部４６とが重なる領域と、第１の位相基準部４２と第２の位相遅延部４８とが重なる領域とは、位相格子の位相変調パターン２３において、位相差が−４π／３＝２π／３であり、位相進行部２２として機能する。同様に、第１の位相差が−２π／３であり、第２の位相差が−２π／３である場合、位相格子の位相変調パターン２３において位相基準領域に対する位相遅延部の位相差は−４π／３＝２π／３である。

上述のように、位相変調パターン２３において、位相は−π〜πにラップされ、位相基準領域２４に対する位相遅延領域２０の位相を−２π／３、位相進行領域２２の位相を２π／３としている。これは位相基準領域２４を基準にした相対位相を示しているものであって、位相基準領域２４の絶対的な位相変調量が必ずしも０で有る必要はない。例えば、位相基準領域２４に相当する領域での物理的に生じる位相変調量が２π／３であってもよく、その場合、位相遅延領域２０での位相変調量は０、位相進行領域２２での位相変調量は４π／３となればよい。位相変調領域の相対的な位相差が維持されていればよい。

第１と第２の位相変調パターンは、図４のように、同じ基板６０の対向する面（第１の面６２と第２の面６４）に配置されていても良いし、図５のように、異なる基板（第１の基板６６、第２の基板７０）に配置されていても良い。但し、異なる基板に配置されている場合は、第１の位相変調パターン４０が配置されている第１の基板６６と、第２の位相変調パターン５０が配置されている第２の基板７０とが互いに固定されていることが好ましい。第１と第２の基板とが互いに固定されていれば、Ｘ線トールボット干渉計に組み込んだ際に、１つの部材としてアライメントができ、第１と第２の基板のそれぞれをアライメントする必要がないためである。尚、本発明及び本明細書においては、一方が移動したときに、もう一方もその移動に伴って移動する状態にあるとき、それらは互いに固定されているとみなす。また、移動とは、平行移動と回転移動とを含む。例えば、第１の基板のみに力を作用させることで第１の基板を回転させた場合、第１の基板の回転に伴って、第２の基板も移動するとき、第１の基板と第２の基板とが互いに固定されているとみなす。

図４に示す断面図において、第１の位相変調パターン４０と第２の位相変調パターン５０との間に非パターン部５８が存在するが、位相格子は非パターン部５８を有さなくてもよい。第１と第２の位相変調パターンの間に、非パターン部が存在しないと、非パターン部５８に因るＸ線の吸収がないので、Ｘ線の利用効率が向上する。例えば、予め基板６０の厚さを第１の位相基準部４２の厚みと第２の位相基準部４６の厚みとを足した厚みにしておき、第１の面のエッチングにより第１の位相遅延部を、第２の面のエッチングにより第２の位相遅延部を形成すればよい。第１と第２の位相変調パターンのアライメントを行うために、第１と第２の位相変調パターンの少なくともいずれかの外周部に予めアライメントマークを作製しても良い。また、基板の裏面を観察しながらアライメント可能な装置を用い、第１の面に配置された第１の位相変調パターンの端の第１の位相基準部４２と、第２の位相変調パターンの各第２の位相基準部の端部を仮想的に繋いだ直線とで位置合わせをすることもできる。図５（ａ）のように、第１と第２の基板（６６、７０）は離間していても良いし、図５（ｂ）〜（ｅ）のように、第１と第２の基板が接していても良い。また、図５（ｆ）のように、第１と第２の基板が接着層７２を介して接していても良い。但し、第１と第２の基板同士が離れている場合、第１と第２の基板は互いに平行になるように積層することが好ましい。また、図５（ｂ）、（ｄ）〜（ｆ）のように、第１の基板のうち、第１の位相変調パターン４０が配置された面と、第２の基板のうち、第２の位相変調パターン５０が配置された面とが向かい合うように第１と第２の基板を積層することが好ましい。以下、第１又は第２の位相変調パターン（４０、５０）が配置された面をパターン面と呼ぶことがある。発散Ｘ線（コーンビームやファンビーム）を照射した場合、遮蔽格子又は検出器上の干渉パターンは拡大されて周期が長くなる。このとき、第１と第２の位相変調パターン間のｚ方向における距離が長いと、第１と第２の位相変調パターン同士で拡大率に差が生じるため、第１の方向における周期と、第２の方向における周期との差も大きくなるためである。しかしながら、第１と第２の位相変調パターンの距離が０．５ｍｍよりも小さい場合や、干渉パターンの周期が第１と第２の方向とで異なっていても被検体の情報が取得できる場合は、図５（ｃ）のように、パターン面と対向する面同士が向かい合っていても良い。また、第１と第２の基板の厚さが０．５ｍｍ以上であり、干渉パターンの周期を第１と第２の方向とでそろえたい場合は、発散Ｘ線による干渉パターンの拡大率を考慮して第１と第２の位相変調パターンの周期を調整すれば良い。具体的には、下記式が成立すれば、第１と第２の干渉パターンの周期を等しくすることができる。
ｆ２×（Ｌ２ａ＋Ｌ２ｂ）÷Ｌ２ａ＝ｆ１×（Ｌ１ａ＋Ｌ１ｂ）÷Ｌ１ａ
但し、Ｘ線源と第１の位相変調パターンとの距離をＬ１ａ、Ｘ線源と第２の位相変調パターンとの距離をＬ２ａ、第１の位相変調パターンの周期をｆ１、第２の位相変調パターンの周期をｆ２とする。また、第１の位相変調パターンと干渉パターンとの距離をＬ１ｂ、第２の位相変調パターンと干渉パターンとの距離をＬ２ｂとする。尚、第１又は第２の位相変調パターン（４０、５０）と干渉パターンとの距離とは、干渉パターンが形成される位置に遮蔽格子を配置して干渉パターンとは別の強度分布を形成する場合、第１又は第２の位相変調パターン（４０、５０）と遮蔽格子との距離とする。尚、遮蔽格子を用いて形成される強度分布は、モアレ縞と呼ばれるが、遮蔽格子の周期を干渉パターンの周期と等しくし、強度分布の周期と干渉パターンの周期とを等しくしても良い。また、遮蔽格子を用いず、干渉パターンを直接検出する場合は、第１又は第２の位相変調パターン（４０、５０）と干渉パターンとの距離は、第１又は第２の位相変調パターン（４０、５０）と、検出器との距離とする。尚、第１と第２の位相変調パターン（４０、５０）の距離により生じる拡大率の差は、図４のように、１つの基板の第１と第２の面のそれぞれに第１と第２の位相変調パターンを配置する場合でも同様に生じる。よって、この場合であっても、第１と第２の位相変調パターンの距離が０．５ｍｍ以上であり、干渉パターンの周期を第１と第２の方向とでそろえたい場合は、上記式が成立するように第１の周期と第２の周期とを調整する。

図５（ｂ）のように、第１と第２の位相変調パターンが向かい合うように第１と第２の基板を積層した場合に、外観からパターンを識別することができない。そこで、図５（ｄ）のように、第１又は第２の基板の、外部へ露出される面に識別部７４を配置しておくと、外観からパターンを識別することができる。また、識別部がアライメントマークを有すれば、干渉計へ取り付ける場合に、アライメントマークを利用した位相格子のアライメントが可能となる。アライメントマークは、第１又は第２の位相変調パターン（４０、５０）のように、Ｘ線の位相を変調するパターンでも良いし、Ｘ線吸収係数が高いパターン（例えば円や多角形）でも良い。また、レーザ光を用いてアライメントを行う干渉計であれば、単純な鏡面でも良い。アライメントマークのパターンが周期性を有していてもよい。またアライメントマークのパターンの周期方向と位相変調パターンの周期方向が同じでも良い。

また、図５（ｅ）のように、第１と第２の位相変調パターンのそれぞれが、第１と第２の基板のそれぞれの凹部に配置されていても良い。このように、第１と第２の位相変調パターンを基板の凹部に配置することで、第１と第２の基板のパターン面同士が向かい合うように第１と第２の基板を積層した場合、第１と第２の位相変調パターンの間に空間６８が存在する。よって、第１と第２の位相変調パターンが接することによる、第１と第２の位相変調パターンの損傷を防ぐことができる。図５（ｆ）のように、第１と第２の位相変調パターンの外部に接着層７２を設け、この接着層を介して第１と第２の基板が接している場合であっても、第１と第２の位相変調パターンの間には空間６８が存在するため、同様の効果を得ることができる。

また、積層時にアライメントを行うため、基板に予めアライメントマークを作製しても良い。アライメントマークは基板の面内のパターンでも良いし、アライメントマークとして基板の外径を加工する、またはオリエンテーションフラット（以下、オリフラ）を用いてもよい。その他のアライメントの方法として、Ｘ線顕微鏡や超音波顕微鏡により回折格子を拡大観察して位置合わせをすることもできる。また、空間的に可干渉なＸ線を照射し、トールボット効果により得られる干渉パターンを観察しながら位置合わせをしても良い。

基板にはＸ線の吸収が少ない材料の基板を使用することが好ましい。例えばシリコンやガリウムヒ素、ゲルマニウム、インジウムリンといった半導体ウェハーやガラスウェハーを使用することができる。また、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などの樹脂性基板を用いることもできる。形状は薄板状で、表裏が鏡面であればコントラストが良好と成るため好ましい。

積層した第１と第２の基板同士を固定する場合、エポキシ樹脂などの接着剤や金−金接合などによる間接接合、陽極接合やシリコンフュージョン接合などの直接接合、クランプなどを用いた機械的な固定などにより行うことができる。接着材を用いて接合する場合、第１と第２の位相変調パターンが形成されていない領域にのみ接着剤を塗布することが好ましい。こうすることで、第１と第２の位相変調パターンの一部に接着剤が流れ込み、接着剤の有無により位相差が生じ、位相変調のパターンが乱れるのを防ぐことができる。加えて、図５（ｆ）のように接着剤で形成される接着層で第１と第２の基板が接するため、第１と第２の位相変調パターン同士の接触によるパターンの損傷を抑制することができる。

シリコンフュージョン接合を行う場合、接合前のシリコン基板を熱酸化してもよい。シリコン基板表面に熱酸化膜があることで、接合界面から発生する水分子に起因したボイドの発生を抑制することができる。また、接合後の基板をアニールしても良いし、しなくても良い。シリコン基板の場合、アニールすることでボイドの発生を抑制する効果が期待でき、接合強度も強まる。一方、基板の厚さが異なる場合は、アニールしないことで、接合後の反りを軽減することができる。第１と第２の位相変調パターンが基板の内側にある（図５（ｂ）、（ｄ）〜（ｆ））場合であり、基板の内側に空間がある場合は、その空間を空気や窒素などのガスで満たしても良いし、真空でもよい。ガスを満たし、空間を１気圧にすることで、大気圧の影響で生じる反りを軽減することができる。一方で、真空にすることで、空間でのＸ線の吸収を軽減することができる。尚、ここで指す空間とは、図５（ｅ）〜（ｆ）のような、第１と第２の位相変調パターンの間の空間６８だけでなく、第１又は第２の位相変調パターン（４０、５０）中の空間のこともさす。例えば、図３のように、位相基準部が凸部を有する場合、位相基準部同士の間隙のことも含む。

パターンを形成するために、フォトリソグラフィー法やウェットエッチング法、ドライエッチング法、スパッタや蒸着・ＣＶＤ・無電解めっき・電解めっきといった各種成膜法、ナノインプリント法などを用いることができる。つまり、フォトリソグラフィー法でレジストパターンを形成した後に、ドライエッチングまたはウェットエッチングで基板に加工しても良いし、リフトオフ法で基板上に回折格子を付与することもできる。また、ナノインプリント法により基板又は基板上に成膜した材料を加工しても良い。本実施形態の位相格子４を検出器１４と組み合わせることで、トールボット干渉計１００を構成することができる。トールボット干渉計は、空間的に可干渉なＸ線源と組み合わせてトールボット干渉法による被検体６の計測を行うことができる。トールボット干渉計１００は、遮蔽格子１２を備えていても良い。干渉パターンが形成される位置に遮蔽格子を配置することで、干渉パターンと異なる強度分布を形成し、この強度分布を検出器１４が検出しても良い。また、空間的に非干渉なＸ線を射出するＸ線発生手段２に線源格子１０を組み合わせたＸ線源２００を用いることで、図６のようにトールボット・ロー干渉計として用いても良い。トールボット・ロー干渉計は、トールボット干渉計の一種であり、干渉パターンのコントラストを向上させるためにロー効果を利用するものである。Ｘ線源２００で発生するＸ線のエネルギーは、位相格子４の設計エネルギーと同じことが望ましいが、異なっていても良い。一般的なＸ線管から発生するＸ線は有限なエネルギースペクトルを有しており、設計エネルギーがスペクトル内に有れば良い。

［実施例１］
実施例１においては、同一基板の第１と第２の面のそれぞれに、第１と第２の位相変調パターンのそれぞれを配置した２次元位相格子の製造方法について説明する。本実施例においては、まず、４インチ径の両面（第１と第２の面）を研磨した１５０μｍ厚のシリコンウェハーの第１の面をレジストコートする。そして、フォトリソグラフィー法により６０ｍｍ角のエリアに線幅１μｍ、間隙２μｍのスリット状レジストパターンを作製する。このとき、スリットの４隅に長さ１０μｍの十文字レジストパターンも同時に作製する。次に、シリコンのＤｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ（以下、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥという）により、幅１μｍ、間隙２μｍで深さが１７μｍのスリット構造およびスリットの４隅に長さ１０μｍの十文字パターンを作製する。これにより、基板の第１の面に第１の位相変調パターン（スリット構造に対応）とアライメントパターン（十文字パターンに対応）とが配置される。その後にレジストを除去する。

次に、パターン形成した基板の第２の面にレジストコートし、第１の面に配置された４個の十文字パターンをアライメントマークとし、フォトリソグラフィー法によりレジストパターンを形成する。レジストパターンは、線幅１μｍ、間隙２μｍのスリット状レジストパターンであり、このレジストパターンの周期方向が、第１の位相変調パターンの周期方向である第１の方向と直交するように、レジストパターンを作製する。その後、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥにより幅１μｍ、間隙２μｍで深さが１７μｍのスリット構造を、第２の面にも作製する。これにより、図１（ｂ）に示す位相変調パターンを有する２次元位相格子が得られる。この２次元位相格子は、２０ｋｅＶのＸ線に対して±２π／３の位相シフトを発生する。つまり、２０ｋｅＶのＸ線が位相変調パターンに入射したときに、位相遅延領域を透過したＸ線は位相基準領域を透過したＸ線に対して位相が２π／３遅延している。同様に、位相進行領域を透過したＸ線は位相基準領域を透過したＸ線に対して位相が２π／３進行している。

［実施例２］
実施例２においては、第１と第２の基板のそれぞれに第１と第２の位相変調パターンのそれぞれを配置した２次元位相格子の製造方法について説明する。実施例１とは、同一の基板の第１と第２の面ではなく、第１と第２の基板の片面に第１と第２の位相変調パターンのそれぞれを配置する点で異なるが、その他の点は同様である。実施例１と同様に、４インチ径の両面研磨した１５０μｍ厚のシリコンウェハー表面に幅１μｍ、間隙２μｍで深さ１７μｍのスリット構造および十文字パターンを作製する。但し、十文字パターンは、第１の基板と第２の基板との両方に作製する。第１と第２の基板のそれぞれのうち、第１又は第２の位相変調パターンを配置した面をプラズマ処理により活性化し、その後、水酸基を付与する処理を行う。次に、第１と第２の基板のパターン面とを向い合せにし、十文字パターンをアライメントマークとして、位置合わせを行う。この際、第１の位相変調パターンの周期方向である第１の方向と第２の位相変調パターンの周期方向である第２の方向とが直交するように回転方向をアライメントする。その後、１気圧の窒素雰囲気中で第１と第２の基板同士を接触・加圧し、接合を行う。これにより、図１（ａ）に示す位相変調パターンを有し、２０ｋｅＶのＸ線に対して±２π／３の位相シフトを発生する２次元位相格子が得られる。

［実施例３］
実施例３においては、第１と第２の基板（６６、７０）のそれぞれに第１と第２の位相変調パターンのそれぞれを配置した２次元位相格子の製造方法について説明する。実施例２とは、第１と第２の基板を接合するのではなく、第１と第２の基板を、ホルダーにクランプで固定する点で異なる。４インチ径の両面研磨した１５０μｍ厚のシリコンウェハー表面に幅１μｍ、間隙２μｍで深さ１７μｍのスリット構造を作製する工程は実施例２と同じである。但し、図７（ａ）のように、第１と第２の位相変調パターンのそれぞれを、第１と第２の基板のそれぞれのオリフラ（６７、６９）に対して、第１と第２の方向（ｘ方向、ｙ方向）のそれぞれが４５°傾く（つまり、４５°で交差する）ように形成する。第１と第２の位相変調パターンのそれぞれをこのように配置すると、第１と第２の基板のオリフラを重ね合わせれば、第１と第２の方向が直交するため、オリフラをアライメントマークとして用いることができる。第１と第２の方向が直交しない位相変調パターンを得たい場合は、第１と第２の基板のオリフラのそれぞれに対して、第１と第２の方向とが、第１と第２の方向とのなす角の１／２傾くように第１と第２の位相変調パターンを配置すればよい。但し、このようにオリフラをアライメントマークとして用いる場合、図７（ｂ）のようにパターン面同士が向かい合うか、パターン面と対向する面同士が向かい合うように第１と第２の基板を積層する。パターン面とパターン面と対向する面とが向かい合うように第１と第２の基板を積層すると、第１と第２の方向が交差しない。このように第１と第２の基板を積層すると、第１と第２の位相変調パターンのそれぞれが配置された第１と第２の基板同士を区別する必要がない。つまり、図７（ａ）、（ｂ）においては、右側の基板が第１の位相変調パターンが配置された第１の基板であり、左側の基板が第２の位相変調パターンが配置された第２の基板であるが、左側を第１の基板、右側を第２の基板とすることもできる。加えて、オリフラを利用するため、アライメントマークを別途配置する必要がない。尚、第１の基板と第２の基板とのオリフラ同士が重なり合わなくても、パターン面側から見たときに第１と第２の基板とのオリフラ同士が平行であれば、第１と第２の基板とのオリフラ同士が重なり合うときと同じ角度で第１と第２の方向が交差する。但し、第１と第２の位相変調パターンが配置されている領域が、第１と第２の基板の中心に対して対称に広がっている場合、第１と第２の基板のオリフラ同士が重なり合う方が、第１と第２の位相変調パターンが重なる領域が広くなる。加えて、ある平面をアライメント平面とし、アライメント平面に第１と第２の基板のオリフラを突き当てることで第１と第２の基板のアライメントを行うことができる。よって、図７（ｃ）のように、第１と第２の基板のオリフラ同士は重なり合うことが好ましく、このとき、第１と第２の基板のオリフラは、アライメント平面と接している。アライメント平面は、第３の方向に対して平行な面であることが好ましいが、仮想的な面であっても良い。

シリコンウェハーの外形に合せた凹部（落とし込み）を形成したホルダーに、第１と第２の基板のオリフラを突き当てて、第１と第２の基板を取り付ける。このとき、第１と第２の基板は、パターン面と対向する面同士が接触するように取り付ける。オリフラが突き当てられた状態で、金属製の支持棒で２つの基板をホルダーに押さえつける。これにより、２０ｋｅＶのＸ線に対して±２π／３の位相シフトを発生する２次元位相格子が得られる。尚、本実施例では、第１と第２の基板同士が接触するように第１と第２の基板を互いに固定したが、第１と第２の基板同士は離間されていても良い。

ｆ１ 第一の周期
ｆ２ 第二の周期
２０ 位相遅延領域
２２ 位相進行領域
２４ 位相基準領域

Claims (12)

1. 位相基準領域と、位相進行領域と、位相遅延領域とを備える位相格子であって、
   基板の第１の面に第１の位相変調パターンが配置されており、
   前記基板の前記第１の面と対向する第２の面に第２の位相変調パターンが配置されており、
   前記第１の位相変調パターンは、第１の位相基準部と、前記第１の位相基準部に対する第１の位相差が−２（３ｎ＋１）π／３または−２（３ｎ＋２）π／３である第１の位相遅延部とが、第1の方向において第１の幅の比で交互に配置された位相変調パターンであり、
   前記第２の位相変調パターンは、第２の位相基準部と、前記第２の位相基準部に対する第２の位相差が−２（３ｍ＋１）π／３または−２（３ｍ＋２）π／３である第２の位相遅延部とが、前記第１の方向と交差する第2の方向において第２の幅の比で交互に配置された位相変調パターンであり、
   前記第１の位相差が−２（３ｎ＋１）π／３のとき、前記第２の位相差は−２（３ｍ＋１）π／３であり、
   前記第１の位相差が−２（３ｎ＋２）π／３のとき、前記第２の位相差は−２（３ｍ＋２）π／３であり、
   前記位相基準領域と前記位相進行領域と前記位相遅延領域とは、前記第１の位相変調パターンと前記第２の位相変調パターンとが前記第１の方向と前記第２の方向とを有する平面と垂直に交差する第３の方向において重なることにより構成され、
   前記第1の幅の比と前記第2の幅の比とは、１：２又は２：１であり、
   前記第１の幅の比と前記第２の幅の比とが等しいことを特徴とする位相格子。
   但し、ｎとｍは０以上の整数である。
2. 位相基準領域と、位相進行領域と、位相遅延領域とを備える位相格子であって、
   基板の第１の面に第１の位相変調パターンが配置されており、
   前記基板の前記第１の面と対向する第２の面に第２の位相変調パターンが配置されており、
   前記第１の位相変調パターンは、第１の位相基準部と、前記第１の位相基準部に対する第１の位相差が−２（３ｎ＋１）π／３または−２（３ｎ＋２）π／３である第１の位相遅延部とが、第1の方向において第１の幅の比で配置された位相変調パターンであり、
   前記第２の位相変調パターンは、第２の位相基準部と、前記第２の位相基準部に対する第２の位相差が−２（３ｍ＋１）π／３または−２（３ｍ＋２）π／３である第２の位相遅延部とが、前記第１の方向と交差する第２の方向において第２の幅の比で交互に交差する第２の方向に配置された位相変調パターンであり、
   前記第１の位相差が−２（３ｎ＋１）π／３のとき、前記第２の位相差は−２（３ｍ＋２）π／３であり、
   前記第１の位相差が−２（３ｎ＋２）π／３のとき、前記第２の位相差は−２（３ｍ＋１）π／３であり、
   前記位相基準領域と前記位相進行領域と前記位相遅延領域とは、前記第１の位相変調パターンと前記第２の位相変調パターンとが前記第１の方向と前記第２の方向とを有する平面と垂直に交差する第３の方向において重なることにより構成され、
   前記第1の幅の比と前記第2の幅の比とは、１：２又は２：１であり、
   前記第１の幅の比と前記第２の幅の比とが異なることを特徴とする位相格子。
   但し、ｎとｍは０以上の整数である。
3. 前記第１の面と前記第２の面との少なくともいずれかにはアライメントマークが設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の位相格子。
4. 第１の基板に前記第１の位相変調パターンが配置されており、
   第２の基板に前記第２の位相変調パターンが配置されており、
   前記第１の基板と前記第２の基板とが互いに固定されていることを特徴とする請求項１乃至3のいずれか1項に記載の位相格子。
5. 前記第１の基板のうち、前記第１の位相変調パターンが形成された面と、
   前記第２の基板のうち、前記第２の位相変調パターンが形成された面と、
   が向かい合うように前記第１の基板と前記第２の基板とが固定されていることを特徴とする請求項４に記載の位相格子。
6. 前記第１の基板のうち、前記第１の位相変調パターンが形成された面と対向する面と、
   前記第２の基板のうち、前記第２の位相変調パターンが形成された面と対向する面と、
   が向かい合うように前記第１の基板と前記第２の基板とが固定されていることを特徴とする請求項４に記載の位相格子。
7. 前記第１の基板と前記第２の基板との少なくともいずれかにはアライメントマークが設けられていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の位相格子。
8. 前記第１の基板と前記第２の基板とのそれぞれは、オリエンテーションフラットを有するウェハーであり、
   前記第１の位相変調パターンは、前記第３の方向から前記第１の基板をみたときに、前記第１の方向と前記第１の基板の前記オリエンテーションフラットとが交差するように配置されており、
   前記第２の位相変調パターンは、前記第３の方向から前記第２の基板をみたときに、前記第２の方向と前記第２の基板の前記オリエンテーションフラットとが交差するように配置されており、
   前記第１の基板と前記第２の基板とは、
   前記第１の基板のオリエンテーションフラットと前記第２の基板のオリエンテーションフラットとがアライメント平面と接するように固定されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の位相格子。
9. 第３の方向において、前記第１の位相変調パターンと、前記第２の位相変調パターンとの間に間隙があり、
   前記第１の位相変調パターンの周期と、前記第２の位相変調パターンの周期とが異なることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の位相格子。
10. Ｘ線源からのＸ線の位相を変調して干渉パターンを形成する位相格子と、
    前記干渉パターンを形成するＸ線の少なくとも一部を検出する検出器とを備え、
    前記位相格子は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の位相格子であるＸ線トールボット干渉計。
11. Ｘ線源からのＸ線の位相を変調して干渉パターンを形成する位相格子と、
    前記干渉パターンを形成するＸ線を検出する検出器とを備え、
    前記位相格子は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の位相格子であり、
    前記Ｘ線源と前記第１の位相変調パターンとの距離をＬ１ａ、
    前記第１の位相変調パターンと前記検出器の距離をＬ２ａ、
    前記Ｘ線源と前記第２の位相変調パターンとの距離をＬ１ｂ、
    前記第２の位相変調パターンと前記検出器の距離をＬ２ｂ、
    前記第１の位相変調パターンの周期をｆ１、
    前記第２の位相変調パターンの周期をｆ２、とすると、
    下記式が成立することを特徴とするＸ線トールボット干渉計。
    ｆ２×（Ｌ２ａ＋Ｌ２ｂ）÷Ｌ２ａ＝ｆ１×（Ｌ１ａ＋Ｌ１ｂ）÷Ｌ１ａ
12. Ｘ線源からのＸ線の位相を変調して干渉パターンを形成する位相格子と、
    前記干渉パターンを形成するＸ線の一部を遮蔽する遮蔽格子と、
    前記遮蔽格子からのＸ線を検出する検出器とを備え、
    前記位相格子は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の位相格子であり、
    前記Ｘ線源と前記第１の位相変調パターンとの距離をＬ１ａ、
    前記第１の位相変調パターンと前記遮蔽格子の距離をＬ２ａ、
    前記Ｘ線源と前記第２の位相変調パターンとの距離をＬ１ｂ、
    前記第２の位相変調パターンと前記遮蔽格子の距離をＬ２ｂ、
    前記第１の位相変調パターンの周期をｆ１、
    前記第２の位相変調パターンの周期をｆ２、とすると、
    下記式が成立することを特徴とするＸ線トールボット干渉計。
    ｆ２×（Ｌ２ａ＋Ｌ２ｂ）÷Ｌ２ａ＝ｆ１×（Ｌ１ａ＋Ｌ１ｂ）÷Ｌ１ａ

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