JP5004100B2 - Ｘ線分解能評価用ファントム - Google Patents
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Description
本発明は、Ｘ線撮像装置の撮像特性を評価または校正するための基準を構成するＸ線分解能評価用ファントムに関する。
物質の透過力が高いＸ線を使ったイメージングは、医療診断のほか、工業材料、電子部品等の非破壊検査の分野で幅広く使われている。特に、非破壊検査の分野では、焦点サイズがミクロンオーダーのマイクロフォーカスＸ線発生器の開発が進み、空間分解能が大幅に向上してきた。
さらに、測定対象が従来の金属部品から錠剤、生体、高分子、繊維、ファインセラミックスなどに遷移し、特にバイオ医薬、化粧品、食品関連での応用まで広がっている。これらバイオ医薬、化粧品、食品関連等の柔らかい物質は原子番号の低い元素、すなわちＸ線吸収の少ない材質で構成されることが多い。
Ｘ線画像での空間分解能はＸ線吸収差にも依存するため、空間分解能の評価に加え、Ｘ線吸収のわずかな差異を識別するための、濃度またはコントラスト分解能の同時評価が重要となる。
さらに、測定対象が従来の金属部品から錠剤、生体、高分子、繊維、ファインセラミックスなどに遷移し、特にバイオ医薬、化粧品、食品関連での応用まで広がっている。これらバイオ医薬、化粧品、食品関連等の柔らかい物質は原子番号の低い元素、すなわちＸ線吸収の少ない材質で構成されることが多い。
Ｘ線画像での空間分解能はＸ線吸収差にも依存するため、空間分解能の評価に加え、Ｘ線吸収のわずかな差異を識別するための、濃度またはコントラスト分解能の同時評価が重要となる。
しかし、現在利用できるＸ線チャートは、２次元パターンをＸ線照射方向に垂直に立てて投影するもので、空間分解能のみの評価に用いられている（非特許文献２、３参照）。
図８に従来のＸ線空間分解能チャートの例を示す。図８では、縦横の寸法がＷとＬ１の短冊６をＷの間隔で連続して並列配置してＸ線チャートを形成し、このチャートの短冊面に垂直にＸ線５を照射し、短冊６を透過するＸ線量を測定する。
また、非特許文献５には面積型正弦波マスクによる１次元ＭＴＦの測定方法が示されている。しかしＸ線用の分解能ファントム作成に関するものではない。
医療用Ｘ線ＣＴでは、高コントラスト用および低コントラスト用のファントム（３次元モデル）が学会等から提案され（非特許文献６、非特許文献７参照）、ＪＩＳ等でも規格化されている（非特許文献８参照）。
図８に従来のＸ線空間分解能チャートの例を示す。図８では、縦横の寸法がＷとＬ１の短冊６をＷの間隔で連続して並列配置してＸ線チャートを形成し、このチャートの短冊面に垂直にＸ線５を照射し、短冊６を透過するＸ線量を測定する。
また、非特許文献５には面積型正弦波マスクによる１次元ＭＴＦの測定方法が示されている。しかしＸ線用の分解能ファントム作成に関するものではない。
医療用Ｘ線ＣＴでは、高コントラスト用および低コントラスト用のファントム（３次元モデル）が学会等から提案され（非特許文献６、非特許文献７参照）、ＪＩＳ等でも規格化されている（非特許文献８参照）。
非特許文献４には銅２ｍｍ、アルミ６．１ｍｍ〜２５ｍｍ、ＰＭＭＡ 等がΦ１０〜Φ１１の円盤／穴等による一次元配列で、コントラスト比１％〜２０％ で減弱させる試験器具が示されている。医療用Ｘ線ＣＴ用でサイズが大きく、マイクロフォーカスＸ線検査用ではない。
非特許文献７には低コントラスト、高コントラスト分解能測定用具の具体的な形状、材質が示されているが、これらのサイズは医療用Ｘ線ＣＴを目的としたもので、直径も１００ｍｍを超えるものが多い。
非特許文献８には医療診断用Ｘ線ＣＴ装置の性能評価を行うためのファントムについての規格が示されている。しかしマイクロフォーカスＸ線検査用ではない。
これらは、医療用Ｘ線ＣＴ装置による診断を目的とした用途であるため、識別すべき空間分解能は数ミリから数百ミクロンのオーダーであり、マイクロフォーカスＸ線発生器を用いた検査システムの空間分解能より遙かに大きい。
非特許文献７には低コントラスト、高コントラスト分解能測定用具の具体的な形状、材質が示されているが、これらのサイズは医療用Ｘ線ＣＴを目的としたもので、直径も１００ｍｍを超えるものが多い。
非特許文献８には医療診断用Ｘ線ＣＴ装置の性能評価を行うためのファントムについての規格が示されている。しかしマイクロフォーカスＸ線検査用ではない。
これらは、医療用Ｘ線ＣＴ装置による診断を目的とした用途であるため、識別すべき空間分解能は数ミリから数百ミクロンのオーダーであり、マイクロフォーカスＸ線発生器を用いた検査システムの空間分解能より遙かに大きい。
一方、従来の非破壊検査用の高分解能マイクロフォーカスＸ線検査システムは、空間分解能を個別に評価する方法を備えていたが、この方法は空間分解能にとって重要な影響を与えるコントラストを適切に且つ同時に評価するものではなかった。
例えば、空間分解能とコントラスト分解能を同時に評価する従来の方法としては、濃淡のパターンを持つ可視光の２次元チャートが提案されている（特許文献１、非特許文献１参照）。特許文献１は、画像処理装置、階調変換特性設定方法及びプログラムに関し、画像処理装置上で「コントラスト（階調特性）と空間周波数のテストチャート」（２次元パターン）を、視覚特性に応じて変更する表示法とテストチャートの作成方法を開示している。しかし、可視光用でＸ線用ではない。また、非特許文献１は、空間周波数とコントラストを測定するクサビ型図形のあるテストチャートで、開発された装置の画面上で表示するものとなっている。しかしこれも可視光用でＸ線用ではない。このように、これらは可視光のみに適用可能で、波長が可視光の１／１０００以下で透過性の高いＸ線による撮影には使用できない。
例えば、空間分解能とコントラスト分解能を同時に評価する従来の方法としては、濃淡のパターンを持つ可視光の２次元チャートが提案されている（特許文献１、非特許文献１参照）。特許文献１は、画像処理装置、階調変換特性設定方法及びプログラムに関し、画像処理装置上で「コントラスト（階調特性）と空間周波数のテストチャート」（２次元パターン）を、視覚特性に応じて変更する表示法とテストチャートの作成方法を開示している。しかし、可視光用でＸ線用ではない。また、非特許文献１は、空間周波数とコントラストを測定するクサビ型図形のあるテストチャートで、開発された装置の画面上で表示するものとなっている。しかしこれも可視光用でＸ線用ではない。このように、これらは可視光のみに適用可能で、波長が可視光の１／１０００以下で透過性の高いＸ線による撮影には使用できない。
近年、測定対象として関心が高まっている生体、高分子、樹脂、繊維、食品、医薬品類を対象とした場合、Ｘ線画像の空間分解能とコントラスト分解能を同時に評価できる適正なテストファントムを作ることにより、各装置のパラメータ調整を効率良く行うことが可能となるとともに、高効率のＸ線画像解析システムを開発することにもつながる。
そこで、マイクロフォーカスＸ線投影およびトモグラフィ撮像システムの空間分解能およびコントラスト分解能を同時に評価することが可能となるよう、ミクロンオーダーの空間分解能とコントラスト分解能を同時に評価できる３次元パターンモデル（ファントム）を作成することが必要となる。
そこで、マイクロフォーカスＸ線投影およびトモグラフィ撮像システムの空間分解能およびコントラスト分解能を同時に評価することが可能となるよう、ミクロンオーダーの空間分解能とコントラスト分解能を同時に評価できる３次元パターンモデル（ファントム）を作成することが必要となる。
本発明の目的は、高分解能マイクロフォーカスＸ線検査システムのための、空間分解能とコントラスト分解能を同時に評価できるＸ線分解能評価用ファントムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明のＸ線分解能評価用ファントムは以下の解決手段を採用する。
（１） Ｘ線透過方向の距離または材質を変えることでコントラスト（濃度）分解能を任意に変えると同時に空間分解能を評価できるようにするＸ線分解能評価用ファントム：
従来のＸ線分解能チャートとしては、金やタングステン、タンタルなどＸ線の透過しにくい金属薄膜から一定幅のスリットを切除したり、シリコンまたはシリコンチッ化物の薄膜に厚みが同じで一定幅の矩形パターンを蒸着して、Ｘ線が透過する領域と遮断される領域を交互に設けた２次元パターンのものが殆どである。
（１） Ｘ線透過方向の距離または材質を変えることでコントラスト（濃度）分解能を任意に変えると同時に空間分解能を評価できるようにするＸ線分解能評価用ファントム：
従来のＸ線分解能チャートとしては、金やタングステン、タンタルなどＸ線の透過しにくい金属薄膜から一定幅のスリットを切除したり、シリコンまたはシリコンチッ化物の薄膜に厚みが同じで一定幅の矩形パターンを蒸着して、Ｘ線が透過する領域と遮断される領域を交互に設けた２次元パターンのものが殆どである。
この場合、Ｘ線は２次元パターンに対して垂直方向から照射され、その２次元透過像が検出器に投影される。Ｘ線がほぼ完全に透過する部分、例えば矩形部分とほぼ完全に遮蔽される部分、例えば矩形部分が交互に投影されるので、グレースケール画像では、線幅の異なる白と黒のパターンが交互に表れる。この画像から空間分解能の指標と成るＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を求め、空間分可能を評価するのが一般的な方法である（非特許文献２、５参照）。ＭＴＦは、検出面に記録された透過像の輝度の最大値をＬｍａｘ、最小値をＬｍｉｎとして、下記数１の式
と求められる。ここで、ＭＴＦとは被写体の持つコントラストを像面上でどのくらい再現できるかを表わすものである。ＭＴＦ曲線は、濃淡画像の輝度値の差から得られるコントラストと、空間周波数の関係を表わす。
コントラストが低い場合は、分子の（Ｌｍａｘ―Ｌｍｉｎ）が小さくなるので、ＭＴＦが低下し、空間分解能が低下する。ここで述べたように、Ｘ線画像のＭＴＦ値は、白黒の濃淡（コントラスト）の影響を受ける。つまり、白と黒のパターンでは高コントラストとなり、高い空間分解能まで識別可能となるが、灰色と黒のパターンではコントラストが低下し、同じ線幅のパターンでも、高コントラストの場合ほどＭＴＦ値が高くならない。
従来のマイクロフォーカスＸ線検査では、測定対象が半導体基板や鉱物、骨など、材料のコントラストが高い組成のものが多かったために、高コントラスト領域の空間分解能を評価すれば実用上十分であったが、近年、マイクロフォーカスＸ線検査では、生体材料や高分子ポリマー、食物、医薬品など、低コントラストの材料で構成される測定対象が増えてきた。これらの微細構造を評価する場合、従来の高コントラスト空間分解能の評価法を適用することはできないため、低コントラストで空間分解能を評価する分解能ファントムが必要となる。
従来のマイクロフォーカスＸ線検査では、測定対象が半導体基板や鉱物、骨など、材料のコントラストが高い組成のものが多かったために、高コントラスト領域の空間分解能を評価すれば実用上十分であったが、近年、マイクロフォーカスＸ線検査では、生体材料や高分子ポリマー、食物、医薬品など、低コントラストの材料で構成される測定対象が増えてきた。これらの微細構造を評価する場合、従来の高コントラスト空間分解能の評価法を適用することはできないため、低コントラストで空間分解能を評価する分解能ファントムが必要となる。
そこで、本願発明ではＸ線透過方向の距離または材質を変えることでコントラスト（濃度）分解能を任意に変えるとともに、空間分解能を同時に評価できる３次元パターンモデルを作成し、生体材料や高分子材料等の低コントラストの測定対象に適用できる分解能評価方法を提案する。
なお、医療用では低コントラスト、高コントラストファントムがあるが、サイズがミクロンオーダーのマイクロフォーカスＸ線検査用ではない（非特許文献６〜８）。
なお、医療用では低コントラスト、高コントラストファントムがあるが、サイズがミクロンオーダーのマイクロフォーカスＸ線検査用ではない（非特許文献６〜８）。
（２） ファントムを構成するパターン要素の材質は同じで、面積および体積を調整することにより、Ｘ線減衰量を可変にする体積型直方体Ｘ線分解能評価用ファントム：
微細加工パターンの製造上、モデルを構成する要素の材質が同一のものであれば製造工程を簡素化できるので、パターンをすべて同一の素材で作成する。
この場合、パターン基板面と平行の方向からＸ線を照射し、Ｘ線透過方向の厚みを任意に変えることで、検出面上の投影コントラストを調節する。
また、同時に、パターン基板面内のパターン幅を調節することによって、空間分解能を変える。このような３次元パターンモデルによって、空間分解能とコントラスト分解能を同時に評価できるようになる。
微細加工パターンの製造上、モデルを構成する要素の材質が同一のものであれば製造工程を簡素化できるので、パターンをすべて同一の素材で作成する。
この場合、パターン基板面と平行の方向からＸ線を照射し、Ｘ線透過方向の厚みを任意に変えることで、検出面上の投影コントラストを調節する。
また、同時に、パターン基板面内のパターン幅を調節することによって、空間分解能を変える。このような３次元パターンモデルによって、空間分解能とコントラスト分解能を同時に評価できるようになる。
（３） ファントムを構成するパターン要素の面積および体積は同じで、材質を変えることにより、Ｘ線エネルギー吸収を可変にする材質型直方体Ｘ線分解能評価用ファントム：
パターン構成要素の材質として異なるものをもちいる場合、Ｘ線透過方向の厚みが同じであっても、材料の選択により、検出面上の投影コントラストを任意に調節できる。
Ｘ線吸収係数の異なる材質の組み合わせとして、Ｘ線エネルギーに応じて、エポキシ等の高分子材料、ポリマー、プラスチック、金属、金属化合物、合金、セラミック、液体、気体等の中から、所望のコントラスト比を与える材料を選択する。この場合も、同時に、パターン基板面内のパターン幅を調節することによって、空間分解能を変える。このような３次元パターンモデルによって、空間分解能とコントラスト分解能を同時に評価できるようにする。
パターン構成要素の材質として異なるものをもちいる場合、Ｘ線透過方向の厚みが同じであっても、材料の選択により、検出面上の投影コントラストを任意に調節できる。
Ｘ線吸収係数の異なる材質の組み合わせとして、Ｘ線エネルギーに応じて、エポキシ等の高分子材料、ポリマー、プラスチック、金属、金属化合物、合金、セラミック、液体、気体等の中から、所望のコントラスト比を与える材料を選択する。この場合も、同時に、パターン基板面内のパターン幅を調節することによって、空間分解能を変える。このような３次元パターンモデルによって、空間分解能とコントラスト分解能を同時に評価できるようにする。
（４） 感光性樹脂のエッチングで微細パターンを加工する３次元パターンＸ線分解能評価用ファントム：
高さ１００ミクロンオーダー、縦幅１０ミクロンオーダー、横幅５０ミクロンオーダーの直方体を、主ブロックと副ブロックの組み合わせが３個以上となるように配置する微細加工方法として、エポキシ樹脂ベースの感光性樹脂をエッチングする方法を使用する。
例えば、シリコン基板表面に感光性樹脂をスピンコートし、固化させた後に、紫外線（Ｉ線：３６５ｎｍ）で露光し、現像、リンス、乾燥の工程を経て、上記３次元パターンを複数個、基板上に作成する（図１）。その後、各パターンをＸ線計測に適する形状に切り出し、コントラスト分解能および空間分解能の同時評価に供する。
高さ１００ミクロンオーダー、縦幅１０ミクロンオーダー、横幅５０ミクロンオーダーの直方体を、主ブロックと副ブロックの組み合わせが３個以上となるように配置する微細加工方法として、エポキシ樹脂ベースの感光性樹脂をエッチングする方法を使用する。
例えば、シリコン基板表面に感光性樹脂をスピンコートし、固化させた後に、紫外線（Ｉ線：３６５ｎｍ）で露光し、現像、リンス、乾燥の工程を経て、上記３次元パターンを複数個、基板上に作成する（図１）。その後、各パターンをＸ線計測に適する形状に切り出し、コントラスト分解能および空間分解能の同時評価に供する。
（５） 同一素材で構成され、Ｘ線透過方向の厚みがステップ状、または、連続的に変化する、高さが１００ミクロンオーダーの３次元パターンモデル：
コントラスト分解能の微小な変化を、段階的または連続的に評価するために、同一素材で構成され、Ｘ線透過方向の厚みがステップ状または連続的に変化する３次元パターンモデルを作成する（図５）。例えば、上記（４）に述べた感光性樹脂のエッチング加工により、厚みをステップ状または連続的に任意に変えることで、Ｘ線透過率を調節し、コントラスト分解能を評価できるようにする。
コントラスト分解能の微小な変化を、段階的または連続的に評価するために、同一素材で構成され、Ｘ線透過方向の厚みがステップ状または連続的に変化する３次元パターンモデルを作成する（図５）。例えば、上記（４）に述べた感光性樹脂のエッチング加工により、厚みをステップ状または連続的に任意に変えることで、Ｘ線透過率を調節し、コントラスト分解能を評価できるようにする。
具体的には、課題解決手段は以下のようになる。
（１）ファントムは、基板と該基板上に設けた複数のブロックからなるＸ線分解能評価用ファントムであって、前記ブロックは、前記基板に垂直な方向の高さが一定の感光性樹脂からなる主ブロックと副ブロックを、前記基板上の一方向に交互に並列に連続して配置し、前記一方向と直交する方向の両端に前記基板に垂直なＸ線入射端面とＸ線出射端面を有し、かつ、前記Ｘ線入射端面から入射し前記Ｘ線出射端面から出射するＸ線の減衰量を、前記主ブロックおよび副ブロック間で異なるように構成する。
（２）前記Ｘ線入射端面から入射し前記Ｘ線出射端面から出射するＸ線の減衰量を、交互に配置された主ブロックと副ブロックの長さを変化させることにより両ブロック間で異なるように構成する。
（３）前記主ブロックおよび前記副ブロックを、それらの配置方向の幅と、前記Ｘ線入射端面から前記Ｘ線出射端面までのＸ線透過方向の長さが任意に設定された矩形状に形成することにより、前記Ｘ線入射端面から入射し前記Ｘ線出射端面から出射するＸ線の放射方向の投影面積と減衰量を、両ブロック間で異なるように構成されている。
（１）ファントムは、基板と該基板上に設けた複数のブロックからなるＸ線分解能評価用ファントムであって、前記ブロックは、前記基板に垂直な方向の高さが一定の感光性樹脂からなる主ブロックと副ブロックを、前記基板上の一方向に交互に並列に連続して配置し、前記一方向と直交する方向の両端に前記基板に垂直なＸ線入射端面とＸ線出射端面を有し、かつ、前記Ｘ線入射端面から入射し前記Ｘ線出射端面から出射するＸ線の減衰量を、前記主ブロックおよび副ブロック間で異なるように構成する。
（２）前記Ｘ線入射端面から入射し前記Ｘ線出射端面から出射するＸ線の減衰量を、交互に配置された主ブロックと副ブロックの長さを変化させることにより両ブロック間で異なるように構成する。
（３）前記主ブロックおよび前記副ブロックを、それらの配置方向の幅と、前記Ｘ線入射端面から前記Ｘ線出射端面までのＸ線透過方向の長さが任意に設定された矩形状に形成することにより、前記Ｘ線入射端面から入射し前記Ｘ線出射端面から出射するＸ線の放射方向の投影面積と減衰量を、両ブロック間で異なるように構成されている。
（４）主ブロックおよび副ブロックは、前記Ｘ線入射端面からＸ線出射端面にわたって断面Ｅ字形又はπ字形に形成されている。
（５）主ブロックおよび副ブロックは、それぞれ、すべて同じ材質で、Ｘ線入射端面からＸ線出射端面までのＸ線透過方向の長さをＸ線減衰量が同じにならないようにステップ状に異ならせる。
（６）主ブロックおよび副ブロックは、それぞれ、すべて同じ材質で、Ｘ線入射端面からＸ線出射端面までのＸ線透過方向の長さをＸ線減衰量が同じにならないように連続的に異ならせる。
（７）主ブロックは、それぞれ、すべて同じ材質で、Ｘ線入射端面からＸ線出射端面までの長さをＸ線減衰量が同じにならないように異ならせる。
（８）主ブロックおよび副ブロックは、すべて同じ形状で、それぞれの材質をＸ線減衰量が同じにならないように異ならせる。
（９）主ブロックおよび副ブロックをエッチング処理された感光性樹脂とする。
（５）主ブロックおよび副ブロックは、それぞれ、すべて同じ材質で、Ｘ線入射端面からＸ線出射端面までのＸ線透過方向の長さをＸ線減衰量が同じにならないようにステップ状に異ならせる。
（６）主ブロックおよび副ブロックは、それぞれ、すべて同じ材質で、Ｘ線入射端面からＸ線出射端面までのＸ線透過方向の長さをＸ線減衰量が同じにならないように連続的に異ならせる。
（７）主ブロックは、それぞれ、すべて同じ材質で、Ｘ線入射端面からＸ線出射端面までの長さをＸ線減衰量が同じにならないように異ならせる。
（８）主ブロックおよび副ブロックは、すべて同じ形状で、それぞれの材質をＸ線減衰量が同じにならないように異ならせる。
（９）主ブロックおよび副ブロックをエッチング処理された感光性樹脂とする。
従来のＸ線解像度チャートは、ラインアンドスペース型やスター型（化成オプトロニクス社製、Ｘ線テストチャート各種、日本検査機器工業会、ＪＩＭＡ ＲＴ ＲＣ−０２チャート等）と呼ばれるような矩形および放射状の２次元平面パターンを、基板に対して垂直方向からＸ線照射して検出面上に濃淡のパターンを投影するものであるため、パターンの形状が、材質と厚みに応じた輝度として記録される。
図９は従来のＸ線空間分解能チャート撮影図である。図９（ａ）は、ラインアンドスペース型で、互いにパターン７が異なり、線幅と線の間隔（スペース）で空間分解能を表示する例で、Ｘ線を透過するか否かで表示が変化する。図９（ｂ）のパターン８は図９（ａ）に示されるような一般的なパターンの拡大図である。（但し図９（ｂ）は図９（ａ）の要部拡大図ではない）。図９（ｃ）は、放射状スター型のパターン９である。
図９は従来のＸ線空間分解能チャート撮影図である。図９（ａ）は、ラインアンドスペース型で、互いにパターン７が異なり、線幅と線の間隔（スペース）で空間分解能を表示する例で、Ｘ線を透過するか否かで表示が変化する。図９（ｂ）のパターン８は図９（ａ）に示されるような一般的なパターンの拡大図である。（但し図９（ｂ）は図９（ａ）の要部拡大図ではない）。図９（ｃ）は、放射状スター型のパターン９である。
このようなチャートは、厚みおよび材質が均一であるため、パターンごとの濃淡の調節はできない。厚みを変えたパターンを複数種類作成し、繰り返し撮影して比較することも可能であるが、同一画面内での比較はできない。
特に、コントラスト差が小さくなってくると、撮影回数が異なるたびに統計的なＸ線フォトンの変動や検出系のドリフトのために、コントラストの比較が難しくなってくる。そのために、同じ条件の同一撮影回数で、同一画像内で複数のコントラストおよび空間分解能を比較できる方法にすると正確に評価できるようになる。
また、これまで、Ｘ線減衰をステップ的または連続的に増加させて、Ｘ線撮像系のコントラストを評価するファントムはなかった。
特に、コントラスト差が小さくなってくると、撮影回数が異なるたびに統計的なＸ線フォトンの変動や検出系のドリフトのために、コントラストの比較が難しくなってくる。そのために、同じ条件の同一撮影回数で、同一画像内で複数のコントラストおよび空間分解能を比較できる方法にすると正確に評価できるようになる。
また、これまで、Ｘ線減衰をステップ的または連続的に増加させて、Ｘ線撮像系のコントラストを評価するファントムはなかった。
さらには、通常これらの２次元パターンはパターン保護材となるプラスチックやポリカーボネイト膜等に挟まれており、Ｘ線エネルギーが低い場合は、保護材の厚みによる減衰を含めた投影像が得られることになり、コントラストの正確な調節が困難となる。
これに対して、本願発明の３次元パターンモデルは、シリコン基板上に約１００ミクロンの高さの直方体として整形され、それを基板平面と平行な方向からＸ線を照射して検出面に拡大投影することにより、プラスチック等のパターン保護材の減衰の影響を受けずに、整形したパターンの厚みまたは材質によるＸ線減衰だけを反映した投影像が得られる。
さらに、感光性樹脂のエッチングを使う際に、マスクパターンの設計・製作において、コントラストや空間分解能を調節した様々なパターンを加工することで、一回のエッチング処理で複数のコントラストおよび空間分解能評価パターンを作成できるので、Ｘ線による画像計測時において各種パラメータの設定変更の時間や回数がはるかに軽減できる利点がある。
これに対して、本願発明の３次元パターンモデルは、シリコン基板上に約１００ミクロンの高さの直方体として整形され、それを基板平面と平行な方向からＸ線を照射して検出面に拡大投影することにより、プラスチック等のパターン保護材の減衰の影響を受けずに、整形したパターンの厚みまたは材質によるＸ線減衰だけを反映した投影像が得られる。
さらに、感光性樹脂のエッチングを使う際に、マスクパターンの設計・製作において、コントラストや空間分解能を調節した様々なパターンを加工することで、一回のエッチング処理で複数のコントラストおよび空間分解能評価パターンを作成できるので、Ｘ線による画像計測時において各種パラメータの設定変更の時間や回数がはるかに軽減できる利点がある。
本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
（製造方法）
３次元パターンモデルの制作方法の例として、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、微小電気機械素子およびその創製技術）等の製作に用いられているエポキシ樹脂ベースの感光性樹脂のエッチング手法を採用する例を説明する。
この製造方法では、まず所望の製図パターンを転写した厚さ０．０６インチ、大きさ５ｘ５インチ角のクロム製フォトマスクを作成する。
図１は石英ガラス基板上のクロム製フォトマスクパターンの説明図である。
マスクパターン１０は、クロム製フォトマスク１１が石英基板１２上に貼り付けられて構成されている。クロム製フォトマスク１１には、下記に示す矩形ブロック等の３次元パターンに対応した開孔１３が１０×２０個設けられている。それぞれの開孔１３は後記するようにＸ線透過量が所望の漸次減少する特性又は漸次増加する特性となるように矩形ブロック等の３次元パターンに対応した形状に形成されている。
３次元パターンモデルの制作方法の例として、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、微小電気機械素子およびその創製技術）等の製作に用いられているエポキシ樹脂ベースの感光性樹脂のエッチング手法を採用する例を説明する。
この製造方法では、まず所望の製図パターンを転写した厚さ０．０６インチ、大きさ５ｘ５インチ角のクロム製フォトマスクを作成する。
図１は石英ガラス基板上のクロム製フォトマスクパターンの説明図である。
マスクパターン１０は、クロム製フォトマスク１１が石英基板１２上に貼り付けられて構成されている。クロム製フォトマスク１１には、下記に示す矩形ブロック等の３次元パターンに対応した開孔１３が１０×２０個設けられている。それぞれの開孔１３は後記するようにＸ線透過量が所望の漸次減少する特性又は漸次増加する特性となるように矩形ブロック等の３次元パターンに対応した形状に形成されている。
なお、このマスクパターンに基づいて露光・エッチング処理される感光性樹脂パターンは、例えば、１列または１個ずつに切り分けられてＸ線透過量の測定又は評価に用いられる。このクロム製フォトマスク１１をステッパー等の周知な露光装置（図示省略）を用いて感光性樹脂（図示省略）上に裁置し、紫外線（図示省略）のＩ線によって感光性樹脂（図示省略）にパターンを露光する。
感光性樹脂としては、Ｘ線撮像を容易にできるように、幅の狭いパターンに対しても高さを高くできるよう、高アスペクト比のパターン作製の要件に適したエポキシ樹脂を用いる。この要件を満たす樹脂として、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、多官能エポキシ樹脂等を主成分とするものを用いる。これらのうち、主成分がビスフェノールＡ型ノボラックであるＳＵ−８ ３０００ （Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｅｐｏｘｙ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ：Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ Ｃｏｒｐ．製） を改良したＳＵ−８ ３０５０（日本化薬（株）製）を用いた。
感光性樹脂としては、Ｘ線撮像を容易にできるように、幅の狭いパターンに対しても高さを高くできるよう、高アスペクト比のパターン作製の要件に適したエポキシ樹脂を用いる。この要件を満たす樹脂として、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、多官能エポキシ樹脂等を主成分とするものを用いる。これらのうち、主成分がビスフェノールＡ型ノボラックであるＳＵ−８ ３０００ （Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｅｐｏｘｙ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ：Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ Ｃｏｒｐ．製） を改良したＳＵ−８ ３０５０（日本化薬（株）製）を用いた。
エッチングパターンは、以下の処理手順で作製した。
エッチング処理手順：
１．基板前処理：
基板となるＳｉｌｉｃｏｎ（シリコン）円板表面を洗浄剤で処理する。
２．塗布処理：
（１）適量の塗布量（例えば、５ｍリットル）のレジストをほぼ円盤中心に塗布、
（２）プレスピン（例えば、約５秒間の回転（トップスピン以下の回転数））の遠心力でレジスト全面に塗布、
（３）トップスピン（例えば、膜厚が約１００μｍになるよう、３０秒間、１２５０ｒｐｍ）の回転速度を保持する。
３．ソフトベーク：
塗布されたレジストの円板が加熱むらにならないようにしてホットプレートに設置し適切な時間加熱する（例えば、約３０分間）。
４．膜厚測定：
必要に応じて、ベークの完了した感光性樹脂膜の膜厚を測定する。
５．露光：
感光性樹脂膜を露光装置内に配置し、紫外線Ｉ線（３６５ｎｍ）によって約１分間、フォトマスクを介して感光性樹脂膜を露光する。
６．露光後ベーク（ＰＥＢ、ｐｏｓｔ ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｂａｋｅｒｙ）：
感光性樹脂膜の露光部の膜を約５分間加熱（ベーク）する。
７．現像：
加熱後の感光性樹脂膜を、有機溶剤中に約１０分間ディッピングを行う。
８．リンスおよび乾燥：
現像後の感光性樹脂膜を、フレッシュな現像液で表面の洗い流しを行い、ＩＰＡ溶液で現像液の除去をし、清浄な窒素ガスや空気等でＩＰＡを除去し、乾燥させる。
エッチング処理手順：
１．基板前処理：
基板となるＳｉｌｉｃｏｎ（シリコン）円板表面を洗浄剤で処理する。
２．塗布処理：
（１）適量の塗布量（例えば、５ｍリットル）のレジストをほぼ円盤中心に塗布、
（２）プレスピン（例えば、約５秒間の回転（トップスピン以下の回転数））の遠心力でレジスト全面に塗布、
（３）トップスピン（例えば、膜厚が約１００μｍになるよう、３０秒間、１２５０ｒｐｍ）の回転速度を保持する。
３．ソフトベーク：
塗布されたレジストの円板が加熱むらにならないようにしてホットプレートに設置し適切な時間加熱する（例えば、約３０分間）。
４．膜厚測定：
必要に応じて、ベークの完了した感光性樹脂膜の膜厚を測定する。
５．露光：
感光性樹脂膜を露光装置内に配置し、紫外線Ｉ線（３６５ｎｍ）によって約１分間、フォトマスクを介して感光性樹脂膜を露光する。
６．露光後ベーク（ＰＥＢ、ｐｏｓｔ ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｂａｋｅｒｙ）：
感光性樹脂膜の露光部の膜を約５分間加熱（ベーク）する。
７．現像：
加熱後の感光性樹脂膜を、有機溶剤中に約１０分間ディッピングを行う。
８．リンスおよび乾燥：
現像後の感光性樹脂膜を、フレッシュな現像液で表面の洗い流しを行い、ＩＰＡ溶液で現像液の除去をし、清浄な窒素ガスや空気等でＩＰＡを除去し、乾燥させる。
（Ｘ線分解能評価用ファントムモデル）
本発明のＸ線分解能評価用ファントムモデルについては、種々の条件に応じたモデルがあるが、ここでは同じ材質でＸ線透過距離を変えた３次元パターンモデル１について、パターンを一般化した場合の状況を図２に示す。
３次元パターンモデル（Ｘ線分解能評価用ファントム）は、そのパターン形状に応じて、矩形ブロックモデル、断面Ｅ形ブロックモデル等種々の形状のものを含む。
本発明のＸ線分解能評価用ファントムモデルについては、種々の条件に応じたモデルがあるが、ここでは同じ材質でＸ線透過距離を変えた３次元パターンモデル１について、パターンを一般化した場合の状況を図２に示す。
３次元パターンモデル（Ｘ線分解能評価用ファントム）は、そのパターン形状に応じて、矩形ブロックモデル、断面Ｅ形ブロックモデル等種々の形状のものを含む。
図２は複数の矩形ブロック３を基板４上にＹ軸方向に並置した３次元パターンモデル（Ｘ線分解能評価用ファントム）１のうちの矩形ブロックモデル２である。
この例の場合、矩形ブロック３は、主矩形ブロック３ａ、副矩形ブロック３ｂ、主矩形ブロック・・・、主矩形ブロック３ｎ（ｎは任意の正数）を基板２上にＹ軸方向に並置する。但し、図２では、紙面の制約から主ブロック３ｇまでの表示となっている。
矩形ブロック３のそれぞれは、この例の場合Ｙ軸方向の幅が同じ幅Ｗで、Ｚ軸方向の高さが同じ高さＨで、Ｘ軸方向の長さを変えることで必要な透過Ｘ線量を得ることができるが長さ、例えば、長さＬ１、Ｌ２等、に変えた直方体の感光性樹脂パターンからなる。但し、主矩形ブロックと副矩形ブロックの配列順番、数等は必要とするＸ線透過量特性に応じて適宜設定できる。
この例の場合、矩形ブロック３は、主矩形ブロック３ａ、副矩形ブロック３ｂ、主矩形ブロック・・・、主矩形ブロック３ｎ（ｎは任意の正数）を基板２上にＹ軸方向に並置する。但し、図２では、紙面の制約から主ブロック３ｇまでの表示となっている。
矩形ブロック３のそれぞれは、この例の場合Ｙ軸方向の幅が同じ幅Ｗで、Ｚ軸方向の高さが同じ高さＨで、Ｘ軸方向の長さを変えることで必要な透過Ｘ線量を得ることができるが長さ、例えば、長さＬ１、Ｌ２等、に変えた直方体の感光性樹脂パターンからなる。但し、主矩形ブロックと副矩形ブロックの配列順番、数等は必要とするＸ線透過量特性に応じて適宜設定できる。
それぞれの矩形ブロック３ａ、３ｂ、・・・、３ｎのＸ軸方向端面は、同じＸ線入射面３Ａおよび同じＸ線出射面３Ｂとなるようにすべて同じ形状に形成されている。Ｘ線は基板面と平行に入射するので、入射面３Ａと出射面３Ｂは透過Ｘ線の効果が判断しやすいように基板２に垂直になるように形成される。
一般にＸ線発生器からのＸ線は平行ビームではないが、Ｘ線焦点から十分離れた位置に測定物を配置することで、近似的に平行ビームとみなすことができる。
ここで、Ｘ線透過効果の説明のため、Ｘ軸方向の長さをＬ１とＬ２とした矩形ブロック３ａ、３ｂの場合について説明する。
これらの矩形ブロック３ａ、３ｂでは、Ｘ線透過距離はそれぞれＬ１、Ｌ２となる。材質は同じＳＵ−８ ３０５０なので、Ｘ線が直方体の入射面３Ａから照射されるとき、これらのＸ軸方向の長さに応じてＸ線減衰がきまる。
Ｌ１とＬ２の長さの比を任意に変えることによって、コントラスト差を任意に設定することができる。代表的なケースとして、１）Ｌ１＞Ｌ２（Ｅ型）、２）Ｌ１＜Ｌ２（π型）、３）Ｌ２＝０（｜｜型）などが考えられる。
また、幅Ｗを変えることにより、Ｘ線照射方向の空間分解能を評価できる。
一般にＸ線発生器からのＸ線は平行ビームではないが、Ｘ線焦点から十分離れた位置に測定物を配置することで、近似的に平行ビームとみなすことができる。
ここで、Ｘ線透過効果の説明のため、Ｘ軸方向の長さをＬ１とＬ２とした矩形ブロック３ａ、３ｂの場合について説明する。
これらの矩形ブロック３ａ、３ｂでは、Ｘ線透過距離はそれぞれＬ１、Ｌ２となる。材質は同じＳＵ−８ ３０５０なので、Ｘ線が直方体の入射面３Ａから照射されるとき、これらのＸ軸方向の長さに応じてＸ線減衰がきまる。
Ｌ１とＬ２の長さの比を任意に変えることによって、コントラスト差を任意に設定することができる。代表的なケースとして、１）Ｌ１＞Ｌ２（Ｅ型）、２）Ｌ１＜Ｌ２（π型）、３）Ｌ２＝０（｜｜型）などが考えられる。
また、幅Ｗを変えることにより、Ｘ線照射方向の空間分解能を評価できる。
図２の例を多数配列した図１では、長さＬ１、Ｌ２、幅Ｗを１０ミクロンから１ｍｍまで変えることで、多様なコントラスト比と空間分解能パターンを、１回の感光性樹脂のエッチング処理で作製している。
図２の矩形ブロックの高さＨと幅Ｗの積Ｈ×Ｗは、Ｘ線照射方向の投影面積となる。高い空間分解能を評価するために、幅Ｗを小さく設定しても、高さＨを十分大きくとることによって、輝度変化を統計的に評価するに足る投影面積を確保することができる。通常のマイクロフォーカスＸ線撮影では、測定対象をＸ線源の近くに設置することで、幾何学的に検出器に投影されるＸ線透過像が数十倍〜数百倍に拡大されるので、投影面積Ｈ×Ｗは検出器の分解能よりも十分大きく、統計的な輝度値の変動を均質化できる大きさで撮影することができる。
図２の矩形ブロックの高さＨと幅Ｗの積Ｈ×Ｗは、Ｘ線照射方向の投影面積となる。高い空間分解能を評価するために、幅Ｗを小さく設定しても、高さＨを十分大きくとることによって、輝度変化を統計的に評価するに足る投影面積を確保することができる。通常のマイクロフォーカスＸ線撮影では、測定対象をＸ線源の近くに設置することで、幾何学的に検出器に投影されるＸ線透過像が数十倍〜数百倍に拡大されるので、投影面積Ｈ×Ｗは検出器の分解能よりも十分大きく、統計的な輝度値の変動を均質化できる大きさで撮影することができる。
図３は、感光性樹脂で作成した本発明の３次元パターンモデルの顕微鏡写真である。３次元パターンモデルの形状は、Ｘ線入射面３ＡとＸ線出射面３Ｂの形状および長さＬを変数として、透過Ｘ線量を評価できるように構成される。例えば、図３（ａ）〜図３（ｆ）に示すように構成できる。
図３（ａ）は図２のＸ線入射面３Ａおよび同じＸ線出射面３ＢがＥ字状になっているブロック３ｄａからなる３次元パターンモデルの顕微鏡像である。Ｘ線透過方向の主ブロック長さＬ１が５００μｍ、副ブロック長さＬ２が１００μｍであり、Ｌ１＞Ｌ２の例である。
図３（ｂ）は図２のＸ線入射面３Ａおよび同じＸ線出射面３Ｂが図３（ａ）とは異なるＥ字状になっているブロック３ｄｂからなる３次元パターンモデルの投影像である。Ｘ線透過方向の主ブロック長さＬ１が３００μｍ、副ブロック長さＬ２が１００μｍであり、Ｌ１＞Ｌ２の例である。
図３（ａ）は図２のＸ線入射面３Ａおよび同じＸ線出射面３ＢがＥ字状になっているブロック３ｄａからなる３次元パターンモデルの顕微鏡像である。Ｘ線透過方向の主ブロック長さＬ１が５００μｍ、副ブロック長さＬ２が１００μｍであり、Ｌ１＞Ｌ２の例である。
図３（ｂ）は図２のＸ線入射面３Ａおよび同じＸ線出射面３Ｂが図３（ａ）とは異なるＥ字状になっているブロック３ｄｂからなる３次元パターンモデルの投影像である。Ｘ線透過方向の主ブロック長さＬ１が３００μｍ、副ブロック長さＬ２が１００μｍであり、Ｌ１＞Ｌ２の例である。
図３（ｃ）は図２のＸ線入射面３Ａおよび同じＸ線出射面３Ｂが図３（ａ）とは異なるＥ字状になっているブロック３ｄｃからなる３次元パターンモデルの顕微鏡像である。Ｘ線透過方向の主ブロック長さＬ１が５００μｍ、副ブロック長さＬ２が４００μｍであり、Ｌ１＞Ｌ２ではあるが、コントラストの低い例である。
図３（ｄ）は図２のＸ線入射面３Ａおよび同じＸ線出射面３Ｂに対応するブロック３ｄｄからなる３次元パターンモデルの投影像である。Ｘ線透過方向の副ブロック長さＬ２＝０となり、主ブロックのみと周囲の空気とのコントラストを計測する場合の例である。
図３（ｅ）は図２のＸ線入射面３Ａおよび同じＸ線出射面３Ｂがπ字状になっているブロック３ｄｅからなる３次元パターンモデルの顕微鏡像である。Ｘ線透過方向の主ブロック長さＬ１が２００μｍ、副ブロック長さＬ２が５００μｍであり、Ｌ１＜Ｌ２の例である。このため、図３（ａ）〜（ｃ）の場合と異なり、π字状のパターンとなる。
図３（ｄ）は図２のＸ線入射面３Ａおよび同じＸ線出射面３Ｂに対応するブロック３ｄｄからなる３次元パターンモデルの投影像である。Ｘ線透過方向の副ブロック長さＬ２＝０となり、主ブロックのみと周囲の空気とのコントラストを計測する場合の例である。
図３（ｅ）は図２のＸ線入射面３Ａおよび同じＸ線出射面３Ｂがπ字状になっているブロック３ｄｅからなる３次元パターンモデルの顕微鏡像である。Ｘ線透過方向の主ブロック長さＬ１が２００μｍ、副ブロック長さＬ２が５００μｍであり、Ｌ１＜Ｌ２の例である。このため、図３（ａ）〜（ｃ）の場合と異なり、π字状のパターンとなる。
図３（ｆ）は図２のＸ線入射面３Ａおよび同じＸ線出射面３Ｂが図３（ｅ）とは異なるπ字状になっている３次元パターンモデルの顕微鏡像である。Ｘ線透過方向の主ブロック長さＬ１が２００μｍ、副ブロック長さＬ２が１０００μｍであり、Ｌ１に比べてＬ２がかなり長い例である。
図３（ａ）〜（ｆ）は、Ｘ線入射面３ＡとＸ線出射面３Ｂの形状および長さＬを変数として調節することにより、様々なパターンを形成できることを示す。
特に、図３（ｄ）のＬ２＝０の場合は、通常のラインアンドスペース型のチャートと類似したパターンになっているが、高さＨをもつ３次元形状であり、Ｘ線照射方向が従来のＸ線分解能チャートと異なるため、評価される投影像は、空間分解能とコントラスト分解能の両方を同時に評価できる構造となっている。
図３（ａ）〜（ｆ）は、Ｘ線入射面３ＡとＸ線出射面３Ｂの形状および長さＬを変数として調節することにより、様々なパターンを形成できることを示す。
特に、図３（ｄ）のＬ２＝０の場合は、通常のラインアンドスペース型のチャートと類似したパターンになっているが、高さＨをもつ３次元形状であり、Ｘ線照射方向が従来のＸ線分解能チャートと異なるため、評価される投影像は、空間分解能とコントラスト分解能の両方を同時に評価できる構造となっている。
図４に感光性樹脂エッチングで作製した本発明の矩形ブロックのＸ線投影像を示す。
図４は、シリコン基板上に矩形３次元パターンにした感光性樹脂膜を設けた図３（ａ）のパターンに対して、シリコン基板と平行な方向からＸ線を照射して検出面に投影した例である。図４左側の縦軸は画像の縦方向画素数で基板面に沿った長さを表し、図４下側の横軸は画像の横方向画素数で基板面に沿った厚み（長さ）を表す。また、図４の右端のスケールは濃度を表している。前記スケールは、下側に向かうにつれて濃い状態になり、上側に向かうにつれて薄い状態を表す。
図４は、図２のシリコン基板４のＸ軸方向に平行な方向からＸ線を投影することで、長さの異なる主ブロックおよび副ブロックが交互に配置された矩形ブロック３ｅの幅Ｗ×高さＨの投影断面当たりの透過Ｘ線量が画像の輝度値に対応して表されている。図４では、矩形ブロック３ｅはエポキシ樹脂３次元パターンと表示され、シリコン基板４断面及び矩形ブロック３の高さＨはそのとおりに表示されている。
図４は、シリコン基板上に矩形３次元パターンにした感光性樹脂膜を設けた図３（ａ）のパターンに対して、シリコン基板と平行な方向からＸ線を照射して検出面に投影した例である。図４左側の縦軸は画像の縦方向画素数で基板面に沿った長さを表し、図４下側の横軸は画像の横方向画素数で基板面に沿った厚み（長さ）を表す。また、図４の右端のスケールは濃度を表している。前記スケールは、下側に向かうにつれて濃い状態になり、上側に向かうにつれて薄い状態を表す。
図４は、図２のシリコン基板４のＸ軸方向に平行な方向からＸ線を投影することで、長さの異なる主ブロックおよび副ブロックが交互に配置された矩形ブロック３ｅの幅Ｗ×高さＨの投影断面当たりの透過Ｘ線量が画像の輝度値に対応して表されている。図４では、矩形ブロック３ｅはエポキシ樹脂３次元パターンと表示され、シリコン基板４断面及び矩形ブロック３の高さＨはそのとおりに表示されている。
図４では、３次元パターンの投影断面Ｈ×Ｗが明瞭に検知されており、異なる幅Ｗのパターン群から空間分解能が、また、主ブロックおよび副ブロックによって交互に変化する投影断面Ｈ×Ｗの輝度値の比からコントラスト分解能が同時に評価できる。この輝度値の比はそれぞれ主ブロックおよび副ブロックの長さ、すなわち、Ｘ線透過距離に対応しているので、これらの比（主ブロックと副ブロックの長さの比）を変えることで、任意のコントラストを設定し、空間分解能を評価することができる。
Ｘ線撮像系のコントラスト分解能のみを評価する場合、エポキシ樹脂の厚さ（例えば、図３の場合、長さＬ１、Ｌ２）を漸次増加又は漸次減少、具体的には、ステップ状あるいは連続的に変化（増減）させて、矩形ブロック３を透過するＸ線透過距離を変えることで、任意のコントラストを実現できる。
図５は感光性樹脂エッチングで製作したステップ状の３次元パターンの上面図（図２の例で例示すると、基板２に垂直の方向から見た図）である。図５には、上下方向に、４本の形状の異なる３次元パターン３ｃａ、３ｃｂ、３ｃｃ、３ｃｄが示されている。
図５は感光性樹脂エッチングで製作したステップ状の３次元パターンの上面図（図２の例で例示すると、基板２に垂直の方向から見た図）である。図５には、上下方向に、４本の形状の異なる３次元パターン３ｃａ、３ｃｂ、３ｃｃ、３ｃｄが示されている。
図５の平面図におけるそれぞれの３次元パターン３ｃａ、３ｃｂ、３ｃｃ、３ｃｄは、略４辺形の形状を呈し、その略４辺形の下辺（図２の例で例示すると、基板２に垂直の方向から見た矩形ブロック３の上面３ＣのＸ線出射面３Ｂ側の辺）３Ｂａ、３Ｂｂ、３Ｂｃ、３Ｂｄがステップ状に変化して、略４辺形の上下幅（図２の例で例示すると、基板２に垂直の方向から見た矩形ブロック３の上面３Ｃの長さＬ１、Ｌ２）が各３次元パターン３ｃａ、３ｃｂ、３ｃｃ、３ｃｄの長さ方向における左側から右側に向けて所定のステップ幅で漸次ステップ状（段差を持った形状）に減少している。あるいは、図２の主ブロックのみを、Ｗ＝５００μｍ、Ｈ＝１００μｍとし、Ｌ１を１０μｍから順次１０μｍ刻みで増加させたブロックを、Ｙ方向に複数連ねたものと考えることもできる。
４本の３次元パターンの内、最も上下幅の細い３次元パターン３ｃｄの上下幅の最も細い端部の厚みは１０ミクロンである。各ステップはその上下幅方向の高さが１００ミクロンで、厚みが１０ミクロンである。３次元パターンの各ステップは、その長さ方向に１００ミクロンごとに変化し、最大端部（上下幅が最も大きい３次元パターン３ｃａの最も上下幅が大きい端部（図５における左端部））の厚みが１ミリまで変化する。この３次元パターンをシリコン基板（図示省略）に搭載し、その基板のＸ軸方向（図２の例で示すと、Ｘ軸方向）に平行な方向からＸ線を照射すると、Ｘ線透過距離が１０ミクロンずつ増加又は減少するように変化するので、Ｘ線の透過量もこれに応じて増加又は減少する。
このＸ線撮影像を図６に示す。
このＸ線撮影像を図６に示す。
図６は、ステップ状に厚みが変わる本発明の３次元パターンのＸ線透過像の説明図である。図６の横軸は図２の例で示すとＺ軸方向長さ、図６の縦軸は図２の例で示すとＹ軸方向長さ、図６の右側のスケールは、濃度を表す。図６はシリコン基板４上にステップ状の３次元パターン３を搭載した３次元パターンモデルのＸ線撮影像を示す。
シリコン基板４上に作製されたステップ状３次元パターン３の厚みがステップ状に漸次増加する下端方向（図６で下方）に向かって、輝度値が減少していく様子が示されている。このような３次元パターン３を用いることで、このＸ線撮像系のコントラスト分解能を高精度に評価することができる。
本発明の３次元パターンモデルでは、透過Ｘ線の減衰は、３次元パターンモデルの材質の密度、質量減衰係数、透過距離に依存する。上で説明したエポキシ樹脂の感光性樹脂エッチングによる３次元パターンモデルは、材質の密度および質量減衰係数は一定で、透過距離のみを変えることでＸ線の減衰を変化させる。しかし、材質を変えることによっても、同様のＸ線減衰効果を実現することができる。材質を変えることで、密度および質量減衰係数の積が変化するので、透過距離が同じであっても、適切な材質の組み合わせを選択することで、所望のコントラスト比を得ることが可能である。このような３次元パターンを、図７に示す。
シリコン基板４上に作製されたステップ状３次元パターン３の厚みがステップ状に漸次増加する下端方向（図６で下方）に向かって、輝度値が減少していく様子が示されている。このような３次元パターン３を用いることで、このＸ線撮像系のコントラスト分解能を高精度に評価することができる。
本発明の３次元パターンモデルでは、透過Ｘ線の減衰は、３次元パターンモデルの材質の密度、質量減衰係数、透過距離に依存する。上で説明したエポキシ樹脂の感光性樹脂エッチングによる３次元パターンモデルは、材質の密度および質量減衰係数は一定で、透過距離のみを変えることでＸ線の減衰を変化させる。しかし、材質を変えることによっても、同様のＸ線減衰効果を実現することができる。材質を変えることで、密度および質量減衰係数の積が変化するので、透過距離が同じであっても、適切な材質の組み合わせを選択することで、所望のコントラスト比を得ることが可能である。このような３次元パターンを、図７に示す。
図７は異なる材質で構成された本発明の３次元パターンモデルの説明図である。
図７の３次元パターンモデルは、図２の例のように、矩形ブロックとする。主および副それぞれの矩形ブロック３ｆ、３ｇは、幅Ｗ、高さＨ、長さＬ１およびＬ２を、各隣接ブロック間で同じとし、それぞれの材質を求める透過量に応じて変更する。
この例の場合、矩形ブロック３ｇは材質１で形成し，矩形ブロック３ｆは材質２で形成する。ここで、密度をρ，質量減衰係数をμとすると，材質は密度と質量減衰係数の積で表わされ，材質１はρ１μ１、材質２はρ２μ２となる。ρ１とρ２およびμ１とμ２はそれぞれ異なる。そのため，材質１と材質２は異なる。
高い空間分解能が求められるマイクロフォーカスＸ線検査装置では、感光性樹脂エッチングによる３次元パターン作製が有利であるが、数百ｋＶを超える高エネルギーＸ線に対しては、透過距離を変えるよりも、材質を変えることで所望のコントラスト比を実現する方が簡便な場合もある。例えば、高エネルギーＸ線システムのコントラスト評価には、アルミニウムと銅、アルミニウムと鉄、アルミニウムとタングステン、アルミニウムと金等の組み合わせが考えられる。これらの材質が異なる材料を適宜組み合わせることにより求めるＸ線透過特性を得る。上記金属材料の他に樹脂材料を用いることもできる。
図７の３次元パターンモデルは、図２の例のように、矩形ブロックとする。主および副それぞれの矩形ブロック３ｆ、３ｇは、幅Ｗ、高さＨ、長さＬ１およびＬ２を、各隣接ブロック間で同じとし、それぞれの材質を求める透過量に応じて変更する。
この例の場合、矩形ブロック３ｇは材質１で形成し，矩形ブロック３ｆは材質２で形成する。ここで、密度をρ，質量減衰係数をμとすると，材質は密度と質量減衰係数の積で表わされ，材質１はρ１μ１、材質２はρ２μ２となる。ρ１とρ２およびμ１とμ２はそれぞれ異なる。そのため，材質１と材質２は異なる。
高い空間分解能が求められるマイクロフォーカスＸ線検査装置では、感光性樹脂エッチングによる３次元パターン作製が有利であるが、数百ｋＶを超える高エネルギーＸ線に対しては、透過距離を変えるよりも、材質を変えることで所望のコントラスト比を実現する方が簡便な場合もある。例えば、高エネルギーＸ線システムのコントラスト評価には、アルミニウムと銅、アルミニウムと鉄、アルミニウムとタングステン、アルミニウムと金等の組み合わせが考えられる。これらの材質が異なる材料を適宜組み合わせることにより求めるＸ線透過特性を得る。上記金属材料の他に樹脂材料を用いることもできる。
以上、代表的な実施例を説明したが、他の実施の形態についても、基本的には、Ｘ線分解能評価用ファントムの３次元パターンは、Ｘ線透過量特性が所望のものになるようにその形状、材料等を調整・制御することができる。
本発明は，マイクロフォーカスＸ線発生器を用いるＸ線撮像系の性能評価に有効である。しかし、マイクロフォーカスＸ線発生器に限らず、３次元パターンモデルの形状や材質を変えることにより、高エネルギーＸ線発生器を用いる非破壊検査装置の評価一般に適用可能である。
また、現状では、医療診断用Ｘ線装置（透視およびＣＴ撮影）の画像評価用Ｘ線分解能評価用ファントムは整備されているが、空間分解能がミクロンオーダーのマイクロフォーカスＸ線装置の空間分解能とコントラスト分解能を同時評価する３次元パターンモデルは製造されていない。本発明の３次元パターンモデルを適用することにより、マイクロフォーカスＸ線検査の評価基準を与え、ＪＩＳ、ＩＳＯ等の標準化モデルとして使うことも可能である。
また、現状では、医療診断用Ｘ線装置（透視およびＣＴ撮影）の画像評価用Ｘ線分解能評価用ファントムは整備されているが、空間分解能がミクロンオーダーのマイクロフォーカスＸ線装置の空間分解能とコントラスト分解能を同時評価する３次元パターンモデルは製造されていない。本発明の３次元パターンモデルを適用することにより、マイクロフォーカスＸ線検査の評価基準を与え、ＪＩＳ、ＩＳＯ等の標準化モデルとして使うことも可能である。
１ ３次元パターンモデル
２ 矩形ブロックモデル
３ 矩形ブロック
３ａ 主矩形ブロック
３ｂ 副矩形ブロック
３Ａ 入射面
３Ｂ 出射面
３ｃ 上面
３Ｄ ステップ状３次元パターン
４ 基板
５ 照射Ｘ線
２ 矩形ブロックモデル
３ 矩形ブロック
３ａ 主矩形ブロック
３ｂ 副矩形ブロック
３Ａ 入射面
３Ｂ 出射面
３ｃ 上面
３Ｄ ステップ状３次元パターン
４ 基板
５ 照射Ｘ線
Claims (9)
- 基板と該基板上に設けた複数のブロックからなるＸ線分解能評価用ファントムであって、
前記ブロックは、前記基板に垂直な方向の高さが一定の感光性樹脂からなる主ブロックと副ブロックを、前記基板上の一方向に交互に並列に連続して配置し、前記一方向と直交する方向の両端に前記基板に垂直なＸ線入射端面とＸ線出射端面を有し、かつ、前記Ｘ線入射端面から入射し前記Ｘ線出射端面から出射するＸ線の減衰量を、前記主ブロックおよび副ブロック間で異なるように構成したことを特徴とするＸ線分解能評価用ファントム。 - 前記Ｘ線入射端面から入射し前記Ｘ線出射端面から出射するＸ線の減衰量を、交互に配置された主ブロックと副ブロックの長さを変化させることにより両ブロック間で異なるように構成したことを特徴とする請求項１記載のＸ線分解能評価用ファントム。
- 前記主ブロックおよび前記副ブロックを、それらの配置方向の幅と、前記Ｘ線入射端面から前記Ｘ線出射端面までのＸ線透過方向の長さが任意に設定された矩形状に形成することにより、前記Ｘ線入射端面から入射し前記Ｘ線出射端面から出射するＸ線の放射方向の投影面積と減衰量を、両ブロック間で異なるように構成したことを特徴とする請求項１又は２記載のＸ線分解能評価用ファントム。
- 前記主ブロックおよび前記副ブロックは、前記Ｘ線入射端面から前記Ｘ線出射端面にわたって断面Ｅ字形又はπ字形に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のＸ線分解能評価用ファントム。
- 前記主ブロックおよび前記副ブロックは、それぞれ、すべて同じ材質で、前記Ｘ線入射端面から前記Ｘ線出射端面までのＸ線透過方向の長さをＸ線減衰量が同じにならないようにステップ状に異ならせたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のＸ線分解能評価用ファントム。
- 前記主ブロックおよび前記副ブロックは、それぞれ、すべて同じ材質で、前記Ｘ線入射端面から前記Ｘ線出射端面までのＸ線透過方向の長さをＸ線減衰量が同じにならないように連続的に異ならせたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のＸ線分解能評価用ファントム。
- 前記主ブロックは、それぞれ、すべて同じ材質で、前記Ｘ線入射端面から前記Ｘ線出射端面までの長さをＸ線減衰量が同じにならないように異ならせたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のＸ線分解能評価用ファントム。
- 前記主ブロックおよび前記副ブロックは、すべて同じ形状で、それぞれの材質をＸ線減衰量が同じにならないように異ならせたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載のＸ線分解能評価用ファントム。
- 前記主ブロックおよび前記副ブロックをエッチング処理された感光性樹脂としたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載のＸ線分解能評価用ファントム。
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