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LIGA技術

新情報
X線レンズ Publications (ユーザによる発表事例)を追加,2020年7月
LIGAプロセス Publications (ユーザによる発表事例)を追加,2020年6月
X線回折格子(タルボ干渉計) Publications (ユーザによる発表事例)を追加,2020年6月
X線光学製品ポスター (SRI掲示,2018年6月)

展示会情報
[出展] 2020年1月10-12日: 日本放射光学会年会,ウインクあいち(愛知県産業労働センター)
[出展] 2019年10月20-24日:XNPIG,International Conference on X-ray and Neutron Phase Imaging with Gratings,
仙台国際センター
[出展] 2019年9月17-20日: NSRRC Users' Meeting and Workshop,NSRRC,新竹,台湾
[出展] 2019年1月10,11日: 日本放射光学会年会,福岡国際会議場

LIGA微細加工技術 (LIGAプロセス)とは

LIGAプロセスは,ドイツのカールスルーエ技術研究所/工科大学(KIT)にて発明され現在も開発されている,高アスペクト比を持つ微細構造製造のための複合プロセスです。 X線リソグラフィと電鋳により,金属やポリマーの微細構造体を高精度,高アスペクト比にて実現します。

1. LIGAプロセスの流れ



X線マスクの作製

電子ビームまたはレーザーリソグラフィによる高精度のX線マスクを作製します。



レジストのX線リソグラフィ (Lithographie)
基板上のフォトレジストにX線マスクの構造を転写します。
放射光の高品質なX線によって,高アスペクト比,滑らかな側壁,自由な横方向形状を持つレジスト構造が実現します。



電鋳 (Galvanoformung)
X線リソグラフィによって形成された微細構造を持つレジストに,電鋳を施します。これにより,高アスペクト比の金属構造体が実現できます。
下記に掲載している金属の微細構造はここまでの工程で作製されます。



ポリマーの成型 (Abformung)
電鋳で作製した金型を用い,ホットエンボスや射出成型によって,ポリマー製の微細構造を複製します。


2. LIGAアプリケーション例
LIGAプロセスにて作製された微細構造は,X線光学を中心に,研究機関,産業界ともに様々な分野にて使用されています。



X線回折格子 (X-ray gratings for Talbot interferometry)
X線の吸収像,微分位想像,暗視野像が撮像できるタルボ干渉計,タルボ・ロー干渉計用の回折格子。高アスペクト比の吸収格子,短周期の位相格子,吸収格子を実現。
サイト内リンク: X線回折格子



X線レンズ (Compound refractive lens, CRL)
SPring-8を始めとした放射光施設で多くの使用実績がある,単色X線を集光する複合屈折レンズ(CRL)。
サイト内リンク: X線レンズ



微細貫通孔 (X線アパーチャ)
(a) マルチホール例 / X線マルチコリメータ
厚さ80 µmの金のメンブレン上に直径3,4,5 µmの高アスペクト円形貫通孔を規則的に多数配列。X線マルチコリメータとして使用実績あり。

(b) シングルホール例 / X線アパーチャ
厚さ200 µmの金のメンブレンの中心に,直径5 µmの高アスペクト円形貫通孔を一つ形成。放射光施設のX線アパーチャとして使用実績あり。



マイクロギア1
製法: X線リソグラフィと電鋳を用いた精密パーツ
用途: 機械部品(高級時計のギア)
スケールバー(黄線): 1 mm



マイクロギア2

ハーモニックドライブ歯車
・高速度伝達比
・バックラッシュ無し
用途: 高精度マイクロマニピュレータ向け



Ni電鋳と微細貫通孔

用途: ハイパースペクトルカメラ向けのNiアパーチャ
形状: 2.5 µmのギャップ,深さ180 µmの貫通孔
効果: キーストーン,スマイル効果(光学系の収差,ミスアラインメントから生じる歪み)の大幅な削減

参考: A Fridman et al. "Measurements of the performance of the light mixing chambers in the mixel camera", Optics Express 23(10):13659, 2015



X線テストストラクチャ

形状: 厚さ30 µmの金のメンブレンに5 µm ~ 1,000 µmの貫通孔
用途: 放射光のビームサイズ測定(ナイフエッジ測定)

3. 製造者


カールスルーエ技術研究所(KIT)・IMTは,X線リソグラフィを用いた高アスペクト比の樹脂構造と電鋳構造の研究開発の第一人者です。
KIT/IMTのスピンオフ企業であるmicroworks GmbHは,LIGAプロセスを用いた微細構造を持つパーツを,製造販売しています。

放射光施設ANKA

放射光施設 ANKA

LIGA I,II,III・・・X線リソグラフィ用途

PDIFF・・・XRPD用途

TOPO・・・放射光白色X線トポグラフィ

他,計15のビームラインが稼働中


ホットエンボス装置

ホットエンボス装置

構造高: 1 µm〜2,000 µm

基板サイズ: 〜8インチ

アスペクト比: 〜20

4. Publications: カールスルーエで製造されたLIGA微細加工製品を用いた研究開発事例 (抜粋)

(a) X線アパーチャ(マルチコリメータ),microworks GmbH
▶「宇宙X線観測用SOIピクセル検出器内部における電荷雲形状の測定」,児嶌優一,平賀純子,鶴剛 20p-B301-3, The 65th JSAP Spring Meeting, 2018 (応用物理学会,2018年春)
▶Subpixel response of SOI pixel sensor for X-ray astronomy with pinned depleted diode: first result from mesh experiment. K Kayama et al., The 9th International Workshop on Semiconductor Pixel Detectors for Particles and Imaging (PIXEL 2018)
▶「メッシュ実験による次世代X線天文用SOIピクセル検出器のサブピクセル性能の研究」,佳山一帆 京都大学大学院 修士論文 2020年3月


(b) X線回折格子(タルボ干渉計,タルボ・ロー干渉計),microworks GmbH / カールスルーエ技術研究所・IMT
[肺の暗視野像]
▶X-ray dark-field imaging of the human lung - A feasibility study on a deceased body. K Willer et al., PLoS One. 2018; 13(9): e0204565
[大型動物の自然気胸の暗視野像]
▶Depiction of pneumothoraces in a large animal model using x-ray dark-field radiography. K Hellbach, A Baehr, F De Marco et al., Sci Rep 8, 2602 (2018)
[ヒトサイズ試料の低線量撮像]
▶A preclinical Talbot-Lau prototype for x‐ray dark‐field imaging of human‐sized objects. C Hauke et al., Med. Phys. 45 (6), June 2018

[非破壊検査向けの位相イメージングスキャナ]
▶Laboratory-based X-ray phase-imaging scanner using Talbot-Lau interferometer for non-destructive testing. Shivaji Bachche et al., Scientific Reports volume 7, Article number: 6711 (2017)
[非破壊検査向けの位相イメージングスキャナ,大きなFOV]
▶X-ray phase-imaging scanner with tiled bent gratings for large-field-of-view nondestructive testing. M Kageyama et al., NDT and E International 105 (2019) 19-24
[産業界向けアプリケーション]
▶System design and evaluation of a compact and high energy X-ray Talbot-Lau grating interferometer for industrial applications. Lee, S., Oh, O., Kim, Y. et al., J. Korean Phys. Soc. 73, 1827-1833 (2018)
[炭素繊維強化プラスチックのµCT撮像]
▶Multi-modal Talbot-Lau grating interferometer XCT data for the characterization of carbon fibre reinforced polymers with metal components. C Gusenbauer et al., Conference on Industrial Computed Tomography (iCT) 2017

[X線天文学]
▶Sub-arcsecond imaging with multi-image X-ray interferometer module (MIXIM) for very small satellite. Kiyoshi Hayashida et al., Proc. of SPIE Vol. 10699 106990U-1
▶「サブ秒角撮像を目指すX線多重像干渉計MIXIMの基礎開発」,川端智樹, 大阪大学大学院 修士論文,2018年2月
▶Sub-arcsecond to micro-arcsecond resolution X-ray imaging of SMBH with a novel method MIXIM, Kiyoshi Hayashida et al., AGN Jet Workshop, 2020
(c) X線レンズ(複合屈折レンズ,CRL),カールスルーエ技術研究所・IMT
▶[BL03XU] Large apparent internal deformation of carbon fibres under tension observed by in-situ microbeam small-angle X-ray scattering. H Okuda et al., Carbon 157, 2020, 295-297
▶[BL09XU] X-ray pumping of the 229Th nuclear clock isomer. T Masuda et al., Nature volume 573, pages 238–242 (2019)
▶[BL10XU] New developments in high-pressure X-ray diffraction beamline for diamond anvil cell at SPring-8. N Hirao et al., Matter and Radiation at Extremes 5, 018403 (2020)
▶[BL10XU] Equation of State of Liquid Iron under Extreme Conditions. Y Kuwayama et al., Physical Review Letters 124, 165701 (2020)
▶[BL13XU] Ferroelastic domain motion by pulsed electric field in (111)/(111¯) rhombohedral epitaxial Pb(Zr0.65Ti0.35)O3 thin films: Fast switching and relaxation. Y Ehara, et al., Phys. Rev. B, 100, 10416 (2019)
▶[BL13XU and 15XU] Charge screening strategy for domain pattern control in nano-scale ferroelectric systems. T Yamada et al., Sci. Rep. 7, 5236 (2017)
▶[BL15XU] Time-resolved X-ray diffraction system for study of Pb(Zr, Ti)O3 films under a temporal electric field at BL15XU, SPring-8. O Seo et al., Rev. Sci. Instrum. 90, 093001 (2019)
▶[BL22XU] Development of an apparatus for Bragg coherent X-ray diffraction imaging, and its application to the three dimensional imaging of BaTiO3 nano-crystals. K Ohwada et al., Japanese Journal of Applied Physics 58, SLLA05 (2019) 58 SLLA05
▶[BL22XU] Improving Fatigue Performance of Laser-Welded 2024-T3 Aluminum Alloy Using Dry Laser Peening. T Sano et al., Metals, 9, 1192, 2019
▶[BL24XU]「樹脂射出成形品の板厚断面方向の結晶化度分布解析」舟本三恵 他, 兵庫県ビームライン年報・成果集 Vol. 5, 6, pp.33-36, 2017
▶[BL39XU]「X線屈折レンズとKBミラーによる二段階ナノ集光光学系の開発」鈴木基寛 他, SPring-8/SACLA 利用研究成果集 Vol. 8 No. 1
▶[BL41XU] Low-dose X-ray structure analysis of cytochrome c oxidase utilizing high-energy X-rays. G Ueno et al., J. Synchrotron Rad. (2019). 26, 912-921
▶[BL43LXU] X-ray Phase-Contrast Imaging and Metrology through Unified Modulated Pattern. MC Zdora et al., Phys. Rev. Lett. 118, 203903 (2017)