具有大纵横比的聚焦光栅设备的制作方法

1.本发明涉及x射线成像领域。更具体而言，本发明涉及用于在诸如用于x射线成像的差分相衬和/或暗场成像系统的使用的具有大纵横比的x射线光栅，涉及相应的x射线系统并且涉及用于产生这样的聚焦x射线光栅的制造方法。


背景技术：

2.暗场成像和差分相衬成像在医学和非医学应用(例如安全、建筑和结构等)中吸引了极大的兴趣，因为它们相对于传统的x射线成像具有更高的灵敏度，使得能够对低密度材料无损地成像。在基于光栅的差分相衬x射线成像或暗场x射线成像中，使用具有大纵横比(例如高达70)的光栅。鉴于这种大纵横比，这些光栅需要朝向在应用中使用的x射线焦斑聚焦。liga是一种包括光刻、电镀和成型的光刻制造技术，是目前用于生产这种大纵横比光栅的制造技术。通常，制造光栅使得光栅薄片在平坦的基板上垂直生长。然后通过将光栅与整个基板一起弯曲来完成聚焦。光栅取向被选择为平行于弯曲轴。
3.在暗场计算机断层扫描(ct)中，光栅传统上平行于系统旋转轴(a)。光栅布置在图1中示出。该取向的问题在于源光栅g0的接受角是受限的。该源光栅靠近焦斑(约10厘米)并具有高纵横比(大约70)。该高纵横比意味着接受角相当窄(即α＝14mrad)。该方面在图2中示出。在暗场ct应用中，从源到源光栅g0的距离d0仅为10cm。基本几何计算表明，具有p＝2微米和长宽比为50的光栅开口兼容的最大焦斑尺寸s为s＝αd0＝1.4mm。如果焦斑尺寸较大，则会发生可见度损失。事实上，焦斑只有在非常小扇角的光束中才会那么小。对于中等扇角的光束(医用ct系统的典型扇角可达
±
30度)，焦斑更加宽，因为它在物理上是相当浅的阳极盘上的一个大区域(见图1)。
4.由于具有高对比度的光栅的小接受角而导致的可见度损失已被建议的一种解决方案是将光栅方向改变为垂直于系统的旋转轴。在这种所谓的“水平光栅布置”中，平行于光栅方向的焦斑大小不会影响可见度，并且它适用于例如使用结构化x射线发射的系统，其中不需要源光栅g0。对于需要源光栅的系统，仍然需要解决由于光栅的小接受角导致的可见度损失问题。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的是提供用于在x射线成像中使用的具有高纵横比的良好聚焦光栅设备，例如差分相衬和暗场成像，以及包括这种聚焦的良好x射线成像系统光栅设备和制造这种聚焦光栅设备的好方法。
6.本发明实施例的优点在于获得具有高纵横比的聚焦光栅设备，其中，聚焦是在两个非平行方向上获得的，舍不得所述光栅允许针对在并入了这种聚焦光栅设备的x射线成像系统中使用的辐射的大的接受角。
7.本发明的实施例的优点在于获得具有高纵横比的精确聚焦光栅设备，其允许根据预定聚焦要求在两个不同方向上聚焦，而无需在最终产品中在两个方向上以良好定义的方
式弯曲基板。
8.上述目的和优点是通过根据本发明实施例的装置和方法获得的。
9.本发明涉及一种用于x射线成像的聚焦光栅设备，其包括：基板，以及包括被定位于所述基板上的多个光栅特征的光栅。光栅特征被定位成不垂直于基板表面，从而产生针对x射线辐射束的第一聚焦方向，并且基板是弯曲的，从而引起针对x射线辐射束的第二聚焦方向，所述第二聚焦方向不同于第一聚焦方向。本发明实施例的优点在于获得了允许在两个不同聚焦方向上聚焦的聚焦光栅设备。根据本发明的实施例的一个优点是获得了准确且良好定义的聚焦光栅设备。这样的实施例可以有利地在光栅设备中使用以用于在差分相衬和/或暗场x射线成像技术中使用，但实施例不限于此。本发明的实施例的一个优点是聚焦光栅设备扫描在需要高能量的系统中使用，例如医学成像所需要的。
10.基板可以仅在单个方向上(即在第二方向上)具有弯曲。本发明的实施例的一个优点是获得了在至少两个不同的聚焦方向上的聚焦，而聚焦光栅设备的基板最终只需要在一个方向上保持弯曲，因为以明确定义的方式根据两维弯曲表面形状方向或者在两个方向上准确地弯曲基板是复杂的，甚至是不可能的。
11.至少一个光栅特征的侧边缘可以使至少一个位置相对于基板上的垂直方向成至少1度的角度。
12.通过在光栅的制造过程中处理光栅在一个维度上所需的聚焦，从而以正确的尺寸创建用于在该维度上聚焦的特征，然后只需要在另一个维度上弯曲。由于之后的弯曲会引起变形，因此这将仅限于在该另一维度上的变形，而不是在两个维度上的变形。因此，根据本发明实施例的光栅导致较小的总体变形。
13.聚焦光栅设备可以具有至少30的纵横比，例如50。在一些示例中，聚焦光栅设备可以具有65的纵横比。
14.所述光栅特征的至少部分在第二聚焦方向上的弯曲应力可以显著高于在所述所述光栅特征的至少部分上在第一聚焦方向上的弯曲应力。由于光栅特征至少部分地制成弯曲构造，所以光栅特征在该方向上的弯曲应力可能比在最终聚焦光栅设备中基板的曲率方向上的弯曲应力小。在本发明的实施例中提及显著更高的弯曲应力时，可提及例如比其他方向高至少10％、例如至少25％、例如至少50％的弯曲应力。
15.光栅特征可以是光栅薄片。
16.光栅特征可以由x射线吸收材料制成。x射线吸收材料例如可以是金、铅、钨或铋，但实施例不限于此。特别是可以使用含有重金属的合金。有利地，使用可电镀的高z材料。
17.基板可以包括或者可以由对所使用的x射线透明的材料或者是低吸收x射线材料的材料制成，例如它可以是石墨、玻璃或capton中的任何一种。
18.本发明还涉及一种用于基于光栅的x射线成像的x射线系统，其包括至少一个如前所述的聚焦光栅设备。
19.x射线系统可以是暗场成像系统和/或差分相衬成像系统。
20.x射线系统可以包括如前所述的靠近x射线源的聚焦光栅设备，例如在小于20cm的距离处，例如小于15cm，例如接近10cm。
21.本发明还涉及一种用于生成用于在第一方向和第二方向上聚焦的聚焦光栅设备的方法，所述第一方向不同所述第二方向。所述方法包括：
22.获得至少基板和一个抗蚀剂层的叠层；
23.在第一方向上应用对所述叠层的弯曲；
24.在所述基板沿所述第一方向弯曲的时候对所述叠层进行光刻工艺；
25.对所述光栅材料进行电镀以形成光栅特征；
26.基本上复原对所述堆叠的所述弯曲，并且
27.在所述复原之后，施加对所述叠层的进一步弯曲以便在所述聚焦光栅设备中引起第二聚焦方向。
28.在本发明的实施例中提到基本上复原对叠层的弯曲时，是指以在允许的公差内使所述叠层再次具有其原始构造的方式解除所述叠层的所述弯曲的步骤。在一些实施例中，这可能意味着如果叠层在施加弯曲之前最初是平的，则使叠层回到基本平坦的构造。
29.执行光刻工艺可以包括施加掩模。本发明的实施例的优点在于，当基板沿第一方向弯曲时施加掩模，以便获得光栅特征和在这些特征之间具有恒定宽度的狭缝。
30.在光刻工艺中执行对抗蚀剂层进行显影的步骤和执行电镀可以在所述基本上复原叠层的弯曲之前完成。
31.提供包括抗蚀剂的叠层可以包括提供具有沿第一方向变化的厚度的抗蚀层的叠层。此外，所述过程可以包括使用弯曲的掩模。可以设计所需的间距以考虑在弯曲时将使用、照射掩模。由于弯曲掩膜会影响间距，因此在设计掩膜时，可以考虑到这一点，以校正由显影掩膜的显影弯曲引起的间距的变化。
32.本发明还涉及将如前所述的聚焦光栅设备用于x射线成像。聚焦光栅设备的使用可以用于差分相衬成像和/或暗场成像。
33.在所附的独立和从属权利要求中陈述了本发明的特定和优选的方面。来自从属权利要求的特征可以适当地与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征相结合，而不仅仅是权利要求中明确提出的特征。
34.参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐述。以下引用的附图标记参考附图。
附图说明
35.图1图示了用于暗场计算机断层摄影(ct)x射线成像系统的现有技术光栅布置，图示了光栅的取向。
36.图2图示了使用图1所示布置中的光栅获得的接受角以及可以与这种光栅一起使用的相应最大焦斑尺寸。
37.图3图示了根据本发明实施例的聚焦光栅设备。
38.图4图示了可以在根据本发明的实施例中使用的光栅支撑件，用于在聚焦光栅设备的制造过程中产生所需的曲率。
39.图5图示了包括根据本发明实施例的聚焦光栅设备的x射线系统。
40.图6图示了根据本发明实施例的聚焦光栅设备的制造过程中的不同步骤。
41.在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的元件。
具体实施方式
42.以下将关于特定实施例并且参考特定附图来描述本发明，但本发明并不局限于其，而是仅由权利要求来限定。所描述的附图仅是示意性的并且是非限制性的。在附图中，一些元素的尺寸可能是夸张的并且出于说明性目的没有按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于实施本发明的实践的实际减小。
43.此外，说明书和权利要求书中的术语第一、第二等(例如，第一方向和第二方向)用于在相似元件之间进行区分，而不必用于在时间、空间、排序上或以任何其他方式描述顺序。应理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施方案能够用不同于本文描述或说明的其他顺序操作。
44.应注意，在权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限于此后列出的装置；其不排除其他元素或步骤。词语“一”或“一个”不排除多个。
45.贯穿本说明，对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何适当的方式组合，这对于本领域的普通技术人员而言，根据本公开将是显而易见的。
46.在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，未详细示出公知的方法、结构和技术，以免掩盖对本说明书的理解。
47.在第一个方面中，本发明涉及一种聚焦光栅设备。聚焦光栅设备可有利地用于在x射线成像应用中聚焦x射线辐射束，例如差分相衬成像或暗场成像，但实施例不限于此。在本发明的上下文中，聚焦光栅设备是指通过提供在两个方向上聚焦的光栅的结构特征将x射线辐射聚焦到点中的光栅设备。图3示出了根据本发明实施例的聚焦光栅设备100的示意图。聚焦光栅设备100包括基板402和光栅。光栅具有位于基板402上的多个光栅特征408。如图3a中所示，光栅特征408被定位为不垂直于基板402表面，从而为进入的x射线辐射束引入第一聚焦方向。图3a说明在所描述的情况下，光栅特征408将辐射聚焦到一条线。在最终聚焦光栅设备100中，基板是弯曲的，并且通过弯曲(图3b中由双箭头示意性地指示的曲率方向)引起不同于第一聚焦方向的第二聚焦方向。图3b图示了光栅特征408将辐射聚焦到单个点。
48.通过光栅特征的形状和位置引入一个聚焦方向，最终聚焦光栅设备100中的基板只需要在另一个方向上弯曲，为入射的辐射束提供两个聚焦方向，如图3b中所示。在聚焦光栅设备100中使用的基板402可以由对所使用的x射线透明的材料或者是低吸收x射线材料的材料制成，例如它可以是石墨、玻璃或中的任何一种。
49.根据本发明实施例的聚焦光栅设备100可以具有大的纵横比。例如，在一些实施例中，聚焦光栅设备100可以具有至少30、例如至少50、例如高达至少65或甚至高达至少70的纵横比。它们可以例如通常用于朝向x射线焦斑聚焦。
50.根据本发明的实施例，在光栅器件的制造过程中，基板402在形成光栅特征408之前沿弯曲方向弯曲，并在形成光栅特征408之后再次伸直，使得光栅特征408被定位为不垂直于基板表面402。这引入了由光栅特征408引起的第一聚焦方向。如图3b中所示，通过在所有特征已经产生之后在另一个方向上弯曲基板(由双箭头示意性地表示的弯曲)，并在最终
的聚焦光栅设备100中保持这种弯曲，聚焦光栅设备100提供了两个聚焦方向。在一些实施例中，基板的弯曲半径可以在5至15cm的范围内。稍后将参考图6对聚焦光栅设备的制造进行全面阐述。
51.在至少一些实施例中，光栅特征408被成形为使得光栅特征408中的至少一个光栅特征的侧边缘针对至少一个位置相对于基板402上的垂直方向形成至少0.1度的角度，例如至少0.5度，例如至少1度。由于它们的制造方式，在最终聚焦光栅设备100中，所述光栅特征的至少部分408中在第二聚焦方向上的弯曲应力可以显著高于在所述所述光栅特征的至少部分408中在第一聚焦方向的弯曲应力。
52.为了临时引起基板402的曲率，即在光栅设备的制造过程中，更具体地在光刻过程期间，可以使用光栅支撑件，在特定的处理步骤期间可以将基板固定到该光栅支撑件上。通过从光栅支架上取下基板，可以解除基板的弯曲。在示例性实施例中，光栅支撑件可以如图4中所示，示出了包括至少两个支撑件202、204的光栅支撑件200，聚焦光栅设备100可以被安装到该支撑件202、204。可以以任何合适的方式将聚焦光栅设备100耦合到光栅支撑件200，例如通过诸如粘合剂(例如胶水)、螺钉、铆钉、夹具等的紧固件。在各种实施例中，光栅支撑件200可以包括支撑表面、支撑构件、支撑托架等中的一个或多个。
53.在根据本发明的实施例中，基板402在制造过程中可以做得很大，从而容易夹持在保持器中。在制造之后，可以将基板402切割成合适的尺寸。
54.为了引起基板(并因此引起光栅设备)的曲率，其在光刻工艺之后应用并保留在最终产品中，可以使用光栅支撑件，光栅设备可以固定到该光栅支撑件上。这样的光栅支撑件可以类似于所描述的用于在光栅的制造期间，即在光刻工艺期间引起弯曲的光栅支撑件。应当理解，可以选择光栅支撑件使得发生适当程度的弯曲。基板以及因此光栅设备的这种额外弯曲通常在安装在光栅支撑件上期间引起，并且在用于成像时通过保持光栅设备安装在光栅支撑件上而在使用期间保持。因此，光栅支撑件也可以被认为是光栅设备的一部分。
55.如本领域技术人员将理解的，基板在光栅支撑件上的安装将处于不同的方向，以引起在两个不同方向上的聚焦。
56.光栅特征408可以是光栅薄片，尽管也可以使用其他形状的特征，这取决于所设想的光栅的类型。光栅特征408通常由x射线吸收材料制成，例如金、铅、钨或铋。在特定实施例中，可以使用含有重金属的合金。有利地，可以使用可以电镀的高z材料。光栅特征408的特性，例如间距和高度，可以根据系统所需的光学特性来选择。
57.在第二方面中，本发明涉及一种x射线系统，其至少包括如第一方面所述的聚焦光栅设备100。x射线系统例如可以是暗场成像系统或者可以是差分相衬成像系统，但实施例不限于此。x射线系统可以是受益于使用具有大纵横比的聚焦光栅设备100的任何系统。
58.可以受益于本发明的示例性x射线系统如图5中所示。这种x射线系统300可以包括大致固定的机架302，其容纳旋转机架304，所述旋转机架304由固定机架可旋转地支撑并且围绕z轴围绕检查区域306旋转。它还包括产生焦斑310的x射线辐射源308，从而发射穿过检查区域306的辐射。辐射敏感探测器阵列312可以被定位为在检查区域306对面与辐射源308相对。辐射探测器阵列312检测穿过视场314和其中的物体315的辐射并产生指示其的信号。该系统通常还包括x射线成像干涉仪，其包括一个或多个x射线光栅，例如三个光栅，一个是靠近x射线源的源光栅g0，其通常可以是聚焦光栅设备100，如在本发明的第一方面中描述
的，靠近探测器的g2的吸收器光栅320和取决于是否配置有常规几何形状、反转几何形状或对称几何形状而设置的相位光栅或吸收光栅。x射线系统300还可以包括光栅支撑件318，用于在一些光栅(g0，g1)之间产生特定的距离，保持光栅形状——如前面在第一方面中描述的那样赋予光栅支撑件——以及用于保持光栅位置。源光栅以及可选地还有其他光栅的进一步特征和优点可以如针对第一方面的实施例所描述的。x射线系统300还可以包括例如低能过滤器、蝴蝶结形衰减器和束准直器(图5中未示出)。x射线系统300通常还包括用于支撑视野314中的对象315的对象支撑件324，例如卧榻。此外，通用计算系统或计算机可以用作操作员控制台326并且可以包括重建处理器322。进一步的特征可以是本领域技术人员已知的。
59.在第三方面中，本发明涉及一种制造聚焦光栅设备100的方法。该方法尤其适用于制造如第一方面所述的聚焦光栅设备100。根据本发明，所述方法涉及制造用于在第一聚焦方向和第二聚焦方向上聚焦的聚焦光栅设备100，其中第一聚焦方向与第二聚焦方向不同。根据实施例，所述方法包括获得至少基板402和抗蚀剂层404的叠层。该方法还包括在第一方向上施加叠层的弯曲，在基板402被弯曲的时候对叠层执行光刻工艺，电镀光栅材料从而形成光栅特征408，以及在第一方向上基本上复原弯曲的叠层。后者导致聚焦光栅设备在一个方向上提供聚焦，这是由所创建的光栅特征引起的。该制造方法还包括，在所述复原弯曲之后，在另外的弯曲方向(第二方向)上施加对叠层的另外的弯曲，以便在聚焦光栅设备中引起第二聚焦方向。该另外的聚焦方向是由叠层的另外的弯曲引起的，所述弯曲保持在最终聚焦光栅设备中。
60.通过说明的方式，本发明的实施例不限于此，参考图6示出了本发明实施例的标准和任选特征，用于制造聚焦光栅设备100的方法。
61.根据示例性实施例，所述方法包括获得至少基板402和抗蚀剂层404的叠层。因此，基板402通常是对x射线基本透明或具有低x射线吸收系数的基板。抗蚀剂层404可以是允许执行光刻工艺的任何合适的抗蚀剂。
62.在接下来的步骤中，所述方法包括应用掩模406。掩模可以是适合于执行已知应用于制造用于x射线的光栅设备的光刻工艺的任何掩模。
63.根据本发明的实施例，本发明可以包括在第一方向上施加叠层的弯曲。后者将允许通过光栅特征在一个方向上引起聚焦。图6a部分示出了在该步骤中获得的部分制造的掩模406，示出了弯曲的基板402(由双箭头示意性地表示的曲率)、弯曲的抗蚀剂层404和弯曲的掩模406。
64.该方法还包括，当基板402被弯曲时，对抗蚀剂层404进行显影并执行蚀刻步骤以在抗蚀剂层404中产生负图案，以随后产生光栅特征408。后者如图6的部分b中所示。还应用了对掩模特征的去除。
65.在形成抗蚀特征的负图案之后，所述方法还包括任选地在仍然施加弯曲的时候电镀光栅材料以形成光栅特征408。
66.其后的方法包括，如图6的c部分所示，基本上复原叠层的弯曲(由双箭头示意性地表示)。结果并且在图中可以看出，光栅特征408被定位为不垂直于基板402表面，从而为引起针对辐射束的第一聚焦方向。图6部分d示出了图6部分c中所示步骤的不同视图。
67.该方法还可以包括从抗蚀剂层去除剩余的特征从而保持聚焦光栅。
68.在进一步的方法步骤中，光栅可以预先形成或安装在光栅支撑件上以用于产生第二聚焦方向，所述第二聚焦方向通常不同于由弯曲光栅特征引起的聚焦方向。图6部分e图示了引起第二聚焦方向的叠层的进一步弯曲(弯曲方向由图6中的双箭头示意性地指示，部分e)，从而产生聚焦光栅设备100。
69.在一些实施例中，提供叠层可以包括提供具有沿第一弯曲方向变化的厚度的抗蚀剂层的叠层，以考虑到通过弯曲抗蚀剂层厚度可以在基板上变化。
70.前述方法可以包括liga工艺的不同步骤，liga工艺是一种包括光刻、电镀和模制的光刻制造技术，目前通常用作制造这种具有大纵横比的光栅的制造技术。
71.在根据本发明的实施例中，在制造期间可以使基板变大，使得更容易夹持在保持器中。制作完成后，可以将基板切割成合适的尺寸。