ＳＰＲセンサとＳＰＲセンサを搭載する検査システム
【課題】検査システムに搭載される金属グレーティング構造体を有するセンサは、半導体製造プロセスが不可欠であり、構造的に開口部から共鳴する入射光が基板に透過するため共鳴度合いに影響を与えており、さらに共鳴度合いの大きいセンサが要望されている。
【解決手段】検査システムは、光電変換素子の受光面上に光を透過するレジスト材料を用いて間隔を空けてストライプ状にパターン形成された表面プラズモンを誘起させるグレーティング構造体と、グレーティング構造体を含み波状に覆い被膜する光が不透過な導電体と、光電変換素子からの電圧信号を出力する出力電極と、で構成された光束の入射角度又は入射位置により出力値を変化するセンサからなるＳＰＲセンサを搭載する。
【解決手段】検査システムは、光電変換素子の受光面上に光を透過するレジスト材料を用いて間隔を空けてストライプ状にパターン形成された表面プラズモンを誘起させるグレーティング構造体と、グレーティング構造体を含み波状に覆い被膜する光が不透過な導電体と、光電変換素子からの電圧信号を出力する出力電極と、で構成された光束の入射角度又は入射位置により出力値を変化するセンサからなるＳＰＲセンサを搭載する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Surface Plasmon Resonance）を利用するＳＰＲセンサとＳＰＲセンサを搭載する検査システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を利用するセンサが知られている。このＳＰＲは、屈折率の変化に対し敏感に反応するため、ガスセンサ等のケミカルセンサに応用されている。例えば、非特許文献１には、この原理を利用したガスセンサ装置が提案されている。
【０００３】
このガスセンサ装置は、入射光源、ガスチャンバ、ＳＰＲ変化を検出するＳＰＲセンサ部、ステージ及び、反射光測定用フォトディテクタにより構成されている。ＳＰＲセンサ部は、金属でグレーティング構造体を形成しており、入射光を近接場化する。その近接場が形成する波数ｋ１、金属内部の自由電子の振動（プラズモン）が寄与する波数ｋ２、及び、グレーティングピッチが寄与する波数ｋ３とすると、
【数１】
において、ｋ１＋ｋ３＝ｋ２となった場合、プラズモンと近接場との共鳴が発生する。ここで、εmは媒体の誘電率、εMetal(ω)は金属の誘電率、ωは入射光の角振動数、ｃは光速及び、Lはグレーティングのピッチ（図１ではpと記載）、θは入射光の入射角度である。
【０００４】
この共鳴状態では、反射光と共鳴している（つまり、グレーティング構造体の周辺においては、近接場共鳴光が発生している）ため、図１４のθ＝３８[deg]付近に見られるように、反射光強度が一時、低い状態となり、これを共鳴状態の変化として検出する。ＳＰＲセンサ周辺のガス媒体が変化（即ち、屈折率が変化）すると、ｋ１及びｋ２の項が変化して、ガス媒体変化をこの反射光強度変化として検出可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２７３８３２号公報
【非特許文献１】Sensors and Actuators, P.S Vukusic, et al. 8(1992)155-160
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した従来のＳＰＲセンサ部において、共鳴状態の変化を検出するには、一次光の反射光強度変化を検出する必要がある。これは装置構成の規模が大きくなることを意味している。そこで小型化を図るために、ＳＰＲセンサ自体に、その共鳴状態変化を検出する機能を付与することにより解決することができる。例えば、フォトディテクタ上に、金属線を等間隔に並べた金属グレーティング構造体により、開口部を通じて近接場共鳴光をフォトディテクタにて検出することができる。
【０００７】
この金属グレーティング構造体を作製するためには、真空下のプラズマエッチング等の高度な半導体製造プロセスを用いているため、製造コストに影響を与えており、低コスト化が望まれている。加えて、このＳＰＲセンサを種々の検出に用いるためには、さらに共鳴度合い（反射光を測定する検出系統では、共鳴していないときの反射光強度と、共鳴しているときの反射光強度との差又は、その急峻さ）の大きいセンサが要望されている。
【０００８】
そこで本発明は、反射光測定が不要であり、表面プラズモン共鳴を高い感度で測定可能なＳＰＲセンサ及びＳＰＲセンサを搭載する検査システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に従う実施形態のセンサは、外部から予め設定された入射角度で入射した光束を電気信号に変換し出力する受光面を有する光電変換素子と、光を透過するレジスト材料により前記受光面上に間隔を空けてストライプ状にパターン形成され、前記光束の照射を受けて表面プラズモンを誘起させるグレーティング構造体と、前記グレーティング構造体及び露呈する前記受光面を覆うように形成し、前記受光面に透過する光束を抑制する導電体と、前記光電変換素子により生成された電圧信号を出力する出力電極とを有する。
【００１０】
さらに、本発明に従う実施形態による検査システムは、光束を照射する光源と、入射された前記光束を電気信号に変換し出力する受光面を有する光電変換素子と、光を透過するレジスト材料により前記受光面上に間隔を空けてストライプ状にパターン形成され、前記光束の照射を受けて表面プラズモンを誘起させるグレーティング構造体と、前記グレーティング構造体及び露呈する前記受光面を覆うように形成し、前記受光面に透過する光束を抑制する導電体と、前記光電変換素子により生成された電圧信号を出力する出力電極と、で構成されるセンサと、前記出力電極から出力された前記受光面に照射された前記光束の入射角度又は入射位置のいずれかに応じて変化する出力値を出力する検出部と、を具備する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、反射光測定が不要であり、表面プラズモン共鳴を高い感度で測定可能なセンサを搭載する検査システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の検査システムに搭載するＳＰＲセンサにおけるセンサの構成例を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）乃至図２（ｄ）は、センサの製造工程について説明するための工程図である。
【図３】図３は、センサにおける回転角度に対する、０次反射光強度及び開放電圧との関係を示す特性図である。
【図４】図４は、第１の実施形態における本発明のセンサをガス検出に応用した検査システムの概念的な構成を示す図である。
【図５】図５は、入射角度と開放電圧との関係によるアセトン量変化に対するＳＰＲ応答の入射角度依存特性を示す図である。
【図６】図６は、アセトン量変化に対する入射角度における開放電圧のピーク角度の特性を示す図である。
【図７】図７は、第２の実施形態における本発明のセンサを力学的変位の検出に応用した検査システムの概念的な構成を示す図である。
【図８】図８（ａ）乃至図８（ｆ）は、変位センサの製造工程について説明するための工程図である。
【図９】図９（ａ）は、変位センサに引っ張りが無い状態を示す図であり、図９（ｂ）は、変位センサに引っ張りがある状態を示す図である。
【図１０】図１０は、変位センサにおける光束の入射角度と出力（開放電圧Ｖoc）との関係を示す特性図である。
【図１１】図１１は、図１０に示す入射角度と出力の関係に基づく、変位変化ΔＬに対する出力変化ΔＶの関係を示す特性図である。
【図１２】図１２は、第３の実施形態として、角度変化を検出する角度センサを搭載する検査システムの概念的な構成を示している。
【図１３】図１３（ａ）乃至図１３（ｅ）は、第３の実施形態の角度センサであるカンチレバーの製造工程について説明するための工程図である。
【図１４】表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
まず、発明の検査システムに搭載する表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Surface Plasmon Resonance）センサの基本的な構成について説明する。
【００１４】
図１は、ＳＰＲセンサの構成例を示す断面図である。
ＳＰＲセンサ１は、ＳＰＲを誘起させる構造を有し、後述する種々の検査対象に対応するセンサシステムに搭載する基本的な構成である。このＳＰＲセンサ１は、光電変換機能を有する基板２と、基板２上に光を透過するレジスト材料から成り、等間隔のピッチによるストライプ形状に配置されるグレーティング構造体３と、グレーティング構造体３を覆うように形成される光をある程度不透過な導電体膜、例えば金属膜４と、一対の出力電極５（５ａ，５ｂ）とで構成される。
【００１５】
さらに、検査システムとしては、ＳＰＲセンサ１の金属膜４（グレーティング構造体３）に光束を照射する光源６と、ＳＰＲセンサ１の出力電極５から出力された信号（電圧信号）を取り込み、この信号に基づく検出処理を行う検出部７が備えられる。この金属膜４の表面をセンサ受光面とする。検出部７は、例えば、ノイズ除去及び信号増幅処理等を施す検出処理を行う。
【００１６】
この構成において、基板２には、フォトディテクタ（ＰＤ）等の光を受けて電気を生成する光電変換素子が形成された半導体基板を用いている。グレーティング構造体３は、フォトリソグラフィ技術を用いて製造するが、他にも、プリント技術を用いても実施することができる。また、グレーティング構造体３における高さ、幅及びグレーティングピッチｐと、金属膜４の膜厚Ｔは、適用されるセンサの構成や性能等に応じて設計時に適宜設定されている。出力電極５は、基板側に設けられた出力電極５ａ及び、金属膜４側に設けられた出力電極５ｂにより構成され、光電変換素子により生成された電圧を出力する。
【００１７】
金属膜４は、略均一な厚さでストライプ形状のグレーティング構造体３を覆うように波状に形成されている。製造方法としては、蒸着技術、メッキ技術又は、スプレー技術を用いることができる。
【００１８】
この金属膜４は、少なくともクレーティング構造体３が形成されずに露呈する基板２の表面を覆うように形成されていればよく、必ずしも凸部分の膜厚と、基板２上の膜厚とを一致させる必要はない。金属膜４の不透過さ加減は、基板２の受光面（ＰＤ面）に透過する光を抑制（又は遮光）するものであり、検出対象や求める性能に応じて所望する数値で透過を抑制（又は遮光）するように適宜、設定される事項である。これらの加減は、経験的、例えば、シミュレーション、実験又は、試作により適正な設定を行うことができる。
【００１９】
また、本実施形態では、専用の光源６を設けた構成であったが、これに限定されるものではなく、例えば、ＳＰＲを発生させる波長を含む帯域の光を照射し、光学フィルタをＳＰＲセンサ１の受光面前に配置して、ＳＰＲを発生させる波長の光のみを取り出して、ＳＰＲセンサ１に導く構成であってもよい。
【００２０】
本実施形態のＳＰＲセンサ１について説明する。
通常に利用されている結晶シリコン系太陽電池のＩＰＣＥ（Incident Photon to Current conversion Efficiency：入射したフォトンがどの程度電流へ変換したのかを示す値）は、例えば、λ＝９００［ｎｍ］近辺で最大値をとり、λ＝９８０［ｎｍ］より単調に減少する。それは、近赤外光領域（ＮＩＲ領域）における光強度（光吸収）が低いことに起因する。そこで、本実施形態のＳＰＲセンサ１は、受光した光を、ＳＰＲを用いることにより、ＮＩＲ領域における光強度を高めて、電流変換に導く構成である。このため、ＳＰＲを誘起させる部位を光吸収層に近接すること、即ち、グレーティング構造体３及び金属膜４をセンサ受光面に近接させることが望ましい。
【００２１】
このようなＳＰＲセンサ１は、以下の効果を有している。
１）波状形状を成す金属膜４は、グレーティング機能を有しているため、ＳＰＲを誘起させることができる。
２）不透明な金属膜４は、共鳴する入射光が基板へ透過することを防止しているため、共鳴時と非共鳴時における反射光強度の差を小さくする１つの要因を排除している。つまり、従来のセンサの構造において、グレーティング構造体が形成されていない光電変換素子の受光面には共鳴する入射光が入り込まないことが望ましい。入射光により生じた電流が上述した反射光強度の差の変化の急峻さを鈍化させる可能性がある懸念がある。
【００２２】
３）レジスト材料からなるグレーティング構造体３を基板上に直接、固着するように形成し、さらに金属膜４で被覆したままの構成であるため、金属膜４に対してプラズマエッチング等の高コストな真空下の半導体プロセスを用いずに、ＭＥＭＳデバイス技術を用いて作成することができる。
【００２３】
本実施形態のＳＰＲセンサ１は、ＳＰＲを誘起させる構成が、間隔（ストライプ）を空けて形成したレジスト層と、その上を均一の厚さで覆った金属膜により実現される。これらは半導体技術（特に、プラズマを用いたエッチング）を用いずに実現でき、特に金属膜は、均一に成膜するだけで、エッチングの必要なくＳＰＲの効果を得ることができる。また、グレーティング構造体３上の金属膜は、表面に波状の起伏があったとしても、ＣＭＰ等の研磨やエッチバック処理による表面の平坦化を行う必要もない。
【００２４】
次に、このセンサ１におけるＳＰＲの検出及びシミュレーション（ＲＣＷＡ）による共鳴度合いについて説明する。
まず、ＳＰＲセンサ１を以下の説明する手順で作成し、ＳＰＲの検出について説明する。測定に用いる構成例は、金属膜４で起きているＳＰＲを、その下部に設けたフォトディテクタにより検出する構成である。前述したように、ＳＰＲが生じると、反射光強度が低い状態となる、即ち、出力された開放電圧の電圧値が高い状態となる変化を共鳴状態の変化として検出する。
【００２５】
図２（ａ）乃至（ｄ）を参照して、ＳＰＲセンサ１の製造工程について説明する。
図２（ａ）の工程において、ｎ型シリコン基板（ρ＝１０［Ωｃｍ］，＜１００＞）１１に対して、イオン注入法を用いて、ＢＦ２をイオンとして注入して、表層にｐ+層１２を形成する。ここでは、アクセプタ不純物濃度ＮA：５．７０×１０１８［ｃｍ−２］としている。
【００２６】
図２（ｂ）の工程において、レジスト塗布装置によるスピンコートにより、基板１１のｐ＋層１２上に均一な厚さのレジスト層を形成する。さらに、例えば、電子ビーム描画装置を用いた電子線直接描画にて、レジストパターンからなるグレーティング構造体３を形成する。この例では、グレーティングピッチｐ：１３３０［ｎｍ］、膜厚ＴAU：５０［ｎｍ］、アクセプタ不純物濃度ＮA：５．７０×１０１８［ｃｍ−２］としている。パターン形成においては、他にも、露光及び現像によるフォトリソグラフィ技術を用いてもよい。
【００２７】
図２（ｃ）の工程において、グレーティング構造体３を含む基板１１の全面上に、蒸着装置を用いて金（Ａｕ）膜４を成膜する。本実施形態では、耐腐食性を考慮して、金属膜に金を使用したが、これに限定されるものではなく、ＳＰＲセンサ１の仕様又は用途に応じて、アルミニウムなどの他の金属を適宜、使用することができる。また金属膜の成膜方法としては他にも、メッキ方法、印刷方法、スパッタリング方法又は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）方法などの公知な成膜方法も用いることが可能である。
【００２８】
図２（ｄ）の工程において、基板１１の裏面上及び金膜４上にそれぞれに出力電極５ａ，５ｂを形成する。これらの電極は、マスク（レジストマスク等）を利用した上記成膜方法を用いて形成することができる。
上述した製造工程では、グレーティング構造体にレジストパターンを利用して、従来における金属材料を用いていないため、これまで半導体製造工程の１つとして必要であった金属膜のエッチングプロセスを利用していない特徴がある。
【００２９】
このように形成されたＳＰＲセンサ１による測定には、光源として、レーザ発光ダイオード（波長：６７５［ｎｍ］）、ポーラライザーと、レーザパワーを測定するパワーメータと、電圧、電流、抵抗や温度等を測定するマルチメータと、センサを回転させるためのステージにより構成される測定装置（図示せず）を用いている。
【００３０】
図３は、測定によるセンサ１における光束の入射角度（又は、受光面の傾き角度）［ｄｅｇ］に対する、０次反射光強度（Ｒ）［μＷ］及び開放電圧（Ｖoc）［ｍＶ］との関係を示す図である。
図３において、光束の入射角度（又は、受光面の傾き角度）と反射光強度との関係におけるＳＰＲのディップ角度（θ１＝２８．３［ｄｅｇ］及び、θ２＝３３．０［ｄｅｇ］）が検出されている。その角度は、波数分散式から見積もられた値と同等である。但し、θ１はｎ＝−３，θ２はｎ＝１に対応する。図３によれば、反射光強度Ｒが小さくなるにつれ、開放電圧Ｖが増加している。つまり、このようなＳＰＲセンサ１の構造において、ＳＰＲを検出できることを明確に示唆している。
【００３１】
［第１の実施形態］
次に、第１の実施形態として、上述したＳＰＲセンサを用いたガスを検出するガスセンサに応用した検査システムについて説明する。尚、本実施形態の構成部位において、前述したＳＰＲセンサにおける構成部位と同等の部位には、同じ参照符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００３２】
図４に示すように、この検査システムは、ＳＰＲセンサ１と、チャンバ２１と、ステージ機構２２と、ガス導入口２４及びガス排出口２５と、光源６と、検出部７と、システム全体の制御及び検出信号等の演算処理を行う制御部２３と、で構成される。
ＳＰＲセンサ１は、ステージ機構２２に固定される。ＳＰＲセンサ１の出力電極対は、チャンバ外部に配置される検出部７に配線等により接続され、センサ信号を出力する。
【００３３】
ガス導入口２４及びガス排出口２５は、図示しないガス導入排出機構に接続される。即ち、ガス導入口２４は、図示しない公知なガス導入機構（例えば、ガスボンベ、レギュレータ及びガス流量計等）に接続され、ガス排出口２５は、図示しない公知な排出機構（例えば、排気用ポンプ及びガス処理機器）にそれぞれ接続されており、設定する流量の任意又は所望のガスをチャンバ２１内に導入し、ガス濃度を可変することができるガス雰囲気を生成することができる。尚、ＳＰＲセンサをガスセンサとして現実的に使用する場合には、検出目的の特定のガスに強く影響を受けるように設計する場合もある。
【００３４】
ステージ機構２２は、ステージ部２２ａと、ステージ移動機構２２ｂとで構成される。ステージ部２２ａは、平坦な載置面を有し、ＳＰＲセンサ１を露呈する状態で固着している。又は、ステージ部２２ａにＳＰＲセンサ１を載置面に交換可能に保持する保持機構を備えてもよい。
【００３５】
ステージ移動機構２２ｂは、少なくともステージ部２２ａを傾斜するように揺動するための揺動部２８と、揺動部２８を駆動させるためのステッピングモータ等からなる駆動部２９、制御部２３の指示に従い駆動部２９を制御する駆動制御部２７と、で構成される。このステージ移動機構２２ｂにより、ステージ部２２ａは、光源６からの光束の入射角度に対して、少なくとも垂直状態（入射角度０°）から水平状態（入射角度９０°）までを傾斜させることができる。この揺動部２８は、ギヤ等を用いた公知な構成でよい。尚、この揺動部２８には、角度センサ（又は、位置センサ）３０が設けられており、ステージ部２２ａの傾斜角度を計測し、この計測角度と同期して、ＳＰＲセンサ１の出力（開放電圧変化）が取得される。
【００３６】
チャンバ２１は、例えば、ガラス製からなり、気密な箱形状に形成されている。本実施形態では、ガラス材料を用いたが、検査ガスによる腐食やそのガス成分に影響を与えない部材であれば、限定されるものではない。但し、図４に示すように、チャンバ２１の外側に光源を配置した構成であれば、光源６からチャンバ２１内に光束（例えば、レーザ光）を入射するために、その入射窓は少なくとも透明部材により形成される。
【００３７】
さらに、チャンバ２１には、ステージ部２２ａ上のＳＰＲセンサ１に導入された検査対象となる気体（以下、検査ガスと称する）が向かうように、ガス導入口２４及びガス排出口２５が設けられている。
光源６は、発光ダイオード又は、レーザーダイオード等のある径で光束を出射する光学部品が好適する。その光束の波長は、グレーティングピッチと共鳴角度との兼ね合いで決定される。
【００３８】
駆動制御部２７は、ステージ機構２２を駆動して、光源６から照射される光束におけるＳＰＲセンサ１への入射角度を制御する。制御部２３は、検出部７（ＳＰＲセンサ１）からの出力を受けて、その電圧値に基づき、予め定めた電圧値と比較条件（ここでは、ガスによる出力値の変化）との関係から、ガスの有無及び、その濃度変化を算出する。
【００３９】
また、本実施形態のガスを検出するためのＳＰＲセンサ１は、外寸法が例えば、幅（Ｗ）：４［ｃｍ］、奥行き（Ｌ）：５［ｃｍ］、高さ（ｈ）：４［ｃｍ］のサイズの箱形状である。また、グレーティングピッチ：１３００［ｎｍ］、金属膜厚：９０［ｎｍ］、グレーティング構造体の高さ：５０［ｎｍ］としている。尚、ＳＰＲセンサ１は、検査ガスを検査したことにより、金属膜の表面が汚れるが、本実施形態では、金属膜に耐腐食性のある金（Ａｕ）膜を用いているため、簡易なクリーニング処理（拭き取り、又は洗浄）を行うことで、センサ性能を低下させることなく、継続的に使用することができる。
【００４０】
次に、この検査システムを用いた、ガスに対する共鳴変化による検出について説明する。以下では、検査対象をアセトンガスとする一例について説明する。尚、アセトンガスの導入方法としては、ガス化したアセトンをガス導入口２４から導入してもよいが、この例では、チャンバ２１内にアセトン溶液（１０，２０，３０[μｌ］）が充填されたシャーレを搬入し、ガス導入口２４及びガス排出口２５を密閉し気密状態とした後、蒸発させる方法としている。
【００４１】
まず、チャンバ２１内を大気状態のまま、ＳＰＲセンサ１に対して光源６から光束を照射する。この時、ステージ移動機構２２ｂにより、ステージ部２２ａに傾きを与えて、ＳＰＲセンサ１に入射する光束の入射角度を２０°〜４０°間で変化させて、多数の測定点における開放電圧値Ｖ１を測定する。
【００４２】
次に、１０［μｌ］のアセトン溶液が充填されたシャーレをチャンバ２１内へ搬入し、チャンバ２１内をアセトンガスで充満させる。同様に、ＳＰＲセンサ１に入射する光束の入射角度を２０°〜４０°間で変化させて、多数の測定点における開放電圧値Ｖ２を測定する。以降、同様に、２０，３０［μｌ］のアセトン溶液が充填されたシャーレをチャンバ２１内へ搬入し、入射角度を２０°〜４０°間で変化させて、予め定めた間隔による多数の測定点における開放電圧値Ｖ３，Ｖ４を測定する。
【００４３】
これらの測定結果として、図５には、入射角度と開放電圧との関係によるアセトン量変化に対するＳＰＲ応答の入射角度依存特性を示す。また、図６には、アセトン量変化に対する入射角度における開放電圧のピーク角度（共鳴角度）特性を示す。
この結果、アセトンガス雰囲気下で取得されたデータに関しては、ＳＰＲセンサ１付近の屈折率がアセトンの濃度変化により開放電圧が変化することが示唆されている。つまり、グレーティング界面に接するガス濃度の変化により、屈折率が変化し、ＳＰＲ応答が変化するので、アセトンの濃度変化を検出することができる。
【００４４】
ガスの検査システムに用いる場合の具体的な検出法としては、例えば、入射角度２０〜３０［ｄｅｇ］の範囲内で、ピーク電圧時の入射角度を共鳴角度と設定し、その共鳴角度変化を検出すればよい。
以上のように、本実施形態によれば、ＳＰＲセンサをガス検出に用いることにより、反射光を測定する従来のシステム構成に比べて、簡易な構成でガスの検査システムを実現することができる。
【００４５】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態について説明する。
図７には、第２の実施形態として、上述したＳＰＲセンサ１を利用して力学的変位を検出する変位センサ３１に応用した検査システムの概念的な構成を示している。尚、本実施形態の構成部位において、前述したＳＰＲセンサにおける構成部位と同等の部位には、同じ参照符号を付して、詳細な説明は省略する。
この検査システムは、変位センサ３１と、取り付け治具３２と、光源３３と、検出部７と、演算処理部３４と、で構成される。
【００４６】
演算処理部３４は、検出部７から出力されたセンサ信号から変位量（又は、移動距離）を演算処理による生成する変位検出を行う。演算処理部３４は、別体として、配線接続してもよいし、変位センサ３１と一体的に構成してもよい。また、演算処理部３４は、別体でよければ、専用に作製しなくとも、例えば、パーソナルコンピュータを利用してもよい。また、少なくとも変位センサ３１と取り付け治具３２と光源３とは１つのユニットとして構成されている。この変位センサ３１は、前述したＳＰＲセンサ１と基本的な構造は同じであり、後述する電極対が導電体の金膜と同じ高さ（同一面）であることと、グレーティング構造体のピッチが異なること以外は同等である。
【００４７】
変位センサ３１は、センサ受光面のみを露呈し、以外の受光面周辺を含む周囲（側面及び底面）を外装部材３５により、センサ本体を嵌入又は包含する構成である。外装部材３５は、例えばＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）等のシリコン系弾性体（シリコンエラストマー）の弾性体材料が好適する。
【００４８】
前述したＳＰＲセンサ１に形成されるグレーティング構造体３のグレーティングピッチｐは、等間隔に形成されていた。これに対して、本実施形態の変位センサ３１が用いているグレーティング構造体３ａは、ストライプ幅方向におけるセンサの一端（以下、基準端と称する）から他端に向かう方向でグレーティングピッチｐの間隔が徐々に広く又は、狭くなる（以下、グラディエーション化と表現する）ように形成される。
【００４９】
このピッチの増加（又は減少）は、線型的、例えば直線的に変化を行う。但し、あくまでも基準位置からのずれ（移動量）が一対一に特定できればよいため、直線的な増減変化に限定されるものではなく、２次曲線的に変化しても可能である。また本実施形態におけるピッチの増減は、グレーティング構造体３ａの或る極小範囲（ストライプ数本分）毎にステップ的に増加又は減少している。変位センサ３１の基準端には、上下面に一対の出力電極４１ａ，４１ｂが形成されている。これらの出力電極４１ａ，４１ｂの出力信号線は、センサ外部に引き出され、検出部７に接続されている。
【００５０】
変位センサ取り付け治具３２は、保持板３６ａ，３６ｂと、可動軸３７と、固定軸３８とで構成される。保持板３６ａ，３６ｂは、金属や硬質な樹脂材料からなるプレートであり、例えば、変位センサ３１の対向する二辺の上下両面から挟持して、面で接着して固定されている。可動軸３７は、基準端の保持板３６ａと外装部材３５を貫通して設けられ、変位により、外装部材３５が引っ張られて、変位センサ３１と一体的で基準端とは離間せずに、移動する。また、固定軸３８は、基準端とは反対側の保持板３６ｂと外装部材３５を貫通して設けられ、変位により、外装部材３５が引っ張られて延伸、変位センサ３１の端と離間して離れるように移動する。
【００５１】
光源６は、発光ダイオード又は、レーザーダイオード等のある径で光束を出射する光学部品である。本実施形態では、光源６から出射される光束は、センサ受光面の金属膜４２に対して、ピッチ変化に対して最も大きい開放電圧の変化が得られる入射角度で入射するように固定されている。光束の径は、グレーティング構造体３ａの大きさにより決定され、光束の波長は、グレーティングピッチと共鳴角度との兼ね合いで決定される。
【００５２】
ここで、図８（ａ）乃至（ｆ）に示す工程図を参照して、ＳＰＲセンサ１を利用した変位センサ３１の製造工程について説明する。尚、以下に説明する図８（ａ）乃至（ｃ）の製造工程においては、前述した図２（ａ）乃至（ｄ）における製造工程とほぼ同一であり、その説明を簡略化する。まず、変位センサ３１を形成する。
図８（ａ）に示す工程において、ｎ型シリコン基板１１に対して、イオン注入法を用いて、ＢＦ2をイオン注入し、表層にｐ+層１２を形成する。
【００５３】
図８（ｂ）の工程において、基板１１のｐ+層１２上にレジスト層（図示せず）を形成し、電子線直接描画により、ストライプのレジストパターンからなるグレーティング構造体３ａを形成する。このグレーティング構造体３ａは、前述したようにグレーティングピッチがグラディエーション化するように設けられている。この例では、グレーティング構造体３ａの幅を５０００μｍとして、ピッチをＬ＝１００［μｍ］幅毎に徐々に線型的に大きくなるようにピッチ変化を加えてグラディエーション化した形状である。
【００５４】
図８（ｃ）の工程において、グレーティング構造体３ａを含む基板１１の全面上に、蒸着装置を用いて、金属層となる金（Ａｕ）膜１４を略同じ膜厚で成膜する。さらに、基板１１の裏面上及び金膜１４に電気的に繋がるように、それぞれに出力電極４１ａ，４１ｂを形成する。
図８（ｄ）の工程において、外装部材３５から変位センサ３１を嵌め込むための嵌め込みスペースを切削して除去する。この時、そのスペースに嵌め込まれた変位センサ３１が外れ出ないように２箇所の縁を抑えるキャップ部材４３，４４を用意する。
【００５５】
図８（ｅ）の工程において、外装部材３５の嵌め込みスペースの内壁に公知な化学蒸着法等を用いて、パリレン薄膜４５を被膜する。併せて、可動軸３８側において、変位センサ３１を押さえるキャップ部材４３における変位センサ３１との当接面側にも同様に、パリレン薄膜４５を被膜する。このパリレン薄膜４５を設けることにより、外装部材３５であるＰＤＭＳと変位センサ３１との間の滑り抵抗を低く抑えた滑り構造を持たせることができる。
【００５６】
図８（ｆ）の工程において、センサ３１を外装部材３５の嵌め込むスペース内に嵌め込んだ後、キャップ部材４３，４４を固着する。さらに、変位センサ取り付け治具３２、即ち、保持板３６ａ，３６ｂと、固定軸３７と、可動軸３８とを取り付ける。
【００５７】
このように構成した力学的変位を検出する検査システムにおける変位検出について説明する。
ここでは、測定に際して、変位センサ３１の固定軸３７と可動軸３８とを保持して、互いに軸が離れる方向にΔＬを引っ張る検査用装置を用いている。測定においては、変位センサ３１における初期照射位置Ｌを１３００［ｎｍ］として、引っ張りによる最終照射位置がＬ＝１３４０［ｎｍ］となっている。
【００５８】
この引っ張り変化に対して、図９（ａ）に示すように、引っ張りの無い状態（ΔＬ＝０）の場合と、図９（ｂ）に示す引っ張りのある状態（変位変化ΔＬ＝５０％）の場合において、図１０に示す光束の入射角度と出力（開放電圧Ｖoc）との関係を取得した。図１１は、これらの関係に基づく、変位変化ΔＬに対する出力変化ΔＶの関係を示す図である。図１１にて、光束の入射角度はＬ＝１３４０［ｎｍ］のときの共鳴角度（29.8[deg]）と設定している。
【００５９】
変位変化ΔＬは、例えば、１０（ｍｍ）の幅Ｌを持つセンサ中に、幅５（ｍｍ）を有するグレーティング構造体が設けられていると想定する。ここに、５（ｍｍ）の変位、即ち、５０％の変化を与えることにより、光束の照射位置は、グレーティング構造体の端から端へ５（ｍｍ）の距離を移動する。この移動により、ＳＰＲの共鳴状態が変化する。従って、変位変化ΔＬが５０％というのは、幅Ｌに対して変化した形状情報をもとに得られる変化分である。
【００６０】
本実施形態の変位を検出するＳＰＲセンサは、外装部位に変位を与えることにより、センサの受光面における光照射位置が変化する。このため、光照射位置が異なるグレーティングピッチを持つ箇所に移動して照射することとなり、図１１に示すように、変位変化に応じて線型的に出力値（電圧値）が変化する。
【００６１】
その出力値を、予め関連づけられた比較条件（ここでは、グレーティング構造体４３の各照射位置（又は移動距離）における出力値）との関係から、センサの出力値の変化から移動距離即ち、変位量を検出することができる。
【００６２】
以上のことから、ＳＰＲセンサを用いて、用意加工性により、出力変化を力学的変位として検出することができる変位センサとして実現することができる。尚、変位センサとして使用する場合、任意の光照射位置Ｌにて、ＳＰＲを起こす共鳴角度を計算し、その角度で固定して入射するように設定する。
【００６３】
［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態について説明する。
図１２には、第３の実施形態として、上述したＳＰＲセンサを利用して角度変化を検出す角度センサを搭載する検査システムの概念的な構成を示している。図１３（ａ）乃至（ｅ）は、本実施形態の角度を検出するＳＰＲセンサの製造工程について説明するための工程図である。
【００６４】
本実施形態では、図１３（ｅ）に示すように、ＭＥＭＳデバイス技術を用いて、ＳＰＲセンサを片持ち形のカンチレバー型プローブに搭載し、変位（角度）を検出する検査システムを提案する。図１３（ｅ）に示すＳＰＲセンサ１を利用した角度センサ５１は、そのプローブ６２に設けられた場合、その梁の傾斜状態を電磁気効果や容量効果を通じて、電気的信号に変換することによりセンシングを行っている。
【００６５】
まず、図１３（ａ）乃至（ｅ）に示す工程図を参照して、センサの製造工程について説明する。尚、本実施形態のセンサの製造工程においては、前述した図２（ａ）乃至（ｄ）における製造工程とほぼ同一であり、簡略化して説明する。
【００６６】
図１３（ａ）の工程において、本実施形態の角度センサ５１を備えるカンチレバー型プローブ６２を作製するに当たり、公知なＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いる。このＳＯＩ基板の代表的な作成技術は、シリコン基板に酸素イオンを注入して、基板内部に埋め込み酸化膜を形成するＳＩＭＯＸ（Separation by implanted oxygen）製造方法がある。他の方法としては、表面を酸化したボンドシリコンウエハと、ベースシリコンウエハとを貼り合わせて結合熱処理で一体的に結合させた後、ボンドシリコンウエハ側を平面研磨により薄膜化を図る、貼り合わせ製造方法等がある。
【００６７】
図１３（ａ）の工程において、ＳＯＩ基板５２は、トップシリコン層（膜厚１０００ｎｍ）５３、埋め込み酸化膜（膜厚４００ｎｍ）５４、シリコン基板（厚さ３００μｍ）５５である。ＳＯＩ基板５２のトップシリコン層５３の極性はＰ型であり、ρ＝４０［Ωｃｍ］、＜１００＞の特性を有している。
【００６８】
図１３（ｂ）の工程において、トップシリコン層５３にマスクを形成し、覆われずに露呈する領域にイオン注入を行い、選択的にｎ+ドープ層５６を形成する。本実施形態では、カンチレバーの梁となる部分の上面にｎ+ドープ層５６が形成されている。
【００６９】
図１３（ｃ）の工程において、ｎ+ドープ層５６上に、均一な厚さのレジスト層（図示せず）を形成する。さらに、電子ビーム描画装置を用いた電子線直接描画にて、ストライプのレジストパターンからなるグレーティング構造体５７を形成する。その後、グレーティング構造体５７を含むトップシリコン層５３の全面上に、蒸着装置を用いて金（Ａｕ）膜５８を成膜する。さらに、フォトリソグラフィ技術及びウェットエッチング法を用いて、アイランドパターンニング処理により、不要な金膜を除去して、グレーティング構造体を覆う金膜（第１の出力電極５９ａを含む）５８ａと、これと電気的に分離された第２の出力電極５８ｂとを形成する。
【００７０】
図１３（ｄ）の工程において、マスクとの組み合わせたＲＩＥ等のドライエッチング技術により、カンチレバーの支柱部分を残すように、シリコン基板５５（底面側）の表面からトップシリコン層５３が露呈するまで選択除去する。
図１３（ｅ）の工程において、露呈するトップシリコン層５３を、所定の膜厚となるように、さらにエッチングする。そのトップシリコン層５３の自由端の近傍に公知な手法を用いて探針６０を作製する。作製方法は、選択的なドライエッチ法や、触媒法による他の材料の成長などを用いればよい。
【００７１】
このように構成されたプローブ６２は、梁部分５０の金膜５８ａ（グレーティング構造体）に光束がある入射角度で照射されている状態で駆動された際に、探針６０に対して力学的な変位が加わると、梁部分５０に反り又は曲がりが発生する。
従って、グレーティング構造体５７が反る又は曲がることとなり、光束の入射角度が変化し、出力電極５９ａ，５９ｂに出力される電圧に変化が生じる。この時のカンチレバーの変位量と出力電圧は、比較条件として予め関連づけられて設定されているため、電圧変化に応じた角度センサ５１の変位量を算出することができる。
【００７２】
図１２に示す上述した角度センサ５１を搭載する検査システムによる角度変化の検出について説明する。本実施形態の検査システム６１は、上述した角度センサ５１を用いたプローブ６２を採用する一例として、非接触型原子間力顕微鏡装置を示している。
本検査システムの変位検出法としては、振幅検出（ＡＭ検出）又は、周波数検出（ＦＭ検出）のいずれも適用することができる。以下の説明においては、本実施形態の検査システムをＡＭ検出法に応用した例について説明する。
【００７３】
本実施形態の検査システム６０は、角度センサ５１を搭載するプローブ６２と、プローブ６２に所定振動を与えるアクチュエータ６３と、角度センサ５１の金膜５８ａに光束を照射する光源６４と、検査対象となるサンプル６５を載置するテーブルを備えＸ−Ｙ方向（２軸方向）に移動可能なＸＹスキャナ６６と、ＸＹスキャナ６６を制御するコントローラ６７と、ＸＹスキャナ６６をＺ方向に移動するスタックピエゾ素子６８と、スタックピエゾ素子６８を駆動するサーボ回路６９と、制御部７０と、で構成される。ここでは、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向を３軸方向とする。
【００７４】
制御部７０は、振動しているカンチレバー型プローブ６２が検査対象物の形状に沿って昇降した変位（変位量）を検出する変位検出部７１と、ＡＭ検出及びアクチュエータ６３とサーボ回路６９のフィードバック制御を行う復調部７２とで構成される。
この検査システムでは、圧電セラミックスからなるアクチュエータ６３と、前述した角度センサ５１によるカンチレバー型プローブ６２を組み合わせて使用する。この構成において、振動系の鋭さを示唆するＱ値は、大気中では４００、共振周波数は１０ＫＨｚである。
【００７５】
光源６４における光束の入射角度は、角度センサ５１のグレーティングピッチより、見積もられる波数分散式から得られる共鳴角度に設定する。復調部７２は、ＡＭ検出器で構成されている。カンチレバー６２の出力信号よりＡＭ検出を行い、測定対象の表面形状を類推し、且つアクチュエータ６３及びサーボ回路６９にフィードバック制御を行うための制御信号を生成する。
【００７６】
復調部７２であるＡＭ検出器には、変位検出部７１からの出力（開放電圧）が入力されＡＭ検出では、例えば、プローブ６２の共振点をそれぞれの共振点（ｆ１＝１０ＫＨｚ）より△ｆ（△ｆ１＝２５Ｈｚ）だけずらした点（ｆ１＋△ｆ１）で加振した時のその加振周波数における各プローブ６２の振幅を検出し、サンプル６５とプローブ６２との物理的相互作用による共振点の変化を、信号の強度変化△Ａとして検出する。△Ａの変化から、サンプル６５の表面形状を類推することができる。
【００７７】
以上のように、本実施形態の検査システムの構成においては、反射光を受ける受光素子は不要であるため、複数本のカンチレバーを備えるマルチプローブに変更することは容易である。本実施形態では、第１の実施形態と同様に、予め定めた比較条件、即ち、サンプル６５とプローブ６２との物理的相互作用による共振点の変化を信号の強度変化として関係づけることにより、表面形状を類推することができる。
【００７８】
本実施形態の検査システムは、以下の従来の原子間力顕微鏡装置に生じる課題を解決することができる。
光てこ法を採用している従来のカンチレバーは、梁部分の背面に反射面を設けて、レーザ光を照射し、カンチレバーの変動に従う反射光の変化をフォトダイオードにより検出する構成である。この検出方法は、精度の高い測定が実現できる反面、受光素子やその処理回路等を必要とするため、構造が複雑化及び検出部の規模が大きくなっている。これに対して、本実施形態のカンチレバーは、反射光を受光する受光素子は不要であり、構成の簡素化や検出部の小型化が実現できる。
【００７９】
他の手法であるカンチレバーに設けたピエゾ抵抗素子を利用して、その変化から位置を検出する方法（ピエゾ抵抗法）は、電流印加により発生するジュール熱が検出結果に影響を与える虞がある。これに対して、本実施形態では、グレーティング構造体を利用した出力電圧の変化を検出しているため、ジュール熱は影響が生じる程発生しない。
【００８０】
さらに、精度の高い測定方法としてブラッググレーティング反射式のセンサが知られている。これは、反射光（回折光）の強度を計測することにより、角度を計測するものである。この検出方法も、反射光を検出しているため、光てこ法と同様に、検査システムの構成が煩雑になる可能性がある。これらの反射光を検出する方式においては、複数の角度センサを用いるマルチセンサシステムを構築する場合、角度センサと対で光源と光検出器が必要となるため、構成がより煩雑になる。
【００８１】
これに対して、本実施形態の検査システムの構成においては、前述した光てこ法のカンチレバーと同様に、構成が簡素化される。さらに、反射光を受ける受光素子は不要であるため、複数本のカンチレバーを備えるマルチプローブに変更することは容易である。
【００８２】
本発明の検査システムは、以下の要旨を含む。
１）外部から設定された入射角度で入射した光束を電気信号に変換し出力する受光面を有する光電変換素子と、
前記光束を透過するレジスト材料により前記受光面上に間隔を空けてストライプ状にパターン形成されたグレーティング構造体と、
前記グレーティング構造体を含むことにより波状に覆い被膜する導電体と、
前記光電変換素子により生成された電圧信号を出力する出力電極と、
を有し、
前記光束の入射角度又は入射位置により出力値を変化することを特徴とするセンサ。
【００８３】
２）光束を照射する光源と、
基板上に一体的に形成され、前記光源から予め設定された入射角度で入射した光を電気信号に変換し出力する受光面を有する光電変換素子と、光を透過するレジスト材料により前記受光面上に間隔を空けてストライプ状にパターン形成されたグレーティング構造体と、前記グレーティング構造体を含み波状に起伏をしながら覆い被膜する導電体と、前記光電変換素子により生成された電圧信号を出力する出力電極と、で構成され、前記光束の入射角度又は入射位置により出力値を変化するセンサと、
前記出力電極より出力された出力値を取得し、予め設定された比較条件との比較により、その比較条件により定められた検出結果を出力する制御部と、を具備し、
前記センサが前記光束に照射を受けて、前記グレーティング構造体が表面プラズモンを誘起させ、且つ前記グレーティング構造体上を光不透過の前記導電体で被膜されていることを特徴とする検査システム。
【符号の説明】
【００８４】
１…ＳＰＲセンサ、２…基板、３…グレーティング構造体、４，１４…金属膜、５，５ａ，５ｂ…出力電極、６…光源、７…検出部、１１…ｎ型シリコン基板、１２…ｐ+層、１３…レジストパターン、２１，３０，５０…センサ、２１…チャンバ、２２…ステージ機構、２２ａ…ステージ部、２２ｂ…ステージ移動機構、２３…制御部、２４…ガス導入口、２５…ガス排出口、２７…駆動制御部、２８…揺動部、２９…駆動部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Surface Plasmon Resonance）を利用するＳＰＲセンサとＳＰＲセンサを搭載する検査システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を利用するセンサが知られている。このＳＰＲは、屈折率の変化に対し敏感に反応するため、ガスセンサ等のケミカルセンサに応用されている。例えば、非特許文献１には、この原理を利用したガスセンサ装置が提案されている。
【０００３】
このガスセンサ装置は、入射光源、ガスチャンバ、ＳＰＲ変化を検出するＳＰＲセンサ部、ステージ及び、反射光測定用フォトディテクタにより構成されている。ＳＰＲセンサ部は、金属でグレーティング構造体を形成しており、入射光を近接場化する。その近接場が形成する波数ｋ１、金属内部の自由電子の振動（プラズモン）が寄与する波数ｋ２、及び、グレーティングピッチが寄与する波数ｋ３とすると、
【数１】
において、ｋ１＋ｋ３＝ｋ２となった場合、プラズモンと近接場との共鳴が発生する。ここで、εmは媒体の誘電率、εMetal(ω)は金属の誘電率、ωは入射光の角振動数、ｃは光速及び、Lはグレーティングのピッチ（図１ではpと記載）、θは入射光の入射角度である。
【０００４】
この共鳴状態では、反射光と共鳴している（つまり、グレーティング構造体の周辺においては、近接場共鳴光が発生している）ため、図１４のθ＝３８[deg]付近に見られるように、反射光強度が一時、低い状態となり、これを共鳴状態の変化として検出する。ＳＰＲセンサ周辺のガス媒体が変化（即ち、屈折率が変化）すると、ｋ１及びｋ２の項が変化して、ガス媒体変化をこの反射光強度変化として検出可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２７３８３２号公報
【非特許文献１】Sensors and Actuators, P.S Vukusic, et al. 8(1992)155-160
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した従来のＳＰＲセンサ部において、共鳴状態の変化を検出するには、一次光の反射光強度変化を検出する必要がある。これは装置構成の規模が大きくなることを意味している。そこで小型化を図るために、ＳＰＲセンサ自体に、その共鳴状態変化を検出する機能を付与することにより解決することができる。例えば、フォトディテクタ上に、金属線を等間隔に並べた金属グレーティング構造体により、開口部を通じて近接場共鳴光をフォトディテクタにて検出することができる。
【０００７】
この金属グレーティング構造体を作製するためには、真空下のプラズマエッチング等の高度な半導体製造プロセスを用いているため、製造コストに影響を与えており、低コスト化が望まれている。加えて、このＳＰＲセンサを種々の検出に用いるためには、さらに共鳴度合い（反射光を測定する検出系統では、共鳴していないときの反射光強度と、共鳴しているときの反射光強度との差又は、その急峻さ）の大きいセンサが要望されている。
【０００８】
そこで本発明は、反射光測定が不要であり、表面プラズモン共鳴を高い感度で測定可能なＳＰＲセンサ及びＳＰＲセンサを搭載する検査システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に従う実施形態のセンサは、外部から予め設定された入射角度で入射した光束を電気信号に変換し出力する受光面を有する光電変換素子と、光を透過するレジスト材料により前記受光面上に間隔を空けてストライプ状にパターン形成され、前記光束の照射を受けて表面プラズモンを誘起させるグレーティング構造体と、前記グレーティング構造体及び露呈する前記受光面を覆うように形成し、前記受光面に透過する光束を抑制する導電体と、前記光電変換素子により生成された電圧信号を出力する出力電極とを有する。
【００１０】
さらに、本発明に従う実施形態による検査システムは、光束を照射する光源と、入射された前記光束を電気信号に変換し出力する受光面を有する光電変換素子と、光を透過するレジスト材料により前記受光面上に間隔を空けてストライプ状にパターン形成され、前記光束の照射を受けて表面プラズモンを誘起させるグレーティング構造体と、前記グレーティング構造体及び露呈する前記受光面を覆うように形成し、前記受光面に透過する光束を抑制する導電体と、前記光電変換素子により生成された電圧信号を出力する出力電極と、で構成されるセンサと、前記出力電極から出力された前記受光面に照射された前記光束の入射角度又は入射位置のいずれかに応じて変化する出力値を出力する検出部と、を具備する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、反射光測定が不要であり、表面プラズモン共鳴を高い感度で測定可能なセンサを搭載する検査システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の検査システムに搭載するＳＰＲセンサにおけるセンサの構成例を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）乃至図２（ｄ）は、センサの製造工程について説明するための工程図である。
【図３】図３は、センサにおける回転角度に対する、０次反射光強度及び開放電圧との関係を示す特性図である。
【図４】図４は、第１の実施形態における本発明のセンサをガス検出に応用した検査システムの概念的な構成を示す図である。
【図５】図５は、入射角度と開放電圧との関係によるアセトン量変化に対するＳＰＲ応答の入射角度依存特性を示す図である。
【図６】図６は、アセトン量変化に対する入射角度における開放電圧のピーク角度の特性を示す図である。
【図７】図７は、第２の実施形態における本発明のセンサを力学的変位の検出に応用した検査システムの概念的な構成を示す図である。
【図８】図８（ａ）乃至図８（ｆ）は、変位センサの製造工程について説明するための工程図である。
【図９】図９（ａ）は、変位センサに引っ張りが無い状態を示す図であり、図９（ｂ）は、変位センサに引っ張りがある状態を示す図である。
【図１０】図１０は、変位センサにおける光束の入射角度と出力（開放電圧Ｖoc）との関係を示す特性図である。
【図１１】図１１は、図１０に示す入射角度と出力の関係に基づく、変位変化ΔＬに対する出力変化ΔＶの関係を示す特性図である。
【図１２】図１２は、第３の実施形態として、角度変化を検出する角度センサを搭載する検査システムの概念的な構成を示している。
【図１３】図１３（ａ）乃至図１３（ｅ）は、第３の実施形態の角度センサであるカンチレバーの製造工程について説明するための工程図である。
【図１４】表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
まず、発明の検査システムに搭載する表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Surface Plasmon Resonance）センサの基本的な構成について説明する。
【００１４】
図１は、ＳＰＲセンサの構成例を示す断面図である。
ＳＰＲセンサ１は、ＳＰＲを誘起させる構造を有し、後述する種々の検査対象に対応するセンサシステムに搭載する基本的な構成である。このＳＰＲセンサ１は、光電変換機能を有する基板２と、基板２上に光を透過するレジスト材料から成り、等間隔のピッチによるストライプ形状に配置されるグレーティング構造体３と、グレーティング構造体３を覆うように形成される光をある程度不透過な導電体膜、例えば金属膜４と、一対の出力電極５（５ａ，５ｂ）とで構成される。
【００１５】
さらに、検査システムとしては、ＳＰＲセンサ１の金属膜４（グレーティング構造体３）に光束を照射する光源６と、ＳＰＲセンサ１の出力電極５から出力された信号（電圧信号）を取り込み、この信号に基づく検出処理を行う検出部７が備えられる。この金属膜４の表面をセンサ受光面とする。検出部７は、例えば、ノイズ除去及び信号増幅処理等を施す検出処理を行う。
【００１６】
この構成において、基板２には、フォトディテクタ（ＰＤ）等の光を受けて電気を生成する光電変換素子が形成された半導体基板を用いている。グレーティング構造体３は、フォトリソグラフィ技術を用いて製造するが、他にも、プリント技術を用いても実施することができる。また、グレーティング構造体３における高さ、幅及びグレーティングピッチｐと、金属膜４の膜厚Ｔは、適用されるセンサの構成や性能等に応じて設計時に適宜設定されている。出力電極５は、基板側に設けられた出力電極５ａ及び、金属膜４側に設けられた出力電極５ｂにより構成され、光電変換素子により生成された電圧を出力する。
【００１７】
金属膜４は、略均一な厚さでストライプ形状のグレーティング構造体３を覆うように波状に形成されている。製造方法としては、蒸着技術、メッキ技術又は、スプレー技術を用いることができる。
【００１８】
この金属膜４は、少なくともクレーティング構造体３が形成されずに露呈する基板２の表面を覆うように形成されていればよく、必ずしも凸部分の膜厚と、基板２上の膜厚とを一致させる必要はない。金属膜４の不透過さ加減は、基板２の受光面（ＰＤ面）に透過する光を抑制（又は遮光）するものであり、検出対象や求める性能に応じて所望する数値で透過を抑制（又は遮光）するように適宜、設定される事項である。これらの加減は、経験的、例えば、シミュレーション、実験又は、試作により適正な設定を行うことができる。
【００１９】
また、本実施形態では、専用の光源６を設けた構成であったが、これに限定されるものではなく、例えば、ＳＰＲを発生させる波長を含む帯域の光を照射し、光学フィルタをＳＰＲセンサ１の受光面前に配置して、ＳＰＲを発生させる波長の光のみを取り出して、ＳＰＲセンサ１に導く構成であってもよい。
【００２０】
本実施形態のＳＰＲセンサ１について説明する。
通常に利用されている結晶シリコン系太陽電池のＩＰＣＥ（Incident Photon to Current conversion Efficiency：入射したフォトンがどの程度電流へ変換したのかを示す値）は、例えば、λ＝９００［ｎｍ］近辺で最大値をとり、λ＝９８０［ｎｍ］より単調に減少する。それは、近赤外光領域（ＮＩＲ領域）における光強度（光吸収）が低いことに起因する。そこで、本実施形態のＳＰＲセンサ１は、受光した光を、ＳＰＲを用いることにより、ＮＩＲ領域における光強度を高めて、電流変換に導く構成である。このため、ＳＰＲを誘起させる部位を光吸収層に近接すること、即ち、グレーティング構造体３及び金属膜４をセンサ受光面に近接させることが望ましい。
【００２１】
このようなＳＰＲセンサ１は、以下の効果を有している。
１）波状形状を成す金属膜４は、グレーティング機能を有しているため、ＳＰＲを誘起させることができる。
２）不透明な金属膜４は、共鳴する入射光が基板へ透過することを防止しているため、共鳴時と非共鳴時における反射光強度の差を小さくする１つの要因を排除している。つまり、従来のセンサの構造において、グレーティング構造体が形成されていない光電変換素子の受光面には共鳴する入射光が入り込まないことが望ましい。入射光により生じた電流が上述した反射光強度の差の変化の急峻さを鈍化させる可能性がある懸念がある。
【００２２】
３）レジスト材料からなるグレーティング構造体３を基板上に直接、固着するように形成し、さらに金属膜４で被覆したままの構成であるため、金属膜４に対してプラズマエッチング等の高コストな真空下の半導体プロセスを用いずに、ＭＥＭＳデバイス技術を用いて作成することができる。
【００２３】
本実施形態のＳＰＲセンサ１は、ＳＰＲを誘起させる構成が、間隔（ストライプ）を空けて形成したレジスト層と、その上を均一の厚さで覆った金属膜により実現される。これらは半導体技術（特に、プラズマを用いたエッチング）を用いずに実現でき、特に金属膜は、均一に成膜するだけで、エッチングの必要なくＳＰＲの効果を得ることができる。また、グレーティング構造体３上の金属膜は、表面に波状の起伏があったとしても、ＣＭＰ等の研磨やエッチバック処理による表面の平坦化を行う必要もない。
【００２４】
次に、このセンサ１におけるＳＰＲの検出及びシミュレーション（ＲＣＷＡ）による共鳴度合いについて説明する。
まず、ＳＰＲセンサ１を以下の説明する手順で作成し、ＳＰＲの検出について説明する。測定に用いる構成例は、金属膜４で起きているＳＰＲを、その下部に設けたフォトディテクタにより検出する構成である。前述したように、ＳＰＲが生じると、反射光強度が低い状態となる、即ち、出力された開放電圧の電圧値が高い状態となる変化を共鳴状態の変化として検出する。
【００２５】
図２（ａ）乃至（ｄ）を参照して、ＳＰＲセンサ１の製造工程について説明する。
図２（ａ）の工程において、ｎ型シリコン基板（ρ＝１０［Ωｃｍ］，＜１００＞）１１に対して、イオン注入法を用いて、ＢＦ２をイオンとして注入して、表層にｐ+層１２を形成する。ここでは、アクセプタ不純物濃度ＮA：５．７０×１０１８［ｃｍ−２］としている。
【００２６】
図２（ｂ）の工程において、レジスト塗布装置によるスピンコートにより、基板１１のｐ＋層１２上に均一な厚さのレジスト層を形成する。さらに、例えば、電子ビーム描画装置を用いた電子線直接描画にて、レジストパターンからなるグレーティング構造体３を形成する。この例では、グレーティングピッチｐ：１３３０［ｎｍ］、膜厚ＴAU：５０［ｎｍ］、アクセプタ不純物濃度ＮA：５．７０×１０１８［ｃｍ−２］としている。パターン形成においては、他にも、露光及び現像によるフォトリソグラフィ技術を用いてもよい。
【００２７】
図２（ｃ）の工程において、グレーティング構造体３を含む基板１１の全面上に、蒸着装置を用いて金（Ａｕ）膜４を成膜する。本実施形態では、耐腐食性を考慮して、金属膜に金を使用したが、これに限定されるものではなく、ＳＰＲセンサ１の仕様又は用途に応じて、アルミニウムなどの他の金属を適宜、使用することができる。また金属膜の成膜方法としては他にも、メッキ方法、印刷方法、スパッタリング方法又は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）方法などの公知な成膜方法も用いることが可能である。
【００２８】
図２（ｄ）の工程において、基板１１の裏面上及び金膜４上にそれぞれに出力電極５ａ，５ｂを形成する。これらの電極は、マスク（レジストマスク等）を利用した上記成膜方法を用いて形成することができる。
上述した製造工程では、グレーティング構造体にレジストパターンを利用して、従来における金属材料を用いていないため、これまで半導体製造工程の１つとして必要であった金属膜のエッチングプロセスを利用していない特徴がある。
【００２９】
このように形成されたＳＰＲセンサ１による測定には、光源として、レーザ発光ダイオード（波長：６７５［ｎｍ］）、ポーラライザーと、レーザパワーを測定するパワーメータと、電圧、電流、抵抗や温度等を測定するマルチメータと、センサを回転させるためのステージにより構成される測定装置（図示せず）を用いている。
【００３０】
図３は、測定によるセンサ１における光束の入射角度（又は、受光面の傾き角度）［ｄｅｇ］に対する、０次反射光強度（Ｒ）［μＷ］及び開放電圧（Ｖoc）［ｍＶ］との関係を示す図である。
図３において、光束の入射角度（又は、受光面の傾き角度）と反射光強度との関係におけるＳＰＲのディップ角度（θ１＝２８．３［ｄｅｇ］及び、θ２＝３３．０［ｄｅｇ］）が検出されている。その角度は、波数分散式から見積もられた値と同等である。但し、θ１はｎ＝−３，θ２はｎ＝１に対応する。図３によれば、反射光強度Ｒが小さくなるにつれ、開放電圧Ｖが増加している。つまり、このようなＳＰＲセンサ１の構造において、ＳＰＲを検出できることを明確に示唆している。
【００３１】
［第１の実施形態］
次に、第１の実施形態として、上述したＳＰＲセンサを用いたガスを検出するガスセンサに応用した検査システムについて説明する。尚、本実施形態の構成部位において、前述したＳＰＲセンサにおける構成部位と同等の部位には、同じ参照符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００３２】
図４に示すように、この検査システムは、ＳＰＲセンサ１と、チャンバ２１と、ステージ機構２２と、ガス導入口２４及びガス排出口２５と、光源６と、検出部７と、システム全体の制御及び検出信号等の演算処理を行う制御部２３と、で構成される。
ＳＰＲセンサ１は、ステージ機構２２に固定される。ＳＰＲセンサ１の出力電極対は、チャンバ外部に配置される検出部７に配線等により接続され、センサ信号を出力する。
【００３３】
ガス導入口２４及びガス排出口２５は、図示しないガス導入排出機構に接続される。即ち、ガス導入口２４は、図示しない公知なガス導入機構（例えば、ガスボンベ、レギュレータ及びガス流量計等）に接続され、ガス排出口２５は、図示しない公知な排出機構（例えば、排気用ポンプ及びガス処理機器）にそれぞれ接続されており、設定する流量の任意又は所望のガスをチャンバ２１内に導入し、ガス濃度を可変することができるガス雰囲気を生成することができる。尚、ＳＰＲセンサをガスセンサとして現実的に使用する場合には、検出目的の特定のガスに強く影響を受けるように設計する場合もある。
【００３４】
ステージ機構２２は、ステージ部２２ａと、ステージ移動機構２２ｂとで構成される。ステージ部２２ａは、平坦な載置面を有し、ＳＰＲセンサ１を露呈する状態で固着している。又は、ステージ部２２ａにＳＰＲセンサ１を載置面に交換可能に保持する保持機構を備えてもよい。
【００３５】
ステージ移動機構２２ｂは、少なくともステージ部２２ａを傾斜するように揺動するための揺動部２８と、揺動部２８を駆動させるためのステッピングモータ等からなる駆動部２９、制御部２３の指示に従い駆動部２９を制御する駆動制御部２７と、で構成される。このステージ移動機構２２ｂにより、ステージ部２２ａは、光源６からの光束の入射角度に対して、少なくとも垂直状態（入射角度０°）から水平状態（入射角度９０°）までを傾斜させることができる。この揺動部２８は、ギヤ等を用いた公知な構成でよい。尚、この揺動部２８には、角度センサ（又は、位置センサ）３０が設けられており、ステージ部２２ａの傾斜角度を計測し、この計測角度と同期して、ＳＰＲセンサ１の出力（開放電圧変化）が取得される。
【００３６】
チャンバ２１は、例えば、ガラス製からなり、気密な箱形状に形成されている。本実施形態では、ガラス材料を用いたが、検査ガスによる腐食やそのガス成分に影響を与えない部材であれば、限定されるものではない。但し、図４に示すように、チャンバ２１の外側に光源を配置した構成であれば、光源６からチャンバ２１内に光束（例えば、レーザ光）を入射するために、その入射窓は少なくとも透明部材により形成される。
【００３７】
さらに、チャンバ２１には、ステージ部２２ａ上のＳＰＲセンサ１に導入された検査対象となる気体（以下、検査ガスと称する）が向かうように、ガス導入口２４及びガス排出口２５が設けられている。
光源６は、発光ダイオード又は、レーザーダイオード等のある径で光束を出射する光学部品が好適する。その光束の波長は、グレーティングピッチと共鳴角度との兼ね合いで決定される。
【００３８】
駆動制御部２７は、ステージ機構２２を駆動して、光源６から照射される光束におけるＳＰＲセンサ１への入射角度を制御する。制御部２３は、検出部７（ＳＰＲセンサ１）からの出力を受けて、その電圧値に基づき、予め定めた電圧値と比較条件（ここでは、ガスによる出力値の変化）との関係から、ガスの有無及び、その濃度変化を算出する。
【００３９】
また、本実施形態のガスを検出するためのＳＰＲセンサ１は、外寸法が例えば、幅（Ｗ）：４［ｃｍ］、奥行き（Ｌ）：５［ｃｍ］、高さ（ｈ）：４［ｃｍ］のサイズの箱形状である。また、グレーティングピッチ：１３００［ｎｍ］、金属膜厚：９０［ｎｍ］、グレーティング構造体の高さ：５０［ｎｍ］としている。尚、ＳＰＲセンサ１は、検査ガスを検査したことにより、金属膜の表面が汚れるが、本実施形態では、金属膜に耐腐食性のある金（Ａｕ）膜を用いているため、簡易なクリーニング処理（拭き取り、又は洗浄）を行うことで、センサ性能を低下させることなく、継続的に使用することができる。
【００４０】
次に、この検査システムを用いた、ガスに対する共鳴変化による検出について説明する。以下では、検査対象をアセトンガスとする一例について説明する。尚、アセトンガスの導入方法としては、ガス化したアセトンをガス導入口２４から導入してもよいが、この例では、チャンバ２１内にアセトン溶液（１０，２０，３０[μｌ］）が充填されたシャーレを搬入し、ガス導入口２４及びガス排出口２５を密閉し気密状態とした後、蒸発させる方法としている。
【００４１】
まず、チャンバ２１内を大気状態のまま、ＳＰＲセンサ１に対して光源６から光束を照射する。この時、ステージ移動機構２２ｂにより、ステージ部２２ａに傾きを与えて、ＳＰＲセンサ１に入射する光束の入射角度を２０°〜４０°間で変化させて、多数の測定点における開放電圧値Ｖ１を測定する。
【００４２】
次に、１０［μｌ］のアセトン溶液が充填されたシャーレをチャンバ２１内へ搬入し、チャンバ２１内をアセトンガスで充満させる。同様に、ＳＰＲセンサ１に入射する光束の入射角度を２０°〜４０°間で変化させて、多数の測定点における開放電圧値Ｖ２を測定する。以降、同様に、２０，３０［μｌ］のアセトン溶液が充填されたシャーレをチャンバ２１内へ搬入し、入射角度を２０°〜４０°間で変化させて、予め定めた間隔による多数の測定点における開放電圧値Ｖ３，Ｖ４を測定する。
【００４３】
これらの測定結果として、図５には、入射角度と開放電圧との関係によるアセトン量変化に対するＳＰＲ応答の入射角度依存特性を示す。また、図６には、アセトン量変化に対する入射角度における開放電圧のピーク角度（共鳴角度）特性を示す。
この結果、アセトンガス雰囲気下で取得されたデータに関しては、ＳＰＲセンサ１付近の屈折率がアセトンの濃度変化により開放電圧が変化することが示唆されている。つまり、グレーティング界面に接するガス濃度の変化により、屈折率が変化し、ＳＰＲ応答が変化するので、アセトンの濃度変化を検出することができる。
【００４４】
ガスの検査システムに用いる場合の具体的な検出法としては、例えば、入射角度２０〜３０［ｄｅｇ］の範囲内で、ピーク電圧時の入射角度を共鳴角度と設定し、その共鳴角度変化を検出すればよい。
以上のように、本実施形態によれば、ＳＰＲセンサをガス検出に用いることにより、反射光を測定する従来のシステム構成に比べて、簡易な構成でガスの検査システムを実現することができる。
【００４５】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態について説明する。
図７には、第２の実施形態として、上述したＳＰＲセンサ１を利用して力学的変位を検出する変位センサ３１に応用した検査システムの概念的な構成を示している。尚、本実施形態の構成部位において、前述したＳＰＲセンサにおける構成部位と同等の部位には、同じ参照符号を付して、詳細な説明は省略する。
この検査システムは、変位センサ３１と、取り付け治具３２と、光源３３と、検出部７と、演算処理部３４と、で構成される。
【００４６】
演算処理部３４は、検出部７から出力されたセンサ信号から変位量（又は、移動距離）を演算処理による生成する変位検出を行う。演算処理部３４は、別体として、配線接続してもよいし、変位センサ３１と一体的に構成してもよい。また、演算処理部３４は、別体でよければ、専用に作製しなくとも、例えば、パーソナルコンピュータを利用してもよい。また、少なくとも変位センサ３１と取り付け治具３２と光源３とは１つのユニットとして構成されている。この変位センサ３１は、前述したＳＰＲセンサ１と基本的な構造は同じであり、後述する電極対が導電体の金膜と同じ高さ（同一面）であることと、グレーティング構造体のピッチが異なること以外は同等である。
【００４７】
変位センサ３１は、センサ受光面のみを露呈し、以外の受光面周辺を含む周囲（側面及び底面）を外装部材３５により、センサ本体を嵌入又は包含する構成である。外装部材３５は、例えばＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）等のシリコン系弾性体（シリコンエラストマー）の弾性体材料が好適する。
【００４８】
前述したＳＰＲセンサ１に形成されるグレーティング構造体３のグレーティングピッチｐは、等間隔に形成されていた。これに対して、本実施形態の変位センサ３１が用いているグレーティング構造体３ａは、ストライプ幅方向におけるセンサの一端（以下、基準端と称する）から他端に向かう方向でグレーティングピッチｐの間隔が徐々に広く又は、狭くなる（以下、グラディエーション化と表現する）ように形成される。
【００４９】
このピッチの増加（又は減少）は、線型的、例えば直線的に変化を行う。但し、あくまでも基準位置からのずれ（移動量）が一対一に特定できればよいため、直線的な増減変化に限定されるものではなく、２次曲線的に変化しても可能である。また本実施形態におけるピッチの増減は、グレーティング構造体３ａの或る極小範囲（ストライプ数本分）毎にステップ的に増加又は減少している。変位センサ３１の基準端には、上下面に一対の出力電極４１ａ，４１ｂが形成されている。これらの出力電極４１ａ，４１ｂの出力信号線は、センサ外部に引き出され、検出部７に接続されている。
【００５０】
変位センサ取り付け治具３２は、保持板３６ａ，３６ｂと、可動軸３７と、固定軸３８とで構成される。保持板３６ａ，３６ｂは、金属や硬質な樹脂材料からなるプレートであり、例えば、変位センサ３１の対向する二辺の上下両面から挟持して、面で接着して固定されている。可動軸３７は、基準端の保持板３６ａと外装部材３５を貫通して設けられ、変位により、外装部材３５が引っ張られて、変位センサ３１と一体的で基準端とは離間せずに、移動する。また、固定軸３８は、基準端とは反対側の保持板３６ｂと外装部材３５を貫通して設けられ、変位により、外装部材３５が引っ張られて延伸、変位センサ３１の端と離間して離れるように移動する。
【００５１】
光源６は、発光ダイオード又は、レーザーダイオード等のある径で光束を出射する光学部品である。本実施形態では、光源６から出射される光束は、センサ受光面の金属膜４２に対して、ピッチ変化に対して最も大きい開放電圧の変化が得られる入射角度で入射するように固定されている。光束の径は、グレーティング構造体３ａの大きさにより決定され、光束の波長は、グレーティングピッチと共鳴角度との兼ね合いで決定される。
【００５２】
ここで、図８（ａ）乃至（ｆ）に示す工程図を参照して、ＳＰＲセンサ１を利用した変位センサ３１の製造工程について説明する。尚、以下に説明する図８（ａ）乃至（ｃ）の製造工程においては、前述した図２（ａ）乃至（ｄ）における製造工程とほぼ同一であり、その説明を簡略化する。まず、変位センサ３１を形成する。
図８（ａ）に示す工程において、ｎ型シリコン基板１１に対して、イオン注入法を用いて、ＢＦ2をイオン注入し、表層にｐ+層１２を形成する。
【００５３】
図８（ｂ）の工程において、基板１１のｐ+層１２上にレジスト層（図示せず）を形成し、電子線直接描画により、ストライプのレジストパターンからなるグレーティング構造体３ａを形成する。このグレーティング構造体３ａは、前述したようにグレーティングピッチがグラディエーション化するように設けられている。この例では、グレーティング構造体３ａの幅を５０００μｍとして、ピッチをＬ＝１００［μｍ］幅毎に徐々に線型的に大きくなるようにピッチ変化を加えてグラディエーション化した形状である。
【００５４】
図８（ｃ）の工程において、グレーティング構造体３ａを含む基板１１の全面上に、蒸着装置を用いて、金属層となる金（Ａｕ）膜１４を略同じ膜厚で成膜する。さらに、基板１１の裏面上及び金膜１４に電気的に繋がるように、それぞれに出力電極４１ａ，４１ｂを形成する。
図８（ｄ）の工程において、外装部材３５から変位センサ３１を嵌め込むための嵌め込みスペースを切削して除去する。この時、そのスペースに嵌め込まれた変位センサ３１が外れ出ないように２箇所の縁を抑えるキャップ部材４３，４４を用意する。
【００５５】
図８（ｅ）の工程において、外装部材３５の嵌め込みスペースの内壁に公知な化学蒸着法等を用いて、パリレン薄膜４５を被膜する。併せて、可動軸３８側において、変位センサ３１を押さえるキャップ部材４３における変位センサ３１との当接面側にも同様に、パリレン薄膜４５を被膜する。このパリレン薄膜４５を設けることにより、外装部材３５であるＰＤＭＳと変位センサ３１との間の滑り抵抗を低く抑えた滑り構造を持たせることができる。
【００５６】
図８（ｆ）の工程において、センサ３１を外装部材３５の嵌め込むスペース内に嵌め込んだ後、キャップ部材４３，４４を固着する。さらに、変位センサ取り付け治具３２、即ち、保持板３６ａ，３６ｂと、固定軸３７と、可動軸３８とを取り付ける。
【００５７】
このように構成した力学的変位を検出する検査システムにおける変位検出について説明する。
ここでは、測定に際して、変位センサ３１の固定軸３７と可動軸３８とを保持して、互いに軸が離れる方向にΔＬを引っ張る検査用装置を用いている。測定においては、変位センサ３１における初期照射位置Ｌを１３００［ｎｍ］として、引っ張りによる最終照射位置がＬ＝１３４０［ｎｍ］となっている。
【００５８】
この引っ張り変化に対して、図９（ａ）に示すように、引っ張りの無い状態（ΔＬ＝０）の場合と、図９（ｂ）に示す引っ張りのある状態（変位変化ΔＬ＝５０％）の場合において、図１０に示す光束の入射角度と出力（開放電圧Ｖoc）との関係を取得した。図１１は、これらの関係に基づく、変位変化ΔＬに対する出力変化ΔＶの関係を示す図である。図１１にて、光束の入射角度はＬ＝１３４０［ｎｍ］のときの共鳴角度（29.8[deg]）と設定している。
【００５９】
変位変化ΔＬは、例えば、１０（ｍｍ）の幅Ｌを持つセンサ中に、幅５（ｍｍ）を有するグレーティング構造体が設けられていると想定する。ここに、５（ｍｍ）の変位、即ち、５０％の変化を与えることにより、光束の照射位置は、グレーティング構造体の端から端へ５（ｍｍ）の距離を移動する。この移動により、ＳＰＲの共鳴状態が変化する。従って、変位変化ΔＬが５０％というのは、幅Ｌに対して変化した形状情報をもとに得られる変化分である。
【００６０】
本実施形態の変位を検出するＳＰＲセンサは、外装部位に変位を与えることにより、センサの受光面における光照射位置が変化する。このため、光照射位置が異なるグレーティングピッチを持つ箇所に移動して照射することとなり、図１１に示すように、変位変化に応じて線型的に出力値（電圧値）が変化する。
【００６１】
その出力値を、予め関連づけられた比較条件（ここでは、グレーティング構造体４３の各照射位置（又は移動距離）における出力値）との関係から、センサの出力値の変化から移動距離即ち、変位量を検出することができる。
【００６２】
以上のことから、ＳＰＲセンサを用いて、用意加工性により、出力変化を力学的変位として検出することができる変位センサとして実現することができる。尚、変位センサとして使用する場合、任意の光照射位置Ｌにて、ＳＰＲを起こす共鳴角度を計算し、その角度で固定して入射するように設定する。
【００６３】
［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態について説明する。
図１２には、第３の実施形態として、上述したＳＰＲセンサを利用して角度変化を検出す角度センサを搭載する検査システムの概念的な構成を示している。図１３（ａ）乃至（ｅ）は、本実施形態の角度を検出するＳＰＲセンサの製造工程について説明するための工程図である。
【００６４】
本実施形態では、図１３（ｅ）に示すように、ＭＥＭＳデバイス技術を用いて、ＳＰＲセンサを片持ち形のカンチレバー型プローブに搭載し、変位（角度）を検出する検査システムを提案する。図１３（ｅ）に示すＳＰＲセンサ１を利用した角度センサ５１は、そのプローブ６２に設けられた場合、その梁の傾斜状態を電磁気効果や容量効果を通じて、電気的信号に変換することによりセンシングを行っている。
【００６５】
まず、図１３（ａ）乃至（ｅ）に示す工程図を参照して、センサの製造工程について説明する。尚、本実施形態のセンサの製造工程においては、前述した図２（ａ）乃至（ｄ）における製造工程とほぼ同一であり、簡略化して説明する。
【００６６】
図１３（ａ）の工程において、本実施形態の角度センサ５１を備えるカンチレバー型プローブ６２を作製するに当たり、公知なＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いる。このＳＯＩ基板の代表的な作成技術は、シリコン基板に酸素イオンを注入して、基板内部に埋め込み酸化膜を形成するＳＩＭＯＸ（Separation by implanted oxygen）製造方法がある。他の方法としては、表面を酸化したボンドシリコンウエハと、ベースシリコンウエハとを貼り合わせて結合熱処理で一体的に結合させた後、ボンドシリコンウエハ側を平面研磨により薄膜化を図る、貼り合わせ製造方法等がある。
【００６７】
図１３（ａ）の工程において、ＳＯＩ基板５２は、トップシリコン層（膜厚１０００ｎｍ）５３、埋め込み酸化膜（膜厚４００ｎｍ）５４、シリコン基板（厚さ３００μｍ）５５である。ＳＯＩ基板５２のトップシリコン層５３の極性はＰ型であり、ρ＝４０［Ωｃｍ］、＜１００＞の特性を有している。
【００６８】
図１３（ｂ）の工程において、トップシリコン層５３にマスクを形成し、覆われずに露呈する領域にイオン注入を行い、選択的にｎ+ドープ層５６を形成する。本実施形態では、カンチレバーの梁となる部分の上面にｎ+ドープ層５６が形成されている。
【００６９】
図１３（ｃ）の工程において、ｎ+ドープ層５６上に、均一な厚さのレジスト層（図示せず）を形成する。さらに、電子ビーム描画装置を用いた電子線直接描画にて、ストライプのレジストパターンからなるグレーティング構造体５７を形成する。その後、グレーティング構造体５７を含むトップシリコン層５３の全面上に、蒸着装置を用いて金（Ａｕ）膜５８を成膜する。さらに、フォトリソグラフィ技術及びウェットエッチング法を用いて、アイランドパターンニング処理により、不要な金膜を除去して、グレーティング構造体を覆う金膜（第１の出力電極５９ａを含む）５８ａと、これと電気的に分離された第２の出力電極５８ｂとを形成する。
【００７０】
図１３（ｄ）の工程において、マスクとの組み合わせたＲＩＥ等のドライエッチング技術により、カンチレバーの支柱部分を残すように、シリコン基板５５（底面側）の表面からトップシリコン層５３が露呈するまで選択除去する。
図１３（ｅ）の工程において、露呈するトップシリコン層５３を、所定の膜厚となるように、さらにエッチングする。そのトップシリコン層５３の自由端の近傍に公知な手法を用いて探針６０を作製する。作製方法は、選択的なドライエッチ法や、触媒法による他の材料の成長などを用いればよい。
【００７１】
このように構成されたプローブ６２は、梁部分５０の金膜５８ａ（グレーティング構造体）に光束がある入射角度で照射されている状態で駆動された際に、探針６０に対して力学的な変位が加わると、梁部分５０に反り又は曲がりが発生する。
従って、グレーティング構造体５７が反る又は曲がることとなり、光束の入射角度が変化し、出力電極５９ａ，５９ｂに出力される電圧に変化が生じる。この時のカンチレバーの変位量と出力電圧は、比較条件として予め関連づけられて設定されているため、電圧変化に応じた角度センサ５１の変位量を算出することができる。
【００７２】
図１２に示す上述した角度センサ５１を搭載する検査システムによる角度変化の検出について説明する。本実施形態の検査システム６１は、上述した角度センサ５１を用いたプローブ６２を採用する一例として、非接触型原子間力顕微鏡装置を示している。
本検査システムの変位検出法としては、振幅検出（ＡＭ検出）又は、周波数検出（ＦＭ検出）のいずれも適用することができる。以下の説明においては、本実施形態の検査システムをＡＭ検出法に応用した例について説明する。
【００７３】
本実施形態の検査システム６０は、角度センサ５１を搭載するプローブ６２と、プローブ６２に所定振動を与えるアクチュエータ６３と、角度センサ５１の金膜５８ａに光束を照射する光源６４と、検査対象となるサンプル６５を載置するテーブルを備えＸ−Ｙ方向（２軸方向）に移動可能なＸＹスキャナ６６と、ＸＹスキャナ６６を制御するコントローラ６７と、ＸＹスキャナ６６をＺ方向に移動するスタックピエゾ素子６８と、スタックピエゾ素子６８を駆動するサーボ回路６９と、制御部７０と、で構成される。ここでは、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向を３軸方向とする。
【００７４】
制御部７０は、振動しているカンチレバー型プローブ６２が検査対象物の形状に沿って昇降した変位（変位量）を検出する変位検出部７１と、ＡＭ検出及びアクチュエータ６３とサーボ回路６９のフィードバック制御を行う復調部７２とで構成される。
この検査システムでは、圧電セラミックスからなるアクチュエータ６３と、前述した角度センサ５１によるカンチレバー型プローブ６２を組み合わせて使用する。この構成において、振動系の鋭さを示唆するＱ値は、大気中では４００、共振周波数は１０ＫＨｚである。
【００７５】
光源６４における光束の入射角度は、角度センサ５１のグレーティングピッチより、見積もられる波数分散式から得られる共鳴角度に設定する。復調部７２は、ＡＭ検出器で構成されている。カンチレバー６２の出力信号よりＡＭ検出を行い、測定対象の表面形状を類推し、且つアクチュエータ６３及びサーボ回路６９にフィードバック制御を行うための制御信号を生成する。
【００７６】
復調部７２であるＡＭ検出器には、変位検出部７１からの出力（開放電圧）が入力されＡＭ検出では、例えば、プローブ６２の共振点をそれぞれの共振点（ｆ１＝１０ＫＨｚ）より△ｆ（△ｆ１＝２５Ｈｚ）だけずらした点（ｆ１＋△ｆ１）で加振した時のその加振周波数における各プローブ６２の振幅を検出し、サンプル６５とプローブ６２との物理的相互作用による共振点の変化を、信号の強度変化△Ａとして検出する。△Ａの変化から、サンプル６５の表面形状を類推することができる。
【００７７】
以上のように、本実施形態の検査システムの構成においては、反射光を受ける受光素子は不要であるため、複数本のカンチレバーを備えるマルチプローブに変更することは容易である。本実施形態では、第１の実施形態と同様に、予め定めた比較条件、即ち、サンプル６５とプローブ６２との物理的相互作用による共振点の変化を信号の強度変化として関係づけることにより、表面形状を類推することができる。
【００７８】
本実施形態の検査システムは、以下の従来の原子間力顕微鏡装置に生じる課題を解決することができる。
光てこ法を採用している従来のカンチレバーは、梁部分の背面に反射面を設けて、レーザ光を照射し、カンチレバーの変動に従う反射光の変化をフォトダイオードにより検出する構成である。この検出方法は、精度の高い測定が実現できる反面、受光素子やその処理回路等を必要とするため、構造が複雑化及び検出部の規模が大きくなっている。これに対して、本実施形態のカンチレバーは、反射光を受光する受光素子は不要であり、構成の簡素化や検出部の小型化が実現できる。
【００７９】
他の手法であるカンチレバーに設けたピエゾ抵抗素子を利用して、その変化から位置を検出する方法（ピエゾ抵抗法）は、電流印加により発生するジュール熱が検出結果に影響を与える虞がある。これに対して、本実施形態では、グレーティング構造体を利用した出力電圧の変化を検出しているため、ジュール熱は影響が生じる程発生しない。
【００８０】
さらに、精度の高い測定方法としてブラッググレーティング反射式のセンサが知られている。これは、反射光（回折光）の強度を計測することにより、角度を計測するものである。この検出方法も、反射光を検出しているため、光てこ法と同様に、検査システムの構成が煩雑になる可能性がある。これらの反射光を検出する方式においては、複数の角度センサを用いるマルチセンサシステムを構築する場合、角度センサと対で光源と光検出器が必要となるため、構成がより煩雑になる。
【００８１】
これに対して、本実施形態の検査システムの構成においては、前述した光てこ法のカンチレバーと同様に、構成が簡素化される。さらに、反射光を受ける受光素子は不要であるため、複数本のカンチレバーを備えるマルチプローブに変更することは容易である。
【００８２】
本発明の検査システムは、以下の要旨を含む。
１）外部から設定された入射角度で入射した光束を電気信号に変換し出力する受光面を有する光電変換素子と、
前記光束を透過するレジスト材料により前記受光面上に間隔を空けてストライプ状にパターン形成されたグレーティング構造体と、
前記グレーティング構造体を含むことにより波状に覆い被膜する導電体と、
前記光電変換素子により生成された電圧信号を出力する出力電極と、
を有し、
前記光束の入射角度又は入射位置により出力値を変化することを特徴とするセンサ。
【００８３】
２）光束を照射する光源と、
基板上に一体的に形成され、前記光源から予め設定された入射角度で入射した光を電気信号に変換し出力する受光面を有する光電変換素子と、光を透過するレジスト材料により前記受光面上に間隔を空けてストライプ状にパターン形成されたグレーティング構造体と、前記グレーティング構造体を含み波状に起伏をしながら覆い被膜する導電体と、前記光電変換素子により生成された電圧信号を出力する出力電極と、で構成され、前記光束の入射角度又は入射位置により出力値を変化するセンサと、
前記出力電極より出力された出力値を取得し、予め設定された比較条件との比較により、その比較条件により定められた検出結果を出力する制御部と、を具備し、
前記センサが前記光束に照射を受けて、前記グレーティング構造体が表面プラズモンを誘起させ、且つ前記グレーティング構造体上を光不透過の前記導電体で被膜されていることを特徴とする検査システム。
【符号の説明】
【００８４】
１…ＳＰＲセンサ、２…基板、３…グレーティング構造体、４，１４…金属膜、５，５ａ，５ｂ…出力電極、６…光源、７…検出部、１１…ｎ型シリコン基板、１２…ｐ+層、１３…レジストパターン、２１，３０，５０…センサ、２１…チャンバ、２２…ステージ機構、２２ａ…ステージ部、２２ｂ…ステージ移動機構、２３…制御部、２４…ガス導入口、２５…ガス排出口、２７…駆動制御部、２８…揺動部、２９…駆動部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された光束を電気信号に変換し出力する受光面を有する光電変換素子と、
光を透過するレジスト材料により前記受光面上に間隔を空けてストライプ状にパターン形成され、前記光束の照射を受けて表面プラズモンを誘起させるグレーティング構造体と、
前記グレーティング構造体及び露呈する前記受光面を覆うように形成し、前記受光面に透過する光束を抑制する導電体と、
前記光電変換素子により生成された電圧信号を出力する出力電極と、
を有するセンサ。
【請求項２】
光束を照射する光源と、
入射された前記光束を電気信号に変換し出力する受光面を有する光電変換素子と、光を透過するレジスト材料により前記受光面上に間隔を空けてストライプ状にパターン形成され、前記光束の照射を受けて表面プラズモンを誘起させるグレーティング構造体と、前記グレーティング構造体及び露呈する前記受光面を覆うように形成し、前記受光面に透過する光束を抑制する導電体と、前記光電変換素子により生成された電圧信号を出力する出力電極と、で構成されるセンサと、
前記出力電極から出力された前記受光面に照射された前記光束の入射角度又は入射位置のいずれかに応じて変化する出力値を出力する検出部と、
を具備することを特徴とする検査システム。
【請求項３】
請求項２に記載の検査システムにおいて、さらに、
前記センサを固定するステージを備え、前記受光面を予め定められた角度範囲内で傾斜するように前記ステージを揺動する移動機構と、
前記光源の照射する光束を前記センサの前記受光面に照射させるように前記ステージを収容し、気密保持するチャンバと、
前記チャンバ内に任意のガスを導入して、ガス雰囲気を生成するガス導入排出機構と、
前記検出部より出力された前記角度範囲内で傾斜する前記受光面から出力された出力値の変化と、予め検出対象として設定されたガスにおける出力値による比較条件とを比較して、少なくとも検査対象の前記ガスの有無及びその濃度を検出する制御部と、
を具備することを特徴とする検査システム。
【請求項４】
請求項２に記載の検査システムにおいて、さらに、
前記センサを嵌入し、該センサの前記端側の一端と固着する弾性体材料からなる外装部材と、
前記外装部材の前記一端側と、該一端と対向する他端側にそれぞれに取り付けられた取り付け治具と、を具備し、
矩形形状を成す前記センサの前記グレーティング構造体が前記受光面上において、端側から徐々に拡がる間隔又は徐々に狭まる間隔となるストライプ状にパターン形成され、
前記光源が前記グレーティング構造体の任意に定めた照射位置に、固定された入射角度で前記光束を照射し、
前記センサに光が入射した状態で前記取り付け治具に力が加わった際に、移動した前記センサの出力変化から移動距離を検出することを特徴とする検査システム。
【請求項５】
請求項４に記載の検査システムにおいて、
前記センサの出力は、前記取り付け治具の間隔が延伸する力が加わった際に、前記センサが前記固着する一端側に引かれて移動し、該移動に伴う前記照射位置の変位による前記受光面から出力された出力値の変化と、予め設定された前記照射位置上における出力値による比較条件とを比較して、前記受光面から出力された出力値から検出されることを特徴とする検査システム。
【請求項６】
請求項２に記載の検査システムは、さらに、
検査対象物を載置して、３軸方向に移動可能なスキャナ部と、
前記センサを梁部上面に配置するカンチレバーと、
前記カンチレバーを振動させるアクチュエータと、を具備し、
前記カンチレバーに加えられた曲がりによる前記センサから出力された電圧変化から前記カンチレバーの変位量を検出することを特徴とする検査システム。
【請求項７】
請求項６に記載の前記カンチレバーの変位量は、前記カンチレバーの曲がりによる前記光束の入射角度の変化に基づく前記センサから出力された電圧変化と、予め関係づけられた前記カンチレバーの変位時における出力値による比較条件とを比較して検出されることを特徴とする検査システム。
【請求項８】
半導体基板に不純物導入を行い、光電変換素子領域を作成する光電変換素子形成工程と、
光を透過するレジスト材料により前記光電変換素子領域上に、間隔を空けてストライプ状パターンからなるグレーティング構造体を形成するグレーティング形成工程と、
前記グレーティング構造体を含む前記受光面を覆うように形成する光を遮光又は抑制する光不透過の導電体を形成する導電体被膜工程と、
前記光電変換素子により生成された電圧信号を出力する出力電極を形成する電極形成工程と、
を具備することを特徴とするセンサの製造方法。
【請求項１】
入射された光束を電気信号に変換し出力する受光面を有する光電変換素子と、
光を透過するレジスト材料により前記受光面上に間隔を空けてストライプ状にパターン形成され、前記光束の照射を受けて表面プラズモンを誘起させるグレーティング構造体と、
前記グレーティング構造体及び露呈する前記受光面を覆うように形成し、前記受光面に透過する光束を抑制する導電体と、
前記光電変換素子により生成された電圧信号を出力する出力電極と、
を有するセンサ。
【請求項２】
光束を照射する光源と、
入射された前記光束を電気信号に変換し出力する受光面を有する光電変換素子と、光を透過するレジスト材料により前記受光面上に間隔を空けてストライプ状にパターン形成され、前記光束の照射を受けて表面プラズモンを誘起させるグレーティング構造体と、前記グレーティング構造体及び露呈する前記受光面を覆うように形成し、前記受光面に透過する光束を抑制する導電体と、前記光電変換素子により生成された電圧信号を出力する出力電極と、で構成されるセンサと、
前記出力電極から出力された前記受光面に照射された前記光束の入射角度又は入射位置のいずれかに応じて変化する出力値を出力する検出部と、
を具備することを特徴とする検査システム。
【請求項３】
請求項２に記載の検査システムにおいて、さらに、
前記センサを固定するステージを備え、前記受光面を予め定められた角度範囲内で傾斜するように前記ステージを揺動する移動機構と、
前記光源の照射する光束を前記センサの前記受光面に照射させるように前記ステージを収容し、気密保持するチャンバと、
前記チャンバ内に任意のガスを導入して、ガス雰囲気を生成するガス導入排出機構と、
前記検出部より出力された前記角度範囲内で傾斜する前記受光面から出力された出力値の変化と、予め検出対象として設定されたガスにおける出力値による比較条件とを比較して、少なくとも検査対象の前記ガスの有無及びその濃度を検出する制御部と、
を具備することを特徴とする検査システム。
【請求項４】
請求項２に記載の検査システムにおいて、さらに、
前記センサを嵌入し、該センサの前記端側の一端と固着する弾性体材料からなる外装部材と、
前記外装部材の前記一端側と、該一端と対向する他端側にそれぞれに取り付けられた取り付け治具と、を具備し、
矩形形状を成す前記センサの前記グレーティング構造体が前記受光面上において、端側から徐々に拡がる間隔又は徐々に狭まる間隔となるストライプ状にパターン形成され、
前記光源が前記グレーティング構造体の任意に定めた照射位置に、固定された入射角度で前記光束を照射し、
前記センサに光が入射した状態で前記取り付け治具に力が加わった際に、移動した前記センサの出力変化から移動距離を検出することを特徴とする検査システム。
【請求項５】
請求項４に記載の検査システムにおいて、
前記センサの出力は、前記取り付け治具の間隔が延伸する力が加わった際に、前記センサが前記固着する一端側に引かれて移動し、該移動に伴う前記照射位置の変位による前記受光面から出力された出力値の変化と、予め設定された前記照射位置上における出力値による比較条件とを比較して、前記受光面から出力された出力値から検出されることを特徴とする検査システム。
【請求項６】
請求項２に記載の検査システムは、さらに、
検査対象物を載置して、３軸方向に移動可能なスキャナ部と、
前記センサを梁部上面に配置するカンチレバーと、
前記カンチレバーを振動させるアクチュエータと、を具備し、
前記カンチレバーに加えられた曲がりによる前記センサから出力された電圧変化から前記カンチレバーの変位量を検出することを特徴とする検査システム。
【請求項７】
請求項６に記載の前記カンチレバーの変位量は、前記カンチレバーの曲がりによる前記光束の入射角度の変化に基づく前記センサから出力された電圧変化と、予め関係づけられた前記カンチレバーの変位時における出力値による比較条件とを比較して検出されることを特徴とする検査システム。
【請求項８】
半導体基板に不純物導入を行い、光電変換素子領域を作成する光電変換素子形成工程と、
光を透過するレジスト材料により前記光電変換素子領域上に、間隔を空けてストライプ状パターンからなるグレーティング構造体を形成するグレーティング形成工程と、
前記グレーティング構造体を含む前記受光面を覆うように形成する光を遮光又は抑制する光不透過の導電体を形成する導電体被膜工程と、
前記光電変換素子により生成された電圧信号を出力する出力電極を形成する電極形成工程と、
を具備することを特徴とするセンサの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−２３３７７９（Ｐ２０１２−２３３７７９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０２１８８（Ｐ２０１１−１０２１８８）
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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