CN102269833A - 光谱装置、检测装置以及光谱装置的制造方法 - Google Patents

光谱装置、检测装置以及光谱装置的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光谱装置、检测装置以及光谱装置的制造方法。该光谱装置包括透射入射光的透射型衍射光栅。透射型衍射光栅具有由第一电介质形成的倾斜面，倾斜面相对于基准线倾斜排列。将向透射型衍射光栅入射的入射光相对于基准线的入射角度设为角度α，且将衍射光相对于基准线的衍射角度设为角度β。在这种情况下，入射角度α是比相对于倾斜面的布拉格角度θ小的角度，衍射角度β是比布拉格角度θ大的角度。

Description

光谱装置、检测装置以及光谱装置的制造方法
技术领域
本发明涉及光谱装置(spectrometry apparatus，分光装置)、检测装置以及光谱装置的制造方法等。
背景技术
以往，拉曼光谱仪等光谱装置中所使用的衍射光栅大多是反射型的。作为反射型的衍射光栅有例如截面形成为锯齿状的炫耀(blaze)光栅(例如，专利文献1中记载的衍射光栅)。
【现有技术文献】
【专利文献】
专利文献1：日本特开2004-354176号公报
但是，在反射型的衍射光栅中存在难以同时实现提高波长分辨率、和扩大可获得高衍射效率的波段的问题。例如，在炫耀衍射光栅中，由于其截面形状被进行了炫耀(blazed)处理，所以衍射效率得以提高。但是在炫耀衍射光栅中，如果为了提高波长分辨率而缩短光栅周期，则导致可以获得高衍射效率的波段变得非常狭窄。
发明内容
本发明的几个实施方式提供了一种可以同时提高波长分辨率与衍射效率的光谱装置、检测装置以及光谱装置的制造方法等。
本发明第一方面涉及光谱装置，该光谱装置包括透射入射光的透射型衍射光栅，其中，所述透射型衍射光栅具有由第一电介质形成的倾斜面，所述倾斜面相对于基准线倾斜排列，在向所述透射型衍射光栅入射的入射光相对于所述基准线的入射角度为角度α、且衍射光相对于所述基准线的衍射角度为角度β的情况下，所述入射角度α是比相对于所述倾斜面所成的布拉格角度θ小的角度，所述衍射角度β是比所述布拉格角度θ大的角度。
根据本发明的第一方面，由第一电介质形成的倾斜面相对于基准线倾斜排列。并且，入射透射型衍射光栅的入射光以小于布拉格角度θ的角度α入射，通过透过型衍射光栅衍射的衍射光以大于布拉格角度θ的角度β出射。由此，可以提高波长分辨率，并扩大可以获得高衍射效率的波段。
此外，在本发明的第二方面中，在所述倾斜面相对于所述基准线的倾斜角度为
Figure BDA0000061124510000021
的情况下，所述倾斜面也可以在与所述基准线垂直的方向上按周期
Figure BDA0000061124510000022
排列，所述入射光也可以是与垂直于所述基准线的平面平行且垂直于所述倾斜面的排列方向的直线偏光。
据此，将倾斜面以角度
Figure BDA0000061124510000023
相对于基准线倾斜排列，并将与该倾斜面平行且垂直于基准线的直线偏光入射透过型衍射光栅，从而可以得到其衍射光。
在本发明的第三方面中，在所述倾斜面相对于所述基准线的倾斜角度为
Figure BDA0000061124510000024
的情况下，所述透射型衍射光栅也可以是通过在具有与所述基准线垂直的平面的基体上沿与所述基体的平面平行的方向以周期排列由所述第一电介质形成的突起群而形成，在所述突起群上也可以形成有相对于所述基准线以所述角度
Figure BDA0000061124510000026
倾斜的所述倾斜面。
据此，通过周期排列突起群，从而可以实现在与倾斜面垂直的方向上以周期P排列的倾斜面。
此外，在本发明的第四方面中，所述倾斜角度
Figure BDA0000061124510000031
也可以设定成投影在所述基体的平面上的俯视图中所述突起群的相邻突起不重叠。
据此，投影在基体的平面上的俯视图中，设定倾斜角
Figure BDA0000061124510000032
以使相邻突起不重叠。由此，可以提高模拟的精度等。
此外，在本发明的第五方面中，在所述倾斜面相对于所述基准线的倾斜角度为
Figure BDA0000061124510000033
的情况下，所述透射型衍射光栅也可以是通过在具有与所述基准线垂直的平面的基体上沿与所述基体的平面平行的方向以周期
Figure BDA0000061124510000034
交替排列所述第一电介质和与所述第一电介质介电常数不同的第二电介质而形成，所述倾斜面也可以由相对于所述基准线以所述角度
Figure BDA0000061124510000035
倾斜的边界面形成，所述边界面也可以是所述第一电介质和所述第二电介质之间的边界面。
据此，通过周期地排列第一电介质与第二电介质，从而可以实现在与倾斜面垂直的方向上以周期P排列的倾斜面。
并且，在本发明的第六方面中，所述透射型衍射光栅在所述入射光所入射的所述基体的第一面侧形成有所述倾斜面，在所述衍射光出射的所述基体的第二面侧形成有防反射膜。
据此，可以使入射光不通过基体地入射倾斜面。并且，可以通过防反射膜抑制衍射光的反射。由此，可以进行高辨率的分光。
本发明的第七方面涉及检测装置，其包括：上述任一方面的光谱装置；光学系统，使来自目标物的散射光或反射光以比所述布拉格角度θ小的所述入射角度α入射至所述光谱装置；以及检测器，检测来自所述光谱装置的衍射光。
此外，本发明的第八方面涉及光谱装置的制造方法，其用于制造上述任一方面的光谱装置，其中，通过使第一激光和第二激光入射至涂敷在基体上的抗蚀层，从而对所述抗蚀层进行干涉曝光，显影被干涉曝光后的所述抗蚀层，形成相对于朝向所述基体的平面的垂线以倾斜角度
Figure BDA0000061124510000041
倾斜的抗蚀图案。
附图说明
图1是作为本实施方式的比较例的炫耀衍射光栅的例子。
图2是比较例中的波长分辨率相对于衍射角度的特性例。
图3(A)是本实施方式的衍射光栅的构成例的截面图。图3(B)是基于倾斜面的周期构造的布拉格反射的说明图。
图4是本实施方式中的波长分辨率相对于衍射角度的特性例。
图5(A)是设倾斜角度0°时的衍射效率相对于入射角度的特性例。图5(B)是本实施方式中的衍射效率相对于入射角度的特性例。
图6(A)是设倾斜角度0°时的衍射效率相对于波长λ的特性例。图6(B)是本实施方式中的衍射效率相对于波长λ的特性例。
图7(A)是有关衍射光栅的制造方法的说明图。图7(B)是有关衍射光栅的制造方法的说明图。图7(C)是有关衍射光栅的制造方法的说明图。图7(D)是有关衍射光栅的制造方法的说明图
图8是衍射光栅的第二构成例的截面图。
图9(A)是检测装置的第一构成例。图9(B)是检测装置的第一构成例。
图10(A)是检测装置的第二构成例。图10(B)是检测装置的第二构成例。
图11(A)是入射光对衍射光栅的入射方向的说明图。图11(B)是入射光对衍射光栅的入射方向的说明图。
具体实施方式
下面，对本发明的优选实施例进行详细说明。另外，以下说明的实施例并不是对本发明的保护范围中所记载的本发明的内容的不合理限定，实施方式中说明的全部构成未必都是本发明的必要技术特征。
1.比较例
如上所述，在炫耀衍射光栅中，存在难以兼顾波长分辨率与衍射效率的问题。关于这点，使用图1、图2进行说明。
在图1中作为本实施方式的比较例而示出了炫耀衍射光栅的例子。如图1所示，将炫耀衍射光栅的光栅周期设为Pa、将入射光的波长设为λa、将入射光的入射角度设为αa、将衍射光的衍射角度设为βa。
首先，研究波长分辨率。通过下式(1)表示衍射光栅的波长分辨率Δβ/Δλ。根据下式(1)可知：为了提高波长分辨率Δβ/Δλ，只要缩小光栅周期Pa并增大衍射角度βa即可。
Δβ/Δλ＝1/(Pa·cosβa)    (1)
图2是在下式(1)中设波长λa＝633nm、光栅周期Pa＝333nm时的波长分辨率Δβ/Δλ相对于衍射角度βa的特性例。在该例中，波长与光栅周期的比为λa/Pa＝1.9。这时，如图2所示，当将衍射角度βa设为70°时，波长分辨率Δβ/Δλ大概可以提高到0.009。
接着，研究衍射效率。在反射型衍射光栅的情况下，通过对其截面形状进行炫耀处理，从而可以提高衍射效率。但是，如果为了提高波长分辨率Δβ/Δλ而缩小光栅周期Pa，则即使对截面形状进行炫耀处理也难以得到高衍射效率(最新衍射光学元件技术全集，技术情报协会，p.107-p.120(2004)(最新回折光学素子技術全集，技術情報協，p.107-p.120(2004)))。这样，在炫耀衍射光栅等反射型衍射光栅中，导致难以同时实现高波长分辨率和高衍射效率。
例如，在拉曼光谱仪等光谱装置中，探求可在较宽的波段同时满足高波长分辨率和高衍射效率的衍射光栅。在拉曼光谱中，来自试样的散射光主要是瑞利散射光和拉曼散射光(下面，对于瑞利散射波长λray，关注成为拉曼散射波长λray+Δλ的斯托克斯分量)。在该拉曼光谱中，有几个实际应用上的问题。首先，拉曼散射光的强度与瑞利散射光的强度相比极其微弱。其次，在用拉曼光谱鉴别物质的情况下，需要以0.5nm左右的波长分辨率对从试样散射的拉曼散射光进行分光。此外，瑞利散射光与拉曼散射光的波长差为100nm左右。如果考虑这些点，则在用于拉曼光谱的衍射光栅中，要求在从可视光到红外线(波长400nm～1100nm)中可以获得0.5nm左右的高波长分辨率。除此之外，还要求在100nm左右的宽波段中可以获得高衍射分辨率。
2.构成例
在本实施方式中，通过使产生布拉格反射的周期构造倾斜，并在扩大衍射角度的同时进一步较大地处理光栅周期，从而提高波长分辨率以及扩大衍射效率的波段。使用图3(A)～图6(B)，对本实施方式的透过型衍射光栅(以下简称为衍射光栅)进行说明。此外，在下面，由于将各构成要素设为在附图上可确认程度的大小，所以各构成要素的尺寸和比率和实际要素相比适当有所不同。
在此，在下面对将衍射光栅用于表面增强拉曼散射光谱的情况进行说明，但本实施方式并不仅限于这种情况，还可以将衍射光栅运用到各种的光谱方法中。
图3(A)示出了本实施方式的衍射光栅的构成例的截面图。该衍射光栅是表面凹凸型的衍射光栅，其包括基体100(基板)以及突起群110(凸部)。另外，图3(A)是与基体100平面相垂直且与突起群110的排列方向相平行的截面图。
基体100由可透过入射光的石英玻璃板等电介质形成，其形成为四角平板状或圆板状。所谓透过入射光不仅是指对于入射光的波长(使用波长)是透明的情况，还包括通过入射光量的一部分的半透明的情况。
突起群110由第一电介质(例如与基体100相同的电介质)形成，沿与基体100的平面相平行的方向，按周期
Figure BDA0000061124510000071
(光栅间隔)排列突起群110。所谓基体100的平面是指例如与形成有突起群110的一侧的基体100的表面120(第一面)相平行的面。突起群110相对于基准线130仅倾斜角度
Figure BDA0000061124510000072
地形成。更具体地说，在突起群110的各突起上形成有相对于基准线130倾斜角度的倾斜面140(或者倾斜面150)。所谓基准线130是指作为倾斜角度
Figure BDA0000061124510000074
入射角度α和衍射角度β的基准的线，其是例如相对于基体100的平面的垂线(法线)。倾斜面140在与倾斜面140相垂直方向上的周期为P，衍射光(布拉格反射光)通过该周期P的周期构造而产生。此外，优选使用波长λ与光栅周期P满足1.0＜λ/P＜2.0。并且，优选光栅周期P在200nm～1100nm的范围内、突起群110的高度在500nm～3000nm的范围内。并且，优选倾斜角度是
Figure BDA0000061124510000075
如图3(A)所示，波长λ的入射光以角度α入射衍射光栅，衍射光以角度β透过基体100的背面160(第二面)侧。这里，所谓基体100的背面160是指未形成有突起群110的一侧的面。这时，通过下式(2)表示以倾斜角度
Figure BDA0000061124510000076
倾斜的衍射光栅的波长分辨率Δβ/Δλ。此外，在下式(2)中如果设
Figure BDA0000061124510000077
则可以得到上式(1)，且其变为表示没有倾斜时的波长分辨率的数式(表达式)。
Figure BDA0000061124510000078
下面，对本实施方式的提高波长分辨率及衍射效率的方法进行说明。如图3(B)所示，在本实施方式中，利用基于倾斜面140(或倾斜面150)的周期结构的布拉格反射。在图3(B)中，为了便于说明，只考虑倾斜角度
Figure BDA0000061124510000081
的情况。当将产生布拉格反射的入射光的入射角度设为布拉格角度θ时，通过下式(3)表示布拉格条件。布拉格角度θ是相对于倾斜面140的角度。此外，n为空气(广义上说为介质)的折射率。
2nPsinθ＝λ    (3)
如在比较例中所说明的那样，为了增大波长分辨率Δβ/Δλ，需要扩大布拉格角度θ(衍射角度)。根据上式(3)可知，如果增大布拉格角度θ，则必须缩小P。但是，如在比较例中所说明的那样，如果减小P，则导致高衍射效率的波段变窄。因此，在本实施方式中，如图3(A)所示，通过使突起群110倾斜来增大衍射角度β。此时，入射角度α近似为
Figure BDA0000061124510000082
衍射角度β近似为
Figure BDA0000061124510000083
这样，通过使突起群110倾斜，从而由于可以使布拉格角度θ小于衍射角度β，所以能够通过衍射角度β增大波长分辨率Δβ/Δλ，同时与
Figure BDA0000061124510000084
的情况相比，可以将周期P设定为更大的值。
如上所述，可以同时实现通过增大衍射角度β来提高波长分辨率以及在可以获得所需的波长分辨率的范围内使周期P尽可能得增大从而在较宽的波段可以提供高衍射效率。此外，如后所述，严密地讲并不仅限于入射角度
Figure BDA0000061124510000085
衍射角度
3.具体的结构例
图4示出了波长分辨率Δβ/Δλ相对于衍射角度β的特性例。图4是波长λ＝633nm、光栅周期P＝366nm、倾斜角度
Figure BDA0000061124510000087
时的例子，一阶透过衍射光的布拉格角度θ＝59.9°。光栅周期P＝366nm是与上述比较例中的光栅周期Pa＝333nm相比大10％的值。并且，根据上式(2)，该衍射光栅的波长分辨率与周期为
Figure BDA0000061124510000091
的没有倾斜的衍射光栅的波长分辨率相同。
当光栅没有倾斜时，在衍射角度接近布拉格角度θ＝59.9°时，一阶衍射光的衍射效率变为最大。这时，如图4所示，波长分辨率限于Δβ/Δλ＝0.005。另一方面，在使光栅倾斜的情况下，由于衍射角度可扩大至β＝73°，所以与
Figure BDA0000061124510000094
时相比波长分辨率提高1.8倍变为Δβ/Δλ＝0.009以上。这是与上述比较例同等的波长分辨率。这样，通过将衍射光栅倾斜角度
Figure BDA0000061124510000095
从而在衍射角度接近β＝73°时可实现高衍射效率。
图5(A)、图5(B)示出了衍射效率相对于入射角度α的特性例。此例是波长λ＝633nm、光栅周期P＝366nm、光栅的高度是745nm时的特性例。并且，光栅的基体(以及突起群)是石英玻璃，将其折射率设为1.46。入射光为直线偏振光，其偏振光方向(偏光方位)与光栅的槽相平行。
如图5(A)的A1所示，在衍射光栅没有倾斜
Figure BDA0000061124510000096
的情况下，当入射角度α接近布拉格角度59.9°时，能够得到高衍射效率。当入射角度α是59.9°时，衍射角度β也是59.9°。另一方面，如图5(B)的B1所示，在衍射光栅的倾斜是
Figure BDA0000061124510000097
的情况下，当入射角度α接近43°时，能够得到高衍射效率。根据该特性，当例如将入射角度α设为46°时，衍射角度β变为73°。这时，如图4所述，波长分辨率Δβ/Δλ被提高1.8倍后大概为0.009。
如上所述，通过使衍射光栅倾斜10°，从而即使在与比较例相比光栅周期增大10％的条件下，也可以将波长分辨率Δβ/Δλ提高到与比较例同等的0.009。这是因为通过倾斜衍射光栅并改变(shift)衍射角度，从而可以充分增大衍射角度β。
图6(A)、图6(B)示出了衍射效率相对于波长λ的特性例。该例是波长λ＝633nm、光栅周期P＝333nm(图6(A))、P＝366nm(图6(B))时的特性例。并且，入射光是直线偏振光，其偏振光方向与光栅的槽平行。
如在上述比较例中所述，如果在光栅周期P较小的条件下即使不倾斜光栅也能够期待高波长分辨率Δβ/Δλ。但是，如果缩小光栅周期P，则导致可以获得高衍射效率的波段变窄。具体而言，如图6(A)所示，在光栅周期P是333nm的条件下，能够得到例如0.8以上的高衍射效率的波段狭窄到560nm～640nm的范围内，从而无法确保拉曼分光所需求的波段100nm。这是因为可以获得高衍射效率的波段的长波长端接近衍射区域(例如λ/P≤2)与非衍射区域(λ/P＞2)的边界。
另一方面，如图6(B)所示，在光栅周期P为366nm的条件下，可以获得高衍射效率的波段的长波长端与衍射区域和非衍射区域之间的边界分离。因此，可以获得0.8以上的高衍射效率的波段扩大至长波长侧，变为565nm～675nm，从而可以确保拉曼分光所需求的波段100nm。
此外，在炫耀光栅等反射型衍射光栅中，存在如下的问题：由于为了提高波长分辨率而需要缩短衍射角度β和周期P，所以难以同时提高波长分辨率与衍射效率的波段宽。
关于这点，本实施方式是透过入射光的透过型衍射光栅(广义上来说是光谱装置)。如图3的(A)所示，透过型衍射光栅具有由第一电介质形成的倾斜面140(或倾斜面150)。该倾斜面140相对于基准线130倾斜角度
Figure BDA0000061124510000101
且在与倾斜面140垂直的方向上以周期P排列。向透过型入射光栅入射的入射光的入射角度相对于基准线130为入射角α，衍射光的衍射角度相对于基准线130为角度β。在这种情况下，入射光以入射角度α入射，该入射角度α小于倾斜面140的以周期P决定的布拉格角度θ(α＜θ)。衍射光以衍射角度β衍射，该衍射角度β大于布拉格角度θ(β＞θ)。
由此，可以提高波长分辨率并扩大高衍射效率的波段。具体地说，通过按周期P排列倾斜面140，从而在衍射光栅上形成一维周期的介电常数分布。并且，如图5(B)所示，通过使该介电常数分布相对于光栅表面倾斜例如
Figure BDA0000061124510000111
从而与不倾斜时布拉格角度θ＝59.9°相比变小为入射角度α＝43°，与不倾斜时布拉格角度θ＝59.9°相比变大为透过衍射角度β＝73°。也就是说，通过使介电常数分布倾斜，从而使可以获得最大衍射效率的光入射角度α从衍射角度θ变为较小的角度。由此，即使在衍射光栅的周期P比较大的条件下，也能够充分提高其波长分辨率Δβ/Δλ。如上所述，在本实施方式中，使在较宽的波段(例如图6(B))同时满足高波长分辨率(例如图4)和高衍射效率。例如，在将本实施方式应用于拉曼光谱中的情况下，可将拥有较宽波段的微弱拉曼散射光高效率地导入光检测器。
此外，即使对于分离信号光与杂散光(stray light)这点，也可期待不需要现有技术中必须的高昂的带通滤波器(bandpass filter)这样的效果。也就是说，由于可以获得高波长分辨率，所以可以充分分离拉曼散射光和瑞利散射光，且无需使用截止特性急剧的滤波器。此外，由于本实施方式的衍射光栅是透过型衍射光栅，所以可提高透镜、镜等光学要素的配置自由度，且可使光谱装置小型化。
此外，在如图3(A)所示的截面中，入射光的入射角度α是例如相对于基准线130在第一方向(逆时针、正方向)上的角度。在这种情况下，倾斜面140的倾斜角度
Figure BDA0000061124510000112
是相对于基准线130在与第一方向不同的第二方向(顺时针、负方向)上的角度。
此外，在本实施方式中，入射透过型衍射光栅的入射光是与倾斜面140相平行且与基准线130相垂直的直线偏振光。
据此，可以将与光栅的槽(周期的介电常数分布)平行的直线偏振光作为入射光入射。由此，可实现上述这样的衍射效率特性(例如，如图5(B)的B1所示的特性)。此外，本实施方式中并不仅限于这种情况，只要入射光包含与倾斜面140平行且垂直于基准线130的偏振光分量即可。
此外，在本实施方式中，如图3(A)所示，在具有与基准线130垂直的平面(例如表面120)的基体100上，沿与基体100的平面相平行的方向以周期排列由第一电介质形成的突起群110来形成透过型衍射光栅。并且，在突起群110上形成有相对于基准线130倾斜角度
Figure BDA0000061124510000122
的倾斜面140。
据此，通过周期地排列突起群110，从而可以实现在与倾斜面140垂直的方向上周期为P的倾斜面140。由此，可实现倾斜的凹凸式的透过型衍射光栅。
此外，在本实施方式中，倾斜角度
Figure BDA0000061124510000123
设定成垂直投影在基体100的平面上的俯视图中突起群110的相邻突起不重叠。
据此，通过设定为突起不重叠的倾斜角度
Figure BDA0000061124510000124
从而可以抑制突起群110的高度，且可简化突起群110的制造。并且，由于可以高精度地进行衍射效率等模拟，所以可进行可靠性高的设计。
此外，在本实施方式中，如图8在后面所述，在具有与基准线130垂直的平面的基体100上，沿与基体100的平面相平行的方向以周期
Figure BDA0000061124510000125
交替排列第一电介质层170(第一电介质)以及与第一电介质层170的介电常数(折射率)不同的第二电介质层180(第二电介质)来形成透过型衍射光栅。在这种情况下，通过第一电介质层170、第二电介质层180之间的边界面来形成倾斜面140(或倾斜面150)。
据此，由于周期地排列第一电介质层170与第二电介质层180的边界面，所以通过该边界面可以实现在与倾斜面140垂直方向上周期为P的倾斜面140。由此，可以实现倾斜后的折射率调制型的透过型衍射光栅。
此外，在本实施方式中，如在图11(A)所后述，对于透过型衍射光栅，在入射有入射光的基体100的表面120(第一面)侧形成有倾斜面140，在出射衍射光的基体100的背面160(第二面)侧形成有防反射膜190。
据此，可以抑制衍射角度β大的衍射光被基体100的背面160反射，朝向背面160侧的透过衍射光减少。由此，由于可以高效率地取出透过衍射光，所以可进行高灵敏度的传感检测。并且，由于入射光不通过基体100地入射倾斜面140，所以可以获得高效率的衍射光。
4.制造方法
使用图7(A)～(D)来说明具有倾斜的突起群的透过型衍射光栅的制造方法。
首先，如图7(A)所示，在石英玻璃基板200上涂覆抗蚀层210。然后，照射入射角度θ1的激光LS1与入射角度θ2的激光LS2，并对抗蚀层210进行激光干涉曝光。基于干涉曝光的干涉条纹的间隔D用下式(4)表示。λs是激光LS1、LS2的波长。此外，抗蚀层中的干涉条纹的倾斜角度用下式(5)表示。nr是抗蚀层210相对于曝光波长λs的折射率。并且，设θ2＞θ1。
D＝λs/(sin(θ1)+sin(θ2))    (4)
Figure BDA0000061124510000132
例如，干涉曝光用的激光电源是连续振动的He-Cd激光(波长λs＝325nm)，抗蚀层210是正的抗蚀层，抗蚀层膜厚是1μm。此外，例如，激光的入射角度是θ1＝9.1°、θ1＝45.7°，抗蚀层的折射率是nr＝1.60。这时，根据上式(4)，与基板200的平面相平行方向上的干涉条纹的间隔是D＝372nm。此外，根据上式(5)，干涉条纹的倾斜角度
Figure BDA0000061124510000133
约为与倾斜面相垂直方向上的干涉条纹的周期为
Figure BDA0000061124510000135
由此，相对于基板200的法线的干涉角度左右(θ1和θ2)不对称，在抗蚀层210中形成倾斜后的干涉条纹的潜像。
下面，如图7(B)所示，使曝光后的抗蚀层210显影，从而得到倾斜了10°的一维抗蚀图案220。然后，如图7(C)所示，以抗蚀图案220作为掩膜，从倾斜10°的方向，对石英玻璃基板进行各向异性干蚀刻。对于蚀刻气体可以使用例如CF4或CHF3。蚀刻的深度可以根据蚀刻时间的长短进行调节。然后，如图7(D)所示，蚀刻后残留的抗蚀层可以通过氧等离子体除去。这样，可以形成将倾斜了10°的突起群240排列在基板230的表面上的一维透过型衍射光栅。
此外，虽然在上面已经对通过与基板100相同的石英玻璃形成突起群240的例子进行了说明，但本实施方式并不仅限于此。例如，也可以在如图7(B)所示的抗蚀图案220中填充树脂(聚合物)，使树脂固化，并剥离抗蚀图案220，从而可以通过与基体100不同的材质形成突起群240。
5.第二构成例
在上述实施方式中已经针对通过突起群的倾斜面产生布拉格反射的衍射光栅进行了说明，但在本实施方式中也可以通过倾斜后的折射率调制构造来产生布拉格反射。
图8示出了本实施方式的第二构成例的截面图。该透过型衍射光栅包括基体100、第一电介质层170以及第二电介质层180。第一电介质层170由第一介电常数(第一折射率)的第一电介质形成。第二电介质层180由与第一介电常数不同的第二介电常数(第二折射率)的第二电介质形成。
第一电介质层170与第二电介质层180交替地周期排列。具体来说，第一电介质层170沿与基体的平面相平行的方向以周期排列。第二电介质层180形成于第一电介质层170的层间。第一电介质层170与第二电介质层180之间的边界面形成相对于基准线130以角度
Figure BDA0000061124510000151
倾斜的倾斜面140(或倾斜面150)。在与边界面垂直方向上的第一电介质层170(或第二电介质层180)的排列周期是周期P。
例如，通过以下的步骤制造该透过型衍射光栅。首先，向如图7(B)所示的抗蚀图案220填充第一树脂(第一聚合物)，使该第一树脂固化，并剥离抗蚀图案220，从而形成第一电介质层170。然后，向该第一电介质层170的层间填充第二树脂(第二聚合物)，使第二树脂固化，从而形成第二电介质层180。
6.检测装置
图9(A)、图9(B)示出了适用本实施方式的衍射光栅的检测装置的第一构成例。该检测装置包括拉曼传感器300(传感器芯片、光学器件)、第一凹面镜310、带通滤波器320、偏振光板330、衍射光栅340、第二凹面镜350、阵列光检测器360(检测器)、光源370以及边缘滤波器380。该检测装置是将一个衍射光栅340、第一凹面镜310以及第二350配置为规定的位置关系的单光谱装置。此外，在下面虽然会说明用于进行拉曼光谱测定的检测装置，但本实施方式的衍射光栅也可适用于使用其他光谱方法的检测装置。
如图9(B)所示，来自光源370的激光被边缘滤波器380反射，照射到拉曼传感器300上的试样390(目标体)上。光源370例如是连续振动的He-Ne激光(波长633nm、输出功率20mW)。照射了激光的试样390基于拉曼传感器300的表面增强拉曼散射光而产生瑞利散射光与拉曼散射光。这些散射光入射边缘滤波器380。该边缘滤波器380反射激光的波长(633nm)的光，并使波长长于上述波长的光透过。也就是说，通过边缘滤波器380反射瑞利散射光，并使拉曼散射光透过。透过的拉曼散射光入射凹面镜310，通过凹面镜310变为平行光。
然后，如图9(A)所示，来自凹面镜310的反射光穿过带通滤波器320与偏振光板330，以规定的入射角度α入射衍射光栅340。带通滤波器320进一步截断瑞利散射光，只透过拉曼散射光。偏振光板330使入射衍射光栅340的入射光变为直线偏振光，其偏振光方位与衍射光栅340的槽相平行。向衍射光栅340入射的入射光以衍射角度β透过衍射并分光。分光后的拉曼散射光针对每个波长具有稍微不同的衍射角度，且其在各波长是平行光。该被分光的拉曼散射光入射凹面镜350，通过凹面镜350会聚到阵列光检测器360上，从而形成光谱分布。并且，通过阵列光检测器360检测拉曼散射光的光谱分布。
下面，对该检验装置的波长分辨率进行具体说明。如果将阵列光检测器360上的瑞利散射光的位置设为X(λ)，将拉曼散射光(斯托克斯光)的位置设为X(λ+Δλ)，则他们位置间的距离用下式(6)表示。在此，f是凹面镜350的光聚焦距离(焦距)，Δβ/Δλ是衍射光栅的波长分辨率。
X(λ+Δλ)-X(λ)＝f·Δλ·(Δβ/Δλ)(6)
根据上式(6)可知，在波长分辨率Δβ/Δλ充分大的情况下，凹面镜的光聚焦距离f即使较短，在拉曼散射光与瑞利散射光之间也可以充分分光。因此，通过利用本实施方式的高分辨率的衍射光栅，从而可以缩短凹面镜350的焦距f，并紧凑地配置各构成要素，从而实现光谱器的小型化。
例如，在图3(A)等所说明的衍射光栅中，衍射光栅的周期是366nm(2700条/mm)，倾斜角度是10°，波长分辨率是0.009rad/nm。此时，使用焦距f＝10mm的凹面镜，可以将波长差Δλ＝0.5nm的两种散射光成分在阵列光检测器360上分离45μm。该距离是使用一般的阵列光检测器也可充分析像的距离。这样，通过使用本实施方式的衍射光栅，从而即使是光聚焦距离比较短的凹面镜也可实现充分的分辨率。此外，从瑞利散射光到拉曼散射光的距离是45μm×100/0.5＝9mm左右。该距离是可以充分分离瑞利散射光与拉曼散射光的距离。因此，可以大大减轻对于用于截断瑞利散射光的带通滤波器320的负荷。在即使检验精度比较低也可以的分光用途中，也可以省略带通滤波器320。
图10(A)、图10(B)的示出了应用本实施方式的衍射光栅的检验装置的第二构成例。该检验装置包括拉曼感应器300、带通滤波器320、偏振光板330、衍射光栅340、凹面镜350、阵列光检测器360、光源370、边缘滤波器380以及透镜400。该检验装置是将一个衍射光栅340和一个凹面镜350配置为规定的位置关系的单光谱装置。此外，对与在图9(A)、图9(B)中说明过的构成要素相同的要素标注了相同的标号，并省略了适当的说明。
如图10(B)所示，来自光源370的激光被边缘滤波器380反射，照射到拉曼传感器300上的试样390(目标体)上。来自试样390的散射光入射边缘滤波器380，使拉曼散射光透过。透过的拉曼散射光入射透镜400，通过透镜400变为平行光。
然后，如图10(A)所示，来自透镜400的平行光穿过带通滤波器320与偏振光板330，以规定的入射角度α入射衍射光栅340。透镜400由于将来自试样390的散射光全部转换为平行度高的平行光线并使其入射衍射光栅340，所以衍射光栅340可以充分发挥其波长分辨率同时可对极微弱的光进行分光。入射衍射光栅340的入射光以衍射角度β透过衍射并分光。被分光的拉曼散射光入射凹面镜350，通过凹面镜350会聚到阵列光检测器360上，通过阵列光检测器360检测光谱分布。
根据该第二构成例，与上述第一构成例相同，通过较短的光聚焦距离(例如f＝10mm)的凹面镜350能够获得充分的分辨率(例如45μm/0.5nm)、且可以减轻带通滤波器320的负荷。并且，与第一构成例相比可以进一步缩小检测装置的结构在空间中所占的体积，且可使检测装置更加紧凑。此外，由于在第二构成例中使平行的散射光入射边缘滤波器380，所以能够更加有效地利用边缘滤波器380的波长选择作用。
使用图11(A)、图11(B)说明对衍射光栅340的入射光的入射方向进行说明。在如图11(A)所示的配置例中，从衍射光栅340的凹凸面侧(排列有突起群的表面120侧)入射有入射光。另一方面，在如图11(B)所示的配置例中，从衍射光栅340的背面160侧入射有入射光。无论在哪种排列例中，在基体100的背面160侧都形成有防反射膜190。通过该防反射膜190可以抑制衍射光或入射光的反射，从而可实现接近理论值的高衍射效率。此外，由于衍射效率的波长依存性或角度依存性根据光的入射方向而有或多或少不同，因此在上述排列例中，优选通过使特性更加卓越的配置来使用衍射光栅。
另外，虽然如上所述地对本发明的实施例进行了详细的说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。例如，在说明书或附图中，至少有一次与更广义或意义不同术语(衍射光栅、传感器芯片、检测器等)同时记载的术语(透过型衍射光栅、拉曼感应器、阵列光检测器等)，在说明书或附图的任何地方可以替换成该广义和意义不同的术语。此外，衍射光栅、光谱装置、检测装置等的构成、动作也并不限定于本实施例所说明的，可以有各种的变形。
符号说明
100基体              110突起群
120基体的表面        130基准线
140、150倾斜面       160基体的背面
170第一电介质层      180第二电介质层
190防反射膜          200石英玻璃基板
210抗蚀层              220抗蚀图案
230基体                240突起群
300拉曼传感器          310凹面镜
320带通滤波器          330偏振光板
340衍射光栅            350凹面镜
360阵列光检测器        370光源
380边缘滤波器          390试样
400透镜                P周期
倾斜角               α入射角度
β衍射角度             θ布拉格角度
λ波长                 Δβ/Δλ波长分辨率
LS1第一激光            LS2第二激光
θ1第一激光的入射角度  θ2第二激光的入射角度
λs曝光波长            f聚光距离

Claims (8)

1.一种光谱装置，其特征在于，包括透射入射光的透射型衍射光栅，
所述透射型衍射光栅具有由第一电介质形成的倾斜面，
所述倾斜面相对于基准线倾斜排列，
在向所述透射型衍射光栅入射的入射光相对于所述基准线的入射角度为角度α、且衍射光相对于所述基准线的衍射角度为角度β的情况下，所述入射角度α是比相对于所述倾斜面的布拉格角度θ小的角度，所述衍射角度β是比所述布拉格角度θ大的角度。
2.根据权利要求1所述的光谱装置，其特征在于，
在所述倾斜面相对于所述基准线的倾斜角度为
Figure FDA0000061124500000011
的情况下，所述倾斜面在与所述基准线垂直的方向上按周期
Figure FDA0000061124500000012
排列，所述入射光是与垂直于所述基准线的平面平行且垂直于所述倾斜面的排列方向的直线偏振光。
3.根据权利要求1或2所述的光谱装置，其特征在于，
在所述倾斜面相对于所述基准线的倾斜角度为
Figure FDA0000061124500000013
的情况下，
所述透射型衍射光栅是通过在具有与所述基准线垂直的平面的基体上沿与所述基体的平面平行的方向以周期
Figure FDA0000061124500000014
排列由所述第一电介质形成的突起群而形成，
在所述突起群上形成有相对于所述基准线以所述角度
Figure FDA0000061124500000015
倾斜的所述倾斜面。
4.根据权利要求3所述的光谱装置，其特征在于，
所述倾斜角度设定成投影在所述基体的平面上的俯视图中所述突起群的相邻突起不重叠。
5.根据权利要求1或2所述的光谱装置，其特征在于，
在所述倾斜面相对于所述基准线的倾斜角度为
Figure FDA0000061124500000021
的情况下，
所述透射型衍射光栅是通过在具有与所述基准线垂直的平面的基体上沿与所述基体的平面平行的方向以周期交替排列所述第一电介质和与所述第一电介质介电常数不同的第二电介质而形成，
所述倾斜面由相对于所述基准线以所述角度
Figure FDA0000061124500000023
倾斜的边界面形成，所述边界面是所述第一电介质和所述第二电介质之间的边界面。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光谱装置，其特征在于，
所述透射型衍射光栅在所述入射光所入射的所述基体的第一面侧形成有所述倾斜面，在所述衍射光出射的所述基体的第二面侧形成有防反射膜。
7.一种检测装置，其特征在于，包括：
权利要求1至6中任一项所述的光谱装置；
光学系统，使来自目标物的散射光或反射光以比所述布拉格角度θ小的所述入射角度α入射至所述光谱装置；以及
检测器，检测来自所述光谱装置的衍射光。
8.一种光谱装置的制造方法，用于制造权利要求1至6中任一项所述的光谱装置，其特征在于，
通过使第一激光和第二激光入射至涂敷在基体上的抗蚀层，从而对所述抗蚀层进行干涉曝光，
显影被干涉曝光后的所述抗蚀层，
形成相对于朝向所述基体的平面的垂线以倾斜角度
Figure FDA0000061124500000024
倾斜的抗蚀图案。
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