JP2009025091A

JP2009025091A - センサー装置

Info

Publication number: JP2009025091A
Application number: JP2007187089A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Furusawa; 健太郎古澤; Natsuhiko Mizutani; 夏彦水谷; Akira Kuroda; 亮黒田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2007-07-18
Filing date: 2007-07-18
Publication date: 2009-02-05
Also published as: US7593111B2; US20090021742A1

Abstract

【課題】金属微細周期構造を用いたプラズモンセンサ装置において、共鳴波長や感度の、入射角度への依存性を軽減する。
【解決手段】基板102上に接着層101を介して、スリットを形成する金属微細周期構造100が固定された構成のセンシングヘッドに光源102から光を入射させ、センシングヘッドから反射された光を光検出器106によって検出する。金属微細周期構造100によって形成されるスリットの幅は、センシングヘッドに入射される波長の大きさと同程度かそれ以下であり、かつ、スリットのアスペクト比は３以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面近傍の誘電応答の変化を伴う環境変化、または抗原抗体反応などによる表面状態の変化を、プラズモン共鳴(SPR)を利用してモニタするのに用いられる、金属微細周期構造を用いたセンサー装置に関する。

プラズモン共鳴を利用したセンサーは、金属と誘電体との界面に存在する表面プラズモン・ポラリトン(SPPs)を利用している。平面界面におけるSPPsは表面近傍の数百nmの空間に電界分布をもつため、これを利用したセンサーは、表面近傍に敏感な屈折率センサーとして応用されている。通常SPPsを励起するためには、入射光とSPPsの位相整合を達成する必要があり、Kretchmann配置など、プリズムを介した斜入射構成がとられる。一方、金属平面の代わりに、この界面に金属からなる周期的微細構造を設けることで、入射光とSPPsの位相整合を達成させる手段も広く知られている。
特開2005-257458号公報

従来の金属微細周期構造を用いたプラズモンセンサでは、センサー応答として、プラズモン共鳴スペクトルの変化を観測する構成が利用されているが、この際の共鳴波長、及び感度は入射角度に強く依存するという特徴があった。これには、レーザ等の線幅の狭い光源を用いる場合に、入射角度の調整によって共鳴波長を最適化できる利点がある。その一方で、十分にコリメートされた大きなビームを用いないと、入射光の回折そのものによって感度の限界が制限されてしまうため、測定光学系の設計自由度が小さいという課題があった。また、アライメントにも敏感であるという課題があった。

そこで、本発明の目的は、金属微細周期構造を用いたプラズモンセンサ装置において、共鳴波長や感度の、入射角度への依存性を軽減し、測定光学系の設計自由度を高め、また、アライメントのトレランスマージンを大きくできるセンサー装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明によるセンサー装置は、スリットを形成する金属微細周期構造、金属微細周期構造を保持する基板、および、金属微細周期構造と基板との間に位置し、金属微細周期構造を基板に固定する接着層を備えるセンシングヘッドと、センシングヘッドに基板側から光を入射させる光源と、センシングヘッドから透過され、または反射される光を測定する検出器と、を有し、スリットの幅が、センシングヘッドに入射される波長の大きさと同程度かそれ以下であり、かつ、スリットのアスペクト比が３以上であることを特徴とする。

本発明によれば、金属微細周期構造を用いたプラズモンセンサ装置において、共鳴波長や感度の、入射角度依存性を軽減することができる。それによって、測定光学系の設計自由度を高め、また、アライメントのトレランスマージンを大きくできる

表面プラズモンの波数は、

である。ここで、ε_iは金属との間に界面を形成する誘電体の誘電率、ε_mは金属の誘電率、λは波長である。一方、入射波の波数はグレーティングによる散乱を考慮すると

と書ける。ここで、n_inは入射媒質、θ_inは入射角度、Λは金属微細構造の周期である。以上から(1)式のk_spと(2)式のk_inが一致する波長において、表面プラズモンが高効率で励起されることがわかる。金属のスリット構造においては、スリットの深さが十分に深ければ、スリット内壁のプラズモンが結合し、その共鳴が支配的となる。無限に深いスリットにおけるこの結合モードの伝搬定数βは以下の分散式を満たす。

ここでaはスリットの幅、ε_dはスリット内の媒質の誘電率である。スリットの両端における反射によって、このモードの定在波が形成され、その共鳴波長λ_CPは反射界面の屈折率に依存して以下の条件を満たす。

本実施形態で用いるセンシングヘッドを図1(a)に示す。センシングヘッドは、基板102上に導電性酸化膜などの接着層101を介して金属微細周期構造100が固定されて保持された構成となっており、金属微細周期構造100に接して、モニタの対象となる誘電体のセンシング媒質が配置される。金属微細周期構造100は、所定の幅ｄ、高さｈの矩形の金属部分が、周期Λで一次元的に、すなわち一方向に並んで配置されたものである。この金属微細周期構造100において、フィリングファクターfはf=d/Λ、スリットのアスペクト比qはq=h/(Λ−d)となる。

図1(b)に示すように、センシングヘッドに光源105からの照明光103を入射角度θ_inで基板102側から照射し、その反射光104を光検出器106によって検出する。この検出信号の変化によって、センシング媒質の変化をモニタすることができる。なお、センシングヘッドからの、透過した光を検出するようにしてもよく、以下の説明は、反射光を検出する場合について行うが、透過光を検出する場合でも、同様の説明が成り立つ。

本実施形態では、金属微細周期構造100のスリットの幅(Λ−d)を十分に狭く(<100nm)し、かつ、スリットの深さhを十分に深くする。それによって、スリットを形成する互いに対向した壁面のプラズモンが結合し、この結合プラズモン電磁界がスリット内部に染み出すのを利用する。その結果、スリット内部の電界分布は均一となり、平面波との結合効率が上がる。斜入射にした場合においても、スリットの幅は照明光の波長よりも十分小さいため、入射平面波との結合効率の劣化は顕著ではないので、感度の角度依存性が結果的に弱くなる。また、この結合プラズモンの共鳴波長は主に構造によって決まるので、入射角度への依存性を弱くできる。

斜入射配置においては、基板側と表面側の伝搬型表面プラズモンが励起されるが、これらのエネルギーは入射角度に反比例して下がる。この伝搬型表面プラズモンがスリット内の偶数次の結合プラズモンと結合する場合、基板側と表面側の伝搬型表面プラズモンが同相で励振されるため、電界増強効果が得られる。これによって、平面波との結合効率の低下を抑制し、センサー感度の低下を補償できる。

このような作用を得られる、十分に狭く深いスリットを得るためには、スリットの幅を波長の大きさと同程度かそれ以下の大きさとする必要がありかつ、スリットのアスペクト比を3以上とするのが好ましい。特に、金属微細周期構造100のフィリングファクターを80%以上100%未満とするのが好ましい。

（実施例）
以下に実施例によって、本発明の作用をより具体的に説明する。

対比例とする表面プラズモン応答例としてΛ=500nm, f=0.9, h=80nm（アスペクト比q=1.6）という構造を考える。この場合の、直入射(θ_in=0)における反射スペクトルを図2(a)に示す。波長760nm付近のピークがプラズモン共鳴に起因するものである。図2(a)では、金属微細周期構造100の表面に屈折率1.57で20nmの薄膜を付加した際の反射スペクトル(破線)と5nmの薄膜を付加した際の反射スペクトル（破線）を示している。図2(b)は、感度の指標として、これらふたつの差分スペクトルを示している。以下では、その差分の最大値をセンサー感度と定義する。

図3は上記の構造に対して、プラズモン共鳴ピーク波長（実線）とセンサー感度（破線）の入射角度依存性を示したものである。入射角度が増加するに従って、プラズモン共鳴のピークが長波長にシフトすることは(1)(2)式から説明できる。(2)式を解析すると、ピーク波長は単位入射角変化に対してn_inΛのオーダーで変化する（1°あたり10nm）。また、図３から、入射角度が2〜3°変化すると、センサー感度は最大値のおよそ70%に急激に低下することがわかる。

次に、上記のように入射角度によって感度が大きく変化してしまうのを抑制する、本発明に基づく実施例について説明する。実施例では、Λ=500nm, f=0.9を上記の対比例と同じに保ったまま、スリットの深さを深くした（h=200,400nm、アスペクト比q=3, 9）。これらに対して、直入射における反射スペクトルを計算した結果をそれぞれ図4(a),(b)に示す。図4(a)から、h=200nmではピーク波長が900nm付近までシフトしていることがわかる。また、図4(b)から、h=400nmではピークはさらに1700nm付近までシフトしており、加えて910nm付近に第2の共鳴のピークが現れていることがわかる。

これらのピークシフトを説明するために、各ピーク波長での電磁界分布を計算し、電界E_xの大きさを示したものがそれぞれ図5(a),(b),(c)である。いずれの場合も、スリット内壁のプラズモンがスリット内部に染み出し、結合する結果、スリット内部の電界強度は平坦化され、スリット端で電界強度が最大となっていることから、入射平面波と結合し易くなっていることがわかる。プラズモンは電荷の疎密波であるので、互いに対向する内壁のプラズモンの結合によって、系の電磁気的エネルギーは低下し、結果として共鳴波長はレッドシフトする。h=400nmの構造に対して波長910nmのピークではスリットの深さ方向に沿って節の数が2つになっていることから、2次のモードであることが容易に理解できる。

前述と同様に、これらの共鳴ピークに対して、ピーク波長とセンサー感度の入射角依存性を計算したものが図6である。なお、h=400nmの構造に対しては波長910nmのピーク（2次の結合プラズモンに対応）のみに着目した。スリット内壁の結合プラズモンが形成される、高いアスペクト比のときには、結合プラズモン共鳴波長は主として構造で決まる。このため、入射角度依存性は前述のh=80nm（アスペクト比1.6）の時と比べ、h=200nm（アスペクト比3）,400nm（アスペクト比9）の両方の場合において1/10程度（10°あたり10nm）となっていることがわかる。また、スリット幅が十分に細いため、入射光と結合プラズモンの結合効率の角度依存性も弱く、入射角を増大させても、センサー感度の顕著な劣化も見られない。

入射角が大きくなり、スリット内の結合プラズモンと伝搬型表面プラズモンの共鳴波長が重複すると両者は互いに結合しはじめ、この新たな結合プラズモンモードの共鳴波長は入射角に依存するようになる。これはアスペクト比に関係ない（図6参照）。ただし、結合プラズモンモードのスペクトル幅は、伝搬型表面プラズモンのそれに比べて広く、×5程度なので、実質的な波長依存性は弱くなっている。

共鳴波長の入射角度依存性が顕著でなくなる角度範囲は、直入射において結合プラズモンの共鳴ピークが長波長側に十分にシフトしていることに依存する。なぜならば、(1)、(2)式より入射角度の増加に伴い、伝搬型表面プラズモンの共鳴が長波長側にシフトするからである。単位角度に対する伝搬型表面プラズモンの共鳴波長のシフトは、前述の通り1°あたり10nmである。従って、直入射において、結合プラズモンの共鳴波長が、表面プラズモンの共鳴波長に対して、100nmシフトしていれば、±10°の入射角範囲では顕著なピーク波長のシフトは観測されないといえる。図7はΛ=500nm、f=0.9としてスリット深さを変化させたときの、共鳴波長の変化を示している。1次の結合プラズモンの共鳴波長に注目すると、ピーク波長の100nmのシフトはアスペクト比が3以上で達成されていることがわかる。

一方、図6において、センサー感度は、h=400nm（アスペクト比9）の構造において入射角度と共に上昇し、θ〜25°付近で最大となる。他方、このような効果はh=200nm（アスペクト比4）の時には顕著には見られない。斜入射では基板側とセンシング媒質側の表面に伝搬型のプラズモンが生じるが、スリットの内部に2次の結合プラズモンが存在すると、これらの位相が同相となるため、入射波に対してプラズモン電界がさらに増強されるからである。

以上のことを鑑みて、本実施例によれば、
1)直入射配置で共鳴波長、センサー感度共に、入射角度の変化に対する劣化の少ないセンサー
2)入射角を25°付近に設定することで、実質的に共鳴波長の角度依存性が少なく、さらに高感度で感度の角度依存性も少ないセンサー
を構成できる。直入射配置と、入射角を有限の角度（特に25°付近）にした斜入射配置とは、計測の目的に即して選択することができる。従って、照明光学系の設計の自由度を向上させ、アライメントのトレランスマージンの大きいセンサー装置を実現できる。

光源と検出器の組み合わせとしては白色光源と分光器を用いても良いし、差分スペクトルの極大値に発振波長をもつレーザとフォトダイオードの組み合わせを用いてもよい。さらに波長可変光源とフォトダイオードの組み合わせによって、入射角可変の配置にしても対応できるようにできる。また、これらのシステムにおいて、積算効果によるノイズ低減のためにロックイン検出などを用いることもできる。

(a)は、本発明の実施形態のセンサーヘッドの概略図、(b)は、センサー装置全体の概略図。 (a)は、Λ=500nm, f=0.9, h=80nmの金属微細周期構造に対する、直入射での反射スペクトルを示すグラフ、(b)は、付与する薄膜の厚みを変化させた時の差分スペクトルを示すグラフ。 Λ=500nm, f=0.9, h=80nmの金属微細周期構造に対する共鳴ピーク波長とセンサー感度の入射角依存性を示すグラフ。 (a)は、Λ=500nm, f=0.9, h=200nm, (b)は、Λ=500nm, f=0.9, h=400nmの金属微細周期構造に対する、直入射での反射スペクトルを示すグラフ。 (a)は、Λ=500nm, f=0.9, h=200nm, λ=1020nm (b)は、Λ=500nm, f=0.9, h=400nm, λ=1680nm (c)は、Λ=500nm, f=0.9, h=400nm, λ=910nmにおけるE_xの大きさを示す図。 (a)は、Λ=500nm, f=0.9, h=200nm/ 400nmの金属微細周期構造に対する共鳴ピーク波長とセンサー感度の入射角依存性を示すグラフ。 Λ=500nm, f=0.9の構造における共鳴波長とスリットの深さの関係を示すグラフ。

符号の説明

100 金属周期構造
101 接着層
102 基板
105 光源
106 光検出器

Claims

スリットを形成する金属微細周期構造、該金属微細周期構造を保持する基板、および、前記金属微細周期構造と前記基板との間の、前記金属微細周期構造を基板に固定する接着層を備えるセンシングヘッドと、
前記センシングヘッドに基板側から光を入射させる光源と、前記センシングヘッドから透過され、または反射される光を測定する光検出器と、
を有し、
前記スリットの幅が、前記センシングヘッドに入射される波長の大きさと同程度かそれ以下であり、かつ、前記スリットのアスペクト比が3以上である、
センサー装置。
前記金属微細周期構造のフィリングファクターが80%以上100%未満である、請求項1に記載のセンサー装置。
前記センシングヘッドに有限な入射角で前記光源からの光が入射させられる、請求項１または２に記載のセンサー装置。