JP2012233779A

JP2012233779A - Surface plasmon resonance (spr) sensor and inspection system mounting spr sensor

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Publication number: JP2012233779A
Application number: JP2011102188A
Authority: JP
Inventors: Isao Shimoyama; 下山　　勲; Kiyoshi Matsumoto; 松本　　潔; Tetsuro Suga; 哲朗菅; Yoshiharu Ajiki; 嘉晴安食
Original assignee: Olympus Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: Olympus Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2012-11-29

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve such problems that a semiconductor production process is inevitable for a sensor having a metal grating structure to be mounted on an inspection system, that in the structure, resonating incident light from an opening is transmitted through a substrate to influence a resonance degree, and that a sensor having a large resonance degree is desired.SOLUTION: The inspection system mounts an SPR sensor comprising a sensor that varies an output value by an incident angle or an incident position of a beam. The sensor comprises: a grating structure inducing surface plasmon, the structure patterned into stripes spaced from one another by using a resist material that transmits light, on a light-receiving face of a photoelectric conversion element; a conductor, which is formed into a film that includes the grating structure and covers the structure in a wavy pattern, and which does not transmit light; and an output electrode for outputting a voltage signal from the photoelectric conversion element.

Description

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。 The present invention relates to an SPR sensor using surface plasmon resonance (SPR) and an inspection system equipped with the SPR sensor.

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。 In recent years, sensors using surface plasmon resonance (SPR) are known. Since this SPR reacts sensitively to changes in refractive index, it is applied to chemical sensors such as gas sensors. For example, Non-Patent Document 1 proposes a gas sensor device using this principle.

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、

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。 This gas sensor device includes an incident light source, a gas chamber, an SPR sensor unit that detects a change in SPR, a stage, and a reflected light measurement photodetector. The SPR sensor part forms a grating structure with metal, and makes incident light a near field. When the wave number k1 formed by the near field, the wave number k2 contributed by free electron vibration (plasmon) inside the metal, and the wave number k3 contributed by the grating pitch,

When k1 + k3 = k2, resonance between the plasmon and the near field occurs. Where εm is the dielectric constant of the medium, εMetal (ω) is the dielectric constant of the metal, ω is the angular frequency of the incident light, c is the speed of light, L is the pitch of the grating (indicated as p in FIG. 1), and θ is The incident angle of incident light.

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。 In this resonance state, it resonates with the reflected light (that is, near-field resonance light is generated around the grating structure), so that it can be seen near θ = 38 [deg] in FIG. The reflected light intensity is temporarily low, and this is detected as a change in the resonance state. When the gas medium around the SPR sensor changes (that is, the refractive index changes), the terms k1 and k2 change, and the change in the gas medium can be detected as this reflected light intensity change.

特開２００７−２７３８３２号公報JP 2007-273732 A Sensors and Actuators, P.S Vukusic, et al. 8(1992)155-160Sensors and Actuators, P.S Vukusic, et al. 8 (1992) 155-160

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。 In the conventional SPR sensor unit described above, in order to detect a change in resonance state, it is necessary to detect a change in reflected light intensity of the primary light. This means that the scale of the device configuration is increased. Therefore, in order to reduce the size, the problem can be solved by providing the SPR sensor itself with a function of detecting the resonance state change. For example, near-field resonance light can be detected by the photodetector through the opening by a metal grating structure in which metal lines are arranged at equal intervals on the photodetector.

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。 In order to produce this metal grating structure, since an advanced semiconductor manufacturing process such as plasma etching under vacuum is used, the manufacturing cost is affected, and a reduction in cost is desired. In addition, in order to use this SPR sensor for various detections, the degree of resonance (in the detection system for measuring reflected light, the reflected light intensity when not resonating and the reflected light intensity when resonating) There is a demand for a sensor having a large difference or steepness.

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。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an SPR sensor capable of measuring surface plasmon resonance with high sensitivity and an inspection system equipped with the SPR sensor without requiring reflected light measurement.

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。 In order to achieve the above object, a sensor according to an embodiment of the present invention transmits light that has a light-receiving surface that converts a light beam incident at a preset incident angle from the outside into an electrical signal and outputs the electrical signal, and transmits light. A resist material is formed in a stripe pattern on the light receiving surface with a space, and a grating structure that induces surface plasmon upon irradiation with the light beam, and covers the grating structure and the exposed light receiving surface. And a conductor that suppresses a light beam transmitted through the light receiving surface and an output electrode that outputs a voltage signal generated by the photoelectric conversion element.

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。 Further, the inspection system according to the embodiment of the present invention includes a light source that irradiates a light beam, a photoelectric conversion element having a light receiving surface that converts the incident light beam into an electrical signal and outputs the light, and a resist material that transmits light. A grating structure that is patterned in a stripe pattern on the surface and that is irradiated with the light beam to induce surface plasmon, and is formed so as to cover the grating structure and the exposed light receiving surface. A sensor composed of a conductor that suppresses a light beam transmitted through the surface, an output electrode that outputs a voltage signal generated by the photoelectric conversion element, and the light receiving surface output from the output electrode is irradiated And a detection unit that outputs an output value that changes in accordance with either the incident angle or the incident position of the light beam.

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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the reflected light measurement is unnecessary and the inspection system carrying the sensor which can measure surface plasmon resonance with high sensitivity can be provided.

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。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of a sensor in an SPR sensor mounted on the inspection system of the present invention. 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。2A to 2D are process diagrams for explaining a sensor manufacturing process. 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。FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the 0th-order reflected light intensity and the open circuit voltage with respect to the rotation angle of the sensor. 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。FIG. 4 is a diagram showing a conceptual configuration of an inspection system in which the sensor of the present invention in the first embodiment is applied to gas detection. 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。FIG. 5 is a graph showing the incident angle dependence characteristics of the SPR response with respect to a change in acetone amount depending on the relationship between the incident angle and the open circuit voltage. 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。FIG. 6 is a diagram showing the characteristics of the peak angle of the open-circuit voltage at the incident angle with respect to the acetone amount change. 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。FIG. 7 is a diagram showing a conceptual configuration of an inspection system in which the sensor of the present invention in the second embodiment is applied to detection of mechanical displacement. 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。FIG. 8A to FIG. 8F are process diagrams for explaining the manufacturing process of the displacement sensor. 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。FIG. 9A is a diagram illustrating a state in which the displacement sensor is not pulled, and FIG. 9B is a diagram illustrating a state in which the displacement sensor is pulled. 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。FIG. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between the incident angle of the light flux and the output (open voltage Voc) in the displacement sensor. 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。FIG. 11 is a characteristic diagram showing the relationship of the output change ΔV with respect to the displacement change ΔL based on the relationship between the incident angle and the output shown in FIG. 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。FIG. 12 shows a conceptual configuration of an inspection system equipped with an angle sensor for detecting an angle change as the third embodiment. 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。FIG. 13A to FIG. 13E are process diagrams for explaining a manufacturing process of a cantilever that is an angle sensor of the third embodiment. 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。It is a figure for demonstrating surface plasmon resonance (SPR).

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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, a basic configuration of a surface plasmon resonance (SPR) sensor mounted on the inspection system of the invention will be described.

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。 FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of an SPR sensor.
The SPR sensor 1 has a structure that induces SPR, and is a basic configuration that is mounted on a sensor system corresponding to various inspection objects described later. The SPR sensor 1 includes a substrate 2 having a photoelectric conversion function, a grating structure 3 made of a resist material that transmits light on the substrate 2, and arranged in a stripe shape with an equal interval pitch, and a grating structure 3. A conductive film that is opaque to some extent, such as a metal film 4, and a pair of output electrodes 5 (5a, 5b) are formed to cover the light.

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。 Further, as an inspection system, a signal (voltage signal) output from a light source 6 that irradiates a light beam onto the metal film 4 (grating structure 3) of the SPR sensor 1 and an output electrode 5 of the SPR sensor 1 is captured and this signal is received. The detection part 7 which performs the detection process based on is provided. Let the surface of this metal film 4 be a sensor light-receiving surface. The detection unit 7 performs, for example, detection processing that performs noise removal, signal amplification processing, and the like.

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。 In this configuration, the substrate 2 is a semiconductor substrate on which a photoelectric conversion element that receives light such as a photodetector (PD) and generates electricity is formed. The grating structure 3 is manufactured using a photolithography technique, but can also be implemented using a printing technique. Further, the height, width and grating pitch p in the grating structure 3 and the film thickness T of the metal film 4 are appropriately set at the time of designing according to the configuration and performance of the applied sensor. The output electrode 5 includes an output electrode 5a provided on the substrate side and an output electrode 5b provided on the metal film 4 side, and outputs a voltage generated by the photoelectric conversion element.

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。 The metal film 4 is formed in a wave shape so as to cover the stripe-shaped grating structure 3 with a substantially uniform thickness. As a manufacturing method, a vapor deposition technique, a plating technique, or a spray technique can be used.

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。 The metal film 4 only needs to be formed so as to cover at least the surface of the substrate 2 that is exposed without the formation of the grating structure 3, and the film thickness of the convex portion and the film thickness on the substrate 2 are not necessarily limited. There is no need to match. The opacity adjustment of the metal film 4 suppresses (or shields) light transmitted to the light receiving surface (PD surface) of the substrate 2 and suppresses transmission with a desired numerical value according to the detection target and desired performance ( (Or light shielding). These adjustments can be appropriately set empirically, for example, by simulation, experiment, or trial manufacture.

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。 In this embodiment, the dedicated light source 6 is provided. However, the present invention is not limited to this. For example, light in a band including a wavelength that generates SPR is irradiated, and the optical filter is used as the SPR sensor. 1 may be arranged in front of the light receiving surface, and only light having a wavelength that generates SPR may be extracted and guided to the SPR sensor 1.

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。 The SPR sensor 1 of this embodiment will be described.
The IPCE (Incident Photon to Current conversion Efficiency: a value indicating how much incident photons are converted into current) of a crystalline silicon solar cell that is normally used is, for example, a maximum value in the vicinity of λ = 900 [nm]. And monotonously decreases from λ = 980 [nm]. This is because the light intensity (light absorption) in the near-infrared light region (NIR region) is low. Therefore, the SPR sensor 1 of the present embodiment has a configuration in which the received light is guided to current conversion by using SPR to increase the light intensity in the NIR region. For this reason, it is desirable that the part that induces SPR is close to the light absorption layer, that is, the grating structure 3 and the metal film 4 are close to the sensor light receiving surface.

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。 Such an SPR sensor 1 has the following effects.
1) Since the metal film 4 having a wavy shape has a grating function, SPR can be induced.
2) The opaque metal film 4 prevents the incident light that resonates from being transmitted to the substrate, thereby eliminating one factor that reduces the difference in reflected light intensity between resonance and non-resonance. In other words, in the conventional sensor structure, it is desirable that the incident light that resonates does not enter the light receiving surface of the photoelectric conversion element on which the grating structure is not formed. There is a concern that the current generated by the incident light may slow down the steepness of the change in the difference in reflected light intensity described above.

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。 3) Since the grating structure 3 made of a resist material is formed so as to be fixed directly on the substrate and is still covered with the metal film 4, the metal film 4 is costly such as plasma etching. It can be produced using MEMS device technology without using a semiconductor process under vacuum.

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。 In the SPR sensor 1 of the present embodiment, the configuration for inducing SPR is realized by a resist layer formed with a gap (stripe) therebetween and a metal film covering the resist layer with a uniform thickness. These can be realized without using semiconductor technology (particularly, etching using plasma). In particular, a metal film can be formed uniformly, and an SPR effect can be obtained without the need for etching. Further, even if the metal film on the grating structure 3 has a wavy undulation on the surface, it is not necessary to flatten the surface by polishing such as CMP or etch back processing.

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。 Next, the degree of resonance by SPR detection and simulation (RCWA) in the sensor 1 will be described.
First, the SPR sensor 1 is created according to the procedure described below, and detection of SPR will be described. The configuration example used for the measurement is a configuration in which the SPR occurring in the metal film 4 is detected by a photodetector provided below the SPR. As described above, when the SPR occurs, the reflected light intensity is in a low state, that is, a change in which the voltage value of the output open circuit voltage is high is detected as a change in the resonance state.

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、ＢＦ_２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：５．７０×１０^１８［ｃｍ^−２］としている。 The manufacturing process of the SPR sensor 1 will be described with reference to FIGS.
In the process of FIG. 2A, BF ₂ is ion-implanted into the n-type silicon substrate (ρ = 10 [Ωcm], <100>) 11 using an ion implantation method, and p ^{+ is applied} to the surface layer. Layer 12 is formed. Here, the acceptor impurity concentration NA is 5.70 × 10 ¹⁸ [cm ⁻² ].

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：５．７０×１０^１８［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。 2B, a resist layer having a uniform thickness is formed on the p ⁺ layer 12 of the substrate 11 by spin coating using a resist coating apparatus. Further, for example, the grating structure 3 made of a resist pattern is formed by direct electron beam drawing using an electron beam drawing apparatus. In this example, the grating pitch p is 1330 [nm], the film thickness TAU is 50 [nm], and the acceptor impurity concentration NA is 5.70 × 10 ¹⁸ [cm ⁻² ]. In the pattern formation, a photolithography technique by exposure and development may be used.

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。 2C, a gold (Au) film 4 is formed on the entire surface of the substrate 11 including the grating structure 3 by using a vapor deposition apparatus. In the present embodiment, in consideration of corrosion resistance, gold is used for the metal film. However, the present invention is not limited to this, and other metals such as aluminum are appropriately used depending on the specification or application of the SPR sensor 1. Can be used. In addition, as a method for forming the metal film, a known film forming method such as a plating method, a printing method, a sputtering method, or a CVD (Chemical Vapor Deposition) method can also be used.

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。 2D, output electrodes 5a and 5b are formed on the back surface of the substrate 11 and the gold film 4, respectively. These electrodes can be formed using the above-described film formation method using a mask (such as a resist mask).
The manufacturing process described above uses a resist pattern for the grating structure and does not use a conventional metal material, and thus does not use a metal film etching process that has been required as one of the semiconductor manufacturing processes so far. There are features.

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。 For the measurement by the SPR sensor 1 formed in this way, as a light source, a laser light emitting diode (wavelength: 675 [nm]), a polarizer, a power meter for measuring laser power, voltage, current, resistance, temperature, etc. A measuring device (not shown) configured by a multimeter for measuring the temperature and a stage for rotating the sensor is used.

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。 FIG. 3 shows the relationship between the 0th-order reflected light intensity (R) [μW] and the open circuit voltage (Voc) [mV] with respect to the incident angle of the light beam (or the tilt angle of the light receiving surface) [deg] in the sensor 1 measured. FIG.
In FIG. 3, the SPR dip angles (θ1 = 28.3 [deg] and θ2 = 33.0 [deg]) in the relationship between the incident angle of the light beam (or the inclination angle of the light receiving surface) and the reflected light intensity are obtained. Has been detected. The angle is equivalent to the value estimated from the wave number dispersion formula. However, θ1 corresponds to n = −3, and θ2 corresponds to n = 1. According to FIG. 3, the open circuit voltage V increases as the reflected light intensity R decreases. That is, it clearly suggests that SPR can be detected in such a structure of the SPR sensor 1.

［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。 [First Embodiment]
Next, as a first embodiment, an inspection system applied to a gas sensor that detects gas using the above-described SPR sensor will be described. Note that, in the constituent parts of the present embodiment, the same reference numerals are assigned to the same parts as the constituent parts in the SPR sensor described above, and the detailed description is omitted.

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。 As shown in FIG. 4, this inspection system includes an SPR sensor 1, a chamber 21, a stage mechanism 22, a gas inlet 24 and a gas outlet 25, a light source 6, a detection unit 7, and control of the entire system. And a control unit 23 that performs arithmetic processing such as detection signals.
The SPR sensor 1 is fixed to the stage mechanism 22. The output electrode pair of the SPR sensor 1 is connected to the detection unit 7 disposed outside the chamber by wiring or the like, and outputs a sensor signal.

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。 The gas inlet 24 and the gas outlet 25 are connected to a gas inlet / outlet mechanism (not shown). That is, the gas introduction port 24 is connected to a known gas introduction mechanism (not shown) (for example, a gas cylinder, a regulator, and a gas flow meter), and the gas discharge port 25 is connected to a known discharge mechanism (for example, an exhaust pump and an exhaust pump). A gas atmosphere in which the gas concentration can be varied can be generated by introducing an arbitrary or desired gas having a set flow rate into the chamber 21. When the SPR sensor is practically used as a gas sensor, it may be designed to be strongly influenced by a specific gas for detection purposes.

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。 The stage mechanism 22 includes a stage portion 22a and a stage moving mechanism 22b. The stage portion 22a has a flat mounting surface and is fixed in a state where the SPR sensor 1 is exposed. Or you may equip the stage part 22a with the holding mechanism which hold | maintains the SPR sensor 1 on a mounting surface so that replacement | exchange is possible.

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。 The stage moving mechanism 22b is in accordance with instructions from the control unit 23 and a drive unit 29 including a swing unit 28 for swinging at least the stage unit 22a, a stepping motor for driving the swing unit 28, and the like. And a drive control unit 27 that controls the drive unit 29. The stage moving mechanism 22b allows the stage unit 22a to tilt at least from the vertical state (incident angle 0 °) to the horizontal state (incident angle 90 °) with respect to the incident angle of the light beam from the light source 6. The swinging portion 28 may have a known configuration using a gear or the like. The swing unit 28 is provided with an angle sensor (or position sensor) 30. The tilt angle of the stage 22a is measured, and the output (open) of the SPR sensor 1 is synchronized with the measurement angle. Voltage change) is acquired.

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。 The chamber 21 is made of glass, for example, and is formed in an airtight box shape. In the present embodiment, a glass material is used, but it is not limited as long as it is a member that does not affect the corrosion caused by the inspection gas or its gas component. However, as shown in FIG. 4, if the light source is arranged outside the chamber 21, in order to make a light beam (for example, laser light) enter the chamber 21 from the light source 6, the incident window is at least a transparent member. It is formed by.

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。 Further, the chamber 21 is provided with a gas inlet 24 and a gas outlet 25 so that a gas to be inspected (hereinafter referred to as inspection gas) introduced into the SPR sensor 1 on the stage portion 22a is directed. Yes.
The light source 6 is preferably an optical component that emits a light beam with a certain diameter, such as a light emitting diode or a laser diode. The wavelength of the light beam is determined by the balance between the grating pitch and the resonance angle.

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。 The drive control unit 27 drives the stage mechanism 22 to control the incident angle of the light beam emitted from the light source 6 to the SPR sensor 1. The control unit 23 receives the output from the detection unit 7 (SPR sensor 1), and based on the voltage value, from the relationship between a predetermined voltage value and a comparison condition (here, change in output value due to gas), The presence or absence of gas and its concentration change are calculated.

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。 The SPR sensor 1 for detecting gas according to the present embodiment has outer dimensions such as, for example, width (W): 4 [cm], depth (L): 5 [cm], and height (h): 4 [ cm]. Further, the grating pitch is 1300 [nm], the metal film thickness is 90 [nm], and the height of the grating structure is 50 [nm]. In the SPR sensor 1, the surface of the metal film is contaminated by inspecting the inspection gas. However, in the present embodiment, the metal film uses a corrosion-resistant gold (Au) film, so that the cleaning is simple. By performing the treatment (wiping or washing), the sensor performance can be continuously used without deteriorating.

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。 Next, the detection by the resonance change with respect to gas using this test | inspection system is demonstrated. Hereinafter, an example in which the inspection target is acetone gas will be described. As a method for introducing acetone gas, gasified acetone may be introduced from the gas inlet 24. In this example, the chamber 21 is filled with an acetone solution (10, 20, 30 [μl]). The petri dish is carried in, the gas inlet port 24 and the gas outlet port 25 are sealed and airtight, and then evaporated.

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。 First, the SPR sensor 1 is irradiated with a light beam from the light source 6 while the chamber 21 is in an atmospheric state. At this time, the stage moving mechanism 22b is inclined to the stage portion 22a, and the incident angle of the light beam incident on the SPR sensor 1 is changed between 20 ° and 40 °, and the open circuit voltage value V1 at a large number of measurement points is obtained. taking measurement.

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。 Next, the petri dish filled with 10 [μl] of acetone solution is carried into the chamber 21 and the chamber 21 is filled with acetone gas. Similarly, the incident angle of the light beam incident on the SPR sensor 1 is changed between 20 ° and 40 °, and the open circuit voltage value V2 at many measurement points is measured. Thereafter, similarly, a petri dish filled with 20, 30 [μl] acetone solution is carried into the chamber 21 and the incident angle is changed between 20 ° and 40 °, so that a large number of measurement points at predetermined intervals are obtained. Open circuit voltage values V3 and V4 are measured.

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。 As a result of these measurements, FIG. 5 shows the incident angle dependence characteristics of the SPR response to the change in the amount of acetone due to the relationship between the incident angle and the open circuit voltage. FIG. 6 shows a peak angle (resonance angle) characteristic of the open circuit voltage at an incident angle with respect to a change in the amount of acetone.
As a result, regarding the data acquired in the acetone gas atmosphere, it is suggested that the open-circuit voltage of the refractive index near the SPR sensor 1 changes due to the change in the concentration of acetone. That is, since the refractive index changes and the SPR response changes due to a change in the gas concentration in contact with the grating interface, a change in the acetone concentration can be detected.

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。 As a specific detection method when used in a gas inspection system, for example, an incident angle at a peak voltage is set as a resonance angle within an incident angle range of 20 to 30 [deg], and a change in the resonance angle is detected. do it.
As described above, according to the present embodiment, by using the SPR sensor for gas detection, a gas inspection system can be realized with a simple configuration as compared with the conventional system configuration for measuring reflected light.

［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。 [Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described.
FIG. 7 shows a conceptual configuration of an inspection system applied to a displacement sensor 31 that detects a mechanical displacement using the SPR sensor 1 described above as a second embodiment. Note that, in the constituent parts of the present embodiment, the same reference numerals are assigned to the same parts as the constituent parts in the SPR sensor described above, and the detailed description is omitted.
This inspection system includes a displacement sensor 31, a mounting jig 32, a light source 33, a detection unit 7, and an arithmetic processing unit 34.

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。 The arithmetic processing unit 34 performs displacement detection that generates a displacement amount (or movement distance) from the sensor signal output from the detection unit 7 by arithmetic processing. The arithmetic processing unit 34 may be connected by wiring as a separate body, or may be configured integrally with the displacement sensor 31. In addition, if the arithmetic processing unit 34 is separate, it is possible to use a personal computer, for example, without preparing it exclusively. At least the displacement sensor 31, the mounting jig 32, and the light source 3 are configured as one unit. The basic structure of the displacement sensor 31 is the same as that of the SPR sensor 1 described above. The electrode pair described later has the same height (same surface) as the gold film of the conductor, and the pitch of the grating structure is Except for differences, they are equivalent.

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。 The displacement sensor 31 has a configuration in which only the sensor light-receiving surface is exposed, and the sensor body is fitted or included around the periphery (side surface and bottom surface) including the periphery of the other light-receiving surface by the exterior member 35. The exterior member 35 is preferably made of an elastic material such as a silicon-based elastic body (silicon elastomer) such as PDMS (polydimethylsiloxane).

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。 The grating pitches p of the grating structures 3 formed in the SPR sensor 1 described above are formed at equal intervals. On the other hand, the grating structure 3a used by the displacement sensor 31 of the present embodiment has an interval of the grating pitch p in the direction from the one end of the sensor (hereinafter referred to as the reference end) to the other end in the stripe width direction. It is formed so as to gradually become wider or narrower (hereinafter referred to as gradation).

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。 This increase (or decrease) in the pitch changes linearly, for example, linearly. However, since it is sufficient that the deviation (movement amount) from the reference position can be specified on a one-to-one basis, the change is not limited to a linear increase / decrease change, and can be changed in a quadratic curve. Further, the pitch increase / decrease in this embodiment is increased or decreased in a stepwise manner for each certain minimum range (for several stripes) of the grating structure 3a. At the reference end of the displacement sensor 31, a pair of output electrodes 41a and 41b are formed on the upper and lower surfaces. The output signal lines of these output electrodes 41 a and 41 b are drawn out of the sensor and connected to the detection unit 7.

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。 The displacement sensor mounting jig 32 includes holding plates 36a and 36b, a movable shaft 37, and a fixed shaft 38. The holding plates 36a and 36b are plates made of a metal or a hard resin material. For example, the holding plates 36a and 36b are sandwiched from both upper and lower surfaces of two opposing sides of the displacement sensor 31 and are fixed by being bonded on the surfaces. The movable shaft 37 is provided through the reference end holding plate 36a and the exterior member 35, and the exterior member 35 is pulled by the displacement, so that the movable shaft 37 is integrated with the displacement sensor 31 without moving away from the reference end. To do. The fixed shaft 38 is provided so as to penetrate the holding plate 36 b opposite to the reference end and the exterior member 35, and the exterior member 35 is pulled and extended by displacement, and is separated from the end of the displacement sensor 31. To move.

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。 The light source 6 is an optical component that emits a light beam with a certain diameter, such as a light emitting diode or a laser diode. In the present embodiment, the light beam emitted from the light source 6 is fixed so as to be incident on the metal film 42 on the light receiving surface of the sensor at an incident angle at which the largest change in open-circuit voltage is obtained with respect to the pitch change. . The diameter of the light beam is determined by the size of the grating structure 3a, and the wavelength of the light beam is determined by the balance between the grating pitch and the resonance angle.

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。 Here, the manufacturing process of the displacement sensor 31 using the SPR sensor 1 will be described with reference to the process diagrams shown in FIGS. 8A to 8C described below are substantially the same as the manufacturing steps in FIGS. 2A to 2D described above, and the description will be simplified. First, the displacement sensor 31 is formed.
In the step shown in FIG. 8A, BF ₂ is ion-implanted into the n-type silicon substrate 11 using an ion implantation method to form a p ⁺ layer 12 on the surface layer.

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。 In the step of FIG. 8B, a resist layer (not shown) is formed on the p ⁺ layer 12 of the substrate 11, and a grating structure 3a made of a stripe resist pattern is formed by direct electron beam drawing. The grating structure 3a is provided so that the grating pitch is gradation as described above. In this example, the width of the grating structure 3a is 5000 μm, and the pitch is changed so that the pitch gradually increases linearly for each L = 100 [μm] width.

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。 In the step of FIG. 8C, a gold (Au) film 14 to be a metal layer is formed on the entire surface of the substrate 11 including the grating structure 3a by using a vapor deposition apparatus with substantially the same film thickness. Further, output electrodes 41 a and 41 b are formed on the back surface of the substrate 11 and the gold film 14 so as to be electrically connected to each other.
8D, the fitting space for fitting the displacement sensor 31 from the exterior member 35 is cut and removed. At this time, cap members 43 and 44 are prepared to hold the edges of the two locations so that the displacement sensor 31 fitted in the space does not come off.

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。 In the step of FIG. 8E, the parylene thin film 45 is coated on the inner wall of the space in which the exterior member 35 is fitted using a known chemical vapor deposition method or the like. At the same time, the parylene thin film 45 is similarly coated on the contact surface side of the cap member 43 that holds the displacement sensor 31 with the displacement sensor 31 on the movable shaft 38 side. By providing the parylene thin film 45, it is possible to provide a sliding structure in which the sliding resistance between the PDMS as the exterior member 35 and the displacement sensor 31 is kept low.

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。 In the step of FIG. 8F, after the sensor 31 is fitted in the space in which the exterior member 35 is fitted, the cap members 43 and 44 are fixed. Further, the displacement sensor mounting jig 32, that is, the holding plates 36a and 36b, the fixed shaft 37, and the movable shaft 38 are mounted.

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。 The displacement detection in the inspection system for detecting the mechanical displacement configured as described above will be described.
Here, in the measurement, an inspection device is used that holds the fixed shaft 37 and the movable shaft 38 of the displacement sensor 31 and pulls ΔL in a direction in which the axes are separated from each other. In the measurement, the initial irradiation position L in the displacement sensor 31 is 1300 [nm], and the final irradiation position by pulling is L = 1340 [nm].

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。 With respect to this change in tension, as shown in FIG. 9 (a), there is no tension (ΔL = 0) and there is a tension state (displacement change ΔL = 50%) shown in FIG. 9 (b). In the case, the relationship between the incident angle of the light beam and the output (open voltage Voc) shown in FIG. 10 was obtained. FIG. 11 is a diagram showing the relationship of the output change ΔV with respect to the displacement change ΔL based on these relationships. In FIG. 11, the incident angle of the light beam is set to the resonance angle (29.8 [deg]) when L = 1340 [nm].

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。 The displacement change ΔL is assumed to be provided with a grating structure having a width 5 (mm) in a sensor having a width L of 10 (mm), for example. Here, by giving a displacement of 5 (mm), that is, a change of 50%, the irradiation position of the light beam moves a distance of 5 (mm) from end to end of the grating structure. This movement changes the resonance state of the SPR. Accordingly, the displacement change ΔL of 50% is a change obtained based on the shape information changed with respect to the width L.

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。 In the SPR sensor for detecting displacement according to the present embodiment, the light irradiation position on the light receiving surface of the sensor changes by giving displacement to the exterior part. For this reason, the light irradiation position moves to a portion having a different grating pitch, and as shown in FIG. 11, the output value (voltage value) changes linearly according to the displacement change.

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。 From the relationship between the output value and the comparison condition (here, the output value at each irradiation position (or moving distance) of the grating structure 43) associated with the output value, the movement distance, that is, the displacement amount from the change in the output value of the sensor. Can be detected.

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。 From the above, the SPR sensor can be realized as a displacement sensor that can detect an output change as a mechanical displacement by the ready workability. When used as a displacement sensor, a resonance angle that causes SPR is calculated at an arbitrary light irradiation position L, and is set to be incident at a fixed angle.

［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。 [Third Embodiment]
Next, a third embodiment will be described.
FIG. 12 shows, as a third embodiment, a conceptual configuration of an inspection system equipped with an angle sensor that detects an angle change using the above-described SPR sensor. 13A to 13E are process diagrams for explaining a manufacturing process of the SPR sensor for detecting an angle according to the present embodiment.

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。 In the present embodiment, as shown in FIG. 13E, an inspection system is proposed in which an SPR sensor is mounted on a cantilever type cantilever probe using MEMS device technology to detect displacement (angle). When the angle sensor 51 using the SPR sensor 1 shown in FIG. 13 (e) is provided in the probe 62, sensing is performed by converting the tilted state of the beam into an electrical signal through an electromagnetic effect or a capacitive effect. Is going.

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。 First, the manufacturing process of the sensor will be described with reference to the process diagrams shown in FIGS. Note that the manufacturing process of the sensor of the present embodiment is almost the same as the manufacturing process in FIGS. 2A to 2D described above, and will be described in a simplified manner.

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。 In the process of FIG. 13A, a known SOI (Silicon On Insulator) substrate is used to manufacture the cantilever type probe 62 including the angle sensor 51 of the present embodiment. A typical technique for producing this SOI substrate is a SIMOX (Separation by implanted oxygen) manufacturing method in which oxygen ions are implanted into a silicon substrate to form a buried oxide film inside the substrate. As another method, a bonded silicon wafer whose surface is oxidized and a base silicon wafer are bonded together and bonded together by a bonding heat treatment, and then the bonded silicon wafer side is thinned by planar polishing, bonded manufacturing There are methods.

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。 In the process of FIG. 13A, the SOI substrate 52 is a top silicon layer (thickness 1000 nm) 53, a buried oxide film (thickness 400 nm) 54, and a silicon substrate (thickness 300 μm) 55. The polarity of the top silicon layer 53 of the SOI substrate 52 is P-type, and has the characteristics of ρ = 40 [Ωcm] and <100>.

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。 In the step of FIG. 13B, a mask is formed on the top silicon layer 53, and ion implantation is performed in a region exposed without being covered to selectively form an n ⁺ doped layer 56. In the present embodiment, an n ⁺ doped layer 56 is formed on the upper surface of the portion that becomes the beam of the cantilever.

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。 In the step of FIG. 13C, a resist layer (not shown) having a uniform thickness is formed on the n ⁺ doped layer 56. Further, a grating structure 57 made of a resist pattern with stripes is formed by direct electron beam drawing using an electron beam drawing apparatus. Thereafter, a gold (Au) film 58 is formed on the entire surface of the top silicon layer 53 including the grating structure 57 by using a vapor deposition apparatus. Further, an unnecessary gold film is removed by an island patterning process using a photolithography technique and a wet etching method, and a gold film (including the first output electrode 59a) 58a covering the grating structure is formed. An electrically separated second output electrode 58b is formed.

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。 In the process of FIG. 13D, selection is performed by the dry etching technique such as RIE combined with the mask until the top silicon layer 53 is exposed from the surface of the silicon substrate 55 (bottom side) so as to leave the column portion of the cantilever. Remove.
In the step of FIG. 13E, the exposed top silicon layer 53 is further etched so as to have a predetermined film thickness. A probe 60 is fabricated in the vicinity of the free end of the top silicon layer 53 using a known method. As a manufacturing method, a selective dry etching method, growth of another material by a catalytic method, or the like may be used.

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。 The probe 62 configured in this manner is dynamic with respect to the probe 60 when driven in a state in which a light beam is irradiated on the gold film 58a (grating structure) of the beam portion 50 at a certain incident angle. When the displacement is applied, the beam portion 50 is warped or bent.
Accordingly, the grating structure 57 is warped or bent, the incident angle of the light beam is changed, and the voltage output to the output electrodes 59a and 59b is changed. Since the displacement amount of the cantilever and the output voltage at this time are set in advance as a comparison condition, the displacement amount of the angle sensor 51 according to the voltage change can be calculated.

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。 The detection of the angle change by the inspection system equipped with the above-described angle sensor 51 shown in FIG. 12 will be described. The inspection system 61 of this embodiment shows a non-contact type atomic force microscope apparatus as an example of adopting the probe 62 using the angle sensor 51 described above.
As the displacement detection method of this inspection system, either amplitude detection (AM detection) or frequency detection (FM detection) can be applied. In the following description, an example in which the inspection system of this embodiment is applied to the AM detection method will be described.

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。 The inspection system 60 of this embodiment is a probe 62 on which the angle sensor 51 is mounted, an actuator 63 that applies a predetermined vibration to the probe 62, a light source 64 that irradiates the gold film 58a of the angle sensor 51 with a light beam, and an inspection target. An XY scanner 66 that includes a table on which the sample 65 is placed and is movable in the XY direction (biaxial direction), a controller 67 that controls the XY scanner 66, and a stack piezo element 68 that moves the XY scanner 66 in the Z direction. And a servo circuit 69 for driving the stack piezo element 68 and a control unit 70. Here, the X, Y, and Z directions are defined as triaxial directions.

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。 The control unit 70 includes a displacement detection unit 71 that detects the displacement (displacement amount) of the vibrating cantilever type probe 62 moved up and down along the shape of the inspection target, and AM control and feedback control of the actuator 63 and the servo circuit 69. And a demodulator 72 for performing the above.
In this inspection system, the actuator 63 made of piezoelectric ceramic and the cantilever type probe 62 by the angle sensor 51 described above are used in combination. In this configuration, the Q value indicating the sharpness of the vibration system is 400 in the atmosphere, and the resonance frequency is 10 KHz.

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。 The incident angle of the light beam in the light source 64 is set to the resonance angle obtained from the wave number dispersion formula estimated from the grating pitch of the angle sensor 51. The demodulator 72 is composed of an AM detector. AM detection is performed from the output signal of the cantilever 62, the surface shape of the measurement target is inferred, and a control signal for performing feedback control on the actuator 63 and the servo circuit 69 is generated.

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。 The AM detector that is the demodulator 72 receives the output (open voltage) from the displacement detector 71. In AM detection, for example, the resonance point of the probe 62 is set to Δf (from the resonance point (f1 = 10 KHz). The amplitude of each probe 62 at the vibration frequency when the vibration is performed at a point (f1 + Δf1) shifted by Δf1 = 25 Hz) is detected, and the resonance point changes due to the physical interaction between the sample 65 and the probe 62 Is detected as a signal intensity change ΔA. From the change of ΔA, the surface shape of the sample 65 can be inferred.

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。 As described above, in the configuration of the inspection system according to the present embodiment, a light receiving element that receives reflected light is unnecessary, and thus it is easy to change to a multi-probe including a plurality of cantilevers. In the present embodiment, as in the first embodiment, a predetermined comparison condition, that is, a change in the resonance point due to a physical interaction between the sample 65 and the probe 62 is related as a signal intensity change, thereby The shape can be analogized.

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。 The inspection system of this embodiment can solve the problems that occur in the following conventional atomic force microscope apparatuses.
A conventional cantilever that employs the optical lever method has a configuration in which a reflecting surface is provided on the back surface of a beam portion, a laser beam is irradiated, and a change in reflected light according to variation of the cantilever is detected by a photodiode. While this detection method can achieve highly accurate measurement, it requires a light receiving element, its processing circuit, etc., so that the structure is complicated and the scale of the detection unit is large. On the other hand, the cantilever according to the present embodiment does not require a light receiving element that receives reflected light, and can simplify the configuration and downsize the detection unit.

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。 In another method that uses a piezoresistive element provided on a cantilever and detects the position from the change (piezoresistive method), Joule heat generated by current application may affect the detection result. On the other hand, in this embodiment, since the change of the output voltage using the grating structure is detected, the Joule heat is not generated so much as to be affected.

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。 Furthermore, a Bragg grating reflection type sensor is known as a highly accurate measurement method. This measures the angle by measuring the intensity of the reflected light (diffracted light). Since this detection method also detects reflected light, the configuration of the inspection system may be complicated as in the case of the optical lever method. In the method of detecting the reflected light, when a multi-sensor system using a plurality of angle sensors is constructed, a light source and a photodetector are required in pairs with the angle sensor, so that the configuration becomes more complicated.

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。 On the other hand, in the configuration of the inspection system of the present embodiment, the configuration is simplified as in the case of the optical lever method cantilever described above. Furthermore, since a light receiving element that receives reflected light is unnecessary, it is easy to change to a multi-probe having a plurality of cantilevers.

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。 The inspection system of the present invention includes the following gist.
1) a photoelectric conversion element having a light receiving surface that converts a light beam incident at an incident angle set from the outside into an electrical signal and outputs the electrical signal;
A grating structure patterned in a stripe pattern on the light receiving surface with a resist material that transmits the light flux; and
A conductor that covers and coats in a wavy manner by including the grating structure;
An output electrode that outputs a voltage signal generated by the photoelectric conversion element;
Have
An output value is changed according to an incident angle or an incident position of the light beam.

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。 2) a light source for irradiating a light beam;
A photoelectric conversion element that is integrally formed on a substrate and has a light receiving surface that converts light incident at a preset incident angle from the light source into an electric signal and outputs the electric signal, and a resist material that transmits light on the light receiving surface. A grating structure patterned in stripes at intervals, a conductor including the grating structure and covering in a wavy manner, and an output for outputting a voltage signal generated by the photoelectric conversion element An electrode, and a sensor that changes an output value depending on an incident angle or an incident position of the light beam,
A controller that obtains an output value output from the output electrode and outputs a detection result determined by the comparison condition by comparison with a preset comparison condition;
An inspection system in which the sensor is irradiated with the light beam, the grating structure induces surface plasmons, and the grating structure is coated with the light-impermeable conductor.

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。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... SPR sensor, 2 ... Substrate, 3 ... Grating structure, 4, 14 ... Metal film, 5, 5a, 5b ... Output electrode, 6 ... Light source, 7 ... Detection part, 11 ... N-type silicon substrate, 12 ... p ⁺ Layer, 13 ... resist pattern, 21, 30, 50 ... sensor, 21 ... chamber, 22 ... stage mechanism, 22a ... stage unit, 22b ... stage moving mechanism, 23 ... control unit, 24 ... gas inlet, 25 ... gas Discharge port, 27 ... drive control unit, 28 ... oscillating unit, 29 ... drive unit.

Claims

A photoelectric conversion element having a light receiving surface that converts an incident light beam into an electrical signal and outputs the electrical signal;
A grating structure that is patterned in stripes at intervals on the light receiving surface by a resist material that transmits light, and that induces surface plasmons upon irradiation with the light flux;
A conductor that is formed so as to cover the grating structure and the exposed light receiving surface, and suppresses a light beam transmitted through the light receiving surface;
An output electrode that outputs a voltage signal generated by the photoelectric conversion element;
Having a sensor.

A light source for irradiating a light beam;
A photoelectric conversion element having a light receiving surface that converts the incident light flux into an electrical signal and outputs the light signal, and a resist material that transmits light, and is patterned in a stripe pattern on the light receiving surface so as to irradiate the light flux. A grating structure that receives and induces surface plasmon; a conductor that covers the grating structure and the exposed light receiving surface; and that suppresses a light beam transmitted through the light receiving surface; and the photoelectric conversion element. An output electrode that outputs a voltage signal, and a sensor,
A detection unit that outputs an output value that changes according to either the incident angle or the incident position of the light beam that has been applied to the light receiving surface that is output from the output electrode;
An inspection system comprising:

The inspection system according to claim 2, further comprising:
A moving mechanism that includes a stage for fixing the sensor, and swings the stage so that the light receiving surface is inclined within a predetermined angle range;
A chamber that houses the stage so as to irradiate the light receiving surface of the sensor with a light beam emitted from the light source, and holds the airtight;
A gas introduction / discharge mechanism that introduces an arbitrary gas into the chamber to generate a gas atmosphere;
The change in the output value output from the light receiving surface inclined within the angle range output from the detection unit is compared with the comparison condition based on the output value in the gas set as the detection target in advance, and at least the inspection target A control unit for detecting the presence or absence of the gas and its concentration;
An inspection system comprising:

The inspection system according to claim 2, further comprising:
An exterior member made of an elastic material that fits the sensor and is fixed to one end of the sensor on the end side;
An attachment jig attached to each of the one end side of the exterior member and the other end side facing the one end; and
The grating structure of the sensor having a rectangular shape is patterned on the light receiving surface in a stripe shape that has an interval that gradually expands from the end side or an interval that gradually decreases,
The light source irradiates the luminous flux at a fixed incident angle to an arbitrarily determined irradiation position of the grating structure,
An inspection system that detects a moving distance from an output change of the moved sensor when a force is applied to the mounting jig in a state where light is incident on the sensor.

The inspection system according to claim 4,
The output of the sensor is such that when a force is applied to extend the interval between the mounting jigs, the sensor is pulled and moved toward the one end where the sensor is fixed, and the light receiving surface is caused by the displacement of the irradiation position accompanying the movement. The inspection system is detected from the output value output from the light receiving surface by comparing a change in the output value output from the light and a comparison condition based on the output value on the irradiation position set in advance. .

The inspection system according to claim 2 further includes:
A scanner unit on which an object to be inspected is mounted and movable in three axial directions;
A cantilever in which the sensor is disposed on the upper surface of the beam portion;
An actuator for vibrating the cantilever,
An inspection system for detecting a displacement amount of the cantilever from a change in voltage output from the sensor due to bending applied to the cantilever.

The amount of displacement of the cantilever according to claim 6 is an output value at the time of displacement of the cantilever that is previously related to a voltage change output from the sensor based on a change in an incident angle of the light beam due to bending of the cantilever. Inspection system characterized by being detected by comparing with a comparison condition by

A photoelectric conversion element forming step of introducing impurities into the semiconductor substrate and creating a photoelectric conversion element region;
A grating forming step of forming a grating structure having a stripe pattern at an interval on the photoelectric conversion element region with a resist material that transmits light; and
A conductor coating step for forming a light-impermeable conductor that blocks or suppresses light to be formed so as to cover the light-receiving surface including the grating structure;
An electrode forming step of forming an output electrode for outputting a voltage signal generated by the photoelectric conversion element;
A method for manufacturing a sensor, comprising: