JPWO2014061408A1 - 光学膜厚測定方法、光学膜厚測定システム及び光学膜厚測定プログラム他 - Google Patents

Abstract

反射干渉分光法により干渉膜の光学膜厚を測定すること、干渉膜の光学膜厚に変化があれば、その変化した分の光学膜厚を測定することを課題とする。基板上に干渉膜が積層した積層体における該干渉膜の光学膜厚を反射干渉分光法により測定するあたり、干渉膜の光学膜厚が厚くなるに従って分光反射率（又はその変化量）の分光分布が曲線ｂ１→曲線ｂ２→曲線ｂ３→曲線ｂ４のように長波長側に移動しそのピークの数が増加する傾向に着目して、予め、干渉膜の光学膜厚が既知の積層体における分光反射率（変化量）の曲線の所定の特徴値と当該光学膜厚との関係を異なる光学膜厚について作成しておき、反射干渉分光法により得られた測定対象の積層体における分光反射率（変化量）の曲線の所定の特徴値を、上記関係に当てはめて、特徴値が近似する光学膜厚を同定することにより、測定対象の干渉膜の光学膜厚を求める。

Description

本発明は、反射干渉分光法を利用した光学膜厚測定方法、光学膜厚測定システム及び光学膜厚測定プログラムに関する。

従来、抗原抗体反応などの生体分子同士の分子間相互作用や、有機高分子同士の分子間相互作用などの結合の測定は、一般的に、放射性物質や蛍光体などの標識を用いることで行われてきた。この標識には手間がかかり、特にタンパク質への標識は方法が煩雑な場合や標識によりタンパク質の性質が変化する場合があった。そこで、近年、生体分子や有機高分子間の結合を、簡便に標識を用いることなく直接的に検出する手段として、光学薄膜の干渉色変化を利用したＲＩｆＳ方式（Reflectometric interference spectroscopy：反射干渉分光法）が提案され、既に実用化もされている。ＲＩｆＳ方式の基本原理は特許文献１や非特許文献１などに言及されている。

ＲＩｆＳ方式について簡単に説明すると、この方式では、図１２に示すように、光学薄膜１０４が設けられた基板１０２が用いられる。図１２ａに示すように、基板１０２上の光学薄膜１０４に対し白色光を照射した場合、図１３の典型的な一例に示すとおり、白色光そのものの分光強度は実線１０６で表され、その反射光の分光強度は実線１０８で表される。照射した白色光とその反射光との各分光強度から反射率を求めると、図１４に示すとおり、実線で表されたボトムピーク（スペクトル曲線における極小部）を有する反射スペクトル１１０が得られる。

分子間相互作用を検出するにあたっては、図１２ｂに示すとおり、光学薄膜１０４上にリガンド１２０が設けられる。光学薄膜１０４上にリガンド１２０を設けると、リガンド１２０が設けられた部位における光学的厚さ１１２が変化して光路長が変化し、反射干渉効果により干渉波長も変化する。すなわち、反射光の分光強度分布のピーク位置がシフトし、その結果図１４に示すとおり、反射スペクトル１１０が反射スペクトル１２２（点線部参照）にシフトする。この状態において、光学薄膜１０４上にサンプル溶液を流すと、図１２ｃに示すとおり、リガンド１２０とサンプル溶液中のアナライト１３０とが結合する。リガンド１２０とアナライト１３０とが結合すると、アナライト１３０が結合した部位における光学的厚さ１１２がさらに変化する。リガンド１２０に対してアナライト１３０が部分的に付着することによって不均質な層が生成されるが、この不均質層は巨視的にみればアナライト１３０の付着量に応じた所定の光学的厚さを有する均質層に置き換えられる。従って、入射光の通過する均質層の光学的厚さがアナライト１３０の付着量に応じて変化することとなる。これによって、図１４に示すとおり、反射スペクトル１２２が反射スペクトル１３２（１点鎖線部参照）にシフトする。そして、反射スペクトル１２２のボトムピーク波長（反射率が極小値となる波長）に対する反射スペクトル１３２のボトムピーク波長の変化を検出することにより、分子間相互作用の有無を検出することができる。また、反射スペクトル１２２のボトムピーク波長に対する反射スペクトル１３２のボトムピーク波長の変化量を検出することにより、分子間相互作用の進捗度を検出することができるようになっている。

ボトムピーク波長の変化の推移を経時的に観測すると、図１５に示すとおり、曲線上の第１のショルダー部である時点１４０において、リガンド１２０によるボトムピーク波長の変化を確認することができ、曲線上の第２のショルダー部である時点１４２において、リガンド１２０とアナライト１３０との結合によるボトムピーク波長の変化を確認することができる。

特許第３７８６０７３号公報 特願２０１１−１４１３４８号公報 特願２０１２−００１０９５号公報

Sandstrom et al, APPL.OPT., 24, 472, 1985

しかし、本発明者らの検討によれば、ボトムピーク波長の変化の推移を経時的に観測する方式では、測定原理上、測定精度に限界があり、分子間相互作用の進捗度をより正確に捉えようとした場合に、十分に改善できないという問題があることが判明した。これは以下のような理由による。
すなわち、抗原抗体反応などの生体分子同士の分子間相互作用や、有機高分子同士の分子間相互作用などの結合は、微視的には結合と離脱を繰り返しながらも、全体としては結合の割合が一様に増加する、すなわち、図１６Ａに示すように時間の経過に従って分子間相互作用の進捗度が増加する。
しかしながら、反射光の分光強度を検出する検出装置によって実際に出力されるデータは、例えば図１７に示す反射率データ１５１のように微小な変動を繰り返しており、ボトムピーク位置を定めるには、この反射率データ１５１に近似曲線１５２をフィッティングして、近似曲線１５２を算出し、その近似曲線の極小値を上述のボトムピーク位置として求めるなどの演算が必要となる。また、ボトムピーク付近は反射率の変化が小さいため、上述のような近似曲線を用いてボトムピーク位置を決定する方法では、原理上、ボトムピークの位置が不正確になりやすく、特に、分子間相互作用の進捗度をより高い精度で算出することが求められる場合は不利になる。結果として、ボトムピーク波長の変化量Δλは、図１６Ｂに示すように、分子間相互作用の進捗度とは異なった変化をすることがあり、このような場合は、ボトムピーク波長の変化量Δλは、分子間相互作用の進捗度を正確に判断するための値として適当ではなくなってしまう。

また、ボトムピーク波長の変化量Δλを追跡する方法は、反射光の分光特性のグラフ上の１点だけを追跡し、グラフの全体的なシフトを捉えることをしておらず、変化を正確に捉えることに自ずと限界がある。
加えて、上述した近似曲線算出のための演算を行うために、高性能な演算装置や複雑な演算が必要になったり、分子間相互作用が速く進行するようなケースでは演算が追いつかなくなったりするという懸念もある。

以上の事情を背景に研究し本発明者らは、検出される光の分光特性の極値に着目し、この極値が干渉膜の厚みに応じて一定の変化傾向を見せることを見出し、その関係を予め特定しておくことによって、干渉膜の光路長、すなわち、干渉膜の光学膜厚を測定する方法を見出し特許文献２及び３の特許出願をおこなった。本方法によれば、分子間相互作用によって形成される膜に限らず光学膜厚を測定することができるとともに、分子間相互作用のように時間経過によって光学膜厚に変化があれば、これを検出し、その変化した分の光学膜厚を測定することもできる。すなわち、分子間相互作用の測定においては、リガンドとアナライトとが結合すると、アナライトが結合した部位における光学膜厚の変化量を測定することができる。
それとともに本発明者らは、干渉膜の厚みに応じて一定であるのは曲線全体であり極値に限らないことから、極値を与える波長以外の特徴値を抽出しても同様に光学膜厚等の測定が可能であり、また測定レンジから極値が外れても測定できる可能性があることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明は、極値を与える波長とは異なる所定の特徴値を用いて、反射干渉分光法により干渉膜の光学膜厚を測定すること、干渉膜の光学膜厚に変化があれば、その変化した分の光学膜厚を測定することができる光学膜厚測定方法、光学膜厚測定システム及び光学膜厚測定プログラムを提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、基板上に１又は２以上の干渉膜が積層した積層体における該干渉膜の光学膜厚を反射干渉分光法により測定する光学膜厚測定方法であって、
予め、干渉膜の光学膜厚が既知の前記積層体における分光反射率の曲線に係る極値を与える波長とは異なる所定の特徴値を抽出し、当該特徴値と当該光学膜厚との関係を異なる光学膜厚について作成しておき、
反射干渉分光法により得られた測定対象の前記積層体における分光反射率の曲線に係る前記所定の特徴値を、前記関係に当てはめて、前記特徴値が近似する光学膜厚を同定することにより、測定対象の前記積層体における光学膜厚を求める光学膜厚測定方法である。

請求項２記載の発明は、基板上に１又は２以上の干渉膜が積層した積層体の該干渉膜上で行われる分子間相互作用により、該干渉膜上に吸着する分子の光学膜厚を反射干渉分光法により測定する光学膜厚測定方法であって、
予め、
光学膜厚が既知の第１干渉膜が積層した第１積層体における分光反射率と、
前記第１積層体の干渉膜の上に光学膜厚が既知の第２干渉膜が積層した第２積層体における分光反射率と、を求め、
第１積層体における分光反射率に対する第２積層体における分光反射率の変化量の曲線に係る極値を与える波長とは異なる所定の特徴値を抽出し、当該特徴値と第２干渉膜の光学膜厚との関係を、異なる第２干渉膜の光学膜厚について予め作成しておき、
反射干渉分光法により測定対象の前記積層体の分子間相互作用の開始前における分光反射率を得、反射干渉分光法により同測定対象の前記積層体の分子間相互作用の開始後における分光反射率を得て、開始前に対する変化量の曲線に係る前記所定の特徴値を、前記関係に当てはめて、前記特徴値が近似する第２干渉膜の光学膜厚を同定することにより、同測定対象の前記積層体における分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の光学膜厚を求める光学膜厚測定方法である。

請求項３記載の発明は、所定の波長帯域において、前記所定の特徴値が複数ある場合には当該複数の特徴値について、前記関係を作成し、反射干渉分光法により測定対象の前記積層体からこれら各特徴値を得て前記同定を行う請求項１又は請求項２に記載の光学膜厚測定方法である。

請求項４記載の発明は、前記所定の特徴値は、波長値であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定方法である。

請求項５記載の発明は、前記所定の特徴値は、前記曲線の極値から分光反射率が所定量隔たった当該曲線上の点の波長値であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定方法である。

請求項６記載の発明は、前記所定の特徴値は、前記曲線の変曲点の波長値であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定方法である。

請求項７記載の発明は、前記所定の特徴値は、前記曲線の変曲点から分光反射率が所定量隔たった当該曲線上の点の波長値であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定方法である。

請求項８記載の発明は、前記関係を関数で作成する請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定方法である。

請求項９記載の発明は、前記関数が２次関数であり、当該２次関数を前記特徴値ごとに作成する請求項８に記載の光学膜厚測定方法である。

請求項１０記載の発明は、前記同定は、前記特徴値が最も近似する光学膜厚を特定することより行い、当該最も近似する光学膜厚から、求める光学膜厚を推定する請求項１から請求項９のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定方法である。

請求項１１記載の発明は、反射干渉分光法により測定対象の前記積層体に白色光を照射して、当該積層体からの反射光の前記分光反射率を得る請求項１から請求項１０のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定方法である。

請求項１２記載の発明は、前記干渉膜上を液体層が覆う状態で測定する請求項１から請求項１１のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定方法である。

請求項１３記載の発明は、屈折率が既知の分子について、請求項２に記載の光学膜厚測定方法により求めた分子の光学膜厚を当該分子の屈折率で除することにより、当該分子の膜厚を求める膜厚測定方法である。

請求項１４記載の発明は、特定方向の光学的大きさが既知の分子について、請求項２に記載の膜厚測定方法により求めた分子の光学膜厚と、前記特定方向の光学的大きさとを比較することにより、分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の当該干渉膜に対する方向を推定する分子方向推定方法である。

請求項１５記載の発明は、特定方向の大きさが既知の分子について、請求項１３に記載の膜厚測定方法により求めた分子の膜厚と、前記特定方向の大きさとを比較することにより、分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の当該干渉膜に対する方向を推定する分子方向推定方法である。

請求項１６記載の発明は、前記分子の置かれる測定環境の温度、圧力、ｐＨ、塩濃度等の環境変数が変化した異なる各時点について、請求項２に記載の光学膜厚測定方法により求めた分子の光学膜厚とともに、当該環境変数を対応付けて記録する光学膜厚測定方法である。

請求項１７記載の発明は、前記分子の置かれる測定環境の温度、圧力、ｐＨ、塩濃度等の環境変数が変化した異なる各時点について、請求項１３に記載の膜厚測定方法により求めた分子の膜厚とともに、当該環境変数を対応付けて記録する膜厚測定方法である。

請求項１８記載の発明は、基板上に１又は２以上の干渉膜が積層した積層体における該干渉膜の光学膜厚を反射干渉分光法により測定する光学膜厚測定システムであって、
光源と、
前記光源からの光を前記積層体に照射する照射手段と、
前記積層体からの反射光を受光する受光手段と、
前記受光手段が受光した反射光の分光特性を検出する分光検出手段と、
予め、干渉膜の光学膜厚が既知の前記積層体における分光反射率の曲線に係る極値を与える波長とは異なる所定の特徴値を抽出し、当該特徴値と当該光学膜厚との関係を異なる光学膜厚について作成しておくことにより構成されるデータを記憶する記憶手段と、
前記分光検出手段により検出した分光特性に基づき、測定対象の前記積層体における分光反射率について、当該分光反射率の曲線に係る前記所定の特徴値を特定し、前記記憶手段に記憶された前記データに当てはめて、前記特徴値が近似する光学膜厚を同定することにより、測定対象の前記積層体における光学膜厚を求める演算手段と、
を備える光学膜厚測定システムである。

請求項１９記載の発明は、基板上に１又は２以上の干渉膜が積層した積層体の該干渉膜上で行われる分子間相互作用により、該干渉膜上に吸着する分子の光学膜厚を反射干渉分光法により測定する光学膜厚測定システムであって、
光源と、
前記光源からの光を前記積層体に照射する照射手段と、
前記積層体からの反射光を受光する受光手段と、
前記受光手段が受光した反射光の分光特性を検出する分光検出手段と、
予め、光学膜厚が既知の第１干渉膜が積層した第１積層体における分光反射率と、前記第１積層体の干渉膜の上に光学膜厚が既知の第２干渉膜が積層した第２積層体における分光反射率と、を求め、第１積層体における分光反射率に対する第２積層体における分光反射率の変化量の曲線に係る極値を与える波長とは異なる所定の特徴値を抽出し、当該特徴値と第２干渉膜の光学膜厚との関係を、異なる第２干渉膜の光学膜厚について予め作成しておくことにより構成されるデータを記憶する記憶手段と、
前記分光検出手段により検出した分光特性に基づき、測定対象の前記積層体の分子間相互作用の開始前における分光反射率に対する、同測定対象の前記積層体の分子間相互作用の開始後における分光反射率の変化量の曲線に係る前記所定の特徴値を特定し、前記記憶手段に記憶された前記データに当てはめて、前記特徴値が近似する第２干渉膜の光学膜厚を同定することにより、同測定対象の前記積層体における分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の光学膜厚を求める演算手段と、
を備える光学膜厚測定システムである。

請求項２０記載の発明は、所定の波長帯域において、前記所定の特徴値が複数ある場合には当該複数の特徴値について、前記関係が作成されており、前記演算手段は、これら各極値を得て前記同定を行う請求項１８又は１９に記載の光学膜厚測定システムである。

請求項２１記載の発明は、前記所定の特徴値は、波長値であることを特徴とする請求項１８から請求項２０のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定システムである。

請求項２２記載の発明は、前記所定の特徴値は、前記曲線の極値から分光反射率が所定量隔たった当該曲線上の点の波長値であることを特徴とする請求項１８から請求項２０のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定システムである。

請求項２３記載の発明は、前記所定の特徴値は、前記曲線の変曲点の波長値であることを特徴とする請求項１８から請求項２０のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定システムである。

請求項２４記載の発明は、前記所定の特徴値は、前記曲線の変曲点から分光反射率が所定量隔たった当該曲線上の点の波長値であることを特徴とする請求項１８から請求項２０のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定システムである。

請求項２５記載の発明は、前記光源は、白色光を発光する光源である請求項１８から２４のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定システムである。

請求項２６記載の発明は、前記干渉膜上に流路を形成する部材と、前記流路に接続し前記干渉膜上に設けられた分子と相互作用する分子を含んだ液体を当該流路に流す送液手段を備える請求項１８から２５のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定システムである。

請求項２７記載の発明は、請求項１９に記載の光学膜厚測定システムを備え、屈折率が既知の分子について、請求項１９に記載の光学膜厚測定システムにより求めた分子の光学膜厚を当該分子の屈折率で除することにより、当該分子の膜厚を求める膜厚算出手段をさらに備える膜厚測定システムである。

請求項２８記載の発明は、請求項１９に記載の光学膜厚測定システムを備え、特定方向の光学的大きさが既知の分子について、請求項１９に記載の膜厚測定システムにより求めた分子の光学膜厚と、前記特定方向の光学的大きさとを比較することにより、分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の当該干渉膜に対する方向を推定する分子方向推定手段をさらに備える分子方向推定システムである。

請求項２９記載の発明は、請求項２７に記載の膜厚測定システムを備え、特定方向の大きさが既知の分子について、請求項２７に記載の膜厚測定システムにより求めた分子の膜厚と、前記特定方向の大きさとを比較することにより、分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の当該干渉膜に対する方向を推定する分子方向推定手段をさらに備える分子方向推定システムである。

請求項３０記載の発明は、前記分子の置かれる測定環境の温度、圧力、ｐＨ、塩濃度等の環境変数が変化した異なる各時点について、前記演算手段により求めた分子の光学膜厚とともに、当該環境変数を対応付けて記録する記録手段をさらに備える請求項１９に記載の光学膜厚測定システムである。

請求項３１記載の発明は、前記分子の置かれる測定環境の温度、圧力、ｐＨ、塩濃度等の環境変数が変化した異なる各時点において、前記膜厚算出手段により求めた分子の膜厚とともに、当該環境変数を対応付けて記録する記録手段をさらに備える請求項２７に記載の膜厚測定システムである。

請求項３２記載の発明は、基板上に１又は２以上の干渉膜が積層した積層体における該干渉膜の光学膜厚を反射干渉分光法により測定する処理をコンピュータに実行させるための光学膜厚測定プログラムであって、
予め、干渉膜の光学膜厚が既知の前記積層体における分光反射率の曲線に係る極値を与える波長とは異なる所定の特徴値を抽出し、当該特徴値と当該光学膜厚との関係を異なる光学膜厚について作成しておくことにより構成されたデータを読み出す処理と、
反射干渉分光法により得られた測定対象の前記積層体における分光反射率の曲線に係る前記所定の特徴値を特定し、前記データに当てはめて、前記特徴値が近似する光学膜厚を同定することにより、測定対象の前記積層体における光学膜厚を求める演算処理と、
を前記コンピュータに行わせる光学膜厚測定プログラムである。

請求項３３記載の発明は、基板上に１又は２以上の干渉膜が積層した積層体の該干渉膜上で行われる分子間相互作用により、該干渉膜上に吸着する分子の光学膜厚を反射干渉分光法により測定する処理をコンピュータに実行させるための光学膜厚測定プログラムであって、
予め、
光学膜厚が既知の第１干渉膜が積層した第１積層体における分光反射率と、
前記第１積層体の干渉膜の上に光学膜厚が既知の第２干渉膜が積層した第２積層体における分光反射率と、を求め、
第１積層体における分光反射率に対する第２積層体における分光反射率の変化量の曲線に係る極値を与える波長とは異なる所定の特徴値を抽出し、当該特徴値と第２干渉膜の光学膜厚との関係を、異なる第２干渉膜の光学膜厚について予め作成しておくことにより構成されたデータを読み出す処理と、
反射干渉分光法により測定対象の前記積層体の分子間相互作用の開始前における分光反射率を得、反射干渉分光法により同測定対象の前記積層体の分子間相互作用の開始後における分光反射率を得て、開始前に対する変化量の曲線に係る前記所定の特徴値を特定し、前記データに当てはめて、前記特徴値が近似する第２干渉膜の光学膜厚を同定することにより、同測定対象の前記積層体における分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の光学膜厚を求める演算処理と、
を前記コンピュータに行わせる光学膜厚測定プログラムである。

請求項３４記載の発明は、請求項３３に記載の光学膜厚測定プログラムを備え、屈折率が既知の分子について、請求項３３に記載の光学膜厚測定プログラムに基づき前記コンピュータが求めた分子の光学膜厚を当該分子の屈折率で除することにより、当該分子の膜厚を求める膜厚算出処理をさらに前記コンピュータに実行させるための膜厚測定プログラムである。

請求項３５記載の発明は、請求項３３に記載の光学膜厚測定プログラムを備え、特定方向の光学的大きさが既知の分子について、請求項３３に記載の光学膜厚測定プログラムによりに基づき前記コンピュータが求めた分子の光学膜厚と、前記特定方向の光学的大きさとを比較することにより、分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の当該干渉膜に対する方向を推定する分子方向推定処理をさらに前記コンピュータに実行させるための分子方向推定プログラムである。

請求項３６記載の発明は、請求項３４に記載の膜厚測定プログラムを備え、特定方向の大きさが既知の分子について、請求項３４に記載の膜厚測定プログラムによりに基づき前記コンピュータが求めた分子の膜厚と、前記特定方向の大きさとを比較することにより、分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の当該干渉膜に対する方向を推定する分子方向推定処理をさらに前記コンピュータに実行させるための分子方向推定プログラムである。

請求項３７記載の発明は、前記分子の置かれる測定環境の温度、圧力、ｐＨ、塩濃度等の環境変数が変化した異なる各時点について、前記コンピュータが前記演算処理により求めた分子の光学膜厚とともに、当該環境変数を対応付けて記録する記録処理をさらに前記コンピュータに実行させるための請求項３３に記載の光学膜厚測定プログラムである。

請求項３８記載の発明は、前記分子の置かれる測定環境の温度、圧力、ｐＨ、塩濃度等の環境変数が変化した異なる各時点において、前記コンピュータが前記膜厚算出処理により求めた分子の膜厚とともに、当該環境変数を対応付けて記録する記録処理をさらに前記コンピュータに実行させるための請求項３４に記載の膜厚測定プログラムである。

本発明によれば、干渉膜の光学膜厚を測定することができる、特に本件請求項２、１９、３３に係る発明によれば、分子間相互作用により干渉膜の光学膜厚に変化があれば、その変化した分の光学膜厚を測定することができるという効果がある。

本発明の一実施形態に係る分子間相互作用の測定システムの概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る測定部材の概略構成を示す斜視図である。 分子間相互作用の測定システムの測定の様子を示す模式図である。 分子間相互作用の測定システムの回路ブロック図である。 本発明の一実施形態に係るリガンドとアナライトとの結合の様子を模式的に表した断面図である。ここから新規図面 反射干渉分光法の原理を説明するための模式的モデル図である。。 干渉膜をある基準膜厚から増加させた場合における分光反射率の変化量を示す各曲線である。 シミュレーションによって得られた試料膜厚ｄと分光反射率Ｒの極値位置波長の関係を示すグラフである。 図８のグラフから、横軸を光路長（光学膜厚）ｎｄに換算し、縦軸を１０００／λに換算して作成したグラフである。 シミュレーションによって得られた試料膜厚ｄと分光反射率変化量ΔＲの極値位置波長との関係を示すグラフである。 図１０のグラフから、横軸を光路長（光学膜厚）ｎｄに換算し、縦軸を１０００／λに換算して作成したグラフである。 ＲＩｆＳ方式の概略を説明するための模式図である。 波長と分光強度との概略的な関係を示す一例のグラフである。 波長と反射率との概略的な関係を示す一例のグラフである。 ボトムピーク波長の変化の概略的な推移を示す一例のグラフである。 分子間相互作用の進捗度の時間変化を示すグラフである。 分子間相互作用におけるボトムピーク波長の変化量Δλの時間変化の一例を示すグラフである。 分光反射率の検出データとその近似曲線の一例を示すグラフである。 分子方向の推定を説明するための模式図で、単体の分子を示す。 分子方向の推定を説明するための模式図で、干渉膜に吸着した分子を示す。 分子方向の推定を説明するための模式図で、図１８Ｂとは異なる方向を向いて干渉膜に吸着した分子を示す。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

まず、図１から図５を参照して、本発明の光学膜厚測定システムを実施する一実施形態である分子間相互作用の測定システム１の概要につき説明する。分子間相互作用の測定システム１は、本発明の光学膜厚測定方法を実行するものであるとともに、システム構成に含まれるコンピュータには、本発明の光学膜厚測定プログラムが反映されたプログラムが実行可能に記憶されている。なお、以下では適宜に分子間相互作用の測定の場合を例として説明するが、本発明の用途は分子間相互作用の測定に限定されるものではない。また、分子間相互作用の測定システム１は、通常、各種の測定値を出力するよう構成されるが、以下では専ら本発明の実施に係る干渉膜の光学膜厚の測定につき説明する。

図１に示すとおり、分子間相互作用の測定システム１は、測定対象となる試料を保持する測定部材１０と後述する光源や分光器から構成される測定機構とを備えた測定装置８０と、測定装置８０に接続されたコンピュータである制御演算装置５０と、制御演算装置５０に接続されたディスプレイ９１及び入出力装置９２とによって構成されている。
測定システム１において制御演算装置５０は、測定装置８０に内蔵される光源や分光器などの測定機構の制御手段、検出情報の演算手段、及び、制御指令や検出情報の出入力を行う出入力手段（インターフェース）として機能する。

測定装置８０は、下側筺体８２と、下側筺体８２に回動自在に取り付けられた上側筺体８１とを備える。下側筺体８２には測定部材１０を保持するためのテーブル８３が設けられている。上側筺体８１内側には、測定部材１０に接続して試料を流通させるための射出口８５及び吸引口８７と、検出窓８６とを有する接続部８４が設けられている。上側筺体８１内には、後述するように、白色光源２０，分光器３０，光ファイバ４０、４１（図３参照）が設けられており、検出窓８６から光を照射するとともに、検出窓８６から入射する光を受光するように構成されている。測定を行う際は、まず、上側筺体８１を上方に回動させて下側筺体８２上のテーブル８３を開放し、テーブル８３に測定部材１０をセットする。その後、上側筺体８１を下方に回動させて閉じることにより、射出口８５及び吸引口８７が測定部材１０に接続し、また、検出窓８６が測定部材１０に対向し、測定準備を完了する。

図２に示すとおり、測定部材１０は、光学薄膜の設けられたセンサーチップ１２と、センサーチップ１２とともに流路を形成するフローセル１４とによって構成されている。センサーチップ１２はシリコン基板１２ａを有している。シリコン基板１２ａ上にはＳｉＮ膜１２ｂ（窒化シリコン）が蒸着されている。ＳｉＮ膜１２ｂは光学薄膜の一例である。
フローセル１４はシリコーンゴム製の透明な部材である。フローセル１４には溝１４ａが形成されている。フローセル１４をセンサーチップ１２に密着させると、図３に示すように密閉流路１４ｂが形成される。溝１４ａの両端部はフローセル１４の表面から露出しており、一方の端部がサンプル溶液の流入口１４ｃとして、他方の端部がその流出口１４ｄとしてそれぞれ機能する。溝１４ａの底部には予めリガンド１６が結合されている（図３参照）。

測定部材１０では、センサーチップ１２に対しフローセル１４を貼り替え可能となっており、フローセル１４はディスポーザブル（使い捨て）使用が可能となっている。センサーチップ１２の表面には、シランカップリング剤などにより、表面修飾をおこなってもよく、この場合フローセル１４の貼り替えが容易となる。

先に説明したように、測定部材１０をセットした後、上側筺体８１を下方に回動させて閉じることにより、図３に示すとおり、検出窓８６がフローセル１４に対向し、フローセル１４の密閉流路１４ｂの上方には光ファイバ４０が設置された状態となる。ここで、光ファイバ４０の一方の端部には白色光源２０が接続されている。白色光源２０としては例えばハロゲン光源が使用される。また、例えばLED光源のような、可視光波長領域に複数の分光強度ピークを有する疑似白色光源を使用してもよい。光ファイバ４０の他方の端部は検出窓８６に面している。光ファイバ４１の一方の端部には分光器３０が接続され、他方の端部は検出窓８６に面している。白色光源２０が点灯すると、その光が光ファイバ４０を介して密閉流路１４ｂに照射され、その反射光が光ファイバ４１を介して分光器３０で検出される。白色光源２０や分光器３０は制御演算装置５０に接続され、制御演算装置５０はこれらモジュールの動作を制御する。
また、制御演算装置５０は、後述する記憶装置５０３（図４参照）に記憶されたプログラムの実行により、検出動作制御に連動した所定のタイミングでインターフェースを介して反射光の分光特性を表すデータの入力を得るとともに、入力されたデータに基づき光学膜厚の値を算出する演算手段として機能する。

図４は、本測定システム１の模式的な回路ブロック図である。図４に示すように、制御演算装置５０は、ＣＰＵ５００、ＲＯＭ５０１、ＲＡＭ５０２、ハードディスクなどの記憶装置５０３、通信装置５０４、メモリカード等の記憶媒体のリーダー・ライター５０５、測定装置８０の各部やディスプレイ及び入力装置との間で信号のやりとりを行うためのインターフェース５０６を備える。分子間相互作用における光学膜厚を測定するためのプログラム、その他の測定等のためのプログラムは記憶装置５０３に記憶されており、このプログラムによってＣＰＵ５００が各種の動作を実行するように制御される。

続いて、制御演算装置５０に分光特性が入力されるまでの測定システム１の動作及び測定方法について説明する。

図３に示すとおり、アナライト６２を含むサンプル溶液６０を、流入口１４ｃから密閉流路１４ｂを経て流出口１４ｄに流通させる。このとき制御演算装置５０は、サンプル溶液６０を送液するための送液装置３５（図４参照）の制御を行う。アナライト６２とは、リガンド１６と特異的に結合する物質であり、検出しようとする目的の分子である。アナライト６２としては、例えばタンパク質，核酸，脂質，糖などの生体分子や、薬剤物質，内分泌錯乱化学物質などの生体分子と結合する外来物質などが使用される。
制御演算装置５０は、サンプル溶液６０を測定部材１０に流入させる前のタイミングにおいて、白色光源２０を点灯させ、分光器３０から分子間相互作用の開始前の光学薄膜（ＳｉＮ膜１２ｂ）の反射光の強度を示すデータを含む分光特性データの入力を得る。

制御演算装置５０は、サンプル溶液６０が密閉流路１４ｂを流通している間も、白色光源２０を点灯させる。白色光はフローセル１４を透過してセンサーチップ１２に照射され、その反射光が分光器３０で検出される。分光器３０により検出された反射光の分光特性は制御演算装置５０に送信される。

この場合に、図５に示すとおり、サンプル溶液６０中のアナライト６２がリガンド１６と結合すると、光学的厚さ、すなわち光学膜厚７０が変化し、反射光の特性（例えば、分光器３０による検出強度が最も小さくなる波長）が変化する。制御演算装置５０は、分光器３０から、分子間相互作用の進捗中又は終了後の反射光の強度を示すデータを含む分光特性データの入力を得る。

以上説明するようにして、干渉膜の光学膜厚の測定のために必要な分光特性データが制御演算装置５０に入力される。

さて、以上説明した本測定システム１の構成、機能、動作からわかるように、センサーチップ１２は、基板（シリコン基板１２ａ）上に１又は２以上の干渉膜（ＳｉＮ膜１２ｂ）が積層した積層体に相当するものであり、本測定システム１は、積層体における該干渉膜の光学膜厚（光学膜厚７０など）を反射干渉分光法により測定することができる。
また、光ファイバ４０は、光源（白色光源２０）からの光を積層体（センサーチップ１２）に照射する照射手段に、光ファイバ４１は、積層体（センサーチップ１２）からの反射光を受光する受光手段に、分光器３０は、反射光の分光特性を検出する分光検出手段に相当する。
また、ＲＡＭ５０２は、制御演算装置５０が光学膜厚を演算する際に参照するデータの記憶手段として機能する。そのデータの読み出し元は、記憶装置５０３、通信装置５０４を介して接続されるサーバ、インターフェース５０６を介して接続される外部記憶装置、リーダー・ライター５０５によって読み取られるメモリカード等のいずれであってもよい。また、通信装置５０４を介して干渉膜の光学膜厚の測定のために必要な分光特性データを受け取った他のコンピュータが干渉膜の光学膜厚の測定のため演算を行う場合など、ハードウエア構成は問わない。その場合、当該他のコンピュータは、本発明の光学膜厚測定システムの組み込まれるとともに、本発明の光学膜厚測定プログラムがインストールされたコンピュータである。
また、フローセル１４は、干渉膜上に流路を形成する部材に相当し、上で説明したように測定装置８０に、このフローセル１４により形成される流路に接続し干渉膜上に設けられた分子と相互作用する分子を含んだ液体を当該流路に流す送液手段が構成される。

次に、光学膜厚の２つの測定原理１，２につき説明する。
〔測定原理１〕
まず、測定原理１として以下のとおり説明する。
（参照データの作成）
本測定原理で測定を行う場合、光学膜厚を演算する際に参照するデータは、予め、干渉膜の光学膜厚が既知の積層体における分光反射率の曲線に係る所定の特徴値を抽出し、当該特徴値と当該光学膜厚との関係を異なる光学膜厚について作成しておくことにより構成されるデータである。以下これにつき詳細に説明する。

図６は、反射干渉分光法の原理を説明するための模式的モデル図である。図６に示すように積層体は、基板ａ１と、その上に積層された膜厚ｄの干渉膜ａ２で構成され、干渉膜ａ２上を液体層ａ３が覆う。液体層ａ３、干渉膜ａ２、基板ａ１はそれぞれ順に屈折率ｎ１、ｎ２，ｎ３を有する。これに図６に示すようにある波長λ０の光ａ４が入射すると、そのうち干渉膜ａ２の表面で反射する反射光ａ５と、干渉膜ａ２を通過して基板ａ１との界面で反射する反射光ａ６がａ７部で示すように干渉する。このとき、反射光ａ６は反射光ａ５より２ｎ２ｄだけ光路が長くなる。その光路差２ｎ２ｄが、反射光ａ５と反射光ａ６とに２分の１波長のずれを生じさせるとき、ａ７部に示すように最も反射強度を弱めるように干渉する。これによって照射する光の波長によって反射強度が異なり、白色光等の広波長帯域の光を照射することによって、波長により反射強度が変化する分光分布を得ることができる。
したがって、干渉膜ａ２の光学膜厚ｎ２ｄに依存して、反射光の分光分布が異なるから、反射光の分光特性を分析することで、干渉膜ａ２の光学膜厚ｎ２ｄと特定することができる。これが、反射干渉分光法を利用した本発明の基本原理である。反射光をどのように分析して光学膜厚を特定するかを以下の説明で明らかにする。
なお、上述のシリコン基板１２ａは基板ａ１に相当し、ＳｉＮ膜１２ｂは干渉膜ａ２に相当する。図５に示すようにＳｉＮ膜１２ｂ上にリガンド１６が設置されたとき、さらにアナライト６２がリガンド１６と結合したときは、その光学膜厚７０相当部分をＳｉＮ膜１２ｂに加えたものが干渉膜ａ２に相当する。

反射干渉による分光反射率やその変化量の曲線は、干渉膜の膜厚が厚いほど、あたかも長波長方向に移動していくように変化する。
図７にその一例が示される。図７に示す分光反射率変化量の曲線ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４は、曲線ｂ１より曲線ｂ２，曲線ｂ２より曲線ｂ３，曲線ｂ３より曲線ｂ４の方が、干渉膜が厚いものから得たものである。分光反射率変化量ΔＲは、ある膜厚の干渉膜における分光反射率を基準にした変化量である。図７に示すように、曲線ｂ１→曲線ｂ２→曲線ｂ３→曲線ｂ４の順でピーク位置が長波長側に移動していく。
また、ピークが移動するだけでなく、ピークの数が増加するように変化する。
これらのグラフから膜厚が厚くなるに従って分光反射率変化量曲線のピークが長波長側への移動とともに、ピークの数が増加することがわかる。膜厚増に従って、極大値を与える一つのピーク（トップピーク）が長波長側へ移動する。さらに膜厚増に従って、はじめのピークがさらに長波長側へ移動するとともに、その短波長側に極小値を与えるピーク（ボトムピーク）が出現し、かつ、はじめのトップピークとともに長波長側へ移動する。さらに長波長側への移動及びピーク数の増加が進行する。
なお、分光反射率Ｒに対し、図７の縦軸は分光反射率の変化量ΔＲとしているが、ＲでもΔＲでも、以上のように観察されるピークの移動と増加の変化は同じように現れる。

この変化特性は、干渉膜の光学膜厚に依存した特性である。したがって、分光反射率曲線やその変化量曲線からその極値を与える波長やこれに代え、極値を与える波長とは異なる所定の特徴値に着目して特徴を抽出することにより、干渉膜の物性によらず、干渉膜の光学膜厚による光学的性質を抽出することができる。そして、異なる物性の干渉膜の光学膜厚の測定に展開することができる。
すなわち、分光反射率（または分光反射率変化量）の動きは特異的であるから、この曲線の特徴を抽出すればよい。換言すれば、曲線を特徴付ける要素であればどのようなものでも良い。ここでいう特徴は、ある光学膜厚に対応する曲線を、他の光学膜厚に対応する曲線から特徴付けるものである。
この特徴は、例えば図７に示すように極値（極大値Ｐ、極小値Ｂ）、曲線の変曲点Ｅ、極大値Ｐから分光反射率が所定量Ｆ隔たった曲線上の点Ｇ１，Ｇ２、極小値Ｂから分光反射率が所定量Ｈ隔たった曲線上の点Ｊ１，Ｊ２、変曲点Ｅから分光反射率が所定量Ｋ隔たった曲線上の点Ｍ１，Ｍ２の動きにあらわれる。
そして、極値を与える波長（極大値Ｐの波長値、極小値Ｂの波長値）のほか、特徴値としては、変曲点Ｅの波長値、変曲点Ｅにおける曲線の傾きの値、点Ｇ１の波長値、点Ｇ２の波長値、点Ｊ１の波長値、点Ｊ２の波長値、点Ｍ１の波長値、点Ｍ２の波長値、点Ｇ１の波長値と点Ｇ２の波長値の差分、点Ｊ１の波長値と点Ｊ２の波長値の差分、点Ｍ１の波長値と点Ｍ２の波長値の差分を挙げることができ、これらを単独又は組み合わせて採用することができる。
膜厚の変化に伴ってこれらの特徴値を追いかけることで、参照データのセットを作成することができる。

ここでは特徴値として極値を与える波長を例とする。
シミュレーションにより異なる膜厚の試料について分光反射率Ｒの曲線を計算し、その曲線において極値位置の波長λを求め、試料膜厚ｄと極値位置波長λの関係を図８のグラフに記載した。これは、基板ａ１をシリコン基板とし、その上の干渉膜ａ２としてのＳｉＮ膜を６６．５ｎｍから２０００ｎｍの範囲で変化させて調べたものである。図８のグラフにおいて実線は、試料膜厚に対する極大値位置の波長を、破線は試料膜厚に対する極小値位置の波長を示す。
図８のグラフの横軸の試料膜厚ｄを、干渉膜の屈折率ｎを乗じて光路長（光学膜厚）ｎｄに換算し、縦軸の波長λを、１０００／λに換算して作成したグラフが図９に示される。
図９のグラフにあっては、最も左に極小値位置の波長を示す曲線が現れる。これを曲線Ｂ１とする。曲線Ｂ１から右へ行くと、極大値位置の波長を示す曲線が現れる。これを曲線Ｐ１とする。さらに曲線Ｐ１から右へ行くと、極小値位置の波長を示す曲線、極大値位置の波長を示す曲線が交互に現れる。これを順に曲線Ｂ２，Ｐ２，Ｂ３，Ｐ３，・・・Ｂ２４，Ｐ２４とする。曲線Ｂ１から曲線Ｐ２４までをそれぞれ２次関数で近似してその近似２次関数を数式で示す。表現形式をｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃとして、曲線Ｂ１から曲線Ｐ２４のそれぞれに対応する係数ａ，ｂ及び定数ｃを示すと次の表１のとおりとなる。

以上の関数データが、本測定原理によって光学膜厚を演算する際に参照するデータ、すなわち、予め、干渉膜の光学膜厚が既知の積層体における分光反射率の極値を与える波長λと当該光学膜厚との関係を異なる光学膜厚について作成しておくことにより構成されるデータである。
かかる関数データを、光学膜厚を演算する演算するコンピュータ（制御演算装置５０）で利用できるように記憶しておく。

（光学膜厚の同定演算）
測定システム１にあっては制御演算装置５０が分光器３０から入力を受けた分光特性データに基づき、まず、測定対象の積層体における分光反射率について、当該分光反射率の極値を与える波長を特定する。極値は、極大値と極小値の別も含めて特定する。
図９のグラフにおいて、光学膜厚（横軸ｘ）の任意の値において縦軸ｙに平行な線を引くと、曲線Ｂ１から曲線Ｐ２４のいずれかに交わる。その交点のｙ座標がその光学膜厚において分光反射率曲線に極値を与える１０００／λの値であり、曲線Ｂ１−２４に交わる交点であればその極値は極小値、曲線Ｐ１−２４に交わればその極値は極大値である。
これを逆算的に利用し、制御演算装置５０は、測定対象から得られた分光反射率の極値を与える波長λを１０００／λに換算してｙ値を求め、極大値と極小値の別を含めたｙ値の数、極値を与える波長の大小関係等を考慮し、さらには誤差を考慮して、可能性のある当てはめパターンに絞込みながら、上記２次関数に入力し、共通の解ｘ、すなわち、光学膜厚ｎｄ値を同定する。制御演算装置５０は、同定された光学膜厚ｎｄ値から、測定対象の積層体における干渉膜の光学膜厚を推定して出力する。
実際の測定にあたっては、解ｘが完全一致する場合はほとんど無いから、同定は、最も解ｘがより狭い範囲で互いに近似するものを特定することで行う。そして、例えば、分散している解ｘの平均値を推定した測定値として出力する。また、測定値として出力してよい近似度と、測定エラーとして出力する近似度との閾値を設けて測定の信頼性を一定に確保する。また、近似度も併せて出力してもよい。
可能性のある当てはめパターンとは、測定対象から得られた分光反射率曲線の極大値を短波長側から長波長方向へＳＰ１，ＳＰ２・・・とし、極小値のそれをＳＢ１、ＳＢ２・・・としたとき、ＳＰ１，ＳＰ２・・・を順にＰ１，Ｐ２・・・の式に当てはめるパターン、ＳＰ１，ＳＰ２・・・を順にＰ２，Ｐ３・・・の式に当てはめるパターン・・・や、ＳＢ１，ＳＢ２・・・を順にＢ１，Ｂ２・・・の式に当てはめるパターン、ＳＢ１，ＳＢ２・・・を順にＢ２，Ｂ３・・・の式に当てはめるパターン・・・などである。
これに対し、ＳＰ１をＢ１の式に当てはめるパターンは極大値と極小値の別が誤っているため、ＳＰ１をＰ２の式にＳＰ２をＰ１の式に当てはめるパターンは、極値を与える波長の大小関係が誤っているため、可能性のある当てはめパターンに含めないことが適当である。
ＳＰ１とＳＰ２の間にＳＢ２が特定された場合において、ＳＰ１，ＳＰ２・・・を順にＰ２，Ｐ３・・・の式に当てはめて計算しているときに、ＳＢ２をＢ２の式に当てはめるパターンなども、極値を与える波長の大小関係が誤っているため、可能性のある当てはめパターンに含めないことが適当である。

以上説明したようにして、測定システム１は測定原理１により、干渉膜ａ２の光学膜厚を測定する。測定システム１は測定原理１により、干渉膜ａ２に分子間相互作用により形成された層が含まれているか否かの別を問わず、あらゆる膜の光学膜厚を反射干渉分光法を利用して測定することができる。

〔測定原理２〕
次に、測定原理２として以下のとおり説明する。
（参照データの作成）
本測定原理で測定を行う場合、光学膜厚を演算する際に参照するデータは、予め、光学膜厚が既知の第１干渉膜が積層した第１積層体における分光反射率と、前記第１積層体の干渉膜の上に光学膜厚が既知の第２干渉膜が積層した第２積層体における分光反射率と、を求め、第１積層体における分光反射率に対する第２積層体における分光反射率の変化量の曲線に係る所定の特徴値を抽出し、当該特徴値と第２干渉膜の光学膜厚との関係を、異なる第２干渉膜の光学膜厚について予め作成しておくことにより構成されるデータである。以下これにつき詳細に説明する。

本測定原理においても、上記測定原理１の項において図６及び図７を参照した事項を前提とする。図７に示すように、波長に対する分光反射率の変化量ΔＲの曲線は、上述したように干渉膜が厚くなることに伴ったピークの移動と増加の変化を示す。

ここでは特徴値として極値を与える波長を例とする。
シミュレーションにより異なる膜厚の試料について分光反射率の変化量ΔＲの曲線を計算し、その曲線において極値位置の波長λを求め、試料膜厚ｄと極値位置波長の関係を図１０のグラフに記載した。これは、基板ａ１をシリコン基板とし、その上に積層する第１干渉膜を６６．５ｎｍのＳｉＮ膜とする。第１干渉膜の上に積層する第２干渉膜をＢＫ７として、第２干渉膜（ＢＫ７）を０ｎｍから１０００ｎｍの範囲で変化させて調べたものであり、分光反射率の変化量ΔＲは、基板ａ１と第１干渉膜とからなる第１積層体における分光反射率に対する第２干渉膜が付いた第２積層体における分光反射率の変化量である。図１０のグラフにおける横軸の試料膜厚ｄは、第２干渉膜（ＢＫ７）についてのものである。なお、ＢＫ７は、屈折率等の性質が特定されたシミュレーション上の仮想試料で、ガラスの代表的な一種に相当し、生体材料や高分子材料と屈折率が近いものである。
図１０のグラフにおいて実線は、試料膜厚に対する極大値位置の波長を、破線は試料膜厚に対する極小値位置の波長を示す。
図１０のグラフの横軸の試料膜厚ｄを、屈折率ｎを乗じて光路長（光学膜厚）ｎｄに換算し、縦軸の波長λを、１０００／λに換算して作成したグラフが図１１に示される。
図１１のグラフにあっては、最も左に極大値位置の波長を示す曲線が現れる。これを曲線Ｐ１とする。曲線Ｐ１から右へ行くと、極小値位置の波長を示す曲線が現れる。これを曲線Ｂ１とする。さらに曲線Ｂ１から右へ行くと、極大値位置の波長を示す曲線、極小値位置の波長を示す曲線が交互に現れる。これを順に曲線Ｐ２，Ｂ２，Ｐ３，Ｂ３・・・Ｂ７，Ｐ８とする。曲線Ｐ１から曲線Ｐ８までをそれぞれ２次関数で近似してその近似２次関数を数式で示す。表現形式をｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃとして、曲線Ｐ１から曲線Ｐ８のそれぞれに対応する係数ａ，ｂ及び定数ｃを示すと次の表２のとおりとなる。

以上の関数データが、本測定原理によって光学膜厚を演算する際に参照するデータ、すなわち、予め、光学膜厚が既知の第１干渉膜が積層した第１積層体における分光反射率と、前記第１積層体の干渉膜の上に光学膜厚が既知の第２干渉膜が積層した第２積層体における分光反射率と、を求め、第１積層体における分光反射率に対する第２積層体における分光反射率の変化量の極値を与える波長と第２干渉膜の光学膜厚との関係を、異なる第２干渉膜の光学膜厚について予め作成しておくことにより構成されるデータである。
かかる関数データを、光学膜厚を演算する演算するコンピュータ（制御演算装置５０）で利用できるように記憶しておく。

（光学膜厚の同定演算）
測定システム１にあっては、まず分子間相互作用の開始前において制御演算装置５０が分光器３０から入力を受けた分光特性データに基づき、測定対象の積層体における分子間相互作用の開始前の分光反射率を得る。
分子間相互作用の開始後、制御演算装置５０が分光器３０から入力を受けた分光特性データに基づき、測定対象の積層体における分子間相互作用の開始後の分光反射率を得る。
開始後の分光反射率を得たら、制御演算装置５０は、測定対象の積層体の分子間相互作用の開始前における分光反射率に対する、同測定対象の積層体の分子間相互作用の開始後における分光反射率の変化量ΔＲの極値を与える波長を特定する。極値は、極大値と極小値の別も含めて特定する。
図１１のグラフにおいて、光学膜厚（横軸ｘ）の任意の値において縦軸ｙに平行な線を引くと、曲線Ｐ１，Ｂ１・・・曲線Ｐ８のいずれかに交わる。その交点のｙ座標がその光学膜厚において分光反射率変化量曲線に極値を与える１０００／λの値であり、曲線Ｐ１−Ｐ８に交わる交点であればその極値は極大値、曲線Ｂ１−Ｂ７に交わればその極値は極小値である。
これを逆算的に利用し、制御演算装置５０は、測定対象から得られた分光反射率変化量の極値を与える波長λを１０００／λに換算してｙ値を求め、極大値と極小値の別を含めたｙ値の数、極値を与える波長の大小関係等を考慮し、さらには誤差を考慮して、可能性のある当てはめパターンに絞込みながら、上記２次関数に入力し、共通の解ｘ、すなわち、光学膜厚ｎｄ値を同定する。後は測定原理１と同様にして制御演算装置５０は、同定された光学膜厚ｎｄ値から、測定対象の積層体における干渉膜の光学膜厚を推定して出力する。

以上説明したようにして、測定システム１は測定原理２により、干渉膜ａ２の分子間相互作用により増加した光学膜厚を測定することができる。すなわち、測定システム１は測定原理２により、図５に示したようにリガンド１６に結合したアナライト６２相当分の光学膜厚を測定することができる。
分子間相互作用の進捗により、アナライト６２が結合したリガンド１６が次第に増加していく。一部でもアナライト６２が結合すれば反射干渉する波長に変化があるため、分子間相互作用の初期においても分光反射率変化量の曲線が得られる。このとき、アナライト６２が結合した部分の光学膜厚は分子間相互作用の進捗度によらず一定であるから、分子間相互作用の初期においても分光反射率変化量の極値を与える波長を特定することができる。すなわち、分子間相互作用の初期において特定した分光反射率変化量の極値は、その後に特定されるそれと変わらない。したがって、測定システム１は、はじめに分光反射率変化量の極値を与える波長を特定できた段階から光学膜厚の測定値を演算出力することができ、早期にユーザーに知らせることができる。
サンプル溶液６０に複数種の分子が含まれる場合、各分子は固有の大きさを有することとなる。異なる大きさの分子が含まれていても、本発明を適用すれば、目的の分子（アナライト６２）の分子間相互作用により変化する光学膜厚が既知である場合、当該既知の光学膜厚の値と、測定された光学膜厚の値とを照合し、一致すれば目的の分子の分子間相互作用があったと、一致しなければ目的の分子の分子間相互作用が無かったと判別できるので、目的の分子の分子間相互作用の有無を検出することができる。

（膜厚測定）
以上の実施形態においては、リガンド１６に結合したアナライト６２相当分の光学膜厚を測定したが、屈折率が既知の分子については膜厚を求めることができる。膜厚を測定する膜厚算出手段として機能し膜厚測定システムを構成する場合、制御演算装置５０は、当該分子（アナライト６２）の屈折率を予めＲＡＭ５０２に記憶保持し、上述した通りに求めた分子の光学膜厚を当該分子の屈折率で除することにより、当該分子の膜厚を求める。

（分子方向推定）
さらに分子の特定方向の大きさ又は光学的大きさが既知であれば、分子の干渉膜に対する方向を推定することができる。
図１８Ａに示すように、ある方向の大きさｄ１とこれと異なる方向の大きさｄ２を有する分子が、図１８Ｂに示すように大きさｄ１を積層方向として干渉膜に吸着する可能性と、図１８Ｃに示すように大きさｄ２を積層方向として干渉膜に吸着する可能性とがある場合において、分子方向推定手段として機能し分子方向推定システムを構成するために制御演算装置５０は、大きさｄ１及び大きさｄ２を予めＲＡＭ５０２に記憶保持し、上述した通りに求めた分子の膜厚を、大きさｄ１及び大きさｄ２とそれぞれ比較することにより、分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の当該干渉膜に対する方向を推定する。
大きさｄ１及び大きさｄ２が光学的大きさ、すなわち、実際の大きさに屈折率を乗じた値である場合には、制御演算装置５０は、これらの光学的大きさを予めＲＡＭ５０２に記憶保持し、上述した通りに求めた分子の光学膜厚を、これらの光学的大きさとそれぞれ比較することにより、分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の当該干渉膜に対する方向を推定する。
一方向のみ大きさ又は光学的大きさが既知でＲＡＭ５０２に記憶保持している場合にも、その方向で吸着したか否かを推定することができる。

（環境変化特性の記録）
分子の置かれる測定環境の温度、圧力、ｐＨ、塩濃度等の環境変数の変化により、当該分子が伸縮することがあり、分子によってその変化特性が異なる。
測定システム１に測定環境制御装置又は測定環境検知装置を備えることで、環境変化による分子の大きさの変化特性を記録することができる。
例えば、測定環境制御装置として、測定環境の温度、圧力、ｐＨ、塩濃度等の環境変数のうちいずれか一又は二以上を制御するものを備える。測定環境制御装置の検知部は、制御される環境変数の値を検知する。
制御演算装置５０はプログラムに基づき測定環境制御装置に指令を与えて環境変数に変化を与えつつ、環境変数が変化した異なる各時点について上述した通りに求めた分子の光学膜厚又は膜厚を、同時点における当該環境変数と対応付けてＲＡＭ５０２に記憶する。
また環境変化原因が測定対象側にある場合など、環境変化原因を測定システム１から与える必要がない場合は、例えば、測定環境検知装置として、測定環境の温度、圧力、ｐＨ、塩濃度等の環境変数のうちいずれか一又は二以上を検知するものを備える。
制御演算装置５０は、環境変数が変化した異なる各時点について上述した通りに求めた分子の光学膜厚又は膜厚を、同時点において測定環境検知装置が検知した環境変数と対応付けてＲＡＭ５０２に記憶する。
いずれの場合もさらに測定システム１は、以上の記録した情報に基づき、グラフを描画しディスプレイ９１に表示出力する。

なお、上記プログラムは、ＬＡＮなどを通じてインターネットなどの公衆回線に接続された通信装置５０４を通じて、適宜、最新のものに更新することができる。
また、上述の参照データとしては、（１）異なる性質（屈折率など）の干渉膜のそれぞれについて作成する、（２）異なる波長帯域の光源を適用した場合のそれぞれについて作成する、（３）分子間相互作用により形成される干渉膜を対象に作成する場合に異なるリガンドやアナライトのそれぞれについて作成する、（４）前記（１）（２）（３）の組合せによる異なる条件のそれぞれについて作成するなどの観点で、複数種類の参照データを作成することが好ましい。測定精度を向上するためである。

本発明は、抗原抗体反応などの生体分子同士の分子間相互作用や、有機高分子同士の分子間相互作用などの結合によって成長する膜の光学的厚さを測定することに利用することができる。

１ 測定システム
１０ 測定部材
１２ センサーチップ（積層体）
１２ａ シリコン基板
１２ｂ ＳｉＮ膜
１４ フローセル
１４ａ 溝
１４ｂ 密閉流路
１４ｃ 流入口
１４ｄ 流出口
１６ リガンド
２０ 白色光源
３０ 分光器
４０、４１ 光ファイバ
５０ 制御演算装置
６０ サンプル溶液
６２ アナライト
８０ 測定装置
Ｒ 分光反射率
ΔＲ 分光反射率の変化量
ａ１ 基板
ａ２ 干渉膜
ａ３ 液体層

Claims (38)

1. 基板上に１又は２以上の干渉膜が積層した積層体における該干渉膜の光学膜厚を反射干渉分光法により測定する光学膜厚測定方法であって、
   予め、干渉膜の光学膜厚が既知の前記積層体における分光反射率の曲線に係る極値を与える波長とは異なる所定の特徴値を抽出し、当該特徴値と当該光学膜厚との関係を異なる光学膜厚について作成しておき、
   反射干渉分光法により得られた測定対象の前記積層体における分光反射率の曲線に係る前記所定の特徴値を、前記関係に当てはめて、前記特徴値が近似する光学膜厚を同定することにより、測定対象の前記積層体における光学膜厚を求める光学膜厚測定方法。
2. 基板上に１又は２以上の干渉膜が積層した積層体の該干渉膜上で行われる分子間相互作用により、該干渉膜上に吸着する分子の光学膜厚を反射干渉分光法により測定する光学膜厚測定方法であって、
   予め、
   光学膜厚が既知の第１干渉膜が積層した第１積層体における分光反射率と、
   前記第１積層体の干渉膜の上に光学膜厚が既知の第２干渉膜が積層した第２積層体における分光反射率と、を求め、
   第１積層体における分光反射率に対する第２積層体における分光反射率の変化量の曲線に係る極値を与える波長とは異なる所定の特徴値を抽出し、当該特徴値と第２干渉膜の光学膜厚との関係を、異なる第２干渉膜の光学膜厚について予め作成しておき、
   反射干渉分光法により測定対象の前記積層体の分子間相互作用の開始前における分光反射率を得、反射干渉分光法により同測定対象の前記積層体の分子間相互作用の開始後における分光反射率を得て、開始前に対する変化量の曲線に係る前記所定の特徴値を、前記関係に当てはめて、前記特徴値が近似する第２干渉膜の光学膜厚を同定することにより、同測定対象の前記積層体における分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の光学膜厚を求める光学膜厚測定方法。
3. 所定の波長帯域において、前記所定の特徴値が複数ある場合には当該複数の特徴値について、前記関係を作成し、反射干渉分光法により測定対象の前記積層体からこれら各特徴値を得て前記同定を行う請求項１又は請求項２に記載の光学膜厚測定方法。
4. 前記所定の特徴値は、波長値であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定方法。
5. 前記所定の特徴値は、前記曲線の極値から分光反射率が所定量隔たった当該曲線上の点の波長値であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定方法。
6. 前記所定の特徴値は、前記曲線の変曲点の波長値であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定方法。
7. 前記所定の特徴値は、前記曲線の変曲点から分光反射率が所定量隔たった当該曲線上の点の波長値であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定方法。
8. 前記関係を関数で作成する請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定方法。
9. 前記関数が２次関数であり、当該２次関数を前記特徴値ごとに作成する請求項８に記載の光学膜厚測定方法。
10. 前記同定は、前記特徴値が最も近似する光学膜厚を特定することより行い、当該最も近似する光学膜厚から、求める光学膜厚を推定する請求項１から請求項９のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定方法。
11. 反射干渉分光法により測定対象の前記積層体に白色光を照射して、当該積層体からの反射光の前記分光反射率を得る請求項１から請求項１０のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定方法。
12. 前記干渉膜上を液体層が覆う状態で測定する請求項１から請求項１１のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定方法。
13. 屈折率が既知の分子について、請求項２に記載の光学膜厚測定方法により求めた分子の光学膜厚を当該分子の屈折率で除することにより、当該分子の膜厚を求める膜厚測定方法。
14. 特定方向の光学的大きさが既知の分子について、請求項２に記載の膜厚測定方法により求めた分子の光学膜厚と、前記特定方向の光学的大きさとを比較することにより、分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の当該干渉膜に対する方向を推定する分子方向推定方法。
15. 特定方向の大きさが既知の分子について、請求項１３に記載の膜厚測定方法により求めた分子の膜厚と、前記特定方向の大きさとを比較することにより、分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の当該干渉膜に対する方向を推定する分子方向推定方法。
16. 前記分子の置かれる測定環境の温度、圧力、ｐＨ、塩濃度等の環境変数が変化した異なる各時点について、請求項２に記載の光学膜厚測定方法により求めた分子の光学膜厚とともに、当該環境変数を対応付けて記録する光学膜厚測定方法。
17. 前記分子の置かれる測定環境の温度、圧力、ｐＨ、塩濃度等の環境変数が変化した異なる各時点について、請求項１３に記載の膜厚測定方法により求めた分子の膜厚とともに、当該環境変数を対応付けて記録する膜厚測定方法。
18. 基板上に１又は２以上の干渉膜が積層した積層体における該干渉膜の光学膜厚を反射干渉分光法により測定する光学膜厚測定システムであって、
    光源と、
    前記光源からの光を前記積層体に照射する照射手段と、
    前記積層体からの反射光を受光する受光手段と、
    前記受光手段が受光した反射光の分光特性を検出する分光検出手段と、
    予め、干渉膜の光学膜厚が既知の前記積層体における分光反射率の曲線に係る極値を与える波長とは異なる所定の特徴値を抽出し、当該特徴値と当該光学膜厚との関係を異なる光学膜厚について作成しておくことにより構成されるデータを記憶する記憶手段と、
    前記分光検出手段により検出した分光特性に基づき、測定対象の前記積層体における分光反射率について、当該分光反射率の曲線に係る前記所定の特徴値を特定し、前記記憶手段に記憶された前記データに当てはめて、前記特徴値が近似する光学膜厚を同定することにより、測定対象の前記積層体における光学膜厚を求める演算手段と、
    を備える光学膜厚測定システム。
19. 基板上に１又は２以上の干渉膜が積層した積層体の該干渉膜上で行われる分子間相互作用により、該干渉膜上に吸着する分子の光学膜厚を反射干渉分光法により測定する光学膜厚測定システムであって、
    光源と、
    前記光源からの光を前記積層体に照射する照射手段と、
    前記積層体からの反射光を受光する受光手段と、
    前記受光手段が受光した反射光の分光特性を検出する分光検出手段と、
    予め、光学膜厚が既知の第１干渉膜が積層した第１積層体における分光反射率と、前記第１積層体の干渉膜の上に光学膜厚が既知の第２干渉膜が積層した第２積層体における分光反射率と、を求め、第１積層体における分光反射率に対する第２積層体における分光反射率の変化量の曲線に係る極値を与える波長とは異なる所定の特徴値を抽出し、当該特徴値と第２干渉膜の光学膜厚との関係を、異なる第２干渉膜の光学膜厚について予め作成しておくことにより構成されるデータを記憶する記憶手段と、
    前記分光検出手段により検出した分光特性に基づき、測定対象の前記積層体の分子間相互作用の開始前における分光反射率に対する、同測定対象の前記積層体の分子間相互作用の開始後における分光反射率の変化量の曲線に係る前記所定の特徴値を特定し、前記記憶手段に記憶された前記データに当てはめて、前記特徴値が近似する第２干渉膜の光学膜厚を同定することにより、同測定対象の前記積層体における分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の光学膜厚を求める演算手段と、
    を備える光学膜厚測定システム。
20. 所定の波長帯域において、前記所定の特徴値が複数ある場合には当該複数の特徴値について、前記関係が作成されており、前記演算手段は、これら各極値を得て前記同定を行う請求項１８又は１９に記載の光学膜厚測定システム。
21. 前記所定の特徴値は、波長値であることを特徴とする請求項１８から請求項２０のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定システム。
22. 前記所定の特徴値は、前記曲線の極値から分光反射率が所定量隔たった当該曲線上の点の波長値であることを特徴とする請求項１８から請求項２０のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定システム。
23. 前記所定の特徴値は、前記曲線の変曲点の波長値であることを特徴とする請求項１８から請求項２０のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定システム。
24. 前記所定の特徴値は、前記曲線の変曲点から分光反射率が所定量隔たった当該曲線上の点の波長値であることを特徴とする請求項１８から請求項２０のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定システム。
25. 前記光源は、白色光を発光する光源である請求項１８から２４のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定システム。
26. 前記干渉膜上に流路を形成する部材と、前記流路に接続し前記干渉膜上に設けられた分子と相互作用する分子を含んだ液体を当該流路に流す送液手段を備える請求項１８から２５のうちいずれか一に記載の光学膜厚測定システム。
27. 請求項１９に記載の光学膜厚測定システムを備え、屈折率が既知の分子について、請求項１９に記載の光学膜厚測定システムにより求めた分子の光学膜厚を当該分子の屈折率で除することにより、当該分子の膜厚を求める膜厚算出手段をさらに備える膜厚測定システム。
28. 請求項１９に記載の光学膜厚測定システムを備え、特定方向の光学的大きさが既知の分子について、請求項１９に記載の膜厚測定システムにより求めた分子の光学膜厚と、前記特定方向の光学的大きさとを比較することにより、分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の当該干渉膜に対する方向を推定する分子方向推定手段をさらに備える分子方向推定システム。
29. 請求項２７に記載の膜厚測定システムを備え、特定方向の大きさが既知の分子について、請求項２７に記載の膜厚測定システムにより求めた分子の膜厚と、前記特定方向の大きさとを比較することにより、分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の当該干渉膜に対する方向を推定する分子方向推定手段をさらに備える分子方向推定システム。
30. 前記分子の置かれる測定環境の温度、圧力、ｐＨ、塩濃度等の環境変数が変化した異なる各時点について、前記演算手段により求めた分子の光学膜厚とともに、当該環境変数を対応付けて記録する記録手段をさらに備える請求項１９に記載の光学膜厚測定システム。
31. 前記分子の置かれる測定環境の温度、圧力、ｐＨ、塩濃度等の環境変数が変化した異なる各時点において、前記膜厚算出手段により求めた分子の膜厚とともに、当該環境変数を対応付けて記録する記録手段をさらに備える請求項２７に記載の膜厚測定システム。
32. 基板上に１又は２以上の干渉膜が積層した積層体における該干渉膜の光学膜厚を反射干渉分光法により測定する処理をコンピュータに実行させるための光学膜厚測定プログラムであって、
    予め、干渉膜の光学膜厚が既知の前記積層体における分光反射率の曲線に係る極値を与える波長とは異なる所定の特徴値を抽出し、当該特徴値と当該光学膜厚との関係を異なる光学膜厚について作成しておくことにより構成されたデータを読み出す処理と、
    反射干渉分光法により得られた測定対象の前記積層体における分光反射率の曲線に係る前記所定の特徴値を特定し、前記データに当てはめて、前記特徴値が近似する光学膜厚を同定することにより、測定対象の前記積層体における光学膜厚を求める演算処理と、
    を前記コンピュータに行わせる光学膜厚測定プログラム。
33. 基板上に１又は２以上の干渉膜が積層した積層体の該干渉膜上で行われる分子間相互作用により、該干渉膜上に吸着する分子の光学膜厚を反射干渉分光法により測定する処理をコンピュータに実行させるための光学膜厚測定プログラムであって、
    予め、
    光学膜厚が既知の第１干渉膜が積層した第１積層体における分光反射率と、
    前記第１積層体の干渉膜の上に光学膜厚が既知の第２干渉膜が積層した第２積層体における分光反射率と、を求め、
    第１積層体における分光反射率に対する第２積層体における分光反射率の変化量の曲線に係る極値を与える波長とは異なる所定の特徴値を抽出し、当該特徴値と第２干渉膜の光学膜厚との関係を、異なる第２干渉膜の光学膜厚について予め作成しておくことにより構成されたデータを読み出す処理と、
    反射干渉分光法により測定対象の前記積層体の分子間相互作用の開始前における分光反射率を得、反射干渉分光法により同測定対象の前記積層体の分子間相互作用の開始後における分光反射率を得て、開始前に対する変化量の曲線に係る前記所定の特徴値を特定し、前記データに当てはめて、前記特徴値が近似する第２干渉膜の光学膜厚を同定することにより、同測定対象の前記積層体における分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の光学膜厚を求める演算処理と、
    を前記コンピュータに行わせる光学膜厚測定プログラム。
34. 請求項３３に記載の光学膜厚測定プログラムを備え、屈折率が既知の分子について、請求項３３に記載の光学膜厚測定プログラムに基づき前記コンピュータが求めた分子の光学膜厚を当該分子の屈折率で除することにより、当該分子の膜厚を求める膜厚算出処理をさらに前記コンピュータに実行させるための膜厚測定プログラム。
35. 請求項３３に記載の光学膜厚測定プログラムを備え、特定方向の光学的大きさが既知の分子について、請求項３３に記載の光学膜厚測定プログラムによりに基づき前記コンピュータが求めた分子の光学膜厚と、前記特定方向の光学的大きさとを比較することにより、分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の当該干渉膜に対する方向を推定する分子方向推定処理をさらに前記コンピュータに実行させるための分子方向推定プログラム。
36. 請求項３４に記載の膜厚測定プログラムを備え、特定方向の大きさが既知の分子について、請求項３４に記載の膜厚測定プログラムによりに基づき前記コンピュータが求めた分子の膜厚と、前記特定方向の大きさとを比較することにより、分子間相互作用により干渉膜上に吸着した分子の当該干渉膜に対する方向を推定する分子方向推定処理をさらに前記コンピュータに実行させるための分子方向推定プログラム。
37. 前記分子の置かれる測定環境の温度、圧力、ｐＨ、塩濃度等の環境変数が変化した異なる各時点について、前記コンピュータが前記演算処理により求めた分子の光学膜厚とともに、当該環境変数を対応付けて記録する記録処理をさらに前記コンピュータに実行させるための請求項３３に記載の光学膜厚測定プログラム。
38. 前記分子の置かれる測定環境の温度、圧力、ｐＨ、塩濃度等の環境変数が変化した異なる各時点において、前記コンピュータが前記膜厚算出処理により求めた分子の膜厚とともに、当該環境変数を対応付けて記録する記録処理をさらに前記コンピュータに実行させるための請求項３４に記載の膜厚測定プログラム。

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