JPWO2017138411A1 - 形状測定方法、形状測定装置、検出方法および検出装置 - Google Patents

Abstract

形状測定方法では、一定の幅の複数の溝が一定のピッチで互いに平行となるように配置されている回折格子に光を照射したときに、回折格子で生じる回折光に含まれるｍ次回折光を検出する。ｍ次回折光の回折角に基づいて、溝のピッチを決定する。ｍ次回折光の光量に基づいて、溝の深さを決定する。

Description

本発明は、回折格子の溝の形状を測定するための形状測定方法および形状測定装置に関する。また、本発明は、回折格子が含まれる検出チップを用いて、被検出物質の存在または量を検出するための検出方法および検出装置であって、測定された回折格子の溝の形状に基づいて、被検出物質の存在または量を示すシグナル値を補正することができる検出方法および検出装置に関する。

回折格子は、例えば、分光器に使用される光学素子であり、入射した光を波長毎の光に分けることができる。回折格子の光学的特性は、回折格子を構成する溝の形状（ピッチ、幅および深さ）に影響を受けるため、回折格子の使用前に溝の形状を確認しておく必要がある。そこで、回折格子の溝の形状を測定するための形状測定方法（または形状測定装置）がいくつか知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特許文献１〜３に記載の形状測定方法（または形状測定装置）では、いずれも、複数の溝が形成されている回折格子にコヒーレント性の高いレーザー光を照射したときに回折格子で生じる回折光を利用して、溝の形状を測定している。

まず、溝のピッチｄは、下記式（１）に、測定された１次回折光の回折角θ_１およびレーザー光の波長λを代入することで算出されうる。

また、溝の幅Ｗは、下記式（２）に、上記式（１）から算出されたピッチｄと、測定された１次回折光の光量Ｉ_１および２次回折光の光量Ｉ_２とを代入することで算出されうる。

さらに、溝の深さＨは、下記式（３）に、レーザー光の波長λと、上記式（１）から算出されたピッチｄと、測定された０次回折光の光量Ｉ_０および１次回折光の光量Ｉ_１とを代入することで算出されうる。なお、Φは、反射位相差であり、下記式（４）で表される。

特開昭５７−１８７６０４号公報 特開平９−５０４９号公報 特開２００５−４９２８４号公報

特許文献１〜３に記載の形状測定方法では、溝のピッチｄ、幅Ｗおよび深さＨを算出するために、複数の回折次数の回折光（０次回折光、１次回折光および２次回折光）を検出している。このため、複数の回折光の信号を処理する必要があり、手間がかかるとともに時間もかかる。結果として、特許文献１〜３に記載の形状測定方法では、回折格子の溝の形状測定時間が長くなってしまうという問題がある。また、特許文献１〜３に記載の形状測定方法では、１つの回折光（１次回折光）のみで溝のピッチｄを算出できるものの、１つの回折光のみで溝のピッチｄおよび深さＨの両方を算出することはできない。

本発明の目的は、複数の回折光を検出することなく、回折格子の溝の形状を測定することができる形状測定方法および形状測定装置を提供することである。また、本発明の他の目的は、回折格子が形成されている検出チップを用いて、被検出物質の存在または量を検出するための検出方法および検出装置であって、回折格子の溝の形状に基づいて、被検出物質の存在または量を示すシグナル値を補正することができる検出方法および検出装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の一実施の形態に係る形状測定方法は、回折格子の溝の形状を測定するための形状測定方法であって、一定の幅の複数の溝が一定のピッチで互いに平行となるように配置されている回折格子に光を照射したときに、前記回折格子で生じる回折光に含まれるｍ次回折光を検出する工程と、前記ｍ次回折光の回折角に基づいて、前記溝のピッチを決定する工程と、前記ｍ次回折光の光量に基づいて、前記溝の深さを決定する工程と、を含む。

上記課題を解決するため、本発明の一実施の形態に係る形状測定装置は、回折格子の溝の形状を測定するための形状測定装置であって、一定の幅の複数の溝が一定のピッチで互いに平行となるように配置されている回折格子を保持するためのホルダーと、前記ホルダーに保持されている前記回折格子に光を照射するための光照射部と、前記光照射部が前記回折格子に光を照射したときに、前記回折格子で生じる回折光に含まれるｍ次回折光を検出するための光検出部と、前記光検出部により検出された前記ｍ次回折光の回折角に基づいて前記溝のピッチを決定するとともに、前記光検出部により検出された前記ｍ次回折光の光量に基づいて前記溝の深さを決定するための処理部と、を有する。

上記課題を解決するため、本発明の一実施の形態に係る検出方法は、表面プラズモン共鳴を利用して被検出物質を検出するための検出方法であって、一定の幅の複数の溝が一定のピッチで互いに平行となるように配置されている回折格子を含む金属膜を有する検出チップの、前記回折格子に光を照射したときに、前記回折格子で生じる回折光に含まれるｍ次回折光を検出する工程と、前記ｍ次回折光の回折角に基づいて、前記溝のピッチを決定する工程と、前記ｍ次回折光の光量に基づいて、前記溝の深さを決定する工程と、蛍光物質で標識されている被検出物質が前記金属膜上に存在する状態で、前記回折格子に表面プラズモン共鳴が発生するように励起光を照射したときに、前記蛍光物質から放出される蛍光を検出する工程と、前記蛍光の検出結果に基づいて、前記被検出物質の存在または量を示すシグナル値を算出する工程と、前記溝のピッチ、前記溝の深さ、またはこれら両方に基づいて前記シグナル値を補正する工程と、を含む。

上記課題を解決するため、本発明の一実施の形態に係る検出装置は、表面プラズモン共鳴を利用して被検出物質を検出するための検出装置であって、一定の幅の複数の溝が一定のピッチで互いに平行となるように配置されている回折格子を含む金属膜を有する検出チップを保持するためのホルダーと、前記ホルダーに保持されている前記検出チップの前記回折格子に光を照射するための光照射部と、前記ホルダーに保持された前記検出チップの前記回折格子に、表面プラズモン共鳴が発生するように励起光を照射する励起光照射部と、前記光照射部が前記回折格子に光を照射したときに、前記回折格子で生じる回折光に含まれるｍ次回折光を検出するとともに、蛍光物質で標識されている被検出物質が前記金属膜上に存在する状態で、前記励起光照射部が前記回折格子に励起光を照射したときに、前記蛍光物質から放出される蛍光を検出するための光検出部と、前記光検出部の前記蛍光の検出結果に基づいて、前記被検出物質の存在または量を示すシグナル値を算出し、かつ前記光検出部により検出された前記ｍ次回折光の回折角に基づいて前記溝のピッチを決定するとともに、前記光検出部により検出された前記ｍ次回折光の光量に基づいて前記溝の深さを決定するための処理部と、を有し、前記処理部は、前記溝のピッチおよび前記溝の深さに基づいて前記シグナル値を補正する。

本発明によれば、１つの回折次数の回折光を検出することで、回折格子の溝の形状を安価、迅速かつ高精度に測定することができる。また、本発明によれば、回折格子の溝の形状に基づいて、被検出物質の存在または量を示すシグナル値を補正できるため、被検出物質の存在または量を高精度に検出することができる。

図１は、実施の形態１、２に係る形状測定装置の構成を示す図である。 図２は、回折格子の斜視図である。 図３は、回折格子における回折現象を説明するための模式図である。 図４は、実施の形態１に係る形状測定装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。 図５は、図４に示されるｍ次回折光を検出する工程内の工程を示すフローチャートである。 図６Ａ、Ｂは、実施の形態１に係る形状測定方法における溝のピッチを決定する方法について説明するための図である。 図７は、実施の形態２に係る形状測定装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。 図８は、実施の形態３に係るＳＰＦＳ装置の構成を示す図である。 図９Ａ、Ｂは、実施の形態３に係る検出チップの構成を示す図である。 図１０は、実施の形態３に係るＳＰＦＳ装置の動作手順の一例を示すフローチャートである。 図１１は、実施の形態１の変形例に係る形状測定装置の構成を説明するための図である。 図１２は、実施例２の結果を示すグラフである。 図１３は、実施例３の結果を示すグラフである。 図１４は、実施例４の結果を示すグラフである。 図１５は、実施例５の結果を示すグラフである。 図１６Ａ、Ｂは、それぞれ実施例６、７の結果を示すグラフである。 図１７は、実施例８の結果を示すグラフである。 図１８は、実施例９の結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［実施の形態１］
実施の形態１では、回折格子１０の溝の形状を測定するための形状測定方法および形状測定装置１００について説明する。実施の形態１に係る形状測定方法および形状測定装置１００では、回折格子１０の溝のピッチは、ｍ次回折光のフォーカス位置およびデフォーカス位置におけるｍ次回折光の検出位置のずれにより特定されるｍ次回折光の回折角に基づいて決定される。また、回折格子１０の溝の深さは、ｍ次回折光の光量と、ｍ次回折光の光量および溝の深さについての検量線とに基づいて決定される。なお、回折格子１０の溝の幅は一定である。

（形状測定装置の構成）
図１は、実施の形態１に係る形状測定装置１００の構成を示す図である。図１に示されるように、形状測定装置１００は、ホルダー１１０、光照射部１２０、回折光検出部（光検出部）１３０および制御処理部（処理部）１４０を有する。

ホルダー１１０は、回折格子１０を着脱可能に保持する。実施の形態１では、ホルダー１１０の形状は、回折格子１０を保持することができ、かつ光照射部１２０からの光δや回折光などの光の光路を妨げない形状である。たとえば、ホルダー１１０には、光照射部１２０からの光δや回折光など光が通過するための開口が設けられていてもよい。

図２は、回折格子１０の斜視図である。図２に示されるように、回折格子１０の高さ方向をｚ方向とし、回折格子１０の周期的構造（溝）の配列方向をｘ方向とし、ｚ方向とｘ方向に垂直な方向をｙ方向とする。図２に示されるように、回折格子１０は、ｙ軸方向に延在している一定の幅の複数の溝を有する。複数の溝は、回折格子１０の一面上の全部に形成されていてもよいし、一面上の一部に形成されていてもよい。詳細については後述するが、回折格子１０の溝の幅が一定である場合には、１つの回折光のみを検出することで、溝のピッチおよび深さが決定されうる。当該複数の溝は、ｘ軸方向において一定のピッチで互いに平行となるように形成されている。回折格子１０の溝のピッチ、幅および深さは、用途に応じて、適宜設計されうる。また、溝の断面形状は特に限定されない。溝の断面形状の例には、矩形波形状、正弦波形状、および鋸歯形状が含まれる。実施の形態１では、溝の断面形状は、矩形波形状である。

回折格子１０の外観形状および材料は、特に限定されない。回折格子１０の外観形状の例には、平板形状、角柱形状、円板形状および円柱形状が含まれる。実施の形態１に係る回折格子１０の外観形状は、平板形状である。回折格子１０の材料の例には、ガラスや石英、シリコンなどの無機材料；アクリル樹脂やエポキシ樹脂、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリオレフィンなどの樹脂が含まれる。

光照射部１２０は、ホルダー１１０に保持されている回折格子１０に光δを照射する。このとき、回折格子１０で生じる回折光の光量を増やし、高精度に回折格子１０の溝の形状を測定する観点からは、光照射部１２０は、回折格子１０の全面に光δを照射することが好ましい。

光照射部１２０は、少なくとも光源１２１を有する。光源１２１は、回折格子１０に向けて光δを出射する。光源１２１の種類は、出射光δに要求されるコヒーレント性、半値幅および平行度に応じて、適宜選択されうる。光源１２１の例には、スーパールミネッセントダイオード、発光ダイオードおよびランプ光源が含まれる。

回折格子１０に光δを照射したときに凹凸形状に起因するノイズの影響を除去する観点からは、光照射部１２０からの光δのコヒーレント性は、低いこと好ましい。たとえば、光照射部１２０からの光δのコヒーレント性は、レーザー光線のコヒーレント性よりも低いことが好ましい。光照射部１２０からの光δのコヒーレント性は、光δの半値幅や光源１２１の種類などに応じて調整することができる。たとえば、コヒーレント性を低くする観点からは、光δの半値幅を大きくすればよい。

また、回折格子１０の溝の形状を高精度に測定する観点からは、光照射部１２０からの光δは、平行光であることが好ましい。

また、光照射部１２０からの光δの波長は、特に限定されない。たとえば、光出射部１２０からの光δは、紫外光から赤外光までの任意の波長成分から適宜選択されうる。

さらに、回折格子１０の表面の欠陥を高精度に観察する観点からは、光照射部１２０からの光δの半値幅は、小さいことが好ましい。回折格子１０で生じる回折光の回折角は波長毎に異なるため、光照射部１２０からの光δの半値幅が大きすぎると（例えば、白色光）、回折格子１０の表面の像を撮像したときにピントの合った回折格子１０の表面の像を形成することが困難になってしまう。この結果として、回折格子１０の表面の像を撮像して、回折格子１０の表面の欠陥を高精度に観察できなくなるからである。たとえば、光照射部１２０からの光δの半値幅は、５０ｎｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ以下であることがより好ましい。

光照射部１２０は、所望のコヒーレント性、半値幅および平行度を有する光δを回折格子１０に照射する観点から、必要に応じて、コリメートレンズやアパーチャー、マスク、光学フィルターなどの他の光学部品を有していてもよい。本実施の形態では、光照射部１２０は、さらに、第１レンズ１２２、アパーチャー１２３、第２レンズ１２４、マスク１２５および光学フィルター１２６を有する。第１レンズ１２２、アパーチャー１２３、第２レンズ１２４、マスク１２５および光学フィルター１２６は、光源１２１からの出射光の光路上において、光源１２１側からこの順番で配置されている。第１レンズ１２２、アパーチャー１２３および第２レンズ１２４は、ともにコリメートレンズ系を構成している。

第１レンズ１２２は、例えば、集光レンズであり、光源１２１からの光δを集光する。第２レンズ１２４は、例えば、コリメートレンズであり、第１レンズ１２２で集光された光δを平行光にする。第１レンズ１２２および第２レンズ１２４間の光路上には、アパーチャー１２３が配置されており、通過する光束の断面形状および光量を規定する。アパーチャー１２３は、例えば、直径が０．２ｍｍの開口部を有する遮光板（絞り板）である。

マスク１２５は、光照射部１２０内における迷光の進行を遮光する。

光学フィルター１２６は、透過する光δの波長を選択して、光の半値幅を調整する。光学フィルター１２６の種類の例には、短波長カットフィルター、バンドパスフィルターおよび長波長カットフィルターが含まれる。光源１２１として、白色光源を使用する場合には、光学フィルター１２６を使用することが好ましい。たとえば、光学フィルター１２６は、中心波長が５４２．４ｎｍであり、半値幅が９．６ｎｍのバンドパスフィルターである。

回折光検出部１３０は、光照射部１２０が回折格子１０に光δを照射したときに、回折格子１０で生じる回折光に含まれるｍ次回折光ε_ｍを検出し、ｍ次回折光ε_ｍの回折角θ_ｍおよび光量を示す信号を制御処理部１４０に出力する。回折光検出部１３０は、少なくとも受光センサー１３１を有する。詳細については後述するが、実施の形態１では、回折光検出部１３０の受光センサー１３１の受光面は、ｍ次回折光ε_ｍのフォーカス位置およびデフォーカス位置に配置されている状態で、それぞれｍ次回折光ε_ｍを受光する。受光センサー１３１の種類は、ｍ次回折光ε_ｍを検出することができればよく、１次元撮像素子（ラインセンサー）または２次元撮像素子（イメージセンサー）である。受光センサー１３１の例には、電荷結合素子（ＣＣＤ）および相補型金属酸化膜半導体素子（ＣＭＯＳ）が含まれる。

また、検出されるｍ次回折光ε_ｍの回折次数は、特に限定されない。しかし、検出されるｍ次回折光は、高精度に回折格子１０の溝の形状を測定する観点からは、光量の大きい１次回折光であることが好ましい。

図３は、回折格子１０における回折現象を説明するための模式図である。回折格子１０における回折現象については、下記式（５）で表される格子方程式が成り立つ。光照射部１２０から回折格子１０に入射した光は、回折格子１０で反射され、回折光となる。回折光検出部１３０は、光照射部１２０からの光δの波長λと、光δの回折格子１０への入射角θと、推定される回折格子１０の溝のピッチｄとを考慮して、回折角θ_ｍの方向に向かうｍ次回折光ε_ｍを受光できる位置に配置されている。

［上記式（５）において、ｄは溝のピッチであり、θは光δの入射角であり、θ_ｍはｍ次回折光ε_ｍの回折角であり、ｍは回折次数を表す整数であり、λは光δの波長である。］

また、実施の形態１に係る回折光検出部１３０の受光センサー１３１は、あらかじめ溝のピッチがわかっているリファレンス用の回折格子に光δを照射したときに、当該回折格子で生じる回折光に含まれるｍ次回折光ε_ｍ’が略垂直に入射するように配置されている。

回折光検出部１３０は、必要に応じて、コリメートレンズやアパーチャー、スリットなどの他の光学部品および当該光学部品の位置切替え機構を有していてもよい。本実施の形態では、回折光検出部１３０は、さらに、第３レンズ１３２、スリット１３３、第４レンズ１３４、第１位置切替え機構１３５および第２位置切替え機構（検出位置調整部）１３６を有する。第３レンズ１３２、スリット１３３および第４レンズ１３４は、回折光の光路上において、互いに光軸が合致するように回折格子１０側からこの順番で配置されている。また、本実施の形態では、第３レンズ１３２および第４レンズ１３４は、両レンズの光軸と、上記ｍ次回折光ε_ｍ’の光軸とが互いに合致するように配置されている。第３レンズ１３２、スリット１３３および第４レンズ１３４は、ともにｍ次回折光ε_ｍを結像するための結像光学部を構成している

第３レンズ１３２は、例えば、集光レンズであり、回折格子１０で生じたｍ次回折光ε_ｍを集光する。第４レンズ１３４は、例えば、コリメートレンズであり、第３レンズ１３２で集光されたｍ次回折光ε_ｍを平行光にする。

スリット１３３は、第３レンズ１３２および第４レンズ１３４間の焦点位置に配置されている。第１位置切替え機構１３５は、第３レンズ１３２の光軸に垂直な方向においてスリット１３３の位置を移動させる。これにより、目的の次数の回折光を選択して通過させることができる。

第２位置切替え機構１３６は、受光センサー１３１の位置（より具体的には、受光センサー１３１の受光面の位置）をｍ次回折光ε_ｍのフォーカス位置およびデフォーカス位置の間で切替える。すなわち、第２位置切替え機構（検出位置調整部）１３６は、ｍ次回折光ε_ｍの検出位置をｍ次回折光ε_ｍのフォーカス位置およびデフォーカス位置の間で調整する。実施の形態１では、第２位置切替え機構１３６は、上記ｍ次回折光ε_ｍ’の光軸上において、受光センサー１３１をフォーカス位置およびデフォーカス位置の間を移動させる。受光センサー１３１の移動距離ΔＬは、特に限定されないが、例えば、１０〜２０ｍｍである。

制御処理部１４０は、回折光検出部１３０により検出されたｍ次回折光ε_ｍの回折角に基づいて溝のピッチを決定するとともに、回折光検出部１３０により検出されたｍ次回折光ε_ｍの光量に基づいて溝の深さを決定する。制御処理部１４０には、ｍ次回折光ε_ｍの回折角θ_ｍおよび光量から溝のピッチおよび深さを決定するための情報が記録されていてもよい。当該情報の例には、ｍ次回折光ε_ｍの光量および溝の深さについての検量線に関する情報が含まれる。

また、制御処理部１４０は、特に図示しないが、後述の光源制御部および受光センサー制御部を含む。制御処理部１４０は、第１位置切替え機構１３５および第２位置切替え機構１３６を制御する。さらに、制御処理部１４０は、回折光検出部１３０の受光センサー１３１の検出結果を処理する処理部としても機能する。

制御処理部１４０は、例えば、演算装置、制御装置、記憶装置、入力装置および出力装置を含む公知のコンピュータやマイコンなどによって構成されている。

光源制御部は、光照射部１２０に含まれる各種機器を制御して、光源１２１からの光δのパワーや照射時間、出射角などを制御する。光源制御部は、例えば、演算装置、制御装置、記憶装置、入力装置および出力装置を含む公知のコンピュータやマイコンなどによって構成される。

受光センサー制御部は、受光センサー１３１の出力値の検出や、検出した出力値による受光センサー１３１の感度の管理や適切な出力値を得るための受光センサー１３１の感度の変更などを制御する。受光センサー制御部は、例えば、演算装置、制御装置、記憶装置、入力装置および出力装置を含む公知のコンピュータやマイコンなどによって構成される。

（形状測定方法）
次に、実施の形態１に係る形状測定装置１００の動作手順（実施の形態１に係る形状測定方法）について説明する。図４は、形状測定装置１００の動作手順の一例を示すフローチャートである。図５は、図４に示されるｍ次回折光ε_ｍを検出する工程（工程Ｓ１２０）内の工程を示すフローチャートである。

実施の形態１に係る形状測定方法は、測定の準備をする工程（工程Ｓ１１０）と、ｍ次回折光ε_ｍを検出する工程（工程Ｓ１２０）と、溝のピッチを決定する工程（工程Ｓ１３０）と、溝の深さを決定する工程（工程Ｓ１４０）と、回折格子１０の欠陥を検出する工程（工程Ｓ１５０）とを含む。なお、工程Ｓ１５０の回折格子１０の欠陥を検出する工程は、必須の工程ではなく、必要に応じて行えばよい。

まず、測定の準備をする（工程Ｓ１１０）。具体的には、形状測定装置１００のホルダー１１０に、回折格子１０を設置する。

次いで、回折格子１０に光を照射したときに、回折格子１０で生じる回折光に含まれるｍ次回折光ε_ｍを検出する（工程Ｓ１２０）。

この工程では、まず、回折格子１０に光を照射したときに、回折格子１０で生じる回折光に含まれるｍ次回折光ε_ｍをフォーカス位置で検出する（工程Ｓ１２１）具体的には、制御処理部１４０は、第２位置切替え機構１３６を操作して、回折光検出部１３０の受光センサー１３１をｍ次回折光ε_ｍのフォーカス位置に移動させる。そして、制御処理部１４０は、光源制御部を制御して、光照射部１２０の光源１２１から回折格子１０に光δを照射させる。これとともに、制御処理部１４０は、受光センサー制御部を制御して、フォーカス位置に配置された受光センサー１３１でｍ次回折光ε_ｍを検出し、検出結果を示す信号を取得する。このとき、制御処理部１４０は、回折格子１０の表面の像を撮像し、回折格子１０の表面の像を示す信号も取得する。制御処理部１４０が取得したこれらの信号は、制御処理部１４０で記録される。このとき、制御処理部１４０は、第１位置切替え機構１３５を操作して、スリット１３３を回折光に含まれるｍ次回折光ε_ｍを通過させることができる位置に配置しておく。

次いで、受光センサー１３１をｍ次回折光ε_ｍのフォーカス位置からデフォーカス位置に移動させる（工程Ｓ１２２）。具体的には、制御処理部１４０は、第２位置切替え機構１３６を操作して、回折光検出部１３０の受光センサー１３１を、第３レンズ１３２および第４レンズ１３４の光軸上をΔＬだけ移動させて、フォーカス位置からデフォーカス位置に移動させる。

次いで、回折格子１０に光を照射したときに、回折格子１０で生じる回折光に含まれるｍ次回折光ε_ｍをデフォーカス位置で検出する（工程Ｓ１２３）。具体的には、制御処理部１４０は、光源制御部を制御して、光照射部１２０の光源１２１から回折格子１０に光を照射する。これとともに、制御処理部１４０は、受光センサー制御部を制御して、デフォーカス位置に配置された受光センサー１３１でｍ次回折光ε_ｍを検出し、検出結果を示す信号を取得する。制御処理部１４０が取得した当該信号は、制御処理部１４０で記録される。

工程Ｓ１２１および工程Ｓ１２３において、光量の高いｍ次回折光ε_ｍを検出して高精度に回折格子１０の形状を測定する観点からは、１次回折光を検出することが好ましい。また、回折格子１０の表面の欠陥を高精度に観察する観点からは、半値幅が５０ｎｍ以下の光δを回折格子１０に照射することが好ましく、半値幅が５ｎｍ以下の光δを回折格子１０に照射することがより好ましい。さらに、光量の高いｍ次回折光ε_ｍを検出して高精度に回折格子１０の形状を測定する観点からは、回折格子１０の全面に光δを照射したときのｍ次回折光ε_ｍを検出することが好ましい。このとき、回折格子１０の溝が形成されている領域以外の領域で反射した光は、スリット１３３で遮光されるため測定精度に影響はない。

全体のフローチャート（図４）の説明に戻る。次いで、ｍ次回折光ε_ｍの回折角に基づいて、溝のピッチを決定する（工程Ｓ１３０）。具体的には、制御処理部１４０は、フォーカス位置およびデフォーカス位置におけるｍ次回折光ε_ｍの検出位置のずれ（図１中のΔｐ）により特定されるｍ次回折光ε_ｍの回折角θ_ｍに基づいて、溝のピッチを決定する。

図６Ａ、Ｂは、実施の形態１に係る形状測定方法における溝のピッチを決定する方法について説明するための図である。図６Ａ、Ｂにおいて、横軸は、受光センサー１３１の受光面のピクセル番号（画素番号）を示している。たとえば、図６Ａでは、受光センサー１３１のピクセル番号Ａ_ｆからＢ_ｆの間に回折格子１０の表面の像が結像されている様子を示している。図６Ａは、リファレンス用の回折格子に光δを照射したときに、フォーカス位置およびデフォーカス位置でリファレンス用の回折格子の表面の像を撮像したときの当該像の模式図であり、図６Ｂは、実施の形態１に係る回折格子１０に光δを照射したときに、フォーカス位置およびデフォーカス位置で回折格子１０の表面の像を撮像したときの当該像の模式図である。

前述のとおり、実施の形態１に係る形状測定装置１００では、受光センサー１３１は、リファレンス用の回折格子からのｍ次回折光ε_ｍ’が略垂直に入射するように配置されている。したがって、図６Ａに示されるように、フォーカス位置におけるｍ次回折光ε_ｍ’の受光位置（Ａ_ｆ，Ｂ_ｆ）と、デフォーカス位置におけるｍ次回折光ε_ｍ’の受光位置（Ａ_ｄｅｆ，Ｂ_ｄｅｆ）とは、同じである。

一方、上記式（５）で表される格子方程式からも明らかなように、回折格子１０の溝のピッチｄが変化すると、ｍ次回折光ε_ｍの回折角θ_ｍも変化する。実施の形態１に係る回折格子１０の溝のピッチと、リファレンス用の回折格子の溝のピッチとが異なる場合には、ｍ次回折光ε_ｍの回折角θ_ｍにもずれが生じる。このため、リファレンス用の回折格子からのｍ次回折光ε_ｍ’と、実施の形態１に係る回折格子１０からのｍ次回折光ε_ｍとは、異なる光軸上を進行する（図１参照）。この結果として、図６Ｂに示されるように、フォーカス位置におけるｍ次回折光ε_ｍの受光位置（Ａ_ｆ，Ｂ_ｆ）と、デフォーカス位置におけるｍ次回折光ε_ｍの受光位置（Ａ_ｄｅｆ，Ｂ_ｄｅｆ）とは同じにならず、回折角θ_ｍのずれに起因した受光位置のずれΔｐが生じる。当該受光位置のずれΔｐと、あらかじめ作成された、受光位置のずれΔｐおよび溝のピッチについての検量線とに基づいて、回折格子１０のピッチを決定することができる（詳細については、後述の実施例参照）。

次いで、ｍ次回折光ε_ｍの光量に基づいて、溝の深さを決定する（工程Ｓ１４０）。具体的には、制御処理部１４０は、フォーカス位置またはデフォーカス位置で検出したｍ次回折光ε_ｍの光量と、ｍ次回折光ε_ｍの光量および溝の深さについての検量線とに基づいて、溝の深さを決定する。このとき、ｍ次回折光ε_ｍの光量および溝の深さについての検量線は、溝のピッチによって異なるため、あらかじめピッチ別の検量線を準備しておく必要がある。制御処理部１４０は、ｍ次回折光ε_ｍの光量と、工程Ｓ１３０で決定された溝のピッチに対応する検量線とに基づいて、溝の深さを決定することができる。

最後に、回折格子１０の表面の欠陥を検出する（工程Ｓ１５０）。具体的には、制御処理部１４０は、工程Ｓ１２１において撮像した回折格子１０の表面の像に基づいて、回折格子１０のキズや異物の付着、汚れなどの欠陥を検出する。

（効果）
以上のように、実施の形態１に係る形状測定方法および形状測定装置１００では、１つの回折次数の回折光を検出することで、溝の幅が一定である回折格子１０の形状（ピッチおよび深さ）を測定することができる。このため、制御処理部１４０における信号処理が簡単になり、短時間に回折格子１０の溝の形状を測定することができる。

さらに、実施の形態１に係る形状測定方法および形状測定装置１００では、ｍ次回折光の検出時に回折格子１０の表面の像を撮像することができる。このため、回折格子１０の形状を測定すると同時に、回折格子１０の表面の欠陥の有無についても観察することができる。

一方、従来の形状測定装置では、コヒーレント性の高いレーザー光を出射できる光源を使用する必要があった。また、従来の形状測定装置では、複数の回折次数の回折光を検出するため、複数の受光センサーや複数の信号を処理するための処理部などが必要もあった。これらの結果として、従来の形状測定装置は高価であった。これに対し、実施の形態１に係る形状測定装置１００では、回折格子１０の溝の形状を測定するために高価なレーザー光源を使用する必要がなく、かつ複数の回折光を処理するための処理部が必要ないため、装置の低コスト化を実現することができる。

また、従来の形状測定装置では、複数の回折次数の回折光を受光するための複数の受光センサーがそれぞれ固定されているため、溝のピッチのずれに起因して回折角が変わってしまった場合、検出される回折光の光量が低下し、測定精度が低下するおそれがあった。これに対し、実施の形態１に係る形状測定装置１００では、溝のピッチのずれに起因する回折角の変化を利用して、溝のピッチを測定するため、従来の形状測定装置と比較して測定精度が低下するおそれがない。

また、実施の形態１に係る形状測定方法および形状測定装置１００では、光の回折反射光を利用して回折格子１０の溝の形状を測定しているため、回折格子１０の溝を非破壊で測定することができ、かつ一度に回折格子領域の全面について測定することができる。

［実施の形態２］
実施の形態２では、回折格子１０の溝の形状を測定するための形状測定方法および形状測定装置２００について説明する。実施の形態２に係る形状測定方法および形状測定装置２００では、回折格子１０の溝のピッチは、格子方程式に基づいて算出される。回折格子１０の溝の深さは、実施の形態１と同様にｍ次回折光ε_ｍの光量と検量線とに基づいて決定される。なお、回折格子１０の溝の幅は一定である。

実施の形態２に係る形状測定方法は、溝のピッチを、リファレンス用の回折格子を利用する代わりに格子方程式に基づいて算出する点が実施の形態１に係る形状測定方法と異なる。実施の形態２に係る形状測定装置２００は、制御処理部２４０による溝のピッチを算出する方法について実施の形態１に係る形状測定装置１００と異なる。そこで、実施の形態１に係る形状測定方法と同一の工程と、形状測定装置１００の構成と同一の構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。

（形状測定装置の構成）
図１に示されるように、形状測定装置２００は、ホルダー１１０、光照射部１２０、回折光検出部１３０および制御処理部２４０を有する。

制御処理部２４０は、回折光検出部２３０により検出されたｍ次回折光ε_ｍの回折角θ_ｍに基づいて溝のピッチを決定するとともに、回折光検出部２３０により検出されたｍ次回折光ε_ｍの光量に基づいて溝の深さを決定する。制御処理部２４０には、ｍ次回折光ε_ｍの回折角θ_ｍおよび光量から溝のピッチおよび深さを決定するための情報が記録されていてもよい。当該情報の例には、ｍ次回折光ε_ｍの回折角θ_ｍおよび溝のピッチについての検量線と、ｍ次回折光ε_ｍの光量および溝の深さについての検量線とに関する情報が含まれる。

また、制御処理部２４０は、特に図示しないが、前述の光源制御部および受光センサー制御部を含む。制御処理部２４０は、第１位置切替え機構１３５および第２位置切替え機構１３６を制御する。さらに、制御処理部２４０は、回折光検出部１３０の受光センサー１３１の検出結果を処理する処理部としても機能する。

制御処理部２４０は、例えば、演算装置、制御装置、記憶装置、入力装置および出力装置を含む公知のコンピュータやマイコンなどによって構成されている。

（形状測定方法）
次に、実施の形態２に係る形状測定装置２００の動作手順（実施の形態２に係る形状測定方法）について説明する。図７は、形状測定装置２００の動作手順の一例を示すフローチャートである。

実施の形態２に係る形状測定方法は、測定の準備をする工程（工程Ｓ１１０）と、ｍ次回折光を検出する工程（工程Ｓ１２０）と、溝のピッチを決定する工程（工程Ｓ２３０）と、溝の深さを決定する工程（工程Ｓ１４０）と、回折格子の欠陥を検出する工程（工程Ｓ１５０）とを含む。

まず、実施の形態１と同様に測定の準備をする（工程Ｓ１１０）。

次いで、実施の形態１と同様にｍ次回折光ε_ｍを検出する（工程Ｓ１２０）。

次いで、ｍ次回折光ε_ｍの回折角に基づいて、溝のピッチを決定する（工程Ｓ２３０）。

具体的には、制御処理部２４０は、ｍ次回折光ε_ｍの回折角θ_ｍと、下記式（５）で表される格子方程式とに基づいて、溝のピッチｄを決定する。このとき、回折角θ_ｍは、工程Ｓ１２０における受光センサー１３１の移動距離ΔＬと、受光位置のずれΔｐと、下記式（６）とに基づいて算出することができる。

［上記式（５）において、ｄは溝のピッチであり、θは光δの入射角であり、θ_ｍはｍ次回折光ε_ｍの回折角であり、ｍは回折次数を表す整数であり、λは光δの波長である。］

次いで、実施の形態１と同様にｍ次回折光ε_ｍの回折角θ_ｍに基づいて、溝の深さを決定する（工程Ｓ１４０）。

最後に、実施の形態１と同様に回折格子１０の表面の欠陥を検出する（工程Ｓ１５０）。

（効果）
以上のように、実施の形態２に係る形状測定方法および形状測定装置２００は、実施の形態１に係る形状測定方法および形状測定装置１００と同様の効果を有する。

［実施の形態３］
実施の形態３では、被検出物質を検出するための検出方法および検出装置について説明する。実施の形態３に係る検出方法および検出装置では、回折格子の形状に基づいて、被検出物質の存在または量を示すシグナル値を補正する。以下の説明では、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を利用して被検出物質を検出する、表面プラズモン増強蛍光検出装置（以下、「ＳＰＦＳ装置」ともいう）について説明する。

図８は、実施の形態３に係るＳＰＦＳ装置３００の構成を示す図である。図８に示されるように、ＳＰＦＳ装置３００は、光照射部１２０、回折光検出部１３０、励起光照射部３５０、蛍光検出部３６０、送液部３７０、搬送部３８０および制御処理部３４０を有する。ＳＰＦＳ装置３００は、搬送部３８０のチップホルダー３８２に検出チップ３０を装着した状態で使用される。そこで、検出チップ３０について先に説明し、その後にＳＰＦＳ装置３００の各構成要素について説明する。検出チップ３０としては、公知のＳＰＦＳ装置で使用され、かつ下記の構成要素を有する公知の検出チップを使用することができる。

（検出チップの構成）
図９Ａ、Ｂは、実施の形態３に係る検出チップ３０の構成を示す図である。図９Ａは、検出チップ３０の平面図であり、図９Ｂは、図９ＡにおけるＢ−Ｂ線の断面図である。

図９Ａ、Ｂに示されるように、検出チップ３０は、基板３１と、基板３１の一面上に配置された、回折格子３３を含む金属膜３２と、基板３１上に配置された枠体３４とを有する。基板３１上に枠体３４が配置されることで液体を収容するための収容部が形成される。

実施の形態３では、基板３１は、金属膜３２の支持部材である。基板３１の外観形状および材料は、特に限定されない。基板３１の外観形状の例には、平板形状、角柱形状、円板形状および円柱形状が含まれる。実施の形態３に係る基板３１の外観形状は、平板形状である。基板３１の材料の例には、ガラスや石英、シリコンなどの無機材料；アクリル樹脂やエポキシ樹脂、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリオレフィンなどの樹脂が含まれる。

金属膜３２は、一方の面を収容部内に向けて、基板３１上に配置されている。金属膜３２は、一定の幅の複数の溝が一定のピッチで互いに平行となるように配置されている回折格子３３（図２参照）を含んでおり、金属膜３２（回折格子３３）には被検出物質が直接的または間接的に固定されうる。回折格子３３を含む金属膜３２に所定の入射角で光を照射すると、金属膜３２中に生じる表面プラズモンと、回折格子３３により生じるエバネッセント波とが結合して、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）が生じる。また、金属膜３２の厚みは、特に限定されず、例えば、３０〜５００ｎｍであり、好ましくは１００〜３００ｎｍである。金属膜３２の材料は、表面プラズモンを生じさせうる金属であれば特に限定されない。金属膜３２の材料の例には、金、銀、アルミニウム、プラチナ、銅、およびこれらの合金が含まれる。

回折格子３３を含む金属膜３２は、例えば、上記の複数の溝が形成された基板３１上に、均一な厚みを有する金属膜３２を形成することにより形成されうる。

回折格子３３は、金属膜３２（回折格子３３）に励起光αを照射されたときに、エバネッセント波を生じさせる。溝の幅、溝のピッチおよび溝の深さは、溝の幅が一定であり、かつエバネッセント波を生じさせることができれば特に限定されず、用途に応じて適宜設定されうる。また、溝の断面形状も特に限定されない。溝の断面形状の例には、矩形波形状、正弦波形状、および鋸歯形状が含まれる。実施の形態３では、溝の断面形状は、矩形波形状である。なお、後述する励起光αの光軸は、ｘｚ平面に平行である。

回折格子３３には、被検出物質を捕捉するための捕捉体３５が固定化されている。回折格子３３（金属膜３２）上において、捕捉体３５が固定化されている領域を、特に「反応場」という。実施の形態３では、捕捉体３５は、回折格子３３の全面に亘って略均一に固定化されており、反応場は、回折格子３３の全面に亘って形成されている。また、捕捉体３５は、被検出物質に特異的に結合することができる。このため、被検出物質は、捕捉体３５を介して金属膜３２（回折格子３３）上に結合されうる。なお、回折格子３３上に捕捉体３５が固定化されていても、ｍ次回折光ε_ｍの回折角θ_ｍおよび光量に与える影響はほとんどない。

捕捉体３５の種類は、被検出物質を捕捉することができれば特に限定されない。たとえば、捕捉体３５は、被検出物質に特異的に結合可能な抗体（１次抗体）またはその断片、被検出物質に特異的に結合可能な酵素などである。

検出チップ３０の使用時には、回折格子３３は、反応や洗浄などの操作のために緩衝液などの液体に接触する。したがって、通常、回折格子３３は、液体を収容可能な空間に配置される。実施の形態３では、回折格子３３は、収容部の底部に配置されている。

枠体３４は、図９Ａ、Ｂに示されるように、収容部を規定するための貫通孔を有する部材であり、基板３１上に配置されている。貫通孔の内面は、収容部の側面となり、基板３１の上面は、収容部の底面となる。枠体３４の高さは、特に限定されず、収容部に収容する液体の量に応じて適宜設計されうる。

収容部は、検体などの液体を収容する。収容部の形状や大きさなどは、所望の量の液体を収容することができれば、特に限定されず、用途に応じて適宜設計されうる。前述のとおり、収容部は、枠体３４を基板３１上に配置することで形成されているが、収容部を形成する方法は、これに限定されない。収容部を形成する方法の他の例には、その下面に凹部を形成された蓋を基板３１上に配置することが含まれる。

収容部に収容される液体の種類は、特に限定されない。液体の種類の例には、被検出物質を含む検体や、蛍光物質を含む蛍光標識液、緩衝液などが含まれる。通常、液体の屈折率および誘電率は、水の屈折率および誘電率と同程度である。検体および被検出物質の種類は、特に限定されない。検体の例には、血液や血清、血漿、尿、鼻孔液、唾液、精液などの体液およびその希釈液が含まれる。被検出物質の例には、核酸（ＤＮＡやＲＮＡなど）、タンパク質（ポリペプチドやオリゴペプチドなど）、アミノ酸、糖質、脂質およびこれらの修飾分子が含まれる。

（ＳＰＦＳ装置の構成）
次に、ＳＰＦＳ装置３００の各構成要素について説明する。前述のとおり、ＳＰＦＳ装置３００は、光照射部１２０（図１参照）、回折光検出部１３０（図１参照）、励起光照射部３５０、蛍光検出部３６０、送液部３７０、搬送部３８０および制御処理部３４０を有する。実施の形態１に係る形状測定装置１００と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

励起光照射部３５０は、所定の入射角θ_Ｉで搬送部３８０のチップホルダー３８２に保持された検出チップ３０の金属膜３２（回折格子３３）に、表面プラズモン共鳴が発生するように励起光αを照射する。励起光照射部３５０は、金属膜３２中の表面プラズモンと結合できる回折光が回折格子３３で生じるように、金属膜３２の表面に対するｐ偏光の光を金属膜３２（回折格子３３）に照射する。たとえば、励起光αの入射角がθ_Ｉのとき、蛍光βの出射角θ_Ｏは、２θ_Ｉで近似される。なお、ＳＰＲが生じる条件では、励起光αの反射光γは、ほとんど生じない。

また、励起光αの光軸は、回折格子３３における周期的構造（溝）の配列方向（ｘ方向）に沿う。したがって、励起光αの光軸はｘｚ平面に平行である（図８参照）。励起光αは、金属膜３２の表面に対するｐ偏光の光であることから、励起光αの電界の振動方向は、励起光αの光軸および金属膜３２の表面に対する法線を含むｘｚ平面に平行である。

励起光照射部３５０は、励起光αを出射する光源ユニット３５１を有する。光源ユニット３５１は、励起光αを出射する。たとえば、光源ユニット３５１は、励起光αの光源、ビーム整形光学系、ＡＰＣ機構および温度調整機構（いずれも図示省略）を有する。

励起光αの光源の種類は、特に限定されない。励起光αの光源の種類の例には、レーザーダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード、水銀灯、その他のレーザー光源が含まれる。たとえば、光源から出射される励起光αの波長は、４００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内である。

また、励起光αの光源から出射される励起光αがビームでない場合は、光源から出射される励起光αは、レンズや鏡、スリットなどによりビームに変換される。また、光源から出射される励起光αが単色光でない場合は、光源から出射される励起光αは、回折格子などにより単色光に変換される。さらに、光源から出射される励起光αが直線偏光でない場合は、光源から出射される励起光αは、偏光子などにより直線偏光の光に変換される。

ビーム整形光学系は、例えば、コリメーターやバンドパスフィルター、直線偏光フィルター、半波長板、スリット、ズーム手段などを含む。ビーム整形光学系は、これらのすべてを含んでいてもよいし、一部を含んでいてもよい。

コリメーターは、励起光αの光源から出射された励起光αをコリメートする。

バンドパスフィルターは、励起光αの光源から出射された励起光αを中心波長のみの狭帯域光にする。光源からの励起光αは、若干の波長分布幅を有しているためである。

直線偏光フィルターは、光源から出射された励起光αを完全な直線偏光の光にする。半波長板は、金属膜３２にｐ偏光成分の光が入射するように励起光αの偏光方向を調整する。スリットおよびズーム手段は、金属膜３２における照射スポットの形状および面積が所定の形状および面積となるように、励起光αの輪郭形状やビーム径（例えば、φ１ｍｍ）などを調整する。

ＡＰＣ機構は、励起光αの光源の出力が一定となるように光源を制御する。より具体的には、ＡＰＣ機構は、励起光αから分岐させた光の光量を不図示のフォトダイオードなどで検出する。そして、ＡＰＣ機構は、回帰回路で投入エネルギーを制御することで、光源の出力を一定に制御する。

温度調整機構は、例えば、ヒーターやペルチェ素子などである。光源の出射光の波長およびエネルギーは、温度によって変動することがある。このため、温度調整機構で光源の温度を一定に保つことにより、光源の出射光の波長およびエネルギーを一定に制御する。

蛍光検出部３６０は、被検出物質が金属膜３２上に存在する状態で、励起光照射部３５０が金属膜３２上でＳＰＲが発生するように金属膜３２（回折格子３３）に励起光αを照射したときに、蛍光物質から放出される蛍光βを検出する。図８に示されるように、蛍光検出部３６０は、励起光照射部３５０に対して、励起光αの光軸と金属膜３３との交点を通り、かつ金属膜３３の表面に対する法線を挟むように配置されている。

蛍光検出部３６０は、第２受光センサー３６１を有する。蛍光検出部３６０は、さらに集光レンズ群や開口絞り、光学フィルターなどを有していてもよい。

第２受光センサー３６１は、金属膜３２（回折格子３３）上に存在する蛍光物質から放出される蛍光βを検出して、金属膜３２上の蛍光を検出する。第２受光センサー３６１の種類は、特に限定されず、例えば、感度およびＳＮ比が高い光電子増倍管であり、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）やフォトダイオード（ＰＤ）、ＣＣＤイメージセンサーなどであってもよい。

送液部３７０は、チップホルダー３８２に保持された検出チップ３０の収容部内に、検体や蛍光標識液、洗浄液などの液体を供給し、収容部内からこれらの液体を除去する。送液部３７０は、液体チップ３７１、ピペット３７２および送液ポンプ駆動機構（不図示）を含む。

液体チップ３７１は、検体や蛍光標識液、洗浄液などの液体を収容する容器である。液体チップ３７１としては、通常、複数の容器が液体の種類に応じて配置されるか、または複数の容器が一体化したチップが配置される。

ピペット３７２は、シリンジポンプ３７３およびピペットチップ３７４を有する。

シリンジポンプ３７３は、シリンジと、シリンジ内を往復動作可能なプランジャーとを有する。プランジャーの往復運動によって、液体の吸引および吐出が定量的に行われる。

ピペットチップ３７４は、シリンジポンプ３７３に着脱可能に取り付けられている。ピペットチップ３７４が交換可能であると、ピペットチップ３７４の洗浄が不要となる。このため、不純物の混入などを防止する観点から好ましい。ピペットチップ３７４が交換可能に構成されていない場合は、ピペットチップ３７４内を洗浄する構成をさらに付加することにより、ピペットチップ３７４を交換せずに使用することが可能となる。

送液ポンプ駆動機構は、プランジャーの駆動装置、およびシリンジポンプ３７３の移動装置を含む。プランジャーの駆動装置は、プランジャーを往復運動させるための装置であり、例えば、ステッピングモーターを含む。ステッピングモーターを含む駆動装置は、ピペット３７２の送液量や送液速度を管理できるため、検出チップ３０の残液量を管理する観点から好ましい。シリンジポンプ３７３の移動装置は、例えば、シリンジポンプ３７３を、ピペット３７２の軸方向（例えば垂直方向）と、軸方向を横断する方向（例えば水平方向）との二方向に自在に動かす。シリンジポンプ３７３の移動装置は、例えば、ロボットアーム、２軸ステージまたは上下動自在なターンテーブルによって構成される。

送液部３７０は、液体チップ３７１より各種液体を吸引し、検出チップ３０の収容部内に供給する。収容部が流路である場合、プランジャーを動かすことで、流路内を液体が往復し、流路内の液体が撹拌される。これにより、液体の濃度分布の均一化や、流路内における反応（例えば、後述する１次反応および２次反応）を促進することができる。収容部内の液体は、再びシリンジポンプ３７３で吸引され、液体チップ３７１などに排出される。これらの動作の繰り返しにより、各種液体による反応、洗浄などを実施し、収容部内に、蛍光物質で標識された被検出物質などを配置することができる。

搬送部３８０は、検出チップ３０を設置位置、検出位置または送液位置に搬送し、固定する。ここで「設置位置」とは、検出チップ３０をＳＰＦＳ装置３００に設置するための位置である。また、「検出位置」とは、励起光照射部３５０が検出チップ３０に励起光αを照射し、それに伴い発生する蛍光βを蛍光検出部３６０が検出する位置である。実施の形態３に係るＳＰＦＳ装置３００では、回折格子３３の形状測定も検出位置で行われる。さらに、「送液位置」とは、送液部３７０が検出チップ３０の収容部内に液体を供給するか、または検出チップ３０の収容部内の液体を除去する位置である。

搬送部３８０は、搬送ステージ３８１およびチップホルダー３８２を含む。

チップホルダー３８２は、搬送ステージ３８１上に固定されており、検出チップ３０を着脱可能に保持する。チップホルダー３８２の形状は、検出チップ３０を保持することができ、かつ励起光αや蛍光β、反射光γ、光照射部１２０からの光δ、ｍ次回折光ε_ｍなどの光の光路を妨げない形状である。

搬送ステージ３８１は、チップホルダー３８２を一方向およびその逆方向に移動させる。搬送ステージ３８１も、励起光αや蛍光β、反射光γ、光照射部１２０からの光δ、ｍ次回折光ε_ｍなどの光の光路を妨げない形状である。搬送ステージ３８１は、例えば、ステッピングモーターなどで駆動される。

制御処理部３４０は、特に図示しないが、前述の（第１）光源制御部および受光センサー制御部と、後述の第２光源制御部および第２受光センサー制御部とを含む。制御処理部３４０は、受光センサー制御部、第２受光センサー制御部、送液ポンプ駆動機構および搬送ステージ３８１を制御する。制御処理部３４０は、蛍光検出部３６０の第２受光センサー３６１の検出結果に基づいて被検出物質の存在または量を示すシグナル値を決定する。また、制御処理部３４０は、回折光検出部１３０により検出されたｍ次回折光ε_ｍの回折角θ_ｍに基づいて回折格子３３の溝のピッチを決定するとともに、回折光検出部１３０により検出されたｍ次回折光ε_ｍの光量に基づいて回折格子３３の溝の深さを決定する。さらに、制御処理部３４０は、溝のピッチおよび溝の深さに基づいてシグナル値を補正する。

制御処理部３４０には、ｍ次回折光ε_ｍの回折角θ_ｍおよび光量から溝のピッチおよび深さを決定するための情報が記録されていてもよい。当該情報の例には、ｍ次回折光ε_ｍの光量および溝の深さについての検量線に関する情報が含まれる。

制御処理部３４０は、例えば、演算装置、制御装置、記憶装置、入力装置および出力装置を含み、ソフトウェアを実行するコンピュータである。

第２光源制御部は、光源ユニット３５１に含まれる各種機器を制御して、光源ユニット３５１からの励起光αのパワーや照射時間、出射角などを調整する。第２光源制御部は、例えば、演算装置、制御装置、記憶装置、入力装置および出力装置を含む公知のコンピュータやマイコンなどによって構成される。

（ＳＰＦＳ装置の検出動作）
次に、ＳＰＦＳ装置３００の検出動作（実施の形態３に係る検出方法）について説明する。図１０は、ＳＰＦＳ装置３００の動作手順の一例を示すフローチャートである。

まず、検出の準備をする（工程Ｓ３１０）。具体的には、検出チップ３０を準備して、ＳＰＦＳ装置３００の設置位置に配置されているチップホルダー３８２に検出チップ３０を設置する。また、検出チップ３０の金属膜３２上に保湿剤が存在する場合は、捕捉体３５が適切に被検出物質を捕捉できるように、金属膜３２上を洗浄して保湿剤を除去する。

次いで、回折格子３３の溝の形状を測定する（工程Ｓ３２０）。具体的には、制御処理部３４０は、搬送ステージ３８１を制御して、検出チップ３０を設置位置から検出位置に移動させる。その後、実施の形態１に係る形状測定方法または実施の形態２に係る形状測定方法における工程Ｓ１２０と同様に、回折格子３３の溝のピッチおよび溝の深さを測定する。測定した溝のピッチおよび溝の深さは、制御処理部３４０に記憶される。なお、このとき、回折格子３３の表面の欠陥を検出するために回折格子３３の表面の像を撮像してもよい。

次いで、金属膜３２上に蛍光物質が存在しない状態で蛍光βと同じ波長の光を含む光の検出を行い、光学ブランク値を測定する（工程Ｓ３３０）。ここで、「光学ブランク値」とは、検出チップ３０の上方に放出される背景光の光量を意味する。具体的には、制御処理部３４０は、第２光源制御部を制御して、励起光照射部３５０の光源ユニット３５１から励起光αを金属膜３２（回折格子３３）の所定の位置に照射するとともに、制御処理部３４０は、第２受光センサー制御部を制御して、第２受光センサー３６１で光を検出し、光学ブランク値を得る。測定された光学ブランク値は、制御処理部３４０に送信され、記憶される。

次いで、検体中の被検出物質と捕捉体３５とを結合させる（１次反応；工程Ｓ３４０）。具体的には、制御処理部３４０は、搬送ステージ３８１を制御して、検出チップ３０を検出位置から送液位置に移動させる。この後、制御処理部３４０は、送液ポンプ駆動機構を制御して、液体チップ３７１中の検体を収容部内に提供する。これにより、検体中に被検出物質が存在する場合は、被検出物質の少なくとも一部は捕捉体３５により捕捉され、金属膜３２上に固定される。この後、収容部内を緩衝液などで洗浄して、捕捉体３５に捕捉されなかった物質を除去する。

次いで、捕捉体３５に結合した被検出物質を蛍光物質で標識する（２次反応；工程Ｓ３５０）。具体的には、制御処理部３４０は、送液ポンプ駆動機構を制御して、液体チップ３７１中の蛍光標識液を収容部内に提供する。これにより、被検出物質を蛍光物質で標識することができる。蛍光標識液は、例えば、蛍光物質で標識された抗体（２次抗体）を含む緩衝液である。この後、収容部内を緩衝液などで洗浄し、遊離の蛍光物質などを除去する。

次いで、金属膜３２（回折格子３３）上に蛍光物質で標識された被検出物質が直接的または間接的に結合されている状態で、金属膜３２で表面プラズモン共鳴が発生するように励起光αを金属膜３２（回折格子３３）に照射して、金属膜３２上の被検出物質を標識する蛍光物質から放出される蛍光βを検出し、蛍光値を測定する（工程Ｓ３６０）。具体的には、制御処理部３４０は、搬送ステージ３８１を制御して、検出チップ３０を送液位置から検出位置に移動させる。この後、制御処理部３４０は、第２光源制御部を制御して、金属膜３２（回折格子３３）に向けて励起光照射部３５０の光源ユニット３５１から励起光αを出射させる。これと同時に、制御処理部３４０は、第２受光センサー制御部を制御して、第２受光センサー３６１で蛍光βを受光する。これにより、第２受光センサー３６１が蛍光を検出し、蛍光値が測定される。測定された蛍光値は、制御処理部３４０に送信され、記録される。

次いで、被検出物質の存在またはその量を示すシグナル値を算出する（工程Ｓ３７０）。蛍光値は、主として、被検出物質を標識する蛍光物質に由来する蛍光成分（シグナル値）と、背景光などのノイズに由来するノイズ成分（光学ブランク値）とを含む。したがって、制御処理部３４０は、工程Ｓ３６０で得られた蛍光値から工程Ｓ３３０で得られた光学ブランク値を引くことで、被検出物質の量に相関するシグナル値を算出することができる。

最後に、回折格子３３の溝のピッチ、溝の深さまたはこれら両方に基づいて、シグナル値を補正する（工程Ｓ３８０）。実施の形態３では、回折格子の溝のピッチおよび溝の深さの両方に基づいて、シグナル値を補正する。回折格子３３のピッチおよび深さは、設計値から検出チップ３０毎にばらつきがある。また、回折格子３３を含む金属膜３２に、金属膜３２で表面プラズモン共鳴が発生するように励起光αを照射されたときの増強度は、回折格子３３の溝のピッチおよび溝の深さに応じて変化する（後述の実施例８、９参照）。そこで、被検出物質の存在または量を高精度に検出する観点から、工程Ｓ３２０で測定された溝のピッチおよび溝の深さに基づいて工程Ｓ３７０で算出されたシグナル値を補正する。具体的には、制御処理部３４０は、あらかじめ作成しておいた、回折格子３３の溝のピッチおよび溝の深さに対応する検量線に基づいて、シグナル値を補正する。そして、補正されたシグナル値は、あらかじめ作成しておいた検量線により、被検出物質の量や濃度などに換算される。

以上の手順により、検体中の被検出物質の存在または被検出物質の量を検出することができる。

（効果）
実施の形態３に係るＳＰＦＳ装置３００は、回折格子３３の溝の形状（ピッチおよび深さ）に基づいて、被検出物質の存在または量を示すシグナル値を補正できる。溝の幅が一定である場合には、回折格子３３の溝の形状は、１つの回折次数の回折光を検出することで測定されうる。したがって、制御処理部３４０における信号処理が簡単になり、短時間に回折格子３３の溝の形状を測定でき、かつ測定被検出物質の存在または量を短時間かつ高精度に検出することができる。

また、回折格子３３の溝の形状は、非破壊で測定されうるため、測定後の回折格子３３は、被検出物質の検出にそのまま使用されうる。

さらに、実施の形態３に係る検出方法およびＳＰＦＳ装置３００でも、ｍ次回折光の検出時に回折格子３３の表面の像を撮像することができる。このため、回折格子３３の形状を測定すると同時に、回折格子３３の表面の欠陥の有無についても観察することができる。さらに、一度に回折格子３３の全面について回折格子３３の形状を測定することができる。

なお、本発明に係る形状測定装置および検出装置の実施の形態は、上記実施の形態１〜３に限定されない。たとえば、本発明に係る形状測定装置および検出装置は、回折格子の傾き角度を測定するための他の構成要素をさらに有していてもよい。当該他の構成要素の例には、光照射部および光検出部が含まれる。図１１は、実施の形態１の変形例に係る形状測定装置１００’の構成を説明するための図である。実施の形態１の変形例に係る形状測定装置１００’は、第２光照射部１２０’および反射光検出部１３０’を有する。

第２光照射部１２０’は、ホルダー１１０に保持されている回折格子１０に光ζを照射する。第２光照射部１２０は、少なくとも光源１２１’を有する。光源１２１’は、回折格子１０に向けて光ζを出射する。光源１２１’の種類の例には、レーザーダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード、水銀灯、その他のレーザー光源が含まれる。第２光照射部１２０’は、必要に応じて、例えば、実施の形態３のビーム整形光学系の例に含まれる光学部品をさらに有していてもよい。

反射光検出部１３０’は、第２光照射部１２０’が回折格子１０に光ζを照射したときの回折格子１０からの反射光ζ’を検出する。反射光検出部１３０’は、少なくとも第３受光センサー１３１’を有する。実施の形態１の変形例に係る反射光検出部１３０’は、ビームスプリッター１３２’をさらに有する。

ビームスプリッター１３２’は、第２光照射部１２０’が回折格子１０に光ζを照射したときに回折格子１０で反射した反射光ζ’の光路上に配置されており、第３受光センサー１３１’は、ビームスプリッター１３２’で反射された反射光ζ’の光路上に配置されている。たとえば、ビームスプリッター１３２’は、反射光ζ’の光路上において回折格子１０の表面から１６５ｍｍ離れた位置に配置されており、第３受光センサー１３１’は、反射光ζ’の光路上においてビームスプリッター１３２’から３１５ｍｍ離れた位置に配置されている。反射光検出部１３０’は、必要に応じて、集光レンズ群や開口絞り、光学フィルターなどの他の光学部品を有していてもよい。

第３受光センサー１３１’は、第２光照射部１２０’が回折格子１０に光ζを照射したときに、回折格子１０で反射した反射光ζ’を検出する。第３受光センサー１３１’の種類は、特に限定されず、例えば、ＣＣＤイメージセンサーである。

実施の形態１の変形例に係る制御処理部１４０’の光源制御部は第２光照射部１２０’に含まれる各種機器もさらに制御し、受光センサー制御部は、第３受光センサー１３１’もさらに制御する。

実施の形態１の変形例に係る形状測定装置１００’では、第２光照射部１２０’から照射された光ζは、ビームスプリッター１３２’を透過し、回折格子１０で反射する。回折格子１０で反射した光ζ’は、ビームスプリッター１３２’でさらに反射して第３受光センサー１３１’に到達する。制御処理部１４０は、第３受光センサー１３１’の検出結果に基づいて回折格子１０の反射光検出部１３０’の第３受光センサー１３１’の検出結果に基づいて、回折格子１０の傾きを測定し、回折格子１０の傾きを所望の傾きになるように調整すればよい。これにより、例えば、回折格子１０の傾きの精度を±０．０５°以内に高めることができる。

本発明を、以下の実施例を参照してさらに具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されない。

［実施例１］
実施例１では、上記実施の形態１に係る形状測定装置により、回折格子の溝のピッチおよび溝の深さを決定した。

１．基準角度θ_０の決定
まず、回折格子の溝のピッチを決定する際に基準となる基準角度を決定した。ここで、基準角度とは、図１に示されるように、ＣＣＤに対するｍ次回折光の入射角を意味し、フォーカス位置とデフォーカス位置との間のＣＣＤの移動距離ΔＬに対するｍ次回折光の受光位置のずれΔｐの比（Δｐ／ΔＬ）で算出することができる。たとえば、ｍ次回折光のＣＣＤに対する入射角が０°であれば、ｍ次回折光をフォーカス位置とデフォーカス位置とでｍ次回折光の受光位置のずれΔｐは０となるため、基準角度θ_０は０となる。

実施例１では、溝のピッチが３９０［ｎｍ］であり、溝の幅が１９５［ｎｍ］であり、かつ溝の深さが２０［ｎｍ］であるリファレンス用のエポキシ系樹脂製の回折格子を準備し、ホルダーに設置した。次いで、ホルダーに保持されているリファレンス用の回折格子に向けてＬＥＤから波長が５４０［ｎｍ］の光を入射角が３０°になるように照射して、フォーカス位置およびデフォーカス位置において１次回折光をＣＣＤで検出した。実施例１では、１２８０画素が５．６［ｍｍ］に相当するＣＣＤを使用した。すなわち、当該ＣＣＤの受光面に対するｍ次回折光の受光位置の１画素分のずれは、４．４［μｍ］のずれに相当する。

次いで、フォーカス位置およびデフォーカス位置において１次回折光をＣＣＤで受光し、受光位置のずれΔｐを算出するとともに、ＣＣＤの移動距離ΔＬおよび受光位置のずれΔｐに基づいて、基準角度θ_０を算出した。このとき、フォーカス位置における１次回折光の受光位置は、（Ａ_ｆ＋Ｂ_ｆ）／２で表され、デフォーカス位置における１次回折光の受光位置は、（Ａ_ｄｅｆ＋Ｂ_ｄｅｆ）／２で表される（図６Ａ、Ｂ参照）。受光位置のずれΔｐ［画素］は、下記式（７）により算出し、受光位置のずれΔｐは、下記式（８）により算出した。算出した受光位置のずれΔｐ［画素］は、４．４×１０^−３［ｍｍ／画素］を掛け合わせることで単位換算を行った。

リファレンス用の回折格子について、フォーカス位置における１次回折光の受光位置（Ａ_ｆ、Ｂ_ｆ、（Ａ_ｆ＋Ｂ_ｆ）／２）、デフォーカス位置における１次回折光の受光位置（Ａ_ｄｅｆ、Ｂ_ｄｅｆ、（Ａ_ｄｅｆ＋Ｂ_ｄｅｆ）／２）、受光位置のずれΔｐ、ＣＣＤの移動距離ΔＬおよび１次回折光の基準角度θ_０を表１に示す。

２．１次回折光の検出
次いで、測定対象の回折格子をホルダーに設置した。実施例１では、溝のピッチの設計値が４００［ｎｍ］、溝の幅が２００［ｎｍ］であり、溝の深さが２０［ｎｍ］であるシリコン製の回折格子を準備した。基準角度θ_０の決定方法と同様に、ホルダーに保持されている回折格子に向けてＬＥＤから光を照射して、フォーカス位置およびデフォーカス位置において１次回折光をＣＣＤカメラで検出した。デフォーカス位置では、１次回折光の光量についても検出した。このとき、ＬＥＤの最大照射光量は４９０［ｎＷ］であり、ＣＣＤカメラの露光時間は４０００［ｍｓ］であり、ゲインは５０倍である。

測定対象の回折格子について、フォーカス位置における１次回折光の受光位置（Ａ_ｆ、Ｂ_ｆ、（Ａ_ｆ＋Ｂ_ｆ）／２）、デフォーカス位置における１次回折光の受光位置（Ａ_ｄｅｆ、Ｂ_ｄｅｆ、（Ａ_ｄｅｆ＋Ｂ_ｄｅｆ）／２）、受光位置のずれΔｐ、ＣＣＤの移動距離ΔＬ、１次回折光の入射角θおよび光量を表２に示す。

３．溝のピッチの決定
また、測定対象の回折格子について１次回折光の検出結果と、リファレンス用の回折格子についての１次回折光の検出結果とに基づいて測定対象の回折格子の溝のピッチを決定した。具体的には、１次回折光のＣＣＤに対する入射角θと、基準角度θ_０との差分をとる。これにより、溝のピッチのずれに起因した１次回折光の回折角の変化分に相当する入射角θの変化を算出することができる。詳細については後述するが（実施例２参照）、波長が５４０［ｎｍ］の光を回折格子に照射したときの溝のピッチに対する、ｍ次回折光の回折角の比例係数は、２．３［ｎｍ／°］であることがわかっている。したがって、入射角θおよび基準角度θ_０の差分値と、上記係数２．３［ｎｍ／°］との積をとることで、リファレンス用の回折格子における溝のピッチ（３９０［ｎｍ］）に対する、測定対象の回折格子における溝のピッチ（設計値４００［ｎｍ］）のずれ（９．９８［ｎｍ］）を算出することができた。

４．溝の深さの決定
最後に、デフォーカス位置における１次回折光の光量と、あらかじめ作成しておいた溝のピッチが４００［ｎｍ］である回折格子についての検量線とに基づいて、溝の深さ（２０［ｎｍ］）を決定した。

以上より、実施の形態１に係る形状測定装置によれば、回折格子の溝のピッチおよび溝の深さを高精度に測定できることがわかる。

［実施例２］
実施例２では、溝のピッチとｍ次回折光の回折角との関係について調べるために実験を行った。

実施例２では、溝の深さが２０［ｎｍ］であり、溝の幅と溝のピッチとの比が１：２であり、かつ溝のピッチが３９５〜４０９［ｎｍ］の範囲内にある１２種類のシリコン製の回折格子を使用した。また、実施例２では、ホルダーに保持されているそれぞれの回折格子に向けてＬＥＤから波長が５４４［ｎｍ］の光を入射角が３０°になるように照射して、デフォーカス位置において１次回折光をＣＣＤで検出した。

図１２は、実施例２の結果を示す。なお、図１２において、横軸は、１次回折光の回折角を示しており、縦軸は、溝のピッチを示している。

図１２に示されるように、溝のピッチが小さくなるにつれて、１次回折光の回折角は大きくなっていた。近似式から、溝のピッチが約２．３［ｎｍ］大きくなると回折角は１［°］小さくなることがわかる。

［実施例３］
実施例３では、金属膜の有無が溝のピッチの測定結果に及ぼす影響について調べるために実験を行った。

実施例３では、溝の深さが２５［ｎｍ］であり、溝の幅と溝のピッチとの比が１：２であり、溝のピッチが３９０［ｎｍ］または４００［ｎｍ］であるシリコン製の回折格子（以下、単に「回折格子Ａ」ともいう）と、溝の深さが２５［ｎｍ］であり、溝の幅と溝のピッチとの比が１：２であり、溝のピッチが３９０［ｎｍ］または４００［ｎｍ］であるシリコン製の回折格子（以下、単に「回折格子Ｂ」ともいう）と、溝の深さが３０［ｎｍ］であり、溝の幅と溝のピッチとの比が１：２であり、溝のピッチが３９０［ｎｍ］または４００［ｎｍ］であるシリコン製の回折格子（以下、単に「回折格子Ｃ」ともいう）と、を使用した。このとき、金属膜に含まれている回折格子Ａ〜Ｃ（以下、単に「金属膜ありの回折格子Ａ〜Ｃ」ともいう）と、金属膜に含まれていない回折格子Ａ〜Ｃ（以下、単に「金属膜なしの回折格子Ａ〜Ｃ」ともいう）とについて実験を行った。実施例３では、実施例１と同様にして、回折格子Ａ〜Ｃの溝のピッチを測定した。

図１３は、実施例３の結果を示す。なお、図１３において、横軸は、回折格子Ｎｏ．を示しており、縦軸は、回折格子の溝のピッチの測定値を示している。このとき、回折格子Ｎｏ．１〜４は、回折格子Ａについての測定結果を示し、回折格子Ｎｏ．５〜８は、回折格子Ｂについての測定結果を示し、回折格子Ｎｏ．９〜１２は、回折格子Ｃについての測定結果を示している。また、黒丸（●）は、金属膜ありの回折格子Ａ〜Ｃについての測定結果を示し、白丸（○）は、金属膜なしの回折格子Ａ〜Ｃについての測定結果を示している。

図１３の回折格子Ｎｏ．１〜１２から明らかなように、金属膜ありの回折格子Ａ〜Ｃについての測定結果と、金属膜なしの回折格子Ａ〜Ｃについての測定結果とは、非常によく一致していた。この結果から、金属膜の有無は、回折格子の溝のピッチの測定にほとんど影響を及ばさないことがわかる。

［実施例４］
実施例４では、溝の深さの違いが溝のピッチの測定結果に及ぼす影響について調べるために実験を行った。

実施例４では、溝の深さが２０［ｎｍ］であり、かつ溝の幅が２００［ｎｍ］である回折格子が形成されているシリコン製の回折格子（以下、単に「回折格子Ｄ」ともいう）と、前述した回折格子Ａ（溝の深さ２５［ｎｍ］）および回折格子Ｃ（溝の深さ３０［ｎｍ］）と、溝の深さが４０［ｎｍ］であり、溝の幅が２００［ｎｍ］であるシリコン製の回折格子（以下、単に「回折格子Ｅ」ともいう）とを使用した。このとき、回折格子Ａ、Ｃ〜Ｅは、いずれも、回折格子のピッチが４００［ｎｍ］であり、金属膜なしの回折格子である。実施例４では、実施例１と同様にして回折格子Ａ、Ｃ〜Ｅの溝のピッチを測定した。

図１４は、実施例４の結果を示す。なお、図１４において、横軸は、回折格子Ｎｏ．を示しており、縦軸は、回折格子の溝のピッチの測定値を示している。このとき、回折格子Ｎｏ．１〜２は、回折格子Ｄについての測定結果を示し、回折格子Ｎｏ．３〜４は、回折格子Ａについての測定結果を示し、回折格子Ｎｏ．５〜６は、回折格子Ｃについての測定結果を示し、回折格子Ｎｏ．７〜８は、回折格子Ｅについての測定結果を示している。

図１４の回折格子Ｎｏ．１〜８から明らかなように、溝の深さが２０［ｎｍ］の回折格子Ｄについての測定結果と、溝の深さが２５［ｎｍ］の回折格子Ａについての測定結果と、溝の深さが３０［ｎｍ］の回折格子Ｃについての測定結果と、溝の深さが４０［ｎｍ］の回折格子Ｅについての測定結果とは、非常によく一致していた。この結果から、実施の形態１に係る形状測定装置では、溝の深さが２０〜４０［ｎｍ］の範囲内において、溝の深さの違いは、回折格子の溝のピッチの測定にほとんど影響を及ばさないことがわかる。

［実施例５］
実施例５では、上記実施の形態１に係る形状測定装置による測定の正確さおよび精度について調べるために実験を行った。

実施例５では、溝の深さが２５［ｎｍ］であり、溝の幅と溝のピッチとの比が１：２であり、溝のピッチが３９０［ｎｍ］または４００［ｎｍ］である回折格子（上記の回折格子Ｂ）と、溝の深さが３０［ｎｍ］であり、溝の幅と溝のピッチとの比が１：２であり、溝のピッチが４００［ｎｍ］である回折格子（上記の回折格子Ｃ）とをそれぞれ２つずつ使用した。実施例５では、実施例１と同様にして、回折格子Ｂ、Ｃに形成されている溝のピッチを測定するとともに、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ、株式会社日立ハイテクサイエンス製：ＳＰＡ４００（本体）／ＮａｎоＮａｖｉII（コントローラ））により、回折格子Ｂ、Ｃに形成されている溝のピッチを測定した。

図１５は、実施例５の結果を示す。図１５において、横軸は、ＡＦＭによる回折格子の溝のピッチの測定値を示しており、縦軸は、実施の形態１に係る形状測定装置による、回折格子の溝のピッチの測定値を示している。

図１５に示されるように、実施の形態１に係る形状測定装置による回折格子の溝のピッチの測定値と、ＡＦＭによる回折格子の溝のピッチの測定値とは、よく一致していた。また、実施の形態１に係る形状測定装置による回折格子の溝のピッチの測定値のばらつきは、小さかった。この結果から、実施の形態１に係る形状測定装置によれば、正確に、かつ高精度に回折格子の溝のピッチを測定できることがわかる。

［実施例６］
実施例６では、溝の深さとｍ次回折光の光量との関係について調べるために実験を行った。

実施例６では、溝の深さが２０〜４０［ｎｍ］の範囲内にあり、溝の幅と溝のピッチとの比が１：２であり、かつ溝のピッチが４００［ｎｍ］である回折格子を使用した。また、実施例６では、ホルダーに保持されているそれぞれの回折格子に向けてＬＥＤから波長が５４４［ｎｍ］の光を入射角が３０°になるように照射して、デフォーカス位置において１次回折光をＣＣＤで検出した。このとき、ＬＥＤからの光の波長は約５４０［ｎｍ］であり、ＬＥＤの最大照射光量は４９０［ｎＷ］であり、ＣＣＤの露光時間は２００［ｍｓ］であり、ゲインは５０倍であり、検出するｍ次回折光は１次回折光である。

図１６Ａは、実施例６の結果を示す。なお、図１６Ａにおいて、横軸は、溝の深さを示しており、縦軸は、１次回折光の光量を示している。

図１６Ａに示されるように、溝の深さが少なくとも２０〜４０［ｎｍ］の範囲内においては、溝の深さが大きくなるにつれて、１次回折光の光量は大きくなっていた。たとえば、溝の深さが２０［ｎｍ］のときの１次回折光の光量に対して、溝の深さが４０［ｎｍ］のときの１次回折光の光量は、２０倍以上大きくなっていた。この結果から、溝の深さとｍ次回折光の光量とは相関があり、ｍ次回折光の光量の測定結果に基づいて、回折格子の溝の深さを決定できることがわかる。

また、スカラー回折理論（例えば、特開昭５７−１８７６０４号公報）によると、ｍ次回折光の光量は、下記式（９）で表される。下記式（９）より、溝の深さＨがλ／４以下のとき、ｍ次回折光の光量Ｉ_ｍは、溝の深さＨに対して単調増加の関係にあることがわかる。たとえば、実施例６では、波長λは約５４０［ｎｍ］であるため、溝の深さが１３５［ｎｍ］（＝λ／４）程度までは、ｍ次回折光の光量Ｉ_ｍは、溝の深さＨに対して単調に増加すると考えられる。これは、上記実施例６の結果と一致している。

［上記式（９）において、２Ｎ＋１は、光の被照射領域に含まれる回折格子の溝の数であり、Ｗは、回折格子の溝の幅であり、Ｐは、回折格子の溝のピッチであり、Ｈは、回折格子の溝の深さであり、λは、光の波長である。］

［実施例７］
実施例６の結果から、溝の深さとｍ次回折光の光量とは相関があることがわかった。そこで、実施例７では、溝のピッチの違いと金属膜の有無とが、溝の深さとｍ次回折光の光量との関係に及ぼす影響について調べるために実験を行った。

実施例７では、溝の深さが２５［ｎｍ］であり、溝の幅と溝のピッチとの比が１：２であり、かつ溝のピッチが３９０［ｎｍ］または４００［ｎｍ］の回折格子（上記の回折格子Ａ）と、溝の深さが２５ｎｍであり、溝の幅と溝のピッチとの比が１：２であり、溝のピッチが３９０［ｎｍ］または４００［ｎｍ］である回折格子（上記の回折格子Ｂ）と、溝の深さが３０［ｎｍ］であり、溝の幅と溝のピッチとの比が１：２であり、溝のピッチが３９０［ｎｍ］または４００［ｎｍ］である回折格子（上記の回折格子Ｃ）とを使用した。このとき、金属膜ありの回折格子Ａ〜Ｃについて測定した。実施例７では、ホルダーに保持されているそれぞれの回折格子に向けてＬＥＤから波長が約５４０［ｎｍ］の光を入射角が３０°になるように照射して、デフォーカス位置において１次回折光をＣＣＤで検出した。このとき、ＬＥＤの光の照射光量は４９０［ｎＷ］であり、ＣＣＤの露光時間は３００［ｍｓ］であり、ゲインは５０倍である。

図１６Ｂは、実施例７の結果を示す。図１６Ｂにおいて、横軸は、溝の深さを示しており、縦軸は、１次回折光の光量を示している。なお、黒丸（●）は、溝のピッチが４００［ｎｍ］である回折格子についての測定結果を示し、白丸（○）は、溝のピッチが３９０［ｎｍ］である回折格子についての測定結果を示している。

図１６Ｂに示されるように、溝の深さが少なくとも２０〜３５［ｎｍ］の範囲内においては、溝の深さが大きくなるにつれて、１次回折光の光量は大きくなっていた。また、溝のピッチが４００［ｎｍ］のときの溝の深さに対する１次回折光の光量の増加率と比較して、溝のピッチが３９０［ｎｍ］のときの溝の深さに対する１次回折光の光量の増加率は、より大きかった。また、金属膜なしの回折格子Ａの溝の深さに対する１次回折光の光量の増加率（図１６Ａにおける黒丸（●）参照）と比較して、金属膜ありの回折格子Ａの溝の深さに対する１次回折光の光量の増加率（図１６Ｂにおける黒丸（●）参照）は、より大きかった。これらの結果から、溝の深さとｍ次回折光の光量とは相関があるが、当該相関関係は、金属膜の有無および溝のピッチの違いに応じて、相関係数が異なることがわかる。すなわち、ｍ次回折光の光量に基づいて溝の深さを決定する場合には、金属膜の有無および溝のピッチの違いに応じた検量線を準備しておく必要があることがわかる。

［実施例８］
実施例８では、検出チップにおける溝のピッチと、光の反射率との関係について調べるためにシミュレーションを行った。

実施例８では、溝の深さが３０［ｎｍ］であり、溝の幅と溝のピッチとの比が１：２であり、かつ溝のピッチが３５０［ｎｍ］、４００［ｎｍ］または４５０［ｎｍ］のいずれかである回折格子を含む金属膜が形成されている３種類の検出チップを使用した。実施例８では、入射角０〜３５°の範囲内において検出チップの回折格子に光を照射したときの光の反射率をシミュレーションにより調べた。表面プラズモン共鳴が生じる条件では、反射光は、ほとんど生じないため、反射率が低下する。すなわち、また、反射率が小さくなるほど、表面プラズモン共鳴に起因する、より大きい増強電場が生じることを意味し、ＳＰＦＳ装置において、被検出物質を標識する蛍光物質から放出され、検出される蛍光値が大きくなることを意味する。

図１７は、実施例８の結果を示す。なお、図１７において、横軸は、回折格子に対する光の入射角を示しており、縦軸は、光の反射率を示している。なお、黒丸（●）は、溝のピッチが３５０［ｎｍ］である回折格子を含む検出チップについてのシミュレーション結果を示し、白丸（○）は、溝のピッチが４００［ｎｍ］である回折格子を含む検出チップについてのシミュレーション結果を示し、黒菱形（◆）は、溝のピッチが４５０［ｎｍ］である回折格子を含む検出チップについてのシミュレーション結果を示している。

図１７に示されるように、溝のピッチが変化するにつれて、反射率も変化していた。この結果から、溝の深さおよび光の反射率には相関があることがわかる。すなわち、ＳＰＦＳ装置において、検出チップにおける回折格子の溝のピッチを測定することができれば、その測定結果に基づいて、増強度の変化を推定し、被検出物質の存在または量を示すシグナル値を補正して、より高精度に被検出物質の存在または量を検出することができることがわかる。

［実施例９］
実施例９では、検出チップにおける溝の深さと、光の反射率との関係について調べるためにシミュレーションを行った。

実施例９では、溝の深さが２０［ｎｍ］、３０［ｎｍ］または４０［ｎｍ］のいずれかであり、溝の幅と溝のピッチとの比が１：２であり、溝のピッチが４００［ｎｍ］である回折格子を含む金属膜が形成されている３種類の検出チップを使用した。入射角０〜３５°の範囲内において検出チップの回折格子に光を照射したときの光の反射率をシミュレーションにより調べた。

図１８は、実施例９の結果を示す。なお、図１８において、横軸は、回折格子に対する光の入射角を示しており、縦軸は、光の反射率を示している。なお、黒三角（▲）は、溝の深さが２０［ｎｍ］である回折格子を含む検出チップについてのシミュレーション結果を示し、白丸（○）は、溝の深さが３０［ｎｍ］である回折格子を含む検出チップについてのシミュレーション結果を示し、黒四角（■）は、溝の深さが４０［ｎｍ］である回折格子を含む検出チップについてのシミュレーション結果を示している。

図１８に示されるように、溝の深さが変化するにつれて、光の反射率も変化していた。この結果から、溝の深さおよび光の反射率には相関があることがわかる。すなわち、ＳＰＦＳ装置において、検出チップにおける回折格子の溝の深さを測定することができれば、その測定結果に基づいて、増強度の変化を推定し、被検出物質の存在または量を示すシグナル値を補正して、より高精度に被検出物質の存在または量を検出することができることがわかる。

下記式（１０）で表される格子方程式から明らかなように、ｍ次回折光ε_ｍの回折角θ_ｍは、溝のピッチｄと相関はあるが、溝の深さとは、相関がない。

［上記式（１０）において、ｎは媒体の屈折率であり、ｄは溝のピッチであり、θは光δの入射角であり、θ_ｍはｍ次回折光ε_ｍの回折角であり、ｍは回折次数を表す整数であり、λは光δの波長である。］

一方、下記式（１１）で表される表面プラズモン共鳴の共鳴条件式から明らかなように、ＳＰＲに起因する放射光の放射角θ’は、回折格子の誘電率ε_２（ｄ，Ｈ）、すなわち回折格子における溝のピッチｄおよび溝の深さＨと相関がある。したがって、上記実施の形態３に係る検出装置においては、検出チップにおける回折格子の溝のピッチｄだけでなく、溝の深さＨも考慮して、被検出物質の存在または量を示すシグナル値を補正する必要がある。これは、上記実施例８、９の結果と一致している。

［上記式（１１）において、ｎは媒体の屈折率であり、ｋ_０は放射光の波数ベクトルであり、θ’は放射光の放射角であり、ｍは回折次数を表す整数であり、ｄは溝のピッチであり、ｋ_ｓｐは表面プラズモンの波数ベクトルであり、ωは入射光の振動エネルギーであり、Ｃは光速であり、ε_１は媒体の誘電率であり、ε_２は回折格子の誘電率である。］

本出願は、２０１６年２月８日出願の特願２０１６−０２２１３１に基づく優先権を主張する。当該出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。

本発明に係る形状測定方法および形状測定装置によれば、回折格子の形状を高い信頼性で測定することができるため、例えば光ディスクなどの半導体製品の検査などに有用である。また、本発明に係る検出方法および検出装置によれば、被検出物質を高い信頼性で検出することができるため、例えば臨床検査などに有用である。

１０ 回折格子
１００、２００ 形状測定装置
１１０ ホルダー
１２０ 光照射部
１２１ 光源
１２２ 第１レンズ
１２３ アパーチャー
１２４ 第２レンズ
１２５ マスク
１２６ 光学フィルター
１３０ 回折光検出部（光検出部）
１３１ 受光センサー
１３２ 第３レンズ
１３３ スリット
１３４ 第４レンズ
１３５ 第１位置切替え機構
１３６ 第２位置切替え機構
１４０、２４０、３４０ 制御処理部（処理部）
３０ 検出チップ
３１ 基板
３２ 金属膜
３３ 回折格子
３４ 枠体
３５ 捕捉体
３００ ＳＰＦＳ装置
３５０ 励起光照射部
３５１ 光源ユニット
３６０ 蛍光検出部
３６１ 第２受光センサー
３７０ 送液部
３７１ 液体チップ
３７２ ピペット
３７３ シリンジポンプ
３７４ ピペットチップ
３８０ 搬送部
３８１ 搬送ステージ
３８２ チップホルダー
１００’ 形状測定装置
１２０’ 第２光照射部
１２１’ 光源
１３０’ 反射光検出部
１３１’ 第３受光センサー
１３２’ ビームスプリッター
１４０’ 制御処理部
α 励起光
β 蛍光
γ 反射光
δ 光
ε_ｍ、ε_ｍ’ ｍ次回折光

Claims (24)

1. 回折格子の溝の形状を測定するための形状測定方法であって、
   一定の幅の複数の溝が一定のピッチで互いに平行となるように配置されている回折格子に光を照射したときに、前記回折格子で生じる回折光に含まれるｍ次回折光を検出する工程と、
   前記ｍ次回折光の回折角に基づいて、前記溝のピッチを決定する工程と、
   前記ｍ次回折光の光量に基づいて、前記溝の深さを決定する工程と、
   を含む、形状測定方法。
2. 前記ｍ次回折光を検出する工程は、
   前記ｍ次回折光をフォーカス位置で検出する工程と、
   前記ｍ次回折光をデフォーカス位置で検出する工程と、
   を含み、
   前記溝のピッチを決定する工程では、前記フォーカス位置および前記デフォーカス位置における前記ｍ次回折光の検出位置のずれにより特定される前記ｍ次回折光の回折角に基づいて、前記溝のピッチを決定する、
   請求項１に記載の形状測定方法。
3. 前記溝のピッチを決定する工程では、前記ｍ次回折光の回折角と、下記式（１）で表される格子方程式とに基づいて、前記溝のピッチを算出する、請求項１に記載の形状測定方法。
   

   

   ［上記式（１）において、ｄは前記溝のピッチであり、θは前記光の入射角であり、θ_ｍは前記ｍ次回折光の回折角であり、ｍは回折次数を表す整数であり、λは前記光の波長である。］
4. 前記溝の深さを決定する工程では、前記ｍ次回折光の光量と、前記ｍ次回折光の光量および前記溝の深さについての検量線とに基づいて、前記溝の深さを決定する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の形状測定方法。
5. 前記回折格子の表面の欠陥を検出する工程をさらに有し、
   前記ｍ次回折光を検出する工程では、前記回折格子の表面の像を撮像し、
   前記欠陥を検出する工程では、撮像した前記回折格子の表面の像に基づいて欠陥を検出する、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の形状測定方法。
6. 前記ｍ次回折光は、１次回折光である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の形状測定方法。
7. 前記ｍ次回折光を検出する工程では、半値幅が５０ｎｍ以下である光を前記回折格子に照射する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の形状測定方法。
8. 前記ｍ次回折光を検出する工程では、半値幅が５ｎｍ以下である光を前記回折格子に照射する、請求項７に記載の形状測定方法。
9. 前記ｍ次回折光を検出する工程では、前記回折格子の全面に光を照射する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の形状測定方法。
10. 前記ｍ次回折光を検出する工程では、スーパールミネッセントダイオード、発光ダイオード、および波長選択フィルターを有するランプからなる群から選択される光源からの光を前記回折格子に照射する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の形状測定方法。
11. 回折格子の溝の形状を測定するための形状測定装置であって、
    一定の幅の複数の溝が一定のピッチで互いに平行となるように配置されている回折格子を保持するためのホルダーと、
    前記ホルダーに保持されている前記回折格子に光を照射するための光照射部と、
    前記光照射部が前記回折格子に光を照射したときに、前記回折格子で生じる回折光に含まれるｍ次回折光を検出するための光検出部と、
    前記光検出部により検出された前記ｍ次回折光の回折角に基づいて前記溝のピッチを決定するとともに、前記光検出部により検出された前記ｍ次回折光の光量に基づいて前記溝の深さを決定するための処理部と、
    を有する、形状測定装置。
12. 前記光検出部は、
    前記ｍ次回折光を結像するための結像光学部と、
    前記ｍ次回折光の検出位置を前記ｍ次回折光のフォーカス位置およびデフォーカス位置の間で調整するための検出位置調整部と、
    を有し、
    前記光検出部は、前記検出位置調整部により、前記フォーカス位置または前記デフォーカス位置に検出位置が調整されている状態で前記ｍ次回折光を検出し、
    前記処理部は、前記フォーカス位置および前記デフォーカス位置における前記ｍ次回折光の検出位置のずれにより特定される前記ｍ次回折光の回折角に基づいて、前記溝のピッチを決定する、
    請求項１１に記載の形状測定装置。
13. 前記処理部は、前記ｍ次回折光の回折角と、下記式（１）で表される格子方程式とに基づいて、前記溝のピッチを算出する、請求項１１に記載の形状測定装置。
    

    

    ［上記式（１）において、ｄは前記溝のピッチであり、θは前記光の入射角であり、θ_ｍは前記ｍ次回折光の回折角であり、ｍは回折次数を表す整数であり、λは前記光の波長である。］
14. 前記処理部は、前記ｍ次回折光の光量と、前記ｍ次回折光の光量および前記溝の深さについての検量線とに基づいて、前記溝の深さを決定する、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の形状測定装置。
15. 前記光検出部は、前記ｍ次回折光を検出するための１次元撮像素子または２次元撮像素子を有する、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の形状測定装置。
16. 前記ｍ次回折光は、１次回折光である、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
17. 前記光照射部は、半値幅が５０ｎｍ以下である光を前記回折格子に照射する、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の形状測定装置。
18. 前記光照射部は、半値幅が５ｎｍ以下である光を前記回折格子に照射する、請求項１７に記載の形状測定装置。
19. 前記光照射部は、前記回折格子の全面に光を照射する、請求項１１〜１８のいずれか一項に記載の形状測定装置。
20. 前記光照射部は、スーパールミネッセントダイオード、発光ダイオード、および波長選択フィルターを有するランプからなる群から選択されるいずれかの光源を有する、請求項１１〜１９のいずれか一項に記載の形状測定装置。
21. 前記結像光学部は、スリットまたはアパーチャーをさらに有する、請求項１３に記載の形状測定装置。
22. 前記回折格子に光を照射するための第２光照射部と、
    前記第２光照射部が前記回折格子に光を照射したときの前記回折格子で反射した光を検出するための反射光検出部と、
    をさらに有し、
    前記処理部は、前記反射光検出部の検出結果に基づいて、前記回折格子の傾きを測定する、
    請求項１１〜２１のいずれか一項に記載の形状測定装置。
23. 表面プラズモン共鳴を利用して被検出物質を検出するための検出方法であって、
    一定の幅の複数の溝が一定のピッチで互いに平行となるように配置されている回折格子を含む金属膜を有する検出チップの、前記回折格子に光を照射したときに、前記回折格子で生じる回折光に含まれるｍ次回折光を検出する工程と、
    前記ｍ次回折光の回折角に基づいて、前記溝のピッチを決定する工程と、
    前記ｍ次回折光の光量に基づいて、前記溝の深さを決定する工程と、
    蛍光物質で標識されている被検出物質が前記金属膜上に存在する状態で、前記回折格子に表面プラズモン共鳴が発生するように励起光を照射したときに、前記蛍光物質から放出される蛍光を検出する工程と、
    前記蛍光の検出結果に基づいて、前記被検出物質の存在または量を示すシグナル値を算出する工程と、
    前記溝のピッチ、前記溝の深さ、またはこれら両方に基づいて前記シグナル値を補正する工程と、
    を含む、検出方法。
24. 表面プラズモン共鳴を利用して被検出物質を検出するための検出装置であって、
    一定の幅の複数の溝が一定のピッチで互いに平行となるように配置されている回折格子を含む金属膜を有する検出チップを保持するためのホルダーと、
    前記ホルダーに保持されている前記検出チップの前記回折格子に光を照射するための光照射部と、
    前記ホルダーに保持された前記検出チップの前記回折格子に、表面プラズモン共鳴が発生するように励起光を照射する励起光照射部と、
    前記光照射部が前記回折格子に光を照射したときに、前記回折格子で生じる回折光に含まれるｍ次回折光を検出するとともに、蛍光物質で標識されている被検出物質が前記金属膜上に存在する状態で、前記励起光照射部が前記回折格子に励起光を照射したときに、前記蛍光物質から放出される蛍光を検出するための光検出部と、
    前記光検出部の前記蛍光の検出結果に基づいて、前記被検出物質の存在または量を示すシグナル値を算出し、かつ前記光検出部により検出された前記ｍ次回折光の回折角に基づいて前記溝のピッチを決定するとともに、前記光検出部により検出された前記ｍ次回折光の光量に基づいて前記溝の深さを決定するための処理部と、
    を有し、
    前記処理部は、前記溝のピッチおよび前記溝の深さに基づいて前記シグナル値を補正する、
    検出装置。

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