TWI509231B - 分光裝置、物質檢測裝置及分光裝置之製造方法 - Google Patents

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Description

分光裝置、物質檢測裝置及分光裝置之製造方法
本發明係關於一種分光裝置、檢測裝置及分光裝置之製造方法等。
先前，用於拉曼(Raman)分光器等分光裝置之繞射光柵大多為反射型。作為反射型之繞射光柵，例如有剖面形成為鋸齒狀之炫耀光柵(例如專利文獻1所記載之繞射光柵)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2004-354176號公報
然而，反射型之繞射光柵存在難以使提高波長解析度與擴大可獲得高繞射效率之波長頻帶同時實現的問題。例如，在炫耀繞射光柵中，係藉由剖面形狀炫耀化，使繞射效率得到提高。然而，在炫耀繞射光柵中，若為提高波長解析度而縮短光柵週期，則可獲得高繞射效率之波長頻帶會變得極窄。
根據本發明之若干態樣，可提供能夠同時提高波長解析度與繞射效率之分光裝置、檢測裝置及分光裝置之製造方法等。
本發明之一態樣係關於一種分光裝置，其係包括使入射光穿透之穿透式繞射光柵者；且上述穿透式繞射光柵具有藉由第1介電體而形成之傾斜面；上述傾斜面係相對於基準線而傾斜排列；當將入射光朝向上述穿透式繞射光柵之入射角度相對於上述基準線設為角度α，且將繞射光之繞射角度相對於上述基準線設為角度β之情形時，上述入射角度α係小於相對於上述傾斜面之布拉格(Bragg)角度θ的角度，且上述繞射角度β係大於上述布拉格角度θ的角度。
根據本發明之一態樣，藉由第1介電體而形成之傾斜面係相對於基準線而傾斜排列。並且，朝向穿透式繞射光柵之入射光係以小於布拉格角度θ之角度α入射，藉由穿透式繞射光柵而形成之繞射光係以大於布拉格角度θ之角度β射出。藉此，提高波長解析度，並且擴大可獲得高繞射效率之波長頻帶等成為可能。
又，於本發明之一態樣中，當將上述傾斜面相對於上述基準線之傾斜角度設為Φ 之情形時，上述傾斜面係於與上述基準線垂直之方向上以週期P/cosΦ 而排列，上述入射光亦可為與垂直於上述基準線之平面平行且與上述傾斜面之排列方向垂直之直線偏光。
如此一來，可使傾斜面相對於基準線以角度Φ 傾斜而排列，使與該傾斜面平行且與基準線垂直之直線偏光朝向穿透式繞射光柵入射，從而獲得其繞射光。
又，於本發明之一態樣中，亦可於將上述傾斜面相對於上述基準線之傾斜角度設為Φ 之情形時，上述穿透式繞射光柵係藉由在具有與上述基準線垂直之平面之基材上，將由上述第1介電體所形成之突起群沿著與上述基材之平面平行之方向以週期P/cosΦ 排列而形成，且於上述突起群上形成相對於上述基準線以上述角度Φ 傾斜之上述傾斜面。
如此一來，藉由突起群呈週期性排列，可實現以在垂直於傾斜面之方向上的週期成為P之方式排列之傾斜面。
又，於本發明之一態樣中，上述傾斜角度Φ 亦可於投影至上述基材之平面的俯視時，以上述突起群之相鄰突起不重疊之方式設定。
如此一來，可於投影至基材之平面之俯視時以相鄰突起不重疊之方式設定傾斜角度Φ 。藉此，模擬精度之提高等成為可能。
又，於本發明之一態樣中，亦可於將上述傾斜面相對於上述基準線之傾斜角度設為Φ 之情形時，上述穿透式繞射光柵係藉由在具有與上述基準線垂直之平面之基材上，將上述第1介電體與介電常數不同於上述第1介電體之第2介電體沿著與上述基材之平面平行之方向以週期P/cosΦ 交替排列而形成，上述傾斜面係上述第1介電體與上述第2介電體之交界面，由相對於上述基準線以上述角度Φ 傾斜之交界面所形成。
如此一來，藉由第1介電體與第2介電體呈週期性排列，可實現以在垂直於傾斜面之方向上之週期成為P之方式排列之傾斜面。
又，於本發明之一態樣中，上述穿透式繞射光柵亦可於上述入射光所入射之上述基材之第1面側上形成上述傾斜面，且於上述繞射光所射出之上述基材之第2面側上形成抗反射膜。
如此一來，可使入射光不通過基材而入射至傾斜面。又，可藉由抗反射膜抑制繞射光之反射。藉此，可實現高效率之分光。
又，本發明之又一態樣係關於一種檢測裝置，其包括：分光裝置，其係如上述項中任一項者；光學系統，其係使來自標的物之散射光或反射光以小於上述布拉格角度θ之上述入射角度α入射至上述分光裝置；及檢測器，其係檢測來自上述分光裝置之繞射光。
又，本發明之另一態樣係關於一種分光裝置之製造方法，該分光裝置係如上述項中任一項者，該製造方法係對塗佈於基材上之光阻劑入射第1雷射光與第2雷射光，對上述光阻劑進行干涉曝光，繼而使經上述干涉曝光之光阻劑顯影，形成相對於朝向上述基材之平面的垂線以傾斜角度Φ 傾斜之光阻圖案。
以下，對本發明之較佳實施形態進行詳細說明。再者，以下所說明之本實施形態並非不當限定申請專利範圍中所記載之本發明之內容者，且本實施形態中所說明之所有構成不一定為本發明之必需之解決手段。
1.比較例
如上所述，炫耀繞射光柵存在難以同時兼顧波長解析度與繞射效率之問題。關於此點，利用圖1、圖2進行說明。
圖1表示炫耀繞射光柵之例作為本實施形態之比較例。如圖1所示，將炫耀繞射光柵之光柵週期設為Pa，將入射光之波長設為λa，將入射光之入射角度設為αa，將繞射光之繞射角度設為βa。
首先，考慮波長解析度。繞射光柵之波長解析度Δβ/Δλ可用下式(1)表示。根據下式(1)可知，為提高波長解析度Δβ/Δλ，只要減小光柵週期Pa，增大繞射角度βa即可。
Δβ/Δλ=1/(Pa‧cosβa)　(1)
圖2係於上式(1)中設波長λa=633 nm，光柵週期Pa=333 nm之情形時相對於繞射角度βa之波長解析度Δβ/Δλ之特性例。於該例中，波長與光柵週期之比為λa/Pa=1.9。此時，如圖2所示，若將繞射角度βa設為70°，則波長解析度Δβ/Δλ大致提高至0.009。
其次，考慮繞射效率。於反射型繞射光柵之情形時，可藉由使其剖面形狀炫耀化而提高繞射效率。然而，若為提高波長解析度Δβ/Δλ而減小光柵週期Pa，則即便使剖面形狀炫耀化亦難以獲得高繞射效率(最新繞射光學元件技術全集，技術資訊協會，p.107-p.120(2004))。如此，炫耀繞射光柵等反射型繞射光柵變得難以同時實現高波長解析度與高繞射效率。
例如，在拉曼分光器等分光裝置中，需要於較寬之波段內同時滿足高波長解析度與高繞射效率之繞射光柵。於拉曼分光中，來自試料之散射光主要為瑞利(Rayleigh)散射光與拉曼散射光(以下，著重關注相對於瑞利散射波長λray，拉曼散射波長成為λray+Δλ之斯托克斯(Stokes)成分)。該拉曼分光在實際應用上存在若干問題。首先，拉曼散射光之強度相較於瑞利散射光之強度極其微弱。其次，於藉由拉曼分光對物質進行特定之情形時，必需以0.5 nm左右之波長解析度對自試料散射之拉曼散射光進行分光。此外，瑞利散射光與拉曼散射光之波長差為100 nm左右。若考慮到該等方面，則拉曼分光時所使用之繞射光柵中，要求可於自可見區域至近紅外(波長400 nm~1100 nm)區域內獲得0.5 nm左右之高波長解析度。此外，要求可於100 nm左右之較寬波長頻帶內獲得高繞射效率。
2.構成例
於本實施形態中，使產生布拉格反射之週期構造傾斜，增大繞射角度，並且爭取獲得更大之光柵週期，藉此進行波長解析度之提高與繞射效率之寬頻化。使用圖3(A)~圖6(B)，說明上述本實施形態之穿透式繞射光柵(以下簡稱為繞射光柵)。再者，以下為將各構成要素設為於圖式上可識別之程度之大小，適當地使各構成要素之尺寸及比率與實物有所不同。
此處，以下說明將繞射光柵用於表面增強拉曼散射分光之情況，但本實施形態中並不限定於該情況，而可將繞射光柵用於各種分光方法。
圖3(A)表示本實施形態之繞射光柵之構成例之剖面圖。該繞射光柵係表面凹凸型繞射光柵，包括基材100(基板)、突起群110(凸部)。再者，圖3(A)係與基材100之平面垂直且與突起群110之排列方向平行之面上之剖面圖。
基材100係由使入射光穿透之石英玻璃基板等介電體所形成，且形成為四角形平板狀或圓板狀。所謂使入射光穿透，不僅包括對於入射光之波長(使用波長)為透明之情況，而且包括使入射光量之一部分穿透之半透明之情況。
突起群110係由第1介電體(例如與基材100相同之介電體)所形成，且沿著與基材100之平面平行之方向以週期P/cosΦ (光柵間隔)而排列。所謂基材100之平面，係例如與形成突起群110之側之基材100的表面120(第1面)平行之面。突起群110係相對於基準線130以角度Φ (Φ >0°)傾斜而形成。更具體而言，於突起群110之各突起上，形成有相對於基準線130以角度Φ 傾斜之傾斜面140(或傾斜面150)。所謂基準線130，係成為傾斜角度Φ 、入射角度α、或繞射角度β之基準之線，例如係相對於基材100之平面的垂線(法線)。傾斜面140中，在垂直於傾斜面140之方向上之週期為P，繞射光(布拉格反射光)係藉由該週期P之週期構造而產生。再者，較理想的是使用波長λ與光柵週期P滿足1.0<λ/P<2.0。又，較理想的是光柵週期P為200~1100 nm，且突起群110之高度為500~3000 nm。又，較理想的是傾斜角度為Φ <45°。
如圖3(A)所示，對於繞射光柵，波長為λ之入射光以角度α入射，繞射光以角度β穿透基材100之背面160(第2面)側。此處，所謂基材100之背面160，係未形成突起群110之側之面。此時，以傾斜角度Φ 傾斜之繞射光柵之波長解析度Δβ/Δλ可用下式(2)表示。再者，若下式(2)中設為Φ =0，則可獲得上式(1)，成為表示無傾斜之情形時之波長解析度之式。
Δβ/Δλ=cosΦ /(P‧cosβ)　(2)
其次，說明本實施形態之提高波長解析度與繞射效率之方法。如圖3(B)所示，於本實施形態中，係利用藉由傾斜面140(或傾斜面150)之週期構造而產生之布拉格反射。圖3(B)中，為方便起見，就傾斜角度Φ =0°之情況進行考慮。若將產生布拉格反射之入射光之入射角度設為布拉格角度θ，則布拉格條件可用下式(3)表示。布拉格角度θ係相對於傾斜面140之角度。又，n為空氣(廣義上為介質)之折射率。
2nPsinθ=λ　(3)
如比較例中所說明，為增大波長解析度Δβ/Δλ，必需增大布拉格角度θ(繞射角度)。根據上式(3)可知，若增大布拉格角度θ，則必需減小P。然而，如比較例中所說明，若減小P，則繞射效率較高之波長頻帶會變窄。因此，於本實施形態中，如圖3(A)所示，藉由使突起群110傾斜而增大繞射角度β。此時，入射角度α近似為α=θ-Φ ，且繞射角度β近似為β=θ+Φ 。如此，藉由使突起群110傾斜可使布拉格角度θ小於繞射角度β，故可藉由繞射角度β而增大波長解析度Δβ/Δλ，並且使週期P為較Φ =0°之情形時更大之值。
如此般，可同時實現如下兩者：增大繞射角度β而提高波長解析度，以及於可獲得必需之波長解析度之範圍內儘可能地增大週期P而使繞射效率寬頻化。再者，如下所述，嚴密而言，並不限定於入射角度α=θ-Φ 、繞射角度β=θ+Φ 。
3.具體構成例
圖4表示相對於繞射角度β之波長解析度Δβ/Δλ之特性例。圖4係波長λ=633 nm、光柵週期P=366 nm、傾斜角度Φ =10°之情形時之例，且初級穿透繞射光之布拉格角度為θ=59.9°。光柵週期P=366 nm係與上述比較例中之光柵週期Pa=333 nm相比大10%之值。又，根據上式(2)，該繞射光柵之波長解析度與週期為P/cosΦ =366/cos(10°)=372 nm之無傾斜之繞射光柵之波長解析度相同。
於無光柵傾斜之Φ =0°之情形時，繞射角度在布拉格角度θ=59.9°之附近，初級繞射光之繞射效率成為最大。此時，如圖4所示，波長解析度處於Δβ/Δλ=0.005。另一方面，於使光柵傾斜Φ =10°之情形時，繞射角度擴大至β=73°，因此波長解析度自Φ =0°之情形時提高約1.8倍而成為Δβ/Δλ=0.009以上。該波長解析度係與上述比較例相等之波長解析度。如此，藉由使繞射光柵以角度Φ =10°傾斜，而於繞射角度β=73°之附近實現高繞射效率。
圖5(A)、圖5(B)表示相對於入射角度α之繞射效率之特性例。該例係波長λ=633 nm、光柵週期P=366 nm、光柵之高度為745 nm之情形時之特性例。又，光柵之基材(及突起群)為石英玻璃，且將其折射率設為1.46。入射光為直線偏光，且其偏光方向(偏光方位)與光柵之溝槽平行。
如圖5(A)之A1所示，於無繞射光柵之傾斜之Φ =0°之情形時，於入射角度α在布拉格角度59.9°之附近時可獲得高繞射效率。入射角度α為59.9°時，繞射角度β亦為59.9°。另一方面，如圖5(B)之B1所示，於繞射光柵之傾斜為Φ =10°之情形時，於入射角度α成為在43°之附近時可獲得高繞射效率。根據該特性，若例如將入射角度α設為46°，則繞射角度β成為73°。此時，圖4中，如上所述，波長解析度Δβ/Δλ提高1.8倍而大致成為0.009。
如此，即便於藉由使繞射光柵傾斜10°而使光柵週期與比較例相比大10%之條件下，亦可使波長解析度Δβ/Δλ提高至與比較例相等之0.009。其原因在於，藉由使繞射光柵傾斜而改變布拉格角度，可充分地增大繞射角度β。
圖6(A)、圖6(B)表示相對於波長λ之繞射效率之特性例。該例係波長λ=633 nm、光柵週期P=333 nm(圖6(A))、P=366 nm(圖6(B))之情形時之特性例。又，入射光為直線偏光，其偏光方向與光柵之溝槽平行。
如以上比較例中所述，只要於光柵週期P相對較小之條件下，即便不使光柵傾斜，亦可期待高波長解析度Δβ/Δλ。然而，若減小光柵週期P，則可獲得高繞射效率之波長頻帶會變窄。具體而言，如圖6(A)所示，於光柵週期P為333 nm之條件下，例如，可獲得0.8以上之高繞射效率之波長頻帶為560 nm~640 nm而較窄，從而無法確保拉曼分光所要求之波長頻帶100 nm。其原因在於，可獲得高繞射效率之波長頻帶之長波長端接近於繞射區域(例如λ/P≦2)與非繞射區域(λ/P>2)之交界。
另一方面，如圖6(B)所示，於光柵週期P為366 nm之條件下，可獲得高繞射效率之波長頻帶之長波長端則遠離繞射區域與非繞射區域之交界。因此，可獲得0.8以上之高繞射效率之波長頻帶擴大至長波長側而成為565 nm~675 nm，從而可確保拉曼分光所要求之波長頻帶100 nm。
且說，在炫耀光柵等反射型繞射光柵中，為提高波長解析度而必需減小繞射角度β與週期P，故存在難以同時提高波長解析度與繞射效率之頻寬的問題。
關於此點，本實施形態係使入射光穿透之穿透式繞射光柵(廣義上為分光裝置)。如圖3(A)所示，穿透式繞射光柵具有藉由第1介電體而形成之傾斜面140(或傾斜面150)。該傾斜面140係相對於基準線130以角度Φ 傾斜，且以垂直於傾斜面140之方向上之週期成為P之方式排列。入射光朝向穿透式繞射光柵之入射角度相對於基準線130為角度α，且繞射光之繞射角度相對於基準線130為角度β。於此情形時，入射光係以小於取決於傾斜面140之週期P的布拉格角度θ的入射角度α(α<θ)入射。繞射光係以大於布拉格角度θ之繞射角度β(β>θ)繞射。
藉此，可提高波長解析度，且擴大高繞射效率之頻帶。具體而言，藉由將傾斜面140以週期P排列，於繞射光柵上形成一維週期性介電常數分佈。繼而，如圖5(B)所示，藉由使該介電常數分佈相對於光柵表面例如以Φ =10°傾斜，可使入射角度為α=43°而小於無傾斜時之布拉格角度θ=59.9°，且使穿透繞射角度為β=73°而大於無傾斜時之布拉格角度θ=59.9°。即，藉由使介電常數分佈傾斜，使可獲得最大繞射效率之光入射角度α自布拉格角度θ變為較小之角度。藉此，即便於繞射光柵之週期P相對較大之條件下，亦可充分地提高其波長解析度Δβ/Δλ。如此般，於本實施形態中，在較寬之波長頻帶內(例如圖6(B))同時滿足高波長解析度(例如圖4)與高繞射效率。例如，當將本實施形態應用於拉曼分光之情形時，可將具有較寬波長頻帶之微弱之拉曼散射光高效地導入至光檢測器。
又，於將訊號光與雜散光分離之方面，亦可期待獲得不再需要先前一直被認為必需之昂貴之帶通過濾器的效果。即，由於可獲得高波長解析度，故而拉曼散射光與瑞利散射光可充分地分離，從而無需使用阻斷特性顯著之過濾器。又，由於本實施形態之繞射光柵為穿透式，故可提高透鏡或鏡等光學要素之配置自由度，可使分光裝置小型化。
再者，在圖3(A)所示之剖面上，入射光之入射角度α係例如相對於基準線130為第1方向(逆時針方向、正方向)之角度。於此情形時，傾斜面140之傾斜角度Φ 係相對於基準線130為與第1方向不同之第2方向(順時針方向、負方向)的角度。
又，於本實施形態中，相對於穿透式繞射光柵之入射光係與傾斜面140平行且與基準線130垂直之直線偏光。
如此一來，可使與光柵之溝槽(週期性介電常數分佈)平行之直線偏光作為入射光入射。藉此，可實現如上所述之繞射效率特性(例如圖5(B)之B1所示之特性)。再者，本實施形態中並不限定於該情形，只要入射光包含與傾斜面140平行且與基準線130垂直之偏光成分即可。
又，於本實施形態中，如圖3(A)所示，穿透式繞射光柵係藉由如下方式形成：於具有與基準線130垂直之平面(例如表面120)之基材100上，將由第1介電體所形成之突起群110沿著與基材100之平面平行之方向以週期P/cosΦ 而排列。並且，在突起群110上形成相對於基準線130以角度Φ 傾斜之傾斜面140。
如此一來，藉由突起群110呈週期性排列，可實現在垂直於傾斜面140之方向上之週期為P之傾斜面140。藉此，可實現傾斜之凹凸型穿透式繞射光柵。
又，於本實施形態中，傾斜角度Φ 係於投影至垂直於基材100之平面之俯視時以突起群110之相鄰突起不重疊之方式設定。
如此一來，藉由設定為突起不重疊之傾斜角度Φ ，可抑制突起群110之高度，從而使突起群110之製造變得容易。又，由於可高精度地進行繞射效率等之模擬，故可實現可靠性較高之設計。
又，於本實施形態中，如以下藉由圖8所述，穿透式繞射光柵亦可藉由如下方式形成：於具有與基準線130垂直之平面之基材100上，將第1介電體層170(第1介電體)與介電常數(折射率)不同於第1介電體層170之第2介電體層180(第2介電體)沿著與基材100之平面平行之方向以週期P/cosΦ 而交替排列。於此情形時，傾斜面140(或傾斜面150)係由第1介電體層170與第2介電體層180之交界面所形成。
如此一來，第1介電體層170與第2介電體層180之交界面呈週期性排列，故可藉由該交界面而實現在垂直於傾斜面140之方向上之週期為P的傾斜面140。藉此，可實現傾斜之折射率調變型穿透式繞射光柵。
又，於本實施形態中，如以下藉由圖11(A)所述，穿透式繞射光柵係於入射光所入射之基材100之表面120(第1面)側形成傾斜面140，且於繞射光所射出之基材100之背面160(第2面)側形成抗反射膜190。
如此一來，可抑制繞射角度β較大之繞射光於基材100之背面160反射而使朝向背面160側之穿透繞射光減少之情況。藉此，使穿透繞射光高效地掠出，故可實現高靈敏度之感測。又，由於入射光不通過基材100而入射至傾斜面140，故可獲得高效率之繞射光。
4.製造方法
使用圖7(A)~圖7(D)，說明具有傾斜之突起群之穿透式繞射光柵之製造方法。
首先，如圖7(A)所示，於石英玻璃基板200上塗佈光阻劑210。然後，照射入射角度為θ1之雷射光LS1與入射角度為θ2之雷射光LS2，對光阻劑210進行雷射干涉曝光。由干涉曝光產生之干涉條紋之間隔D可用下式(4)表示。λs係雷射光LS1、LS2之波長。又，光阻劑中之干涉條紋之傾斜角度Φ 可用下式(5)表示。nr 係相對於曝光波長λs之光阻劑210之折射率。又，設為θ2>θ1。
D=λs/(sin(θ1)+sin(θ2))　(4)
Φ =(sin-1 (sin(θ2)/nr )-sin-1 (sin(θ1)))/2　(5)
例如，干涉曝光用之雷射光源為連續振盪之氦鎘雷射(He-Cd Laser)(波長λs=325 nm)，光阻劑210為正型光阻劑，光阻劑膜厚為1 μm。又，例如，雷射光之入射角度為θ1=9.1°，θ2=45.7°，且光阻劑之折射率為nr =1.60。此時，根據上式(4)，在平行於基板200之平面的方向上之干涉條紋之間隔為D=372 nm。又，根據上式(5)，干涉條紋之傾斜角度Φ 為約10°(Φ =10.4°)。在垂直於傾斜角度之方向上之干涉條紋之週期為D‧cosΦ =366 nm。如此般，將基板200相對於法線之干涉角度設為左右(θ1與θ2)不對稱，從而在光阻劑210中形成傾斜之干涉條紋之潛像。
其次，如圖7(B)所示，使所曝光之光阻劑210顯影，獲得經傾斜10°之一維光阻圖案220。繼而，如圖7(C)所示，將光阻圖案220作為遮罩，自傾斜10°之方向起對石英玻璃基板進行各向異性乾式蝕刻。作為蝕刻氣體，例如使用CF4 或CHF3 。蝕刻深度可根據蝕刻時間之長短而調節。繼而，如圖7(D)所示，藉由氧電漿而去除蝕刻後所殘留之光阻劑。如此般，形成經傾斜10°之突起群240排列於基材230之表面的一維穿透式繞射光柵。
再者，以上係說明藉由與基材100相同之石英玻璃而形成突起群240之例，但本實施形態並不限定於此。例如，亦可將樹脂(聚合物)填充於圖7(B)所示之光阻圖案220，使該樹脂硬化，將光阻圖案220剝離，藉此利用不同於基材100之素材形成突起群240。
5.第2構成例
上述實施形態中，係說明藉由突起群之傾斜面而產生布拉格反射之繞射光柵，但於本實施形態中，亦可藉由傾斜之折射率調變構造而產生布拉格反射。
圖8表示本實施形態之第2構成例之剖面圖。該穿透式繞射光柵包括基材100、第1介電體層170、第2介電體層180。第1介電體層170係由具有第1介電常數(第1折射率)之第1介電體所形成。第2介電體層180係由具有與第1介電常數不同之第2介電常數(第2折射率)之第2介電體所形成。
第1介電體層170與第2介電體層180係呈週期性交替排列。具體而言，第1介電體層170係沿著與基材之平面平行之方向以週期P/cosΦ 而排列。第2介電體層180係形成於第1介電體層170之層間。第1介電體層170與第2介電體層180之交界面係形成相對於基準線130以角度Φ 傾斜之傾斜面140(或傾斜面150)。在垂直於交界面之方向上之第1介電體層170(或第2介電體層180)的排列週期為週期P。
例如，該穿透式繞射光柵係藉由以下步驟而製造。首先，將第1樹脂(第1聚合物)填充於圖7(B)所示之光阻圖案220，使該第1樹脂硬化，將光阻圖案220剝離，形成第1介電體層170。其次，將第2樹脂(第2聚合物)填充於該第1介電體層170之層間，使該第2樹脂硬化，形成第2介電體層180。
6.檢測裝置
圖9(A)、圖9(B)表示應用有本實施形態之繞射光柵的檢測裝置之第1構成例。該檢測裝置包括拉曼感測器300(感測晶片、光器件)、第1凹面鏡310、帶通過濾器320、偏光板330、繞射光柵340、第2凹面鏡350、陣列(array)光檢測器360(檢測器)、光源370、流線式過濾器380。該檢測裝置係將一個繞射光柵340與兩個凹面鏡310、350以特定之位置關係配置而成之單分光裝置。再者，以下係說明用以進行拉曼分光測定之檢測裝置，但本實施形態之繞射光柵亦可應用於使用其他分光方法之檢測裝置。
如圖9(B)所示，來自光源370之雷射光藉由流線式過濾器380而反射，並照射至拉曼感測器300上之試料390(標的物)。例如，光源370為連續振盪之氦氖雷射(He-Ne Laser)(波長633 nm、輸出20 mW)。被照射雷射光之試料390藉由利用拉曼感測器300之表面增強拉曼散射而產生瑞利散射光與拉曼散射光。該等散射光入射至流線式過濾器380。該流線式過濾器380反射雷射光之波長(633 nm)之光，然後使長波長之光穿透。即，藉由流線式過濾器380，瑞利散射光被反射，而拉曼散射光則穿透。所穿透之拉曼散射光入射至凹面鏡310，並藉由凹面鏡310而成為平行光。
其次，如圖9(A)所示，來自凹面鏡310之反射光通過帶通過濾器320與偏光板330，以特定之入射角度α入射至繞射光柵340。帶通過濾器320進而阻斷瑞利散射光，僅使拉曼散射光穿透。偏光板330使朝向繞射光柵340之入射光成為直線偏光，並使其偏光方位與繞射光柵340之溝槽平行。朝向繞射光柵340之入射光以繞射角度β穿透繞射而分光。經分光之拉曼散射光具有每個波長略有不同之繞射角度，且於各波長上為平行光。上述經分光之拉曼散射光向凹面鏡350入射，且藉由凹面鏡350聚集於陣列光檢測器360上，而形成光譜分佈。繼而，藉由陣列光檢測器360而檢測拉曼散射光之光譜分佈。
其次，具體說明該檢測裝置之波長解析度。若將陣列光檢測器360上之瑞利散射光之位置設為X(λ)，將拉曼散射光(斯托克斯光)之位置設為X(λ+Δλ)，則該等位置間之距離可用下式(6)表示。此處，f為凹面鏡350之聚光距離(焦點距離)，Δβ/Δλ為繞射光柵之波長解析度。
X(λ+Δλ)-X(λ)=f‧Δλ‧(Δβ/Δλ)　(6)
根據上式(6)可知，於波長解析度Δβ/Δλ充分大之情形時，即便凹面鏡之聚光距離f較短，亦可於拉曼散射光與瑞利散射光之間較廣地進行分光。因此，藉由使用本實施形態之高解析度之繞射光柵，可縮短凹面鏡350之聚光距離f而緊湊地配置各構成要素，從而使分光器小型化。
例如，在藉由圖3(A)等所說明之繞射光柵中，繞射光柵之週期為366 nm(2700根/mm)，傾斜角度為10°，波長解析度為0.009 rad/nm。於此情形時，可使用焦點距離f=10 mm之凹面鏡，使波長差Δλ=0.5 nm之兩種散射光成分在陣列光檢測器360上相隔45 μm。該距離係可使用一般之陣列光檢測器充分地解像之距離。如此，藉由使用本實施形態之繞射光柵，即便為聚光距離較短之凹面鏡亦可實現充分之解析度。又，自瑞利散射光至拉曼散射光之距離成為45 μm×100/0.5=9 mm左右。該距離係可充分地分離瑞利散射光與拉曼散射光之距離。因此，相對於用以阻斷瑞利散射光的帶通過濾器320之特性之負荷得到大幅度減輕。於檢測精度可相對較低之分光用途中，可省略帶通過濾器320。
圖10(A)、圖10(B)表示應用有本實施形態之繞射光柵的檢測裝置之第2構成例。該檢測裝置包括拉曼感測器300、帶通過濾器320、偏光板330、繞射光柵340、凹面鏡350、陣列光檢測器360、光源370、流線式過濾器380、透鏡400。該檢測裝置係將1個繞射光柵340與1個凹面鏡350以特定之位置關係配置而成之單分光裝置。再者，對與圖9(A)、圖9(B)中所說明之構成要素相同之要素附加相同符號，且適當地省略說明。
如圖10(B)所示，來自光源370之雷射光藉由流線式過濾器380而反射，照射至拉曼感測器300上之試料390(標的物)。來自試料390之散射光入射至流線式過濾器380，而使拉曼散射光穿透。所穿透之拉曼散射光入射至透鏡400，並藉由透鏡400而成為平行光。
其次，如圖10(A)所示，來自透鏡400之平行光通過帶通過濾器320與偏光板330，以特定之入射角度α入射至繞射光柵340。透鏡400使來自試料390之散射光全部變成平行度較高之平行光線而入射至繞射光柵340，故繞射光柵340可充分地發揮其波長解析度，並且對極微弱光進行分光。朝向繞射光柵340之入射光以繞射角度β穿透繞射而分光。經分光之拉曼散射光向凹面鏡350入射，藉由凹面鏡350而聚集於陣列光檢測器360上，繼而藉由陣列光檢測器360而檢測光譜分佈。
根據該第2構成例，與上述第1構成例同樣地，可藉由聚光距離較短之(例如f=10 mm)凹面鏡350而獲得充分之解析度(例如45 μm/0.5 nm)，或減輕帶通過濾器320之負荷。又，可相較於第1構成例進一步縮小檢測裝置之構成於空間上所占之體積，從而可使檢測裝置緊湊化。又，第2構成例中，係使平行之散射光向流線式過濾器380入射，故可更有效地利用流線式過濾器380之波長選擇作用。
使用圖11(A)、圖11(B)，說明朝向繞射光柵340之入射光之入射方向。在圖11(A)所示之配置例中，入射光係自繞射光柵340之凹凸面側(排列有突起群110之表面120側)入射。另一方面，在圖11(B)之配置例中，入射光係自繞射光柵340之背面160側入射。無論哪一配置例，於基材100之背面160側均形成有抗反射膜190。藉由該抗反射膜190，可抑制繞射光或入射光之反射，故可實現接近於理論值之高繞射效率。再者，由於繞射效率之波長相依性及角度相依性根據光之入射方向而略有不同，故較理想的是以上述配置例中特性更優異之配置而使用繞射光柵。
再者，如上所述已對本實施形態進行詳細說明，但業者當可容易理解可進行實質上不脫離本發明之新穎事項及效果之大量變形。因此，上述變形例均應包含於本發明之範圍內。例如，於說明書或圖式中，至少一次與更廣義或同義之不同用語(繞射光柵、感測晶片、檢測器等)一併記載之用語(穿透式繞射光柵、拉曼感測器、陣列光檢測器等)亦可於說明書或圖式之任一部分中替換成其不同用語。又，繞射光柵、分光裝置、檢測裝置等之構成、動作亦不限定於本實施形態中所說明者，而可實施各種變形。
100．．．基材
110．．．突起群
120．．．基材之表面
130．．．基準線
140、150．．．傾斜面
160．．．基材之背面
170．．．第1介電體層
180．．．第2介電體層
190．．．抗反射膜
200．．．石英玻璃基板
210．．．光阻劑
220．．．光阻圖案
230．．．基材
240．．．突起群
300．．．拉曼感測器
310．．．凹面鏡
320．．．帶通過濾器
330．．．偏光板
340．．．繞射光柵
350．．．凹面鏡
360．．．陣列光檢測器
370．．．光源
380．．．流線式過濾器
390．．．試料
400．．．透鏡
P、Pa．．．週期
Φ ．．．傾斜角度
α、αa．．．入射角度
β、βa．．．繞射角度
θ．．．布拉格角度
λ、λa．．．波長
Δβ/Δλ．．．波長解析度
LS1．．．第1雷射光
LS2．．．第2雷射光
θ1．．．第1雷射光之入射角度
θ2．．．第2雷射光之入射角度
λs．．．曝光波長
f．．．聚光距離
圖1係作為本實施形態之比較例的炫耀繞射光柵之例。
圖2係比較例中相對於繞射角度之波長解析度之特性例。
圖3(A)係本實施形態之繞射光柵之構成例之剖面圖。圖3(B)係藉由傾斜面之週期構造而產生之布拉格反射之說明圖。
圖4係本實施形態中相對於繞射角度之波長解析度之特性例。
圖5(A)係將傾斜角度設為0°時之相對於入射角度之繞射效率之特性例。圖5(B)係本實施形態中相對於入射角度之繞射效率之特性例。
圖6(A)係將傾斜角度設為0°時之相對於波長λ之繞射效率之特性例。圖6(B)係本實施形態中相對於波長λ之繞射效率之特性例。
圖7(A)~圖7(D)係關於繞射光柵之製造方法之說明圖。
圖8係繞射光柵之第2構成例之剖面圖。
圖9(A)、圖9(B)係檢測裝置之第1構成例。
圖10(A)、圖10(B)係檢測裝置之第2構成例。
圖11(A)、圖11(B)係關於入射光朝向繞射光柵之入射方向之說明圖。
100．．．基材
110．．．突起群
120．．．基材之表面
130．．．基準線
140、150．．．傾斜面
160．．．基材之背面
P．．．週期
Φ ．．．傾斜角度
α．．．入射角度
β．．．繞射角度
λ．．．波長

Claims (7)

  1. 一種分光裝置，其特徵在於：其係包括使具有使用波長λ 之入射光穿透之穿透式繞射光柵者；且上述穿透式繞射光柵具有藉由第1介電體而形成之傾斜面；上述傾斜面係相對於基準線而傾斜排列；當將入射於上述穿透式繞射光柵之入射光之入射角度相對於上述基準線設為角度α，且將繞射光之繞射角度相對於上述基準線設為角度β之情形時，上述入射角度α係小於相對於上述傾斜面之布拉格角度θ的角度，上述繞射角度β係大於上述布拉格角度θ的角度；當將上述傾斜面相對於上述基準線之傾斜角度設為之情形時，上述傾斜面係於與上述基準線垂直之方向上以週期P/cos而排列；上述入射光係與垂直於上述基準線之平面平行且與上述傾斜面所排列之方向垂直而直線偏光；且1.0<λ/P<2.0。
  2. 如請求項1之分光裝置，其中藉由上述第1介電體所形成之突起群係以上述週期P/cos於上述穿透式繞射光柵之基材之平面上形成，上述平面係垂直上述基準線，且上述突起群沿著與上述基 材之上述平面平行之方向排列而形成；且於上述突起群上形成有相對於上述基準線以上述角度傾斜之上述傾斜面。
  3. 如請求項2之分光裝置，其中上述傾斜角度係設定以使於投影至上述基材之上述平面之俯視時，相鄰突起群彼此不重疊。
  4. 如請求項1之分光裝置，其中上述穿透式繞射光柵係藉由在具有與上述基準線垂直之平面之基材上，將上述第1介電體與介電常數不同於上述第1介電體之第2介電體沿著與上述基材之平面平行之方向以週期P/cos交替排列而形成；且上述傾斜面係由位於上述第1介電體與上述第2介電體之間且相對於上述基準線以上述角度傾斜之交界面所形成。
  5. 如請求項1之分光裝置，其中上述穿透式繞射光柵之上述傾斜面係於上述入射光所入射之上述基材之第1面側上形成，於上述繞射光所射出之上述基材之第2面側上形成有抗反射膜。
  6. 一種物質檢測裝置，其特徵在於包括：分光裝置，其係如請求項1至5中任一項者；光學系統，其係使來自標的物之散射光或反射光以小於上述布拉格角度θ之上述入射角度α入射至上述分光裝置；及檢測器，其係檢測來自上述分光裝置之繞射光。
  7. 一種分光裝置之製造方法，該分光裝置係如請求項1至5中任一項者，該製造方法包含：對塗佈於基材上之光阻劑入射第1雷射光與第2雷射光，以對上述光阻劑進行干涉曝光；使經上述干涉曝光之光阻劑顯影；形成相對於朝向上述基材之平面之垂線以傾斜角度傾斜之光阻圖案。
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