(57)【要約】      （修正有）【課題】高価格のプリズムを用いない、非常に高精度の微粒子検出ができる粒子検出装置を提供する。【解決手段】粒子検出積層構造１は、シリコン基板１２、シリコン基板１２の両面に形成された酸化シリコン層１１、１３、酸化シリコン層１３上に蒸着された金層１４、及び酸化シリコン層１１下に接着された厚さ約1mmの石英ガラス１５よりなる。ＹＡＧレーザ源２から発生した赤外レーザ光IRは波長板３を介して粒子検出積層構造１の金層１４に入射し、金層１４にエバネッセント光を発生させ、このエバネッセント光により表面プラズモン共鳴光を励起させる。帯電した微粒子Pは加速されて金層１４の光入射かつ反射面S1の反対面S2に付着し、表面プラズモン場に導かれる。この結果、近接場の表面プラズモン共鳴光は金層１４の反対面Ｓ２に付着した微粒子Pによって遠視野場の散乱光SLに変換される。【選択図】図１
2014095626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を受けるガラスと、
該ガラス上に設けられた第１の酸化シリコン層と、
該第１の酸化シリコン層上に設けられたシリコン基板と、
該シリコン基板上に設けられ、前記入射光を受けかつ反射する光入射かつ反射面及び該光入射かつ反射面の反対面を有し、該反対面に近接場光の一形態である表面プラズモン共鳴光を励起するための金属層と
を具備する粒子検出積層構造。
【請求項２】
さらに、前記シリコン基板と前記金属層との間に設けられた第２の酸化シリコン層を具備する請求項１に記載の粒子検出積層構造。
【請求項３】
前記シリコン基板の代りに窒化シリコン層を具備する請求項２に記載の粒子検出積層構造。
【請求項４】
前記金属層の厚さは、該金属層の前記反対面における表面プラズモン共鳴光の励起量が最大となるように、設定される請求項１に記載の粒子検出積層構造。
【請求項５】
前記入射光の前記金属層の光入射かつ反射面での入射角は、全反射領域において前記入射光の前記金属層の光入射かつ反射面での反射率が最小となるプラズモンディップ角度より小さく前記金属層の前記反対面における前記入射光の電場強度が最大となる角度である請求項１に記載の粒子検出積層構造。
【請求項６】
前記金属層は金、銀、白金、またはアルミニウム、またはこれらの合金よりなる請求項１に記載の粒子検出積層構造。
【請求項７】
前記金属層に前記入射光の波長より小さい径を有する複数の孔部を設けた請求項１に記載の粒子検出積層構造。
【請求項８】
前記複数の孔部が規則性を有する請求項７に記載の粒子検出積層構造。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の粒子検出積層構造と、
前記入射光を出射するための光源と、
該金属層の前記反対面側に設けられた散乱光検出手段と
を具備し、
前記金属層の前記反対面に付着した粒子によって前記表面プラズモン共鳴光が遠視野場の散乱光に変換され、該散乱光が前記散乱光検出手段によって検出される粒子検出装置。
【請求項１０】
さらに、前記金属層の前記反対面に前記粒子を付着させるための粒子付着手段を具備する請求項９に記載の粒子検出装置。
【請求項１１】
前記粒子付着手段は、
前記粒子を帯電させるための粒子帯電手段と、
前記金属層に前記粒子帯電手段によって帯電させる電荷とは逆の電圧を印加させるための電圧印加手段と
を具備する請求項１０に記載の粒子検出装置。
【請求項１２】
前記散乱光検出手段は干渉フィルタを具備する請求項９に記載の粒子検出装置。
【請求項１３】
前記散乱光検出手段は光導波路を具備する請求項９に記載の粒子検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光散乱方式を利用した粒子検出装置、特に、その粒子検出積層構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
高集積化、微細化が進む半導体製造装置においては、製造歩留りに影響する付着粒子のサイズがより微小化している。また、空気中の浮遊粒子には細菌が付着し易く、医薬製造装置、食品製造装置においても、清浄度の高い環境が要求されている。
【０００３】
上述の半導体製造装置、医薬製造装置、食品製造装置においては、微粒子が極力排除された清浄度の高い空間つまりクリーンルームが求められており、そのクリーンルームの管理には、操作が容易で実時間測定が可能な微粒子を検出するための粒子検出装置が広く用いられている。特に、超純水では、その要求清浄度が高く、現在では、0.1μm以下の微粒子が1mL中に１個以下の清浄度が要求されている。
【０００４】
空気中もしくは水中の微粒子を検出する粒子検出装置として光散乱方式が知られ、その光源として、ハロゲンランプ、ヘリウム−ネオン（He-Ne）レーザ、半導体レーザ（LD）、半導体レーザ励起固体レーザ等が用いられる。
【０００５】
図２２は光散乱方式の第１の従来の粒子検出装置を示す（参照：非特許文献１の図２）。
【０００６】
図２２に示すように、気体レーザ媒質源たとえばHe-Neレーザ源１０１、He-Neレーザ源１０１の両側に設けられたミラー１０２、１０３によりレーザ共振器を構成し、このレーザ共振器内に粒子検出領域１０４を設ける。レーザ共振器内の電場強度はミラー１０２、１０３の反射率に依存してレーザ共振器外の電場強度より約100〜1000倍程度大きいので、粒子検出領域１０４を通過した微粒子による散乱光SLの強度は大きくなる。従って、微粒子が粒子検出領域１０４をたとえば300mL/minで通過する際に生ずる散乱光SLを検出することにより微粒子を検出することができる。
【０００７】
しかしながら、上述の第１の従来の粒子検出装置は次の欠点を有する。
（１）He-Neレーザ源１０１がガラス管よりなるために、機械的強度が低く、大型であり、かつ寿命が短い。従って、装置の大型化及び高コスト化を招く。
（２）大型のレーザ共振器のアライメント安定性を維持するために、レーザ共振器を精密に温度制御された除振環境下に設置する必要があり、さらに、装置の大型化かつ高コスト化を招く。
（３）空気もしくは水が粒子検出領域１０４を通過する際の乱流及び温度変化がレーザ共振器の屈折率変化による光路長変化を招き、この結果、レーザ共振器の発振強度が劇的に変化して微粒子検出が不安定になる。
（４）光散乱の原理はレイリー散乱に基づき、その散乱断面積S:
S ∝ d6・λ-4            （１）
但し、dは微粒子の直径
λはレーザ共振器の光の波長
により、直径dがせいぜい0.5μm程度の散乱断面積Sの微粒子を検出できるが、微粒子の直径dが0.1μm以下の場合には散乱断面積Sが小さくなり、微粒子の検出が困難である。
【０００８】
図２３は光散乱方式の第２の従来の粒子検出装置を示す（参照：非特許文献１の図３、特許文献１、２）。
【０００９】
図２３に示すように、励起光源としての半導体レーザ（LD）２０１、集光レンズ２０２、固体レーザたとえばNd3+:YVO4レーザ結晶２０３及びミラー２０４、２０５によりLD励起固体レーザ共振器を構成し、このLD励起固体レーザ共振器内に粒子検出領域２０６を設ける。LD励起固体レーザ共振器内の電場強度はミラー２０４、２０５の反射率に依存してLD励起固体レーザ共振器外の電場強度より約100〜1000倍程度大きいので、粒子検出領域２０６を通過した微粒子による散乱光SLの強度は大きくなる。従って、微粒子が粒子検出領域２０６をたとえば300mL/minで通過する際に生ずる散乱光SLを検出することにより微粒子を検出することができる。
【００１０】
上述の第２の従来の粒子検出装置は第１の従来の粒子検出装置に比較して次の利点を有する。すなわち、レーザ媒質として固体結晶を用いているので、機械的強度が高く、小型であり、かつ寿命が長い。従って、装置の小型化及び低コスト化できる。
【００１１】
しかしながら、上述の第２の従来の粒子検出装置においては、依然として次の欠点がある。
（１）LD励起固体レーザ共振器のアライメント安定性を維持するために、LD励起固体レーザ共振器を精密に温度制御された除振環境下に設置する必要があり、やはり、装置の大型化かつ高コスト化を招く。
（２）空気もしくは水が粒子検出領域２０６を通過する際の乱流及び温度変化がレーザ共振器の屈折率変化による光路長変化を招き、この結果、LD励起固体レーザ共振器の発振強度が劇的に変化して微粒子検出が不安定になる。
（３）光散乱の原理はレイリー散乱に基づき、上述の（１）式のレイリー散乱の散乱断面積Sによるが、やはり直径dが0.1μm以下の場合には散乱断面積Sが小さくなり、微粒子の検出が困難である。
【００１２】
光散乱方式の第３の従来の粒子検出装置は、光源と、光源の照射方向に対向した光入射かつ反射面及びその反対面を有し、光入射かつ反射面に入射光を受けて反対面に近接場光（Near Field）の一形態である表面プラズモン共鳴光を励起するための金属層と、金属層の光入射かつ反射面に接着されたプリズムと、金属層の反対面側に設けられた散乱光検出手段とを具備する（参照：特許文献３）。これにより、金属層の上記反対面に付着した粒子によって近接場光の一形態である表面プラズモン共鳴光を遠視野場（Far Field）の散乱光に変換し、この散乱光が散乱光検出手段によって検出されるようにしたものである。従って、後述の表面プラズモン共鳴光の電場強度効果及び波長収縮効果により直径0.1μm以下の粒子を検出できるようになる。この結果、構成のアライメント安定性をよくでき、従って、装置を小型化でき、また、特に直径0.1μm以下の微粒子を安定かつ容易に検出できる。
【００１３】
図２４は第３の従来の粒子検出装置の第１の微粒子検出原理である電場強度増大効果を説明するための図である。
【００１４】
図２４に示すように、入射光Ｌによって金属層Ｍ内にエバネッセント光を発生し、このエバネッセント光により金属層Ｍの入射かつ反射面Ｓ１の反対面Ｓ２に表面プラズモン共鳴光ＲＬを励起させる。この場合、金属層Ｍの反対面Ｓ２での光の電場強度は入射かつ反射面Ｓ１の電場強度の10倍程度となり、従って、金属層Ｍの反対面Ｓ２での光強度は入射かつ反射面Ｓ１の電場強度の100倍程度と増大する。この電場強度増大効果により微粒子Ｐによる散乱光ＳＬの強度が100倍程度高められ、この結果、近接場の表面プラズモン共鳴光ＲＬは微粒子Ｐによって遠視場の散乱光ＳＬに変換される。
【００１５】
図２５は第３の従来の粒子検出装置の第２の微粒子検出原理である波長収縮効果を説明するための表面プラズモン分散曲線図である。
【００１６】
図２５に示すように、金属層Ｍの反対面Ｓ２に発生する表面プラズモン共鳴光ＲＬの波数分散の傾きが、プラズモン共鳴周波数ωP付近で、真空中での光の波数分散の傾きに比較して、非常に小さくなる。波長λは、λ∝∂ω／∂ｋと波数分散の傾きに比例するので、プラズモン共鳴周波数はωｐ付近では、波数λが小さくなることができる。すなわち、表面プラズモン共鳴光ＲＬの波長は真空中での光の波長の1/10〜1/100程度に収縮する。従って、散乱断面積Sは上述の（１）式から(1/10)-4から(1/100)-4となり、散乱光ＳＬの強度は104から108倍高められ、この結果、近接場の表面プラズモン共鳴光ＲＬは微粒子Ｐによって遠視場の散乱光ＳＬに変換される。
【００１７】
このように、電場強度増大効果及び波長収縮効果の両者を勘案すると、第１、第２の従来の粒子検出装置に比較して、106から1010倍の散乱光強度の増大が期待できる。従って、上述の（１）式からd6が小さくとも直径0.1μm以下の微粒子Ｐの検出が可能となる。
【００１８】
図２６は第３の従来の粒子検出装置において光散乱を時間・空間差分化プログラム（Finite Difference Time Domain）法を用いてシミュレーションした結果を示す。図２６に示すように、金属層Ｍ表面に励起された近接場の表面プラズモン共鳴光はたとえば大きな電場振幅3mV/mを有する。図２６に示すごとく、この金属層Ｍ表面に直径0.1μmの微粒子を付着させると、微粒子から1cm程度離れた点に電場振幅が0.3μV/mと大きい遠視野場の散乱光が生ずる。この場合、散乱光強度は
入射光強度・[(0.3μV/m)・(3mV/m)]2
で表わされるので、入射光強度が100mWであれば、散乱光強度は1nWとなり、光電子倍増管で十分感度よく検出できる。
【００１９】
上述の第３の従来の粒子検出装置においては、微粒子Ｐを付着する金属層Ｍ表面の平坦性が検出可能な最小粒子サイズ及び検出限界密度を決定している。つまり、上述の第３の従来の粒子検出装置においては、表面平坦性を確保したプリズムに金属層Ｍの光入射かつ反射面を接着させることによって金属層Ｍの表面平坦性を向上させ、金属層Ｍ表面自体から散乱される背景光を減少させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２００２−１５１７６５号公報
【特許文献２】特開２００２−２２３０１９号公報
【特許文献３】特開２０１２−１３７４７７号公報
【非特許文献】
【００２１】
【非特許文献１】水上  敬，リオン株式会社−技術情報“LD励起固体レーザーを光源とする気中微粒子計KC-22A”， 2001年10月， http://www.rion.co.jp/products/particle
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
しかしながら、上述の第３の従来の粒子検出装置においては、金属層の表面平坦性を向上させるためのプリズムが高コストであるので、粒子検出装置の製造コストが高くなるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上述の課題を解決するために、本発明に係る粒子検出装置は、入射光を受けるガラスと、ガラス上に設けられた第１の酸化シリコン層と、第１の酸化シリコン層上に設けられたシリコン基板と、シリコン基板上に設けられ、入射光を受けかつ反射する光入射かつ反射面及び光入射かつ反射面の反対面を有し、この反対面に近接場光の一形態である表面プラズモン共鳴光を励起するための金属層とを具備するものである。また、シリコン基板と金属層との間に設けられた第２の酸化シリコン層を具備することもできる。さらに、シリコン基板の代りに窒化シリコン層を具備することもできる。
【００２４】
他方、本発明に係る粒子検出装置は、上述の粒子検出積層構造と、入射光を出射するための光源と、金属層の上記反対面側に設けられた散乱光検出手段とを具備し、金属層の反対面に付着した粒子によって表面プラズモン共鳴光が遠視野場の散乱光に変換され、散乱光が散乱光検出手段によって検出されるようにしたものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、金属層の表面平坦性は平坦性の良い安価なシリコン基板あるいは窒化シリコン層によって決定され、従って、ガラスの平坦性は余り要求されない。この結果、高価格のプリズムを用いることなく、表面が平坦かつ安価の粒子検出積層構造により非常に高精度の微粒子検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る粒子検出装置の第１の実施の形態を示す一部断面図である。
【図２】図１の粒子検出積層構造の設計フローを示すフローチャートである。
【図３】図２の金層の厚さtを選択するステップ２０１を説明するための全反射減衰（ATR）信号スペクトル図である。
【図４】図２の最適入射角θoptを選択するステップ２０２を説明するためのATR信号スペクトル図及び電場強度グラフである。
【図５】図１の粒子検出積層構造の製造フローを示すフローチャートである。
【図６】図１の制御回路の動作を説明するためのタイミング図である。
【図７】本発明に係る粒子検出装置の第２の実施の形態を示す一部断面図である。
【図８】図７の粒子検出積層構造の設計フローを示すフローチャートである。
【図９】図８の金層の厚さt’を選択するステップ８０１を説明するための全反射減衰（ATR）信号スペクトル図である。
【図１０】図８の最適入射角θoptを選択するステップ８０２を説明するためのATR信号スペクトル図及び電場強度グラフである。
【図１１】図７の粒子検出積層構造の製造フローを示すフローチャートである。
【図１２】本発明に係る粒子検出装置の第３の実施の形態を示す一部断面図である。
【図１３】図１２の粒子検出積層構造の設計フローを示すフローチャートである。
【図１４】図１３の金層の厚さt”を選択するステップ１３０１を説明するための全反射減衰（ATR）信号スペクトル図である。
【図１５】図１３の最適入射角θoptを選択するステップ１３０２を説明するためのATR信号スペクトル図及び電場強度グラフである。
【図１６】図１２の粒子検出積層構造の製造フローを示すフローチャートである。
【図１７】図１６の粒子検出積層構造の製造フローを補足説明するための断面図である。
【図１８】図１、図７、図１２の粒子検出積層構造の変更例を示す断面図である。
【図１９】図１８の金層の平面図である。
【図２０】本発明に係る粒子検出装置の一検出方法を説明するための図であって、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図である。
【図２１】本発明に係る粒子検出装置の他の検出方法を説明するための図である。
【図２２】第１の従来の粒子検出装置を示す図である。
【図２３】第２の従来の粒子検出装置を示す図である。
【図２４】第３の従来の粒子検出装置の第１の微粒子検出原理である電場強度増大効果を説明するための図である。
【図２５】第３の従来の粒子検出装置の第２の微粒子検出原理である波長収縮効果を説明するための表面プラズモン分散曲線図である。
【図２６】第３の従来の粒子検出装置の表面プラズモン共鳴光のシミュレーション結果を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は本発明に係る粒子検出装置の第１の実施の形態を示す一部断面図である。
【００２８】
図１において、粒子検出装置は、粒子検出積層構造１、ＹＡＧレーザ源２及び波長板３を備えている。
【００２９】
粒子検出積層構造１は、約1cm程度の長さを有し、任意の厚さたとえば価格及び取扱い易さから厚さ約300μmのシリコン基板（Si）１２、シリコン基板１２の両面に形成されたたとえば厚さ約1μmの酸化シリコン（SiO2）層１１、１３、酸化シリコン層１３上に蒸着された金（Au）層１４、及び酸化シリコン層１１下に接着された厚さ約1mmの石英ガラス１５よりなる。尚、酸化シリコン層１１は石英ガラス１５との屈折率マッチングを取るためのものであり、酸化シリコン層１３は金層１４との密着性を取るためのものである。
【００３０】
金層１４の厚さtは10nm〜10μmの範囲で選択される。金層１４の厚さtが10nm未満では、金層１４で発生するエバネッセント光を金層１４が十分に吸収できないことがあり、また、金層１４の厚さtが10μmを超えると、金層１４で発生するエバネッセント光の減衰が大きくなり金層１４の表面プラズモン共鳴光RLを励起できないことがある。尚、金層１４と酸化シリコン層１３との密着性をさらに高めるために、酸化シリコン層１３の表面に1〜2nm程度のTi、Cr等の金属を蒸着してもよい。
【００３１】
また、図１においては、ＹＡＧレーザ源２及び波長板３が設けられ、これにより、ＹＡＧレーザ源２から発生した赤外レーザ光IRが波長板３を介して粒子検出積層構造１の金層１４に入射する。この場合、金層１４にエバネッセント光を発生させ、このエバネッセント光により表面プラズモン共鳴光RLを励起させるためには、赤外レーザ光IRの金層１４の光入射かつ反射面S1に水平な偏光いわゆるTM偏光もしくはP偏光を金層１４に入射させる必要があり、このために、波長板３を回転調整する。尚、ＹＡＧレーザ源２の赤外レーザ光IRの偏光が直線偏光を有しているので、波長板３を設けずに、ＹＡＧレーザ源２の筐体を回転させて上記のP偏光を形成してもよい。
【００３２】
尚、ここでは、ＹＡＧレーザ光を用いて金層１４上に表面プラズモン共鳴光RLを生成しているが、金層１４を利用して表面プラズモン共鳴光RLを励起できる波長は500nmから2000nmに亘るので、ここで記述するＹＡＧレーザ光以外にも種々の波長の光源を利用することができる。ただし、波長収縮効果を考えた場合は、金の表面プラズモン共鳴周波数（500nm）に近い可視光領域が有利に作用するが、シリコン基板１２の吸収を考慮すると、1000nmより長波長の赤外光領域の波長を利用する方が微粒子計測に有利となる。
【００３３】
また、光源として、指向性並びにコヒーレンスの高いレーザ光を利用する以外にも、発光ダイオード（LED）等を始めとする種々の安価な単色光源も、指向性並びに偏光特性等を勘案した適当な光学設計を行うことによってレーザ光と略同等の効果を期待できる。
【００３４】
さらに、図１において、イオナイザ４は微粒子Pを負に帯電させ、他方、金層１４に正電圧を印加する。従って、帯電した微粒子Pは加速されて金層１４の光入射かつ反射面S1の反対面S2に付着し、表面プラズモン場に導かれる。尚、微粒子Pを正に帯電させ、他方、金層１４に負電圧を印加させることでも同様の効果が得られる。微粒子Pに帯電させる電荷と金層１４に印加させられる電圧が逆であればどちらでもよい。この結果、上述の近接場の表面プラズモン共鳴光RLは金層１４の反対面S2に付着した微粒子Pによって遠視野場の散乱光SLに変換される。この散乱光SLは散乱光検出手段としての２つの干渉フィルタ５−１ａ、５−２ａ付きの光電子倍増管５−１、５−２によって光／電圧変換され、制御回路６に供給される。尚、干渉フィルタ５−１ａ、５−２ａは所定の周波数帯域のみを通過させるものである。散乱光SLの波長は入射光の波長になるので、ここでは、干渉フィルタ５−１ａ、５−２ａとしてＹＡＧレーザ源２の波長が通過するものが選ばれる。また、光電子倍増管は２つでなく、１つもしくは３つ以上でもよい。
【００３５】
また、散乱光SLをより近傍で検出したい場合には、１本または多数本の光導波路を表面プラズモン発生箇所に近接させて集光並びに導光し、この導光された光を光電子倍増管で検出してもよい。これにより、１つの光電子倍増管で多数箇所の散乱光を検出することが可能となり、装置の小型化並びに低価格化を図ることが可能となる。
【００３６】
制御回路６は光電子倍増管５−１、５−２の出力を加算増幅する増幅器６１、増幅器６１の出力S1を微分する微分器６２、及び微分器６２のパルス出力S2をその波高値に応じて計数する波高値別計数器９３よりなる。尚、制御回路６はマイクロコンピュータによって構成し、微分器６２及び波高値別計数器６３の機能をソフトウェアで行うこともできる。
【００３７】
図１の粒子検出装置の動作原理は、上述の第３の従来の粒子検出装置と同様に、表面プラズモン共鳴光の電場強度増大効果及び波長収縮効果を利用する。
【００３８】
すなわち、赤外レーザ光IRによって金層１４にエバネッセント光を発生し、このエバネッセント光により金層１４の光入射かつ反射面S1と反対面S2に表面プラズモン共鳴光RLを励起させる。この場合、赤外レーザ光IRはP偏光なので金層１４の表面に平行な電場成分を有し、その電場成分が増大する。たとえば、この表面プラズモン共鳴光RLにより金層１４の上記反対面S2での入射光の電場強度は１０倍程度とする。従って、金層１４の入射光の光強度はその電場成分の２乗なので100（=10×10）倍程度となる。つまり、電場強度増大効果によって微粒子Pによる散乱光SLの強度が100倍程度高められる。
【００３９】
また同時に、金層１４に生ずる表面プラズモン共鳴光RLの波長は波長収縮効果により赤外レーザ光IRの波長に対して1/10から1/100程度に収縮する。この結果、散乱光SLの散乱断面積Sは（１）式より(1/10)-4から(1/100)-4となり、つまり、散乱光SL の強度は104から108倍増加できる。
【００４０】
このように、第３の従来の粒子検出装置と同様に、表面プラズモン共鳴光RLの電場強度増大効果及び波長収縮効果の両者を勘案すると、第１、第２の従来の粒子検出装置に比較して、106から1010倍の散乱光増大効果が期待できる。従って、（１）式のd6が小さくなっても直径0.1μm以下の微粒子Pを検出できる。
【００４１】
図２は図１の粒子検出積層構造１の設計フローを示すフローチャートである。
【００４２】
始めに、ステップ２０１にて、金層１４の最適の厚さtを選択する。図１の金層１４の光入射かつ反射面S1の反対面S2における表面プラズモン共鳴光RLの励起量を最大とする赤外レーザ光IRの入射角θは、臨界角θcより大きい範囲で、金層１４の光入射かつ反射面S1での反射率Rが最小となる光吸収（プラズモン）ディップ角度θPである。つまり、石英ガラス１５に対して赤外レーザ光IRを相対的に角度スキャンして金層１４からの反射光を利用してシミュレーションした結果である全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図３に示してある。尚、このシミュレーションソフトとしてはマックスプランク研究所開発のWinSpall（商標名）を用いる。波長λ=1064nmの赤外レーザ光IRの基における条件は次のごとくである。
石英ガラス１５について、
厚さ=任意
屈折率=1.44
消衰係数=0
である。酸化シリコン層１１について、
厚さ=1μm
屈折率=1.44
消衰係数=0
である。シリコン基板１２について、
厚さ=300μm
屈折率=3.7
消衰係数=0
である。酸化シリコン層１３について、
厚さt=1μm
屈折率=1.44
消衰係数=0
である。金層１４について、
厚さ=36nm
屈折率=0.3
消衰係数=7.5
である。
【００４３】
図３においては、金層１４の厚さtに応じた複数のATR信号スペクトルのうち、金層１４の厚さt=36nmに応じたATR信号スペクトルを図示してある。金層１４の厚さtが10nm未満では、金層１４で発生するエバネッセント光を金層１４が十分に吸収できないことからプラズモンディップが発生しない。また、金層１４の厚さtが60nmを超えると、金層１４で発生するエバネッセント光の減衰が大きくなり、金層１４の表面プラズモン共鳴光RLの励起ができなくなり、プラズモンディップにおける反射率Rは大きくなる。図３の部分拡大図である図４の（Ａ）に図示するごとく、金層１４の厚さt≒36nmでのATR信号スペクトルが反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有する。従って、金層１４の厚さtを36±1nmの範囲で選択することにより表面プラズモン共鳴光RLの励起量は最大となる。
【００４４】
次に、ステップ２０２にて最適入射角θoptを選択する。金層１４の厚さtが36nmのときには、図４の（Ａ）に示すごとく、入射角θがプラズモンディップ角度θp=44.25°のときに、表面プラズモン共鳴光が最も効率よく励起される。しかし、図４の（Ｂ）に示すごとく、実際には、電場強度Eはプラズモンディップ角度θP=44.25°より若干小さな角度44.22°で最大となる。従って、電場強度増大効果を最大限に発揮できるように、最適入射角θoptを44.22°に設定する。この場合、電場強度増大度は入射光の約60倍となる。
【００４５】
また、波長収縮効果も100倍を超える。従って、非常に高精度な微粒子検出が可能となる。
【００４６】
図５は図１の粒子検出積層構造の製造フローを示すフローチャートである。
【００４７】
始めに、ステップ５０１にて、化学的機械的研磨（CMP）法等によって両面が高精度に研磨されている厚さ約300μmのシリコン基板１２を熱酸化して両面に厚さ約1μmの酸化シリコン層１１、１３を成長させる。
【００４８】
次に、ステップ５０２にて、酸化シリコン層１３上にAuを蒸着して厚さ約36nmの金層１４を形成する。この場合、Au蒸着前に厚さ約1〜2nmのTi、Cr等を蒸着してAuとSiO2との密着性を向上させることもできる。
【００４９】
最後に、ステップ５０３にて、酸化シリコン層１１と厚さ約1mmの石英ガラス１５とをマッチングオイルを用いて圧着させる。尚、石英ガラス１５はシリコン基板１２と同程度の大きさである。
【００５０】
このようにして、図１の粒子検出積層構造１が完成する。この粒子検出積層構造１はウェハレベルでも、チップレベルでも用いることもできる。
【００５１】
次に、図１の制御回路６の動作を図６を参照して説明する。すなわち、帯電された微粒子Pが金層１４の反対面S2に付着する毎に微粒子Pの散乱光SLが累積するので、図６の（Ａ）に示すごとく、増幅器６１の出力S1は累積的に増加する。このときの増幅器６１の出力S1の増加量は付着した微粒子Pの直径dに応じて大きくなる。従って、図６の（Ｂ）に示すごとく、微分器６２のパルス出力S2の各波高値は付着した微粒子Pの直径dに応じて大きくなる。この結果、波高値別計数器６３は微粒子Pを個別に計測することができるので、パルス出力S2の大きさから直径dを、パルス出力S2の回数から個数を計算して密度を算出することができる。尚、計数終了毎には、金層１４の反対面S2に付着した微粒子Pは拭き取られるまたは一体となっている粒子検出積層構造１ごと取り替えることにより制御回路６の増幅器６１の出力S1は初期化されることになる。
【００５２】
このように、第１の実施の形態によれば、金層１４の表面平坦性は平坦性の良い安価なシリコン基板１２によって決定され、従って、石英ガラス１５の平坦性は余り要求されない。この結果、高価格のプリズムを用いることなく、表面が平坦かつ安価の粒子検出積層構造１により非常に高精度の微粒子検出が可能となる。
【００５３】
図７は本発明に係る粒子検出装置の第２の実施の形態を示す一部断面図である。
【００５４】
図７の粒子検出積層構造１’においては、図１の粒子検出積層構造１から酸化シリコン層１３が除去されている。従って、シリコン基板１２上に金（Au）層１４’が直接蒸着されている。つまり、金層１４’とシリコン基板１２との密着性は悪くない。この場合も、金層１４’とシリコン基板１２との密着性をさらに高めるために、シリコン基板１２の表面に1〜2nm程度のTi、Cr等の金属を蒸着してもよい。
【００５５】
図８は図７の粒子検出積層構造１’の設計フローを示すフローチャートである。
【００５６】
始めに、ステップ８０１にて、金層１４’の最適の厚さt’を選択する。図７の金層１４の光入射かつ反射面S1の反対面S2における表面プラズモン共鳴光の励起量を最大とする赤外レーザ光IRの入射角θは、臨界角θcより大きい範囲で、金層１４の光入射かつ反射面S1での反射率Rが最小となる光吸収（プラズモン）ディップ角度θPである。つまり、石英ガラス１５に対して赤外レーザ光IRを相対的に角度スキャンして金層１４からの反射光を利用してシミュレーションした結果である全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図９に示してある。尚、このシミュレーションソフトとしてはマックスプランク研究所開発のWinSpall（商標名）を用いる。波長λ=1064nmの赤外レーザ光IRの基における条件は次のごとくである。
石英ガラス１５について、
厚さ=任意
屈折率=1.44
消衰係数=0
である。酸化シリコン層１１について、
厚さ=1μm
屈折率=1.44
消衰係数=0
である。シリコン基板１２について、
厚さ=300μm
屈折率=3.7
消衰係数=0
である。金層１４’について、
厚さt’=33nm
屈折率=0.3
消衰係数=7.5
である。
【００５７】
図９においては、金層１４の厚さt’に応じた複数のATR信号スペクトルのうち、金層１４’の厚さt’=33nmに応じたATR信号スペクトルを図示してある。この場合も、金層１４’の厚さt’が10nm未満では、金層１４’で発生するエバネッセント光を金層１４’が十分に吸収できないことからプラズモンディップが発生しない。また、金層１４’の厚さt’が60nmを超えると、金層１４’で発生するエバネッセント光の減衰が大きくなり、金層１４’の表面プラズモン共鳴光RLの励起ができなくなり、プラズモンディップにおける反射率Rは大きくなる。図９の部分拡大図である図１０の（Ａ）に図示するごとく、金層１４’の厚さt’≒33nmでのATR信号スペクトルが反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有する。従って、金層１４’の厚さt’を33±1nmの範囲で選択することにより表面プラズモン共鳴光RLの励起量は最大となる。
【００５８】
次に、ステップ８０２にて最適入射角θoptを選択する。金層１４’の厚さt’が33nmのときには、図１０の（Ａ）に示すごとく、入射角θがプラズモンディップ角度θp=44.25°のときに、表面プラズモン共鳴光RLが最も効率よく励起される。しかし、図１０の（Ｂ）に示すごとく、実際には、電場強度Eはプラズモンディップ角度θP=44.25°より若干小さな角度44.22°で最大となる。従って、電場強度増大効果を最大限に発揮できるように、最適入射角θoptを44.22°に設定する。この場合、電場強度増大度は入射光の約80倍となり、上述の第１の実施の形態よりもさらに大きくなる。
【００５９】
また、波長収縮効果も100倍を超える。従って、非常に高精度な微粒子検出が可能となる。
【００６０】
図１１は図７の粒子検出積層構造１’の製造フローを示すフローチャートである。図１１のフローにおいては、図５のフローに、ステップ１１０１を付加すると共に、ステップ５０２の代りにステップ１１０２を設ける。
【００６１】
始めに、ステップ５０１にて、CMP法等によって両面が高精度に研磨されている厚さ約300μmのシリコン基板１２を熱酸化して両面に厚さ約1μmの酸化シリコン層１１、１３を成長させる。
【００６２】
次に、ステップ１１０１にて、酸化シリコン層１３を沸酸を用いたウェットエッチング法により除去する。
【００６３】
次に、ステップ１１０２にて、シリコン基板１２上にAuを蒸着して厚さ約33nmの金層１４を形成する。この場合、Au蒸着前に厚さ約1〜2nmのTi、Cr等を蒸着してAuとSiとの密着性を向上させることもできる。
【００６４】
最後に、ステップ５０３にて、酸化シリコン層１１と厚さ約1mmの石英ガラス１５とをマッチングオイルを用いて圧着させる。尚、石英ガラス１５はシリコン基板１２と同程度の大きさである。
【００６５】
このようにして、図７の粒子検出積層構造１’が完成する。この粒子検出積層構造１’はウェハレベルでも、チップレベルでも用いることもできる。
【００６６】
このように、第２の実施の形態においても、金層１４’の表面平坦性は平坦性の良い安価なシリコン基板１２によって決定され、従って、石英ガラス１５の平坦性は余り要求されない。この結果、高価格のプリズムを用いることなく、表面が平坦かつ安価の粒子検出積層構造１’により非常に高精度の微粒子検出が可能となる。
【００６７】
図１２は本発明に係る粒子検出装置の第３の実施の形態を示す一部断面図である。
【００６８】
図１２の粒子検出積層構造１”は、約1cm程度の長さを有し、厚さ約500nmの窒化シリコン（SiN）層１２’、窒化シリコン層１２’の両面に形成されたたとえば厚さ約200nmの酸化シリコン層１１’、１３’、酸化シリコン層１３’上に蒸着された金（Au）層１４”、及び酸化シリコン層１１’上に接着された厚さ約1mmの石英ガラス１５よりなる。
【００６９】
金層１４”の厚さt”は10nm〜10μmの範囲で選択される。金層１４”の厚さt”が10nm未満では、金層１４”で発生するエバネッセント光を金層１４”が十分に吸収できないことがあり、また、金層１４”の厚さt”が10μmを超えると、金層１４で発生するエバネッセント光の減衰が大きくなり金層１４”の表面プラズモン共鳴光を励起できないことがある。尚、金層１４”と酸化シリコン層１３’との密着性をさらに高めるために、酸化シリコン層１３’の表面に1〜2nm程度のTi、Cr等の金属を蒸着してもよい。
【００７０】
図１３は図１２の粒子検出積層構造１”の設計フローを示すフローチャートである。
【００７１】
始めに、ステップ１３０１にて、金層１４”の最適の厚さt”を選択する。図１２の金層１４”の光入射かつ反射面S1の反対面S2における表面プラズモン共鳴光RLの励起量を最大とする赤外レーザ光IRの入射角θは、臨界角θcより大きい範囲で、金層１４”の光入射かつ反射面S1での反射率Rが最小となる光吸収（プラズモン）ディップ角度θPである。つまり、石英ガラス１５に対して赤外レーザ光IRを相対的に角度スキャンして金層１４”からの反射光を利用してシミュレーションした結果である全反射減衰（ATR）信号スペクトルを図１４に示してある。尚、このシミュレーションソフトとしてはマックスプランク研究所開発のWinSpall（商標名）を用いる。波長λ=1064nmの赤外レーザ光IRの基における条件は次のごとくである。
石英ガラス１５について、
厚さ=任意
屈折率=1.44
消衰係数=0
である。酸化シリコン層１１’について、
厚さ=200nm
屈折率=1.44
消衰係数=0
である。窒化シリコン層１２’について、
厚さ=500nm
屈折率=2
消衰係数=0
である。酸化シリコン層１３’について、
厚さt=200nm
屈折率=1.44
消衰係数=0
である。金層１４”について、
厚さt”=29nm
屈折率=0.3
消衰係数=7.5
である。
【００７２】
図１４においては、金層１４”の厚さt”に応じた複数のATR信号スペクトルのうち、金層１４”の厚さt”=29nmに応じたATR信号スペクトルを図示してある。金層１４”の厚さt”が10nm未満では、金層１４”で発生するエバネッセント光を金層１４”が十分に吸収できないことからプラズモンディップが発生しない。また、金層１４”の厚さt”が60nmを超えると、金層１４”で発生するエバネッセント光の減衰が大きくなり、金層１４”の表面プラズモン共鳴光RLの励起ができなくなり、プラズモンディップにおける反射率Rは大きくなる。図１４の部分拡大図である図１５の（Ａ）に図示するごとく、金層１４”の厚さt”≒29nmでのATR信号スペクトルが反射率R=0の鋭いプラズモンディップを有する。従って、金層１４”の厚さt”を29±1nmの範囲で選択することにより表面プラズモン共鳴光RLの励起量は最大となる。
【００７３】
次に、ステップ１３０２にて最適入射角θoptを選択する。金層１４”の厚さt”が36nmのときには、図１５の（Ａ）に示すごとく、入射角θがプラズモンディップ角度θp=44.25°のときに、表面プラズモン共鳴光RLが最も効率よく励起される。しかし、図１５の（Ｂ）に示すごとく、実際には、電場強度Eはプラズモンディップ角度θP=44.25°より若干小さな角度44.22°で最大となる。従って、電場強度増大効果を最大限に発揮できるように、最適入射角θoptを44.22°に設定する。この場合、電場強度増大度は入射光の約60倍となる。
【００７４】
また、波長収縮効果も100倍を超える。従って、非常に高精度な微粒子検出が可能となる。
【００７５】
図１６は図１２の粒子検出積層構造１”の製造フローを示すフローチャートである。この製造フローを図１７の断面図も参照して説明する。
【００７６】
始めに、ステップ１６０１にて、図１７の（Ａ）も参照すると、CMP法等によって片面が高精度に研磨されている厚さ約400μmのシリコン基板１０を熱酸化して厚さ約200nmの酸化シリコン層１１’を形成する。
【００７７】
次に、ステップ１６０２にて、図１７の（Ｂ）も参照すると、酸化シリコン層１１’上に化学的気相成長（CVD）法によって厚さ約500nmの窒化シリコン層１２’を形成する。
【００７８】
次に、ステップ１６０３にて、図１７の（Ｃ）も参照すると、窒化シリコン層１２’上にCVD法によって厚さ約200nmの酸化シリコン層１３’を形成する。
【００７９】
次に、ステップ１６０４にて、図１７の（Ｄ）も参照すると、酸化シリコン層１３’上にAuを蒸着して厚さ約29nmの金層１４”を形成する。この場合、Au蒸着前に厚さ約1〜2nmのTi、Cr等を蒸着してAuとSiO2との密着性を向上させることもできる。
【００８０】
次に、ステップ１６０５にて、図１７の（Ｅ）も参照すると、シリコン基板１０を裏面から異方性エッチング法によって除去する。
【００８１】
最後に、ステップ１６０６にて、図１７の（Ｆ）も参照すると、酸化シリコン層１１’と厚さ約1mmの石英ガラス１５とをマッチングオイルを用いて圧着させる。尚、石英ガラス１５は窒化シリコン層１２’と同程度の大きさである。
【００８２】
尚、石英ガラス１５の周辺にシリコン基板１０が残存しているが、シリコン基板１０のサイズは石英ガラス１５のサイズに比較して小さいので、無視できる。しかし、必要に応じて残存シリコン基板１０を除去してもよい。
【００８３】
このようにして、図１２の粒子検出積層構造１”が完成する。この粒子検出積層構造１”はウェハレベルでも、チップレベルでも用いることもできる。
【００８４】
このように、第３の実施の形態によれば、金層１４”の表面平坦性は平坦性の良い安価な窒化シリコン層１２’によって決定され、従って、石英ガラス１５の平坦性は余り要求されない。この結果、高価格のプリズムを用いることなく、表面が平坦かつ安価の粒子検出積層構造１”により非常に高精度の微粒子検出が可能となる。
【００８５】
図１８は図１、図７、図１２の粒子検出積層構造１、１’、１”の変更例を示す断面図である。
【００８６】
図１８に示すように、透光性板状部材１ａ上に設けられた粒子検出積層構造１、１’、１”にＹＡＧレーザ源２の赤外レーザ光IRの波長λより小さい直径の孔部１ａを形成する。これにより、赤外レーザ光IRの一部は粒子検出積層構造１、１’、１”の孔部１ａに入射する。このとき、孔部１ａの直径は波長λより小さいので、孔部１ａに入射した光は孔部１ａの外部に放射されることはなく、その一方でエバネッセント光を発生する。この現象は、微小開口によるエバネッセント光の発生として知られている。そして、孔部１ａの１つに発生したエバネッセント光は、図１９に矢示するように、孔部１ａの配列に従って縦横斜めに、次々に隣接する孔部１ａに伝播並びに干渉することによって強度が増大される。この結果、強度が増大されたエバネッセント光により金層１４、１４’、１４”の反対面S2の光電面に表面プラズモン共鳴光RLがさらに容易に励起される。
【００８７】
尚、図１８の構成においては、表面プラズモン異常透過現象が起こり、特定の波長並びに角度においては増強されたバックグラウンド光が直接検出器に入射し、微粒子からの散乱光がこのバックグラウンド光に埋もれてしまうことが予想されるため、このような異常透過をおこす波長を利用して表面プラズモン共鳴光RLを励起することは避ける必要がある。また、この異常透過は周期配列による干渉効果に起因するので、規則的な配置に比べ増大効果は弱くなるものの、周期配列を乱すことによって異常透過現象を避けることは可能である。
【００８８】
尚、図１８の粒子検出積層構造１、１’、１”の製造も孔部１ａの形成を除いて図５、図１１、図１６の製造フローに基づいて行われる。
【００８９】
次に、本発明に係る粒子検出装置の一検出方法を図２０を参照して説明する。尚、図２１において、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図である。
【００９０】
たとえば、粒子検出積層構造１、１’、１”が直径150mmの円形であるウェハレベルとする。この場合、粒子検出積層構造１、１’、１”を矢印に示すごとく一定時間毎に一回転させる機構（図示せず）を設け、これにより、非常に多数回の検出を可能とする。このとき、粒子検出積層構造１、１’、１”を消耗部材としてたとえばカセット着脱可能にすれば作業効率が上昇する。
【００９１】
本発明に係る粒子検出装置の他の検出方法を図２１を参照して説明する。
【００９２】
たとえば、粒子検出積層構造１、１’、１”が矩形のチップ状であるとし、複数たとえば６枚のチップの粒子検出積層構造１、１’、１”を１枚の石英ガラス１５で保持する。これを離散的に石英ガラス１５をずらす。これにより、やはり、非常に多数回の検出を可能とする。このときも、粒子検出積層構造１、１’、１”を消耗部材として着脱可能にすれば作業効率が上昇する。
【００９３】
尚、上述の実施の形態における金層１４、１４’、１４”は、銀、白金またはアルミニウムあるいはこれら及び金のいずれか２つないし４つを合金化したものを用いてもよい。また、この他にも、使用する励起波長に対して誘電率の虚数部が負となる材料であれば、金属を含む種々の材料を用いることが可能である。
【符号の説明】
【００９４】
１、１’、１”：粒子検出積層構造 
１ａ：孔部
１０：シリコン基板
１１、１１’：酸化シリコン層
１２：シリコン基板
１２’：窒化シリコン層
１３、１３’：酸化シリコン層
１４、１４’、１４”：金層
２：YAGレーザ源
３：波長板
４：イオナイザ
５−１、５−２：光電子倍増管
５−１ａ、５−２ａ：干渉フィルタ
６：制御回路
６１：増幅器
６２：微分器
６３：波高値別計数器
SL：散乱光
RL：表面プラズモン共鳴光
P：微粒子
【図１】
2014095626.tif 000003
【図２】
2014095626.tif 000004
【図３】
2014095626.tif 000005
【図４】
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【図５】
2014095626.tif 000007
【図６】
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【図７】
2014095626.tif 000009
【図８】
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【図９】
2014095626.tif 000011
【図１０】
2014095626.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2014095626.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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