JP4076237B2 - Ellipsometer - Google Patents

Description

で表される。ここで、屈折率ｍ_p は複素屈折率で表され、
【０００８】
【数２】

ρ_p+1,p はｐ＋１層とｐ層界面での振幅反射率でｒ_p,o は、
【０００９】
【数３】

で表されるので多層膜の反射率は順次階層的に値を代入して最終の反射率を求めることができる。Ｓ偏光、Ｐ偏光成分の反射率はρ_p+1,p の項に各々Ｓ偏光の振幅反射率、Ｐ偏光の振幅反射率を適用することにより求まる。例えば、
【００１０】
【数４】

偏光解析装置では試料によって反射されたＳ、Ｐ成分の偏光反射率比が測定され、Ｓ偏光の振幅反射率をＡ_SS、Ｐ偏光の振幅反射率をＡ_spとすると、
【００１１】
【数５】

で与えられ、ｔａｎφ（振幅反射率比）とΔ（位相差）を上記の計算式に当てはめることにより屈折率、膜厚を求めている。
【００１２】
また、偏光解析を行なう場合、従来より種々の方法があるが、例えば図１５に示された偏光解析装置が用いられている。
この装置はＦａｒａｄａｙ ｃｅｌｌを用いたＫｉｎｇの光電的偏光解析装置であり、入射角固定の測定法の配置状態を示している。この装置は偏光子および検光子がステッピングモータ等で±０．００２°に相当する精度で回転することができ、さらにファラディー効果により偏光状態に変調を加えて消光位置が探し易い機構になっている。
【００１３】
このように図１５に示した偏光解析装置を用いて消光条件を求めることにより、試料表面に付着した薄膜の厚みや光学定数を知ることができる。しかしながら、このような装置では、Ｆａｒａｄａｙ ｃｅｌｌを備えなければならない、あるいは偏光子、検光子の両方を精度良く回転させる機構を備える必要がある等、簡便性にかけるのが欠点であった。また、多層膜構造において最上層の膜の微小の光学的変化を精度良く求めるのが困難であった。
【００１４】
一方、偏光解析装置を抗原抗体反応などの分析装置として用いる場合には屈折率、膜厚などを測定することよりも抗原抗体反応の反応性が感度良く検出できれば良い。この目的のためには反応前の試料支持体を偏光解析装置に置いて消光させ、次に偏光子、検光子などの位置を固定したままで反応後の試料支持体を設置して光量の変化を測定し、抗原抗体反応を検出することができる。
【００１５】
この方法を応用して免疫支持体上の抗体、および抗原による膜厚の変化を偏光解析法で測定するに当り、本出願人は、小型で簡便な光学系を備えた偏光解析装置およびこの光学系に適した試料支持体の構造を特願平５−２０３５６４号および特願平５−２０３５６５号において提案した。
【００１６】
【発明が解決しようとする問題点】
しかし前述した特願平５−２０３５６４号および特願平５−２０３５６５号においては、提案した装置や従来の偏光解析装置を用いて試料支持体上の微小の光学的変化を光量の変化としてとらえる際に、その光量の変化の程度が試料支持体の光透過性部分の膜厚、屈折率や入射光の入射角、波長、光量に依存しているが、それ等についての何ら記載されていなかった。
【００１７】
そこで本発明は、免疫支持体上の抗体、および抗体によって形成された多層膜構造上の微小な層厚の変化を偏光解析法で光量の変化として測定するに当たり、測定の最適条件が得られる偏光解析装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、偏光子と検光子を兼ね、第１の試料の一部に偏光を入射させる第１の光学素子と、前記試料の前記一部で反射された反射光のＰ偏光及びＳ偏光の偏光面をｎπ＋π／２（ｎ：０，１，２，…整数）回転させて反射させる第２の光学素子とからの反射光が第２の試料に入射され、前記検光子により消光させて前記試料を解析し、抗原・抗体反応の分析を行う偏光解析装置であって、前記偏光解析装置において前記抗原・抗体反応の分析を行うために用いられる試料支持体は、光不透過性層と光透過性層と抗原・抗体反応層とを有し、前記抗原・抗体反応層上に抗原又は抗体が載置され、前記抗原・抗体反応による層厚変化を光量の変化として捕らえる測定に用いられる際に、
前記試料支持体への入射角におけるＳ偏光反射率が０．２５以下で、且つ反応前と反応後の前記抗原・抗体反応層の層厚変化によりＳ、Ｐ偏光の位相差の正負が反転する光透過性層の層厚となるように形成される偏光解析装置を提供する。
【００２１】
【作用】
以上のような構成の偏光解析装置において、シミュレーションにより最適な測定条件を求め、さらにＬＢ（Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ）法により、試料支持体上にＬＢ膜を形成し、標準試料を作成して確認を行う。シミュレーションは始めに標準的な偏光解析装置において行う。標準的な偏光解析装置は以下の配置とした。
【００２２】
光源 → Ｐ → Ｃ → Ｓ → Ａ
Ｐ：ポーラライザ、Ｃ：コンペンセータ、Ｓ：試料、Ａ：アナライザ
試料は２つ用意し、１つはレファレンス試料とし、この試料を用いて消光させ、２つ目の測定試料で光量を測定することとする。従って、１つ目のレファレンス試料を反応前の試料、２つ目の試料を反応後の試料に対応させている。また、装置の条件は理想状態と仮定する。
【００２３】
次いで、その結果を実験により確認するために所定の膜厚のＳｉＯ₂ 膜にＬＢ膜をステップ状に順次積層し、ＳｉＯ₂ 膜のみのところで消光した後、種々の膜厚のＬＢ膜を累積した位置での反射光量を測定する。
さらに、このシミュレーションを特願平５−２０３５６４号および特願平５−２０３５６５号において提案した装置に適用する。
【００２４】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
まず、試料に入射する楕円偏光を
【００２５】
【数６】

で表わし、レファレンス試料で反射した後、消光操作によりＳ成分の振幅がＡ_f 、Ｐ成分の振幅がＡ_f ｔａｎφ_r の直線偏光になるものとし、両成分の振幅反射率をＡ_rs，Ａ_rp，位相差をΔ_r とすれば、
【００２６】
【数７】

従って、
【００２７】
【数８】

次いで、２つ目の測定試料の振幅反射率をＡ_SS，Ａ_SP，位相差をΔ_s とすると測定試料で反射した後の楕円偏光は以下のようになる。
【００２８】
【数９】

従って、検出する反射光量Ｉ_S は、
【００２９】
【数１０】

となる。
ａ．最適な装置設定を想定した場合、
また、式（１）においてＡ_f ² ｓｉｎ² φ_r は装置の設定に関わる量で、
【００３０】
【数１１】

Ａ_os ² ＋Ａ_op ² ＝１よりＡ₀ ² を消去し、微分により最適条件を求めると、
【００３１】
【数１２】

従って、
【００３２】
【数１３】

（１）式に代入してその値を式（４）（５）（８）に導入し、図３，４，５を得た。
多層膜の反射率を求める際に用いた条件を以下に示す。
【００３３】
【表１】

入射波長 ６７００オングストローム
いずれの場合も入射角７０°でＳｉＯ₂ 膜厚４１００オングストローム、入射角６５°でＳｉＯ₂ 膜厚４０００オングストローム、入射角６０°でＳｉＯ₂ 膜厚３９００オングストローム、入射角５０°でＳｉＯ₂ 膜厚３７００オングストローム付近で最大の反射光量を与えることがわかる。また、それらの膜厚近傍でのＳ偏光反射率、Ｐ偏光反射率、偏光反射率比、位相差を図６，７，８，９に示す。これ等の結果を見るとＰ偏光反射率はほとんど変化がないが、Ｓ偏光反射率は最大の反射光量を与えるＳｉＯ₂ 膜厚で反射率が最小となることがわかる。従って、その時偏光反射率比｜Ａｐ／Ａｓ｜は最大値を示す。一方、位相差もそれらの膜厚付近で大きく変化することがわかる。すなわち、最大の反射光量はＳ偏光反射率が最小で偏光反射率比が最大、そして位相差も大きく変化するような試料および装置設定により得られることがわかる。また、最適な装置設定を行なった場合にはλ／４板を４５°に設定した場合に対し約２倍の反射光量が得られることがわかる。解析的な方法およびポアンカレ球を用いて計算した場合の結果はどちらも同じ結果が得られる。
【００３４】
なお、理論的には、Ｓ偏光反射率は、最小となる膜厚が最適であるが、実際にＳｉウエハにＳｉＯ₂ 膜を形成した場合に、膜厚は目標値に対して５〜１０％のばらつきを持っている。従って、図１６に示すように例えば、４０００オングストロームの膜を形成し、反射率が最低になるようにセンサチップを製作して、使用する場合に反射率を０．２５以下であれば、実用上問題がなかった。従って、理論上ではＳ偏光反射率は最小であるが、実用上はＳ偏光反射率が０．２５以下が好適する反射率であるものとする。
【００３５】
次に、前述した第１実施例での計算結果を確認するための実験を行なった。実験は再現性のある任意の膜厚の薄膜が容易に作成できるＬＢ膜を模擬試料として用いた。図１０に示すように所定の膜厚のＳｉＯ₂ 膜にＬＢ膜をステップ状に順次積層し、ＳｉＯ₂ 膜のみのところで消光した後、種々の膜厚のＬＢ膜を累積した位置での反射光量を測定し、計算結果と比較した。実験装置はλ／４板を４５°の位置にセットしたものを用いたので計算式は（５）式または（８）式が使用可能であるが今回は（５）式を用いた。
ａ．確認実験のための計算
計算結果を装置の出力に対応させるため光源の出力、受光素子の光電変換効率を以下のように付加した。
【００３６】
【数１４】

この式が最大の光量を与える装置設定を想定した場合の光量となる。
ｂ．λ／４板を４５度に設定した場合
この設定は従来の偏光解析装置に最も多く適用されている。
【００３７】
【数１５】

となるのでこれを（２）式に代入すると、
【００３８】
【数１６】

従って、
【００３９】
【数１７】

ｃ．ポアンカレ球を用いた解析
図１を参照して順を追って偏光の状態を記述すると、
（１）Ｐ（ポーラライザ）で偏光された光が入射面に対し、４５°の角度で設置されたλ／４板を通過するとその光は４５°の直線偏光を含む大円上に位置する（Ｌ₀ ）。
【００４０】
（２）レファレンス試料をセットし、消光調整を行なうとレファレンス試料反射後の光は直線偏光になる（Ｒ）。この時の両成分の振幅反射率をＡ_rs，Ａ_rp及び位相差をΔｒとする。
【００４１】
【数１８】

この時アナライザはＲの対心点Ａに位置する。
（３）配置を固定したままで測定試料を測定した時の反射光をＳとし、かつ両成分の振幅反射率をＡ_SS，Ａ_sp及び位相差をΔ_s とする。
【００４２】
【数１９】

このときＡの位置で観測される相対光量Ｉは円弧ＲＳの長さをｃとすると、
【００４３】
【数２０】

球面上の３角形ＤＳＲに注目すると、
【００４４】
【数２１】

球面３角形の余弦定理
【００４５】
【数２２】

より、
【００４６】
【数２３】

故に、
【００４７】
【数２４】

入射光量を１とすると全反射光量Ｉ₀ は、
【００４８】
【数２５】

従って、アナライザＡの位置で観測される反射光量は以下の式で表される。
【００４９】
【数２６】

また、式（５）と（８）は等価のはずである。ここで、レファレンス試料、測定試料としては、図２に示すような、半導体基板１上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂ ）２、シラン膜３、抗原抗体反応層４からなる多層構造を想定した。反射光量の算出はある膜厚のＳｉＯ₂ をレファレンス試料とし、そこから膜厚が２００オングストローム増加したものを測定試料としてその時の反射光量を前述の式を用いて計算した。これを順次２００オングストロームずつずらせてレファレンス試料、測定試料としてＳｉＯ₂ の膜厚に対する反射光量の変化を得た。
【００５０】
また計算に用いた偏光反射率、位相差は先の従来技術で述べた多層膜の反射率式から求めた。出力（Ｐ）はＩ₀ （ＬＤ出力）が偏光プリズム通過後１／２に減少し、それがサンプルへの入射光となり反射光（Ｉ_S ）は受光素子の光電変換効率（Ｓ）で電気信号に変換されアンプ（増幅率１０⁶ 倍）で増幅される。
従って、
【００５１】
【数２７】

演算条件を以下に示す。
【００５２】
【表２】

結果を図１１に示す。
ｂ．サンプルの作製および測定
上に示した４種のＳｉＯ₂ 膜厚のＳｉウェハーを１０×７６ｍｍの大きさに切断し、その上にＬＢ膜を１０ｍｍ間隔のステップ状に累積した。ＬＢ膜材料及び累積条件を下表に示す。
【００５３】
【表３】

【００５４】
作製したサンプルを上述したような装置にセットし、自動的に１０ｍｍずつ移動させながら反射光量を測定した。
測定は始めにＬＢ膜の累積されていないＳｉＯ₂ 膜の部分でポーラライザー（Ｐ）とアナライザー（Ａ）を少しずつ回転させ消光位置を求める。次いでＰとＡの位置は固定したまま測定点にＬＢ膜を累積した部分を移動させ各々の膜厚における反射光量を測定した。
【００５５】
測定結果を図１２に示す。
１枚のＳｉウェハー上でもＳｉＯ₂ 膜厚は数十オングストロームのバラツキがあることや受光素子に１０ｍｍ角のフォトダイオードを用いているが実際の受光スポットは１ｍｍφ程度であるため素子のリニアリティが悪くなっていること、およびグラントムソンプリズムの消光比、λ／４板の透過率も理想状態に仮定していることなどから計算の結果と実測値は完全には一致していない。しかしながら、両者ともＳｉＯ₂ 膜４０００オングストロームでの結果が最大の反射光量が得られることや相関係数からもわかるように反射光量とＬＢ膜の厚さの両対数が直線関係になることから計算による予測が実測定を反映することがわかる。
【００５６】
次に第３実施例について説明する。装置構成は前述したものと異なり、特願平５−２０３５６４号および特願平５−２０３５６５号において提案した装置についても検討した。この装置は図１３に示すようにレファレンス試料で反射した光の偏光面（ＸおよびＹ）がλ／４板またはプリズムを用いてπ／２回転して測定試料に入射するようになっている。
前述した第１実施例と同様に計算式をたてると以下のようになる。
【００５７】
【数２８】

【００５８】
Ａ_rs：レファレンス試料のＳ偏光反射率
Ａ_rp：レファレンス試料のＰ偏光反射率
Ａ_ss：測定試料のＳ偏光反射率
Ａ_sp：測定試料のＰ偏光反射率
Δ_S ：レファレンス試料のＳ、Ｐ偏光の位相差から測定試料のＳ、Ｐ偏光の位相差を引いた値
φ：入射直線偏光のレファレンス試料のＳ軸に対しての傾き
この式からもわかるようにφはπ／４の時すなわち４５度の装置設定のとき値が最大になる。
【００５９】
前述した第１実施例で用いた偏光反射率および位相差を用いて計算を行なった。その結果を図１４に示す。
これは第１実施例で得られた結果と同様に、入射角７０°でＳｉＯ₂ 膜厚４１００オングストローム、入射角６５°でＳｉＯ₂ 膜厚４０００オングストローム、入射角６０°でＳｉＯ₂ 膜厚３９００オングストローム、入射角５０°でＳｉＯ₂ 膜厚３７００オングストローム付近で最大の反射光量を与えることがわかる。 それらの膜厚近傍でのＳ偏光反射率、Ｐ偏光反射率、偏光反射率比、位相差を図６，７，８，９に示す。これ等の結果を見るとＰ偏光反射率はほとんど変化がないが、Ｓ偏光反射率は最大の反射光量を与えるＳｉＯ₂ 膜厚で反射率が最小となることがわかる。従って、その時偏光反射率比｜Ａｐ／Ａｓ｜は最大値を示す。一方、位相差もそれらの膜厚付近で大きく変化することがわかる。すなわち、最大の反射光量はＳ偏光反射率が最小で偏光反射率比が最大、そして位相差も大きく変化するような試料および装置設定により得られることがわかる。
【００６０】
なお、説明した実施例においては、レファレンス試料、測定試料を光不透過性の反射基板としてシリコン基板、光透過性の透明薄膜としてＳｉＯ₂ 膜、シラン膜、抗原抗体反応をおこさせるためのタンパク膜や模擬試料としてＳｉＯ₂ 膜上にＬＢ膜を累積したものを用いたが、これらに限定されるものではない。
【００６１】
本発明の実施例の計算に適用できる材料は、例えば光不透過性の反射基板としては金、銀、アルミ等の金属やシリコン等の半導体など、光透過性の透明薄膜としてＳｉＯ₂ の替わりに酸化アルミ、酸化チタン、酸化タンタル等の単層または複合膜、シラン膜の替わりにチタネート、チオールなどの有機薄膜の単層または複合膜、さらに抗原抗体反応をおこさせるためのタンパク膜も反応層として抗原、抗体、レセプターなどの受容体が単独またはデキストラン、セルロース等との混合体を使用すれば、液，尿等の検液中の抗原、抗体等の特異的検出にも使用可能である。
【００６２】
また、これらの試料は多層膜を構成しているが、機能性デキストラン、セルロース等との混合体を用いることによりシラン膜等の有機薄膜を省略することも可能である。
【００６３】
尚、末端にアミノ基、カルボキシル基、ビニル基、エポキシ基、チオール基、アリール基などを有するシラン膜の多層膜とし厚膜化することにより、ＳｉＯ₂ 膜を薄膜化したり、省略することも可能である。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明した計算結果を基にＳｉ０_２膜の厚さを１１００オングストロームから４０００オングストロームに変更し、入射角６０度で測定を行なったところ約１０倍の測定感度を得ることができた。
【００６５】
以上詳述したように本発明によれば、免疫支持体上の抗体、および抗体によって形成された多層膜構造上の微小な層厚の変化を偏光解析法で光量の変化として測定するに当たり、測定の最適条件が得られる偏光解析装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の試料支持方法を説明するための試料の設定による偏光の状態を示す図である。
【図２】本実施例の説明に用いる測定試料の構成例を示す図である。
【図３】装置設定を最適とした場合のＳｉＯ₂ −２００オングストローム変化に対する反射光量を示す図である。
【図４】λ／４板を４５°にした場合のＳｉＯ₂ −２００オングストローム変化に対する反射光量を示す図である。
【図５】λ／４板を４５°にした場合のポアンカレ球からのＳｉＯ₂ −２００オングストローム変化に対する反射光量を示す図である。
【図６】本実施例において、膜厚近傍でのＳ偏光反射率（Ｓ成分反射率）を示す図である。
【図７】本実施例において、膜厚近傍でのＰ偏光反射率（Ｐ成分反射率）を示す図である。
【図８】本実施例において、膜厚近傍での偏光反射率比を示す図である。
【図９】本実施例において、膜厚近傍での位相差を示す図である。
【図１０】反射光量測定をするための測定試料の構成例を示す図である。
【図１１】図２に示す測定試料を用いて行った測定に基づく演算結果（反射率計算値）を示す図である。
【図１２】図１０に示す測定試料を用いて行った測定に基づく測定結果（反射率実測値）を示す図である。
【図１３】第２番目に示した装置構成例において測定試料に入射する反射光の状態を示す図である。
【図１４】第１実施例で用いた偏光反射率および位相差を用いて、第２番目に示した装置構成例において算出した反射率を示す図である。
【図１５】従来の偏光解析装置の概略的な構成を示す図である。
【図１６】本実施例におけるＳ成分反射率において、ＳｉＯ₂ 膜厚に対する反射率の特性を示す図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、２…シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂ ）、３…シラン膜、４…抗原抗体反応層。[0001]
[Industrial application fields]
This invention relates to small changes in layer thickness in the reaction layer of the sample support in ellipsometry equipment for measuring by ellipsometry.
[0002]
[Prior art]
In general, the ellipsometry is a method of observing the change in polarization state when light is reflected on the surface of an object, and knowing the optical constant of the object itself, or the thickness and optical constant of a thin film attached to the surface. This ellipsometry has been applied to the biophysics field, and is also applied to the measurement of the thickness of protein membranes used for antigen-antibody reactions, the measurement of protein adsorption membranes, and the measurement of plasma proteins at the solid-liquid interface. It has become so.
[0003]
As a technique for measuring the thickness of a protein used for the antigen-antibody reaction, for example, A. Rothen and C.M. Mathot. Helvetica Chimica Acta, Vol. 54 (1971), Immunological Reactions Carried out at a Liquid-Solid Interface.
[0004]
As a technique relating to the measurement of the protein adsorption membrane, UL Joensson, M .; Malmqvist, Inger Roenberg, Jounalf Colloid and Interface Science, Vol. 103, no. 2 (1985), Adsorption of Immunoglobulin G, Protein A and Fibroctin in the SubscriberRegions Evaluated by a Combined Study of Ellipsoidal Ellipsoidal. Rothen and C.M. Mathot. Surface Chemistry of Biological systems (1970),
IMMUNOLOGICAL REACTIONS CARRIED OUTAT A LIQ IUID-SOLID INTERFACE WITH THE HELP OF A WEAK ELECTRIC CURRENT.
[0005]
In addition, as a technique for measuring plasma protein at the solid-liquid interface,
L. Vroman and A.M. L. Adams, SURFACE SCIENCE 16 (1969) FINDINGS WITH THE RECORDING ELLIPSOMETER SUGGESTING RAPID EXCHANGE OF SPECIFIC PLASMAPROTEINS AT LIQUID
[0006]
Here, the ellipsometry will be described. Amplitude reflectance amplitude reflectance of the reflected light when light from a medium having a refractive index m _p thereon if the multilayer film of p-1 layer on a substrate having a refractive index m _o is are given is incident = r _{p , 0} , the thickness of the medium of m _p is d _p, and when the medium of m _{p + 1} is further superimposed thereon and light is incident from above, the amplitude reflectivity = r _{p + 1,0} If it becomes reflected light,
[0007]
[Expression 1]

It is represented by Here, the refractive index m _p is represented by a complex refractive index,
[0008]
[Expression 2]

ρ _{p + 1, p} is the amplitude reflectivity at the interface between the p + 1 layer and the p layer, and r _{p, o} is
[0009]
[Equation 3]

Therefore, the final reflectance can be obtained by sequentially substituting values for the reflectance of the multilayer film in a hierarchical manner. The reflectance of the S-polarized light component and the P-polarized light component can be obtained by applying the amplitude reflectance of the S-polarized light and the amplitude reflectance of the P-polarized light to the terms ρ _{p + 1 and p} , respectively. For example,
[0010]
[Expression 4]

S in the ellipsometry device is reflected by the sample, the polarization reflectance ratio of the P component is measured, the amplitude reflectance of the S polarized light A _SS, if the amplitude reflectance of the P polarized light and A _sp,
[0011]
[Equation 5]

The refractive index and the film thickness are obtained by applying tanφ (amplitude reflectance ratio) and Δ (phase difference) to the above formula.
[0012]
In addition, there are various methods for performing ellipsometry, but for example, the ellipsometer shown in FIG. 15 is used.
This device is King's photoelectric ellipsometer using a Faraday cell, and shows the arrangement state of a measurement method with a fixed incident angle. In this device, the polarizer and the analyzer can be rotated with an accuracy equivalent to ± 0.002 ° by a stepping motor or the like, and the polarization state is modulated by the Faraday effect to easily find the extinction position. Yes.
[0013]
Thus, by obtaining the extinction conditions using the ellipsometer shown in FIG. 15, the thickness and optical constant of the thin film adhering to the sample surface can be known. However, such an apparatus has a drawback in that it is required to be equipped with a Faraday cell, or it is necessary to provide a mechanism for rotating both the polarizer and the analyzer with high accuracy. In addition, it has been difficult to accurately determine a minute optical change in the uppermost film in a multilayer structure.
[0014]
On the other hand, when the ellipsometer is used as an analyzer such as an antigen-antibody reaction, it is sufficient that the reactivity of the antigen-antibody reaction can be detected with higher sensitivity than measuring the refractive index and the film thickness. For this purpose, place the sample support before the reaction on the ellipsometer to quench the light, and then place the sample support after the reaction while fixing the position of the polarizer, analyzer, etc. And antigen-antibody reaction can be detected.
[0015]
In applying this method to measure the change in film thickness due to the antibody on the immune support and the antigen by ellipsometry, the applicant of the present application has developed a ellipsometer with a small and simple optical system and the optical A structure of a sample support suitable for the system was proposed in Japanese Patent Application Nos. 5-203564 and 5-203565.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
However, in Japanese Patent Application No. 5-203564 and Japanese Patent Application No. 5-203565 described above, when a minute optical change on the sample support is captured as a change in the amount of light using the proposed apparatus or a conventional ellipsometer. In addition, the degree of change in the amount of light depends on the film thickness, refractive index, incident angle of incident light, wavelength, and amount of light of the sample support, but nothing has been described about them. .
[0017]
The present invention, when measured as a change in light intensity antibodies on immune support, and a small layer thickness variation on the multi-layer film structure formed by the antibody in ellipsometry, polarized light optimal conditions for measurement is obtained an object of the present invention is to provide an analysis equipment.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention serves as a polarizer and an analyzer, and includes a first optical element that makes polarized light incident on a part of the first sample, and reflected light reflected by the part of the sample. Reflected light from the second optical element that rotates the polarization planes of P-polarized light and S-polarized light by nπ + π / 2 (n: 0, 1, 2,... Integer) and reflects the light is incident on the second sample. A polarization analysis apparatus that analyzes the sample by quenching with an analyzer and analyzes an antigen / antibody reaction, and the sample support used for analyzing the antigen / antibody reaction in the polarization analysis apparatus is: and a light impermeable layer and a light transmissive layer and the antigen-antibody reaction layer, antigen or antibody is placed in the antigen-antibody reaction layer, by the antigen-antibody reaction When used to measure the change in layer thickness as a change in light quantity,
Wherein the at 0.25 S-polarized light reflectivity that put the incident angle to the sample support, and the thickness variation of the antigen-antibody reaction layer before and after reaction S, positive and negative phase difference of P-polarized light providing ellipsometry equipment is formed such that the thickness of the inverted light transmitting layer.
[0021]
[Action]
Determine the optimum measurement conditions Oite by simulation ellipsometry equipment configured as above, a further LB (Langmuir-Blodgett) method, a LB film is formed on a sample substrate, to create a standard sample Confirm. Simulation is carried out at the standard polarization analysis equipment at the beginning. Standard ellipsometry equipment was the following arrangement.
[0022]
Light source → P → C → S → A
P: Polarizer, C: Compensator, S: Sample, A: Two analyzer samples are prepared, one is a reference sample, this sample is used for quenching, and the second measurement sample is used to measure the amount of light To do. Therefore, the first reference sample corresponds to the sample before the reaction, and the second sample corresponds to the sample after the reaction. In addition, it is assumed that the apparatus condition is an ideal state.
[0023]
Next, in order to confirm the result by experiment, an LB film is sequentially laminated in a step shape on a SiO ₂ film having a predetermined thickness, and after quenching only at the SiO ₂ film, LB films having various thicknesses are accumulated. Measure the amount of reflected light at the position.
Further, this simulation is applied to the apparatus proposed in Japanese Patent Application No. 5-203564 and Japanese Patent Application No. 5-203565.
[0024]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, the elliptically polarized light incident on the sample is
[Formula 6]

Expressed in, after being reflected by the reference sample, the amplitude A _f of S components by quenching operation, it is assumed that the amplitude of the P component is linearly polarized light of A _f tan [phi _r, the amplitude reflectance of the two components A _rs, A _rp , If the phase difference is Δ _r ,
[0026]
[Expression 7]

Therefore,
[0027]
[Equation 8]

Next, _assuming that the amplitude reflectance of the second measurement sample is A _SS , A _SP and the phase difference is Δ _s , the elliptically polarized light after being reflected by the measurement sample is as follows.
[0028]
[Equation 9]

Therefore, the amount of reflected light I _{S to be} detected is
[0029]
[Expression 10]

It becomes.
a. Assuming optimal device settings,
In the formula (1), A _f ² sin ² φ _r is an amount related to the setting of the device,
[0030]
## EQU11 ##

When A ₀ ² is eliminated from A _os ² + A _op ² = 1 and the optimum condition is obtained by differentiation,
[0031]
[Expression 12]

Therefore,
[0032]
[Formula 13]

Substituting into equation (1) and introducing the value into equations (4), (5), and (8), FIGS.
The conditions used when determining the reflectance of the multilayer film are shown below.
[0033]
[Table 1]

In all cases, the incident wavelength is 6700 angstroms, the incident angle is 70 °, the SiO ₂ film thickness is 4100 angstroms, the incident angle is 65 °, the SiO ₂ film thickness is 4000 angstroms, the incident angle is 60 °, the SiO ₂ film thickness is 3900 angstroms, and the incident angle is 50 ° _{2 It} can be seen that the maximum amount of reflected light is given in the vicinity of a film thickness of 3700 angstroms. Also, the S-polarized reflectance, the P-polarized reflectance, the polarized reflectance ratio, and the phase difference in the vicinity of the film thickness are shown in FIGS. From these results, it can be seen that the P-polarized reflectance hardly changes, but the S-polarized reflectance is minimized when the SiO ₂ film thickness gives the maximum amount of reflected light. Therefore, at that time, the polarization reflectance ratio | Ap / As | shows the maximum value. On the other hand, it can be seen that the phase difference changes greatly in the vicinity of the film thickness. That is, it can be seen that the maximum amount of reflected light can be obtained by setting the sample and the apparatus so that the S-polarized reflectance is the smallest, the polarized reflectance ratio is the largest, and the phase difference changes greatly. Further, it can be seen that when the optimum apparatus setting is performed, the reflected light amount is about twice as much as that obtained when the λ / 4 plate is set to 45 °. Both the analytical method and the results calculated using the Poincare sphere yield the same result.
[0034]
Theoretically, the minimum thickness of the S-polarized reflectance is optimum, but when the SiO ₂ film is actually formed on the Si wafer, the thickness is 5 to 10% of the target value. Have variations. Accordingly, as shown in FIG. 16, for example, when a film having a thickness of 4000 angstroms is formed and the sensor chip is manufactured so that the reflectance is minimized and used, if the reflectance is 0.25 or less, it is practical. There was no problem. Accordingly, the S-polarized reflectance is theoretically the minimum, but in practice, the S-polarized reflectance is preferably 0.25 or less.
[0035]
Next, an experiment for confirming the calculation result in the first embodiment was performed. In the experiment, an LB film capable of easily forming a reproducible thin film having an arbitrary film thickness was used as a simulation sample. As shown in FIG. 10, the LB film is sequentially laminated stepwise on the SiO ₂ film having a predetermined film thickness, and after being quenched only at the SiO ₂ film, the amount of reflected light at the position where the LB films with various film thicknesses are accumulated. Was measured and compared with the calculation results. Since the experimental apparatus used was a λ / 4 plate set at a position of 45 °, the formula (5) or (8) can be used as the calculation formula, but this time formula (5) was used.
a. In order to make the calculation calculation result for the confirmation experiment correspond to the output of the apparatus, the output of the light source and the photoelectric conversion efficiency of the light receiving element were added as follows.
[0036]
[Expression 14]

This equation is the light amount when assuming the device setting that gives the maximum light amount.
b. When the λ / 4 plate is set to 45 degrees, this setting is most often applied to the conventional ellipsometer.
[0037]
[Expression 15]

Therefore, if this is substituted into equation (2),
[0038]
[Expression 16]

Therefore,
[0039]
[Expression 17]

c. Analysis using the Poincare sphere With reference to FIG.
(1) When light polarized by P (polarizer) passes through a λ / 4 plate installed at an angle of 45 ° with respect to the incident surface, the light is positioned on a great circle containing 45 ° linearly polarized light ( L ₀ ).
[0040]
(2) When a reference sample is set and extinction adjustment is performed, the light after reflection of the reference sample becomes linearly polarized light (R). The amplitude reflectances of both components at this time are A _rs and A _rp, and the phase difference is Δr.
[0041]
[Formula 18]

At this time, the analyzer is located at the opposite point A of R.
(3) The reflected light when the measurement sample is measured with the arrangement fixed is S, the amplitude reflectivity of both components is A _SS , _Asp, and the phase difference is Δ _s .
[0042]
[Equation 19]

At this time, the relative light quantity I observed at the position A is c, where the length of the arc RS is c.
[0043]
[Expression 20]

Paying attention to the triangular DSR on the spherical surface,
[0044]
[Expression 21]

Cosine theorem of spherical triangle [0045]
[Expression 22]

Than,
[0046]
[Expression 23]

Therefore,
[0047]
[Expression 24]

When the incident light quantity is 1, the total reflected light quantity I ₀ is
[0048]
[Expression 25]

Accordingly, the amount of reflected light observed at the position of the analyzer A is expressed by the following equation.
[0049]
[Equation 26]

Also, equations (5) and (8) should be equivalent. Here, as a reference sample and a measurement sample, a multilayer structure including a silicon oxide film (SiO ₂ ) 2, a silane film 3, and an antigen-antibody reaction layer 4 on a semiconductor substrate 1 was assumed as shown in FIG. The amount of reflected light was calculated by using the above-mentioned equation, using SiO ₂ having a certain thickness as a reference sample, and using a sample whose thickness increased by 200 Å as a measurement sample. This was sequentially shifted by 200 angstroms to obtain a change in the amount of reflected light with respect to the thickness of SiO ₂ as a reference sample and a measurement sample.
[0050]
The polarization reflectance and the phase difference used for the calculation were obtained from the reflectance formula of the multilayer film described in the prior art. The output (P) is reduced to 1/2 after I ₀ (LD output) passes through the polarizing prism, and becomes incident light to the sample. The reflected light (I _S ) is an electric signal by the photoelectric conversion efficiency (S) of the light receiving element. And amplified by an amplifier (amplification factor 10 ⁶ times).
Therefore,
[0051]
[Expression 27]

The calculation conditions are shown below.
[0052]
[Table 2]

The results are shown in FIG.
b. Four types of SiO ₂ film thickness Si wafers shown in the preparation and measurement of the sample were cut into a size of 10 × 76 mm, and LB films were accumulated in steps of 10 mm intervals. The LB film material and cumulative conditions are shown in the table below.
[0053]
[Table 3]

[0054]
The produced sample was set in the apparatus as described above, and the amount of reflected light was measured while automatically moving by 10 mm.
In the measurement, first, the polarizer (P) and the analyzer (A) are rotated little by little in the portion of the SiO ₂ film where the LB film is not accumulated to obtain the extinction position. Next, while the positions of P and A were fixed, the portion where the LB film was accumulated was moved to the measurement point, and the amount of reflected light at each film thickness was measured.
[0055]
The measurement results are shown in FIG.
Even on a single Si wafer, the SiO ₂ film thickness varies by several tens of angstroms, and a 10 mm square photodiode is used for the light receiving element. However, since the actual light receiving spot is about 1 mmφ, the linearity of the element deteriorates. The calculated results and the measured values do not completely coincide with each other because the extinction ratio of the Glan-Thompson prism and the transmittance of the λ / 4 plate are assumed to be ideal. However, in both cases, the result with the SiO ₂ film of 4000 angstroms gives the maximum amount of reflected light, and the logarithm of the amount of reflected light and the thickness of the LB film has a linear relationship as can be seen from the correlation coefficient. It can be seen that the prediction reflects the actual measurement.
[0056]
Next, a third embodiment will be described. The apparatus configuration is different from that described above, and the apparatuses proposed in Japanese Patent Application Nos. 5-203564 and 5-203565 were also examined. In this apparatus, as shown in FIG. 13, the polarization plane (X and Y) of the light reflected by the reference sample is rotated by π / 2 using a λ / 4 plate or prism and is incident on the measurement sample.
The calculation formula is as follows as in the first embodiment.
[0057]
[Expression 28]

[0058]
A _rs : S-polarized reflectance of reference sample A _rp : P-polarized reflectance of reference sample A _ss : S-polarized reflectance of measurement sample A _sp : P-polarized reflectance of measurement sample Δ _S : S and P-polarized light of reference sample The value obtained by subtracting the phase difference between the S and P polarizations of the measurement sample from the phase difference of φ: the inclination of the incident linearly polarized light with respect to the S axis of the reference sample. As can be seen from this equation, φ is π / 4, that is 45 The value is maximized when the device is set in degrees.
[0059]
Calculation was performed using the polarization reflectance and phase difference used in the first embodiment. The result is shown in FIG.
This Similar to the results obtained in the first embodiment, SiO ₂ film thickness 4100 Å at an incident angle of 70 °, SiO ₂ film thickness 4000 Å at an incident angle of 65 °, SiO ₂ film thickness 3900 Å at an incident angle of 60 ° It can be seen that the maximum amount of reflected light is given in the vicinity of 3700 Å of SiO ₂ film thickness at an incident angle of 50 °. 6, 7, 8, and 9 show the S polarization reflectance, the P polarization reflectance, the polarization reflectance ratio, and the phase difference in the vicinity of the film thickness. From these results, it can be seen that the P-polarized reflectance hardly changes, but the S-polarized reflectance is minimized when the SiO ₂ film thickness gives the maximum amount of reflected light. Therefore, at that time, the polarization reflectance ratio | Ap / As | shows the maximum value. On the other hand, it can be seen that the phase difference changes greatly in the vicinity of the film thickness. That is, it can be seen that the maximum amount of reflected light can be obtained by setting the sample and the apparatus so that the S-polarized reflectance is the smallest, the polarized reflectance ratio is the largest, and the phase difference changes greatly.
[0060]
In the described embodiment, the reference sample and the measurement sample are a silicon substrate as a light-impermeable reflective substrate, a SiO ₂ film as a light-transmissive transparent thin film, a silane film, and a protein film for causing an antigen-antibody reaction. In addition, although a sample obtained by accumulating an LB film on a SiO ₂ film was used as a simulation sample, it is not limited to these.
[0061]
The material applicable to the calculation of the embodiment of the present invention is, for example, a metal such as gold, silver, and aluminum as a light impermeable reflective substrate, or a semiconductor such as silicon, instead of SiO ₂ as a light transmissive transparent thin film. A single layer or composite film of aluminum oxide, titanium oxide, tantalum oxide or the like, a single layer or composite film of an organic thin film such as titanate or thiol instead of a silane film, and a protein film for causing an antigen-antibody reaction as a reaction layer If a receptor such as an antigen, an antibody, or a receptor is used alone or a mixture with dextran, cellulose, or the like, it can be used for specific detection of an antigen, an antibody or the like in a test solution such as liquid or urine.
[0062]
Moreover, although these samples comprise the multilayer film, it is also possible to abbreviate | omit organic thin films, such as a silane film, by using a mixture with functional dextran, a cellulose, etc.
[0063]
In addition, it is possible to make the SiO ₂ film thinner or omitted by increasing the thickness of the silane film that has an amino group, carboxyl group, vinyl group, epoxy group, thiol group, aryl group, etc. It is.
[0064]
【The invention's effect】
Or the thickness of the Si0 ₂ film calculated based on the result described changed from 1100 Angstroms to 4000 Angstroms, could be obtained about ten times the measurement sensitivity was measured while an incident angle of 60 degrees.
[0065]
As described above in detail, according to the present invention, when measuring a minute layer thickness change on an immune support and a multilayer structure formed by the antibody as a change in light amount by ellipsometry, measurement is performed. it is possible to provide a polarization analysis equipment that optimum conditions can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a state of polarized light by setting a sample for explaining a sample supporting method of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a measurement sample used for explaining the present embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing the amount of reflected light with respect to a change in SiO ₂ -200 angstroms when the apparatus setting is optimized.
FIG. 4 is a diagram showing the amount of reflected light with respect to a change in SiO ₂ -200 angstroms when the λ / 4 plate is 45 °.
FIG. 5 is a diagram showing the amount of reflected light with respect to a change in SiO ₂ -200 angstrom from a Poincare sphere when a λ / 4 plate is set to 45 °.
FIG. 6 is a graph showing S-polarized reflectance (S component reflectance) in the vicinity of the film thickness in the present example.
FIG. 7 is a diagram showing the P-polarized reflectance (P component reflectance) in the vicinity of the film thickness in this example.
FIG. 8 is a graph showing a polarization reflectance ratio in the vicinity of a film thickness in the present example.
FIG. 9 is a diagram showing a phase difference in the vicinity of a film thickness in the present example.
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of a measurement sample for measuring the amount of reflected light.
11 is a diagram showing a calculation result (reflectance calculation value) based on the measurement performed using the measurement sample shown in FIG. 2. FIG.
12 is a diagram showing a measurement result (reflectance actual measurement value) based on the measurement performed using the measurement sample shown in FIG.
FIG. 13 is a diagram showing a state of reflected light incident on a measurement sample in the second apparatus configuration example.
FIG. 14 is a diagram showing the reflectance calculated in the second device configuration example using the polarization reflectance and phase difference used in the first embodiment.
FIG. 15 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional ellipsometer.
FIG. 16 is a diagram showing the reflectance characteristics with respect to the SiO ₂ film thickness in the S component reflectance in the present example.
[Explanation of symbols]
1 ... semiconductor substrate, 2 ... silicon oxide film (SiO _2), 3 ... silane film, 4 ... antigen-antibody reaction layer.

Claims (4)

A first optical element that serves as both a polarizer and an analyzer and makes polarized light incident on a part of the first sample, and the polarization planes of the P-polarized light and S-polarized light reflected by the part of the sample are nπ + π / 2 (n: 0, 1, 2,... Integer) The reflected light from the second optical element that is rotated and reflected is incident on the second sample and is quenched by the analyzer to analyze the sample. , An ellipsometer for analyzing antigen-antibody reaction ,
The sample support used for analyzing the antigen-antibody reaction in the ellipsometer is,
And a light impermeable layer and a light transmissive layer and the antigen-antibody reaction layer,
The antigen-antibody in the reaction layer antigen or antibody is placed, when used in the measurement to catch a layer thickness change by the antigen-antibody reaction as a change in light intensity,
Wherein the at 0.25 S-polarized light reflectivity that put the incident angle to the sample support, and the thickness variation of the antigen-antibody reaction layer before and after reaction S, positive and negative phase difference of P-polarized light ellipsometry equipment, characterized in that it is formed to be the thickness of the inverted light transmissive layer. The sample support according to claim 1 ,
Gold, silver, is composed of the aluminum and silicon down semi optically opaque layer consisting of any one or combination of conductors, silicon oxide, aluminum oxide, titanium oxide, a light-transmitting layer comprising tantalum oxide,
Ellipsometry equipment the light transmitting layer is characterized by Rukoto a one layer or multilayer structure. The sample support according to claim 2 ,
On the surface of the light transmissive layer, an organic thin film made of any one of silane, titanate, and thiol,
On the organic thin film, a receptor layer composed of any one of an antigen, an antibody, and a receptor alone or a mixture of dextran and cellulose;
Ellipsometry equipment but which is characterized by being formed by laminating. The sample support according to claim 3,
Wherein the ends of the molecule of the organic thin film, an amino group, a carboxyl group, a vinyl group, an epoxy group, a thiol group, ellipsometry equipment, characterized in that it contains one of the aryl groups.

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