(57)【要約】【課題】空間分解能を向上可能な磁場分布測定装置を提供することを課題とする。【解決手段】磁束を検出するホール素子１３の大部分を超伝導体１５で覆い、超伝導体１５で覆われていないスリット部分からのみ磁束を通過させ、有効な磁束検出面積をホールクロス領域１３４より小さくする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料から空間に漏れ出す磁場の分布を測定する磁場分布測定装置において、
前記試料における極近傍の磁場分布を所定の磁束検出領域で検出するホール素子と、
前記磁束検出領域を貫通する磁束のうち一定量を遮蔽する遮蔽体と、
を有することを特徴とする磁場分布測定装置。
【請求項２】
前記遮蔽体は、超伝導体であることを特徴とする請求項１に記載の磁場分布測定装置。
【請求項３】
前記遮蔽体は、強磁性体であることを特徴とする請求項１に記載の磁場分布測定装置。
【請求項４】
前記遮蔽体は、前記磁束検出領域の内から外方向に沿って下り傾斜を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁場分布測定装置。
【請求項５】
前記磁場分布測定装置は、走査型ホールプローブ顕微鏡であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁場分布測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料から空間に漏れ出す磁場の分布を測定する磁場分布測定装置の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型ホールプローブ顕微鏡に用いられるホール素子とは、測定対象となる試料から漏れ出す磁束に比例したホール起電力をもたらし、室温でその磁束密度が２３ｎＴ／√（Ｈｚ）に及ぶ高感度な磁気センサであることが知られている（非特許文献１参照）。そして、このホール素子を試料に極近接させて試料表面を走査することにより、試料自体に損傷を与えることなく試料表面近傍の磁化分布や電流分布等を測定することができる。
【０００３】
このような走査型ホールプローブ顕微鏡については、その空間分解能が重要な性能指標となっている。空間分解能とは、空間や物体内で識別可能な二点間の距離を示すものであってその値が小さいほど識別性能が高く、ホール素子のホールクロス領域の大きさで決定されることになる。ホール素子は、図８に示すように、一対の電流制御端子１３１ａ，１３１ｂ及び電圧出力端子１３２ａ，１３２ｂを備え、電流制御端子１３１ａと電流制御端子１３１ｂとの間を接続するリード線１３３ａと、電圧出力端子１３２ａと電圧出力端子１３２ｂとの間を接続するリード線１３３ｂとの交差領域がホールクロス領域１３４である。
【０００４】
そして、このホールクロス領域は、例えば電子線描画装置等による微細加工技術によりサブミクロンまで微細化することができる。例えば、非特許文献１には、３０×３０μｍ２のホールクロス領域を有する高感度ホールセンサが開示されている。
【非特許文献１】Kiyoshi Togawa、外６名、「Detection of magnetically labeled DNA using pseudomorphic AlGaAs/InGaAs/GaAs heterostructure micro-Hall biosensors」、JOURNAL OF APPLIED PHYSICS、2006年、08P103-1〜08P103-3
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、１×１μｍ２程度まで微細化を進めた場合には、ホールクロス境界面からの散乱の増大や、リード線を含めた抵抗増大による熱雑音の増大等が発生するため、空間分解能を向上することが困難であるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、空間分解能を向上可能な磁場分布測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の本発明は、試料から空間に漏れ出す磁場の分布を測定する磁場分布測定装置において、前記試料における極近傍の磁場分布を所定の磁束検出領域で検出するホール素子と、前記磁束検出領域を貫通する磁束のうち一定量を遮蔽する遮蔽体と、を有することを要旨とする。
【０００８】
本発明にあっては、試料における極近傍の磁場分布を所定の磁束検出領域で検出するホール素子と、磁束検出領域を貫通する磁束のうち一定量を遮蔽する遮蔽体とを有するため、有効磁束検出面積を磁束検出領域より小さくすることができ、空間分解能を向上可能な磁場分布測定装置を提供することができる。
【０００９】
請求項２に記載の本発明は、前記遮蔽体が、超伝導体であることを要旨とする。
【００１０】
請求項３に記載の本発明は、前記遮蔽体が、強磁性体であることを要旨とする。
【００１１】
請求項４に記載の本発明は、前記遮蔽体が、前記磁束検出領域の内から外方向に沿って下り傾斜を有することを要旨とする。
【００１２】
請求項５に記載の本発明は、前記磁場分布測定装置が、走査型ホールプローブ顕微鏡であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、空間分解能を向上可能な磁場分布測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１５】
〔第１の実施の形態〕
図１は、第１の実施の形態に係る走査型ホールプローブ顕微鏡の構成を模式的に示す模式図である。この走査型ホールプローブ顕微鏡１００は、試料１１から空間に漏れ出す磁場の分布を測定する磁場分布測定装置であって、試料１１における極近傍の磁場分布をホールクロス領域で検出するホール素子１３と、ホールクロス領域を貫通する磁束のうち一定量を遮蔽する超伝導体１５と、ホール素子１３をｘ軸方向，ｙ軸方向，ｚ軸方向に駆動させる駆動部１７と、駆動部１７の動作を制御する走査部１９と、ホール素子１３で検出された試料表面近傍の磁場を測定する測定部２１とを備えている。なお、上記ホールクロス領域とは、特許請求の範囲に記載された磁束検出領域に相当し、上記超伝導体１５は、特許請求の範囲に記載された遮蔽体に相当するものである。
【００１６】
ここで、ホール素子１３は、図８を用いて説明したように、一対の電流制御端子１３１ａ，１３１ｂ及び電圧出力端子１３２ａ，１３２ｂを備え、電流制御端子１３１ａと電流制御端子１３１ｂとの間を接続するリード線１３３ａと、電圧出力端子１３２ａと電圧出力端子１３２ｂとの間を接続するリード線１３３ｂとの交差領域がホールクロス領域１３４となっている。このようなホール素子１３は、ｙ軸方向に一定の電流を流した状態でｚ軸方向に磁界を与えると、ローレンツ力と呼ばれる電磁力を受けることになる。その結果、ｘ軸方向に釣り合う電界が発生し、電圧出力端子１３２ａと電圧出力端子１３２ｂとの間に電位差が生じることになる。そこで、この電位差（前述の「ホール起電力」）を計測することにより、試料表面の磁場分布を測定することが可能となっている。なお、このような技術については、一般的にホール効果と称されている。
【００１７】
そして、走査部１９が、このような探索子（プローブ）としてのホール素子１３を試料１１における表面の極近傍に近接或いは接触（ｚ軸方向へ移動）させ、該ホール素子１３を試料表面の局所的な領域で表面をなぞるように走査（ｘ軸方向，ｙ軸方向へ走査）させることにより、測定部２１において、試料表面の磁場分布を測定することが可能となっている。
【００１８】
このようなホール素子１３に対し、反磁性体である超伝導体１５は、図２に示すように、ホール素子１３の大部分を覆い、超伝導体１５で覆われていないスリット部分のみから磁束を通過させ、有効磁束検出面積をホールクロス領域よりも小さくする機能を備えている。これにより、ホールクロス領域を通過する磁束を低減することができ、空間分解能を向上することが可能となる。
【００１９】
また、この超伝導体１５には、図３に示すように、磁束を効果的にはじく立体的構造が形成されている。具体的には、スリット部分を形成している形成領域に位置する超伝導体１５が、スリット側面に対して鋭角であってホールクロス領域１３４の内から外方向に沿って下り傾斜するような直角三角形状に形成されている。更に、この超伝導体１５は、磁束方向がｚ＋からｚ−への方向、又はｚ−からｚ＋への方向のいずれの向きであっても確実に磁束を遮断するよう、ｘｙ平面に対して対称な立体構造となっている。これにより、超伝導体１５の表面ではじかれた磁束がホールクロス領域１３４に紛れ込むことを防ぐことができ、ホールクロス領域を通過する磁束をより確実に低減することができる。
【００２０】
以上より、ホール素子１３の走査方向をｙ＝ｘとすれば、ホールクロス領域１３４よりも小さいスリット幅で空間分解能を決定可能な高空間分解能ホールプローブ顕微鏡を提供することができる。
【００２１】
ここで、比較のため、上記直角三角形状が上記形成領域に形成されていない場合について説明しておく。上記下り傾斜がない場合には、図４に示すように、上側に位置する２つの超伝導体１５で覆われた領域に垂直な複数の磁束のうち本来遮断されるべき磁束がスリット部分に流れ込んでしまい、空間分解能がスリット幅よりも大きくなる可能性がある。そこで、図３に示したように、磁束をホールクロス領域の外側にはじくような立体的構造を超伝導体１５に具備させることにより、効果的に空間分解能を向上することが可能となる。
【００２２】
また、リード線も超伝導体１５で覆うようにすることで、リードを流れる電流が作る磁場を遮蔽することができ、磁場分布の測定や観測による試料への影響を避けることが可能となる。
【００２３】
以上のような磁気遮蔽として作用する超伝導体１５としては、臨界温度と臨界磁場が高い超伝導材料を用いることが考えられる。例えば、Ｈｉｇｈ−Ｔｃ超伝導体ではＹＢＣＯ（臨界温度が９０Ｋ、臨界磁場（Ｈｃ１）が０．１Ｔ）や、加工の容易な金属超伝導体ではＰｂ（臨界温度が７．２Ｋ、臨界磁場が０．０８Ｔ）等を一例として挙げることができる。
【００２４】
〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態では、超伝導体に代えて、周辺の磁束を収束する作用のある強磁性体を用いる点で第１の実施の形態と異なっている。その他の構成については、第１の実施の形態で説明した構成と同様である。
【００２５】
第１の実施の形態で説明したホール素子１３に対し、強磁性体２３は、図５に示すように、ホール素子１３の大部分を覆い、ホールクロス領域１３４の周辺磁束を自身に集束させると共に、強磁性体２３で覆われていない穴部分のみから磁束を通過させ、有効磁束検出面積をホールクロス領域よりも小さくする機能を備えている。これにより、ホールクロス領域を通過する磁束を低減することができ、空間分解能を向上することが可能となる。
【００２６】
また、この強磁性体２３には、図６に示すように、磁束を効果的に集束させる立体的構造が形成されている。具体的には、強磁性体２３は、穴部分を除いてホール素子１３の全体を覆い囲むように形成されている。また、穴部分を形成している形成領域に位置する強磁性体２３が、穴側面に対して鋭角であってホールクロス領域１３４の内から外方向に沿って下り傾斜するような直角三角形状に形成されている。更に、この強磁性体２３は、磁束方向がｚ＋からｚ−への方向、又はｚ−からｚ＋への方向のいずれの向きであっても確実に磁束を遮断するよう、ｘｙ平面に対して対称な立体構造となっている。これにより、強磁性体２３が磁路の役割を果たすため、ホールクロス領域１２３に磁束が漏れることを防ぐことができ、ホールクロス領域を通過する磁束をより確実に低減することができる。
【００２７】
ここで、比較のため、上記覆い囲むような形状や上記直角三角形状が形成されていない場合について説明しておく。上記下り傾斜がない場合には、図７に示すように、上側に位置する２つの超伝導体１５で覆われた領域に垂直な磁束はそのままホールクロス領域１３４を貫くため、空間分解能がスリット幅よりも大きくなる可能性がある。そこで、図６に示したように、磁束がホールクロス領域を貫かないよう、磁束が強磁性体の内部を通過する磁路の役割を果たすような立体的構造を強磁性体２３に具備させることにより、効果的に空間分解能を向上することが可能となる。
【００２８】
このような強磁性体２３としては、磁束を集束し易い高透磁率である強磁性体材料であって、低磁場でも安定した磁場集束効果が得られるような保磁力の小さい軟磁性材料を用いることが考えられる。例えば、スーパーマロイ（透磁率が１，０００，０００Ｈ／ｍ、保磁力が０．００２Ｔ）等を一例として挙げることができる。
【００２９】
第１の実施の形態及び第２の実施の形態によれば、磁束を検出するホール素子の大部分を磁気遮蔽体で覆い、磁気遮蔽体で覆われていない部分からのみ磁束を通過させ、有効な磁束検出面積をホールクロス領域より小さくするので、空間分解能向上のためにホールクロス領域を微細化する必要性がなくなり、ホールクロス領域の微細化に伴う雑音を増大させることなく、走査型ホールプローブ顕微鏡の空間分解能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１の実施の形態に係る走査型ホールプローブ顕微鏡の構成を模式的に示す模式図である。
【図２】ホール素子を覆う超伝導体の上面を示す上面図である。
【図３】図２に示す上面図のＡ−Ａ’を断面とする横断面を示す横断面図である。
【図４】直角三角形状が形成されていない場合の磁束の流れを示す状態図である。
【図５】ホール素子を覆う強磁性体の上面を示す上面図である。
【図６】図５に示す上面図のＡ−Ａ’を断面とする横断面を示す横断面図である。
【図７】磁路が形成されていない場合の磁束の流れを示す状態図である。
【図８】ホール素子の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３１】
１１…試料
１３…ホール素子
１５…超伝導体
１７…駆動部
１９…走査部
２１…測定部
２３…強磁性体
１００…走査型ホールプローブ顕微鏡
１２３…ホールクロス領域
１３１ａ，１３１ｂ…電流制御端子
１３２ａ，１３２ｂ…電圧出力端子
１３３ａ，１３３ｂ…リード線
１３４…ホールクロス領域
【図１】
2010032368.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010032368.tif 000007
【図６】
2010032368.tif 000008
【図７】
2010032368.tif 000009
【図８】
2010032368.tif 000010