(57)【要約】  磁場取得装置では、測定の対象領域の幅に比べて十分に長い測定部（２１）がｚ＝αを満たす測定面上に配置され、測定面上の所定の基準方向と、測定部（２１）の長手方向とがなす角度θを複数通りに変更しつつ、測定部（２１）の長手方向に垂直なＸ’方向への走査が繰り返される。続いて、Ｘ’方向の座標パラメータをｘ’として、走査の繰り返しにより取得される測定値ｆ（ｘ’，θ）をフーリエ変換することにより、ｇ（ｋｘ’，θ）が取得される（ただし、ｋｘ’はＸ’方向の波数である。）。そして、所定の２次元ポテンシャル取得式にｇ（ｋｘ’，θ）を代入することにより、測定面における２次元ポテンシャルを示すφ（ｘ，ｙ，α）が求められる。これにより、対象領域の幅に比べて十分に大きい測定部（２１）を用いて、２次元のポテンシャルの測定を高い分解能にて行うことができる。
2011108543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物（９，９ａ，９ｃ）の存在に起因して少なくとも前記対象物の周囲に形成される３次元ポテンシャルを示すポテンシャル関数をφ（ｘ，ｙ，ｚ）（ただし、ｘ，ｙ，ｚは、前記対象物に対して設定される互いに垂直なＸ，Ｙ，Ｚ方向にて規定される直交座標系の座標パラメータを示す。）として、前記対象物の外部に設定されたｚ＝α（ただし、αは任意の値）を満たす測定面（９１，９２）におけるφ（ｘ，ｙ，α）を取得するポテンシャル取得装置（１，１ａ〜１ｃ）であって、
ＸＹ平面に平行な前記測定面上において前記測定面に平行な長手方向に伸びる複数の線状領域を、前記長手方向に垂直なＸ’方向に配列設定するとともに、Ｙ方向に平行な前記測定面上の基準方向と、前記長手方向とがなす角度をθとして、前記角度θを複数通りに変更した状態にて前記複数の線状領域のそれぞれにおける前記３次元ポテンシャルに由来する測定値を取得する測定ユニットと、
Ｘ’方向の座標パラメータをｘ’として（ただし、原点はＺ軸上である。）、前記測定ユニットにより取得される測定値ｆ（ｘ’，θ）を用いて、
【数２４】
2011108543.tif 000026
（ただし、ｋｘ’はＸ’方向の波数である。）によりφ（ｘ，ｙ，α）を求める演算部（６１，６３）と、
を備える。
【請求項２】
請求項１に記載のポテンシャル取得装置であって、
前記測定ユニットが、
前記長手方向に伸びるとともに、前記３次元ポテンシャルに由来する測定値を取得する測定部（２１，２１ａ〜２１ｃ）と、
前記基準方向と、前記測定部の前記長手方向との間の前記角度θを変更する角度変更部（３２，３２ａ）と、
前記測定面上において前記測定部をＸ’方向に前記対象物に対して相対的に移動して、前記対象物の測定領域上を前記測定部が通過する走査を行う移動機構（３３，３３ａ）と、
前記角度変更部および前記移動機構を制御することにより、前記角度θを複数通りに変更しつつ前記走査を繰り返す制御部（４，６２，６２ａ）と、
を備え、
前記走査の繰り返しにより、前記測定ユニットにおいて測定値ｆ（ｘ’，θ）が取得される。
【請求項３】
請求項２に記載のポテンシャル取得装置であって、
前記３次元ポテンシャルが、磁位のポテンシャルをＺ方向に関して１回以上微分したものであり、
前記測定部が、前記長手方向およびＺ方向に広がるとともに、前記３次元ポテンシャルに由来する信号を生成する薄膜素子である。
【請求項４】
請求項３に記載のポテンシャル取得装置であって、
前記薄膜素子の膜厚が前記対象物側に向かって漸次減少する。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれかに記載のポテンシャル取得装置であって、
前記測定部をＺ方向に前記対象物に対して相対的に移動するもう１つの移動機構（３４，３４ａ）をさらに備え、
前記３次元ポテンシャルがラプラス方程式を満たし、
前記制御部が、ｚ＝０を満たす前記測定面においてφ（ｘ，ｙ，０）を２次元の第１画像（７１）として取得し、前記測定部をＺ方向に微小距離だけ相対移動した後、前記第１画像と同様の手法により２次元の中間画像（７２）を取得し、
前記演算部が、前記第１画像と前記中間画像との差分画像を求め、前記差分画像を前記微小距離で除算した微分画像を第２画像として取得し、前記第１画像であるφ（ｘ，ｙ，０）および前記第２画像であるφｚ（ｘ，ｙ，０）をそれぞれフーリエ変換してψ（ｋｘ，ｋｙ）およびψｚ（ｋｘ，ｋｙ）（ただし、ｋｘ，ｋｙはＸ方向およびＹ方向の波数である。）を求め、さらに、ψ（ｋｘ，ｋｙ）およびψｚ（ｋｘ，ｋｙ）を用いて、
【数２５】
2011108543.tif 000027
によりφ（ｘ，ｙ，ｚ）を求める。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれかに記載のポテンシャル取得装置であって、
前記３次元ポテンシャルがラプラス方程式を満たし、
ｚ＝０を満たす前記測定面における任意のポテンシャルＨ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚによるｑ回微分であるＨｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，０）が一の測定において取得されるφ（ｘ，ｙ，α）であり、前記任意のポテンシャルＨ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚによるｐ回微分であるＨｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，０）が他の測定において取得されるφ（ｘ，ｙ，α）であり（ただし、ｐ，ｑは０以上の整数であり、ｑが奇数、ｐが偶数である。）、
前記演算部が、Ｈｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，０）およびＨｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，０）をそれぞれフーリエ変換してｈｚ（ｑ）（ｋｘ，ｋｙ）およびｈｚ（ｐ）（ｋｘ，ｋｙ）（ただし、ｋｘ，ｋｙはＸ方向およびＹ方向の波数である。）を求め、さらに、ｈｚ（ｑ）（ｋｘ，ｋｙ）およびｈｚ（ｐ）（ｋｘ，ｋｙ）を用いて、
【数２６】
2011108543.tif 000028
によりＨｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，ｚ）を求める、または、
【数２７】
2011108543.tif 000029
によりＨｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，ｚ）を求める。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載のポテンシャル取得装置であって、
前記３次元ポテンシャルが、磁位、電位、温度または重力に由来するポテンシャルである。
【請求項８】
磁場顕微鏡（１）であって、
磁位のポテンシャルをＺ方向に関して１回以上微分したものをφ（ｘ，ｙ，ｚ）として取得する請求項５に記載のポテンシャル取得装置を備え、
前記演算部が、φ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚに前記対象物の表面の位置または表面に近接する位置を示す値を代入する。
【請求項９】
核磁気共鳴を利用した検査装置（１ａ）であって、
磁位のポテンシャルをＺ方向に関して１回以上微分したものをφ（ｘ，ｙ，ｚ）として取得する請求項５に記載のポテンシャル取得装置と、
Ｚ方向の複数の位置における複数の平面上にて前記対象物の内部に核磁気共鳴を順次生じさせる手段（１１，１２）と、
を備え、
前記制御部が、前記複数の平面に含まれる各平面にて核磁気共鳴を生じさせた際に、φ（ｘ，ｙ，ｚ）を取得し、
前記演算部が、前記各平面に対して取得されるφ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚに前記各平面の位置を示す値を代入する。
【請求項１０】
対象物（９，９ａ，９ｃ）の存在に起因して少なくとも前記対象物の周囲に形成される３次元ポテンシャルを示すポテンシャル関数をφ（ｘ，ｙ，ｚ）（ただし、ｘ，ｙ，ｚは、前記対象物に対して設定される互いに垂直なＸ，Ｙ，Ｚ方向にて規定される直交座標系の座標パラメータを示す。）として、前記対象物の外部に設定されたｚ＝α（ただし、αは任意の値）を満たす測定面（９１，９２）におけるφ（ｘ，ｙ，α）を取得するポテンシャル取得方法であって、
ａ）ＸＹ平面に平行な前記測定面上において前記測定面に平行な長手方向に伸びる複数の線状領域を、前記長手方向に垂直なＸ’方向に配列設定するとともに、Ｙ方向に平行な前記測定面上の基準方向と、前記長手方向とがなす角度をθとして、前記角度θを複数通りに変更した状態にて前記複数の線状領域のそれぞれにおける前記３次元ポテンシャルに由来する測定値を取得する工程（Ｓ１１〜Ｓ１３）と、
ｂ）Ｘ’方向の座標パラメータをｘ’として（ただし、原点はＺ軸上である。）、前記ａ）工程により取得される測定値ｆ（ｘ’，θ）を用いて、
【数２８】
2011108543.tif 000030
（ただし、ｋｘ’はＸ’方向の波数である。）によりφ（ｘ，ｙ，α）を求める工程（Ｓ１４）と、
を備える。
【請求項１１】
請求項１０に記載のポテンシャル取得方法であって、
前記ａ）工程が、
ａ１）前記長手方向に伸びるとともに、前記３次元ポテンシャルに由来する測定値を取得する測定部（２１，２１ａ〜２１ｃ）を、前記測定面上においてＸ’方向に前記対象物に対して相対的に移動して、前記対象物の測定領域上を前記測定部が通過する走査を行う工程（Ｓ１１）と、
ａ２）前記基準方向と、前記測定部の前記長手方向との間の前記角度θを複数通りに変更しつつ、前記ａ１）工程を繰り返すことにより測定値ｆ（ｘ’，θ）を取得する工程（Ｓ１２〜Ｓ１３）と、
を備える。
【請求項１２】
請求項１１に記載のポテンシャル取得方法であって、
前記３次元ポテンシャルが、磁位のポテンシャルをＺ方向に関して１回以上微分したものであり、
前記測定部が、前記長手方向およびＺ方向に広がるとともに、前記３次元ポテンシャルに由来する信号を生成する薄膜素子である。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載のポテンシャル取得方法であって、
前記３次元ポテンシャルがラプラス方程式を満たし、かつ、前記測定面がｚ＝０を満たし、
前記ａ）およびｂ）工程によりφ（ｘ，ｙ，０）が２次元の第１画像（７１）として取得され、
前記ポテンシャル取得方法が、
ｃ）前記測定部をＺ方向に微小距離だけ相対移動した後、前記第１画像と同様の手法により２次元の中間画像（７２）を取得する工程（Ｓ２２）と、
ｄ）前記第１画像と前記中間画像との差分画像を求め、前記差分画像を前記微小距離で除算した微分画像を第２画像として取得する工程（Ｓ２３）と、
ｅ）前記第１画像であるφ（ｘ，ｙ，０）および前記第２画像であるφｚ（ｘ，ｙ，０）をそれぞれフーリエ変換してψ（ｋｘ，ｋｙ）およびψｚ（ｋｘ，ｋｙ）（ただし、ｋｘ，ｋｙはＸ方向およびＹ方向の波数である。）を求める工程（Ｓ２４）と、
ｆ）ψ（ｋｘ，ｋｙ）およびψｚ（ｋｘ，ｋｙ）を用いて、
【数２９】
2011108543.tif 000031
によりφ（ｘ，ｙ，ｚ）を求める工程（Ｓ２５）と、
を備える。
【請求項１４】
請求項１０ないし１３のいずれかに記載のポテンシャル取得方法であって、
前記３次元ポテンシャルが、磁位、電位、温度または重力に由来するポテンシャルである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁位、電位、温度等に由来する２次元ポテンシャル分布を測定により取得する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、超伝導量子干渉計（以下、「ＳＱＵＩＤ」という。）や、磁気抵抗センサ（magnetoresistive sensor）を用いて磁場の分布を取得することが行われており、磁場の分布に基づいて、例えば、電気回路の不良（短絡）部分を特定することが行われている。磁場測定の分解能は、ＳＱＵＩＤコイルや磁気抵抗センサのサイズに依存するため、当該サイズを小さくすることにより、測定の分解能を向上することが試みられている。【０００３】
また、磁気力顕微鏡（Magnetic Force Microscopy、以下、「ＭＦＭ」という。）を用いて磁場の空間分布を取得することも行われている。特表２００６−５０１４８４号公報では、ＭＦＭにおいて、ナノスケールの強磁性材料を含むカーボンナノチューブをカンチレバーとして利用することが提案されている。【０００４】
なお、国際公開第２００８／１２３４３２号パンフレット（文献２）では、３次元ポテンシャル分布を取得する手法が開示されており、当該手法では、磁区を有する試料の上方において、ＭＦＭを用いて特定の測定面での磁気力の分布が２次元の磁場分布画像として取得される。また、上記測定面から微小距離ｄだけ離れた他の測定面にて測定を行って補助磁場分布画像が取得され、これらの差分を微小距離ｄで除算して２次元の磁場勾配分布画像が取得される。磁場分布画像および磁場勾配分布画像はフーリエ変換されてラプラス方程式の一般解から導かれる３次元ポテンシャル分布取得式に代入され、磁場の３次元分布を示す画像が高精度に取得される。【０００５】
ところで、ＳＱＵＩＤコイルや磁気抵抗センサの微細化には露光技術で用いられる波長に由来する限界があるため、測定の分解能の向上にも一定の限界が生じる。また、異方性エッチングによって形成されるシリコン探針では、探針の先端曲率半径を数ｎｍにまで極めて小さくすることが可能であるが、当該シリコン探針をＭＦＭにおいて利用する際には、探針の先端に磁性材料の薄膜を形成する必要がある。よって、“磁性体薄膜の膜厚＋探針先端曲率半径＋磁性体薄膜”の厚みの磁気力センサとなり、例えば磁性体薄膜の膜厚＝１０ｎｍ、 探針先端曲率半径＝１０ｎｍの場合には、合計３０ｎｍの径を持つことになる。少なくとも測定の分解能が探針の先端曲率半径より向上することは無い。また、実用的に探針先端部のみに磁性体薄膜を被覆することは困難であるため、有効磁気力センサは、さらに大きくなる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、磁位、電位、温度等に由来する２次元ポテンシャル（２次元ポテンシャル分布）の測定の分解能を向上することを目的としている。
【０００７】
本発明は、対象物の存在に起因して少なくとも前記対象物の周囲に形成される３次元ポテンシャルを示すポテンシャル関数をφ（ｘ，ｙ，ｚ）（ただし、ｘ，ｙ，ｚは、前記対象物に対して設定される互いに垂直なＸ，Ｙ，Ｚ方向にて規定される直交座標系の座標パラメータを示す。）として、前記対象物の外部に設定されたｚ＝α（ただし、αは任意の値）を満たす測定面におけるφ（ｘ，ｙ，α）を取得するポテンシャル取得装置に向けられており、装置は、ＸＹ平面に平行な前記測定面上において前記測定面に平行な長手方向に伸びる複数の線状領域を、前記長手方向に垂直なＸ’方向に配列設定するとともに、Ｙ方向に平行な前記測定面上の基準方向と、前記長手方向とがなす角度をθとして、前記角度θを複数通りに変更した状態にて前記複数の線状領域のそれぞれにおける前記３次元ポテンシャルに由来する測定値を取得する測定ユニットと、Ｘ’方向の座標パラメータをｘ’として（ただし、原点はＺ軸上である。）、前記測定ユニットにより取得される測定値ｆ（ｘ’，θ）を用いて、数１（ただし、ｋｘ’はＸ’方向の波数である。）によりφ（ｘ，ｙ，α）を求める演算部とを備える。
【０００８】
【数１】
2011108543.tif 000003
【０００９】
本発明の一の好ましい実施の形態では、前記測定ユニットが、前記長手方向に伸びるとともに、前記３次元ポテンシャルに由来する測定値を取得する測定部と、前記基準方向と、前記測定部の前記長手方向との間の前記角度θを変更する角度変更部と、前記測定面上において前記測定部をＸ’方向に前記対象物に対して相対的に移動して、前記対象物の測定領域上を前記測定部が通過する走査を行う移動機構と、前記角度変更部および前記移動機構を制御することにより、前記角度θを複数通りに変更しつつ前記走査を繰り返す制御部とを備え、前記走査の繰り返しにより、前記測定ユニットにおいて測定値ｆ（ｘ’，θ）が取得される。
【００１０】
また、前記３次元ポテンシャルが、磁位のポテンシャルをＺ方向に関して１回以上微分したものであり、前記測定部が、前記長手方向およびＺ方向に広がるとともに、前記３次元ポテンシャルに由来する信号を生成する薄膜素子であることが好ましく、この場合、測定部の走査における走査方向の測定分解能を向上することができる。
【００１１】
より好ましいポテンシャル取得装置は、前記測定部をＺ方向に前記対象物に対して相対的に移動するもう１つの移動機構をさらに備え、前記３次元ポテンシャルがラプラス方程式を満たし、前記制御部が、ｚ＝０を満たす前記測定面においてφ（ｘ，ｙ，０）を２次元の第１画像として取得し、前記測定部をＺ方向に微小距離だけ相対移動した後、前記第１画像と同様の手法により２次元の中間画像を取得し、前記演算部が、前記第１画像と前記中間画像との差分画像を求め、前記差分画像を前記微小距離で除算した微分画像を第２画像として取得し、前記第１画像であるφ（ｘ，ｙ，０）および前記第２画像であるφｚ（ｘ，ｙ，０）をそれぞれフーリエ変換してψ（ｋｘ，ｋｙ）およびψｚ（ｋｘ，ｋｙ）（ただし、ｋｘ，ｋｙはＸ方向およびＹ方向の波数である。）を求め、さらに、ψ（ｋｘ，ｋｙ）およびψｚ（ｋｘ，ｋｙ）を用いて、数２によりφ（ｘ，ｙ，ｚ）を求める。
【００１２】
【数２】
2011108543.tif 000004
【００１３】
前記３次元ポテンシャルは、磁位、電位、温度または重力に由来するポテンシャルであることが好ましい。
【００１４】
本発明は、上記ポテンシャル取得装置を利用する磁場顕微鏡、および、核磁気共鳴を利用した検査装置にも向けられており、また、ポテンシャル取得方法にも向けられている。
【００１５】
上述の目的および他の目的、特徴、態様および利点は、添付した図面を参照して以下に行うこの発明の詳細な説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】２次元ポテンシャル取得方法の原理を説明するための図である。
【図２】磁場取得装置の構成を示す図である。
【図３】コンピュータの構成を示す図である。
【図４】コンピュータが実現する機能構成を示すブロック図である。
【図５】２次元ポテンシャルを取得する処理の流れを示す図である。
【図６】３次元ポテンシャルを取得する処理の流れを示す図である。
【図７】測定部および測定面を示す図である。
【図８】基板に磁性材料の薄膜を形成する様子を示す図である。
【図９】基板に磁性材料の薄膜を形成する様子を示す図である。
【図１０】検査装置を説明するための図である。
【図１１】制御ユニットの機能構成を示す図である。
【図１２】第２の実施の形態に係る磁場取得装置の一部を示す図である。
【図１３】温度分布取得装置の構成を示す図である。
【図１４】素子群の底面図である。
【図１５】磁場分布画像を取得する他の例を説明するための図である。
【図１６】試料の着磁を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
まず、本発明に係る２次元ポテンシャル取得方法の原理について説明する。図１は、２次元ポテンシャル取得方法の原理を説明するための図である。図１では、互いに垂直なＸ，Ｙ，Ｚ方向にて規定される直交座標系を示しており、以下の説明では、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の座標パラメータをｘ，ｙ，ｚにて示す。図１中にて符号２１を付す薄膜状の測定部は、ｚ＝α（ただし、αは任意の値）を満たす任意の測定面（ＸＹ平面に平行な測定面）上において測定面に平行な方向に伸びる。
【００１８】
本発明に係る２次元ポテンシャル取得方法の一例では、磁化された磁性体が周囲に形成する磁位のポテンシャル、あるいは、多層の半導体装置の内部を流れる電流が半導体装置の周囲（および内部）に形成する磁位のポテンシャル等、対象物の存在に起因して少なくとも対象物の周囲に形成される磁位のポテンシャルの存在を前提として、当該磁位のポテンシャルに由来する３次元ポテンシャルの測定面における２次元ポテンシャル（ポテンシャル分布）が取得される。具体的には、測定部２１が磁場のＺ方向成分（およそＺ方向に沿う磁場であってもよく、以下、単に「磁場」ともいう。）を取得するものである場合には、磁位のポテンシャルΦのＺ方向の勾配をスカラー値とする３次元ポテンシャルの測定面における２次元ポテンシャルが取得される。すなわち、磁位のポテンシャルを示すポテンシャル関数をΦ（ｘ，ｙ，ｚ）、上記３次元ポテンシャルを示すポテンシャル関数をφ（ｘ，ｙ，ｚ）とすると、φ（ｘ，ｙ，ｚ）は、Φ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚによる１回微分であるΦｚ（１）（ｘ，ｙ，ｚ）（以下、Φｚ（ｘ，ｙ，ｚ）と表す。）であり、２次元ポテンシャル取得方法は、ｚ＝αとなる任意の測定面におけるφ（ｘ，ｙ，α）を取得するものとなる。
【００１９】
以下の説明では、Ｙ方向に平行な測定面上の方向を基準方向、測定部２１の長手方向をＹ’方向、測定面上において長手方向（Ｙ’方向）に垂直な方向をＸ’方向、基準方向とＹ’方向とがなす角度をθ、Ｘ’方向およびＹ’方向の座標パラメータをｘ’およびｙ’（ただし、Ｘ’方向およびＹ’方向の原点はＺ軸上であり、図１ではＸ，Ｙ、Ｚ方向にて規定される直交座標系の原点と同じである。）とする。
【００２０】
２次元ポテンシャル取得方法では、測定部２１をＸ’方向に移動して測定面上の所定の領域（対象物上にて注目する測定領域を測定面上に投影した領域であり、以下、「測定対象領域」という。）を通過する走査が行われる。そして、走査時においてＸ’方向の各位置ｘ’にて測定部２１の全体が受ける磁場（測定部２１内を通過する磁力線の総和）を示す信号が生成され（すなわち、測定部２１が磁場を検出し、当該磁場に相当する電気信号を生成し）、測定値として取得される。実際には、角度θを０°以上１８０°未満の範囲内にて複数通りに変更しつつ、測定面上において長手方向に垂直な方向への走査が繰り返され、３次元ポテンシャルに由来する測定値を示す関数ｆ（ｘ’，θ）（以下、単に「測定値ｆ（ｘ’，θ）」という。）が、ｘ’およびθをパラメータとして取得される。なお、Ｚ軸は、測定対象領域のおよそ中央を通過するものとする。
【００２１】
ここで、Ｚ方向に沿って見た場合に、Ｘ’Ｙ’座標系は、ＸＹ座標系をＺ軸を中心として角度θだけ回転させたものであるため、数３が満たされる。
【００２２】
【数３】
2011108543.tif 000005
【００２３】
また、既述のように、測定部２１をＸ’方向に移動する各走査時には、測定部２１の全体が受ける磁場が取得されるため、測定値ｆ（ｘ’，θ）は数４にて表される。なお、測定部２１の長手方向（Ｙ’方向）に関して、測定部２１は測定対象領域の幅に比べて十分に長くなるように設定されている。
【００２４】
【数４】
2011108543.tif 000006
【００２５】
ここで、φ（ｘ，ｙ，α）をＸ方向およびＹ方向にフーリエ変換したψ（ｋｘ，ｋｙ）｜ｚ＝α（以下、単にψ（ｋｘ，ｋｙ）と表す。）は数５のように表される。ただし、数５において、ｋｘ，ｋｙはＸ方向およびＹ方向の波数である。
【００２６】
【数５】
2011108543.tif 000007
【００２７】
数５において、（ｋｘ＝ｋｘ’ｃｏｓθ）、（ｋｙ＝ｋｘ’ｓｉｎθ）、（ｘ’＝ｘｃｏｓθ＋ｙｓｉｎθ）とおくと、数６が得られる。ただし、数６において、ｋｘ’，ｋｙ’はＸ’方向およびＹ’方向の波数である。
【００２８】
【数６】
2011108543.tif 000008
【００２９】
また、数６中の（ｄｘｄｙ）は数７にて表される。
【００３０】
【数７】
2011108543.tif 000009
【００３１】
したがって、数６は、数３、数４および数７を用いて数８のように変形することができる。数８ではψ（ｋｘ’ｃｏｓθ，ｋｘ’ｓｉｎθ）をｇ（ｋｘ’，θ）と表している。
【００３２】
【数８】
2011108543.tif 000010
【００３３】
一方で、φ（ｘ，ｙ，α）は数９のように表すことができる。ただし、（ｋｘ＝ｋｘ’ｃｏｓθ）、（ｋｙ＝ｋｘ’ｓｉｎθ）、（ｘ’＝ｘｃｏｓθ＋ｙｓｉｎθ）とおいている。
【００３４】
【数９】
2011108543.tif 000011
【００３５】
数９に数８のψ（ｋｘ’ｃｏｓθ，ｋｘ’ｓｉｎθ）を代入することにより、φ（ｘ，ｙ，α）は数１０にて表される。
【００３６】
【数１０】
2011108543.tif 000012
【００３７】
以上のことから、基準方向と測定部２１の長手方向とがなす角度θを複数通りに変更しつつ、測定面上における測定部２１の走査を行って測定値ｆ（ｘ’，θ）を取得し、さらに、測定値ｆ（ｘ’，θ）をｘ’に関してフーリエ変換したｇ（ｋｘ’，θ）を求めることにより、数１０（以下、「２次元ポテンシャル取得式」と呼ぶ。）を用いてφ（ｘ，ｙ，α）を取得することができる。
【００３８】
次に、上記２次元ポテンシャル取得方法を用いる磁場取得装置について説明する。図２は磁場取得装置１の構成を示す図である。磁場取得装置１は、センサーと試料の距離をコントロールするために、試料とセンサー間の相互作用力を検出するヘッド部２、試料９を水平面上にて保持する試料台３１、試料台３１を水平面に垂直な軸を中心として回動する回動機構３２、回動機構３２と共に試料台３１を水平面内で移動する水平移動機構３３、ヘッド部２（の後述する支持部２２）を鉛直方向に移動する昇降機構３４、ヘッド部２からの信号を処理する信号処理ユニット５、並びに、磁場取得装置１の各構成要素の制御および演算を行うコンピュータ４を備える。
【００３９】
ヘッド部２は、薄膜素子である測定部２１、および、測定部２１を保持する支持部２２を備える。支持部２２は、法線が水平な支持プレート２２１を有し、支持プレート２２１の鉛直方向下側（試料９側）の部位に測定部２１が設けられる。支持プレート２２１の上端は、略矩形のフレームである傾斜部２２２の一辺に接続される。傾斜部２２２は水平面に対して傾斜しており、支持プレート２２１とは反対側の辺が、水平方向に広がるベース部２２３に接続される。
【００４０】
測定部２１は、磁気抵抗効果を利用したセンサ（例えば、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）素子）であり、水平方向に長い矩形形状の複数の膜が支持プレート２２１上に積層されることにより形成される。測定部２１の出力信号は、信号処理ユニット５のプリアンプ５４および信号処理部５５を介してコンピュータ４に入力される。測定部２１では、磁場によって生じる電気抵抗の変化が検出されることにより、測定部２１の全体に作用する磁場が取得される。
【００４１】
ヘッド部２は、レーザダイオードモジュール（以下、「ＬＤモジュール」という。）２３、および、変位検出フォトダイオード（position sensitive photo-diode）（以下、「ＰＳＰＤ」という。）２４をさらに備える。ＬＤモジュール２３には高周波重畳器２３１が接続され、高周波重畳器２３１にはＲＦ発振器２３２およびＬＤバイアスコントローラ２３３が接続される。また、ＬＤ温度コントローラ２３４がＬＤモジュール２３に接続され、ＬＤモジュール２３の温度が一定に調整される。磁場取得装置１では、制御部であるコンピュータ４の制御により、出射部であるＬＤモジュール２３から、傾斜部２２２の支持プレート２２１側の端部近傍に向けて光が出射され、受光部であるＰＳＰＤ２４にて支持部２２からの反射光が受光される。ＰＳＰＤ２４からの信号は、信号処理ユニット５のＩ−Ｖコンバータ５１、プリアンプ５２および信号処理部５３を介してコンピュータ４に出力され、支持部２２の鉛直方向の位置が精度よく取得される。これにより、支持プレート２２１が試料９に接触することが防止される。
【００４２】
水平移動機構３３は、試料台３１を互いに垂直な２方向に水平移動する第１および第２移動機構３３１，３３２を備える。第１および第２移動機構３３１，３３２の試料台３１の移動方向は、測定部２１に対して相対的に固定されており、第１移動機構３３１は試料台３１を測定部２１の長手方向に垂直に水平移動し、第２移動機構３３２は試料台３１を長手方向に水平移動する。回動機構３２、水平移動機構３３および昇降機構３４は、駆動制御部３０に接続される。
【００４３】
コンピュータ４は、図３に示すように、各種演算を行うＣＰＵ４１、基本プログラムを記憶するＲＯＭ４２および各種情報を記憶するＲＡＭ４３をバスラインに接続した一般的なコンピュータシステムとなっている。バスラインにはさらに、情報記憶を行う固定ディスク４４、各種情報の表示を行うディスプレイ４５、操作者からの入力を受け付けるキーボード４６ａおよびマウス４６ｂ、光ディスク、磁気ディスク、光磁気ディスク等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体８から情報の読み取りを行う読取装置４７、並びに、ヘッド部２や駆動制御部３０に制御信号を送り出したり、信号処理部５３，５５からの信号が入力される通信部４８が、適宜、インターフェイス（Ｉ／Ｆ）を介する等して接続される。
【００４４】
コンピュータ４には、事前に読取装置４７を介して記録媒体８からプログラム４４１が読み出され、固定ディスク４４に記憶される。そして、プログラム４４１がＲＡＭ４３にコピーされるとともにＣＰＵ４１がＲＡＭ４３内のプログラムに従って演算処理を実行することにより（すなわち、コンピュータ４がプログラムを実行することにより）、後述する演算部としての機能が実現される。
【００４５】
図４は、ＣＰＵ４１がプログラム４４１に従って動作することにより、ＣＰＵ４１、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、固定ディスク４４等が実現する機能構成を信号処理ユニット５と共に示すブロック図である。図４においてフーリエ変換部６１１，６１２、２次元ポテンシャル分布算出部６１３，６１４および３次元ポテンシャル分布算出部６１５を含む演算部６１がＣＰＵ４１等により実現される機能を示す。なお、これらの機能は専用の電気的回路により実現されてもよく、部分的に専用の電気的回路が用いられてもよい。また、複数のコンピュータにより実現されてもよい。
【００４６】
図５は磁場取得装置１が２次元ポテンシャル（分布）を取得する処理の流れを示す図である。以下の説明では、既述の２次元ポテンシャル取得原理におけるＸ，Ｙ，Ｚ直交座標系が試料９に対して相対的に固定されて設定され、Ｘ方向およびＹ方向が水平であり、Ｚ方向が鉛直であるものとする。また、試料９の表面はＸＹ平面に平行であり、回動機構３２は、Ｚ軸を中心に試料台３１を回動する。したがって、回動機構３２により試料９が試料台３１と共に回動すると、Ｘ，Ｙ方向も試料９と共に水平面上を回動することとなる。また、第１移動機構３３１による試料台３１の移動方向（すなわち、測定部２１の長手方向に垂直な水平方向）をＸ’方向とし、第２移動機構３３２による試料台３１の移動方向（すなわち、測定部２１の長手方向に沿う水平方向）をＹ’方向とする。
【００４７】
図２の磁場取得装置１による測定では、試料９の外部に設定されたｚ＝αを満たす任意の測定面上に測定部２１が配置され、第１移動機構３３１が試料台３１を図２中のＸ’方向に移動することにより、測定部２１は試料９の測定領域上を通過するように、走査を行う（ステップＳ１１）。これにより、走査方向であるＸ’方向の各位置ｘ’にて測定部２１の全体が受ける磁場（のＺ方向成分）が測定値として取得される。
【００４８】
次の走査が行われることが確認されると（ステップＳ１２）、角度変更部である回動機構３２が試料台３１を回動することにより、試料９に対して相対的に固定されたＸ方向およびＹ方向が試料９と共に回動する。これにより、Ｙ方向に平行な測定面上の基準方向と、測定部２１の長手方向（Ｙ’方向）とがなす角度θが一定の微小角度（例えば、１度以上１５度以下（好ましくは、１０度以下であり、より好ましくは、５度以下）の角度）だけ変更される（ステップＳ１３）。そして、測定部２１が測定面上においてＸ’方向に試料９に対して相対的に移動され（すなわち、測定部２１の走査が行われ）、各位置ｘ’における磁場が取得される（ステップＳ１１）。磁場取得装置１では、コンピュータ４の制御により、回動機構３２が角度θを複数通りに変更しつつ測定部２１の走査が繰り返され、ｘ’およびθをパラメータとする測定値ｆ（ｘ’，θ）が取得される（ステップＳ１２，Ｓ１３，Ｓ１１）。本実施の形態における複数の角度θは、０°以上１８０°未満の範囲内の一定間隔の角度である。
【００４９】
測定部２１の走査の繰り返しにより測定値ｆ（ｘ’，θ）が取得されると（ステップＳ１２）、フーリエ変換部６１１では、ｆ（ｘ’，θ）をｘ’に関してフーリエ変換することにより、ｇ（ｋｘ’，θ）が取得される。そして、２次元ポテンシャル分布算出部６１３において、ｇ（ｋｘ’，θ）を２次元ポテンシャル取得式（数１０）に代入することにより、測定面における２次元ポテンシャルを示すφ（ｘ，ｙ，α）が求められる（ステップＳ１４）。
【００５０】
ところで、超伝導量子干渉計や磁気抵抗センサを用いて磁場の２次元分布を取得する場合、これらのデバイスの微小化には技術的な限界があるため、測定の分解能の向上に一定の限界が生じる。
【００５１】
これに対し、ポテンシャル取得装置である図２の磁場取得装置１では、測定対象領域の幅に比べて十分に長い測定部２１が用いられ、測定面上の基準方向と、測定部２１の長手方向とがなす角度θを複数通りに変更しつつ、測定面上において測定部２１の長手方向に垂直な方向への走査が繰り返される。そして、走査の繰り返しにより取得される測定値ｆ（ｘ’，θ）を用いて２次元ポテンシャル取得式により、測定面における２次元ポテンシャルを示すφ（ｘ，ｙ，α）が求められる。これにより、測定対象領域の幅に比べて十分に大きい測定部２１を用いて、２次元ポテンシャルの測定をＸ方向およびＹ方向に高い分解能（例えば、ナノスケールの分解能）にて行うことができる。この場合は分解能は、薄膜状の素子の膜厚にて決定される。薄膜の厚さをコントロールするのは容易であり、原理的には分解能は原子・分子スケールまで高められ得る。なお、測定部２１として、水平方向に長い測定範囲を有する超伝導量子干渉計が用いられてもよい（以下同様）。
【００５２】
次に、上記２次元ポテンシャル取得方法を用いて３次元ポテンシャル（分布）を取得する手法について説明する。本実施の形態では、国際公開第２００８／１２３４３２号パンフレット（文献２）と同様の手法により、３次元ポテンシャルが取得される。以下の手法では、ラプラス方程式を満たす３次元ポテンシャルを示すφ（ｘ，ｙ，ｚ）が求められる。
【００５３】
まず、３次元ポテンシャルを取得する原理について説明する。ラプラス方程式を満たす３次元ポテンシャルであるφ（ｘ，ｙ，ｚ）はラプラシアンΔを用いて数１１にて表される。
【００５４】
【数１１】
2011108543.tif 000013
【００５５】
この方程式の一般解は、Ｘ，Ｙ，Ｚ直交座標系においてＺ方向に指数関数的に減衰する項と指数関数的に増大する項との和として数１２にて表すことができる。
【００５６】
【数１２】
2011108543.tif 000014
【００５７】
ただし、数１２において、ｋｘ，ｋｙはＸ方向およびＹ方向の波数であり、ａ（ｋｘ，ｋｙ），ｂ（ｋｘ，ｋｙ）はｋｘ，ｋｙで表される関数である。さらに、数１２の両辺をｚで１回微分したものは数１３にて表される。
【００５８】
【数１３】
2011108543.tif 000015
【００５９】
ここで、ｚ＝０を満たすＸＹ平面に平行な面におけるφ（ｘ，ｙ，ｚ）、すなわち、φ（ｘ，ｙ，０）は数１４にて表される。
【００６０】
【数１４】
2011108543.tif 000016
【００６１】
同様に、数１３にｚ＝０を代入することによりφｚ（ｘ，ｙ，０）は数１５にて表される。
【００６２】
【数１５】
2011108543.tif 000017
【００６３】
したがって、φ（ｘ，ｙ，０）とφｚ（ｘ，ｙ，０）とをそれぞれフーリエ変換したψ（ｋｘ，ｋｙ）｜ｚ＝０およびψｚ（ｋｘ，ｋｙ）｜ｚ＝０（以下、単にψ（ｋｘ，ｋｙ），ψｚ（ｋｘ，ｋｙ）と表す。）は、数１６および数１７にて表される。
【００６４】
【数１６】
2011108543.tif 000018
【００６５】
【数１７】
2011108543.tif 000019
【００６６】
数１６および数１７からａ（ｋｘ，ｋｙ），ｂ（ｋｘ，ｋｙ）を求めることができ、これらは数１８および数１９にて表される。
【００６７】
【数１８】
2011108543.tif 000020
【００６８】
【数１９】
2011108543.tif 000021
【００６９】
ここで、数１２に数１８および数１９のａ（ｋｘ，ｋｙ）およびｂ（ｋｘ，ｋｙ）を代入することにより、φ（ｘ，ｙ，ｚ）は数２０にて表される。
【００７０】
【数２０】
2011108543.tif 000022
【００７１】
以上のことから、対象物の外部に設定されたｚ＝０を満たす測定面における測定によりディリクレ型境界条件であるφ（ｘ，ｙ，０）、および、ノイマン型境界条件であるφｚ（ｘ，ｙ，０）が得られる場合、これらをフーリエ変換することによって数２０に示すようにφ（ｘ，ｙ，ｚ）をｘおよびｙに関してフーリエ変換したものを導くとともに逆フーリエ変換を行うことにより、φ（ｘ，ｙ，ｚ）を取得することができ、３次元ポテンシャルが厳密に導かれることとなる。
【００７２】
ところで、数１２をｚにて奇数回および偶数回微分した関数に対して数２０の導出に準じた処理を行うことによってもａ（ｋｘ，ｋｙ），ｂ（ｋｘ，ｋｙ）を求めることができ、φ（ｘ，ｙ，ｚ）を１回以上微分した数２０に相当する式を導くことができる。ここでは、ｑ，ｐを０以上の整数としてｑが奇数、ｐが偶数であるものとする（すなわち、ｑ≡１、ｐ≡０（ｍｏｄ２））。また、ラプラス方程式を満たす場を示す場関数Ｈ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚについてのｑ回微分およびｐ回微分をＨｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，ｚ），Ｈｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，ｚ）にて表す。さらに、Ｈｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，０）（すなわち、数２１）をｘおよびｙについてフーリエ変換したものをｈｚ（ｑ）（ｋｘ，ｋｙ）と表し、Ｈｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，０）をｘおよびｙについてフーリエ変換したものをｈｚ（ｐ）（ｋｘ，ｋｙ）と表すと、Ｈｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，ｚ）およびＨｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，ｚ）はそれぞれ数２２および数２３にて表される。
【００７３】
【数２１】
2011108543.tif 000023
【００７４】
【数２２】
2011108543.tif 000024
【００７５】
【数２３】
2011108543.tif 000025
【００７６】
以上のことから、測定によりＨｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，０）およびＨｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，０）を求めることができる場合、これらをフーリエ変換してｈ（ｑ）（ｋｘ，ｋｙ）およびｈ（ｐ）（ｋｘ，ｋｙ）を求め、数２２または数２３を用いてｈ（ｑ）（ｋｘ，ｋｙ）およびｈ（ｐ）（ｋｘ，ｋｙ）からＨｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，ｚ）またはＨｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，ｚ）をフーリエ変換したものを導くとともに逆フーリエ変換を行うことにより、Ｈｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，ｚ）またはＨｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，ｚ）を取得することができる。
【００７７】
図２の磁場取得装置１では、上記３次元ポテンシャル取得方法を利用して３次元ポテンシャルの取得も可能となっている。図６は、磁場取得装置１が３次元ポテンシャルを取得する処理の流れを示す図である。
【００７８】
３次元ポテンシャル取得処理では、図７中にて破線にて示すように、ｚ＝０を満たす測定面９１上に測定部２１の（−Ｚ）側の端面が配置され、図５のステップＳ１１〜Ｓ１４を行うことにより、φ（ｘ，ｙ，０）が取得される。本実施の形態では、２次元ポテンシャル分布算出部６１３により、測定面９１上の各位置におけるφ（ｘ，ｙ，０）の値（磁場の大きさを示す値）が画素値に変換され、測定面９１における磁場の２次元分布が磁場分布画像７１（正確には画像のデータ）として固定ディスク４４（図４参照）に記憶される（図６：ステップＳ２１）。実際には、ステップＳ２１の処理は、既述の図５の処理の実行により既に完了している。
【００７９】
続いて、図２に示す昇降機構３４により、ヘッド部２がＺ方向に微小距離ｄ（ｄ＞０）だけ下降し、図７中に二点鎖線にて示すように測定部２１と試料９との間の距離が微小距離ｄだけ変更される。すなわち、試料９に対して相対的に固定された測定面９１から（−Ｚ）方向に微小距離ｄだけ離れた面９２が新たな測定面とされる。そして、ステップＳ２１の処理と同様に図５のステップＳ１１〜Ｓ１４を行うことにより、測定面９２における磁場の分布（すなわち、φ（ｘ，ｙ，−ｄ））が補助磁場分布画像７２として取得される（ステップＳ２２）。なお、ステップＳ２２の処理では、図４中の信号処理ユニット５からフーリエ変換部６１２に測定値ｆ（ｘ’，θ）が出力され、２次元ポテンシャル分布算出部６１４にて補助磁場分布画像７２が生成される。もちろん、１つのフーリエ変換部および１つの２次元ポテンシャル分布算出部により、磁場分布画像７１および補助磁場分布画像７２の双方が生成されてよい。
【００８０】
磁場分布画像７１および補助磁場分布画像７２（それぞれポテンシャル分布画像および補助ポテンシャル分布画像と捉えることもできる。）が準備されると、３次元ポテンシャル分布算出部６１５では、これらの画像の差分画像が求められ、当該差分画像を微小距離ｄで除算した微分画像が生成される。微分画像は測定面９１における磁場のＺ方向の微分、すなわち、磁場勾配を実質的に示す画像となり、磁場勾配分布画像（ポテンシャル勾配分布画像と捉えることもできる。）として記憶される（ステップＳ２３）。
【００８１】
既述のように、磁場分布画像７１はφ（ｘ，ｙ，０）にて表される。また、磁場勾配は磁場をｚにて微分したものであることから、磁場勾配分布画像はφｚ（１）（ｘ，ｙ，０）（以下、φｚ（ｘ，ｙ，０）と表す。）を示す画像となる。磁場分布画像７１を第１画像、補助磁場分布画像７２を中間画像、磁場勾配分布画像を第２画像とした場合、ステップＳ２１〜Ｓ２３は、磁場の分布を示す２次元の第１画像および中間画像を取得してこれらの画像から磁場の勾配を示す第２画像を求める工程となっている。
【００８２】
続いて、３次元ポテンシャル分布算出部６１５では、φ（ｘ，ｙ，０）である磁場分布画像７１およびφｚ（ｘ，ｙ，０）である磁場勾配分布画像が、ｘおよびｙに関してフーリエ変換されてψ（ｋｘ，ｋｙ）およびψｚ（ｋｘ，ｋｙ）（ただし、ｋｘ，ｋｙはＸ方向およびＹ方向の波数である。）が求められる（ステップＳ２４）。フーリエ変換として具体的には２次元の離散フーリエ変換が行われ、フーリエ変換に際して、例えば、０〜πの範囲の正弦関数のｎ乗（ｎは０以上）を窓関数として両画像に掛ける手法が採用される。
【００８３】
ψ（ｋｘ，ｋｙ）およびψｚ（ｋｘ，ｋｙ）が求められると、ψ（ｋｘ，ｋｙ）およびψｚ（ｋｘ，ｋｙ）を用いて、数２０で示される式（以下、「３次元ポテンシャル取得式」と呼ぶ。）によりφ（ｘ，ｙ，ｚ）が求められる（ステップＳ２５）。なお、ψ（ｋｘ，ｋｙ）およびψｚ（ｋｘ，ｋｙ）を３次元ポテンシャル取得式に代入してｋｘおよびｋｙに関して逆フーリエ変換する際には、フーリエ変換時と同様の窓関数が利用される。φ（ｘ，ｙ，ｚ）が求められることにより、磁場のｚ成分の３次元分布が厳密に求められることとなる。
【００８４】
次に、図７に示すように試料９の媒質に埋没した測定対象物質表面９３とｚ＝０の測定面９１との間の距離がｈ（ｈ＞０）である場合、３次元ポテンシャル分布算出部６１５においてφ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚに媒質に埋没した測定対象物質表面９３の位置を示す値（−ｈ）（または、媒質に埋没した測定対象物質表面９３に近接する位置を示す値）が代入され、媒質に埋没した測定対象物質表面９３における磁場分布が得られる（ステップＳ２６）。媒質に埋没した測定対象物質表面９３における磁区構造と磁場分布とは対応しているため、磁場取得装置１ではφ（ｘ，ｙ，−ｈ）を示す画像が磁区構造を示す磁区画像として固定ディスク４４に保存される。以上の動作により、保護膜等の磁性体上部に存在する物体の影響でセンサーを媒質に埋没した測定対象物質表面９３に接近できない場合にも媒質に埋没した測定対象物質表面９３近傍における磁場分布画像を得ることができ、磁場取得装置１により１０ｎｍ以下（設計によっては、２〜３ｎｍ以下）の高い空間分解能を有する磁場顕微鏡が実現される。
【００８５】
以上のように、磁場取得装置１では、Ｚ方向に微小距離だけ相違する２つの測定面にて同様の手法により磁場分布画像７１および補助磁場分布画像７２が取得され、これらの画像の差分画像を微小距離で除算した微分画像が磁場勾配分布画像として取得される。そして、磁場分布画像７１であるφ（ｘ，ｙ，０）および磁場勾配分布画像であるφｚ（ｘ，ｙ，０）をそれぞれフーリエ変換してψ（ｋｘ，ｋｙ）およびψｚ（ｋｘ，ｋｙ）を求め、さらに、ψ（ｋｘ，ｋｙ）およびψｚ（ｋｘ，ｋｙ）を用いて、３次元ポテンシャル取得式によりφ（ｘ，ｙ，ｚ）が求められる。これにより、３次元ポテンシャルを精度よく求めることができる。また、演算部６１が、φ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚに試料９の媒質に埋没した測定対象物質表面９３の位置または媒質に埋没した測定対象物質表面９３に近接する位置を示す値を代入することにより、媒質に埋没した測定対象物質表面９３における磁区構造を示す磁区画像を取得することができ、磁場取得装置１では、高い空間分解能の磁場顕微鏡を実現することができる。
【００８６】
ところで、磁性体表面の観察に用いられる他の装置（例えば、走査トンネル顕微鏡や走査電子顕微鏡）では、極めて清浄な磁性体表面の観察しか行うことができないが、磁場取得装置１では、試料９の表面が清浄で無く、非磁性体物質に埋没した磁区の測定が可能であるため、実用的な評価装置または製造ライン上の検査装置としての応用が可能である。なお、磁場取得装置１は、ハードディスク駆動装置の検出器として用いることも考えられる。
【００８７】
次に、測定部２１の製造に関連して、好ましい薄膜形成手法について述べる。図８は、支持部２２の支持プレート２２１となる矩形の基板（以下、同符号２２１を付す。）に磁性材料の薄膜を形成する様子を示す図である。既述のように、測定部２１は磁性材料（コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）等を含む材料）の多層膜であり、例えば、一の磁性材料の薄膜の形成時には、当該磁性材料の蒸着源８１に対向する位置に基板２２１が板状の蒸着源８１に対して平行に配置され、蒸着源８１と基板２２１との間に開口を有するマスク８２（図８では、断面を示す平行斜線の図示を省略している。図９において同様。）が配置される。そして、真空蒸着によりマスク８２の開口形状に対応する基板２２１上の領域に当該磁性材料の薄膜２２０が形成される。このようにして、基板２２１の主面に沿って広がる薄膜素子（すなわち、図２中のＹ’方向およびＺ方向に広がる測定部２１）が、薄膜となる物質の蒸着により形成される。
【００８８】
次に、より好ましい薄膜形成手法について述べる。図９は、基板２２１に磁性材料の薄膜を形成する様子を示す図である。図９に示す薄膜形成手法では、板状の蒸着源８１と基板２２１とを対向させつつ、蒸着源８１に対して基板２２１が傾斜して配置される。より詳細には、図９の下側が図２の磁場取得装置１における（−Ｚ）側に対応しており、矩形の基板２２１の下側の部位が蒸着源８１から離れるように、基板２２１が傾けられる。そして、この状態にて蒸着が行われることにより、図９に示すように、基板２２１の下部において、下側に向かうに従って膜厚が薄くなるように薄膜２２０が形成される。換言すると、基板２２１の下側（すなわち、磁場取得装置１に設けられた場合における試料９側）における薄膜２２０の膜厚が他の部位の膜厚よりも小さい測定部が形成される。測定部では、薄膜２２０の下端部の膜厚（実際には、多層膜の膜厚）が膜厚方向であるＸ’方向における分解能に影響するため、図９に示す手法にて形成されることにより膜厚が対象物側に向かって漸次減少する測定部では、図８の手法にて形成される測定部に比べて、Ｘ’方向に関する分解能が高い測定値の取得が可能となる。膜厚が対象物側に向かって漸次減少する薄膜素子は他の手法により形成されてもよい。
【００８９】
図１０は、上記２次元ポテンシャル取得方法を用いる検査装置１ａを説明するための図である。検査装置１ａは、核磁気共鳴画像法（Magnetic Resonance Imaging（MRI））により画像を取得するＭＲＩ装置である。図１０中の左側は検査装置１ａの構成を示し、右側は対象物９ａの検査対象となる断面（図１０中のＸＹ平面に平行な断面であり、以下、「検査対象面」という。）のＺ方向の位置と、後述の送信コイル１２により対象物９ａに対して付与される回転磁場の周波数ωとの関係を示している。
【００９０】
検査装置１ａは、図１０中のＹ方向に横たわる人体である対象物９ａに対してＺ方向の傾斜磁場を形成する静磁場形成部１１、対象物９ａに向かって回転磁場を付与する送信コイル１２、対象物９ａの（＋Ｚ）側に配置されるヘッド部２ａ、ヘッド部２ａをＺ方向に平行な軸を中心として回動する回動機構３２ａ、回動機構３２ａと共にヘッド部２ａをＺ方向に昇降する昇降機構３４ａ、回動機構３２ａおよび昇降機構３４ａと共にヘッド部２ａをＸ方向およびＹ方向に移動する水平移動機構３３ａ、並びに、検査装置１ａの各構成要素に接続される制御ユニット４０を備える。図１０では、符号Ａ１を付す複数の矢印の長さを（＋Ｚ）側から（−Ｚ）方向に向かって順に長くすることにより、静磁場形成部１１により形成される静磁場の強度が（−Ｚ）方向に向かって漸次大きくなる状態を抽象的に示している。
【００９１】
ヘッド部２ａは、対象物９ａのＸ方向の幅よりも十分に長い（例えば、当該幅の２倍以上）測定部２１ａ、および、測定部２１ａが固定される支持プレート２２１ａを有し、支持プレート２２１ａは支持棒２２４を介して回動機構３２ａに取り付けられる。
【００９２】
図１１は、制御ユニット４０の機能構成を測定部２１ａおよび送信コイル１２と共に示す図である。図１１中の制御部６２および演算部６３が制御ユニット４０に含まれるコンピュータにより実現される機能である。
【００９３】
制御部６２は、走査信号発生器４１０に接続され、走査信号発生器４１０からの信号に基づいて水平移動機構３３ａによりヘッド部２ａが走査を行う。また、制御部６２は、発振器４０１、位相調整部４０２、振幅変調器４０３および高周波増幅器４０４を介して送信コイル１２に接続され、制御部６２の制御に応じた周波数の回転磁場が送信コイル１２から対象物９ａに付与される。測定部２１ａは、受信器プリアンプ４０５に接続されており、測定部２１ａからの信号は受信器プリアンプ４０５にて増幅された後、位相検波器４０６、ＬＰＦ４０７、Ａ−Ｄコンバータ４０８に順に出力され、Ａ−Ｄコンバータ４０８からの出力信号が、測定値ｆ（ｘ’，θ）としてメモリ４０９に記憶される。なお、図１１では、Ａ−Ｄコンバータ４０８から出力される信号の内容を、符号Ｂ１を付す破線の矩形にて囲んで示している（矩形Ｂ２，Ｂ３において同様）。
【００９４】
図１１中の演算部６３の再構成制御部６３１は、図４中のフーリエ変換部６１１および２次元ポテンシャル分布算出部６１３と同様の機能を有し、測定部２１ａが配置されるとともにｚ＝αを満たす測定面におけるφ（ｘ，ｙ，α）が、メモリ４０９にて記憶される測定値ｆ（ｘ’，θ）に基づいて求められる。また、３次元磁場再構成部６３２は、図４中の３次元ポテンシャル分布算出部６１５と同様の機能を有し、φ（ｘ，ｙ，α）に基づいてφ（ｘ，ｙ，ｚ）を求めるとともに、後述のＭＲＩ画像を取得する。
【００９５】
対象物９ａにおいてｚ＝ｚ０を満たす平面を検査対象面とする場合には、図１０中の右側に示すように、周波数ω０の回転磁場（ＲＦパルス（９０度パルス）とも呼ばれる。）を対象物９ａに付与することにより、対象物９ａの当該検査対象面上にて核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance（NMR））が生じる。また、後述するように、回転磁場の付与に同期して、測定部２１ａの走査を行うことにより、検査対象面のＭＲＩ画像が取得される。以下、検査装置１ａにおける検査に係る動作の流れについて、図６に準じて説明する。
【００９６】
検査装置１ａでは、ｚ＝０を満たす測定面上に測定部２１ａの（−Ｚ）側の端面が配置され、図５のステップＳ１１〜Ｓ１３の処理が行われる。このとき、ステップＳ１１における測定部２１ａの各走査では、走査方向（すなわち、Ｘ’方向）の各位置ｘ’にて測定部２１ａが停止される。続いて、送信コイル１２から対象物９ａに周波数ω０の回転磁場が付与され、検査対象面上にて核磁気共鳴が生じる。そして、送信コイル１２の駆動の停止後（すなわち、回転磁場の付与の停止後）所定時間の間、測定部２１ａにおける測定値の変化が取得される。送信コイル１２の駆動、および、駆動停止後の測定値の変化の取得は、当該走査におけるＸ’方向の全ての位置ｘ’に対して行われ、測定部２１ａの１回の走査が完了する。上記動作は、全ての角度θにおける走査に対して行われることにより、再構成制御部６３１にてφ（ｘ，ｙ，０）である磁場分布画像が取得される（図５：ステップＳ１４、図６：ステップＳ２１）。実際には、送信コイル１２の駆動停止後の経過時間ｔもパラメータとして含むφ（ｘ，ｙ，０，ｔ）が、各経過時間ｔに対する磁場分布画像を示すものとして求められる。
【００９７】
φ（ｘ，ｙ，０，ｔ）が取得されると、昇降機構３４ａによりヘッド部２ａがＺ方向に微小距離ｄだけ移動する。その後、上記ステップＳ２１と同様の処理が行われることにより、φ（ｘ，ｙ，−ｄ，ｔ）が各経過時間ｔに対する補助磁場分布画像を示すものとして取得される（ステップＳ２２）。続いて、φ（ｘ，ｙ，０，ｔ）とφ（ｘ，ｙ，−ｄ，ｔ）との差を微小距離ｄで除算したφｚ（ｘ，ｙ，０，ｔ）（すなわち、各経過時間ｔの磁場分布画像および補助磁場分布画像の差分画像を微小距離ｄで除算した磁場勾配分布画像）が取得される（ステップＳ２３）。そして、φ（ｘ，ｙ，０，ｔ）およびφｚ（ｘ，ｙ，０，ｔ）をそれぞれフーリエ変換したものを用いて、３次元ポテンシャル取得式によりφ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）が求められる（ステップＳ２４，Ｓ２５）。
【００９８】
φ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）は、検査対象面のＺ方向の位置がｚ０である場合における、送信コイル１２の駆動停止後の各経過時間ｔに対するφ（ｘ，ｙ，ｚ）を示している。したがって、当該検査対象面に対して取得されるφ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）のｚにｚ０を代入することにより、検査対象面の各位置（ｘ，ｙ）に対して、回転磁場の付与停止後における磁場の時間的変化を示すφ（ｘ，ｙ，ｚ０，ｔ）が、励起状態の緩和現象を示すものとして求められる。そして、所定の演算により、検査対象面の各位置（ｘ，ｙ）における緩和現象の相違を示す画像が、ＭＲＩ画像として取得される（ステップＳ２６）。
【００９９】
上記ステップＳ２１〜Ｓ２６処理は、Ｚ方向の複数の位置における複数の平面のそれぞれを検査対象面として繰り返される。このとき、例えば、ｚ＝（ｚ０＋Δｚ）の平面を検査対象面とする場合には、周波数（ω０−Δω）の回転磁場が対象物９ａに付与される。ただし、磁気回転比をγ、傾斜磁場の傾きをＧｚとして、Δωは（γ・Ｇｚ・Δｚ）として表される（すなわち、（Δω＝γ・Ｇｚ・Δｚ））。これにより、Ｚ方向の複数の位置における複数の平面でのＭＲＩ画像が取得される。
【０１００】
以上に説明したように、図１０の検査装置１ａでは、静磁場形成部１１および送信コイル１２が協働することにより、Ｚ方向の複数の位置における複数の平面上にて対象物９ａの内部に核磁気共鳴が順次生じる。そして、当該複数の平面に含まれる各平面にて核磁気共鳴を生じさせた際に、制御部６２が演算部６３に各経過時間ｔに対するφ（ｘ，ｙ，ｚ）を取得させ、さらに、演算部６３がφ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚに当該平面の位置を示す値を代入することにより、検査対象面である当該平面上の各位置（ｘ，ｙ）における緩和現象が取得される。これにより、検査対象面の高精度なＭＲＩ画像を取得することができる。このように、検査装置１ａでは、核磁気共鳴を利用した検査を精度よく行うことができる。また、図１０の検査装置１ａでは、一般的なトンネル型のＭＲＩ装置にて生じる被検者における圧迫感や閉塞感を低減することができる。通常のＭＲＩと異なりＸ，Ｙ方向には、急峻な磁場勾配を形成する必要がなく、薄膜磁場センサの膜厚がＸ，Ｙ方向の空間分解能を決定するため、高分解能の検査が可能となる。また装置の小型化が実現され、手術中リアルタイム高分解能検査などの臨床応用も可能となる。
【０１０１】
以上の実施の形態では、磁位のポテンシャルをＺ方向に１回微分したものに基づく測定値が測定部２１，２１ａにより取得されるが、磁位のポテンシャルをＺ方向に２回微分したものに基づく測定値が測定部により取得されてもよい。以下の説明におけるφ（ｘ，ｙ，ｚ）は、Φ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚによる２回微分であるΦｚ（２）（ｘ，ｙ，ｚ）（以下、Φｚｚ（ｘ，ｙ，ｚ）と表す。）となる。
【０１０２】
図１２は本発明の第２の実施の形態に係る磁場取得装置１ｂの一部を示す図である。磁場取得装置１ｂでは、ヘッド部２ｂの構成が図２の磁場取得装置１と相違している。他の構成は図２と同様であり、図１２では図示を省略している。
【０１０３】
ヘッド部２ｂでは、磁性材料にて形成されるとともに磁化された薄膜が測定部２１ｂとして支持部２２ｂの支持プレート２２１に設けられ、Ｙ’方向に長い測定部２１ｂの全体と試料９との間にて磁気力が作用する。支持プレート２２１は、傾斜部２２２を介してベース部２２３に接続されており、ベース部２２３には、片持ち状の支持部２２ｂ（以下、「カンチレバー２２ｂ」という。）を振動させる振動部２５が設けられる。また、ヘッド部２ｂには、図２のヘッド部２と同様のＬＤモジュール２３およびＰＳＰＤ２４が設けられ、測定部２１ｂ、カンチレバー２２ｂ、振動部２５、ＬＤモジュール２３およびＰＳＰＤ２４は密閉された容器２０内に収容される。容器２０内は減圧されており、カンチレバー２２ｂのＱ値の向上が図られる。また、容器２０の側面および上面（（＋Ｚ）側の面）は所定の磁気シールド材料にて形成されており、カンチレバー２２ｂのＱ値の向上と相まって、測定におけるノイズの影響を大幅に低減することができる。
【０１０４】
磁場取得装置１ｂでは、振動部２５のピエゾによりカンチレバー２２ｂが共振周波数で上下に励振される。カンチレバー２２ｂにはＬＤモジュール２３から光が照射されており、反射光の位置がＰＳＰＤ２４により検出される。これにより、信号処理部５３（図２参照）により、カンチレバー２２ｂの共振周波数が試料９との相互作用力によりシフトした量が検出される。ここで、カンチレバー振動の周波数のシフト量は相互作用力に由来し、保存力勾配に由来する測定量であるといえる。したがって、磁場取得装置１ｂでは、Ｘ’方向への測定部２１ｂの走査の際に、Ｘ’方向の各位置において、カンチレバー２２ｂの共振周波数のシフト量に基づいて磁気力勾配（測定部２１ｂの全体における磁気力勾配）を示す値が取得される。よって、ｚ＝αとなる測定面上の基準方向と、測定部２１ｂの長手方向（Ｙ’方向）とがなす角度θを複数通りに変更しつつ、測定面上において測定部２１ｂの長手方向に垂直な方向への走査を繰り返すことにより測定値ｆ（ｘ’，θ）が取得され、図２の磁場取得装置１と同様の手法にて、磁場勾配分布画像であるφ（ｘ，ｙ，α）が取得される。
【０１０５】
磁場取得装置１ｂによる測定では、ｚ＝０を満たす測定面上にてカンチレバー２２ｂの振動周波数のシフト量が取得されて磁場勾配分布画像が第１画像として取得され（図６：ステップＳ２１）、当該測定面から微小距離だけ離れた測定面にて同様に磁場勾配分布画像が中間画像として取得される（ステップＳ２２）。続いて、第１画像と中間画像との差分画像を微小距離ｄで除算した微分画像が磁場勾配のｚによる微分を示す第２画像として取得される（ステップＳ２３）。この場合、第１画像はφ（ｘ，ｙ，０）（すなわち、Φｚｚ（ｘ，ｙ，０））に対応し、第２画像はφｚ（ｘ，ｙ，０）（すなわち、Φｚｚｚ（ｘ，ｙ，０））に対応することから、これらの画像をフーリエ変換して数２０の３次元ポテンシャル取得式に代入することにより、Φｚｚ（ｘ，ｙ，ｚ）であるφ（ｘ，ｙ，ｚ）が求められる（ステップＳ２４，Ｓ２５）。そして、φ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚに試料９の表面の位置を示す値が代入されることにより、表面における磁場勾配の分布が取得され、これに基づいて磁区画像が生成される（ステップＳ２６）。
【０１０６】
このように、磁場取得装置１ｂでは、磁位のポテンシャルをＺ方向に２回微分したものに基づく測定値ｆ（ｘ’，θ）が測定部２１ｂにより取得され、Φｚｚ（ｘ，ｙ，ｚ）であるφ（ｘ，ｙ，ｚ）を生成することが実現される。もちろん、磁場取得装置１ｂでは、磁位のポテンシャルをＺ方向に３回以上微分したものに基づく測定値を取得可能な測定部が設けられ、磁位のポテンシャルをＺ方向に３回以上微分したものがφ（ｘ，ｙ，ｚ）として取得されてもよい。
【０１０７】
以上のように、磁場取得装置では、磁位のポテンシャルをＺ方向に関して１回以上微分したものがφ（ｘ，ｙ，ｚ）として取得され、φ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚに対象物である試料９の表面の位置または表面に近接する位置を示す値を代入することにより、高い分解能の磁場顕微鏡を実現することができる。
【０１０８】
なお、図１２の磁場取得装置１ｂにおいて、振動させないカンチレバー２２ｂを走査させつつ、カンチレバー２２ｂの変位量をＬＤモジュール２３およびＰＳＰＤ２４により取得することにより、磁位のポテンシャルをＺ方向に１回微分したものに基づく測定値ｆ（ｘ’，θ）が測定部２１ｂにより求められ、Φｚ（ｘ，ｙ，ｚ）であるφ（ｘ，ｙ，ｚ）が取得されてもよい（後述のＭＲＩ装置において同様）。
【０１０９】
また、磁場取得装置１ｂにおいて、振動させないカンチレバー２２ｂの走査によるΦｚ（ｘ，ｙ，０）の測定と、振動させたカンチレバー２２ｂの走査によるΦｚｚ（ｘ，ｙ，０）の測定とを行い、Φｚ（ｘ，ｙ，０）をＨｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，０）とし（ただし、ｑ＝１）、Φｚｚ（ｘ，ｙ，０）をＨｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，０）として（ただし、ｐ＝２）、これらをフーリエ変換してｈ（ｑ）（ｋｘ，ｋｙ）およびｈ（ｐ）（ｋｘ，ｋｙ）を求め、数２３を用いてＨｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，ｚ）（すなわち、Φｚｚ（ｘ，ｙ，ｚ））が求められてもよい。さらに、測定によりΦｚｚ（ｘ，ｙ，０）およびΦｚｚｚ（ｘ，ｙ，０）が取得可能な場合には、Φｚｚｚ（ｘ，ｙ，０）をＨｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，０）とし（ただし、ｑ＝３）、Φｚｚ（ｘ，ｙ，０）をＨｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，０）として（ただし、ｐ＝２）、これらをフーリエ変換してｈ（ｑ）（ｋｘ，ｋｙ）およびｈ（ｐ）（ｋｘ，ｋｙ）を求め、数２２を用いてＨｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，ｚ）（すなわち、Φｚｚｚ（ｘ，ｙ，ｚ））が求められてもよい。
【０１１０】
このように、ｚ＝０を満たす測定面における任意のポテンシャルＨ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚによるｑ回微分であるＨｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，０）が一の測定において取得されるφ（ｘ，ｙ，α）であり、当該ポテンシャルＨ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚによるｐ回微分であるＨｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，０）が他の測定において取得されるφ（ｘ，ｙ，α）である場合に（ただし、ｐ，ｑは０以上の整数であり、ｑが奇数、ｐが偶数である。）、Ｈｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，０）およびＨｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，０）をそれぞれフーリエ変換してｈｚ（ｑ）（ｋｘ，ｋｙ）およびｈｚ（ｐ）（ｋｘ，ｋｙ）（ただし、ｋｘ，ｋｙはＸ方向およびＹ方向の波数である。）を求めることにより、数２２によりＨｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，ｚ）を求める、または、数２３によりＨｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，ｚ）を求めることができる（他の装置において同様）。
【０１１１】
図１２の磁場取得装置１ｂは、ＭＲＩ装置として用いられてもよく、この場合、図１０の静磁場形成部１１および送信コイル１２が磁場取得装置１ｂに追加され、Ｚ方向の複数の位置における複数の平面上にて対象物の内部に核磁気共鳴が順次生じる。そして、当該複数の平面に含まれる各平面にて核磁気共鳴を生じさせた際に、Φｚｚ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）であるφ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）が取得され、さらに、φ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）のｚに当該平面の位置を示す値を代入することにより、当該平面上の各位置（ｘ，ｙ）における緩和現象が取得される。これにより、対象物の検査対象面における高精度なＭＲＩ画像を取得することができる。
【０１１２】
また、このような磁場取得装置において、磁位のポテンシャルをＺ方向に３回以上微分したものに基づく測定値を取得可能な測定部が設けられ、磁位のポテンシャルをＺ方向に３回以上微分したものがφ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）として取得されてもよい。以上のように、磁場取得装置では、磁位のポテンシャルをＺ方向に関して１回以上微分したものをφ（ｘ，ｙ，ｚ）として取得することにより、核磁気共鳴を利用した検査を精度よく行うことが実現される。
【０１１３】
また、２次元ポテンシャル取得式を用いて求められる２次元ポテンシャルφ（ｘ，ｙ，α）の基礎となる３次元ポテンシャル（すなわち、３次元ポテンシャル取得式を用いて求められるφ（ｘ，ｙ，ｚ））は、磁位のポテンシャルに由来するものに限定されず、容易に２次元ポテンシャル取得方法を応用することができるものとして電位のポテンシャルに由来する３次元ポテンシャル分布を挙げることができる。この場合、例えば、図１２の装置において、試料９は電荷が表面に存在するものとされる。また、表面を絶縁体で覆うとともに、当該絶縁体に電荷を保持させた測定部２１ｂが準備される。そして、各角度θにおいて、振動させないカンチレバー２２ｂを走査させつつ、カンチレバー２２ｂの変位量が測定値としてＬＤモジュール２３およびＰＳＰＤ２４により取得される。これにより、２次元のポテンシャル分布を示すφ（ｘ，ｙ，α）、すなわち、試料９の存在に起因する静電気力（のＺ方向成分）の分布を示す静電気力分布画像が取得される。
【０１１４】
３次元のポテンシャル分布を示すφ（ｘ，ｙ，ｚ）（ただし、φ（ｘ，ｙ，ｚ）はラプラス方程式を満たす。）を取得する際には、測定面のＺ方向の位置が微小距離だけ異なる２つの静電気力分布画像の差分を微小距離で除算して静電気力勾配分布画像が取得され、ｚ＝０の測定面における静電気力分布画像および静電気力勾配分布画像をフーリエ変換して３次元ポテンシャル取得式に代入することにより、静電気力を示す３次元ポテンシャルが再現される。さらに、試料９の表面（または表面近傍）の位置を示すｚの値が、再現されたポテンシャル関数に代入されて試料９の表面における静電気力の分布を示す画像が電荷の分布に対応する画像として求められる。このように、上記手法によれば、試料９から十分に離れた位置から近距離性の相互作用の影響を受けることなく精度よく電荷の３次元的な分布を反映したポテンシャル分布を求めることができ、例えば、絶縁膜内に電荷が３次元的に分布する場合に、電荷が遠方に作る場から電荷がトラップされている位置を特定することが実現される。
【０１１５】
もちろん、共振するカンチレバー２２ｂの振動周波数のシフト量から静電気力勾配分布画像がφ（ｘ，ｙ，α）として取得されてもよい。また、測定面のＺ方向の位置が微小距離だけ異なる２つの静電気力勾配分布画像に基づいて静電気力勾配の３次元分布であるφ（ｘ，ｙ，ｚ）が求められてもよい。
【０１１６】
上記２次元ポテンシャルおよび３次元ポテンシャル取得方法は、対象物の存在に起因して少なくとも対象物の周囲に形成される任意の３次元ポテンシャルに対して適用可能であり、磁位または電位のポテンシャルに由来するポテンシャル以外に、温度のポテンシャルまたは重力に由来するポテンシャル等にも応用が可能である。例えば、一方向に長い測定範囲の平均的な温度（当該測定範囲における温度の積分値と等価であると捉えられる。）が測定可能な測定部が、対象物の近傍に配置される。そして、対象物内に定常状態の熱の流れを生じさせ、測定面上の基準方向と測定部の長手方向とがなす角度θを複数通りに変更しつつ測定部の走査を繰り返すことにより、測定面上の温度分布を示すφ（ｘ，ｙ，α）を取得することができる。また、Ｚ方向の位置が微小距離だけ異なる２つの測定面の温度分布を求めることにより、対象物内の３次元の温度分布φ（ｘ，ｙ，ｚ）を取得して、対象物の内部構造を知ることも可能である。このような測定が可能な３次元の温度分布取得装置１ｃの一例を図１３に示す。
【０１１７】
図１３の温度分布取得装置１ｃは薄膜型熱電対を有する測定部２１ｃを備える。薄膜型熱電対は、例えば基板上に白金（Pt）およびコンスタンタンを順に積層することにより形成される。測定部２１ｃからの信号はアンプを介して、図２の装置と同様のコンピュータ４に入力される。図１３では、コンピュータ４を破線の矩形にて示し、コンピュータ４が実現する機能を内部に示している。また、測定の対象物９ｃは、試料台３１上に載置され、試料台３１は回動機構３２および水平移動機構３３により回動および移動可能である。なお、対象物９ｃには、電圧源９０が接続され、対象物９ｃ内に定常状態の熱の流れが生じる。
【０１１８】
測定部２１ｃは、図示省略の昇降機構によりＺ方向に移動可能であり、測定部２１ｃの出力は制御部６２ａを介して変換部６１０ａ，６１０ｂに入力される。変換部６１０ａ，６１０ｂでは、図２の装置と同様にして、Ｚ方向の２つの位置での２次元温度分布が取得される。そして、２つの２次元温度分布に基づいて、対象物９ｃ内の３次元の温度分布（３次元ポテンシャル分布）φ（ｘ，ｙ，ｚ）が取得される。なお、温度分布取得装置１ｃでは、図２の装置と同様に、ＬＤモジュール２３およびＰＳＰＤ２４が設けられ、ＬＤコントローラ２３３ａがＬＤドライバ２３１ａを駆動することにより、ＬＤモジュール２３からレーザ光が出射される。また、ＰＳＰＤ２４からの出力は、ＩＶコンバータ５１、信号処理部５３およびセレクタ５４１を介して制御部６２ａ（図１３では、図示の都合上、測定部２１ｃに接続される制御部６２ａとは異なるブロックとして示しているが、これらのブロックは同一の制御部６２ａである。）に入力される。これにより、測定部２１ｃが対象物９ｃに接触することが防止される。
【０１１９】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【０１２０】
上記実施の形態では、測定値ｆ（ｘ’，θ）を取得する測定ユニットが、測定部、回動機構、水平移動機構およびコンピュータ（または制御部）により実現されるが、測定ユニットは他の構成により実現されてもよい。図１４は、他の測定ユニットに設けられる素子群２１０の底面図である。図１４に示すように、それぞれが長手方向に伸びるセンサとなる多数の薄膜素子２１ｄが膜厚方向に積層された素子群２１０では、一の角度θにおけるＸ’方向の各位置での測定値が同時に取得される。そして、素子群２１０または対象物をＺ軸を中心として回転することにより角度θを複数通りに変更しつつ、素子群２１０による測定を繰り返すことにより、測定値ｆ（ｘ’，θ）が取得される。
【０１２１】
ここで、測定面上における各薄膜素子２１ｄの領域を線状領域と捉えると、素子群２１０は、長手方向に垂直かつ測定面に平行なＸ’方向に配列される複数の線状領域の測定値を同時に取得するものとなる。また、上記実施の形態における測定部を走査する測定ユニットでは、長手方向に長い一の測定部を走査する動作は、一の角度θにおいて複数の線状領域をＸ’方向に配列設定しつつ、複数の線状領域のそれぞれにおける測定値を取得することと等価である。以上のように、φ（ｘ，ｙ，α）を取得するポテンシャル取得装置では、測定面上において測定面に平行な長手方向に伸びる複数の線状領域を長手方向に垂直なＸ’方向に配列設定するとともに、基準方向と長手方向とのなす角度θを複数通りに変更した状態にて複数の線状領域のそれぞれにおける測定値を取得する測定ユニットは、様々な態様にて実現可能である。
【０１２２】
図２の磁場取得装置１（他の装置において同様）において、Ｚ方向に微小距離ｄだけ離れた２つの位置における磁場分布画像７１および補助磁場分布画像７２を取得する際に、測定部２１のＺ方向の幅（高さ）が微小距離ｄよりも十分に大きい場合には、例えば、図１５に示すように、測定部２１の底面をＺ方向の３つの高さｚ１、ｚ２、ｚ３に順に配置して測定が行われてもよい。この場合に、高さｚ１、ｚ２、ｚ３にて取得される画像をそれぞれｚ１画像φ（ｘ，ｙ，ｚ１）、ｚ２画像φ（ｘ，ｙ，ｚ２）、ｚ３画像φ（ｘ，ｙ，ｚ３）と呼ぶと、ｚ１画像φ（ｘ，ｙ，ｚ１）とｚ２画像φ（ｘ，ｙ，ｚ２）との差分画像が磁場分布画像として扱われ、ｚ２画像φ（ｘ，ｙ，ｚ２）とｚ３画像φ（ｘ，ｙ，ｚ３）との差分画像が補助磁場分布画像として扱われる。これにより、Ｚ方向の幅が微小な測定部を用いて測定を行った場合と等価な磁場分布画像および補助磁場分布画像を取得することが可能となり、磁場の３次元分布を高精度に求めることが可能となる。なお、本手法を用いる際には、測定部２１において試料９から最も離れた部位では、試料９に起因する磁場がほぼ０となっていることが重要である。また、測定部の設計によっては、本手法が長手方向およびＺ方向に垂直なＸ’方向において採用されてもよい。
【０１２３】
磁場の測定において試料９（例えば、強磁性体あるいはフェリ磁性体のサンプル）を予め着磁する必要がある場合には、図１６に示すように、複数のコイル９０１を試料９に垂直な方向に配列することにより（多段配置することにより）、着磁における磁界の指向性を高めることが好ましい。これにより、限定した範囲のみを着磁することができ（磁気配向した領域が広範囲に広がることが防止され）、好ましい測定を行うことが可能となる。なお、板状の試料９において両主面側からの着磁が可能である場合には、一方の主面側に設けられる複数のコイル９０１に加えて、図１６中に二点鎖線の矩形にて示すように、他方の主面側にも同様の複数のコイル９０１が設けられ、着磁における磁界の指向性がさらに高められてよい。
【０１２４】
磁場取得装置において、図２の支持部２２および図１２のカンチレバー２２ｂを走査方向に並べることにより、磁場分布画像および磁場勾配分布画像がおよそ同時に取得され、３次元ポテンシャルの測定の高速化が図られてもよい。
【０１２５】
また、２次元ポテンシャルや３次元ポテンシャルは既述の２次元ポテンシャル取得式や３次元ポテンシャル取得式に厳密に従って求められる必要はなく、適宜、類似もしくは近似する、または、変形された演算により求められてよい。フーリエ変換および逆フーリエ変換も既知の様々な技巧的な手法が採用されてよい。
【０１２６】
上記実施の形態では、測定部２１，２１ａ〜２１ｃがＹ’方向およびＺ方向に広がる薄膜素子とされることにより、測定部２１，２１ａ〜２１ｃの走査における走査方向の測定分解能を向上することができ、さらに、２次元ポテンシャルの測定の分解能も向上することが可能となるが、測定される２次元ポテンシャルに求められる分解能によっては、測定面に平行に伸びるとともに、走査方向に比較的厚い測定部が用いられてもよい。
【０１２７】
図２の磁場取得装置１にて測定部２１がＺ軸を中心として回動され、図１０の検査装置１ａにて対象物９ａを支持する部材がＺ軸を中心として回動されてもよい。また、図２の測定部２１が測定面上にて移動し、図１０の対象物９ａを支持する部材が、対象物９ａと共に水平方向に移動してもよい。このように、測定面上における測定部の対象物に対する回動および移動は相対的なものであってよい。
【０１２８】
上記実施の形態では、昇降機構３４，３４ａにより測定部２１，２１ａ，２１ｂがＺ方向に移動するが、測定部の対象物に対するＺ方向への移動は相対的なものであってよく、対象物をＺ方向に移動する昇降機構が、Ｚ方向の移動機構として設けられてもよい。
【０１２９】
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせられてよい。
【０１３０】
発明を詳細に描写して説明したが、既述の説明は例示的であって限定的なものではない。したがって、本発明の範囲を逸脱しない限り、多数の変形や態様が可能であるといえる。
【符号の説明】
【０１３１】
１，１ｂ    磁場取得装置
１ａ    検査装置
１ｃ    温度分布取得装置
４    コンピュータ
９    試料
９ａ，９ｃ    対象物
１１    静磁場形成部
１２    送信コイル
２１，２１ａ〜２１ｃ    測定部
３２，３２ａ    回動機構
３３，３３ａ    水平移動機構
３４，３４ａ    昇降機構
６１，６３    演算部
６２，６２ａ    制御部
７１    磁場分布画像
７２    補助磁場分布画像
８１    蒸着源
９１，９２    測定面
９３    （試料の）表面
２２０    薄膜
２２１    基板
Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２５    ステップ
【図１】
2011108543.tif 000032
【図２】
2011108543.tif 000033
【図３】
2011108543.tif 000034
【図４】
2011108543.tif 000035
【図５】
2011108543.tif 000036
【図６】
2011108543.tif 000037
【図７】
2011108543.tif 000038
【図８】
2011108543.tif 000039
【図９】
2011108543.tif 000040
【図１０】
2011108543.tif 000041
【図１１】
2011108543.tif 000042
【図１２】
2011108543.tif 000043
【図１３】
2011108543.tif 000044
【図１４】
2011108543.tif 000045
【図１５】
2011108543.tif 000046
【図１６】
2011108543.tif 000047
【手続補正書】
【提出日】平成24年9月19日(2012.9.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の存在に起因して少なくとも前記対象物の周囲に形成される３次元ポテンシャルを示すポテンシャル関数をφ（ｘ，ｙ，ｚ）（ただし、ｘ，ｙ，ｚは、前記対象物に対して設定される互いに垂直なＸ，Ｙ，Ｚ方向にて規定される直交座標系の座標パラメータを示す。）として、前記対象物の外部に設定されたｚ＝α（ただし、αは任意の値）を満たす測定面におけるφ（ｘ，ｙ，α）を取得するポテンシャル取得装置であって、
ＸＹ平面に平行な前記測定面上において前記測定面に平行な長手方向に伸びる複数の線状領域を、前記長手方向に垂直なＸ’方向に配列設定するとともに、Ｙ方向に平行な前記測定面上の基準方向と、前記長手方向とがなす角度をθとして、前記角度θを複数通りに変更した状態にて前記複数の線状領域のそれぞれにおける前記３次元ポテンシャルに由来する測定値を、前記長手方向に伸びるセンサにより取得する測定ユニットと、
Ｘ’方向の座標パラメータをｘ’として（ただし、原点はＺ軸上である。）、前記測定ユニットにより取得される測定値ｆ（ｘ’，θ）を用いてφ（ｘ，ｙ，α）を求める演算部と、
を備える。
【請求項２】
請求項１に記載のポテンシャル取得装置であって、
前記演算部が、
【数２４】
2011108543.tif 000048
（ただし、ｋｘ’はＸ’方向の波数である。）によりφ（ｘ，ｙ，α）を求める。
【請求項３】
請求項１または２に記載のポテンシャル取得装置であって、
前記測定ユニットが、
前記センサである測定部と、
前記基準方向と、前記測定部の前記長手方向との間の前記角度θを変更する角度変更部と、
前記測定面上において前記測定部をＸ’方向に前記対象物に対して相対的に移動して、前記対象物の測定領域上を前記測定部が通過する走査を行う移動機構と、
前記角度変更部および前記移動機構を制御することにより、前記角度θを複数通りに変更しつつ前記走査を繰り返す制御部と、
を備え、
前記走査の繰り返しにより、前記測定ユニットにおいて測定値ｆ（ｘ’，θ）が取得される。
【請求項４】
請求項３に記載のポテンシャル取得装置であって、
前記３次元ポテンシャルが、磁位のポテンシャルをＺ方向に関して１回以上微分したものであり、
前記測定部が、前記長手方向およびＺ方向に広がるとともに、前記３次元ポテンシャルに由来する信号を生成する薄膜素子である。
【請求項５】
請求項４に記載のポテンシャル取得装置であって、
前記薄膜素子の膜厚が前記対象物側に向かって漸次減少する。
【請求項６】
請求項３ないし５のいずれかに記載のポテンシャル取得装置であって、
前記測定部をＺ方向に前記対象物に対して相対的に移動するもう１つの移動機構をさらに備え、
前記３次元ポテンシャルがラプラス方程式を満たし、
前記制御部が、ｚ＝０を満たす前記測定面においてφ（ｘ，ｙ，０）を２次元の第１画像として取得し、前記測定部をＺ方向に微小距離だけ相対移動した後、前記第１画像と同様の手法により２次元の中間画像を取得し、
前記演算部が、前記第１画像と前記中間画像との差分画像を求め、前記差分画像を前記微小距離で除算した微分画像を第２画像として取得し、前記第１画像であるφ（ｘ，ｙ，０）および前記第２画像であるφｚ（ｘ，ｙ，０）をそれぞれフーリエ変換してψ（ｋｘ，ｋｙ）およびψｚ（ｋｘ，ｋｙ）（ただし、ｋｘ，ｋｙはＸ方向およびＹ方向の波数である。）を求め、さらに、ψ（ｋｘ，ｋｙ）およびψｚ（ｋｘ，ｋｙ）を用いて、
【数２５】
2011108543.tif 000049
によりφ（ｘ，ｙ，ｚ）を求める。
【請求項７】
請求項１ないし５のいずれかに記載のポテンシャル取得装置であって、
前記３次元ポテンシャルがラプラス方程式を満たし、
ｚ＝０を満たす前記測定面における任意のポテンシャルＨ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚによるｑ回微分であるＨｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，０）が一の測定において取得されるφ（ｘ，ｙ，α）であり、前記任意のポテンシャルＨ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚによるｐ回微分であるＨｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，０）が他の測定において取得されるφ（ｘ，ｙ，α）であり（ただし、ｐ，ｑは０以上の整数であり、ｑが奇数、ｐが偶数である。）、
前記演算部が、Ｈｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，０）およびＨｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，０）をそれぞれフーリエ変換してｈｚ（ｑ）（ｋｘ，ｋｙ）およびｈｚ（ｐ）（ｋｘ，ｋｙ）（ただし、ｋｘ，ｋｙはＸ方向およびＹ方向の波数である。）を求め、さらに、ｈｚ（ｑ）（ｋｘ，ｋｙ）およびｈｚ（ｐ）（ｋｘ，ｋｙ）を用いて、
【数２６】
2011108543.tif 000050
によりＨｚ（ｑ）（ｘ，ｙ，ｚ）を求める、または、
【数２７】
2011108543.tif 000051
によりＨｚ（ｐ）（ｘ，ｙ，ｚ）を求める。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載のポテンシャル取得装置であって、
前記３次元ポテンシャルが、磁位、電位、温度または重力に由来するポテンシャルである。
【請求項９】
磁場顕微鏡であって、
磁位のポテンシャルをＺ方向に関して１回以上微分したものをφ（ｘ，ｙ，ｚ）として取得する請求項６に記載のポテンシャル取得装置を備え、
前記演算部が、φ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚに前記対象物の表面の位置または表面に近接する位置を示す値を代入する。
【請求項１０】
核磁気共鳴を利用した検査装置であって、
磁位のポテンシャルをＺ方向に関して１回以上微分したものをφ（ｘ，ｙ，ｚ）として取得する請求項６に記載のポテンシャル取得装置と、
Ｚ方向の複数の位置における複数の平面上にて前記対象物の内部に核磁気共鳴を順次生じさせる手段と、
を備え、
前記制御部が、前記複数の平面に含まれる各平面にて核磁気共鳴を生じさせた際に、φ（ｘ，ｙ，ｚ）を取得し、
前記演算部が、前記各平面に対して取得されるφ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚに前記各平面の位置を示す値を代入する。
【請求項１１】
対象物の存在に起因して少なくとも前記対象物の周囲に形成される３次元ポテンシャルを示すポテンシャル関数をφ（ｘ，ｙ，ｚ）（ただし、ｘ，ｙ，ｚは、前記対象物に対して設定される互いに垂直なＸ，Ｙ，Ｚ方向にて規定される直交座標系の座標パラメータを示す。）として、前記対象物の外部に設定されたｚ＝α（ただし、αは任意の値）を満たす測定面におけるφ（ｘ，ｙ，α）を取得するポテンシャル取得方法であって、
ａ）ＸＹ平面に平行な前記測定面上において前記測定面に平行な長手方向に伸びる複数の線状領域を、前記長手方向に垂直なＸ’方向に配列設定するとともに、Ｙ方向に平行な前記測定面上の基準方向と、前記長手方向とがなす角度をθとして、前記角度θを複数通りに変更した状態にて前記複数の線状領域のそれぞれにおける前記３次元ポテンシャルに由来する測定値を、前記長手方向に伸びるセンサにより取得する工程と、
ｂ）Ｘ’方向の座標パラメータをｘ’として（ただし、原点はＺ軸上である。）、前記ａ）工程により取得される測定値ｆ（ｘ’，θ）を用いてφ（ｘ，ｙ，α）を求める工程と、
を備える。
【請求項１２】
請求項１１に記載のポテンシャル取得方法であって、
前記ｂ）工程において、
【数２８】
2011108543.tif 000052
（ただし、ｋｘ’はＸ’方向の波数である。）によりφ（ｘ，ｙ，α）が求められる。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載のポテンシャル取得方法であって、
前記ａ）工程が、
ａ１）前記センサである測定部を、前記測定面上においてＸ’方向に前記対象物に対して相対的に移動して、前記対象物の測定領域上を前記測定部が通過する走査を行う工程と、
ａ２）前記基準方向と、前記測定部の前記長手方向との間の前記角度θを複数通りに変更しつつ、前記ａ１）工程を繰り返すことにより測定値ｆ（ｘ’，θ）を取得する工程と、
を備える。
【請求項１４】
請求項１３に記載のポテンシャル取得方法であって、
前記３次元ポテンシャルが、磁位のポテンシャルをＺ方向に関して１回以上微分したものであり、
前記測定部が、前記長手方向およびＺ方向に広がるとともに、前記３次元ポテンシャルに由来する信号を生成する薄膜素子である。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載のポテンシャル取得方法であって、
前記３次元ポテンシャルがラプラス方程式を満たし、かつ、前記測定面がｚ＝０を満たし、
前記ａ）およびｂ）工程によりφ（ｘ，ｙ，０）が２次元の第１画像として取得され、
前記ポテンシャル取得方法が、
ｃ）前記測定部をＺ方向に微小距離だけ相対移動した後、前記第１画像と同様の手法により２次元の中間画像を取得する工程と、
ｄ）前記第１画像と前記中間画像との差分画像を求め、前記差分画像を前記微小距離で除算した微分画像を第２画像として取得する工程と、
ｅ）前記第１画像であるφ（ｘ，ｙ，０）および前記第２画像であるφｚ（ｘ，ｙ，０）をそれぞれフーリエ変換してψ（ｋｘ，ｋｙ）およびψｚ（ｋｘ，ｋｙ）（ただし、ｋｘ，ｋｙはＸ方向およびＹ方向の波数である。）を求める工程と、
ｆ）ψ（ｋｘ，ｋｙ）およびψｚ（ｋｘ，ｋｙ）を用いて、
【数２９】
2011108543.tif 000053
によりφ（ｘ，ｙ，ｚ）を求める工程と、
を備える。
【請求項１６】
請求項１１ないし１５のいずれかに記載のポテンシャル取得方法であって、
前記３次元ポテンシャルが、磁位、電位、温度または重力に由来するポテンシャルである。
【国際調査報告】
2011108543.tif 000054
2011108543.tif 000055
2011108543.tif 000056
2011108543.tif 000057