(57)【要約】【課題】高周波信号の入力により発生する高周波磁界による影響と高周波電界による影響とを分離可能で、高精度で高周波磁界を測定することができる高周波電磁界測定装置を提供する。【解決手段】磁気力センサ２１が、磁気力顕微鏡１１のカンチレバーから成り、磁界を検出可能である。電流線１２が、コイルから成り、測定対象物１に近接して配置されている。搬送波導入手段１３が、測定対象物１に高周波の搬送波信号を入力し、参照波導入手段１４が、電流線１２に高周波の参照波信号を入力するよう構成されている。また、搬送波導入手段１３から測定対象物１に搬送波信号を入力するときの電位と、磁気力センサ２１の電位とが等しくなるよう構成されている。磁気力顕微鏡１１は、測定対象物１を載せる載置台２２と、磁気力センサ２１の変位を測定する変位測定手段２３と、磁気力センサ２１を走査させる走査手段２４とを有している。【選択図】図１
2014147866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波信号を入力された測定対象物が発する高周波磁界を測定するための高周波電磁界測定装置であって、
磁気的作用による振動を利用して磁界を検出可能な磁気力センサと、
前記測定対象物に近接して配置された電流線と、
前記測定対象物に高周波の搬送波信号を入力する搬送波導入手段と、
前記電流線に高周波の参照波信号を入力可能であり、入力する前記参照波信号の周波数を変更可能に構成された参照波導入手段とを有し、
前記搬送波導入手段から前記測定対象物に前記搬送波信号を入力するときの電位と、前記磁気力センサの電位とが等しくなるよう構成されていることを
特徴とする高周波電磁界測定装置。
【請求項２】
磁気力顕微鏡を有し、
前記磁気力センサは、前記磁気力顕微鏡のカンチレバーから成り、
前記磁気力顕微鏡は、前記測定対象物を載せる載置台と、前記磁気力センサの振動による変位を測定する変位測定手段と、前記測定対象物に対して前記磁気力センサを相対的に走査させる走査手段とを有していることを、
特徴とする請求項１記載の高周波電磁界測定装置。
【請求項３】
前記電流線はコイルから成っており、
前記カンチレバーは絶縁体から成り、先端の探針の表面に磁性体膜が形成されていることを
特徴とする請求項２記載の高周波電磁界測定装置。
【請求項４】
前記カンチレバーの前記磁性体膜の磁性材料の磁化を交流消磁可能に、前記電流線に交番磁界を印加するための交流電源と、
前記カンチレバーの前記磁性体膜の磁性材料の磁化を再着磁可能に、前記電流線に直流磁界を発生させるための直流電源とを、
有することを特徴とする請求項３記載の高周波電磁界測定装置。
【請求項５】
前記電流線は開放型伝送線路から成っており、
前記カンチレバーはシリコン製であることを
特徴とする請求項２記載の高周波電磁界測定装置。
【請求項６】
前記参照波導入手段により周波数を変更しながら前記参照波信号を入力したとき、前記変位測定手段により測定された前記磁気力センサの振動による変位から、前記磁気力センサが共振周波数で振動したときの振幅を求めるとともに、そのときの前記参照波導入手段による前記参照波信号の周波数を求め、求められた前記磁気力センサの振幅と前記参照波信号の周波数とに基づいて、前記搬送波信号の入力により前記測定対象物が発する高周波信号の振幅と周波数とを算出する解析手段を有することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の高周波電磁界測定装置。
【請求項７】
前記磁気力センサは絶縁体から成ることを特徴とする請求項１記載の高周波電磁界測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波電磁界測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯情報端末向けのアナログ高周波集積化回路（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＲＦＩＣ）の微細化の進展とともに、最小配線ピッチが狭くなってきており、配線間のクロストークや電磁ノイズ等の問題が発生する可能性が高まっている。また、無線通信で用いる高周波信号を処理するＲＦＩＣチップ上では、デジタル回路面積の増加とデジタル・アナログ回路の混在により、デジタル回路で発生した電磁ノイズがアナログ回路に混入して電磁干渉（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：ＥＭＩ）問題を引き起こしている。このＥＭＩ問題に関する対策として、チップ内で発生した電磁ノイズの発生源、伝搬経路、混入先を特定することが重要であり、そのために、チップ上で発生する高周波近傍磁界を計測することは有効である。【０００３】
従来、チップ上で発生する高周波近傍磁界を計測する方法として、シールディドループコイル型磁界プローブや磁気光学プローブ、超伝導量子干渉計（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｅｖｉｃｅ：ＳＱＵＩＤ）、巨大磁気抵抗型（Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＧＭＲ）センサを用いた方法がある（例えば、非特許文献１乃至４参照）。しかし、非特許文献１乃至４に記載の方法では、測定周波数帯域は０．５ＧＨｚを超えているものの、検出センサの空間分解能は概ね数十μｍにとどまっている。このため，最少配線ピッチがサブミクロン程度であるＲＦＩＣチップでは、その微細な信号配線や構成する素子を流れる電流が作る磁界成分を検出することは困難であるという問題があった。【０００４】
そこで、サブミクロンの空間分解能とギガヘルツ帯域の高周波特性とを同時に満たすために、本発明者等は、検出センサとして磁気力顕微鏡（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＭＦＭ）の探針に着目し、場のうなり（Ｂｅａｔｉｎｇ  ｆｉｅｌｄ）方式による高周波近傍磁界計測法を開発している（特願２０１２−０８３４２５号参照）。この場のうなり方式では、周波数帯がわずかに異なる２つの正弦波信号を、コプレーナウェーブガイド（Ｃｏｐｌａｎａｒ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ：ＣＰＷ）などの高周波伝送線路に入力し、その線路上で場のうなり（ビート信号）を発生させて、ＭＦＭ探針により高周波近傍磁界を計測している。【０００５】
なお、２つの正弦波信号として、搬送波信号および参照波信号をＣＰＷに入力したとき、ＣＰＷ上で発生する磁界により磁気力顕微鏡の探針に作用する力ＦＭは、（１）式で表される（例えば、非特許文献５参照）。
【数１】
2014147866.tif 000003
ここで、ｍは探針の磁気モーメント、ＨＺは垂直（Ｚ）方向の磁界成分、ＨＣは搬送波信号の磁界成分、θＣは搬送波信号の磁界成分の垂直（Ｚ）方向の角度、Ｈｒｅｆは参照波信号の磁界成分、θｒｅｆは参照波信号の磁界成分の垂直（Ｚ）方向の角度、ｆＲｅｓは探針（カンチレバー）の共振周波数、ｔは時間、ｆ０は搬送波信号の周波数と参照波信号の周波数の中間値（周波数）、δは位相である。【０００６】
また、２つの正弦波信号として、搬送波信号および参照波信号をＣＰＷに入力したとき、ＣＰＷ上で発生する電界により磁気力顕微鏡の探針に作用する力ＦＥは、（２）式で表される（例えば、非特許文献６参照）。
【数２】
2014147866.tif 000004
ここで、εは誘電率、Ｓはカンチレバーの面積、ｈは探針先端とＣＰＷとの距離（リフト高さ）、ＶＣＰＷはＣＰＷの電位、Ｖｔｉｐは探針の電位、ＺはＣＰＷの特性インピーダンス、ＥＣは搬送波信号の電界成分、Ｅｒｅｆは参照波信号の電界成分である。【０００７】
なお、高周波磁気力顕微鏡（ＨＦ−ＭＦＭ）により、振幅変調方式や周波数変調方式で、高周波近傍磁界を測定する方法もあるが、ＩＣチップ内の回路を実動作させた状態では、配線や電源線を流れる電流から生じる磁界を直接測定することはできない。このため、ＩＣチップの不良解析などには使用することはできない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】N. Ando et al., “Development of MiniaturizedThin-Film Magnetic Field Probes for On-Chip Measurement”, J. Magn. Soc. Jpn., 2006年,Vol.30, p.429
【非特許文献２】N.Adachi et al., “Far-Infrared Ferromagnetic Resonance of Magnetic Garnet forHigh Frequency Electromagnetic Sensor”, IEEE Trans. Magn., 2010年,Vol.46, p.1986
【非特許文献３】C. P. Vlahacos et al., “A Cryo-Cooled Scanning SQUID Microscopefor Imaging High-Frequency Magnetic Fields”, IEEE Trans. Appl. Supercond., 2011年, Vol.21, p.412
【非特許文献４】T. Nakai et al., 「反射信号を用いた高周波キャリア型磁界センサによる 微小交流磁界計測に関する研究」, J. Magn. Soc. Jpn., 2006年, Vol.30, p.550
【非特許文献５】J. Welker et al., “qPlus magnetic force microscopy in frequency-modulation mode withmillihertz resolution”, Beilstein Journal of Nanotechnology, 2012年, Vol.3, p.174-178
【非特許文献６】A. S. Hou et al., “Scanning Probe Microscopy for Testing Ultrafast ElectronicDevices”, Optical and Quantum Electronics, 1996年, Vol.28, p.819-841
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の場のうなり方式による高周波近傍磁界計測法では、サブミクロンの空間分解能とギガヘルツ帯域の高周波特性とを同時に満たすことはできるが、演算処理を工夫しても、高周波信号の入力により発生する高周波磁界による影響と高周波電界による影響とを分離しきれず、高周波磁界の測定精度が低下してしまうという課題があった。【００１０】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、高周波信号の入力により発生する高周波磁界による影響と高周波電界による影響とを分離可能で、高精度で高周波磁界を測定することができる高周波電磁界測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る高周波電磁界測定装置は、高周波信号を入力された測定対象物が発する高周波磁界を測定するための高周波電磁界測定装置であって、磁気的作用による振動を利用して磁界を検出可能な磁気力センサと、前記測定対象物に近接して配置された電流線と、前記測定対象物に高周波の搬送波信号を入力する搬送波導入手段と、前記電流線に高周波の参照波信号を入力可能であり、入力する前記参照波信号の周波数を変更可能に構成された参照波導入手段とを有し、前記搬送波導入手段から前記測定対象物に前記搬送波信号を入力するときの電位と、前記磁気力センサの電位とが等しくなるよう構成されていることを特徴とする。【００１２】
本発明に係る高周波電磁界測定装置は、以下のようにして、高周波信号を入力された測定対象物が発する高周波磁界を測定することができる。すなわち、搬送波導入手段により測定対象物に高周波の搬送波信号を入力して、一定の強度および周波数を有する高周波磁界を発生させる。また、参照波導入手段により、測定対象物に近接して配置された電流線に高周波の参照波信号を入力して、一定の強度および周波数を有する高周波磁界を発生させる。このとき、参照波導入手段で参照波信号の周波数を変更して、測定対象物が発生する高周波磁界の周波数と、電流線が発生する高周波磁界の周波数とが僅かにずれるようにすることにより、各高周波磁界を含む磁界のうなり（ビート信号）を発生させることができる。このビート信号の周波数を、磁気力センサの共振周波数に近づけることにより、高周波磁界の測定を行うことができる。【００１３】
また、このとき、搬送波導入手段から測定対象物に搬送波信号を入力するときの電位と、磁気力センサの電位とが等しくなるよう構成されているため、高周波信号の入力により高周波磁界と共に発生する高周波電界から磁気力センサが受ける力を抑制することができる。これにより、高周波磁界による影響と高周波電界による影響とを分離することができ、高精度で高周波磁界を測定することができる。なお、搬送波導入手段から測定対象物に搬送波信号を入力するときの電位と、磁気力センサの電位とは、同じ値に近づけば近づくほど磁界の測定精度が高くなるため、ぴったり等しくなることが好ましいが、回路の構成上、多少のずれが生じることがある。このため、これらの電位は、ぴったり等しくなっていなくとも、ほぼ等しくなっていればよい。【００１４】
本発明に係る高周波電磁界測定装置は、高周波磁界と高周波電界とを分離する効果を高めて測定精度をさらに向上させるために、搬送波導入手段から測定対象物に搬送波信号を入力するときの電位の位相および振幅と、磁気力センサの電位の位相および振幅とを揃えることが好ましい。位相を揃えるために、例えば位相調整器などを使用することができる。【００１５】
本発明に係る高周波電磁界測定装置は、磁気力顕微鏡を有し、前記磁気力センサは、前記磁気力顕微鏡のカンチレバーから成り、前記磁気力顕微鏡は、前記測定対象物を載せる載置台と、前記磁気力センサの振動による変位を測定する変位測定手段と、前記測定対象物に対して前記磁気力センサを相対的に走査させる走査手段とを有していることが好ましい。この場合、変位測定手段により、磁気力センサが高周波磁界から受ける力を測定することができる。また、走査手段で走査することにより、回路などの測定対象物上で発生する高周波磁界の２次元分布を得ることができる。これにより、測定対象物上の電磁ノイズの発生源や伝搬経路、混入先などを特定することができ、ＥＭＩ問題の解決に寄与することができる。【００１６】
本発明に係る高周波電磁界測定装置で、前記電流線はコイルから成っており、前記カンチレバーは絶縁体から成り、先端の探針の表面に磁性体膜が形成されていることが好ましい。この場合、コイルが主に高周波磁界を発生し、絶縁体のカンチレバーの梁が高周波電界の影響を受けないため、高周波磁界を高精度で測定することができる。影響を除去できる電界は、１００ＭＨｚ以上の高周波電界であり、特にＧＨｚオーダーの電界の影響も除去することができる。カンチレバーは、高周波磁界の測定精度を高めるために、梁の探針とは反対側の面に磁性体膜が形成されていてもよい。また、前記カンチレバーの前記磁性体膜の磁性材料の磁化を交流消磁可能に、前記電流線に交番磁界を印加するための交流電源と、前記カンチレバーの前記磁性体膜の磁性材料の磁化を再着磁可能に、前記電流線に直流磁界を発生させるための直流電源とを、有していてもよい。【００１７】
また、本発明に係る高周波電磁界測定装置で、前記電流線は開放型伝送線路から成っており、前記カンチレバーはシリコン製であってもよい。この場合、開放型伝送線路が主に高周波電界を発生し、シリコン製のカンチレバーが高周波電界の影響を受けやすいため、高周波磁界の影響を相対的に抑えて、高周波電界を高精度で測定することができる。カンチレバーは、シリコン製に限らず、他の導電性の素材から成っていてもよいが、加工性がよいため、シリコン製が特に好ましい。なお、本発明に係る高周波電磁界測定装置は、高周波磁界および高周波電界の双方を測定可能に、電流線がコイルと開放型伝送線路とを切換可能に構成されていてもよい。また、カンチレバーも、絶縁体から成り、先端の探針の表面に磁性体膜が形成されているものと、シリコン製のものとを切換可能に構成されていてもよい。【００１８】
本発明に係る高周波電磁界測定装置は、前記参照波導入手段により周波数を変更しながら前記参照波信号を入力したとき、前記変位測定手段により測定された前記磁気力センサの振動による変位から、前記磁気力センサが共振周波数で振動したときの振幅を求めるとともに、そのときの前記参照波導入手段による前記参照波信号の周波数を求め、求められた前記磁気力センサの振幅と前記参照波信号の周波数とに基づいて、前記搬送波信号の入力により前記測定対象物が発する高周波信号の振幅と周波数とを算出する解析手段を有していてもよい。この場合、解析手段により、高周波信号を入力された測定対象物が発する高周波信号を定量的に把握することができる。高周波磁界の測定時には、（１）式を利用して高周波磁界を定量的に求めることができる。また、高周波電界の測定時には、（２）式を利用して高周波電界を定量的に求めることができる。【００１９】
本発明に係る高周波電磁界測定装置で、前記磁気力センサは絶縁体から成っていてもよい。この場合、絶縁体の磁気力センサが高周波電界の影響を受けないため、高周波磁界を高精度で測定することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、高周波信号の入力により発生する高周波磁界による影響と高周波電界による影響とを分離可能で、高精度で高周波磁界を測定することができる高周波電磁界測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態の高周波電磁界測定装置を示すブロック図である。
【図２】図１に示す高周波電磁界測定装置の測定系の回路図である。
【図３】本発明の実施の形態の高周波電磁界測定装置の、高周波電界検出用の変形例を示すブロック図である。
【図４】図３に示す高周波電磁界測定装置の測定系の回路図である。
【図５】本発明の実施の形態の高周波電磁界測定装置に関し、（ａ）場のうなり方式による高周波磁界の測定装置の全体構成を示す斜視図、（ｂ）その測定に用いるコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）の測定位置を示す拡大平面図、および（ｃ）拡大断面図である。
【図６】図５に示す測定装置による高周波磁界の測定で使用する、搬送波信号と参照波信号との合成スペクトルである。
【図７】図５に示す測定装置により高周波磁界を測定したときの、（ａ）搬送波信号の周波数が１００ＭＨｚの場合の、探針の振動振幅値を示すグラフ、（ｂ）搬送波信号の周波数が１００ＭＨｚおよび２ＧＨｚの場合の、カンチレバーの共振周波数近傍での探針の振動振幅値と、搬送波信号の電流値との関係を示すグラフである。
【図８】図５に示す測定装置により高周波磁界を測定したときの、搬送波信号の周波数と、探針の振動振幅値およびＱ値との関係を示すグラフである。
【図９】図５に示す測定装置により高周波磁界を測定したときの、搬送波信号の周波数が１００ＭＨｚおよび２ＧＨｚの場合の、ＣＰＷに対する探針の位置と、探針の振動振幅値との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態の高周波電磁界測定装置に関し、図５（ａ）を改良した高周波磁界の測定装置の全体構成を示す斜視図である。
【図１１】図１０に示す測定装置および図５（ａ）に示す測定装置により高周波磁界を測定したときの、搬送波信号の周波数が２ＧＨｚの場合の、ＣＰＷに対する探針の位置と、探針の振動振幅値との関係を示すグラフである。
【図１２】図１０に示す測定装置により、Ｎｉ−Ｆｅでコーティングされたカンチレバーおよびコーティングされていないカンチレバーを用いて高周波磁界を測定したときの、搬送波信号の周波数が２ＧＨｚの場合の、ＣＰＷに対する探針の位置と、探針の振動振幅値との関係を示すグラフである。
【図１３】図１０に示す測定装置により高周波磁界を測定したときの、搬送波信号の周波数が１．１ＧＨｚの場合の、ＣＰＷに対する探針の位置と、磁界（Ｈｚ）×磁界勾配（ｄＨｚ／ｄｚ）との関係を示すグラフである。
【図１４】図１に示す高周波電磁界測定装置を用いて、場のうなり方式により高周波磁界を測定したときの、（ａ）搬送波信号がない場合、（ｂ）搬送波信号の振幅が９ｄＢｍ、（ｃ）搬送波信号の振幅が１２ｄＢｍ、（ｄ）搬送波信号の振幅が１５ｄＢｍ、（ｅ）搬送波信号の振幅が１８ｄＢｍ、（ｆ）搬送波信号の振幅が２１ｄＢｍの場合の、探針の振動振幅（上段）および位相（下段）の測定結果を示すグラフである。
【図１５】図１に示す高周波電磁界測定装置を用いて、場のうなり方式により高周波磁界を測定したときの、搬送波信号の振幅に対する探針の振動振幅のピーク値の変化を示すグラフである。
【図１６】図１に示す高周波電磁界測定装置を用いて、場のうなり方式により高周波磁界を測定したときの、参照波信号の周波数と探針の振動振幅のピーク値との関係を示すグラフである。
【図１７】（ａ）図１に示す本発明の実施の形態の高周波電磁界測定装置、（ｂ）図３に示す本発明の実施の形態の高周波電磁界測定装置、（ｃ）図５（ａ）に示す、場のうなり方式による高周波磁界の測定装置、（ｄ）図１０に示す、図５（ａ）を改良した高周波磁界の測定装置の測定原理図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図１６は、本発明の実施の形態の高周波電磁界測定装置を示している。
図１に示すように、高周波電磁界測定装置１０は、高周波信号を入力された測定対象物１が発する高周波磁界を測定するための高周波電磁界測定装置１０であって、磁気力顕微鏡１１と電流線１２と搬送波導入手段１３と参照波導入手段１４とコンピュータ１５とを有している。
【００２３】
なお、測定対象物１としては、例えば、トランジスタやダイオード等の能動素子、コンデンサやインダクタ等の受動素子、電源回路、ＬＳＩチップ、高周波伝送線路などである。
【００２４】
磁気力顕微鏡１１（ＭＦＭ）は、磁気力センサ２１と載置台２２と変位測定手段２３と走査手段２４とを有している。磁気力センサ２１は、梁２１ａの先端に探針２１ｂが設けられた、絶縁体のカンチレバー（Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）から成っている。磁気力センサ２１は、探針２１ｂの表面および、梁２１ａの探針２１ｂとは反対側の面に磁性体膜が形成されている。磁気力センサ２１は、磁気的作用による振動を利用して磁界を検出可能に構成されている。なお、磁気力センサ２１は、特に、透磁率の高い軟磁気特性を有するもの、または、保磁力が５０〜１００  Ｏｅ程度で、透磁率を有するものから成ることが好ましい。
【００２５】
載置台２２は、ステッピングモータ駆動ステージから成り、測定対象物１を載置可能に設けられている。載置台２２は、測定対象物１を載せた状態で、高さを調節可能に構成されている。変位測定手段２３は、レーザー２３ａと光位置センサ（ＰＳＤ）２３ｂと検出回路２３ｃとを有している。変位測定手段２３は、レーザー２３ａからの光を磁気力センサ２１に当て、その反射光を光位置センサ２３ｂで受けて、その信号を検出回路２３ｃに送ることにより、磁気力センサ２１の振動による変位を測定可能になっている。
【００２６】
走査手段２４は、ピエゾ素子駆動型ステージから成り、磁気力センサ２１が取り付けられている。走査手段２４は、測定対象物１に対して磁気力センサ２１を水平面内で移動可能に構成されている。
電流線１２は、１回巻きまたは２回巻きの円形状または半円形状のコイル（Ｃｏｉｌ）から成り、測定対象物１に近接して配置されている。
【００２７】
図１および図２に示すように、搬送波導入手段１３は、高周波の搬送波信号を発信するシグナルジェネレータ（ＳＧ）２５と、発信された搬送波信号を２つに分けるスプリッタ（Ｐｏｗｅｒ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）２６とを有している。搬送波導入手段１３は、スプリッタ２６により分けられた一方の信号を測定対象物（ＤＵＴ）１に入力するとともに、他方の信号を位相調整器２７およびバイパスコンデンサ２８を介して磁気力センサ２１に入力するよう構成されている。これにより、高周波電磁界測定装置１０は、測定対象物１に搬送波信号を入力するときの電位と、磁気力センサ２１の電位とが等しくなるよう構成されている。
【００２８】
図１および図２に示すように、参照波導入手段１４は、高周波の搬送波信号を発信するシグナルジェネレータ２９を有し、電流線１２に高周波の参照波信号を入力可能に構成されている。また、参照波導入手段１４は、入力する参照波信号の周波数を変更可能に構成されている。
【００２９】
図１に示すように、コンピュータ１５は、ロックインアンプ３０を介して変位測定手段２３の検出回路２３ｃに接続され、ロックインアンプ３０および周波数ミキサ３１を介して搬送波導入手段１３と参照波導入手段１４とに接続されている。これにより、高周波電磁界測定装置１０は、搬送波導入手段１３からの搬送波信号と参照波導入手段１４からの参照波信号とを周波数ミキサ３１で混合して参照信号を発生させ、ロックインアンプ３０で検出回路２３ｃからの変位データと同期させてコンピュータ１５に送り、高感度の測定を行うようになっている。
【００３０】
また、コンピュータ１５は、解析手段（図示せず）と制御手段（図示せず）とを有し、それぞれコントローラ３２，３３を介して載置台２２と走査手段２４とに接続されている。解析手段は、参照波導入手段１４により周波数を変更しながら参照波信号を入力したとき、変位測定手段２３により測定された磁気力センサ２１の振動による変位から、磁気力センサ２１が共振周波数で振動したときの振幅を求めるとともに、そのときの参照波導入手段１４による参照波信号の周波数を求めるようになっている。また、求められた磁気力センサ２１の振幅と参照波信号の周波数とに基づいて、搬送波信号の入力により測定対象物１が発する高周波信号の振幅と周波数とを算出するようになっている。制御手段は、載置台２２の高さを調整して、測定対象物１と探針２１ｂとの間隔を制御するとともに、走査手段２４を水平移動させて、測定対象物１の水平面内での測定位置を制御するようになっている。
【００３１】
次に、作用について説明する。
高周波電磁界測定装置１０の測定原理を、図１７（ａ）に示す。高周波電磁界測定装置１０は、以下のようにして、高周波信号を入力された測定対象物（ＤＵＴ）１が発する高周波磁界を測定することができる。すなわち、搬送波導入手段１３により測定対象物１に高周波の搬送波信号を入力して、一定の強度および周波数を有する高周波磁界（Ｈ）を発生させる。また、参照波導入手段１４により、測定対象物１に近接して配置された電流線１２に高周波の参照波信号を入力して、一定の強度および周波数を有する高周波磁界（Ｈ）を発生させる。このとき、参照波導入手段１４で参照波信号の周波数を変更して、測定対象物１が発生する高周波磁界の周波数と、電流線１２が発生する高周波磁界の周波数とが僅かにずれるようにすることにより、各高周波磁界を含む磁界のうなり（ビート信号）を発生させることができる。このビート信号の周波数を、カンチレバーから成る磁気力センサ２１の共振周波数に近づけることにより、高周波磁界の測定を行うことができる。
【００３２】
このとき、変位測定手段２３により、磁気力センサ２１が高周波磁界から受ける変位が測定されるため、その測定データに基づいて、解析手段により、（１）式を利用して、高周波信号を入力された測定対象物１が発する高周波磁界を定量的に求めることができる。
【００３３】
また、高周波電磁界測定装置１０では、搬送波導入手段１３から測定対象物１に搬送波信号を入力するときの電位と、磁気力センサ２１の電位とが等しくなるよう構成されており、さらに、位相調整器２７およびバイパスコンデンサ２８により、それらの電位の位相および振幅が揃っているため、高周波信号の入力により高周波磁界と共に発生する高周波電界から磁気力センサ２１が受ける力を抑制することができる。これにより、高周波磁界による影響と高周波電界による影響とを分離することができ、高精度で高周波磁界を測定することができる。また、電流線１２のコイルが主に高周波磁界を発生し、磁気力センサ２１である絶縁体のカンチレバーの梁２１ａが高周波電界の影響を受けないため、高周波磁界をさらに高精度で測定することができる。
【００３４】
高周波電磁界測定装置１０は、走査手段２４で走査しながら測定を行うことにより、回路などの測定対象物１上で発生する高周波磁界の２次元分布を得ることができる。これにより、測定対象物１上の電磁ノイズの発生源や伝搬経路、混入先などを特定することができ、ＥＭＩ問題の解決に寄与することができる。
【００３５】
なお、図１に示すように、高周波電磁界測定装置１０は、電流線１２に直流磁界を発生させるための直流電源４１と、電流線１２に交番磁界を印加するための交流電源４２とを有していてもよい。この場合、交流電源４２で電流線１２を高周波磁界源にすることにより、磁気力センサ２１の磁性体膜の磁性材料の磁化を交流消磁することができる。また、直流電源４１で電流線１２を直流磁界発生源にすることにより、磁気力センサ２１の磁性体膜の磁性材料の磁化を再着磁して飽和させることができる。
【００３６】
また、図３および図４に示すように、電流線１２は、開放型伝送線路（Ｏｐｅｎ  ｔｙｐｅ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｌｉｎｅ）から成っており、磁気力センサ２１のカンチレバーはシリコン製であってもよい。このときの高周波電磁界測定装置１０の測定原理を、図１７（ｂ）に示す。この場合、開放型伝送線路が主に高周波電界（Ｅ）を発生し、シリコン製のカンチレバーが高周波電界の影響を受けやすいため、高周波磁界の影響を相対的に抑えて、高周波電界を高精度で測定することができる。また、（２）式を利用して高周波電界を定量的に求めることができる。図３および図４に示す高周波電磁界測定装置１０は、メモリなどでの高周波電界測定に利用することができる。
【００３７】
さらに、高周波電磁界測定装置１０は、高周波磁界および高周波電界の双方を測定可能に、電流線１２がコイルと開放型伝送線路とを切換可能に構成されていてもよい。また、カンチレバーも、絶縁体から成り、先端の探針２１ｂの表面に磁性体膜が形成されているものと、シリコン製のものとを切換可能に構成されていてもよい。
以下、高周波電磁界測定装置１０の原理について、検証のための実験を行った。
【００３８】
［場のうなり方式による高周波磁界の測定］
場のうなり方式を利用して高周波磁界の測定を行った。測定対象物１として、コプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を作製した。ＣＰＷの作製には、電子線リソグラフィ、ＤＣマグネトロンスパッタおよびリフトオフ法を用いた。作製したＣＰＷは、一端が終端された１ポート型形状であり、その構造はガラス基板（Ｇｌａｓｓ  ｓｕｂ．；厚さ：５５０μｍ、比誘電率εｒ：７．０）上に積層させた、Ｃｒ（５ｎｍ）／Ｃｕ（３００ｎｍ）／Ｃｒ（５ｎｍ）の三層膜である。ＣＰＷの線路長は７８００μｍ、信号線（ＳＬ；Ｓｉｇｎａｌ  Ｌｉｎｅ）の幅は５μｍ、グラウンド線（ＧＬ；Ｇｒｏｕｎｄ  Ｌｉｎｅ）の幅は５０μｍ、信号線とグラウンド線との間のギャップ幅は６μｍである。また、ＣＰＷの特性インピーダンスは、１８９Ωである。なお、図５（ｂ）および（ｃ）に示すように、測定時の位置表示として、ＣＰＷの信号線の中央の、短絡点から約４００〜６００μｍの点を原点としている。
【００３９】
磁気力センサ２１として、Ｎｉ−ＦｅでコーティングされたＭＦＭのカンチレバーを用いた。このカンチレバーの共振周波数は約２８ｋＨｚ、ばね定数は１．３〜１．４Ｎ／ｍ、Ｑ値は８０、探針２１ｂの先端半径は４０〜５０ｎｍである。カンチレバーは、測定前に磁化を垂直方向に固定している。また、測定条件として、探針（ＭＴＭ  ｔｉｐ）２１ｂとＣＰＷとの間の距離（Ｌｉｆｔ  Ｈｅｉｇｈｔ）を５００ｎｍ、搬送波信号を９．１５ｍＡ、１００ＭＨｚおよび２ＧＨｚ、参照波信号を９．１５ｍＡ、１００ＭＨｚおよび２ＧＨｚ、ロックインアンプ３０のバンド幅を８０Ｈｚとした。
【００４０】
測定には、図５（ａ）に示す装置を用いた。図５（ａ）に示す測定装置の測定原理を、図１７（ｃ）に示す。図５（ａ）の装置は、高周波電磁界測定装置１０とは以下の点で異なっている。まず、電流線１２を使用せず、搬送波信号と、搬送波信号の周波数からカンチレバーの共振周波数分だけずらした参照波信号とを、測定対象物（ＤＵＴ）のＣＰＷに同時に入力することにより、ＣＰＷ上で場のうなりによる高周波磁界を発生させている。また、ロックインアンプ３０の参照信号として、ファンクションジェネレータ（ＦＧ）５１からの出力を用いている。なお、ファンクションジェネレータ５１の出力周波数は、カンチレバーの共振周波数を含むよう、数百ｋＨｚ以下とした。
【００４１】
まず、搬送波信号と参照波信号とを、パワーコンバイナ５２を介して合成した後のスペクトルの評価を行った。一例として、搬送波信号の周波数が１００ＭＨｚの場合のスペクトルを、図６に示す。図６に示すように、１００ＭＨｚと１００．０２８ＭＨｚで、狭帯域幅の二つのスペクトルが観測されている。一方、その周波数差にあたる２８ｋＨｚ近傍ではスペクトルは観測されていない。この結果は、搬送波信号の周波数を１０ＭＨｚから１０ＧＨｚまで変えたすべての場合でも同様となっている。したがって、搬送波信号と参照波信号とを、ＣＰＷの線路上に入力して場のうなり成分を発生させても、カンチレバーの共振周波数帯近傍の低周波帯では信号が合成されないことが確認された。また、これらのスペクトルの線幅は、カンチレバーの共振周波数帯域に比べて十分に狭いことも確認された。
【００４２】
次に、このうなり成分による高周波磁界の測定を行った。一例として、搬送波信号の周波数が１００ＭＨｚの場合の、探針２１ｂの振動振幅値の測定結果を、図７（ａ）に示す。探針２１ｂの測定位置は、ＣＰＷの信号線とグラウンド線との間のギャップの中央である。図７（ａ）に示すように、カンチレバーの共振周波数にあたる２８ｋＨｚ近傍で、探針２１ｂの振動振幅値が最大となっているのが確認された。この結果から、２つの高周波信号による場のうなりを、ＭＦＭの探針２１ｂで検出可能であるといえる。
【００４３】
また、搬送波信号の周波数が１００ＭＨｚおよび２ＧＨｚの場合に、カンチレバーの共振周波数にあたる２８ｋＨｚ近傍での探針２１ｂの振動振幅値と、搬送波信号の電流値との関係を調べ、その結果を図７（ｂ）に示す。探針２１ｂの測定位置は、ＣＰＷの信号線とグラウンド線との間のギャップの中央である。図７（ｂ）に示すように、搬送波信号の電流値を上昇させると、カンチレバーの共振周波数近傍における振動振幅値は線型的に増加していることが確認された。これは、ＣＰＷ上で発生する磁界のうなりによる波形の振幅強度が、搬送波信号の電流の増加にともない増加し、ＭＦＭ探針２１ｂがそのうなりにより形成される高周波信号の包絡線に追従していることによるものと考えられる。
【００４４】
次に、搬送波信号の周波数を変化させながら、場のうなりによる高周波磁界の測定を行った。このときの、搬送波信号の周波数と、探針２１ｂの振動振幅値およびＱ値との関係を、図８に示す。探針２１ｂの測定位置は、ＣＰＷの信号線とグラウンド線との間のギャップの中央である。図８に示すように、振動振幅値は、２ＧＨｚ付近までほぼ一定で、０．６０〜０．７５ｎｍとなっている。また、２ＧＨｚ以上では、０．０８ｎｍ近くまで急減し、その後、対数関数的に減少しているのが確認された。また、Ｑ値は、周波数帯域に関係なくほぼ一定であり、その値はおよそ３５０であることが確認された。
【００４５】
次に、搬送波信号の周波数が１００ＭＨｚおよび２ＧＨｚの場合に、探針２１ｂをＣＰＷの断面方向に移動させながら、場のうなりによる高周波磁界の測定を行った。このときの、探針２１ｂの位置と、探針２１ｂの振動振幅値との関係を、図９に示す。図９に示すように、探針２１ｂの振動振幅値が、ＣＰＷの信号線およびグラウンド線とカンチレバーとが重なる検出面積（Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  Ａｒｅａ）の減少とともに、減少していることが確認された。このことから，カンチレバーは、高周波磁界だけでなく、高周波電界をも検出していることが示唆される。
【００４６】
［場のうなり方式での磁界と電界の分離］
図５（ａ）に示す装置を改良して、場のうなり方式での高周波磁界と高周波電界の分離を試みた。測定対象物１として、図５に示すＣＰＷを使用した。また、磁気力センサ２１として、図５（ａ）と同じＮｉ−Ｆｅでコーティングされたカンチレバーを用いた。測定に用いた装置を図１０に示す。また、この測定装置の測定原理を、図１７（ｄ）に示す。図１０の装置は、図５（ａ）の装置と異なり、スプリッタ２６、位相調整器２７およびバイパスコンデンサ２８により、ＣＰＷに搬送波信号を入力するときの電位と、カンチレバーの電位とが等しくなるよう構成されている。これにより、高周波電磁界測定装置１０により近い構成になっている。
【００４７】
図１０に示す装置を用いて、搬送波信号の周波数が２ＧＨｚの場合に、探針２１ｂをＣＰＷの断面方向に移動させながら、場のうなりによる高周波磁界の測定を行った。このときの、探針２１ｂの位置と、探針２１ｂの振動振幅値との関係を、図１１に示す（図中の「改良後」；黒丸）。また、比較のため、図５（ａ）の装置で測定した、図９の２ＧＨｚの場合の結果も示す（図中の「改良前」；白丸）。図１１に示すように、図１０に示す装置の結果では、探針２１ｂの振動振幅値と、ＣＰＷの信号線およびグラウンド線とカンチレバーとが重なる検出面積との相関が認められない。このことから、ＣＰＷに搬送波信号を入力するときの電位と、カンチレバーの電位とが等しくなるよう構成することにより、高周波電界による影響を抑制することができると考えられる。
【００４８】
次に、コーティングされていないカンチレバーを用いて同様の測定を行い、その結果を図１２に示す（図中の「Ｎｏｎ  ｃｏａｔｅｄ」）。比較のために、図１１のＮｉ−Ｆｅでコーティングされたカンチレバーの結果も示す（図中の「Ｎｉ−Ｆｅ」）。図１２に示すように、磁性コートされていないカンチレバーでは、探針２１ｂの振動振幅値がほぼ一定であることが確認された。磁性コートされていないカンチレバーは、高周波磁界の影響を受けないと考えられるため、図１２に示す結果からも、図１０に示す装置により、高周波電界の影響を抑制できているといえる。
【００４９】
次に、図１０に示す装置を用いて、搬送波信号の周波数が１．１ＧＨｚの場合に、探針２１ｂをＣＰＷの断面方向に移動させながら、場のうなりによる高周波磁界の測定を行った。その測定結果から、（１）式を用いて磁界（Ｈｚ）×磁界勾配（ｄＨｚ／ｄｚ）を求め、求めた値と探針２１ｂの位置との関係を、図１３に示す。なお、磁気力センサ２１は、Ｎｉ−Ｆｅでコーティングされたカンチレバーである。図１３に示すように、磁界×磁界勾配の値は、ＣＰＷのグラウンド線や信号線とギャップとの境界付近で、極大値や極小値を示すことが確認された。このことから、図１０に示す装置により、高周波磁界の勾配を検出できたと考えられる。
【００５０】
このように、ＣＰＷに搬送波信号を入力するときの電位と、カンチレバーの電位とが等しくなるよう構成することにより、高周波磁界を検出することができるといえる。このため、同様の構成を有する高周波電磁界測定装置１０においても、高周波磁界による影響と高周波電界による影響とを分離して、高周波磁界のみを検出可能であると考えられる。
【実施例１】
【００５１】
高周波電磁界測定装置１０を用いて、場のうなり方式による高周波磁界の測定を行った。測定対象物１として、図５に示すＣＰＷを使用した。また、磁気力センサ２１として、探針２１ｂの表面および、梁２１ａの探針２１ｂとは反対側の面にＮｉ−Ｆｅコーティングが施された、ＭＦＭのカンチレバーを用いた。電流線１２のコイルに流す参照波信号の周波数を１０００ＭＨｚ、振幅を１２ｄＢｍとし、測定対象物１のＣＰＷに流す搬送波信号の周波数を１０００．０２７９７ＭＨｚ、振幅を９、１２、１５、１８、２１ｄＢｍとして、場のうなりによる高周波磁界を発生させ、探針２１ｂの振動振幅および位相の測定を行った。【００５２】
これらの測定結果を、搬送波信号がない場合の結果と合わせて、図１４に示す。図１４（ａ）が、搬送波信号がない場合、図１４（ｂ）〜（ｆ）が、それぞれ搬送波信号の振幅が９、１２、１５、１８、２１ｄＢｍの場合の測定結果である。また、図１４（ａ）〜（ｆ）の上段のグラフが探針の振動振幅、下段のグラフが位相の測定結果である。また、搬送波信号の振幅に対する探針２１ｂの振動振幅のピーク値の変化を、図１５に示す。図１４に示すように、場のうなり方式により、カンチレバーの共振周波数近傍の２７．７ｋＨｚで、探針２１ｂの振動振幅が最大となっているのが確認された。また、図１５に示すように、搬送波信号の振幅を上昇させると、カンチレバーの共振周波数近傍における振動振幅がほぼ線型的に増加することも確認された。【００５３】
次に、参照波信号の振幅を１８ｄＢｍ、搬送波信号の振幅を１２ｄＢｍとし、参照波信号および搬送波信号の周波数を変化させて、場のうなり方式による高周波磁界の測定を行った。このときの参照波信号の周波数と探針２１ｂの振動振幅のピーク値との関係を、図１６に示す。図１６に示すように、高周波電磁界測定装置１０を用いて、場のうなり方式による高周波磁界が測定できることが確認された。なお、図１６では、参照波信号の周波数が１〜１．３ＧＨｚのとき、探針２１ｂの振動振幅が大きくなっているが、これは測定系の高周波特性に依存するものであり、高周波ケーブルやコネクタ等を改良することにより、その高周波特性を改善することができる。【００５４】
このように、高周波電磁界測定装置１０により、高周波磁界を検出できることが確認された。また、高周波電磁界測定装置１０では、ＣＰＷに搬送波信号を入力するときの電位と、カンチレバーの電位とが等しくなるよう構成されているため、高周波電界による影響が抑制されて、高周波磁界のみを検出しているものと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明に係る高周波電磁界測定装置は、高周波磁気力顕微鏡や、高周波電磁ノイズ計測器、スピン素子計測装置として利用可能である。高周波磁気力顕微鏡として利用する場合、測定可能な周波数帯域を少なくとも６〜７ＧＨｚ、最大で１０ＧＨｚの高周波まで拡げることができる。また、高周波電磁ノイズ計測器として利用する場合、１μｍ以下まで空間分解能を高めることができ、ＬＳＩチップ上の電磁ノイズも計測可能である。また、スピン素子計測装置として利用する場合、微小磁性体の挙動を直接観測することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１  測定対象物
１０  高周波電磁界測定装置
１１  磁気力顕微鏡
２１  磁気力センサ
２１ａ  梁
２１ｂ  探針
２２  載置台
２３  変位測定手段
２３ａ  レーザー
２３ｂ  光位置センサ
２３ｃ  検出回路
２４  走査手段
１２  電流線
１３  搬送波導入手段
２５  シグナルジェネレータ
２６  スプリッタ
２７  位相調整器
２８  バイパスコンデンサ
１４  参照波導入手段
２９  シグナルジェネレータ
１５  コンピュータ
３０  ロックインアンプ
３１  周波数ミキサ
３２、３３  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１７】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【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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【国際調査報告】
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2014147866.tif 000023
2014147866.tif 000024
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