(57)【要約】【課題】強磁場中に設置した微小磁性体により面内均一性を持った大きな磁場勾配を発生させ、ミクロンオーダーの微小領域の核磁気共鳴イメージングが可能である微小磁性体を用いた核磁気共鳴イメージング装置を提供する。【解決手段】28Ｓｉのテラス１上に、29Ｓｉ２をチェーン状に並べ、シリコンが並んだ方向に、１Ｔ／μｍオーダーの磁場勾配をかける。すると、各シリコンの核磁気共鳴周波数には１２ｋＨｚ程度違いが出てくるため、励起周波数を変えることで個々のシリコンのスピン（量子ビット）の操作、読み出しが可能になる。一個のスピンからの信号は微弱であるが、シリコンチェーンを複数製作してこれらに全く同じ磁場勾配をかけ全く同じ操作をすれば、出力信号がアンサンブル平均されることになり検出が可能になる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁場中に設置した微小磁性体により面内均一性を持った大きな磁場勾配を発生させ、ミクロンオーダーの微小領域の核磁気共鳴イメージングを可能にしたことを特徴とする微小磁性体を用いた核磁気共鳴イメージング装置。
【請求項２】
請求項１記載の微小磁性体を用いた核磁気共鳴イメージング装置において、前記微小磁性体の反磁界により前記微小磁性体の上面近傍に面内均一性を持った領域を形成することを特徴とする微小磁性体を用いた核磁気共鳴イメージング装置。
【請求項３】
請求項１記載の微小磁性体を用いた核磁気共鳴イメージング装置において、前記微小磁性体を微細にしてさらにハイアスペクト構造に加工することにより、１Ｔ／μｍオーダーの大きな磁場勾配を発生させることを特徴とする微小磁性体を用いた核磁気共鳴イメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小磁性体を用いた核磁気共鳴イメージング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体量子コンピュータやスピントロニクスデバイスにおいては、個々の量子のスピン状態を操作して読み出すことが必要となる。通常、一個のスピンからの信号は極めて微弱であるため、多数のスピンをアンサンブル平均してＭＲＦＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）などの超高感度検出方式を用いて読み出される。この際に、ある層の量子のスピンのみを選択するための手法として、大きな磁場勾配と面内均一性を持った磁場発生源により各層の核磁気共鳴周波数を変化させる手法がある。これを実現する一つがＮＭＲなどの強磁場内に微小磁性体を設置する手法である（下記の【非特許文献１】、【非特許文献２】参照）。
【０００３】
【非特許文献１】Ｄ．Ｒｕｇａｒ，Ｂ．Ｃ．Ｓｔｉｐｅ，Ｈ．Ｊ．Ｍａｍｉｎ，Ｃ．Ｓ．Ｙａｎｎｏｎｉ，Ｔ．Ｄ．Ｓｔｏｗｅ，Ｋ．Ｙ．Ｙａｓｕｍｕｒａ，Ｔ．Ｗ．Ｋｅｎｎｙ：Ａｄｖａｎｔｕｒｅ  ｉｎ  ａｔｔｏｎｅｗｔｏｎ  ｆｏｒｃｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ  ７２〔Ｓｕｐｐｌ．〕，Ｓ３−Ｓ１０（２００１）．
【非特許文献２】
Ｔ．Ｄ．Ｌａｄｄ，Ｊ．Ｒ．Ｇｏｌｄｍａｎ，Ｆ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ，Ｙ．Ｙａｍａｍｏｔｏ，Ｅ．Ａｂｅ，ａｎｄ  Ｋ．Ｍ．Ｉｔｏｈ：Ａｎ  Ａｌｌ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，８９，０１７９０１（２００２）．
【非特許文献３】
Ｖ．Ｓｔｅｐａｎｋｉｎ：Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｄｙｓｐｒｏｓｉｕｍ  ａｓ  ｕｌｔｉｍａｔｅｓａｔｕｒａｔｉｏｎ  ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｈｅｌｄ  ｐｏｌｅｐｉｅｃｅｓ，Ｐｈｙｓｉｃａ  Ｂ２１１，３４５−３４７（１９９５）．
【非特許文献４】
Ｋ．Ｔｓｕｂａｋｉ：Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｐｈｙｓｉｃａ  Ｂ，３２９−３９６（１９９８）．
【非特許文献５】
Ｉ．Ｎａｋａｔａｎｉ：Ｕｌｔａｍｉｃｒｏ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｎＦｅ−Ｎｉ  ａｌｌｏｙｓ  ｕｓｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍ  ｗｒｉｔｉｎｇ  ａｎｄ  ｒｅａｃｔｉｖｅ−ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．３２，４４４８−４４５１（１９９６）．
【非特許文献６】
Ｔ．Ａｂｅ，Ｙ．Ｇ．Ｈｏｎｇ，Ｋ．Ｓｈｉｎｏｄａ，Ｎ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，Ｔ．Ｙａｎｏ，Ｍ．Ｅｓａｓｈｉ：Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ  ｏｆ  ｎｏｂｌｅ  ｍｅｔａｌ  ａｎｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍｅｔａｌ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ  ｂｙ  ＲＩＥ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  １９th  ｓｅｎｓｏｒ  ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，３３７−３４０（２００２）．
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の技術では、磁場勾配の大きさと面内均一性が不十分であり、良好な核磁気共鳴イメージングを行うには満足のいくものではなかった。
【０００５】
本発明は、上記状況に鑑みて、面内均一性を持った大きな磁場勾配を発生させ、ミクロンオーダーの微小領域の核磁気共鳴イメージングが可能である微小磁性体を用いた核磁気共鳴イメージング装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【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、
〔１〕微小磁性体を用いた核磁気共鳴イメージング装置において、強磁場中に設置した微小磁性体により面内均一性を持った大きな磁場勾配を発生させ、ミクロンオーダーの微小領域の核磁気共鳴イメージングを可能にしたことを特徴とする。
【０００７】
〔２〕上記〔１〕記載の微小磁性体を用いた核磁気共鳴イメージング装置において、前記微小磁性体の反磁界により前記微小磁性体の上面近傍に面内均一性を持った領域を形成することを特徴とする。
【０００８】
〔３〕上記〔１〕記載の微小磁性体を用いた核磁気共鳴イメージング装置において、前記微小磁性体を微細にしてさらにハイアスペクト構造に加工することにより、１Ｔ／μｍオーダーの大きな磁場勾配を発生させることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１０】
本発明では、有限要素法を用いて微小磁性体の寸法と発生磁場の関係を調べ、全シリコン量子コンピュータの検証素子に最適な構造を調べた。その結果、高さ２μｍ、幅１μｍオーダーのストライプ状磁性体により、１．５Ｔ／μｍ程度の磁場勾配と、アンサンブル平均に必要な面内均一性が得られることを明らかにした。
【００１１】
また、本発明では、微小磁性体の位置合わせと製作プロセスに関しても言及する。
【００１２】
次に、量子ビットアクセスについて説明する。
【００１３】
全シリコン量子コンピュータの全体像に関しては、上記
【非特許文献２】を参照するとして、ここでは、本発明に関係のある基本要素について説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施例を示す28Ｓｉテラス上の29Ｓｉシリコンチェーンの模式図である。
【００１５】
天然のシリコンには９９．２％の28Ｓｉと４．７％の29Ｓｉ、３．１％の30Ｓｉが含まれており、そのうち29Ｓｉのみが１／２核スピンを持つ。そこで、図１に示すように、28Ｓｉのテラス１上に、29Ｓｉ２をチェーン状に並べ、シリコンが並んだ方向に、１．５Ｔ／μｍ程度の磁場勾配をかける。すると、各シリコンの核磁気共鳴周波数には１２ｋＨｚ程度違いが出てくるため、励起周波数を変えることで個々のシリコンのスピン（量子ビット）の操作、読み出しが可能になる。
【００１６】
一個のスピンからの信号は微弱であるが、シリコンチェーンを複数製作してこれらに全く同じ磁場勾配をかけ全く同じ操作をすれば、出力信号がアンサンブル平均されることになり検出が可能になる。このため、原子レベルで面内均一性を持った磁場発生源が必要になる。
【００１７】
次に、磁性体の種類について説明する。
【００１８】
本発明で必要となる磁性体としては、ＮＭＲ中の磁束密度５−７Ｔ、温度４Ｋ以下の環境下で、できる限り大きな飽和磁束密度を持ち、かつ薄膜形成と微細加工に適したものが望ましい。強力な磁石材料として良く知られているＮｄＦｅＢ合金やＳｍＣｏはこの環境下ではそれほど大きな飽和磁束密度を持たない。
【００１９】
Ｄ．ＲｕｇａｒのグループはＰｒＦｅＢ単結晶を粉砕した後、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ  ｉｏｎ  ｂｅａｍ）で加工した微小磁性体を用いているが（上記
【非特許文献２】を参照）、現時点ではＰｒＦｅＢ薄膜のスパッタリングに関しては実績が少なく良好な磁気特性を持った薄膜の形成は難しい。このため、本発明ではディスプロジウム（Ｄｙ）とパーマロイ（Ｎｉ−Ｆｅ）に注目をした。
【００２０】
ディスプロジウムは希土類金属であり、常温で常磁性体、４Ｋ以下の低温化で強磁性体となる性質を持ち、最大飽和磁束は３．５Ｔと金属の中では最高に近い値を持つ（上記
【非特許文献３】を参照）。
【００２１】
椿らは、ＥＢ蒸着とリフトオフ法によりディスプロジウム薄膜を作製して大きな磁場勾配が形成できたことを報告している（上記
【非特許文献４】を参照）。
【００２２】
しかしながら、蒸着による膜は多結晶で薄膜に平行に磁化容易軸を持つと考えられ、このような薄膜は一般に最大飽和磁束密度が落ちる傾向にある。さらにリフトオフ法ではミクロンオーダー以下の微細加工を行った場合、側面や上面の形状制御性に問題が残る。
【００２３】
パーマロイは、一般には高透磁率の２０％Ｎｉ−Ｆｅが知られているが、４５％Ｎｉ−Ｆｅは１．４Ｔの最大飽和磁束密度を持ち、薄膜磁気ヘッド用に開発された高品位ターゲットと磁界が印加可能なイオンビームスパッタによる薄膜形成が可能である。
【００２４】
さらに近年、ＮＨ3 ／ＣＯガスやＮＨ3 ／ＣＯ／Ｘｅガスを用いた反応性イオンエッチング法が開発され、微細加工の可能性が広がってきている（上記
【非特許文献５】、
【非特許文献６】を参照）。
【００２５】
そこで、本発明ではディスプロジウムとパーマロイ両方に関して検討を行った。以下のシミュレーションにおいては、将来的にディスプロジウムが微細加工できた場合を想定して最大飽和磁束は３．５Ｔで計算した。パーマロイを用いた場合には最大飽和磁束は約４割の値になる。
【００２６】
次に、微小磁性体の形状と磁場勾配・面内均一性について説明する。
【００２７】
図２は本発明の微小磁性体の外部磁界と反磁界の様子を示す図である。
【００２８】
微小磁性体１１に外部磁界Ｈo を加えると、微小磁性体１１内部には、図２に示すように、反磁界Ｈd が発生して外部磁界Ｈo を打ち消すので、内部の有効磁界ＨはＨo −Ｈd となる。反磁界Ｈd は、微小磁性体の形状や磁気特性によって変化するため解析的に解くことは困難であり、その見積もりには有限要素法が有用である。
【００２９】
そこで、本発明では、Ｉｎｆｏｌｙｔｉｃａ社のＭａｇｎｅｔ  Ｖｅｒ６．１０を用いて微小磁性体の形状とその近傍の磁場勾配を計算した。
【００３０】
はじめに、２次元シミュレーションを用いてストライプ形状の微小磁性体の形状と磁場勾配に関して計算を行った。
【００３１】
図３は微小磁性体の厚さを２μｍとして、幅１μｍの微小磁性体に磁束密度約５Ｔ（テスラ）の外部磁界を加えた時の微小磁性体近傍での磁束密度を表したものである。
【００３２】
微小磁性体内部は３Ｔほど磁束密度が増大しており、微小磁性体外部の上下では磁束の増加が、左右では減少が見られ、磁場勾配が形成されている様子が分かる。
【００３３】
同じシミュレーション結果に対して０．１５Ｔ間隔の等磁束密度線を示しているがのが図４である。
【００３４】
微小磁性体の上下面の近傍で等磁束密度線が密になっており、この付近に大きな磁場勾配が形成されていることが分かる。さらに、微小磁性体の少し上の面で等磁束密度線が磁性体の面に平行になっていることが分かる。これは、この位置で微小磁性体面に平行に面内均一性を持った磁束密度が形成されていることを意味する。
【００３５】
微小磁性体内部では反磁界の影響で中心部分の磁束密度が弱くなり、周辺にいくほど磁束密度は強くなる。一方、微小磁性体外部では図２から分かるように中心部に強い磁界が形成されて大きな磁束密度を発生させようとする。この両者の力がバランスして磁性体の面より離れたある距離で面内均一性を持った磁束が形成される。この面内均一性を持った領域は、磁性体が平らな面を持っていれば、磁性体の寸法によらず必ず存在することがシミュレーションにより確認された。
【００３６】
一般に、現在の大口径シリコンウェハは原子レベルで平滑に研磨されている。そのシリコンウェハの上に29Ｓｉをチェーン状に並べた領域を形成して、上記した面内均一性を持つ距離だけ、28Ｓｉ層をＭＢＥで成長させ、その上に磁性体薄膜イオンビームスパッタなどで磁性体薄膜を形成させれば、磁性体薄膜の端面はシリコン面のレプリカとなるため、原子レベルで平滑になりさらに、全ての29Ｓｉのコピーチェーンに対して原子レベルで面内均一性を持った大きな磁場勾配をかけることが可能になる。
【００３７】
続いて、磁性体の寸法を変化させた際の面内均一性を持つ領域までの距離とその場所における磁場勾配を計算した結果を図５及び図６に示す。
【００３８】
この両者より、磁性体の幅を１μｍオーダーにすれば、量子ビットへのアクセスに必要な１．５Ｔ／μｍ以上の磁場勾配が得られることが予想される。また、幅１ミクロンの時の面内均一性を持った磁束密度領域までの距離は、０．１μｍ程度であり、ＭＢＥで十分制御できる厚さである。
【００３９】
なお、磁性体の幅を小さくしていけばいくほど磁場勾配は大きくなる。このため、幅をサブミクロンオーダにしていけばディスプロジウムよりも最大飽和磁束密度が小さい磁性体を用いても１Ｔ／μｍ以上の磁場勾配が得られることが予想される。
【００４０】
なお、微小磁性体の端の部分では、磁束密度は均一ではない。この領域に関しては磁性体を反応性イオンエッチングなどで形成した後に、ＳＦ6 などの等方性ガスでシリコンを反応性イオンエッチングすればセルフアライメントで不要なシリコン領域を除去して、全てのシリコンチェーンのコピーに均一な磁場勾配をかけることが可能となる。
【００４１】
次に、磁性体コピーによる出力の増大について説明する。
【００４２】
上記したように１μｍの磁性体の下に幅０．７μｍのシリコン同位体をストライプ状に形成すれば、量子ビットアクセスが可能になることを述べたが、これをＮＭＲで検証するためには１０15〜１０16個程度のシリコンスピンをアンサンブル平均する必要がある。
【００４３】
このため、図７に示すように、同じ磁性体構造を複数形成して面積を増やす手法が考えられる。このような構造は半導体微細加工技術を用いて高精度に形成できるため、全シリコン量子コンピュータに有用な構造だと考えられる。なお、図７において、白色の部分に磁性体が残る。
【００４４】
このような構造の場合、単独の磁性体に比べ隣りの磁性体の発生する磁界により磁場勾配が打ち消されることが予想される。そこで、磁性体の幅を１μｍ一定として磁性体の間隔を変化させた場合の磁場勾配を計算した。その結果が図８である。
【００４５】
この図から明らかなように、磁場勾配は単独の場合に、１．９Ｔ／μｍあったものが、１μｍの間隔で１．４Ｔ／μｍ程度に減少している。一方、磁場勾配に磁性体の面積をかけた値は間隔が小さくなるほど増大した。しかしながら、厚さ２μｍ幅１μｍの磁性体を０．５μｍ間隔で形成するのはかなり困難であり、量子ビットアクセスに必要な磁場勾配〜１．５Ｔ／μｍも考慮して間隔１．５μｍ程度で形成するのが適切だと考えられる。
【００４６】
次に、製作プロセスについて説明する。
【００４７】
製作プロセスに関しては現在、試作中のため完全な形ではないが、磁性体材料に関しては４５％パーマロイ（最大飽和磁束密度１．４Ｔ）をイオンビームスパッタによって磁界を膜に垂直にかけながら厚さ２μｍの薄膜を形成する予定である。
【００４８】
エッチング方法は、ＴｉマスクもしくはＴｉ／Ｎｉマスクを用いてＮＨ3 ／ＣＯ／Ｘｅ混合ガスによる反応性エッチングを候補に考えている
【非特許文献６】参照）。ディスプロジウム（最大飽和磁束密度３．５Ｔ）に関してはＥＢ蒸着法により厚さ２μｍの薄膜を形成するようにしている。
【００４９】
上記したように、本発明では全シリコン量子コンピュータ実現と核磁気共鳴イメージングに不可欠な磁場勾配発生源としての微小磁性体とその製作を行うことができる。
【００５０】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明では、強磁場中に設置した微小磁性体により面内均一性を持った大きな磁場勾配を発生させ、ミクロンオーダーの微小領域の核磁気共鳴イメージングが可能であることに着目した。有限要素法を用いて計算した結果、磁性体を微細にしてさらにハイアスペクト構造に加工することで、１Ｔ／μｍオーダーの大きな磁場勾配を発生させることが可能であり、さらに磁性体の反磁界により磁性体の上面近傍に面内均一性を持った領域が形成されることを明らかにした。
【００５２】
これにより、厚さ２μｍで直径１μｍ程度のストライプ状磁性体ならびに直径２−３μｍの円柱状磁性体で核磁気共鳴イメージングに必要な磁場勾配が得られることが分かった。また、磁性体の幅を細くすることでより大きな磁場勾配が得られることが分かった。この核磁気共鳴イメージングは、ＤＮＡ、細胞の構造解析、半導体断面構造の解析、量子コンピュータ実現に不可欠な量子ビットアクセスに適用できる。さらに、磁性体で微小なハイアスペクト構造を製作して強磁場を発生させる本手法は、磁気センサの高感度化、磁気アクチュエータの薄型化にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す28Ｓｉテラス上の29Ｓｉシリコンチェーンの模式図である。
【図２】本発明の微小磁性体の外部磁界と反磁界の様子を示す図である。
【図３】本発明の微小磁性体に外部磁界をかけた時の磁束密度分布を示す図である。
【図４】本発明の微小磁性体の等磁束密度線の様子を示す図である。
【図５】本発明の微小磁性体の幅と面内均一性を持った磁束密度領域までの距離の関係を示す図である。
【図６】本発明の微小磁性体の幅と磁場勾配の関係を示す図である。
【図７】本発明の磁性体構造のレイアウトを示す図である。
【図８】本発明の微小磁性体の磁場勾配と微小磁性体の間隔の関係を示す図である。
【符号の説明】
１    28Ｓｉのテラス
２    29Ｓｉ
１１    微小磁性体
【図１】
2004205394.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004205394.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004205394.tif 000007
【図６】
2004205394.tif 000008
【図７】
2004205394.tif 000009
【図８】
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