(57)【要約】【課題】高周波の磁界検出を、サブミクロンの空間分解能で行うことができる、高周波磁界検出装置を提供する。【解決手段】高周波電磁界検出装置１は、磁気力顕微鏡２と、測定対象物４と磁気力顕微鏡の探針４の双方に、直流磁場を印加する場合と印加しない場合とを切り替え可能な直流磁場印加手段５と、変調波信号と搬送波用高周波信号とを重畳し、振幅変調波６Ａを発生する発振器６と、振幅変調波６Ａを分割し、かつ、測定対象物４へのインピーダンスと、探針２４へのインピーダンスとの整合を行う整合回路９と、を備え、測定対象物４及び探針２４に、整合回路で分割された振幅変調波６Ａが印加される。測定対象物４が発生する高周波の磁界分布は例えば光てこ法を用いて測定され、サブミクロンの空間分解能で磁界の２次元分布を測定することができる。【選択図】図１
2013213707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気力顕微鏡と、
測定対象物と上記磁気力顕微鏡の探針の双方に、直流磁場を印加する場合と印加しない場合とを切り替え可能な直流磁場印加手段と、
変調波信号と搬送波用高周波信号とを重畳し、振幅変調波を発生する発振器と、
上記振幅変調波を分割し、かつ、上記測定対象物へのインピーダンスと上記探針へのインピーダンスとの整合を行う整合回路と、
を備え、
上記測定対象物及び上記探針に、上記整合回路で分割された上記振幅変調波が印加されることを特徴とする、高周波電磁界検出装置。
【請求項２】
前記磁気力顕微鏡は、前記測定対象物を載せるステージと、該ステージの位置を制御するステージ制御部と、前記探針と、前記探針の位置変化を検出する検出部と、前記探針を前記測定対象物表面に近接して走査するための探針制御部と、を含み、前記探針と前記測定対象物との相対位置と、前記探針が電界または磁界もしくはその双方による力を受けて変位する変位量とを関係付け、前記探針の位置変位量の一次元又は二次元の走査情報を得る手段とを有することを特徴とする、請求項１に記載の高周波電磁界検出装置。
【請求項３】
測定対象物と探針の双方に、直流磁場を印加しない場合に測定した、探針の位置変位量の一次元もしくは二次元走査情報からなる測定情報（１）と、
測定対象物と探針の双方に、直流磁場を印加した場合に測定した、探針の位置変位量の一次元もしくは二次元走査情報からなる測定情報（２）と、を記録保持し、
上記測定情報（１）から上記測定情報（２）を減算処理して、探針の位置変位量において磁界成分が関与する成分のみの一次元もしくは二次元走査情報を得ることを特徴とする、請求項１又は２に記載の高周波電磁界検出装置。
【請求項４】
前記測定対象物は、トランジスタ、ダイオードなどの能動素子、コンデンサやインダクタ、配線などの受動素子、電源回路、電子回路、集積回路、ＬＳＩチップ、ＶＬＳＩチップあるいはこれらの組み合わせからなることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の高周波磁界検出装置。
【請求項５】
前記探針の表面が、軟質磁性体薄膜もしくは硬質磁性体薄膜もしくは両者の積層膜でコートされていることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の高周波磁界検出装置。
【請求項６】
前記探針の表面が、ＮｉｘＦｅ１００−ｘ（７０＜ｘ＜９０）、ＦｅｘＣｏ１００−ｘ（６５＜ｘ＜８５）、フェライト、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔの何れかで被覆されていることを特徴とする、請求項５に記載の高周波磁界検出装置。
【請求項７】
前記探針と測定対象物との双方に磁界を印加する手段として、直流磁界を印加する手段と交番磁界を印加する手段とを備え、該直流磁界及び交番磁界の各印加手段が交換可能であることを特徴とする、請求項１に記載の高周波磁界検出装置。
【請求項８】
前記インピーダンス整合回路は、分配器と該分配器に接続される所定の長さの線路とコンデンサとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の高周波磁界検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間分解能がサブミクロン以下の高周波磁界検出装置に関し、さらに詳しくは、高周波を印加した測定対象物が発生する高周波磁界の検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報化社会の発展と共にコンピュータ及び情報通信に用いられる大規模集積回路は、絶え間ない微細化と高速化が進んでおり、ＩＣ内部での電磁干渉による誤動作などの性能劣化の問題が深刻となっている。また携帯電話器の高周波集積回路（Radio Frequency Integrated Circuit:ＲＦＩＣ）においてもチップの小型化・高周波化による電磁干渉問題が顕在化している。これらの問題を解決するには、回路上における高周波電磁ノイズの発生源、混入先、伝搬経路を明確にする必要がある。そのためには測定対象物の高周波電磁界の2次元分布を十分な分解能で取得する必要があるが、回路の一層の微細化により、今やサブミクロン以下の空間分解能が求められている。
【０００３】
既存の高周波磁界ノイズ測定法は、コイル型磁気プローブ（空間分解能１０μｍ、周波数帯域：７ＧＨｚ）（非特許文献１）や、磁気光学プローブ（空間分解能１０μｍ、周波数帯域：２．５ＧＨｚ）（非特許文献２）が知られているが、現在求められる集積回路の空間分解能に対してはいずれも不十分であり、新たな方法の開発が求められている。
また磁気力顕微鏡を用いて、高分解能2次元磁場測定を行う手法が開発されている（特許文献１）。しかしながら、この方法は高密度磁気記録媒体の記録情報を見ることに主眼が置かれており、高周波の電磁界観察は行われていない。
【０００４】
これに対して、発明者らは磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）を用いて、高周波を印加したコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）から発生する近傍電磁界を測定することに成功し、様々な改良を加えてきた（非特許文献３〜５）。
しかしながら、これらの方法では十分な分解能でＣＰＷから発生する近傍電磁界を測定することは出来たが、望まれる高周波帯域までの電磁界の測定法としては未だ十分とは言えない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】：特開２００９−０６９１３３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】N. Ando 他、J. Magn., Soc. Jpn., 30,429, (2006)
【非特許文献２】N. Adachi他、IEEE Trans. Magn. 46,6,1986(2010)
【非特許文献３】遠藤恭 他、マグネティクス研究会、MAG-10-207 (2010)
【非特許文献４】遠藤恭 他、J. Appl., Phy., 109, 07D326(2011)
【非特許文献５】遠藤恭 他、Proceedings ECC 2011, 203-206 (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電子機器の発展に伴う集積回路チップ（以下、ＩＣチップと呼ぶ。）等の小型化や動作周波数の高速化に伴う、ＩＣチップ内部の電磁干渉問題を解決するため、ＩＣチップ上の高周波近傍磁界を非接触で測定する方法の開発が望まれる。しかしながら、背景技術で記載したように、空間分解能と高周波特性を同時に満たした先行技術はこれまで存在しない。磁気力顕微鏡に、適切な装置を追加することで、空間分解能と、高周波特性に対する要求を同時に満たす技術が望まれる。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、サブミクロンの空間分解能を持ち、ギガヘルツ帯域の高周波近傍磁界の測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の高周波磁界検出装置は、磁気力顕微鏡と、測定対象物と上記磁気力顕微鏡の探針の双方に、直流磁場を印加する場合と印加しない場合とを切り替え可能な直流磁場印加手段と、変調波信号と搬送波用高周波信号とを重畳し、振幅変調波を発生する発振器と、振幅変調波を分割し、かつ、測定対象物へのインピーダンスと探針へのインピーダンスとの整合を行う整合回路と、を備え、測定対象物及び探針に、整合回路で分割された振幅変調波が印加されることを特徴とする。
【００１０】
上記構成において、磁気力顕微鏡は、好ましくは、測定対象物を載せるステージと、ステージの位置を制御するステージ制御部と、探針と、探針の位置変化を検出する検出部と、探針を測定対象物表面に近接して走査するための探針制御部と、を含み、探針と測定対象物との相対位置と、探針が電界または磁界もしくはその双方による力を受けて変位する変位量とを関係付け、探針の位置変位量の一次元又は二次元の走査情報を得る手段とを有する。
測定対象物と探針の双方に、直流磁場を印加しない場合に測定した、探針の位置変位量の一次元もしくは二次元走査情報からなる測定情報（１）と、測定対象物と探針の双方に、直流磁場を印加した場合に測定した、探針の位置変位量の一次元もしくは二次元走査情報からなる測定情報（２）と、を記録保持し、測定情報（１）から測定情報（２）を減算処理して、探針の位置変位量において磁界成分が関与する成分のみの一次元もしくは二次元走査情報を得てもよい。
測定対象物は、好ましくは、トランジスタ、ダイオードなどの能動素子、コンデンサやインダクタ、配線などの受動素子、電源回路、電子回路、集積回路、ＬＳＩチップ、ＶＬＳＩチップあるいはこれらの組み合わせからなる。
探針は、好ましくは、探針の表面が軟質磁性体薄膜もしくは硬質磁性体薄膜もしくは両者の積層膜でコートされている。
探針と測定対象物との双方に磁界を印加する手段として、直流磁界を印加する手段と交番磁界を印加し、探針を消磁するための手段とを有し、これらの磁界の印加手段を交換可能としてもよい。
インピーダンス整合回路は、好ましくは、分配器と、分配器に接続される所定の長さの線路と、可変容量コンデンサと、を含む。
磁性体薄膜は、ＮｉｘＦｅ１００−ｘ（７０＜ｘ＜９０）、ＦｅｘＣｏ１００−ｘ（６５＜ｘ＜８５）、フェライト、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔの何れかである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の高周波磁界検出装置によれば、携帯電話の高周波集積回路などの微小電子回路に高周波を印加した場合に発生する高周波電磁界を、サブミクロン・レベルの分解能で、かつ非接触な測定をすることが可能となる。本発明の装置構成を既存の磁気力顕微鏡装置に追加することで、電子回路上で発生する電磁界の２次元マップを簡単に得ることができ、回路設計に有用な情報を与えることが出来る。さらに磁界成分のみを分離して２次元マップとすることが出来る。これにより高周波集積回路において、電磁ノイズの発生源、混入先、伝搬経路などを明確化でき、電磁干渉問題の解決に繋げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明における高周波磁界検出装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の高周波磁界検出装置における探針制御部と、ステージ制御部の構成を示すブロック図である。
【図３】測定対象物であるＣＰＷの平面図である。
【図４】測定対象物であるＣＰＷの断面図である。
【図５】整合回路の構成例を示す図である。
【図６】ＣＰＷの導波路方向に対して直角方向に磁気力顕微鏡の探針を走査した場合の振動振幅変化を示す図である。
【図７】実施例１において、磁性材料がＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔの場合の探針の振動振幅の搬送周波数依存性を示す図である。
【図８】実施例２において、磁性材料がＮｉ−Ｆｅの振動振幅の搬送周波数依存性を示す図である。
【図９】本発明の探針のチップ表面にコートした磁性材料が、Ｎｉ−Ｆｅの場合とＦｅ−Ｃｏの場合における振動振幅の探針の共振周波数近傍における周波数依存性を示す図である。
【図１０】従来の高周波近傍電磁界の測定装置の構成を表すブロック図である。
【図１１】比較例において、磁気力顕微鏡用探針をＣＰＷの導波路方向に対して直角方向に走査した場合の振動振幅変化の図６との比較を示す図である。
【図１２】探針のチップ表面にコートした磁性材料がＮｉ−Ｆｅの場合とＦｅ−Ｃｏの場合における振動振幅の探針共振周波数近傍における周波数依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明における高周波磁界検出装置１の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本発明における高周波磁界検出装置１は、磁気力顕微鏡２に、さらに、測定対象物４に直流磁場を印加する直流磁場印加手段５と、変調波信号と搬送波用高周波信号とを重畳し、振幅変調波６Ａを発生する振幅変調波用の発振器６と、発振器６に接続され、発振器６から出力される振幅変調波６Ａを分割し、発振器６から測定対象物４への電気的インピーダンスと発振器６から磁気力顕微鏡の探針２４への電気的インピーダンスとのインピーダンス整合を行う整合回路９と、を備えている。
【００１４】
磁気力顕微鏡２は、電界または磁界もしくはその双方を発生する測定対象物４を載せるステージ２２と、ステージ２２の位置を制御するステージ制御部２２Ａと、測定対象物４が発生する電界または磁界もしくはその双方による力を受けて、位置が変化する磁気力顕微鏡の探針２２と、探針２４を保持するカンチレバー２５と、位置変化を光てこ法などで検出する光位置検出器２９等からなる検出部３０と、磁気力顕微鏡の探針２４を測定対象物４の表面に近接して走査するための探針制御部２５Ａと、探針２４と測定対象物４との相対位置と、探針２４が電界または磁界もしくはその双方による力を受けて変位する変位量とを関係付け、探針２４の位置変位量の一次元又は二次元の走査情報を得る手段と、を含んで構成されている。検出部３０は、光位置検出器２９と検出回路３１とロックインアンプ３３とから構成されている。一次元もしくは二次元の走査情報を得る手段は、後述する制御用コンピュータ３５で得られる。
ここで「光てこ法」とは、磁気力顕微鏡用の探針２４の動きを検出する方法として一般に用いられる手法で、探針が磁気力で動く変位を、磁気力顕微鏡の探針２４に照射したレーザ光の探針による反射光のビーム位置変化として測定する。
【００１５】
カンチレバー２５の振動を検出する方法は光てこ法に限らない。カンチレバー２５の振動を検出する他の方法を以下に示す。
（１）カンチレバー２５にピエゾ抵抗素子を並列に接続し、カンチレバー２５の振動に伴うピエゾ素子の抵抗値の変化で検出する方法。
（２）カンチレバー２５に近接して電極を設け、この電極とカンチレバー２５のとの間に生じる静電容量を利用する方法。これは、カンチレバー２５の振動を静電容量の変化で測定することができる。
（３）ファブリーペロー干渉計を利用する方法。
【００１６】
高周波帯で用いられる電子回路からなる測定対象物４は、微動が可能なステージ２２上に設置されている。例えば磁性膜でコートされた探針２４は測定対象物４に近接して設置され、探針制御部２５Ａによって、測定対象物４上を２次元的に走査する。探針２４を支えるカンチレバー２５に、レーザ装置２７から発するレーザ光２７Ａを照射し、カンチレバー２５からのレーザ反射光２８を光位置検出器２９で読み取り、光てこ信号２９Ａとして検出回路３１で処理し、信号３２としてロックインアンプ３３に送る。この方法は、光てこ法として知られており高感度にカンチレバー２５の振動を読み取ることが出来る。
【００１７】
図１において、直流磁場印加手段５は、例えば磁気力顕微鏡用の探針２４の上部に設置された永久磁石１５から構成されている。永久磁石１５は、高周波電磁界による探針２４の振動変化の空間座標依存性の信号から、高周波電磁界の高周波電界成分と高周波磁界成分とを分離するためのものである。
【００１８】
磁気力顕微鏡用の探針２４の上部に位置する永久磁石１５は、機械的に移動可能な構成となっている。永久磁石１５を探針２４上の近傍に配置することで、直流磁界を探針２４に印加する場合と、永久磁石１５を移動して取り去ることで、探針２４に磁界を印加しない場合との二通りの高周波電磁界測定が可能である。
【００１９】
直流磁界が存在しない場合は、探針２４は、高周波磁界による力ＦＭと高周波電界による力ＦＥの両方の力の影響を受ける。
これに対して、永久磁石１５による直流磁界を探針２４に印加した場合には、高周波電界成分による力ＦＥのみが探針２４に影響を与えることが報告されている（非特許文献３及び５参照）。
従って、探針２の振動変化の空間座標依存性を、直流磁界の有る場合と無い場合のデータを取得し、下記（１）式に従って計算処理を行う。
【式１】
【００２０】
2013213707.tif 000003
【００２１】
式（１）において、Ｄ〔ＦＭ＋ＦＥ〕は、高周波を印加した測定対象物４上を、直流磁界を印加しないで磁気力顕微鏡の探針２４を走査した場合に得られる探針２４の振動変化の空間座標依存性のデータである。Ｄ〔ＦＥ〕は直流磁界を印加した場合のデータである。Ｄ〔ＦＭ〕は、高周波電界の寄与を除いた高周波磁界による走査データとみなすことができ、Ｄ〔ＦＭ〕の値から測定対象物４が発生する高周波磁界の強度分布が得られる。
【００２２】
図１において、直流磁界を印加するための永久磁石１５と、電磁石４６とが記載されている。永久磁石１５と電磁石４６とは機械的又は手動で交換可能な方式となっている。これは探針２４のチップ表面にコートされている磁性材料の消磁や、着磁を行うためのものである。磁性材料は、ＮｉｘＦｅ１００−ｘ（７０＜ｘ＜９０）、ＦｅｘＣｏ１００−ｘ（６５＜ｘ＜８５）、フェライト、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔの何れかとすることができる。ここで、組成ｘは、原子％（ａｔ％）である。消磁に関しては、電磁石４６を用いて直流磁界の向きにプラス方向からマイナス方向に交互に変化させながら、磁界強度を徐々に減衰させてゼロにすることにより行う。着磁に関しては、探針２４の先端の尖った方向に永久磁石１５もしくは電磁石４６の直流磁界により着磁するか、探針２４の先端の尖った方向と垂直な方向に電磁石４６の直流磁界により着磁する。
【００２３】
図２は、本発明の高周波磁界検出装置１における探針制御部２５Ａと、ステージ制御部２２Ａの構成を示すブロック図である。
図２に示すように、測定対象物４は、試料ステージ２２に載せられており、ステージ制御部２４で精密に位置制御がなされる。カンチレバー２５の微細な駆動はピエゾ素子で駆動している。探針制御部２５Ａは、ピエゾ素子２５Ｂとピエゾ素子駆動部２５Ｃとから構成されており、コンピュータ３５により制御される。測定対象物４を移動させるステージ２２は、大きく動かすためのステッピングモータ駆動ステージ１８と、微動のためのピエゾ素子駆動型ステージ１９とを併用する。カンチレバー２５と測定対象物４との位置関係は制御用コンピュータ３５で対応づけられ、電磁界場による探針２４の振動変化の２次元マップが得られる。
【００２４】
図１を用いて、振幅変調波６Ａ（ＡＭ波）を発生する手段となる発振器６について説明する。振幅変調波６Ａは、例えば、搬送波用となる高周波信号の増幅器及びＡＭ変調器で発生される。振幅変調波６Ａの一例としては、シグナルジェネレータ７から出力した搬送波用高周波信号７Ａとファンクションジェネレータ８から出力した変調波用低周波信号８Ａとを重ね合わせて振幅変調波６Ａとすることができる。この振幅変調波６Ａは、整合回路９に入力されて、さらに、２つの信号６Ｂ，６Ｃに分割される。一方を測定対象物４に送る振幅変調波６Ｂ、他方を探針２４に送る振幅変調波６Ｃとする。
【００２５】
測定対象物４は、高周波で動作するトランジスタ、ダイオードなどの電気素子や半導体レーザなど能動素子、コンデンサ、インダクタ、配線、線路、同軸ケーブル等の各種の受動素子、電源回路、集積回路や、これらの組み合わせなど、高周波で動作させるときに高周波電磁界を発生するものすべてが対象となるが、ここでは図３に示すコプレーナウェーブガイド（以下、ＣＰＷと呼ぶ。）を用いた。ただし、ストリップ回路、マイクロストリップ回路等の各種など高周波〜マイクロ波又はミリ波等で動作させるものであれば、ＣＰＷ４に限らないことは言うまでも無い。
【００２６】
図３は、測定対象物４であるＣＰＷの平面図である。図中で、白く見えるパターンは電極で、暗く見える部分は、金属を除去してあり基板が露出している。信号線４Ａは、２本の幅広いグランド線４Ｂに挟まれた細いラインパターンである。
【００２７】
図４は、測定対象物４であるＣＰＷの断面図である。図４に示すように、ガラス基板４Ｃ上の金属電極は、両側の２本がグランド線４Ｂで、それらに挟まれた電極が信号線４Ａである。作製プロセスの詳細は実施例で述べる。
【００２８】
（整合回路）
本発明の特徴である整合回路９について説明する。
測定対象物４のＣＰＷに与える高周波の振幅変調波６Ｂの位相と、磁気力顕微鏡の探針２４に与える高周波の振幅変調波６Ｃの位相とを高精度で一致させることが、より高周波領域での高感度高周波磁界検出において極めて重要である。この知見は発明者等の高周波磁界検出の研究過程においてはじめて知りえた重要技術であり、両者の位相を高精度で一致させる手段に本発明の重要性がある。
【００２９】
図５は、整合回路９の構成例を示す図である。
図５に示す整合回路９は、測定対象物４のＣＰＷに与える高周波の振幅変調波６Ｂの位相と、磁気力顕微鏡用の探針２４に与える高周波振幅変調波６Ｃの位相とを高精度で一致させるために設けている。図中の発振器６は、図１におけるシグナルジェネレータ８とファンクションジェネレータ７とからなる振幅変調波６Ａを発生する。
図５に示す整合回路９は、分配器７２と、分配器７２に接続される所定の長さの線路と、コンデンサ６８と、を含んで構成されている。振幅変調波６Ａは、発振器６から高周波用ケーブルで測定系まで導かれた後に、分配器７２で分配され、さらに測定対象物４までの高周波用ケーブルと、探針２４側の高周波用ケーブルとを調整することで両者に印加される電気信号の位相差を無くしている。さらに、探針２４には、片方を接地した可変容量コンデンサ６５及び抵抗６６を介して振幅変調波６Ｃが印加される。
【００３０】
具体的には、発振器６から出力した振幅変調波６Ａは、両端がＫコネクタの高周波ケーブル（東京特殊電線製）６１を介して高周波用一対一分配器７２に導かれ、二分割される。以下の高周波ケーブルは全てこの両端がＫコネクタのケーブルを指す。高周波出力６Ａの一方６Ｃは、探針２４側の高周波ケーブル６２に導かれ、測定対象物４側への高周波出力６Ｂは、高周波ケーブル６３に導かれる。このときケーブル６２とケーブル６３のケーブル長は等しい長さとし、位相差が生じないようにすることが重要である。
【００３１】
さらに磁気力顕微鏡の探針２４側のインピーダンスと、測定対象物４のＣＰＷ４側のインピーダンスとを一致させる必要がある。図５において、インダクタ６７と、コンデンサ６８は、測定対象物４のＣＰＷを等価回路的に表したものであり、探針２４側の可変コンデンサ６５、ケーブル６４、抵抗６６は、カンチレバー２５を含めた探針２４側のインピーダンスを測定対象物４側のインピーダンスと一致させるためのものである。抵抗６６の値は、５０Ωであり、ケーブルの特性インピーダンスである。
【００３２】
ここで注意すべきことは、両者の位相差を無くすため、ケーブル６４の長さは出来る限り短くすることが要求される。装置構成上の制約から、やむをえない場合でも２００ｍｍ以下とすることが望ましい。実際には、ＣＰＷ４へは、図示しない高周波プローブを介して高周波を印加することが多いと考えられるため、探針２４側の高周波ケーブル６４の長さは、高周波ケーブル６４と測定対象物４との接続に使用される図示しない高周波プローブによって生ずる位相差も考慮することが望ましい。
図５に示した整合回路９は一例であり、各種の位相整合回路を使用でき、分配器７２から分かれてカンチレバー２５までの高周波ケーブルの長さを可変させることにより、位相の合わせ込みができる。使用したケーブルは、所謂同軸ケーブルであるが、ストリップ線路等を用いて整合回路９を作製してもよい。
【００３３】
以上、説明を行った本発明の高周波磁界検出装置１の特徴は、市販されている磁気力顕微鏡装置２に、本発明の装置構成を付加することにより、従来の磁気力顕微鏡装置２ではなしえなかった高周波磁界検出が可能となることである。このことにより高周波集積回路において、電磁ノイズの発生源、混入先、伝搬経路などを明確化でき、電磁干渉問題の解決に繋げることができる。
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
【００３４】
以下の実施例において、発明の実施の形態で述べた計測装置として使用した機器は、下記の通りである。
シグナルジェネレータ７：Agilent社製、E-8267D
ファンクションジェネレータ８：Agilent社製、33250A
分配器７２：Agilent社製、11667B
高周波ケーブル６１、６２、６３、６４：東京特殊電線製、TCF358KK1300及びKK1500
可変コンデンサ６５：容量：１０００ｐＦ〜０．１μＦ
ロックインアンプ３３：ＮＦ回路設計ブロック社製、LI-575
レーザ装置２７：エーエルティー製、ALT-9A90、赤色レーザダイオード、６３２ｎｍ
光位置検出装置２９：浜松ホトニクス製、s3932
【実施例１】
【００３５】
（ＣＰＷの作製）
比誘電率が７．０で厚さが５５０μｍのガラス基板上に、電子線レジストを塗布し、電子線描画法でレジストパターンを形成した後に、直流マグネトロンスパッタ法で、クロム、銅、クロムをそれぞれ５ｎｍ、３００ｎｍ、５ｎｍの厚さに積層し、リフトオフ法でＣＰＷ４の電極パターンを形成した。得られた測定対象物４の寸法は、図３の平面図及び図４の断面図に記載したように、信号線４Ａの幅は５μｍ、グランド線４Ｂの幅は５０μｍ、信号線４Ａとグランド線４Ｂの間隔は６μｍである。ＣＰＷ４において線路の終端は短絡してある。
【００３６】
（探針の作製）
磁気力顕微鏡用の探針２４は、シリコン結晶を半導体微細加工技術を用いてエッチングし、カンチレバー２５の先に探針２４を付けて一体となるように成形した。形状は片持ち梁でその先端の尖った円錐形状の半径は５０〜６０ｎｍである。この円錐部分に対して真空スパッタ装置を用いて、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ磁性膜を２５ｎｍ程度の厚みとなるようにコーティングした。この製膜プロセスは、真空スパッタ装置を用いて作製しても同様の効果が得られる。得られた磁気力顕微鏡用の探針２４の共振周波数fResは２０〜３０ｋＨｚ、ばね定数ｋは１．３Ｎ／ｍ、大気圧下で測定した共振尖鋭度Ｑ値は８０．８程度であり、磁化の向きは探針２４に垂直方向である。
【００３７】
（ＡＭ変調された高周波近傍電磁界の検出）
ＡＭ変調された高周波を得るために、搬送波信号７Ａをアナログシグナルジェネレータ７で発生させ、変調波信号８Ａをファンクションジェネレータ８から発生させ、搬送波信号７Ａと変調波信号８Ａとを混合し振幅変調波６Ａとした。
次に、振幅変調波６Ａを、高周波ケーブル６１を介して高周波用パワー分配器７２に導き、二分割した。高周波出力６Ａの一方６Ｃは、磁気力顕微鏡の探針２４側の高周波ケーブル６２に導き、測定対象物４側への高周波出力６Ｂは、高周波ケーブル６３から高周波プローブを介してＣＰＷ４に入力した。このときケーブル６２とケーブル６３のケーブル長は等しくし、高周波ケーブル６４の長さは、２０ｃｍとして位相差の発生を最小限に抑えた。
【００３８】
ＣＰＷ４に入力する振幅変調電流ｉＡＭは、下記（２）式で表される。
【式２】
【００３９】
2013213707.tif 000004
ここで、icは搬送信号の振幅電流、fcは搬送信号の周波数、fmは変調信号の周波数、mは変調度である。
【００４０】
高周波近傍電磁界の測定では、fmを磁気力顕微鏡用の探針２４の共振数周波数fRes近傍で周波数掃引した。このiAMでＣＰＷ４を駆動することにより、ＣＰＷ４上で高周波の近傍電磁界が発生する。磁気力顕微鏡の探針２４をＣＰＷ４上の任意の位置でガラス基板４Ｃの表面から一定のリフト高さLoffだけ離して固定した。これをリフト高さとする。この状態でＣＰＷ４上に発生する高周波近傍電磁界と磁気力顕微鏡用の探針２４との間に磁気力が発生し、高周波近傍電磁界によって磁気力顕微鏡用の探針２４が振動し、磁気力顕微鏡用の探針２４の共振数周波数fResで最大となる。
【００４１】
周波数の変化に伴う磁気力顕微鏡の探針２４の振動振幅Ａは、光てこ法によりレーザ装置２７と光位置検出器２９を用いて検出され、検出回路３１とロックインアンプ３３を用いて電圧信号として計測できる。ロックインアンプ３３の計測値は、検出回路３１の出力電圧と探針２４の変位量の関係から、探針２４の振動振幅に換算した。
なお、ロックインアンプ３３の参照信号２６は変調用信号源（ファンクションジェネレータ）８からの出力を用いた。また、本計測を行うに当たり、その測定条件は、icが１２．６〜３１．６ｍＡ、fcが０．１〜２０ＧＨｚ、fmが２０〜３０ｋＨｚとし、ロックインアンプのバンド幅は１Ｈｚである。
【００４２】
変調信号８Ａの周波数を磁気力顕微鏡用の探針２４の共振数周波数fResに固定し、探針制御部２５Ａで探針２４を定められたリフト高さを保ってＣＰＷ４上を走査し、所定の1次元あるいは２次元の探針２４の振動振幅変化を記録した。
【００４３】
図６はＣＰＷ４の導波路方向に対して直角方向に磁気力顕微鏡の探針２４を走査した場合の振動振幅変化を示す図である。図６の横軸は、ＣＰＷ４の信号伝搬方向に垂直な方向の距離（μｍ）、縦軸は探針２４の振動振幅（ｎｍ）である。図６の横軸の下方には、測定したＣＰＷ４の断面図も示している。
図６に示すように、永久磁石１５を探針２４近傍に設置した場合の振動振幅つまり直流磁界ありの振動振幅８０（黒丸印（●））と、永久磁石１５を探針２４から離した場合の振動振幅、つまり直流磁界無しの振動振幅８１（白丸印（○））という２通りの振動振幅変化を測定し、その差分８２（十字印（＋））を計算することで、直流磁界成分による振動振幅変化を求めた。この差分は、直流磁場無しの振幅８１から直流磁場有りの振幅８０を減算したものであり、上記（１）式で求めた測定対象物４、つまりＣＰＷが発生する高周波磁界の強度ＦＭそのものである。この値の分布が測定したＣＰＷ４の高周波磁界の強度分布である。
【００４４】
図６の差分８２は、ＣＰＷ４における高周波磁界分布に特徴的な、信号線４Ａ付近で極小、左右のギャップ（信号線４Ａが無いところ）で極大というＣＰＷ４の高周波磁界分布の特徴を明瞭に示している。ＣＰＷ４の信号線４Ａの近傍における電磁界を測定する際に整合回路９を用いてインピーダンス整合を行った結果、従来と比べ高周波磁界成分を精度よく検出することができた。
【実施例２】
【００４５】
測定対象物１に振幅変調波６Ａを印加して発生する高周波電磁界による探針２４の振動振幅の搬送周波数依存性を調べた。
測定した探針２４は実施例１の探針２４と実施例２の探針２４である。実施例１の探針２４では、上記したようにＣｏ−Ｐｔ−Ｃｒ磁性膜を２５ｎｍ程度の厚みとなるようにコーティングした。
実施例２では、５０ｎｍ厚のＮｉ−Ｆｅ磁性膜を表面にコーティングしたＳｉ探針２４を作製した。
図７は、実施例１の磁性材料がＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔの場合の探針２４の振動振幅の搬送周波数依存性を示す図であり、図８は、実施例２の磁性材料がＮｉ−Ｆｅの振動振幅の搬送周波数依存性を示す図である。
図７及び図８に示すように、実施例１のＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ磁性膜の場合の振動振幅の搬送周波数依存性と、実施例２のＮｉ−Ｆｅ磁性膜の場合の振動振幅の搬送周波数依存性は、特性的にほぼ同等である。ここで示した図７と図８の搬送周波数依存性は、磁性材料の評価のための測定で、整合回路９を使用しないでインピーダンスのマッチングを取らない状態で測定しているため、高い周波数域で感度の低下が生じているが、インピーダンスマッチングを取ることで、より高周波領域で高い感度を示すことはいうまでも無い。
【実施例３】
【００４６】
本実施例では、５０ｎｍ厚のＦｅ−Ｃｏ磁性膜を表面にコーティングしたＳｉ探針２４を作製した。この探針２４を用いて、測定対象物４に振幅変調波６Ａを印加して発生する高周波電磁界による探針２４の振動振幅を、探針２４の共振周波数近傍で周波数を変えて測定した。
図９は、本発明の探針２４のチップ表面にコートした磁性材料が、Ｎｉ−Ｆｅの場合とＦｅ−Ｃｏの場合における振動振幅の探針２４の共振周波数近傍における周波数依存性を示す図である。図９に示すように、Ｆｅ−Ｃｏ磁性膜の振動振幅の周波数依存性は、Ｎｉ−Ｆｅ磁性膜と比較して５−１０倍程度高い感度を示すことが分かった。
【実施例４】
【００４７】
シリコン単結晶を成形した探針２４にコートする磁性材料の、消磁と着磁について説明する。用いた磁性材料は、ＮｉｘＦｅ１００−ｘ（７０＜ｘ＜９０）、ＦｅｘＣｏ１００−ｘ（６５＜ｘ＜８５）、フェライト、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔである。消磁は電磁石を用いて直流磁界の向きにプラス方向からマイナス方向に交互に変化させながら、磁界強度を徐々に減衰させてゼロにすることで行った。
一旦、探針２４の磁性材料を消磁した後に着磁を行った。着磁は探針２４も先端の尖った方向に、永久磁石１５もしくは電磁石４６に直流電流を流して発生させた直流磁界を印加することで行った。
また別の着磁方法として、探針２４の先端の尖った方向と垂直な方向に電磁石４６に直流磁界を発生させ、探針２４の先端に着磁した。
これらの方法により、探針２４の先端の尖った方向に対して垂直に磁界を導入することができるため、本発明の高周波磁界検出装置１によれば、ＣＰＷ４の信号線４Ａの中央付近とグラウンド線４Ｂの中央付近で振動振幅変化を極大とすることが出来る。従ってＣＰＷ４の平面方向の高周波磁界強度分布を測定することが可能となる。
【００４８】
（従来例）
従来例として、本発明の発明者等により報告された高周波近傍電磁界の測定について説明する（非特許文献５参照）。
図１０は、従来例の高周波近傍電磁界の測定装置の構成を表すブロック図である（非特許文献５中の図９参照）。図１０において、振幅変調波６Ａを発生するシグナルジェネレータ７とファンクションジェネレータ８との接続の方法が非特許文献５の９図と若干異なるが、搬送波７Ａと変調波８Ａとを重ねて振幅変調波６Ａを得ることは同じであるため、図１と同様の図としている。
【００４９】
従来例の高周波近傍電磁界の測定装置と、本発明の高周波磁界検出装置１との違いは、振幅変調波６Ａを探針２４と、測定対象物４とに導くための整合回路９である。他の構成に関する違いは無い。
【００５０】
測定対象物４に高周波の振幅変調波６Ａを印加した場合に発生する高周波近傍電磁界を以下の方法で探針２４の振動振幅から求めた。
（振動振幅１）
振幅変調波６Ａを探針２４には印加せず、ＣＰＷ４のみに与えた。これは図１０で、コンデンサ９２を除去した構成である。これを「ＡＭ変調無し」と呼ぶことにする。
図１１は、探針２４をＣＰＷ４の導波路方向に対して直角方向に走査した場合の振動振幅変化である。
【００５１】
（振動振幅２）
これに対して、磁気力顕微鏡用の探針２４に振幅変調波６Ａを印加した場合に、探針２４をＣＰＷ４の導波路方向に対して直角方向に走査した場合の振動振幅変化を、図１２に示す。
図１２は、探針２４のチップ表面にコートした磁性材料がＮｉ−Ｆｅの場合とＦｅ−Ｃｏの場合における振動振幅の探針共振周波数近傍における周波数依存性を示す図である。振動振幅変化の形状は、図１１に示すＡＭ変調無しの場合（図８）と比べて大きく異なっている。
【００５２】
しかしながら、上記の従来例は、どちらの振動振幅（１）、（２）の変化の形状も、実施例１の図６に示す振動振幅変化の形状とは異なっている。つまり、従来例に対して、本発明の高周波磁界検出装置１で整合回路９を使用し、磁気力顕微鏡用の探針２４に測定対象物４と同一の振幅変調波６Ｂ、６Ｃを印加することが極めて重要であることが明らかである。
【００５３】
上記実施例では、測定対象物４としてＣＰＷ４に振幅変調波６Ｂを加えた場合について説明した。測定対象物４が携帯電話用の高周波集積回路など、より複雑な形状を持つ場合についても同様な測定結果が得られることは勿論である。
【００５４】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５５】
１：高周波磁界検出装置
２：磁気力顕微鏡
４：測定対象物（ＣＰＷ）
４Ａ：信号線
４Ｂ：グランド線
４Ｃ:ガラス基板
５：直流磁場印加手段
６：発振器
６Ａ：振幅変調波
６Ｂ：測定対象物に印加させる振幅変調波
６Ｃ：探針に印加させる振幅変調波
７：シグナルジェネレータ
７Ａ：搬送波用高周波信号
８：ファンクションジェネレータ
８Ａ：変調波用低周波信号
９：整合回路
１５：永久磁石
１８：ステッピングモータ駆動ステージ
１９：ピエゾ素子駆動型ステージ
２２：ステージ
２２Ａ：ステージ制御部
２４：磁気力顕微鏡用の探針
２５：カンチレバー
２５Ａ：探針制御部
２６：参照信号
２７：レーザ装置
２７Ａ：レーザ光
２９：光位置検出器
２９Ａ:光てこ信号
３０：検出部
３５：コンピュータ
４６：電磁石
６１、６２、６３、６４：高周波ケーブル
６６：抵抗
６７：インダクタ
６８：コンデンサ
７２：分配器
８０：直流磁界ありの振動振幅
８１：直流磁界無しの振動振幅
８２：差分
９２：コンデンサ
【図５】
2013213707.tif 000005
【図７】
2013213707.tif 000006
【図８】
2013213707.tif 000007
【図１】
2013213707.tif 000008
【図２】
2013213707.tif 000009
【図３】
2013213707.tif 000010
【図４】
2013213707.tif 000011
【図６】
2013213707.tif 000012
【図９】
2013213707.tif 000013
【図１０】
2013213707.tif 000014
【図１１】
2013213707.tif 000015
【図１２】
2013213707.tif 000016