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測定により場を取得する装置および方法

国内特許コード P110003612
整理番号 1553
掲載日 2011年6月27日
出願番号 特願2009-509223
登録番号 特許第4878063号
出願日 平成20年3月28日(2008.3.28)
登録日 平成23年12月9日(2011.12.9)
国際出願番号 JP2008056137
国際公開番号 WO2008123432
国際出願日 平成20年3月28日(2008.3.28)
国際公開日 平成20年10月16日(2008.10.16)
優先権データ
  • 特願2007-091856 (2007.3.30) JP
発明者
  • 木村 建次郎
  • 小林 圭
  • 山田 啓文
  • 松重 和美
  • 堀内 喬
  • 佐藤 宣夫
  • 中井 章文
出願人
  • 国立大学法人京都大学
発明の名称 測定により場を取得する装置および方法
発明の概要

磁区を有する試料(9)の上方において、MFMを用いて測定面(91)での磁気力の分布が磁気力画像として取得され、測定面(91)から微小距離dだけ離れた測定面(92)にて測定を行って補助磁気力画像が取得され、これらの差分を微小距離dで除算して磁気力勾配画像が取得される。磁気力画像および補助磁気力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次元場取得式に代入され、磁気力を示す3次元場が高精度に取得される。3次元場の取得により、試料(9)の表面93における磁区の様子も高精度に得ることができる。3次元場取得式を利用する3次元場取得方法は、ラプラス方程式を満たす磁位、電位、温度、重力ポテンシャル等の様々な場に利用することができる。また、3次元場の取得は高次のn次元場の取得に拡張することができる。

従来技術、競合技術の概要


記録媒体である磁性体への磁気記録の高密度化と並行して、磁性体上の磁区の構造を評価する装置の開発が行われており、スピン偏極電子を用いた走査トンネル顕微鏡や走査電子顕微鏡が5nm以下の分解能を持つと期待されている。しかし、これらの装置は極めて清浄な磁性体表面の観察しか行うことができず、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は容易ではない。そこで、磁区構造の評価装置として、絶縁性保護膜上においても磁区構造を観測可能な磁気力顕微鏡(Magnetic Force Microscopy、以下、「MFM」という。)の利用が提案されている。MFMでは磁性体または電流経路を持つカンチレバーの探針が試料からの漏洩磁場により受ける力を検出するが、試料表面と探針間の測定距離が小さすぎると、試料表面と探針との間のファンデルワールス力の影響が大きくなり定量的な磁区構造の観測が困難になるため、一定距離以上、探針を試料表面から離すことが定量的な測定には不可欠となる。その結果、現状では空間分解能は10nm以下に留まっている。



一方、ブラッドレイ・J・ロス(Bradley J. Roth)、外2名、「二次元電流分布を画像化するための磁力計の使用(Using a magnetometer to image a two-dimensional current distribution)」、応用物理学会誌(Journal of Applied Physics)、(米国)、アメリカ物理学会(American Institute of Physics)、1989年1月1日、第65巻、第1号、p.361-372(文献1)では、超伝導磁束量子干渉計を用いて磁束変化を計測する実験において、電流と磁場との関係をビオ・サバールの法則を用いて数式化し、試料表面の上方において測定した磁場から電流密度分布を求めるという手法が提案されている。なお、特開2002-257705号公報(文献2)では、MFMにより薄膜表面および薄膜断面を含めた磁化状態の情報取得の可能性について言及されており、特開2002-366537号公報(文献3)では、ラプラス方程式を満足し、一境界境域で混合境界値を有するポテンシャル問題を解決する際に、ラプラス方程式の近似解に対してディリクレ条件とノイマン条件とを満足するような補正を交互に反復して施す方法が開示されている。



ところで、文献1において提案されている手法では、電流密度分布が試料表面のみに存在することが前提となっており、磁場を解析する一般的な手法として利用することはできない。

産業上の利用分野


本発明は、磁位、電位、温度、重力ポテンシャル等の3次元場、さらには時間等を含めて拡張された高次元の場や2次元の場を測定により取得する技術に関する。

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または内部に形成され、かつ、ラプラス方程式を満たす3次元スカラー場を示す場関数であるφ(x,y,z)(ただし、x,y,zは互いに垂直な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。)またはφ(x,y,z)をzにて1回以上微分したものを取得する3次元場取得装置であって、
対象物の外部または内部に、z=0を満たす測定面が設定されており、前記3次元スカラー場に由来する一の種類の測定値の前記測定面における分布を2次元の第1測定値群として取得し、前記一の種類の測定値を示す関数をzにて1回微分したものに対応する測定値の前記測定面における分布を2次元の第2測定値群として取得する測定値群取得部と、
前記第1測定値群および前記第2測定値群に基づいて、前記測定面におけるφ(x,y,z)のzによるq回微分であるφ(q)(x,y,0)およびp回微分であるφ(p)(x,y,0)(ただし、p,qは0以上の整数であり、一方が奇数、他方が偶数である。)を求め、φ(q)(x,y,0)およびφ(p)(x,y,0)をそれぞれフーリエ変換してψ(q)(k,k)およびψ(p)(k,k)(ただし、k,kはX方向およびY方向の波数である。)を求め、さらに、ψ(q)(k,k)およびψ(p)(k,k)からφ(q)(x,y,z)をフーリエ変換したものを導くことにより、φ(q)(x,y,z)を求める演算部と、
を備える。
【請求項2】 請求項1に記載の3次元場取得装置であって、
前記演算部が、
【数式21】
によりφ(q)(x,y,z)を求める。
【請求項3】 請求項1または2に記載の3次元場取得装置であって、
pが(q+1)であり、前記第1測定値群がφ(q)(x,y,0)を示し、
前記測定値群取得部が、
前記3次元スカラー場に由来する前記一の種類の測定値の分布を2次元の測定値群として取得する測定部と、
前記測定面において前記測定部により取得された前記第1測定値群と、前記測定面から微小距離だけZ方向に離れた面において前記測定部により取得された中間測定値群との差分測定値群を求め、前記差分測定値群を前記微小距離で除算した微分測定値群を前記第2測定値群として取得する微分測定値群生成部と、
を備える。
【請求項4】 請求項1ないし3のいずれかに記載の3次元場取得装置であって、
前記3次元スカラー場が、磁位、電位、温度または重力ポテンシャルの場である。
【請求項5】 請求項4に記載の3次元場取得装置であって、
qが0または1である。
【請求項6】 請求項1ないし5のいずれかに記載の3次元場取得装置であって、
前記演算部が、φ(q)(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7】 磁気力顕微鏡であって、
磁位の3次元場または前記磁位の場から導かれる3次元場を取得する請求項1ないし3のいずれかに記載の3次元場取得装置を備え、
前記演算部が、φ(q)(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8】 対象物の表面に記録された情報を読み取る情報読取装置であって、
請求項6に記載の3次元場取得装置を備え、
前記演算部が、φ(q)(x,y,z)のzに前記値が代入されたものに基づいて前記表面に記録された情報を取得する。
【請求項9】 請求項8に記載の情報読取装置であって、
前記3次元スカラー場が磁位の場である。
【請求項10】 対象物の内部の電気的回路を流れる電流分布を測定する電流分布測定装置であって、
前記回路に電流を流すことにより生じる磁位の3次元場または前記磁位の場から導かれる3次元場を取得する請求項1ないし3のいずれかに記載の3次元場取得装置を備え、
前記演算部が、φ(q)(x,y,z)のzに前記対象物の内部の位置を示す少なくとも1つの値を代入し、代入結果に基づいて前記回路の電流分布を求める。
【請求項11】 請求項10に記載の電流分布測定装置であって、
前記演算部が、前記電流分布から前記回路の欠陥を検出する。
【請求項12】 構造物の内部を検査する非破壊検査装置であって、
構造物内の残留応力または腐食により生じる磁位の3次元場または前記磁位の場から導かれる3次元場を取得する請求項1ないし3のいずれかに記載の3次元場取得装置を備える。
【請求項13】 対象物の存在に起因して少なくとも前記対象物の周囲または内部に形成され、かつ、ラプラス方程式を満たす3次元スカラー場を示す場関数であるφ(x,y,z)(ただし、x,y,zは互いに垂直な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。)またはφ(x,y,z)をzにて1回以上微分したものを取得する3次元場取得方法であって、
a)対象物の外部または内部に、z=0を満たす測定面が設定されており、前記3次元スカラー場に由来する一の種類の測定値の前記測定面における分布を2次元の第1測定値群として取得する工程と、
b)前記一の種類の測定値を示す関数をzにて1回微分したものに対応する測定値の前記測定面における分布を2次元の第2測定値群として取得する工程と、
c)前記第1測定値群および前記第2測定値群に基づいて、前記測定面におけるφ(x,y,z)のzによるq回微分であるφ(q)(x,y,0)およびp回微分であるφ(p)(x,y,0)(ただし、p,qは0以上の整数であり、一方が奇数、他方が偶数である。)を求める工程と、
d)φ(q)(x,y,0)およびφ(p)(x,y,0)をそれぞれフーリエ変換してψ(q)(k,k)およびψ(p)(k,k)(ただし、k,kはX方向およびY方向の波数である。)を求める工程と、
e)ψ(q)(k,k)およびψ(p)(k,k)からφ(q)(x,y,z)をフーリエ変換したものを導くことにより、φ(q)(x,y,z)を求める工程と、
を備える。
【請求項14】 請求項13に記載の3次元場取得方法であって、
前記e)工程において、
【数式22】
によりφ(q)(x,y,z)が求められる。
【請求項15】 対象物の存在に起因して少なくとも前記対象物の周囲または内部に形成され、かつ、ラプラス方程式を満たす3次元スカラー場を示す場関数であるφ(x,y,z)(ただし、x,y,zは互いに垂直な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。)またはφ(x,y,z)をzにて1回以上微分したものをコンピュータに取得させる3次元場取得プログラムであって、前記プログラムの前記コンピュータによる実行は、前記コンピュータに、
a)対象物の外部または内部に、z=0を満たす測定面が設定されており、前記3次元スカラー場に由来する一の種類の測定値の前記測定面における分布として取得された2次元の第1測定値群と、前記一の種類の測定値を示す関数をzにて1回微分したものに対応する測定値の前記測定面における分布として取得された2次元の第2測定値群とに基づいて、前記測定面におけるφ(x,y,z)のzによるq回微分であるφ(q)(x,y,0)およびp回微分であるφ(p)(x,y,0)(ただし、p,qは0以上の整数であり、一方が奇数、他方が偶数である。)を求める工程と、
b)φ(q)(x,y,0)およびφ(p)(x,y,0)をそれぞれフーリエ変換してψ(q)(k,k)およびψ(p)(k,k)(ただし、k,kはX方向およびY方向の波数である。)を求める工程と、
c)ψ(q)(k,k)およびψ(p)(k,k)からφ(q)(x,y,z)をフーリエ変換したものを導くことにより、φ(q)(x,y,z)を求める工程と、
を実行させる。
【請求項16】 請求項15に記載の3次元場取得プログラムであって、
前記c)工程において、
【数式23】
によりφ(q)(x,y,z)が求められる。
【請求項17】 対象物の存在に起因して少なくとも前記対象物の周囲または内部に形成され、かつ、
【数式24】
を満たすn次元スカラー場を示す場関数であるφ(x,x,…,x)(ただし、nは2以上の整数であり、x,x,…,xはn次元を表現するパラメータを示す。)またはφ(x,x,…,x)をx(ただし、mはn以下の正の整数である。)にて1回以上微分したものを取得するn次元場取得装置であって、
対象物の外部または内部に、x=0を満たす(n-1)次元の測定空間が設定されており、前記n次元スカラー場に由来する一の種類の測定値の前記測定空間における分布を(n-1)次元の第1測定値群として取得し、前記一の種類の測定値を示す関数をxにて1回微分したものに対応する測定値の前記測定空間における分布を(n-1)次元の第2測定値群として取得する測定値群取得部と、
前記第1測定値群および前記第2測定値群に基づいて、前記測定空間におけるφ(x,x,…,x)のxによるq回微分であるφxm(q)(x,x,…,xm-1,0,xm+1,…,x)およびp回微分であるφxm(p)(x,x,…,xm-1,0,xm+1,…,x)(ただし、p,qは0以上の整数であり、一方が奇数、他方が偶数である。)を求め、φxm(q)(x,x,…,xm-1,0,xm+1,…,x)およびφxm(p)(x,x,…,xm-1,0,xm+1,…,x)をそれぞれフーリエ変換してψxm(q)(kx1,kx2,…,kx(m-1),kx(m+1),…,kxn)およびψxm(p)(kx1,kx2,…,kx(m-1),kx(m+1),…,kxn)(ただし、kx1,kx2,…,kx(m-1),kx(m+1),…,kxnはx,x,…,xm-1,xm+1,…,xに関する波数である。)を求め、さらに、ψxm(q)(kx1,kx2,…,kx(m-1),kx(m+1),…,kxn)およびψxm(p)(kx1,kx2,…,kx(m-1),kx(m+1),…,kxn)からφxm(q)(x,x,…,x)をフーリエ変換したものを導くことにより、φxm(q)(x,x,…,x)を求める演算部と、
を備える。
【請求項18】 請求項17に記載のn次元場取得装置であって、
前記演算部が、
【数式25】
によりφxm(q)(x,x,…,x)を求める。
産業区分
  • 電子管
  • 試験、検査
国際特許分類(IPC)
画像

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出願権利状態 権利存続中
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