JP2002365353A - 磁気共鳴装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料を破壊せずに試料内の不純物分布を高い
分解能で測定することができる磁気共鳴装置を提供す
る。 【解決手段】 磁気共鳴装置１００は、試料１を冷却し
て保持するクライオスタット１０と、磁場強度が試料１
の基準軸に対して勾配を有するように傾斜した磁場を試
料１に印加するコイル２１および２２と、磁場が印加さ
れた試料１を磁場に対して移動させる駆動機構３０と、
磁場が印加された試料１に電磁波を照射するアンテナ４
１および４２と、電磁波が照射された試料１から放出さ
れる電磁波を検出するアンテナ４１および４２とを備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、磁気共鳴装置に
関し、特に、半導体内に分布した不純物の濃度分布を測
定するための磁気共鳴装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体としてのシリコン基板上にトラン
ジスタを形成する場合には、所定の領域にリン、砒素、
ホウ素などの不純物をイオン化して高速で基板に注入
し、その後注入時のダメージを回復させるためにアニー
ルを行なう。この不純物の三次元的な濃度分布はトラン
ジスタの性能に大きく影響する。したがって、半導体装
置の製造に際して、実際の装置中で不純物がどのように
分布しているかを知ることは、高品質の半導体装置を製
造する上で大変重要である。

【０００３】不純物の濃度分布を求める方法として、以
下の方法が知られている。 （１） シミュレーション 通常、半導体装置中の不純物濃度分布は、製造プロセス
のパラメータおよび実測した物理量からシミュレーショ
ンを行なって測定している。以下に、半導体装置の製造
プロセスにおけるパラメータと、そこから不純物の濃度
分布をシミュレーションで求める手順を示す。

【０００４】半導体装置中に不純物を導入する方法に
は、大きく分けて注入と拡散の２つがある。

【０００５】不純物を注入する場合には、不純物原子を
含むソースガス中で放電を起こし、生じたイオンの中か
ら目的のイオンのみを質量分析器で分離した後、そのイ
オンを電場で加速して半導体基板に注入する。このと
き、電場の強さで注入されるイオンの速さがわかる。ま
た、イオンビームの電流値をモニタすることにより注入
されたイオンの数を知ることができる。さらに、イオン
ビームと半導体基板とのなす角により、不純物が半導体
基板に侵入する方向がわかる。

【０００６】不純物を注入することを望まない領域に
は、予めイオンの侵入を阻止できるようにフォトレジス
トなどを半導体基板表面にマスクとして形成しておくこ
とにより、所望の領域にのみイオンを注入することがで
きる。

【０００７】以上のような注入パラメータに従って半導
体装置中の不純物の濃度分布を求めるためには、半導体
基板を構成するシリコン中のイオン注入深さのイオン速
度依存性（いわゆる核阻止能）を知ればよい。この値
は、不純物の核種によって異なり、実験で求める必要が
ある。このためには、さまざまな速度で注入したイオン
の表面からの深さを、二次イオン質量分析法などにより
分析する必要がある。

【０００８】拡散法により不純物をドープする場合に
は、不純物を含んだ雰囲気で半導体基板を加熱処理する
ことにより行なわれる。これは、物質が、その濃度差に
応じて濃度の高い領域から低い領域へ移動する現象を利
用し、不純物を濃度の高い半導体基板表面から内部へ導
入する方法である。熱拡散の程度は、半導体基板の温度
とその温度に保持する時間とによりコントロールするこ
とができる。このような拡散パラメータからデバイス中
の不純物濃度分布を求めるためには、シリコン中の不純
物の拡散係数を求める必要がある。この拡散係数は、実
験的に求められる。

【０００９】以上に述べたように、一度何らかの方法で
不純物のシリコン中での物性に関する物理量（上述のケ
ースでは核阻止能または拡散係数）を調べれば、製造プ
ロセスでのパラメータから、シリコン中での不純物の三
次元的な濃度分布をシミュレーションで求めることがで
きる。

【００１０】（２） 二次イオン質量分析法（ＳＩＭ
Ｓ：Secondary Ion Mass Spectroscopy） 半導体基板中の不純物濃度分布を実際に確認する場合に
は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いる。ＳＩ
ＭＳでは、Ａｒ⁺などの一次イオンを１００ｅＶ〜３０
ｋｅＶのエネルギで半導体基板表面へ照射し、スパッタ
リング現象によりシリコン基板表面から放出された粒子
のうちの荷電粒子（二次イオン）を質量分析することで
元素の種類と量とを同定する。一次イオンビームを表面
に沿って走査することで二次元的な不純物の分布を求め
ることができる。

【００１１】観察面に露出した原子は観察によって除去
され常に新しい表面を露出させながら観察が行なわれる
ため、深さ方向での不純物濃度の情報も得ることができ
る。

【００１２】ＳＩＭＳの二次元方向の分解能は一次イオ
ンビームの収束系に依存する。収束性のよいＧａイオン
ビームは、直径が２０ｎｍ程度まで収束することができ
るが、一次イオンビームの直径を絞ることによりスパッ
タリングされるイオンの数が減るため感度が低下する。

【００１３】また、深さ方向の分解能は一次イオンのエ
ネルギが低いほどよく、最高で分解能は１ｎｍ程度であ
る。しかしながら、低エネルギのイオンビームを十分な
電流密度で得るのは困難なため、これによっても二次イ
オン強度は低下する。

【００１４】また、低エネルギでのスパッタリングはマ
トリックス効果が大きく影響するため、定量的な分析が
困難である。したがって十分な検出感度を持った実用的
な応用では、その空間分解能は数百ｎｍ程度である。こ
のため、この用途のために用いられる装置は、ＩＭＡ
（Ino Microprobe Analyzer）と呼ばれることがある。
また、装置内に電子顕微鏡を組込み、位置情報の精度を
向上させたものもある。

【００１５】（３） 電子顕微鏡 電子顕微鏡には、大きく分けて走査型および透過型の２
つのタイプがある。

【００１６】走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Ele
ctron Microscope）は、細く収束した電子ビームを試料
に二次元的に走査照射し、試料表面から発生する二次電
子を捕獲しその強度分布から試料表面の形状を再構成す
る方法である。

【００１７】材質表面により二次電子の放出のしやすさ
が異なるため、材質の違いがコントラストとなって画像
に現れる。像の分解能は数ｎｍと高く、焦点深度も深い
ため凹凸のある試料の形状を評価するのに有利である。

【００１８】また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transm
ission Electron Microscopy）は、薄膜（厚みが数ｎｍ
〜数十ｎｍ）の試料に高速の電子線を照射し、試料を透
過した電子線を捕集して試料の原子配列または格子欠陥
を観察する方法である。エネルギが２００ｋｅＶ程度の
電子線を用いることにより０．２ｎｍ程度の分解能が得
られる。

【００１９】これらの電子顕微鏡の応用技術として、走
査オージェ電子顕微鏡またはＸ線を励起源に用いた光電
子顕微鏡、放出Ｘ線を検出する電子プローブマイクロア
ナリシスまたはこれらに磁気共鳴現象を組合せたような
さまざまな手法が開発および提案されている。

【００２０】（４） 磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ：
Magnetic resonance Imaging）法 １ 磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）法によれば、非破
壊でマトリックス中の観察対象原子核の密度を観察でき
る。従来のＭＲＩでは、水素原子核を検出対象とし、人
体などの生体試料中の水分子の分布を観察している。人
体などを検出対象とするため、ある程度の大きさの試料
を扱うように構成されている。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】まず、シミュレーショ
ンによる不純物濃度分布を求める方法では、不純物の注
入および拡散現象は、実際には、半導体基板内の結晶欠
陥の程度や内部応力などの半導体基板の状態によって異
なる場合がある。そのため、シミュレーションで求めた
不純物濃度分布が必ずしも正しいとは限らないという問
題があった。

【００２２】次に、ＳＩＭＳによる方法では、観察によ
り試料が破壊されるため、非破壊での観察ができないと
いう問題があった。

【００２３】さらに、電子顕微鏡のうち、ＳＥＭでは、
表面の情報しか得られず、また元素の種類を同定できな
いという問題があった。

【００２４】さらに、ＴＥＭでは、電子線が透過する厚
さの試料しか観測することができないという問題があっ
た。

【００２５】また、ＭＲＩでは、空間分解能が低く、そ
の分解能はせいぜい１０μｍ程度であった。

【００２６】そこで、この発明は上述のような問題点を
解決するためになされたものであり、試料を破壊するこ
となく試料の全域において不純物濃度分布を高い分解能
で測定することができる磁気共鳴装置を提供することを
目的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】この発明の一つの局面に
従った磁気共鳴装置は、磁気モーメントを持つ原子核を
含む試料を冷却して保持する保持手段と、磁場強度が試
料の基準軸に対して勾配を有するように傾斜した磁場を
試料に印加する磁場印加手段と、磁場が印加された試料
を磁場に対して移動させる駆動手段と、磁場が印加され
た試料に電磁波を照射する照射手段と、電磁波が照射さ
れた試料から放出される電磁波を検出する検出手段とを
備える。

【００２８】このように構成された磁気共鳴装置では、
試料は、保持手段により冷却して保持される。この試料
に磁場が印加された状態で照射手段から電磁波が照射さ
れるため、それにより放出される電磁波の強度が増加す
る。その結果、分解能を向上させるために十分な信号強
度を得ることができ、磁気共鳴装置の分解能を向上させ
ることができる。また、試料を破壊することなく試料内
の原子核の分布を知ることができる。さらに、駆動手段
が試料を磁場に対して移動させることができるため、試
料全体に傾斜した磁場が印加される。そのため、試料の
表面だけでなく試料の内部での原子核の分布を知ること
ができる。

【００２９】また好ましくは、磁場印加手段は、試料に
磁場を印加して原子核をゼーマン分裂させる。

【００３０】また好ましくは、照射手段と検出手段と
は、共通のアンテナ素子を含む。この場合、アンテナ素
子は照射手段および検出手段として機能するので構成部
品を減らすことができる。

【００３１】また好ましくは、照射手段はメーザを含
む。この場合、メーザは、一般的に帯域幅が狭く高出力
であるため、メーザを用いることにより分解能を向上さ
せることができる。

【００３２】また好ましくは、磁気共鳴装置は、駆動手
段の動作を制御する制御手段をさらに備える。

【００３３】また好ましくは、駆動手段は互いに一次独
立な３つの軸に沿って試料を移動させることが可能であ
る。この場合、駆動手段が互いに一次独立な３つの軸に
沿って試料を移動させるため、一次独立な３つの軸上で
の試料内の不純物濃度分布を知ることができる。その結
果、試料内での三次元的な不純物濃度分布を知ることが
できる。

【００３４】また好ましくは、磁気共鳴装置は、試料の
近傍で磁場強度を増加させるように磁場印加手段近傍に
設けられた反磁性体をさらに備える。この場合、反磁性
が試料の近傍で磁場強度を増加させるため、分解能をさ
らに向上させることができる。

【００３５】また好ましくは、試料は、不純物がドープ
された半導体であり、磁気共鳴装置は検出手段が検出し
た電磁波に応じて半導体内の不純物濃度を測定する。

【００３６】この発明の別の局面に従った磁気共鳴装置
は、磁気モーメントを持つ原子核を含む試料を冷却して
保持する保持手段と、磁場強度が試料の基準軸に対して
勾配を有するように傾斜した磁場を掃引して試料に印加
する磁場印加手段と、磁場が印加された試料に電磁波を
照射する照射手段と、電磁波が照射された試料から放出
される電磁波を検出する検出手段とを備える。

【００３７】このように構成された磁気共鳴装置では、
試料は、保持手段により冷却して保持される。この試料
に磁場が印加された状態で照射手段から電磁波が照射さ
れるため、それにより放出される電磁波の強度が増加す
る。その結果、分解能を向上させるために十分な信号強
度を得ることができ、磁気共鳴装置の分解能を向上させ
ることができる。また、試料を破壊することなく試料内
の原子核の分布を知ることができる。さらに、傾斜磁場
が掃引して印加されるため、試料全体に傾斜した磁場が
印加される。そのため、試料の表面だけでなく試料の内
部での原子核の分布を知ることができる。。

【００３８】また好ましくは、磁場印加手段は、試料に
磁場を印加して原子核をゼーマン分裂させる。

【００３９】また好ましくは、照射手段と検出手段と
は、共通のアンテナ素子を含む。この場合、アンテナ素
子は照射手段および検出手段として機能するので構成部
品を減らすことができる。

【００４０】また好ましくは、照射手段はメーザを含
む。この場合、メーザは、一般的に帯域幅が狭く高出力
であるため、メーザを用いることにより分解能を向上さ
せることができる。

【００４１】また好ましくは、磁気共鳴装置は、磁場印
加手段が試料に印加する磁場の強度を調整する制御手段
をさらに備える。

【００４２】また好ましくは、磁場印加手段は、第１軸
に沿って設けられた１対の第１のコイルと、第１軸に対
して一次独立な第２軸に沿って設けられた１対の第２の
コイルと、第１軸および第２軸に対して一次独立な第３
軸に沿って設けられた１対の第３のコイルとを含む。こ
の場合、駆動手段が互いに一次独立な３つの軸に沿って
磁場を掃引して印加することができるため、一次独立な
３つの軸上での試料内の不純物濃度分布を知ることがで
きる。その結果、試料内での三次元的な不純物濃度分布
を知ることができる。

【００４３】また好ましくは、磁気共鳴装置は、試料の
近傍で磁場強度を増加させるように磁場印加手段近傍に
設けられた反磁性体をさらに備える。この場合、反磁性
が試料の近傍で磁場強度を増加させるため、分解能をさ
らに向上させることができる。

【００４４】また好ましくは、試料は不純物がドープさ
れた半導体であり、磁気共鳴装置は検出手段が検出した
電磁波に応じて半導体内の不純物濃度を測定する。

【００４５】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて、図面を参照して説明する。

【００４６】（実施の形態１）図１は、この発明の実施
の形態１に従った磁気共鳴装置のブロック図である。図
１を参照して、この発明の実施の形態１に従った磁気共
鳴装置１００は、磁気モーメントを持つ原子核を含む試
料１を冷却して保持する保持手段としてのクライオスタ
ット１０と、磁場強度が試料１の基準軸に対して勾配を
有するように傾斜した磁場を試料１に印加する磁場印加
手段としてのコイル２１および２２と、磁場が印加され
た試料１を磁場に対して移動させる駆動手段としての駆
動機構３０と、磁場が印加された試料１に電磁波を照射
する照射手段としてのアンテナ４１および４２と、電磁
波が照射された試料１から放出される電磁波を検出する
検出手段としてのアンテナ４１および４２とを備える。

【００４７】コイル２１および２２は、試料１に磁場を
印加して原子核をゼーマン分裂させる。照射手段と検出
手段とは、共通のアンテナ４１および４２を含む。ま
た、磁気共鳴装置１００は、駆動機構３０の動作を制御
する制御手段としてのコントローラ５０をさらに備え
る。

【００４８】駆動機構３０は、互いに一次独立な３つの
軸に沿って試料１を移動させることが可能である。試料
１は不純物がドープされた半導体であり、磁気共鳴装置
１００は、検出手段としてのアンテナ４１および４２が
検出した電磁波に応じて半導体内の不純物濃度を測定す
る。

【００４９】装置の中央にクライオスタット１０が位置
する。クライオスタット１０は駆動機構３０上に載置さ
れており、駆動機構３０に固定されている。駆動機構３
０は、クライオスタット１０およびクライオスタット１
０が保持する試料１を三次元的に移動することが可能で
ある。

【００５０】クライオスタット１０を挟むように、１対
のアンテナ４１および４２が設けられている。アンテナ
４１および４２は、互いに向かい合うように設けられ、
試料１に対して電磁波を照射し、かつ試料１から放出さ
れる電磁波を検知する。アンテナ４１および４２として
は、ループアンテナが用いられる。

【００５１】アンテナ４１および４２の両側には、１対
のコイル２１および２２が設けられる。コイル２１およ
び２２内に所定の電流が流れることにより磁場が発生す
る。コイル２１および２２は試料１に対して磁場を印加
する。

【００５２】コントローラ５０は、クライオスタット１
０、コイル２１および２２、駆動機構３０およびアンテ
ナ４１および４２に接続されてこれらに所定の信号を送
る。信号解析装置６０は、クライオスタット１０、駆動
機構３０、アンテナ４１および４２に接続される。また
信号解析装置６０とコントローラ５０とは接続されてい
る。

【００５３】信号解析装置６０はディスプレイ７０に接
続される。信号解析装置６０に集められた信号は信号解
析装置６０内で加工されてディスプレイ７０上に画面と
して表示される。

【００５４】図２は、図１で示す磁気共鳴装置を詳細に
示す図である。図２の（Ａ）は、磁気共鳴装置の断面図
であり、図２の（Ｂ）は、コイルとアンテナとの斜視図
であり、図２の（Ｃ）は、コイルの平面図である。図２
を参照して、この発明に従った磁気共鳴装置１００の構
造について詳細に説明する。

【００５５】（１） コイル２１および２２ 現在最も強い磁場が得られる磁石は空心超電導磁石であ
る。コイル２１および２２は電磁石を構成し、コイル２
１および２２の巻数ならびにコイル２１および２２に流
す電流に比例して強い磁力が得られる。

【００５６】超電導体からなるコイル２１および２２の
線材としてはＮｂ₃Ｓｎを用いることができる。このコ
イル２１および２２に２５０Ａ程度の電流を流すと、磁
場強度が２０Ｔ程度の磁場が実現できる。さらに強力な
磁場を得るためには酸化物超電導体をコイル２１および
２２の材質として用いることができる。コイル２１およ
び２２は液体ヘリウムを満たした断熱容器の中に置かれ
るが、液体ヘリウムの蒸発をなるべく少なくするため
に、さらに全体が液体窒素で満たされた断熱容器に入れ
られる。

【００５７】一般のＭＲＩ装置の場合、観察したい試料
の領域が大きく、その全体に対して均一性のよい磁場を
印加しなければならない。そのため、通常メインの磁石
は直径１０ｃｍ以上とする必要があり、その他に均一性
を調整するための「シム」と呼ばれる電磁石が併設され
る。しかし、本発明においては超強磁場が印加される領
域は面積が１ｃｍ²以下でもよいため、シムは必要な
い。

【００５８】それよりも試料１の領域での磁束密度を高
めるためにコイル２１および２２の直径Ｄ（図２の
（Ｃ）参照）およびコイル２１および２２の間隔ｔ（図
２の（Ｂ）参照）をなるべく小さくすることが望まし
い。観察対象がシリコン基板からなる試料１上に塗布さ
れたフォトレジストに含まれる水素原子核のように空間
密度が高い場合には直径が３０ｃｍ程度のコイルを用い
てもよいが、シリコン基板中に注入された砒素などのよ
うに少量の原子核を観察する場合は図２の（Ｃ）で示す
ように直径Ｄが１ｃｍ以下のコイルとすることが有利で
ある。

【００５９】また、磁場の強さはコイル２１および２２
から離れるほど弱くなる。これは、磁力線が空間に広が
り、その密度が下がるためである。したがって試料１か
らコイル２１および２２までの距離は近い方がよい。ま
た、磁場の減衰を避けるために、２つの異なる極性の磁
極（コイル）を、試料１を保持する領域を挟むように配
置し、その間隔は可能な限り狭くするのが有利である。
シリコン基板を試料１とする場合、その厚みは１０ｍｍ
以下であるが、試料１の温度管理などのためにある程度
の構造物が設置できるだけの広さがある方がよい。コイ
ル２１および２２の間隔ｔは１０ｃｍ以下程度とし、試
料１とコイル２１および２２との距離を５ｃｍ以下とす
ることが好ましい。

【００６０】また、超強磁場を印加するための電磁石は
パルス動作でもよく、この場合は連続動作に比べてより
強い磁場を発生させることが可能である。

【００６１】また、試料には、傾斜磁場を印加して磁場
強度を三次元的に走査する必要がある。このためには、
２組もしくはそれ以上の電磁石（コイル）により電気的
に磁場強度を変える方法と、磁場を固定して物理的に試
料の位置を動かす方法の２つがある。装置構成的には、
前者の方法、すなわち２組またはそれ以上の電磁石によ
り電気的に磁気強度を変える方法を採用し、信号解析に
より観察原子の空間分布を求める方が装置構成がシンプ
ルとなり好ましい。強磁場領域の間隔を狭めることで、
１００ｍＴ／ｍ以上の磁場勾配を実現することができ
る。コイル２１がコイル２２に向い合う面の面積（磁極
面積）を７５０ｃｍ²以下とすることが好ましい。

【００６２】（２） 保持手段（クライオスタット１
０） ＭＲＩ信号は、その原理より、試料を低温にした方が強
い信号強度が得られる。しかし、従来のＭＲＩ装置は生
体中の水分子に含まれる水素原子を主な観察対象として
いるため、試料を極低温にすることができなかった。本
発明では、観察対象としてシリコン基板中のリン、砒素
などを想定しているため、保持手段を液体窒素または液
体ヘリウムなどで冷却できる構造とすることができる。
通常このような目的のために使用する恒温槽は、クライ
オスタット１０である。

【００６３】クライオスタット１０は３層構造となって
おり、３つの壁体１１、１２および１３により構成され
る。壁体１１および１２に囲まれた領域が断熱層であ
り、壁体１２および１３の間の中間層が冷媒層であり、
壁体１３に取囲まれる領域が試料室である。

【００６４】試料室内に試料１が設けられる。試料室内
には液体または気体のヘリウム１６が充填されている。
ヒータ９１が設けられる。このヒータ９１は試料室の外
に設けられてもよい。試料室内にはヘリウム導入管８３
およびヘリウム排出管８４が設けられる。ヘリウム導入
管８３は、冷媒としての液体または気体のヘリウム１６
を試料室内に導入する。ヘリウム排出管８４はヘリウム
を試料室から外部へ排出する。

【００６５】ヘリウム導入管８３およびヘリウム排出管
８４には、それぞれバルブ８８および８９が設けられ
る。バルブ８８および８９の開閉は、コントローラ５０
により制御される。

【００６６】試料室内には温度センサ９２が設けられ、
温度センサ９２は信号解析装置６０に接続される。

【００６７】試料室を構成する壁体１３としては、熱伝
導性のよい材質が好ましいが、試料１裏面に直接触れる
ために試料１を汚染しない程度の純度を持つ必要があ
る。汚染物質が付着したまま試料１を高温にした場合に
は、試料１中に汚染物質が拡散してしまう可能性がある
からである。ただし、この装置中では、通常室温よりも
低温に保たれる。

【００６８】壁体１２および１３の間には液体窒素１５
が充填されている。試料室内にはヘリウム１６が充填さ
れている。液体窒素は液体窒素導入管８１により導入さ
れ液体窒素排出管８２により排出される。なお、液体窒
素導入管８１および液体窒素排出管８２には、それぞれ
バルブ８６および８７が設けられる。バルブ８６および
８７はコントローラ５０に接続されている。壁体１１と
壁体１２との間は真空となっている。

【００６９】クライオスタット１０内は極低温になるた
めに、その中に水分または酸素があると凍結または液化
する。したがって、予めこれらの分子が取除けるように
排気ポンプを備えておくことが好ましい。試料室内の気
体はヘリウムで置換をしておくと安定して測定がしやす
い。また、試料１を液体ヘリウム温度まで冷却する場合
は、ヘリウム導入管８３から試料室内に液体ヘリウムを
流し込むこともできる。また、試料１を温度１００Ｋ以
下とすることが好ましい。試料１の面のうちＸ軸および
Ｚ軸が紙面と平行となり、Ｙ軸が紙面に対して垂直とな
る。

【００７０】（３） 照射手段および検出手段（アンテ
ナ４１および４２） 通常、ＭＲＩにおいて核磁気共鳴現象を励起するのはル
ープ状のアンテナ４１および４２から放出される電磁波
としてのラジオ波である。このアンテナ４１および４２
は共鳴信号を受信する検出手段としてのアンテナとして
も併用される。ＭＲＩの空間分解能はこのラジオ波が持
つ周波数幅に反比例し、周波数分布が狭いほど分解能は
高い。周波数幅の狭い電磁波を得る手段としてメーザが
あるが、メーザは原理的に単一周波数でありエネルギ密
度も高くパルス動作も容易な電磁波であるため、ＭＲＩ
の励起源として有利である。

【００７１】信号解析装置６０としては、従来の他のＭ
ＲＩ装置と同様のものを使用することができる。ＭＲＩ
信号の測定手法には、飽和回復法や反転回復法などのモ
ードがあるが、本発明でもこれらを同様に用いることが
できる。

【００７２】生体を観察対象とするＭＲＩでは、対象を
固定できないために観察時間の長い測定を行なうことが
できないが、非生物を扱う場合には、繰返し測定の結果
を積算することにより信号のＳ／Ｎ比を向上させること
ができる。

【００７３】以上のような改良を施すことにより従来の
ＭＲＩ装置に比べてはるかに感度が向上し、シリコンの
マトリックス中で１ｃｍ³当り１０¹⁶個のリンまたはホ
ウ素などの原子が分布している場合に、三次元的な分布
を０．１μｍ程度の空間分解能で観察できる。

【００７４】（４） 駆動機構 駆動機構３０はクライオスタット１０を支持し、クライ
オスタット１０を、一次独立な３方向に移動させること
ができる。これにより、試料１内の不純物濃度分布を三
次元的に測定することができる。

【００７５】次に、ＭＲＩの原理について説明する。ス
ピン量子数がＩであり、磁気モーメントμを持つ原子核
は、磁場Ｂとの相互作用して、縮重していたエネルギ準
位が２Ｉ＋１に分裂する。これはゼーマン分裂（Zeema
n）分裂と呼ばれる。代表的な観察対象である水素原子
核（陽子数が１）の場合、スピン量子数Ｉは１／２であ
り、磁場中では、２つのエネルギ準位に分裂する。

【００７６】図３は、ゼーマン分裂を示す模式図であ
る。図３を参照して、磁場がない状態では、水素原子核
１１０は単一のエネルギ準位であるのに対し、磁場があ
る状態では、水素原子核１１０は、２つのエネルギ準位
に分裂する。２つの準位のうち、核スピンの配向が磁場
Ｂと同じ向きの低エネルギ側の準位をαとし、反対の向
きの高エネルギ側の準位をβとする。αスピンの数Ｎα
とβスピンの数Ｎβの比率はボルツマン分布則に従い、
Ｎβ／Ｎα＝ｅｘｐ（−Ｅ／ｋＴ）となる。ここで、ｋ
はボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度である。またＥ
は２μＢで示されるエネルギである。

【００７７】ゼーマン分裂した状態の原子核に振動数ν
の電磁波を照射すると、そのエネルギｈνがＥに等しい
場合に共鳴現象が起こる。ｈはプランク定数である。こ
の共鳴現象により、電磁波が共鳴信号（ＮＭＲ（Nuclea
r magnetic resonance）信号）として放出される。共鳴
信号の強度は、励起可能な原子核の数（Ｎα−Ｎβ）／
２に比例する。上式は以下のように変形できる。

【００７８】 Ｎα−Ｎβ＝Ｎα（１−Ｎβ／Ｎα） ＝Ｎα（１−ｅｘｐ（Ｅ／ｋＴ）） ＝Ｎα（１−ｅｘｐ（−２μＢ／ｋＴ）） この式より、磁場強度が強くかつ低温であるほど強い信
号が得られることがわかる。

【００７９】プロトン（水素原子核）について、Ｎα−
Ｎβを見積もると、磁束密度Ｂが２．３５Ｔ（１００Ｍ
Ｈｚ相当）でＴ＝３００Ｋのとき、Ｎα−Ｎβ＝０．０
０００１であり、βスピンが１０万個あるときにαスピ
ンが１０万＋１個の割合である。同様に、Ｂ＝２３．５
Ｔ（１ＧＨｚ相当）でＴ＝３００ＫのときＮα−Ｎβ＝
０．０００１６である。また、Ｂ＝２．３５Ｔ（１００
ＭＨｚ相当）でＴ＝４．２Ｋのとき、Ｎα−Ｎβ＝０．
００１１４となり、これらの磁場強度および温度の範囲
では励起可能な原子核数、すなわち信号強度が、ほぼ磁
場強度に比例し、絶対温度に反比例することがわかる。

【００８０】また、励起可能な原子核がいくらたくさん
存在したとしても、実際に励起しなければ信号が得られ
ない。したがって、Ｓ／Ｎ比の高い信号を得るために
は、十分な強度の電磁波を照射しなければならない。

【００８１】上述のような手法によりＮＭＲ信号を得る
ためには、印加する磁場強度と電磁波の周波数を微小空
間のみで共鳴条件が成立するように設定し、この微小空
間を三次元的に掃引すれば信号強度の三次元画像が得ら
れる。これがＭＲＩの原理である。

【００８２】通常、ＭＲＩでは、試料に傾斜磁場を印加
し狭い帯域周波数の電磁波を照射することにより共鳴条
件が面状の領域でのみ成立するようにする。そしてこの
面状の領域を試料に対して縦横に掃引して得られた信号
を計算機で解析することにより三次元的な画像を再構成
する。

【００８３】図４はＭＲＩの原理を説明するための図で
ある。図４を参照して、たとえばＸ軸方向に傾斜ａを有
する磁場の強度が直線１２１で表わされるとする。この
磁場中の磁場強度Ｂ₀の位置で共鳴条件ｈν₀＝２μＢ₀
が成立するとする。共鳴信号を放出するのに寄与する原
子核は、Ｘ軸に対して垂直な面に分布する。また、入射
した電磁波が単一周波数ではなく、その周波数に若干の
ばらつきがあり、周波数の幅（上限値−下限値）がｄν
とすると、共鳴条件を満たす位置の幅ｄＸ₁は、以下の
式で表わされる。

【００８４】ｄＸ₁＝ｈ・ｄν／２ａμ したがって、周波数の幅ｄνが狭いほど共鳴信号に寄与
する原子核の分布は薄くなり、空間分解能が高くなる。
また、直線１２２で示すように、磁場の勾配が急になる
ほど共鳴信号に寄与する原子核の分布は薄くなり、空間
分解能が高くなる。

【００８５】したがって、ＭＲＩの空間分解能を向上さ
せるためには、以下の方法がある。 （１） 試料に印加する磁場の傾斜を強くする。

【００８６】（２） 照射する電磁波の周波数幅を狭く
する。上述のように、ＭＲＩの空間分解能を向上させる
ことにより、共鳴条件の成立する空間に存在する原子核
の数が少なくなる。これにより、共鳴信号の強度の低下
を招く。したがって、分解能の高いＭＲＩ装置を実現す
るためには、十分な信号強度を確保する必要がある。こ
のためには、以下の方法がある。

【００８７】（１） 磁場強度を強くする。具体的に
は、電磁石構成するコイルに流す電流を増やす、磁極間
の距離を短くする、試料を磁極に近づけるなどの方法が
ある。

【００８８】（２） 試料を低温にする。具体的には、
試料室を断熱材料で覆い内部を液体窒素、液体ヘリウム
で冷却する。

【００８９】（３） 照射する電磁波を強くする。具体
的には、電磁波源としてメーザを用いるなどがある。こ
のとき、メーザは単一波長で発振するために周波数帯域
が狭く、空間分解能を向上させる効果もある。

【００９０】次に、三次元的な不純物分布を測定するた
めの方法について説明する。図５は、試料と、Ｘ、Ｙお
よびＺ軸との関係を示す斜視図である。図６は、試料
と、ＸおよびＺ軸との関係を示す側面図である。図７〜
図９は、第１工程で試料に印加される磁場強度を説明す
るための図である。

【００９１】図５〜図９を参照して、まず第１工程で
は、Ｚ＝０の面で磁場強度がＢ₀となり、共鳴条件が成
立するように試料に傾斜磁場を印加する。この磁場は、
基準軸としてのＺ軸に対して傾斜している。Ｚ＝０で表
わされる平面上で共鳴条件が成立する。この状態でアン
テナ４１および４２から電磁波を照射すると、Ｚ＝０の
平面上で共鳴が起き、アンテナ４１および４２が共鳴信
号を受信する。これにより、Ｚ＝０面での積算した信号
強度を求めることができる。

【００９２】図１０〜１２は、第２工程で試料に印加さ
れる磁場強度を説明するための図である。図１０〜図１
２を参照して、第２工程では、Ｚ＝ｄＺの面上で共鳴条
件が成立するように駆動機構３０がクライオスタット１
０および試料１を図２で示す状態からＺ軸方向に僅かに
移動させる。これにより、Ｚ＝ｄＺの面上で共鳴が成立
する。これにより共鳴信号が得られてＺ＝ｄＺ平面での
積算した信号強度がアンテナ４１および４２により観測
される。

【００９３】図１３は、駆動機構により位置を変化させ
た試料を示す図である。なお、図１３ではコントローラ
５０、信号解析装置６０およびディスプレイなどの付属
する機器を省略している。図１３を参照して、駆動機構
３０が試料１を移動させる。これにより、試料１の面の
うちＸ軸およびＺ軸が紙面と平行となり、Ｙ軸が紙面に
対して垂直となる。Ｘ軸がコイル２２からコイル２１へ
向かう方向に延びる。図１４〜図１６は、第３工程で試
料に印加される磁場強度を説明するための図である。図
１４〜図１６を参照して、第３工程では、Ｘ＝Ｘ₀の面
で磁場強度がＢ₀となり、共鳴条件が成立するように試
料１に傾斜磁場を印加する。この磁場は、基準軸として
のＸ軸に対して傾斜している。Ｘ＝Ｘ₀で表わされる平
面上で共鳴条件が成立する。この状態でアンテナ４１お
よび４２から電磁波を照射すると、Ｘ＝Ｘ₀の平面上で
共鳴が起き、アンテナ４１および４２が共鳴信号を受信
する。これにより、Ｘ＝Ｘ₀面での積算した信号強度を
求めることができる。

【００９４】図１７〜１９は、第４工程で試料に印加さ
れる磁場強度を説明するための図である。図１７〜図１
９を参照して、第４工程では、Ｘ＝Ｘ₀＋ｄＸの面上で
共鳴条件が成立するように駆動機構３０がクライオスタ
ット１０および試料１を図１３で示す状態からＸ軸方向
に僅かに移動させる。これにより、Ｘ＝Ｘ₀＋ｄＸの面
上で共鳴が成立する。これにより共鳴信号が得られてＸ
＝Ｘ₀＋ｄＸ平面での積算した信号強度がアンテナ４１
および４２により観測される。

【００９５】図２０は、駆動機構により位置を変化させ
た試料を示す図である。なお、図２０ではコントローラ
５０、信号解析装置６０およびディスプレイなどの付属
する機器を省略している。図２０を参照して、駆動機構
３０が試料１を移動させる。これにより、試料１の面の
うちＸ軸およびＹ軸が紙面と平行となり、Ｚ軸が紙面に
対して垂直となる。Ｙ軸がコイル２２からコイル２１へ
向かう方向に延びる。図２１〜図２３は、第５工程で試
料に印加される磁場強度を説明するための図である。図
２１〜図２３を参照して、第５工程では、Ｙ＝Ｙ₀の面
で磁場強度がＢ₀となり、共鳴条件が成立するように試
料１に傾斜磁場を印加する。この磁場は、基準軸として
のＹ軸に対して傾斜している。Ｙ＝Ｙ₀で表わされる平
面上で共鳴条件が成立する。この状態でアンテナ４１お
よび４２から電磁波を照射すると、Ｙ＝Ｙ₀の平面上で
共鳴が起き、アンテナ４１および４２が共鳴信号を受信
する。これにより、Ｙ＝Ｙ₀面での積算した信号強度を
求めることができる。

【００９６】図２４〜２６は、第６工程で試料に印加さ
れる磁場強度を説明するための図である。図２４〜図２
６を参照して、第６工程では、Ｙ＝Ｙ₀＋ｄＹの面上で
共鳴条件が成立するように駆動機構３０がクライオスタ
ット１０および試料１を図２０で示す状態からＹ軸方向
に僅かに移動させる。これにより、Ｙ＝Ｙ₀＋ｄＹの面
上で共鳴が成立する。これにより共鳴信号が得られてＹ
＝Ｙ₀＋ｄＹ平面での積算した信号強度がアンテナ４１
および４２により観測される。このようにして三次元的
に試料を移動させることにより試料１内での不純物の三
次元的な分布を、試料１を破壊せずに求めることができ
る。さらに、試料１を冷却しているために、精度よく不
純物の分布を求めることができる。

【００９７】（実施の形態２）図２７は、この発明の実
施の形態２に従った磁気共鳴装置のブロック図である。
図２７を参照して、この発明の実施の形態２に従った磁
気共鳴装置１００は、磁気モーメントを持つ原子核を含
む試料１を冷却して保持する保持手段としてのクライオ
スタット１０と、磁場強度が試料１の基準軸に対して勾
配するように傾斜した磁場を掃引して試料１に印加する
磁場印加手段としてのコイル２１、２２、２３、２４、
２５および２６と、磁場が印加された試料１に電磁波を
照射する照射手段としてのアンテナ４１および４２と、
電磁波が照射された試料１から放出される電磁波を検出
する検出手段としてのアンテナ４１および４２とを備え
る。磁場印加手段としてのコイル２１および２２は試料
１に磁場を印加して原子核をゼーマン分裂させる。照射
手段と検出手段とは、共通のアンテナ４１および４２を
含む。磁気共鳴装置１００は、磁場印加手段としてのコ
イル２１、２２、２３、２４、２５および２６が試料１
に印加する磁場の強度を調整する制御手段としてのコン
トローラ５０をさらに備える。試料１は、不純物がドー
プされた半導体であり、磁気共鳴装置１００は、アンテ
ナ４１および４２が検出した電磁波に応じて半導体内の
不純物濃度を測定する。

【００９８】コイル２１、２２、２３、２４、２５およ
び２６により生じる磁場の強度はコントローラ５０によ
り変更することができる。すなわち、コントローラ５０
は、それぞれのコイル２１〜２６に流す電流を調整して
コイル２１〜２６が発生させる磁場の強度を変化させる
ことができる。そのため、それぞれのコイル２１〜２６
は、試料１に対して磁場を掃引して印加することができ
る。

【００９９】図２８は、図２７で示すコイルの斜視図で
ある。図２８を参照して、クライオスタット１０近傍に
コイルが設けられる。コイル２３および２４を結ぶ軸が
Ｘ軸であり、コイル２６および２５を結ぶ軸がＹ軸であ
り、コイル２１および２２を結ぶ軸がＺ軸である。磁場
印加手段は、第１軸としてのＸ軸に沿って設けられた１
対の第１のコイルとしてのコイル２３および２４と、Ｘ
軸に対して一次独立な第２軸としてのＹ軸に沿って設け
られた１対の第２のコイルとしてのコイル２５および２
６と、Ｘ軸およびＹ軸に対して一次独立な第３軸として
のＺ軸に沿って設けられた１対の第３のコイルとしての
コイル２１および２２とを含む。図２８では、Ｘ、Ｙ、
Ｚはそれぞれ直交しているが、これらの３軸は必ずしも
直交する必要はなく、これらの３軸が一次独立であれば
よい。

【０１００】クライオスタット１０と、コイル２１およ
び２２との間に、図示しないアンテナが設けられてい
る。

【０１０１】図２９〜図３１は、第１工程で試料に印加
される磁場強度を説明するための図である。図２９〜図
３１を参照して、まず第１工程では、Ｘ＝Ｘ₀の面で磁
場強度がＢ₀となり、共鳴条件が成立するように試料に
傾斜磁場を印加する。なお、図２９〜図３１で示すよう
な磁場は、コイル２１にコイル２３よりも大きな電流を
流し、コイル２５および２６に等しい電流を流し、さら
にコイル２１および２２に等しい電流を流すことで実現
することができる。この磁場は、基準軸としてのＸ軸に
対して傾斜している。Ｘ＝Ｘ₀で表わされる平面上で共
鳴条件が成立する。この状態でアンテナ４１および４２
から電磁波を照射すると、Ｘ＝Ｘ₀の平面上で共鳴が起
き、アンテナ４１および４２が共鳴信号を受信する。こ
れにより、Ｘ＝Ｘ₀面での積算した信号強度を求めるこ
とができる。

【０１０２】図３２〜３４は、第２工程で試料に印加さ
れる磁場強度を説明するための図である。図３２〜図３
４を参照して、第２工程では、Ｘ＝Ｘ₀＋ｄＸの面上で
共鳴条件が成立するようにコイル２３および２４が試料
１に掃引して磁場を印加する。これにより、Ｘ＝Ｘ₀＋
ｄＸの面上で共鳴が成立する。これにより共鳴信号が得
られてＸ＝Ｘ₀＋ｄＸ平面での積算した信号強度がアン
テナ４１および４２により観測される。

【０１０３】同様の手法により、Ｙ軸方向の傾斜磁場お
よびＺ軸方向の傾斜磁場を試料１に掃引して印加するこ
とにより、Ｙ軸に垂直な面およびＺ軸に垂直な面上での
不純物の分布を求めることができる。

【０１０４】このように構成されたこの発明の実施の形
態２に従った磁気共鳴装置でも、実施の形態１に従った
磁気共鳴装置と同様の効果がある。

【０１０５】（実施の形態３）図３５は、この発明の実
施の形態３に従った磁気共鳴装置のブロック図である。
図３５を参照して、この発明の実施の形態３に従って磁
気共鳴装置１００では、照射手段としてメーザ１４０を
用いている点で、実施の形態１に従った磁気共鳴装置１
００と異なる。メーザ１４０は単一波長の電磁波をクラ
イオスタット１０内の試料１に照射する。メーザ１４０
はコントローラ５０に接続される。コントローラ５０か
ら所定の信号が入力されると、メーザ１４０は単一波長
の電磁波を試料１に照射する。

【０１０６】このように構成された磁気共鳴装置１００
では、実施の形態１に従った磁気共鳴装置１００と同様
の効果がある。さらに、メーザ１４０が単一波長の電磁
波を試料１に照射するため、不純物濃度分布の分解能が
さらに向上するという効果がある。

【０１０７】（実施の形態４）図３６は、この発明の実
施の形態４に従った磁気共鳴装置の断面図である。図３
６を参照して、この発明の実施の形態４に従った磁気共
鳴装置１００では、試料１の近傍で磁場強度を増加させ
るようにコイル２１および２２近傍に設けられた反磁性
体（超電導体）１５１が設けられている点で、実施の形
態１に従った磁気共鳴装置１００と異なる。

【０１０８】試料１に印加される磁場の強度は、試料１
を通過する磁力線の密度で表わされるため、試料１の外
側を通過する磁力線を試料１へ集めることができれば、
さらに磁場強度が大きくなり信号強度を増すことができ
る。このためには、磁力線が、強い反磁性物質を透過で
きないことを利用することができる。これは、マイスナ
ー効果と呼ばれる現象であり、超電導体でしばしば現れ
る現象である。現在知られている超電導体は、極低温で
しかマイスナー効果を示さないが、本発明における試料
室では極低温に保持する機構を備えるため、これを利用
することができる。すなわち、試料室周辺に超電導物質
を配置し、これを極低温にすることにより超電導物質が
置かれている空間を通過するはずであった磁力線を試料
１へ寄せ集めることができる。これは、反磁性体中の透
磁率が０になる現象を利用したものであり、超電導物質
であればあらゆる物質を用いることができる。比較的高
温でマイスナー効果を示す物質として、Ｙ−Ｂａ−Ｃａ
−Ｏ系またはビスマス系のセラミックスが知られてい
る。もちろん、常温で強い反磁性を示す物質を使用すれ
ば極低温にする必要はない。

【０１０９】このように構成された、この発明の実施の
形態４に従った磁気共鳴装置１００でも、実施の形態１
に従った磁気共鳴装置１００と同様の効果がある。さら
に、磁力線を試料１に集めることができるため、さらに
分解能を向上させることができる。

【０１１０】（実施の形態５）図３７は、この発明の実
施の形態５に従った磁気共鳴装置のブロック図である。
図３７を参照して、この発明の実施の形態５に従った磁
気共鳴装置１００では、コイル２１および２２の近傍に
反磁性体１７１および１７２が設けられており、照射手
段としてメーザ１４０が設けられている点で、実施の形
態２に従った磁気共鳴装置１００と異なる。

【０１１１】このように構成された磁気共鳴装置１００
でも、実施の形態４に従った磁気共鳴装置１００と同様
の効果がある。さらに、メーザ１４０が単一波長の電磁
波を試料１に照射するため、不純物濃度分布の分解能が
さらに向上するという効果がある。

【０１１２】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【０１１３】

【発明の効果】この発明に従えば、試料を破壊すること
なく、試料内の原子核の分布を高い分解能で求めること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１に従った磁気共鳴装
置のブロック図である。

【図２】 図１で示す磁気共鳴装置を詳細に示す図であ
り、図２の（Ａ）は、磁気共鳴装置の断面図であり、図
２の（Ｂ）は、コイルとアンテナとの斜視図であり、図
２の（Ｃ）は、コイルの平面図である。

【図３】 ゼーマン分裂を示す模式図である。

【図４】 ＭＲＩの原理を説明するための図である。

【図５】 試料と、Ｘ、ＹおよびＺ軸との関係を示す斜
視図である。

【図６】 試料と、ＸおよびＺ軸との関係を示す斜視図
である。

【図７】 第１工程で試料に印加される磁場強度を説明
するための図である。

【図８】 第１工程で試料に印加される磁場強度を説明
するための図である。

【図９】 第１工程で試料に印加される磁場強度を説明
するための図である。

【図１０】 第２工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図１１】 第２工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図１２】 第２工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図１３】 駆動機構により位置を変化させた試料を示
す図である。

【図１４】 第３工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図１５】 第３工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図１６】 第３工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図１７】 第４工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図１８】 第４工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図１９】 第４工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図２０】 駆動機構により位置を変化させた試料を示
す図である。

【図２１】 第５工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図２２】 第５工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図２３】 第５工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図２４】 第６工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図２５】 第６工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図２６】 第６工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図２７】 この発明の実施の形態２に従った磁気共鳴
装置のブロック図である。

【図２８】 図２７で示すコイルの斜視図である。

【図２９】 第１工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図３０】 第１工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図３１】 第１工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図３２】 第２工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図３３】 第２工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図３４】 第２工程で試料に印加される磁場強度を説
明するための図である。

【図３５】 この発明の実施の形態３に従った磁気共鳴
装置のブロック図である。

【図３６】 この発明の実施の形態４に従った磁気共鳴
装置の断面図である。

【図３７】 この発明の実施の形態５に従った磁気共鳴
装置のブロック図である。

【符号の説明】

１ 試料、１０ クライオスタット、２１，２２，２
３，２４，２５，２６コイル、３０ 駆動機構、４１，
４２ アンテナ、５０ コントローラ、１００磁気共鳴
装置、１４０ メーザ。

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気モーメントを持つ原子核を含む試料
   を冷却して保持する保持手段と、 磁場強度が試料の基準軸に対して勾配を有するように傾
   斜した磁場を試料に印加する磁場印加手段と、 磁場が印加された試料を磁場に対して移動させる駆動手
   段と、 磁場が印加された試料に電磁波を照射する照射手段と、 電磁波が照射された試料から放出される電磁波を検出す
   る検出手段とを備えた、磁気共鳴装置。
2. 【請求項２】 前記磁場印加手段は、試料に磁場を印加
   して原子核をゼーマン分裂させる、請求項１に記載の磁
   気共鳴装置。
3. 【請求項３】 前記照射手段と前記検出手段とは、共通
   のアンテナ素子を含む、請求項１または２に記載の磁気
   共鳴装置。
4. 【請求項４】 前記照射手段はメーザを含む、請求項１
   から３のいずれか１項に記載の磁気共鳴装置。
5. 【請求項５】 前記駆動手段の動作を制御する制御手段
   をさらに備えた、請求項１から４のいずれか１項に記載
   の磁気共鳴装置。
6. 【請求項６】 前記駆動手段は、互いに一次独立な３つ
   の軸に沿って試料を移動させることが可能である、請求
   項１から５のいずれか１項に記載の磁気共鳴装置。
7. 【請求項７】 試料の近傍で磁場強度を増加させるよう
   に前記磁場印加手段近傍に設けられた反磁性体をさらに
   備えた、請求項１から６のいずれか１項に記載の磁気共
   鳴装置。
8. 【請求項８】 前記試料は不純物がドープされた半導体
   であり、前記磁気共鳴装置は、前記検出手段が検出した
   電磁波に応じて前記半導体内の不純物濃度を測定する、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の磁気共鳴装置。
9. 【請求項９】 磁気モーメントを持つ原子核を含む試料
   を冷却して保持する保持手段と、 磁場強度が試料の基準軸に対して勾配を有するように傾
   斜した磁場を掃引して試料に印加する磁場印加手段と、 磁場が印加された試料に電磁波を照射する照射手段と、 電磁波が照射された試料から放出される電磁波を検出す
   る検出手段とを備えた、磁気共鳴装置。
10. 【請求項１０】 前記磁場印加手段は、試料に磁場を印
    加して原子核をゼーマン分裂させる、請求項９に記載の
    磁気共鳴装置。
11. 【請求項１１】 前記照射手段と前記検出手段とは、共
    通のアンテナ素子を含む、請求項９または１０に記載の
    磁気共鳴装置。
12. 【請求項１２】 前記照射手段はメーザを含む、請求項
    ９から１１のいずれか１項に記載の磁気共鳴装置。
13. 【請求項１３】 前記磁場印加手段が試料に印加する磁
    場の強度を調整する制御手段をさらに備えた、請求項９
    から１２のいずれか１項に記載の磁気共鳴装置。
14. 【請求項１４】 前記磁場印加手段は、第１軸に沿って
    設けられた１対の第１のコイルと、前記第１軸に対して
    一次独立な第２軸に沿って設けられた１対の第２のコイ
    ルと、前記第１軸および前記第２軸に対して一次独立な
    第３軸に沿って設けられた１対の第３のコイルとを含
    む、請求項９から１３のいずれか１項に記載の磁気共鳴
    装置。
15. 【請求項１５】 試料の近傍で磁場強度を増加させるよ
    うに前記磁場印加手段近傍に設けられた反磁性体をさら
    に備えた、請求項９から１４のいずれか１項に記載の磁
    気共鳴装置。
16. 【請求項１６】 前記試料は不純物がドープされた半導
    体であり、前記磁気共鳴装置は、前記検出手段が検出し
    た電磁波に応じて前記半導体内の不純物濃度を測定す
    る、請求項９から１５のいずれか１項に記載の磁気共鳴
    装置。