JP2005503564A - 改善された空間解像度を有する走査型ｓｑｕｉｄ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

対象物の物理特性の空間的に解像された画像を得るための走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡は、対象物によって生成された磁界の接線方向の成分を検出するために、調査中の対象物の面に垂直に配置されたＳＱＵＩＤセンサを含む。調査中の対象物にわたってＳＱＵＩＤセンサを走査する間、位置解釈ユニットからの位置信号、ならびにＳＱＵＩＤセンサからの関連する出力信号が、処理ユニットによって処理され、処理ユニットは、データから対象物の物理特性の空間的に解像された画像を導き出す。対象物の面に対するＳＱＵＩＤセンサの特定の方向は、ＳＱＵＩＤチップの拡大された領域を可能にし、その拡大された領域上に、変調およびフィードバック・ラインが、ＳＱＵＩＤセンサと同じ技術的なプロセスで製造されることができる。さらに、与えられたより大きな接触パッドは、より小さな接触抵抗を提供し、バイアスおよび読み出しワイヤとの接触の形成をより容易にする。

Description

【０００１】
本発明は、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ａｇｅｎｃｙ（国家安全保障機関）によって与えられた契約書番号ＭＤＡ９０４９９Ｃ２５５３の下に政府の支援でなされた。政府は、本発明の特定の権利を有する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、走査型ＳＱＵＩＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ、超伝導量子干渉デバイス）顕微鏡などの磁気走査型デバイスに関し、より詳細には、走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡の空間解像度を改善するための装置および技術に関する。
【０００３】
より詳細には、本発明は、対象物の物理特性の空間的に解像された画像を得るための走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡に関し、ＳＱＵＩＤセンサが、調査中の対象物の試験表面にほぼ垂直に配置され、かつＳＱＵＩＤセンサが、対象物によって生成された磁界の接線方向成分を検出する。このように、ＳＱＵＩＤ顕微鏡の空間解像度は、ＳＱＵＩＤセンサの領域に制限されない。
【０００４】
（発明の背景）
走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡は、ＳＱＵＩＤセンサとしても知られている超伝導量子干渉デバイスによって、材料およびデバイスの磁気特性を非侵襲測定により、様々な対象物の物理特性の空間的に解像された画像を得るために開発されかつ使用された。従来のＳＱＵＩＤＳを用いる磁気画像デバイスは、１ミリメートル以上の大きさの空間解像度を維持し、この空間解像度は、半導体／マイクロ電子機器試験に必要な顕微鏡的に画像を解像するには大きすぎる。さらに、これらのデバイスは、サンプルを真空に置く必要もある。液体または生化学的な標本などのいくつかのサンプルは、真空は許容されることはできず、したがって、現在、既存の低空間解像度ＳＱＵＩＤ画像形成の多くの焦点である、生体磁気の源を測定することは実際的ではない。
【０００５】
米国特許第５４９１４１１号は、磁界測定に改良された空間解像度および磁界感度を提供することができる、わずかな電流および磁界における顕微鏡的な空間変動を画像形成する方法および装置を開示する。しかしながら、デバイスは、デュワー内にサンプルを配置する必要があり、サンプルが低温流体または真空にさらされるとき、サンプルの望まない破壊を結果として生じることがある。仮に、サンプルが、真空環境または低温媒体を許容できるとしても、サンプルを画像形成のために真空または低温空間に導入することは、いくらか面倒でありかつ時間のかかる作業である。
【０００６】
問題は、米国特許第５８９４２２０号に開示されるサンプルの電気特性および磁気特性の顕微鏡的な画像形成のための装置によって、少なくとも部分的に解決された。デバイスは、低温媒体を含む第１部分と真空空間を囲む第２部分とを有するハウジングを含む。低温ＳＱＵＩＤセンサは、真空空間内に配置され、熱交換のためのハウジング内の低温媒体と流体連通する。測定のためのサンプルは、室温またはそれより高温のハウジングの外に配置され、ハウジングの壁に作られた薄い窓を通してＳＱＵＩＤセンサによって「見られる」ことができる。低温ＳＱＵＩＤセンサの出力は、それがサンプル表面にわたって走査されるときに監視される。
【０００７】
他の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡は、国際出願第ＷＯ００／２０８７９号に記載される。このデバイスにおいて、ＳＱＵＩＤセンサは、調査中のサンプル、特に電子回路の表面にわたって走査され、空間解像度を増大しかつサンプルの磁界および電界画像における雑音および縁部構造を取り除くために、測定されたデータは、空間フィルタリングおよびマスキング技術を受ける。
【０００８】
上述された文献に開示された全ての走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡において、ＳＱＵＩＤセンサ・ループは、検出された磁界の垂直成分Ｂ_Ｚだけが測定されるように、サンプル面に平行な面にあるように向けられる。図１に示されるように、サファイヤの先端１２（管１８に取り付けられた）の最も低い点に固定されたＳＱＵＩＤチップ１０は、サンプル１４の面に平行に配置される。サンプル１４は、方向ＸおよびＹに垂直に移動するので、ＳＱＵＩＤセンサは、サンプル１４によって生成された磁界を検出する。特に、図２に示されるように、磁界Ｂが、この特定の例では軸Ｙに沿って延びる電流経路１６によって生成される。電流経路１６から距離Ｚ_０に配置されたＳＱＵＩＤチップ１０は、磁界Ｂの垂直成分Ｂ_Ｚを検出する。この技術に関連する問題は、得られたデータ点のそれぞれが、走査方向へのＳＱＵＩＤセンサ投影領域にわたって平均化された磁界であるという事実から生じる。図３に示されるように、ＳＱＵＩＤセンサ１０の全領域が、サンプルに向かって（下方に）面し、かつサンプル表面へのＳＱＵＩＤセンサの投影領域が大きいので、空間解像度が、サンプル面上に投影したＳＱＵＩＤセンサのサイズに制限される。
【０００９】
国際出願第ＷＯ００／２０８７９号に記載された走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡は、得られたデータをフィルタリングおよびマスキング電子装置を介して処理することによって、わずかに空間解像度を改善する。しかしながら、この技術は、過度な処理ハードウエアおよびソフトウエアを必要とし、サンプル面に対してＳＱＵＩＤセンサの向きを平行にする制限を含む。
【００１０】
従来技術において、負帰還ループまたはフラックス固定ループでＳＱＵＩＤセンサを動作させることが知られている。再び図１を参照すると、フラックス固定ループを維持しまたは他の画像形成構成で必要な読み出し磁束を加えるために、磁束をＳＱＵＩＤセンサに結合するために、３巻きコイル２０がサファイヤ先端１２の周りに巻かれる。ＳＱＵＩＤセンサとコイル２０との間の相互インダクタンスを増加するために、米国特許第５８９４２２０号には、従来技術で知られているフォトリソグラフィ印刷技術を用いて、ＳＱＵＩＤチップに直接コイルを製造することが示唆されている。しかしながら、この示唆は、実際にはより困難である。なぜなら、前の段落で議論されたように、空間解像度とＳＱＵＩＤチップのサイズとの間のトレード・オフに関連する制限を引き起こすＳＱＵＩＤのより大きな領域を必要とするからである。
【００１１】
さらに、ＳＱＵＩＤバイアスおよび読み出しワイヤ２２は、ＳＱＵＩＤチップ１０と処理装置２４との間に結合される。図１に示されるように、ワイヤ２２とＳＱＵＩＤチップ１０との間の接触は、製造するのが難しいことは当業者には明らかである。さらに、ＳＱＵＩＤチップのサイズに加えられる制限のために、接触ページがあまりにも小さく作られるなら、デバイスに対する接触抵抗は望ましくなく高くなることがある。
【００１２】
したがって、従来技術で提案されたようなむしろ複雑な処理技術を使用する必要なくその空間解像度を増加するために、走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡技術への異なる方法が望まれることは明らかである。主題のシステムは、ＳＱＵＩＤのサイズに関連する制限を取り除き、かつ変調およびフィードバック・ラインを収容するためのＳＱＵＩＤチップのより大きなサイズ、ならびにその上に配置される拡大された接触パッドをもたらすことに向けられる。
【００１３】
（発明の概要）
したがって、本発明の目的は、増大された空間解像度を有する走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡を提供することである。
【００１４】
本発明の他の目的は、空間解像度がＳＱＵＩＤチップのサイズによって制限されない走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡を提供することである。
【００１５】本発明のさらに他の目的は、ＳＱＵＩＤセンサが、走査方向においてＳＱＵＩＤチップの領域にわたって検出した磁界の無視できる平均化を達成するように配置される走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡を提供することである。
【００１６】
本発明のさらに他の目的は、サンプル面上へのＳＱＵＩＤセンサの投影領域が無視でき、かつ空間解像度がＳＱＵＩＤセンサのサイズに制限されないために、ＳＱＵＩＤセンサ面が、サンプル面に対して実質的に垂直に向けられる走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡を提供することである。
【００１７】
本発明のさらに他の目的は、対象物の面に対して実質的に垂直なその配向のために、調査中の対象物によって生成される磁界の接線方向成分を検出する走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡を提供することである。
【００１８】
本発明のさらに他の目的は、ＳＱＵＩＤチップのサイズの制限が無いために、同じ技術プロセスでＳＱＵＩＤセンサを有する同じチップ上に変調およびフィードバック・ラインをパターニングすることを可能にし、かつＳＱＵＩＤチップに対するバイアス／読み出しワイヤの都合よくまた低い結合抵抗を可能にする寸法で、ＳＱＵＩＤチップを製造することができる走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡を提供することである。
【００１９】
本発明の教示によれば、対象物の物理特性の空間的に解像された画像を得るための走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡は、調査中の対象物の面に実質的に垂直に向けられたＳＱＵＩＤチップを利用する。特に、ＳＱＵＩＤセンサは、基板上にパターニングされ、その基板平面は、対象物を含む調査中の表面と互いに垂直な関係で配置される。この方向において、対象面上へのＳＱＵＩＤセンサの投影領域は無視でき、走査方向におけるセンサの領域にわたる検出された信号の平均化は、ＳＱＵＩＤセンサの全領域が調査中の対象物に対して下方の向きに面する従来の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡と比較して無視できるほど小さい。このように、本発明のＳＱＵＩＤ顕微鏡の空間解像度は、ＳＱＵＩＤセンサのサイズを制限しない。例えば、ＳＱＵＩＤセンサと対象物との間のＺ＝１５０ミクロンの分離で、本発明のＳＱＵＩＤ顕微鏡から得られる空間解像度は、５ミクロンおよび２ミクロンのサンプリング・ステップについて、それぞれ約４０ミクロンおよび２０ミクロンであり、一方、同じ対象物とＳＱＵＩＤセンサとの分離で、従来のＳＱＵＩＤ顕微鏡から得られた空間解像度は、約８０ミクロンであることが判った。
【００２０】
対象物の走査の間、ＳＱＵＩＤセンサは、複数の位置で対象物によって生成された磁界を検出し、検出された磁界の接線方向成分に対応する信号を送る。
【００２１】
走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡は、さらに、磁界読み取りがなされた位置に対応する信号を出力するための位置解釈ユニットを含む。画像形成手段が含まれ、画像形成手段は、位置解釈ユニットからの信号、ならびに磁界の接線方向成分に対応するＳＱＵＩＤセンサからの信号を受信し、画像形成手段は、さらに、検出された磁界の接線方向成分から、対象物の物理特性の空間的に解像された画像を得る。
【００２２】
ＳＱＵＩＤセンサは、当業者に知られている他の適切な材料も適用できるが、好ましくは、ＳｒＴｉＯ_３双結晶で作られた基板上にパターニングされた超伝導ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７で形成される。ＳＱＵＩＤセンサは、顕微鏡の低温フィンガ先端に取り付けられ、特に調査中の対象物の表面に垂直な関係の先端の端部に延びる平坦な領域に取り付けられる。他の熱伝導非磁性材料を使用することができるが、先端は、好ましくはサファイヤで作られる。
【００２３】
走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡は、低温媒体を含む第１のセクションと、真空空間を囲む第２のセクションとを有するハウジングを含む。透明窓が、ハウジングを囲む周囲大気から真空空間を分離するために、ハウジングの第２のセクションに形成される。そこに取り付けられたＳＱＵＩＤセンサを備える低温フィンガ先端が、真空空間内に配置され、調査中の対象物が、周囲環境に配置され、透明窓によってＳＱＵＩＤセンサから分離される。導管が、ハウジングの第１のセクションとサファイヤ先端との間に延び、ＳＱＵＩＤセンサとの熱交換のためにサファイヤ先端に低温媒体を送る。
【００２４】
透明窓とＳＱＵＩＤセンサとの間の相対配置を調整するために、ならびにＳＱＵＩＤセンサと調査中の対象物との間の距離を調整するために、走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡にいくつかの手段が設けられる。
【００２５】
好ましくは、調査中の対象物は、互いに対して相互に垂直な水平方向のＸおよびＹ方向と、ＸおよびＹ方向に垂直なＺ方向とに移動可能な走査ステージに配置される。
【００２６】
垂直に向けられたＳＱＵＩＤチップでは、ＳＱＵＩＤチップのサイズが、拡大されることができ、処理手段にＳＱＵＩＤチップを結合するワイヤのためのより大きな接触面積を可能にして、ＳＱＵＩＤに対する接触抵抗を低減する。さらに、サファイヤ先端でのＳＱＵＩＤチップの特定の配置のために、従来技術で知られているよりＳＱＵＩＤチップへのワイヤの接続はかなりより容易である。
【００２７】
ＳＱＵＩＤチップの向きのために、ならびにＳＱＵＩＤ顕微鏡のサファイヤ先端に取り付けられる方法のために、より大きな基板領域は、同じ技術的プロセスで、ＳＱＵＩＤチップを備える同じ基板上での変調およびフィードバック・ラインのパターニングもより容易にする、ＳＱＵＩＤチップを可能にすることは重要である。
【００２８】
本発明のこれらのおよび他の新規な特徴および利点は、添付の図面の以下のより詳細な記載からより完全に理解されよう。
【００２９】
（好ましい実施形態の説明）
図４を参照すると、本発明の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡３０は、液体窒素３６または他の任意の低温媒体を受けかつ保持するための冷却剤を含む部分３４、ならびに室温から冷却剤を含む部分３４を熱的に絶縁する真空空間３８を収容するハウジング３２を含む。したがってハウジング３２は、約１０^−５トールに維持された真空空間３８を有する変更されたデュワー・アセンブリである。ハウジング３２は、その中心に実質的に配置された円形開口４２を有する環状プレート４０を含む。窓支持体４４が、環状プレート４０から離間し、窓支持体４４は、プラスチック・フランジ４６を支持し、プラスチック・フランジ４６の端部にサファイヤ窓支持体４８が固定され、透明でかつ薄い窓５０が取り付けられた環状開口を有する。好ましくは、窓５０は、サファイヤで形成され、約２５ミクロンの厚みである。
【００３０】
環状プレート４０は、ＳＱＵＩＤセンサ５６に対して窓５０の動きを可能にするために、３本のねじ切られたロッド５２（その２本だけが図４に示されている）を介して、水平方向調整環状ディスク５４に接続される。ＳＱＵＩＤセンサ５６に対して窓５０を位置合わせするために、環状ディスク５４に対する窓支持体４４の移動を可能にするために、調整ねじ５８が、環状ディスク５４の側方から突き出る。
【００３１】
冷却剤を送る可撓性ベローズ・チューブ６０が、ハウジング３２内で中心にかつ長手方向に延び、ステンレス鋼ベローズ６２、銅または真鍮チューブ６４、および好ましくはサファイヤ先端６６を形成する熱伝導ロッドを含む。ステンレス鋼ベローズ６２は、ハウジング３２の冷却剤を含む部分３４を備える端部６８と連絡する。ベローズ６２の端部７０は、真空空間３８内に配置され、かつグロメット７２の内側フランジの頂部に取り付けられる。チューブ６４の端部７４は、グロメット７２の内側フランジの底部に据えられかつはんだ付けされ、したがって、ステンレス鋼ベローズ６２と連絡する。チューブ６４は、ハウジング３２の真空空間３８を通して、さらに環状プレート４０の開口４２を通して延びる。サファイヤ先端６６が、チューブ６４の第２の端部７６に配置されかつエポキシでそこに固定され、サファイヤ先端６６は、ＳＱＵＩＤチップ５６のために熱伝導基板として作用する。図５に最も良く示されているように、サファイヤ先端６６の端部８０は、サファイヤ先端６６の長手方向軸に平行に延びる、平坦なまたは平面の側方表面８２に製造される。ＳＱＵＩＤチップ５６は、平坦な側方表面８２に粘着式に取り付けられ、走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡３０の動作中に平坦な側方表面８２に固定して保持される。
【００３２】
もう一度図４を参照すると、冷却剤を含む部分３４からの低温媒体３６は、ＳＱＵＩＤチップと液体窒素との間の熱交換を可能にするために、ステンレス鋼ベローズ６２およびチューブ６４を通してサファイヤ先端６６に供給される。
【００３３】
ＳＱＵＩＤチップと窓５０との間の距離は、２ｍｍから３ｍｍであることができ、またはその距離は、互いに対して隣接されることができる。走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡３０の構造は、ＳＱＵＩＤチップの温度を７７°Ｋに維持することを可能にし、一方、ＳＱＵＩＤチップ５６と、調査中の対象物としても本明細書で呼ばれる室温サンプル８４との間のわずかな分離を可能にする。
【００３４】
低温液体が、ステンレス鋼ベローズ６２および銅チューブ６４を通過するとき、これらの要素が収縮することがある。しかしながら、そのような変形は、サファイヤ先端６６またはＳＱＵＩＤチップ５６のどちらの位置も、窓に近接することを防げないが、これは、窓位置が調整ナット８６によって垂直方向に調整されることができるという事実のためである。
【００３５】
サンプル８４が、図４に概略的に示される走査ステージ８４上に、走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡３０のハウジング３２の外側に配置され、走査ステージ８４は、３つの互いに垂直な方向Ｘ、Ｙ、およびＺに移動可能である。好ましくは、ステージがモータで動かされ、約１ミクロンまたはそれより良好な精度の位置を提供する。そのような走査ステージ８８および移動機構は、当業者には知られており本明細書には詳細には記載しない。ステージ８８は、ＸおよびＹ方向にステージ８８を駆動するためのステップ・モータ９０によって移動される。ＳＱＵＩＤセンサから可能な限り離れて（約５０ｃｍ）モータ９０を配置すること、およびモータ９０によって生成される望ましくない磁界からＳＱＵＩＤセンサを遮蔽するために、渦電流磁気遮蔽でそれらを囲むことが好ましい。モータ９０は、マイクロメータに機械的に結合される。しかしながら、モータ９０は、磁気的に雑音を発生するステップ・モータであり、マイクロメータが十分な位置精度を提供するので、マイクロメータが使用される。
【００３６】
好ましくは、モータを動作するための制御ソフトウエアおよび周辺機器を備えるコンピュータまたはプロセッサ９２が、本発明の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡において走査ステージ８８を動作するために使用される。
【００３７】
より詳細には、熱伝導サファイヤ先端６６は、約１インチの長さで０．２５インチの直径であることができる。ＳＱＵＩＤチップ５６は、図５および図８に最も良く示されるように、５００ミクロンの厚みのＳｒＴｉＯ_３双結晶基板９６上にパターニングされた、単一の２００ｎｍ厚みのＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７層９４からなることができる。ＳＱＵＩＤセンサ９８は、約１０ミクロンの幅および約４０ミクロンの高さを有する内側孔を備え、３０ミクロンの幅および６０ミクロンの高さを有する外側概略寸法を備える一般的な矩形形状を有する。
【００３８】
変調およびフラックス・フィードバック・ライン１００は、従来技術で知られているフォトリソグラフィ印刷技術を用いて、同じ基板９６上にＳＱＵＩＤセンサ９８近くにパターニングされる。ＳＱＵＩＤセンサ９８と、変調およびフィードバック・ライン１００のパターンが、基板９６上に形成された後、基板９６は、約１．５ｍｍの幅で５ｍｍの長さを備える実質的に矩形の片に切り出される。ＳＱＵＩＤチップ５６は、図５に最も良く示されるように、平坦な側方表面８２に固定された基板９６を備えるサファイヤ先端６６に接着される。エポキシが硬化した後、サファイヤ先端６６が窓５０内に取り付けられることができるために、ＳＱＵＩＤチップ５６の端部１０４は、研磨されて約８００ミクロンまたはそれより狭い幅にされる。このプロセス中、ＳＱＵＩＤチップの端部１０４は研磨して戻され、ＳＱＵＩＤは、好ましくは数ミクロン内でチップの端部に可能な限り近接される。
【００３９】
ＳＱＵＩＤチップ上への直接に変調およびフィードバック・ライン１００の製造は、ＳＱＵＩＤセンサ９８とライン１００との間の増大された相互インダクタンスを提供し、したがって、フラックス固定ループを維持するため、または本発明の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡の画像形成回路に必要な読み出しフラックスを与えるために、ＳＱＵＩＤに結合する磁気フラックスを増強する。基板９６が十分に大きい（１．５ｍｍ×５ｍｍ）ので、ＳＱＵＩＤセンサ９８と変調およびフィードバック・ライン１００がその上に無い領域は、バイアスおよび読み出しワイヤ１０２をより容易に接触させ、かつデバイスの接触抵抗を実質的に低減する、より大きな接触領域１２０を提供するための十分大きな領域を構成することは当業者には明らかである。
【００４０】
再び図４を参照すると、画像形成のための顕微鏡を設定するとき、窓５０および基板９６の端部１０４は、調整ナット８６またはねじ５８によって窓５０を移動することによって位置合わせされる。窓５０が、ＳＱＵＩＤすなわちチップ５６に対して同じ高さにされたとき、走査ステージ８８上のサンプル８４は、窓５０に対して同じ高さにされ、サンプルとＳＱＵＩＤセンサとの間の分離が、走査中変化しないことを確実にし、ならびにサンプルとＳＱＵＩＤセンサとの間の小さな分離を達成する。この動作は、図４に示されるように、手動的にまたはコンピュータ９２の制御のもとに自動的に、Ｚ方向にステージ８８を移動することによって実行される。この動作は、当業者に知られており、本明細書で詳細には議論されることを意図しない。
【００４１】
サンプル８４の物理特性の画像を得るために、個別のラスタ・スキャン・ラインが、サンプルを例えばＸ方向にＳＱＵＩＤセンサで走査することによって取得され、一方、Ｘ座標（モータ制御ボード１１４から読まれる）および測定された関連する磁界（ＳＱＵＩＤ読み取り電子装置１０６から読まれる）が、同時にコンピュータ９２に記録される。プロセスは、さらに、サンプル８４の表面の２次元画像を構成するために、サンプルをＹ方向に走査することによってＹ値のシーケンスに関して繰り返される。
【００４２】
例えば、図６に示されるように、サンプル８４が電流経路１０８を有するマイクロ電子装置回路である場合には、電流経路１０８に沿って流れる電流Ｉは、磁界Ｂを生成する。ＸＹ平面（走査面）に垂直に向けられたその基板を有するＳＱＵＩＤチップ５６は、サンプル８４の表面１１０から距離Ｚ_０に位置し、まずＸ方向に走査され、それから表面１１０に沿ってＹ方向に走査される。走査の間、ＳＱＵＩＤセンサは、従来技術の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡において、サンプルによって生成される磁界の垂直成分Ｂ_Ｚの方向に対向するとき、磁界Ｂの接線方向成分Ｂ_Ｘを検出する。走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡の空間解像度は、サンプル面に投影するＳＱＵＩＤセンサの領域にわたって平均化された検出磁界に依存する。図７および図５に最も良く示されるように、サンプル表面１１０上へのＳＱＵＩＤセンサ９８の投影は、無視でき、かつほぼ２００ｎｍのＳＱＵＩＤチップの基板９６上に堆積されたＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７の層の厚みによってのみ決定される。したがって、本発明の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡における空間解像度は、実質的にＳＱＵＩＤチップのサイズに無関係であり、ＳＱＵＩＤチップのサイズは、従来技術のＳＱＵＩＤチップとは反対に、１．５ｍｍ×５ｍｍなどのＳＱＵＩＤチップの実質的により大きい領域の利点を有することを可能にする。ＳＱＵＩＤチップの実質的により大きい領域のために、ＳＱＵＩＤセンサ９８と同じチップ上に変調およびフィードバック・ライン１００を製造するが可能である。また、基板９６上により大きい接触パッド１２０を製造することが可能であり、したがってデバイスの接触抵抗を低減し、バイアスおよび読み取りワイヤ１０２との接触をより容易に実装することができる。
【００４３】
図７は、ＳＱＵＩＤセンサが、サンプルをＸ方向に走査したときの、走査のＸ方向におけるＸ値に対する二乗された電流密度を示す。空間解像度は、電流経路１０８を介して流れる電流Ｉによって生成された二乗された電流密度ピーク１１２の「最大値の半分での全幅（ｗｈｏｌｅ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ：ＦＷＨＭ）」として定義される。さらなる段落で議論されるように、図７に示されるように定義される本発明の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡の空間解像度は、サンプル面に平行に向けられたＳＱＵＩＤチップを使用する従来の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡の空間解像度より高い。
【００４４】
再び図４を参照すると、サンプル８４の物理特性の画像取得の間、走査ステージ８８の位置は、ステップ・モータ９０の読み取り位置によって決定される。コンピュータ９２の制御プログラムは、コンピュータ９２に搭載されることができるモータ・コントローラ・ボード１１４から直接に、ステップ・モータ位置を読み取ることができる。同時に、読み出し電子装置１０６は、ＳＱＵＩＤセンサ９８からデータを取得する。
【００４５】
ＳＱＵＩＤ出力とステージ８８の位置との両方は、デジタルの形態に変換され、コンピュータ９２に記録される。データが、コンピュータ９２の制御プログラムを使用して取得されると、データは画像に変換される。その未加工の形態において、画像データは、各Ｎ×Ｍ個の点で１つ以上の関連する磁界値を有する、Ｍ個のライン走査（Ｘ値）が交差した一組のＮ個のライン走査（Ｙ値）からなる。画像を提供するために、データは、まず空間的に調整される、すなわち矩形空間グリッドに線形に補間される。それから画像表現プログラムが使用され、各グリッド点に対してグレー・レベルが割り当てられる。制御プログラムは、従来技術で良く知られており、さらなる詳細は議論しない。制御プログラムは、読み出し電子装置１０６によって読まれたＳＱＵＩＤセンサの出力と同期して、モータ・コントローラ１１４から受信した位置信号を処理し、例えばサンプル８４などの表面から出された磁界などの、対象物の物理特性の空間的に解像された画像をそれから導く。
【００４６】
本発明のＳＱＵＩＤ顕微鏡で得られた空間解像度が、ＳＱＵＩＤチップのサイズに制限されないことを示す計算およびシミュレーションがなされた。図９のグラフは、従来技術のＳＱＵＩＤ顕微鏡と本発明のＳＱＵＩＤ顕微鏡から得られた空間解像度の比較を示す。グラフにおいて、以下の段落で議論する磁気反転技術を加えた後で得られた空間解像度は、ＳＱＵＩＤ分離に対するサンプルに対してプロットされた。空間解像度は、図６に示されるように、サンプル８４のワイヤ１０８を通して流れる電流によって生成された電流密度の二乗ピークの「最大値の半分での全幅（ＦＷＨＭ）」として定義される。
【００４７】
図９において、線ｉ（水平線）は、横寸法１００ミクロンを有するＳＱＵＩＤセンサの空間解像度に対応する。線ｉｉは、５ミクロンのデータ・サンプリング・ステップを有する、従来技術のＳＱＵＩＤ顕微鏡からの空間解像度を示す。従来技術に関しては、ＳＱＵＩＤ分離に対するサンプルが２０ミクロンに低減されても、空間解像度は、約８０ミクロンに制限されかつＳＱＵＩＤセンサの１００ミクロンのサイズによって制限されることが示された。線ｉｉｉおよびｉｖは、それぞれ５ミクロンおよび２ミクロンのデータ・サンプリング・ステップを有する、本発明のＳＱＵＩＤ顕微鏡に関する空間解像度を示す。これら２つの線のＸ方向における空間解像度は、ＳＱＵＩＤのサイズによって制限されない。例えば、Ｚ＝１５０ミクロンの分離で、約８０ミクロンである従来技術のＳＱＵＩＤ顕微鏡から得られる空間解像度と比較して、本発明のＳＱＵＩＤ顕微鏡から得られた空間解像度は、それぞれ５ミクロンおよび２ミクロンのサンプリング・ステップに対して４０ミクロンおよび２０ミクロンである。
【００４８】
図９にプロットされたデータを得るために、ＳＱＵＩＤセンサで得られた磁界データから電流経路を抽出することができる磁界反転技術が適用される。磁界反転技術の原理は、磁界に対する電流密度に関連するＢｉｏｔ−Ｓａｖａｒｔの法則に基づく。２つの主な磁界反転技術が、フーリエ変換の適用および測定された磁界に対する空間フィルタリングに向けられる。雑音の低減およびデータのエッジ効果は、国際特許出願ＷＯ００／２０８７９に開示されるフィルタなどの適切な信号処理フィルタを使用することによって排除されることができる。
【００４９】
磁気反転技術において、電流経路は、分離ｚのＳＱＵＩＤサンプルよりはるかに小さい厚さｄのシート内に制限されることが仮定される。Ｂｉｏｔ−Ｓａｖａｒｔの法則から、
Ｂ_ｚ＝（ｘ，ｙ，ｚ）およびＢ_ｘ（ｘ，ｙ，ｚ）は、以下のように記述される。
【数１】

ここで、μ_０は自由空間の透磁率であり、Ｊ_ｘおよびＪ_ｙはそれぞれ電流密度のｘおよびｙ成分である。
【００５０】
変換原理は、式（１）および（２）を以下のようにフーリエ空間で表現されることを可能にする。
【数２】

ここで、ｂ_ｚ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ，ｚ）、ｊ_ｘｘ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）、およびｊ_ｙ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）は、それぞれ磁界の２次元フーリエ変換、および電流密度である。ｋ_ｘおよびｋ_ｙは、空間周波数ベクトルｋの成分である。
【００５１】
従来技術のＳＱＵＩＤ顕微鏡の場合において、磁界Ｂ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚ成分が検出され、したがってｂ_ｚ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ，ｚ）は、従来のＳＱＵＩＤ顕微鏡から得られるデータのフーリエ変換である。式（３）において、ｊ_ｘ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）およびｊ_ｙ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）は未知である。しかしながら、電流密度の変換を使用して、追加の式が得られ、ｂ_ｚ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ，ｚ）の項におけるｊ_ｘ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）およびｊ_ｙ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）を以下のように記述することができる。
【数３】

【００５２】
望ましくない雑音およびデータのエッジ効果を除去するために、信号処理フィルタを式（５）および（６）に適用することができる。逆フーリエすることで、各二乗された成分の総和である電流密度の二乗が見出される。
【００５３】
本発明のＸ−ＳＱＵＩＤ顕微鏡の場合、磁界Ｂ_ｘ（ｘ，ｙ，ｚ）のｘ成分が検出され、したがって、ｂ_ｚ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ，ｚ）は、Ｘ−ＳＱＵＩＤから得られたデータのフーリエ変換である。式（４）は、ただ１つの未知のｊ_ｙ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）を有するので、式（４）は式（３）より複雑ではない。ｂ_ｘ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）の項におけるｊ_ｙ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）は、以下の式のように記述される。
【数４】

望ましくない雑音およびデータのエッジ効果を除去するために、信号処理フィルタを式（７）に適用することもできる。特に式（２）から、電流密度のｙ成分だけがＢ_ｘ（ｘ，ｙ，ｚ）を生成し、式（７）でフーリエ変換からの信号は、ｋ_ｘ方向に大部分は沿うであろう。したがって、適切な信号処理フィルタは、ｋ_ｘ方向に沿う信号を維持し、かつ大部分は雑音であるｋ_ｘ軸から外れた信号を排除する。フィルタリングされた式（７）の逆フーリエ変換は、Ｊ_ｙ（ｘ，ｙ）を得ることを可能にする。電流密度の二乗は、Ｘ−ＳＱＵＩＤに関するＪ_ｙ（ｘ，ｙ）の二乗であることに留意されたい。
【００５４】
上記の分析は、ＳＱＵＩＤがポイント・センサであり、ＳＱＵＩＤ内に結合される磁束が、まさに１つの位置（ｘ，ｙ，ｚ）での場のためであることを仮定している。しかしながら、実際の全てのＳＱＵＩＤは、ゼロではないピックアップ・ループ面積を有し、ＳＱＵＩＤループにおける全磁束を得るために、そのピックアップ・ループ面積にわたって磁界が積分されなければならない。この積分は、本質的に、ＳＱＵＩＤループの面積にわたる平均磁界に比例するＳＱＵＩＤ出力を結果として生じるプロセスである。ＳＱＵＩＤループの面積にわたる平均磁界に比例する場合には、ｚ−ＳＱＵＩＤの場合では、この平均化は、上記磁気反転技術により取り除かれない電流源をぼやけさせる。しかしながら、ｘ−ＳＱＵＩＤの場合には、ＳＱＵＩＤ本体のわたる平均化によるぼんやりさせる効果は、上記式（７）を以下の関係に置き換えることによって、ｘ方向において取り除かれることができる。
【数５】

ここで、ｂ_ｘ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ，ｚ）は、（ＳＱＵＩＤフィードバック出力の出力に直接関係する）ＳＱＵＩＤループのわたって平均化された磁界のフーリエ変換であり、ｈは、ｚ方向におけるＳＱＵＩＤループの高さであり、ｚは、電流搬送領域とＳＱＵＩＤの最も近接するエッジとの間の垂直方向距離である。これは、ＳＱＵＩＤがｚ方向を向いた場合のように、ＳＱＵＩＤサイズによって完全に制限されない空間解像度を有する、電流密度画像を生成することを最終的に可能にするｘ−ＳＱＵＩＤに関する関係（８）の存在である。
【００５５】
したがって、調査中のサンプルの面に実質的に垂直なＳＱＵＩＤセンサの向きのために、空間解像度がＳＱＵＩＤチップのサイズに制限されない画像の強調された空間解像度が達成されるのは明らかである。走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡の新規な構造のため、１つの技術的プロセスにおいてＳＱＵＩＤセンサが有する同じ基板上に変調およびフィードバック・ラインを直接製造することによって、増加された空間解像度が得られるだけでなく、ＳＱＵＩＤセンサ自体の改善も見出されることができる。したがって、ＳＱＵＩＤセンサと変調およびフィードバック・ラインとの間の相互インダクタンスを増加させ、ならびに走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡の全体構成を単純化する。ＳＱＵＩＤチップのより大きな領域のために、より大きな接触パッドは、デバイスの低減された接触抵抗と、ＳＱＵＩＤチップに対するバイアスおよび読み出しワイヤの結合の単純化とを提供する。
【００５６】
本発明は、その特定の形態および実施形態に関連して記載されたが、上述された以外の様々な変形形態が、本発明の精神および範囲を逸脱することなくできることが理解される。全て特許請求の範囲に規定された本発明の精神または範囲から逸脱することなく、例えば、等価な要素が、特に示されかつ記載された要素に置き換えられることができ、特定の特徴が、他の特徴と無関係に使用されることができ、特定の場合には、要素の特定の位置は、逆転されまたは挿入されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術のＺ−ＳＱＵＩＤ顕微鏡の概略図である。
【図２】
調査中の対象物の走査平面に対して平行に向けられた従来技術のＺ−ＳＱＵＩＤセンサの概略図である。
【図３】
走査方向に、Ｚ−ＳＱＵＩＤの領域にわたって平均化された従来技術のＳＱＵＩＤセンサによって検出された磁界の図示である。
【図４】
本発明の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡の長手方向断面を示す。
【図５】
取り付けられたＳＱＵＩＤセンサを備える本発明の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡の低温フィンガ・サファイヤ先端の概略図である。
【図６】
調査中の対象物に対する本発明のＳＱＵＩＤセンサの面間の相対配置を概略的に示す。
【図７】
走査方向に投影されたＳＱＵＩＤセンサの領域にわたって平均化され検出された磁界の概略図である。
【図８】
ＳＱＵＩＤチップ上で、ＳＱＵＩＤセンサおよび変調／フィードバック・ラインが同じ技術的プロセスでパターニングされた、ＳＱＵＩＤチップ表面の平面図である。
【図９】
従来技術および本発明の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡の空間解像度間の比較を示す図である。

Claims (14)

1. 対象物の物理特性の空間的に解像された画像を得るための走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡であって、
   試験中の少なくとも１つの表面に、実質的に垂直に配置された基板上にパターニングされたＳＱＵＩＤセンサを備え、前記対象物が前記表面上に取り付けられ、
   前記ＳＱＵＩＤセンサが、試験中の前記少なくとも１つの表面における少なくとも１つの相対位置における前記対象物によって生成される磁界を検出し、前記相対位置で検出された前記磁界に対応する出力信号を生成する、走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡。
2. 前記出力信号データを電流密度データに変換するコンピュータ手段をさらに備え、前記コンピュータ手段が、前記ＳＱＵＩＤセンサの寸法に関係なく電流密度画像を提供する手段を含む請求項１に記載の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡。
3. 前記ＳＱＵＩＤセンサが、前記対象物によって生成された磁界の接線方向成分を検出する請求項１に記載の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡。
4. （ａ）前記少なくとも１つの相対位置に対応する位置信号を出力するための位置解釈手段と、
   （ｂ）前記位置解釈手段からの前記位置信号を受信し、前記ＳＱＵＩＤセンサからの前記出力信号を受信し、かつ前記対象物の物理特性の前記空間的に解像された画像をそれから導き出すための画像手段とをさらに備える請求項１に記載の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡。
5. その上に前記対象物を載せる走査ステージと、
   前記ＳＱＵＩＤセンサの前記基板に実質的に垂直に延びる走査面を形成する、少なくとも第１および第２の互いに垂直な方向に、前記走査ステージに沿って前記対象物を再配置するための手段とをさらに備える請求項１に記載の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡。
6. 前記ＳＱＵＩＤセンサと前記対象物の試験中の前記少なくとも１つの表面との間の距離を調整するための手段をさらに備える請求項１に記載の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡。
7. 前記基板上にパターニングされた変調／フィードバック・ラインをさらに備える請求項１に記載の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡。
8. 前記ＳＱＵＩＤセンサが超電導ＹＢａ_２ＣＵ_３Ｏ_７で形成され、前記基板がＳｒＴｉＯ_３で作られる請求項１に記載の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡。
9. 前記対象物の試験中の前記表面に実質的に垂直に延びる、実質的に平坦な領域を含む熱伝導先端をさらに備え、前記ＳＱＵＩＤセンサが、前記熱伝導先端の前記平坦な領域に固定される請求項１に記載の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡。
10. さらに、冷却媒体を含む第１のセクションおよび真空空間を囲む第２のセクションを含むハウジングと、
    前記ハウジングの前記第２のセクションに形成され、かつ前記ハウジングを囲む周囲雰囲気に配置された前記対象物から前記真空空間を分離する透明窓とを備え、そこに固定された前記ＳＱＵＩＤセンサを有する前記熱伝導先端が、前記透明窓に隣接する前記ハウジングの前記第２のセクションに配置され、
    さらに、前記ＳＱＵＩＤセンサと熱交換するためにそこに前記冷却媒体を送るために、前記ハウジングの前記第１のセクションと前記熱伝導先端との間の延びる導管と、
    前記透明窓と前記ＳＱＵＩＤセンサとの間の相対配置を調整するための手段とを備える請求項９に記載の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡。
11. 前記対象物が、マイクロ電子装置回路を含み、試験中の前記表面が、前記磁界を生成する少なくとも１つの電流経路を含む請求項１に記載の走査型ＳＱＵＩＤ顕微鏡。
12. 磁界を生成する対象物の物理特性の空間的に解像された画像を得るための方法であって、
    走査ステージ上に前記対象物を配置するステップと、
    その面と前記対象物の試験中の表面との間の実質的に相互に垂直な関係で、ＳＱＵＩＤセンサを配置するステップと、
    前記対象物の試験中の前記表面の複数の位置で、前記対象物によって生成された磁界の接線方向成分を検出するために、前記対象物の試験中の前記表面を、前記実質的に垂直にそこに向けられたＳＱＵＩＤセンサで走査するステップと、
    前記複数の位置で検出された磁界に対応する前記ＳＱＵＩＤセンサの出力を、前記位置に対応するそれぞれの位置信号と組み合わせて処理するステップと、
    それらから前記対象物の物理特性の空間的に解像された画像を導き出すステップとを含む方法。
13. 前記ＳＱＵＩＤセンサと前記対象物との間の距離を調整するステップをさらに含む請求項１２に記載の方法。
14. 基板上に前記ＳＱＵＩＤセンサをパターニングするステップと、
    前記基板上の変調／フィードバック・ラインを前記ＳＱＵＩＤセンサと実質的に同時にパターニングするステップとをさらに含む請求項１３に記載の方法。

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