JP2005114580A

JP2005114580A - 磁気チップおよびその製造方法

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Publication number: JP2005114580A
Application number: JP2003349832A
Authority: JP
Inventors: Seigo Tsuji; 辻成悟
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】機械加工に脆い希土類磁石を用いながら、先端径が０．０２φ程度の、ＭＲＦＭ装置に用いて好適な、極めて先鋭化された磁気チップおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】
次のような工程、
（１）磁石の先鋭化させた磁極の先端部に磁性粉末を付着させる工程、
（２）磁性粉末の付着した磁極と、その磁極に対向配置されたもう１つの磁石の逆極性の先鋭化させた磁極とを結ぶ線を回転軸にして、磁性粉末の付着した磁石側を回転させながら、２つの磁石間距離を縮める工程、
（３）磁性粉末を２つの磁石が作る磁力線に沿って引き伸ばす工程、
（４）伸びた磁性粉末を樹脂で固める工程、
を含む製造方法で製造する。
【選択図】図４

Description

磁気共鳴力顕微鏡（ＭＲＦＭ）に使用される磁気チップと、その製造方法に関する。

磁気共鳴力顕微鏡（ＭＲＦＭ：Magnetic Resonance Force Microscopy）は、核磁気共鳴法を用いた画像処理装置である磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ：Magnetic Resonance Imaging）と、試料表面の原子像を観察する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscopy）の技術を融合させた、原子レベルの空間分解能が期待されるＭＲＩ装置である。現在、いくつかのグループがその開発を行なっている開発途上の装置であり、現時点での到達空間分解能は、２０ｎｍと言われている。この装置の目的の１つは、単一の遺伝子、単一の蛋白質、単一の生体分子など、極微小試料に対して、その立体構造を画像化し、解析することである。

図１に、ＭＲＦＭの基本原理を示す。ＡＦＭの要素技術は、光ファイバー１、カンチレバー２、試料台３、および図示しないレーザー装置であり、ＭＲＩの要素技術は、高周波（ＲＦ）コイル４、カンチレバー２の先端に装着された磁気チップ５、および図示しない静磁場発生装置である。ＭＲＩに必須な勾配磁場は、高透磁率磁性材料（永久磁石を含む）で作られた磁気チップ５により、空間均一性のきわめて悪い磁場として与えられる。

ＭＲＦＭの動作は、次の通りである。ＭＲＦＭにおける磁気共鳴現象は、外部の静磁場発生装置により与えられた静磁場と、磁気チップ５が発生する勾配磁場との和で定義される試料内静磁場と、ＲＦコイル４により照射される高周波磁場の周波数との一意的関係によって決まる共鳴条件が成立したときに発生する。

共鳴条件が成立していない場合、カンチレバー２は、上記静磁場によって分極された試料の磁化と、磁気チップ５により発生された勾配磁場の積で与えられる磁気力を感じて、磁化と勾配磁場が存在しないときに定義される熱平衡状態の位置から撓んでいる。共鳴条件が成立すると、減少した分極磁化によって磁気力が弱められ、カンチレバー２が熱平衡状態時の位置方向へと戻る。この際に発生する磁気力の変化を磁気共鳴力と呼ぶ。

ＭＲＦＭにおける測定量は、このカンチレバー振幅変位量であり、光干渉法や光てこ法を用いて変位量を測定する。磁気チップ５を試料６の上で走査することにより、試料６上の各位置における磁気共鳴力強度分布を得ることができる。この磁気共鳴力強度分布を、既知の磁場分布および勾配磁場分布を考慮しながらコンピュータ処理を施すことで、実空間像を再現する。

米国特許第５２６６８９６号公報。

特公平７−６９２８０号公報。

日本応用磁気学会誌、第２２巻、第１号、１９頁（１９９８）。

Journal of Applied Physics, Vol. 79, p.1881 (1996)。

このようなＭＲＦＭ装置では、上述した磁気共鳴力を増加させることが、検出感度の向上に必要である。磁気力（ベクトルＦ）は、磁化（ベクトルＭ）と試料位置での磁場（ベクトルＨ）の内積で表わされるZeemanポテンシャルを、試料位置（ベクトルｒ）で微分した量で与えられる。例えば、磁気力のβ方向成分は、

（１）
で記述される。ここで、α、βは、直交座標系におけるｘ、ｙ、ｚのいずれかを表わす。式（１）から明らかなように、磁気力の強度を増加させるには、一般には、共鳴磁場強度を強くし、試料の磁化を増加させるとともに、磁場勾配∂Ｈ_α／∂βの増加を図る必要がある。ＭＲＦＭ測定では、サブミクロンの分解能を要求しているため、従来の技術であるＭＲＩ装置に使用されている磁場勾配強度よりも１００００倍以上大きな１０^−３Ｔ／μｍを超える勾配強度が必要である。

ＭＲＩ装置の特徴を併せ持つＭＲＦＭ装置を使った３次元立体画像、もしくは透視画像を得るためには、上記磁気チップが発生する共鳴磁場曲面と試料が交差する条件下で試料ステージを３次元走査し、共鳴磁場曲面の形状と試料形状、ならびに、試料内スピン分布に依存した磁気共鳴力の分布図である“磁気共鳴力マップ”を取得する必要がある。そして、磁気チップによる共鳴磁場分布を考慮しながら、測定された磁気共鳴力マップにコンボリューション演算処理を行ない、実空間における実画像を再現する（非特許文献２）。

従って、限られた試料ステージの走査範囲内で、画像処理に必要とされる磁気共鳴力マップを取得するためには、図２（ａ）のような、試料がいつまでも共鳴磁場曲面の内部に存在し続けるような状況は避け、図２（ｂ）のように、試料サイズの数倍の走査範囲で試料が共鳴磁場曲面の外部に移動できることが望ましい。よって、この共鳴磁場曲面の形状は、曲率が大きい、より鋭い曲面を持つ共鳴磁場分布である必要がある。

ＭＲＦＭ装置の構成要素の１つである磁気チップは、以下の２つの特性を満たす必要がある。
（１）共鳴磁場強度に見合うだけの大きな磁場を発生させることができ、更に、できるだけ共鳴磁場強度を強く設定し、試料の磁化を増加させ、ＭＲＦＭが検出する磁気力を大きくすることができること。
（２）磁気チップの先端を先鋭化することによって、発生する等高磁場曲面の曲率を大きくし、得られる実空間像の空間分解能を高くすることができること。
（１）の目的から、ＭＲＦＭには、現時点で最高の強磁場を発生することができる希土類磁石が用いられる。しかしながら、希土類磁石は、焼結体から成り、硬くて脆い欠点がある。このため、（２）で要求される先鋭化において、機械研磨など研削加工では、先端が崩れ易く、先端径０．１φ程度の加工に留まり、より先端の鋭い先鋭化加工には限界がある。

本発明の目的は、上述した点に鑑み、機械加工に脆い希土類磁石を用いながら、先端径が０．０２φ程度の、ＭＲＦＭ装置に用いて好適な、極めて先鋭化された磁気チップおよびその製造方法を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明にかかる磁気チップは、
尖った先端部を有し、この先端部に磁性粉末を円錐状に成形した針を備えて成ることを特徴としている。

また、前記磁性粉末は、勾配の大きな磁力線によって配向させることにより成形されることを特徴としている。

また、磁気共鳴力顕微鏡に用いる磁気チップであって、次のような工程、
（１）磁石の先鋭化させた磁極の先端部に磁性粉末を付着させる工程、
（２）磁性粉末の付着した磁極と、その磁極に対向配置されたもう１つの磁石の逆極性の先鋭化させた磁極とを結ぶ線を回転軸にして、磁性粉末の付着した磁石側を回転させながら、２つの磁石間距離を縮める工程、
（３）磁性粉末を２つの磁石が作る磁力線に沿って引き伸ばす工程、
（４）伸びた磁性粉末を樹脂で固める工程、
を含む製造方法で製造されることを特徴としている。

また、さらに、引き伸ばされた磁性粉末の先端を対向配置された磁石に接触させて、その先端部のみを対向配置された磁石側に移す工程を含む製造方法で製造されることを特徴としている。

また、尖った先端部に、磁性粉末を円錐状に成形した針を作成する工程を少なくとも含むことを特徴としている。

また、前記工程は、勾配の大きな磁力線によって磁性粉末を配向させる工程を少なくとも含むことを特徴としている。

また、磁気共鳴力顕微鏡に用いる磁気チップの製造方法であって、次のような工程、
（１）磁石の先鋭化させた磁極の先端部に磁性粉末を付着させる工程、
（２）磁性粉末の付着した磁極と、その磁極に対向配置されたもう１つの磁石の逆極性の先鋭化させた磁極とを結ぶ線を回転軸にして、磁性粉末の付着した磁石側を回転させながら、２つの磁石間距離を縮める工程、
（３）磁性粉末を２つの磁石が作る磁力線に沿って引き伸ばす工程、
（４）伸びた磁性粉末を樹脂で固める工程、
を少なくとも含むことを特徴としている。

また、さらに、引き伸ばされた磁性粉末の先端を対向配置された磁石に接触させて、その先端部のみを対向配置された磁石側に移す工程を含むことを特徴としている。

次のような工程、
（１）磁石の先鋭化させた磁極の先端部に磁性粉末を付着させる工程、
（２）磁性粉末の付着した磁極と、その磁極に対向配置されたもう１つの磁石の逆極性の先鋭化させた磁極とを結ぶ線を回転軸にして、磁性粉末の付着した磁石側を回転させながら、２つの磁石間距離を縮める工程、
（３）磁性粉末を２つの磁石が作る磁力線に沿って引き伸ばす工程、
（４）伸びた磁性粉末を樹脂で固める工程、
を少なくとも含む製造方法で製造されるので、機械加工に脆い希土類磁石を用いながら、先端径が０．０２φ程度の、ＭＲＦＭ装置に用いて好適な、極めて先鋭化された磁気チップを提供することが可能になった。

本発明では、大きな磁場強度を作ることのできる希土類磁石の粉末を用い、それらを配向させ、加工成形することによって、針状かつ軸対称な形状を持つチップ磁石を構築する。

磁性粉末を針状に並べる方法としては、以下の原理に基づいた磁場配向法を用いる。台の上に磁石を置き、その付近に鉄粉をまいた系を考える。鉄粉は、磁石の１つの端から出る磁力線上に連なって並ぶ。更に、台を細かく揺することで、鉄粉が描く磁力線の模様が鮮明になる。このとき、鉄粉が磁力線に沿って線状に並ぶ理由は、各鉄粉にかかる２つの力と、鉄粉を並び替える１つの作用とが働くためである。

各鉄粉にかかる２つの力とは、次の２つである。
（１）鉄粉の磁化をベクトルＭ、磁石が作る磁界の強さをベクトルＨとすると、鉄粉には、次式で与えられる磁力ベクトルＦが働く。

（２）
この磁力が、鉄粉を磁力線に沿って配向させる力の源となる。
（２）また、磁石によって、鉄粉自身が小さな磁石になり、鉄粉が磁場を誘起するので、個々の鉄粉間にも上式で与えられる力が働く。この力は、２つの鉄粉の磁気双極子間相互作用によって、…（ＮＳ）（ＮＳ）（ＮＳ）…というように、極を揃えて並ぶ並び方を安定化する。この力が、鉄粉同士が連なって線状に並ぶ源となる。

また、鉄粉を並び替える１つの作用とは、次の通りである。
（３）台に細かな振動を与え、鉄粉を随時宙に浮かせると、鉄粉は台との摩擦が弱くなり、磁場勾配∇Ｈがより強い場所へ移動し、また、鉄粉同士がより線状に並ぶようになる。このように、系に台の振動という作用を与えることによって、鉄粉が再配置され、安定化する。

磁性粒子に（１）および（２）の力を発生させる構成要素として、図３のように、２つの磁気チップを用意する。２つの磁気チップは、尖った先端同士が向き合い、先端が異なった極に着磁されている。更に、２つの磁気チップは、間に所定のギャップを挟んで対向配置されている。

磁性粉末は、どちらか一方の磁気チップの先端に付着させる。これにより、磁石が並ぶ方向をＺ軸方向とすると、磁性粒子に対し、Ｚ軸近傍を最大とする大きな磁場が作られ、大きな磁化Ｍｚが与えられる。また、磁性粒子に対し、Ｚ軸近傍を最小とする、ＸＹ方向に傾斜を持った勾配磁場Ｈｚが与えられる。その結果、Ｚ軸近傍に、（１）および（２）の大きな力が生まれる。更に、（１）と（２）の力の強弱は、ギャップの間隔を変えることで調整される。

磁性粒子に（３）の作用を与える動作として、磁性粉末が付着した磁気チップを、Ｚ軸を回転軸にして、高速回転させる。高速回転させられた磁性粒子には、遠心力が働き、力（１）と力（２）の働きで、より強い磁界が存在している場所へ再配置される。このような２つの磁気チップを用い、磁性粉末を配向させることによって、一方の磁気チップの上に、ギャップ間にできる磁力線に沿って磁性粒子を並べ、先端径が粒子径にまで細められた磁気チップを構築することができる。

尚、磁気チップが作る共鳴磁場の分布が単調であれば、ＭＲＦＭで得られた磁気力マップから実空間像に変換するデコンボリューション演算処理は、平易になる利点がある。上記の方法で作製される磁石は、磁性粒子の付着した磁気チップをＺ軸に対して高速回転して構築され、形状は、回転軸に対して軸対称なものに近づくので、２次曲面で近似される単調な磁場分布を作ることができる。

磁性粉末を先の尖った円錐形状の磁気チップに加工成形する方法を説明するに当たり、その構成要素を図４に示す。

予め、機械研磨加工で０．２φ程度に先鋭化された２つの磁気チップ１０、１１を用意する。磁気チップ１０、１１は、サマリウムコバルト合金（ＳｍＣｏ）など、強い磁界を発生できる希土類磁石が適する。機械研磨加工で０．２φ程度に先鋭化するための１つの方法として、やすりを用いた円柱磁石の機械研磨加工の様子を図５に示す。

この図には、加工する円柱磁石がドリルに固定され、別途固定されたやすりに接触させながら回転され、円錐形状に研磨加工される様子が描かれている。機械研磨された２つの磁気チップのうち、１つは磁性粉末の土台として用いられ、もう１つは磁性粉末を配向させるための役割を担う。以後、前者を磁気チップＡ、後者を磁気チップＢと呼ぶ。

図４に示すように、磁気チップＡは、１０Ｈｚ程度の回転速度で高速回転する図示しないハンドドリルの先端に、支柱１３を介して取り付けられる。磁気チップＢは、可動ステージ１２の上に載せ、固定される。

磁性粉末は、図６に示すように、着磁されていない希土類磁石の焼結体をメノウ乳鉢に入れ、粒径が０．０２φ程度になるまで、メノウ棒で粉砕することによって調製される。

このようにして準備された磁気チップ、および磁性粉末を用いて、針状の磁気チップを作る。その作り方の手順は、以下に示す通りである。
（１）予め機械研磨加工で０．２φ程度に先鋭化された２つの磁気チップ１０、１１の先鋭化された先端部が、Ｎ極とＳ極で対向するように設置する。この２つの磁気チップ１０、１１は、ギャップ間に、直線性が高く、勾配の大きな磁力線を作り出す役割を担う。
（２）磁気チップＡ１０は、ドリルの先端に固着し、回転できるようにする。このときの回転軸は、図４に示すように、磁性粉末の付着した磁極と、その磁極に対向配置されたもう１つの磁石の逆極性の先鋭化させた磁極とを結ぶ線（Ｚ軸）を回転軸とする。もう一方の磁気チップＢ１１は、磁気チップＡ１０との間隔を可変できるように、Ｚ軸方向に可動できる可動ステージ１２上に固定する。
（３）０．０２φ程度になるまでメノウ棒で粉砕された未着磁の磁性粉末を、磁気チップＡ１０の先鋭化された先端部に適量付着させる。
（４）ドリルを回転させることによって、磁気チップＡ１０を回転させる。この磁気チップＡ１０を回転させる動作によって、先端部に付着させた磁性粉末に、回転軸に対する動径方向と回転方向の遠心力を発生させ、磁性粒子の再配列を促進させる。これにより、磁性粉末の塊の形状は、回転軸に対して軸対称となるような円錐状になる。
（５）磁気チップＢ１１をＺ軸方向に移動させ、磁気チップＡ１０の先端部に付着した磁性粉末に接近させると、円錐状の磁性粉末の塊は、２つの磁石が作る磁力線に沿って引き伸ばされ、磁気チップＢ１１の先端に向かって伸びて行く。図７にその様子を示す。ここで、磁気チップＢ１１の位置を固定し、磁気チップＡ１０の回転を続けると、磁気チップＡ１０の先端部に載った磁性粉末は、回転軸に沿って軸対称な細長い円錐状に整列する。磁気チップＢ１１のＺ位置を微調整し、円錐形状の高さを調整する。
（６）この時点で、磁性粉末は、すでに磁気力によって固まっているが、さらに強固に結合させる目的で、図８に示すように、粘性が低く、固まる時間が遅いワニスやエポキシ樹脂接着剤などを、磁気粉末の塊に染み込ませる。
（７）図８の右に示すように、ゆっくりと磁気チップＢ１１を磁気チップＡ１０から遠ざけた後、磁気チップＡ１０の回転を止め、染み込ませた樹脂が固まるまで静止させる。樹脂が固まれば、針状のＭＲＦＭ用磁気チップは完成する。その後、支柱１３の部分を取り外し、カンチレバーに取り付けて使用する。

磁性粉末を先の尖った円錐形状の磁気チップに加工成形する別の方法を説明するに当たり、その構成要素を図４に示す。

このようにして準備された磁気チップ、および磁性粉末を用いて、針状の磁気チップを作る。その作り方の手順は、以下に示す通りである。
（１）予め機械研磨加工で０．２φ程度に先鋭化された２つの磁気チップ１０、１１を先鋭化された先端部が、Ｎ極とＳ極で対向するように設置する。この２つの磁気チップ１０、１１は、ギャップ間に、直線性が高く、勾配の大きな磁力線を作り出す役割を担う。
（２）磁気チップＡ１０は、ドリルの先端に固着し、回転できるようにする。このときの回転軸は、図４に示すように、磁軸（Ｚ軸）を回転軸とする。もう一方の磁気チップＢ１１は、磁気チップＡ１０との間隔を可変できるように、Ｚ軸方向に可動できる可動ステージ１２上に固定する。
（３）０．０２φ程度になるまでメノウ棒で粉砕された未着磁の磁性粉末を、磁気チップＡ１０の先鋭化された先端部に適量付着させる。
（４）ドリルを回転させることによって、磁気チップＡ１０を回転させる。この磁気チップＡ１０を回転させる動作によって、先端部に付着させた磁性粉末に、回転軸に対する動径方向と回転方向の遠心力を発生させ、磁性粒子の再配列を促進させる。これにより、磁性粉末の塊の形状は、回転軸に対して軸対称となるような円錐状になる。
（５）磁気チップＢ１１をＺ軸方向に移動させ、磁気チップＡ１０の先端部に付着した磁性粉末に接近させると、円錐状の磁性粉末の塊は、２つの磁石が作る磁力線に沿って引き伸ばされ、磁気チップＢ１１の先端に向かって伸びて行く。図７にその様子を示す。ここで、磁気チップＢ１１の位置を固定し、磁気チップＡ１０の回転を続けると、磁気チップＡ１０の先端部に載った磁性粉末は、回転軸に沿って軸対称な細長い円錐状に整列する。磁気チップＢ１１のＺ位置を微調整し、円錐形状の高さを調整する。
（６）磁気チップＢ１１を、細長い円錐状に伸びた粉末磁石の先端に接触させると、粉末磁石の先端部のみを磁気チップＢ１１上に移すことができ、図９に示すように、線状に成形されたシャープな磁性粉末針が磁気チップＢ１１の先端に構築される。
（７）この時点で、磁性粉末針は、すでに磁気力によって固まっているが、さらに強固に結合させる目的で、粘性が低く、固まる時間が遅いワニスやエポキシ樹脂接着剤などを、磁性粉末針に染み込ませる。
（８）ゆっくりと磁気チップＢ１１を磁気チップＡ１０から遠ざけた後、磁気チップＢ１１上の磁性粉末針に染み込ませた樹脂が固まるまで静止させる。樹脂が固まれば、針状のＭＲＦＭ用磁気チップは完成する。その後、支柱１３の部分を取り外し、カンチレバーに取り付けて使用する。

ＭＲＦＭ装置で使用可能な磁気チップの製造に広く利用できる。

ＭＲＦＭ装置の基本原理を示す図である。従来のＭＲＦＭ装置の磁気チップ近傍を拡大した図である。本発明にかかる磁気チップの製造方法の基本原理を示す図である。本発明にかかる磁気チップの製造方法の一工程を示す図である。本発明にかかる磁気チップの製造方法の一工程を示す図である。本発明にかかる磁気チップの製造方法の一工程を示す図である。本発明にかかる磁気チップの製造方法の一工程を示す図である。本発明にかかる磁気チップの製造方法の一工程を示す図である。本発明にかかる磁気チップの製造方法の一工程を示す図である。

符号の説明

１：光ファイバー、２：カンチレバー、３：試料台、４：高周波コイル、５：磁気チップ、６：試料、１０：磁気チップＡ、１１：磁気チップＢ、１２：可動ステージ、１３：支柱

Claims

尖った先端部を有し、この先端部に磁性粉末を円錐状に成形した針を備えて成る磁気チップ。
前記磁性粉末は、勾配の大きな磁力線によって配向させることにより成形されることを特徴とする請求項１記載の磁気チップ。
磁気共鳴力顕微鏡に用いる磁気チップであって、次のような工程、
（１）磁石の先鋭化させた磁極の先端部に磁性粉末を付着させる工程、
（２）磁性粉末の付着した磁極と、その磁極に対向配置されたもう１つの磁石の逆極性の先鋭化させた磁極とを結ぶ線を回転軸にして、磁性粉末の付着した磁石側を回転させながら、２つの磁石間距離を縮める工程、
（３）磁性粉末を２つの磁石が作る磁力線に沿って引き伸ばす工程、
（４）伸びた磁性粉末を樹脂で固める工程、
を含む製造方法で製造されることを特徴とする磁気チップ。
さらに、引き伸ばされた磁性粉末の先端を対向配置された磁石に接触させて、その先端部のみを対向配置された磁石側に移す工程を含む製造方法で製造されることを特徴とする請求項３記載の磁気チップ。
尖った先端部に、磁性粉末を円錐状に成形した針を作成する工程を少なくとも含んだ磁気チップの製造方法。
前記工程は、勾配の大きな磁力線によって磁性粉末を配向させる工程を少なくとも含むことを特徴とする請求項５記載の磁気チップの製造方法。
磁気共鳴力顕微鏡に用いる磁気チップの製造方法であって、次のような工程、
（１）磁石の先鋭化させた磁極の先端部に磁性粉末を付着させる工程、
（２）磁性粉末の付着した磁極と、その磁極に対向配置されたもう１つの磁石の逆極性の先鋭化させた磁極とを結ぶ線を回転軸にして、磁性粉末の付着した磁石側を回転させながら、２つの磁石間距離を縮める工程、
（３）磁性粉末を２つの磁石が作る磁力線に沿って引き伸ばす工程、
（４）伸びた磁性粉末を樹脂で固める工程、
を少なくとも含むことを特徴とする磁気チップの製造方法。
さらに、引き伸ばされた磁性粉末の先端を対向配置された磁石に接触させて、その先端部のみを対向配置された磁石側に移す工程を含むことを特徴とする請求項７記載の磁気チップの製造方法。