特許 6362964 電子スピン共鳴測定装置、半導体装置、及び電子スピン共鳴の測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6362964

(24)【登録日】2018年7月6日

(45)【発行日】2018年7月25日

(54)【発明の名称】電子スピン共鳴測定装置、半導体装置、及び電子スピン共鳴の測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 24/10 20060101AFI20180712BHJP

【ＦＩ】

   G01N24/10 510D

   G01N24/10 510L

   G01N24/10 520B

【請求項の数】11

【全頁数】32

(21)【出願番号】特願2014-167768(P2014-167768)

(22)【出願日】2014年8月20日

(65)【公開番号】特開2016-45016(P2016-45016A)

(43)【公開日】2016年4月4日

【審査請求日】2017年7月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】504160781

【氏名又は名称】国立大学法人金沢大学

(74)【代理人】

【識別番号】100121120

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 尚

(74)【代理人】

【識別番号】100094145

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 由己男

(72)【発明者】

【氏名】北川 章夫

(72)【発明者】

【氏名】河合 一樹

(72)【発明者】

【氏名】林 雅隆

【審査官】 藤田 都志行

(56)【参考文献】

【文献】 特許第５１３５５７８（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２０００−２３７１６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平４−１２６１８４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００９−１９２５１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５４−６８６９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第５３０２８９８（ＵＳ，Ａ）

【文献】 野手 翔太, 秋田 純一, 北川 章夫，「マイクロ電子スピン共鳴センサの基礎検討」，映像情報メディア学会技術報告，２００７年 ６月２１日，Vol.31, No.28，pp.13-16

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２４／００−２４／１４

Ｇ０１Ｒ ３３／２０−３３／６４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象物に対して第１方向に第１磁場を印加する磁場印加部と、
前記測定対象物に対して第２方向に交流磁場である第２磁場を印加するインダクタ部と、
前記インダクタ部と接続されて発振回路を形成し、素子パラメータを変化することにより前記第２磁場の周波数を変化させる発振回路形成部と、
前記第２磁場の周波数に対応する前記発振回路の発振周波数を計数する発振周波数計数部と、
前記発振周波数と前記素子パラメータとを関連づけて、前記発振周波数の前記素子パラメータについての関数として表現される前記測定対象物の電子スピン共鳴スペクトルを取得するスペクトル取得部と、
を備える電子スピン共鳴測定装置。

【請求項2】

前記発振回路形成部は容量可変キャパシタを含み、前記素子パラメータは前記容量可変キャパシタのキャパシタンスである、請求項１に記載の電子スピン共鳴測定装置。

【請求項3】

前記発振回路形成部は可変抵抗を含み、前記素子パラメータは前記可変抵抗の抵抗値である、請求項１又は２に記載の電子スピン共鳴測定装置。

【請求項4】

前記インダクタ部と前記発振回路形成部とにより形成される前記発振回路は電圧制御発振器であり、前記素子パラメータは電圧である、請求項１〜３のいずれかに記載の電子スピン共鳴測定装置。

【請求項5】

前記第１磁場は所定の強度を有する直流磁場である、請求項１〜４のいずれかに記載の電子スピン共鳴測定装置。

【請求項6】

前記インダクタ部と前記発振回路形成部とは、同一の半導体装置上に形成されている、請求項１〜５のいずれかに記載の電子スピン共鳴測定装置。

【請求項7】

測定対象物に対して第１方向に第１磁場を印加し第２方向に交流磁場である第２磁場を印加することにより、前記測定対象物において発生する電子スピン共鳴のスペクトルである電子スピン共鳴スペクトルを測定する電子スピン共鳴測定装置に用いられる半導体装置であって、
前記第２磁場を発生するインダクタ部と、
前記インダクタ部と接続されて発振回路を形成し、素子パラメータを変化することにより前記第２磁場の周波数を変化させる発振回路形成部と、を備え、
前記電子スピン共鳴スペクトルは、前記第２磁場の周波数に対応する前記発振回路の発振周波数の前記素子パラメータについての関数として表現される、半導体装置。

【請求項8】

前記発振回路形成部は、キャパシタンスが印加する電圧により調整可能なバラクタを含む、請求項７に記載の半導体装置。

【請求項9】

交流磁場である第２磁場を発生するインダクタ部と、前記インダクタ部と接続されて発振回路を形成し素子パラメータを変化することにより前記第２磁場の周波数を変化させる発振回路形成部と、を備える電子スピン共鳴測定装置における電子スピン共鳴の測定方法であって、
測定対象物に対して第１方向に第１磁場を印加するステップと、
前記素子パラメータを所定の範囲にて変化させながら前記第２磁場を前記測定対象物に対して第２方向に印加するステップと、
前記素子パラメータの各値における前記発振回路の発振周波数を計数するステップと、
前記発振周波数と前記素子パラメータとを関連づけて、前記発振周波数の前記素子パラメータについての関数として表現される前記測定対象物の電子スピン共鳴スペクトルを取得するステップと、
を含む電子スピン共鳴の測定方法。

【請求項10】

前記第２磁場が前記測定対象物に印加されていないときの前記発振周波数と前記素子パラメータとの関係を表現するバックグラウンド関数を取得するステップをさらに含む、請求項９に記載の電子スピン共鳴の測定方法。

【請求項11】

前記電子スピン共鳴スペクトルと前記バックグラウンド関数との交点を算出して前記測定対象物の電子スピン共鳴角周波数を算出するステップをさらに含む請求項１０に記載の電子スピン共鳴の測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電子スピン共鳴測定装置、電子スピン共鳴を測定するための半導体装置、及び、電子スピン共鳴の測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、分子中や遷移金属に含まれる不対電子（互いに逆向きのスピンを有する２つの電子が対になっていない状態の電子）を測定するために、電子スピン共鳴を測定することが知られている。不対電子の存在は、例えば、分子の反応性及び遷移金属などの磁性特性に影響を及ぼす。

【0003】

電子スピン共鳴とは、分子中や磁性体材料などに所定の周波数（エネルギー）を有する磁界を印加した際に、分子中や磁性体材料に含まれる不対電子がより高いエネルギー準位に励起される現象である。電子スピン共鳴の発生時に測定対象に印加した磁界の測定対象による吸収量及び／又は上記の所定の周波数などを測定することにより、測定対象の分子や磁性体材料などの種類や、測定対象の分子や磁性体材料などに含まれる不対電子量を測定できる。

【0004】

例えば、非特許文献１には、ＬＣ発振器と周波数分離器とを１チップの半導体装置上に形成した電子スピン共鳴検出器が開示されている。非特許文献１の電子スピン共鳴検出器においては、室温（ただし、冷却が必要）において１０^８スピン／（ＧＨｚ）^１／２の感度にて電子スピン（すなわち、不対電子量）を検出している。

【0005】

また、特許文献１には、サンプルに磁場を印加する磁石と、サンプルと一定関係の位置に配置されたインダクタと、インダクタに交流電流を供給する交流電圧源およびオペアンプと、その交流電流の周波数を変化させる周波数調整部と、変化された周波数ごとにインダクタのインダクタンスを計測するインダクタンス計測部と、を備えた磁気共鳴測定装置が開示されている。
特許文献１の磁気共鳴測定装置は、計測されたインダクタンスの虚部が特徴的な変化傾向を示す周波数に基づいて、サンプルの物性値を特定している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第５１３５５７８号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】ジェンス・アンダース（Ｊｅｎｓ Ａｎｄｅｒｓ）、アレクサンダー・アンゲルホーファー（Ａｌｅｘａｎｄｅｒ Ａｎｇｅｒｈｏｆｅｒ）、ジオヴァニ・ボエロ（Ｇｉｏｖａｎｎｉ Ｂｏｅｒｏ）、「Ｋ−バンド・シングルチップ・電子スピン共鳴検出器（Ｋ−ｂａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｃｈｉｐ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｉｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）」、ジャーナル・オブ・マグネティック・レゾナンス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）、エルゼビア（ＥＬＳＥＶＩＥＲ）（オランダ）、２０１２年、第２１７巻、ｐ．１９−２６

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

従来の電子スピン共鳴検出器及び磁気共鳴測定装置においては、不対電子量に対する測定信号（非特許文献１の電子スピン共鳴検出器において、測定信号はＬＣ共振器の共振周波数変化。特許文献１の磁気共鳴測定装置において、測定信号はインダクタのインダクタンス。）の感度が低かった。そのため、例えば、非特許文献１においては、測定信号の測定感度を上げるために、ＰＬＬ回路（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ、位相同期回路）とロックインアンプとを用いて測定信号を検出していた。

【0009】

また、従来の電子スピン共鳴検出器及び磁気共鳴測定装置においては、測定対象に印加する磁界の強度や周波数を直接変化することにより、上記の測定信号を得ていた。電子スピン共鳴の測定においては、測定対象に印加する磁界の強度は大きく、強磁界の磁界強度を変化させるためには、大規模な電磁石などを用いる必要があった。

【0010】

さらに、測定対象に印加する磁界の周波数は高く（ＭＨｚ〜ＧＨｚオーダー）、従来の電子スピン共鳴の測定装置を扱うためには、高周波数の信号を扱うための専門的な知識を必要としていた。

【0011】

本発明の課題は、電子スピン共鳴測定装置において、測定装置の構造を単純化しより簡単に電子スピン共鳴を測定することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。
本発明の一見地に係る電子スピン共鳴測定装置は、磁場印加部と、インダクタ部と、発振回路形成部と、発振周波数計数部と、スペクトル取得部と、を備える。
磁場印加部は、測定対象物に対して第１方向に第１磁場を印加する。インダクタ部は、測定対象物に対して第２方向に第２磁場を印加する。第２磁場は交流磁場である。
発振回路形成部は、インダクタ部と接続されて発振回路を形成する。また、発振回路形成部は、素子パラメータを変化することにより第２磁場の周波数を変化させる。発振周波数計数部は、インダクタ部と発振回路形成部とにより形成される発振回路の発振周波数を計数する。発振回路の発振周波数は、第２磁場の周波数に対応する。
スペクトル取得部は、発振周波数と素子パラメータとを関連づけて、測定対象物の電子スピン共鳴スペクトルを取得する。電子スピン共鳴スペクトルは、発振周波数の素子パラメータについての関数として表現される。

【0013】

上記の電子スピン共鳴測定装置においては、磁場印加部が測定対象物に対して第１方向に第１磁場を印加した状態にて、インダクタ部が第２磁場を測定対象物に対して第２方向に印加する。このとき、発振回路形成部の素子パラメータを変化させることにより、インダクタ部から発生する第２磁場の周波数を変化させる。その結果、第２磁場が所定の周波数になった時に、測定対象物において電子スピン共鳴が発生する。

【0014】

測定対象物に第１磁場と第２磁場とが印加された状態にて、発振周波数計数部が、インダクタ部と発振回路形成部とにより形成される発振回路の発振周波数を計数する。このとき、発振回路の発振周波数は、第２磁場の周波数に対応している。その後、スペクトル取得部が、計数した発振周波数と素子パラメータとを関連づけて、電子スピン共鳴スペクトルを取得する。

【0015】

上記の電子スピン共鳴測定装置においては、発振回路形成部の素子パラメータを変化することにより、測定対象物に印加する第２磁場の周波数を変化している。これにより、高周波信号についての高度な知識を必要とすることなく、測定対象物に対して周波数を変化した第２磁場を印加できる。その結果、電子スピン共鳴の測定が簡単になる。

【0016】

また、上記の電子スピン共鳴測定装置においては、スペクトル取得部が、インダクタ部と発振回路形成部とにより形成される発振回路の発振周波数の、発振回路形成部の素子パラメータについての関数として電子スピン共鳴スペクトルを取得している。これにより、電子スピン共鳴により影響される測定信号（発振周波数）の測定感度を高めることなく、電子スピン共鳴スペクトルを取得できる。すなわち、上記の電子スピン共鳴測定装置においては、測定信号の測定感度を高める装置などが不要となる。その結果、電子スピン共鳴測定装置の構造を単純化できる。

【0017】

上記の電子スピン共鳴測定装置において、発振回路形成部は容量可変キャパシタを含んでいてもよい。このとき、素子パラメータは容量可変キャパシタのキャパシタンスである。これにより、容量可変キャパシタとインダクタ部とによりＬＣ発振回路を形成できる。そして、容量可変キャパシタのキャパシタンスを変更して第２磁場の周波数を変化できる。

【0018】

上記の電子スピン共鳴測定装置において、発振回路形成部は可変抵抗を含んでいてもよい。このとき、素子パラメータは可変抵抗の抵抗値である。これにより、可変抵抗とインダクタ部とによりＬＲ発振回路を形成できる。その結果、可変抵抗の抵抗値を変更して第２磁場の周波数を変化できる。

【0019】

上記の電子スピン共鳴測定装置において、インダクタ部と発振回路形成部とにより形成される発振回路は電圧制御発振器であってもよい。このとき、素子パラメータは電圧である。これにより、電圧を制御信号として第２磁場の周波数を変化できる。

【0020】

上記の電子スピン共鳴測定装置において、第１磁場は所定の強度を有する直流磁場であってもよい。これにより、上記の電子スピン共鳴測定装置においては、磁場の強度を変更するために大規模な電磁石などが不要となる。その結果、電子スピン共鳴測定装置を小規模化できる。

【0021】

上記の電子スピン共鳴測定装置において、インダクタ部と発振回路形成部とは、同一の半導体装置上に形成されていてもよい。これにより、電子スピン共鳴測定装置を小規模化できる。

【0022】

本発明の他の見地に係る半導体装置は、測定対象物に対して第１方向に第１磁場を印加し第２方向に交流磁場である第２磁場を印加することにより、測定対象物において発生する電子スピン共鳴のスペクトルである電子スピン共鳴スペクトルを測定する電子スピン共鳴測定装置に用いられる半導体装置である。半導体装置は、インダクタ部と発振回路形成部とを備える。
インダクタ部は、第２磁場を発生する。発振回路形成部は、インダクタ部と接続されて発振回路を形成する。また、発振回路形成部は、素子パラメータを変化することにより第２磁場の周波数を変化させる。
また、上記の半導体装置においては、電子スピン共鳴スペクトルは、第２磁場の周波数に対応する発振回路の発振周波数の素子パラメータについての関数として表現される。

【0023】

発振回路形成部は、キャパシタンスが印加する電圧により調整可能なバラクタを含んでいてもよい。これにより、電圧により簡単に発振回路の発振周波数を変更できる。

【0024】

本発明のさらに他の見地に係る電子スピン共鳴の測定方法は、電子スピン共鳴測定装置における電子スピン共鳴の測定方法である。電子スピン共鳴測定装置は、インダクタ部と発振回路形成部とを備える。インダクタ部は、交流磁場である第２磁場を発生する。発振回路形成部は、インダクタ部と接続されて発振回路を形成する。また、発振回路形成部は、素子パラメータを変化することにより第２磁場の周波数を変化させる。

【0025】

上記の電子スピン共鳴の測定方法は、以下のステップを含む。
◎測定対象物に対して第１方向に第１磁場を印加するステップ。
◎素子パラメータを所定の範囲にて変化させながら第２磁場を測定対象物に対して第２方向に印加するステップ。
◎素子パラメータの各値における発振回路の発振周波数を計数するステップ。
◎発振周波数と素子パラメータとを関連づけて、電子スピン共鳴スペクトルを取得するステップ。

【0026】

上記の電子スピン共鳴の測定方法においては、発振回路形成部の素子パラメータを所定の範囲にて変化させながら第２磁場を測定対象物に印加している。これにより、高周波信号についての高度な知識を必要とすることなく、測定対象物に対して周波数を変化した第２磁場を印加できる。その結果、電子スピン共鳴の測定が簡単になる。

【0027】

また、上記の電子スピン共鳴の測定方法においては、電子スピン共鳴スペクトルは、インダクタ部と発振回路形成部とにより形成される発振回路の発振周波数と、発振回路形成部の素子パラメータとを関連づけることにより取得される。すなわち、電子スピン共鳴スペクトルは、上記の発振周波数の上記素子パラメータとしての関数として取得される。
これにより、電子スピン共鳴測定装置において、電子スピン共鳴により影響される測定信号の測定感度を高めることなく、電子スピン共鳴スペクトルを取得できる。

【0028】

上記の電子スピン共鳴の測定方法は、第２磁場が測定対象物に印加されていないときの発振回路の発振周波数と素子パラメータとの関係を表現するバックグラウンド関数を取得するステップをさらに含んでいてもよい。
これにより、測定対象物の電子スピン共鳴による影響を受けない場合の発振周波数の素子パラメータとしての関数（バックグラウンド関数）を取得できる。

【0029】

上記の電子スピン共鳴の測定方法は、電子スピン共鳴スペクトルとバックグラウンド関数との交点を算出して測定対象物の電子スピン共鳴角周波数を算出するステップをさらに含んでいてもよい。これにより、比較的簡単な方法により電子スピン共鳴角周波数を取得できる。

【発明の効果】

【0030】

上記の電子スピン共鳴測定装置、半導体装置、及び電子スピン共鳴の測定方法により、電子スピン共鳴の測定装置の構造を単純化できる。また、より簡単に電子スピン共鳴を測定できる。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】電子スピン共鳴測定装置の全体構成を示す図。

【図2】半導体装置と磁場印加部の線Ａ−Ａ’における断面図。

【図3】半導体装置の構成を示す図。

【図4】素子パラメータ調整部と発振周波数計数部とを有する半導体装置を示す図。

【図5A】容量可変キャパシタを含んだ発振回路形成部の一例を示す図。

【図5B】ＡＭＯＳ構造を有するバラクタを示す図。

【図5C】ＩＭＯＳ構造を有するバラクタを示す図。

【図5D】本実施形態における容量可変キャパシタの構成を示す図。

【図5E】可変抵抗を含んだ発振回路形成部の一例を示す図。

【図6】制御部の構成を示す図。

【図7】電子スピン共鳴の原理を示す模式図。

【図8】発振回路の発振周波数とキャパシタンスとの関係を示す図。

【図9A】電子スピン共鳴スペクトルの取得方法を示すフローチャート。

【図9B】バックグラウンド関数を取得するステップを含む電子スピン共鳴スペクトルの取得方法を示すフローチャート。

【図9C】測定対象物の同定及び／又は定量方法を示すフローチャート。

【図10A】電子スピン共鳴スペクトルの一例を示す図。

【図10B】発振周波数の実測値からバックグラウンド周波数を差し引いて電子スピン共鳴スペクトルとした場合の、電子スピン共鳴スペクトルを示す図。

【図11】無影響スペクトル部分からバックグラウンド関数を算出する方法を模式的に示す図。

【図12】発振周波数のキャパシタンスとしての関数として表現される電子スピン共鳴スペクトルの一例を示す図。

【図13】磁化率と発振周波数との関係に基づいた電子スピン共鳴スペクトルの一例を示す図。

【図14】他の実施形態の発振周波数計数部の構成を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0032】

１．第１実施形態
（１）全体構成
第１実施形態に係る電子スピン共鳴測定装置１００の構成について説明する。まず、電子スピン共鳴測定装置１００の全体構成について、図１を用いて説明する。図１は、電子スピン共鳴測定装置の全体構成を示す図である。電子スピン共鳴測定装置１００は、半導体装置１と、磁場印加部３と、素子パラメータ調整部５と、発振周波数計数部７と、制御部９と、を備える。
半導体装置１は、測定対象物Ｍに対して印加する第２磁場を発生する。第２磁場は、半導体装置１の１の主面上に形成されたインダクタ部１１（図３）から発生する。従って、第２磁場は、半導体装置１の当該１の主面の法線方向に向けて発生する。

【0033】

そのため、電子スピン共鳴を測定する際、測定対象物Ｍは、半導体装置１の１の主面上に形成されたインダクタ部１１に対応する箇所に配置される。なお、第２磁場を測定対象物Ｍに十分に吸収させるため、測定対象物Ｍを半導体装置１に配置する際の測定対象物Ｍの厚み（高さ）はある程度の高さがある方が好ましい。
また、半導体装置１の構成の詳細については、後ほど詳しく説明する。

【0034】

磁場印加部３は、図１に示すように、例えば、半導体装置１の左右又は上下方向に、半導体装置１を挟むように配置される。その結果、磁場印加部３は、半導体装置１の主面に平行な方向の平行磁場を第１磁場として、測定対象物Ｍに印加できる。

【0035】

具体的には、図２に示すように、第２磁場は、半導体装置１（インダクタ部１１）の主面の法線方向（第２方向）に向けて伝搬する一方、第１磁場は、半導体装置１の主面に平行な方向、すなわち、第２磁場とは垂直な方向（第１方向）の平行磁場として発生する。図２は、半導体装置と磁場印加部の線Ａ−Ａ’における断面図である。
なお、第１磁場が発生する第１方向と第２磁場が発生（伝搬）する第２方向とは、垂直の関係にある場合に限られず、半導体装置１及び磁場印加部３の電子スピン共鳴測定装置１００への収納効率などを考慮して、任意の角度としてもよい。

【0036】

また、本実施形態において、磁場印加部３から発生する第１磁場は、所定の強度を有する直流磁場である。従って、磁場印加部３としては、例えば、市販の永久磁石などを用いることができる。すなわち、電子スピン共鳴測定装置１００においては、磁場の強度を変更するために大規模な電磁石などを特に必要としない。その結果、電子スピン共鳴測定装置１００を小規模化できる。

【0037】

素子パラメータ調整部５は、制御部９（後述）から入力した素子パラメータ調整信号に基づいて、半導体装置１に形成された発振回路形成部１３（図３）の素子パラメータを調整する素子パラメータ制御信号を、発振回路形成部１３に出力する。本実施形態において、発振回路形成部１３の素子パラメータは、電圧信号などのアナログ信号により制御される（すなわち、素子パラメータは電圧であるということもできる）ため、素子パラメータ調整部５としては、例えば、Ｄ／Ａコンバータ（デジタル−アナログコンバータ）を用いることができる。

【0038】

発振周波数計数部７は、インダクタ部１１と発振回路形成部１３とにより形成される発振回路において発生する発振波の発振周波数を計数する。また、発振周波数計数部７は、計数した発振周波数を制御部９へ送信する。従って、発振周波数計数部７としては、例えば、周波数カウンターなどを用いることができる。

【0039】

制御部９は、測定対象物Ｍの電子スピン共鳴を測定する際の測定条件（例えば、第２磁場の周波数走査範囲、及び／又は、素子パラメータの変化走査範囲）に基づいて、素子パラメータを調整するための素子パラメータ調整信号を生成し、素子パラメータ調整部５に出力する。

【0040】

また、制御部９は、発振周波数計数部７から、計数された発振回路の発振周波数ｆを入力する。その結果、制御部９においては、制御部９において設定された素子パラメータと、入力した発振回路の発振周波数ｆとを関連づけて、発振周波数ｆの素子パラメータとしての関数として表現される電子スピン共鳴スペクトルを取得できる。
なお、制御部９の構成、及び、電子スピン共鳴スペクトルと発振周波数及び素子パラメータとの関係については、後ほど詳しく説明する。

【0041】

（２）半導体装置の構成
次に、半導体装置１の構成について、図３を用いて説明する。図３は、半導体装置の構成を示す図である。半導体装置１は、インダクタ部１１と、発振回路形成部１３と、外部接続端子１５と、を有する。半導体装置１において、インダクタ部１１と、発振回路形成部１３と、外部接続端子１５とは、半導体プロセスなどを用いて、半導体基板の１の主面上に形成されている。

【0042】

インダクタ部１１は、例えば、半導体装置１の１の主面上に形成された平面コイルである。インダクタ部１１は、発振回路形成部１３（後述）と接続されて発振回路を形成している。その結果、インダクタ部１１には、発振回路形成部１３の素子パラメータにより決定される発振周波数にて変動する電流が流れる。これにより、インダクタ部１１は、上記の発振周波数に対応する周波数を有する交流磁場（第２磁場）を、インダクタ部１１の空間Ｓ内に発生できる。

【0043】

発振回路形成部１３は、インダクタ部１１と接続されて発振回路を形成する。また、発振回路形成部１３は、発振回路形成部１３に含まれる電気素子の素子パラメータを変化することにより、インダクタ部１１とともに形成される発振回路の発振周波数（インダクタ部１１に流れる電流の周波数）を変化可能となっている。すなわち、発振回路形成部１３は、素子パラメータを変化することにより、第２磁場の周波数を変化させる。
これにより、高周波信号についての高度な知識を必要とすることなく、測定対象物Ｍに対して周波数を変化した第２磁場を印加できる。その結果、電子スピン共鳴の測定が簡単になる。なお、発振回路形成部１３の構成については、後ほど詳しく説明する。

【0044】

外部接続端子１５は、半導体装置１に、半導体装置１を駆動する電源（図示せず）、上記の素子パラメータ調整部５、及び上記の発振周波数計数部７を接続するための接続端子を提供する。

【0045】

上記のように、半導体装置１がインダクタ部１１と発振回路形成部１３とを有し、電子スピン共鳴測定装置１００において半導体装置１を用いることにより、電子スピン共鳴測定装置１００を小規模化できる。

【0046】

なお、図４に示すように、素子パラメータ調整部５及び発振周波数計数部７が、半導体装置１の１の主面上にさらに形成されていてもよい。すなわち、半導体装置１は、素子パラメータ調整部５と発振周波数計数部７とをさらに有していてもよい。図４は、素子パラメータ調整部と発振周波数計数部とを有する半導体装置を示す図である。
これにより、電子スピン共鳴測定装置１００において、素子パラメータ調整部５及び発振周波数計数部７を個別に備える必要がなくなる。すなわち、図４に示すように、制御部９と半導体装置１のみにより電子スピン共鳴測定装置１００を構成できる。その結果、電子スピン共鳴測定装置１００をさらに小規模化できる。

【0047】

また、半導体装置１が発振周波数計数部７をさらに有することにより、電子スピン共鳴測定装置１００において、高周波信号を発生させる要素を１の半導体装置１に集約できる。すなわち、半導体装置１の外部に高周波信号を取り出す必要がなくなる。その結果、電子スピン共鳴測定装置１００における高周波信号対策が簡単になる。具体的には、半導体装置１を用いた電子スピン共鳴測定装置１００において、ケーブルなどを電波吸収材（例えば、アルミホイルなど）で覆ったり、装置間の接続のためのインピーダンス整合を行ったりといった高周波信号対策が不要となる。

【0048】

なお、例えば周波数カウンターにて構成される発振周波数計数部７、及び、例えばＤ／Ａコンバータにて構成される素子パラメータ調整部５の、半導体プロセスなどにより形成される半導体装置１における回路構成は、公知の回路構成を用いることができる。

【0049】

（３）発振回路形成部の構成
次に、発振回路形成部１３の構成について、図５Ａ及び図５Ｅを用いて説明する。図５Ａは、容量可変キャパシタを含んだ発振回路形成部の一例を示す図である。図５Ｅは、可変抵抗を含んだ発振回路形成部の一例を示す図である。
図５Ａに示すように、発振回路形成部１３は、容量可変キャパシタ１３１と、発振持続部１３３と、電流制御部１３５と、を有する。容量可変キャパシタ１３１は、インダクタ部１１と並列に接続されている。

【0050】

インダクタ部１１と容量可変キャパシタ１３１とが並列に接続されることにより、ＬＣ共振回路が形成される。その結果、インダクタ部１１と容量可変キャパシタ１３１においては、インダクタ部１１のインダクタンスＬと容量可変キャパシタ１３１のキャパシタンスＣとにより決定される発振周波数（ｆ＝１／（２π（Ｌ×Ｃ）^０．５））を有する発振信号（発振波）が発生する。

【0051】

また、容量可変キャパシタ１３１は、その容量（キャパシタンスＣ）を変化可能となっている。容量可変キャパシタ１３１のキャパシタンスＣを変化することにより、上記のＬＣ共振回路における発振信号の周波数を変化できる。その結果、キャパシタンスＣを変化することにより、インダクタ部１１から発生する第２磁場の周波数（発振波の周波数に対応）を変化できる。従って、図５Ａに示す発振回路形成部１３においては、第２磁場の周波数を変化する素子パラメータは、容量可変キャパシタ１３１のキャパシタンスＣである。

【0052】

本実施形態において、容量可変キャパシタ１３１は、「バラクタ」と呼ばれる容量可変キャパシタである。バラクタは、例えば、半導体装置１上に形成されたＭＯＳ ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いて構成できる。ＭＯＳ ＦＥＴを用いたバラクタとしては、ＡＭＯＳ（Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ−Ｍｏｄｅ ＭＯＳ）やＩＭＯＳ（Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ−Ｍｏｄｅ ＭＯＳ）などがある。

【0053】

ＡＭＯＳ構造を有するバラクタは、図５Ｂに示すように、半導体装置１の所定の位置に設けられたｎ型井戸（ｎ−ｗｅｌｌ）１３１１ａ中に、不純物をさらに添加してｎ型井戸よりも電子密度がより高くなった２つの領域１３１２（図５Ｂの「ｎ＋」と示した領域）を形成し、当該２つの領域１３１２間のｎ型井戸１３１１ａ上に、絶縁層１３１３（例えば、酸化膜）を介してゲート電極１３１４を形成したＭＯＳ構造を用いて形成されるバラクタである。図５Ｂは、ＡＭＯＳ構造を有するバラクタを示す図である。

【0054】

ＡＭＯＳ構造のバラクタにおいては、図５ＢのＭＯＳ構造のより電子密度が高くなった２つの領域１３１２に正電圧である第１電圧Ｖ１が印加され、ゲート電極１３１４に負電圧である第２電圧Ｖ２が印加される。このような電圧がＭＯＳ構造に印加されたとき、ゲート電極１３１４下のｎ型井戸１３１１ａの領域に存在する電子は、当該ｎ型井戸１３１１ａの領域から上記の２つの領域１３１２へと移動する。その結果、ゲート電極１３１４下のｎ型井戸１３１１ａの領域表面においては、電子が存在しない層（空乏層１３１５）が形成される。

【0055】

このとき、上記の第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２とが印加された状態にて、ゲート電極１３１４と領域１３１２との間に交流信号が印加されていると、当該交流信号に対するキャパシタンスＣ（Ｃ＝ｄＱ／ｄＶ、Ｑ：充電電荷、Ｖ：印加電圧）が、図５ＢのキャパシタンスＣと直流電圧（Ｖ１−Ｖ２）の関係を示すグラフのように変化する。このように、ＡＭＯＳ構造のバラクタにおいては、上記の直流電圧である第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２とにより、ゲート電極１３１４と領域１３１２との間に印加された交流信号に対するキャパシタンスＣを変化できる。

【0056】

一方、ＩＭＯＳ構造を有するバラクタは、図５Ｃに示すように、半導体装置１の所定の位置に設けられたｐ型井戸（ｐ−ｗｅｌｌ）１３１１ｂ中に、電子密度が高い２つの領域１３１２ａ（図５Ｃの「ｎ＋」と示した領域）と、正孔の密度がｐ型井戸よりも高い領域１３１２ｂ（図５Ｃの「ｐ＋」と示した領域）とを形成し、電子密度が高い２つの領域１３１２ａ間のｐ型井戸１３１１ｂ上に絶縁層１３１３を介してゲート電極１３１４を形成したＭＯＳ構造を用いて形成されるバラクタである。図５Ｃは、ＩＭＯＳ構造を有するバラクタを示す図である。

【0057】

ＩＭＯＳ構造のバラクタにおいては、図５ＣのＭＯＳ構造の電子密度が高い２つの領域１３１２ａ及び正孔の密度が高い領域１３１２ｂに負電圧である第１電圧Ｖ１が印加され、ゲート電極１３１４に正電圧である第２電圧Ｖ２が印加される。このような電圧がＭＯＳ構造に印加されたとき、ゲート電極１３１４下のｐ型井戸１３１１ｂの領域に存在する正孔は、ｐ型井戸１３１１ｂの領域から離れていく。その結果、ゲート電極１３１４下のｐ型井戸１３１１ｂの領域表面においては、正孔が存在しない空乏層１３１５が形成される。

【0058】

このとき、上記の第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２とが印加された状態にて、ゲート電極１３１４と領域１３１２ａ、１３１２ｂとの間に交流信号が印加されていると、当該交流信号に対するキャパシタンスＣ（Ｃ＝ｄＱ／ｄＶ、Ｑ：充電電荷、Ｖ：印加電圧）が、図５ＣのキャパシタンスＣと直流電圧（Ｖ１−Ｖ２）の関係を示すグラフのように変化する。このように、ＩＭＯＳ構造のバラクタにおいても同様に、上記の直流電圧である第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２とにより、ゲート電極１３１４と領域１３１２との間に印加された交流信号に対するキャパシタンスＣを変化できる。

【0059】

本実施形態においては、図５Ｃに示すＩＭＯＳ構造を有するバラクタを容量可変キャパシタ１３１として用いる。ただし、図５Ａに示す発振回路形成部１３において、発振持続部１３３を構成するＭＯＳＦＥＴの容量可変キャパシタ１３１が接続されている側の左右の接点における電位を同じとする必要がある。そのため、本実施形態においては、図５Ｃに示したＩＭＯＳ構造を有するバラクタを２つ直列に接続して、容量可変キャパシタ１３１とする。

【0060】

具体的には、図５Ｄに示すように、２つのＩＭＯＳ構造を有するバラクタの領域１３１２ａ、１３１２ｂを２つのバラクタにおいて共通に接続し、２つのバラクタの当該領域１３１２ａ、１３１２ｂに素子パラメータ制御信号を入力する。また、一方のバラクタのゲート電極１３１４をインダクタ部１１の一端及び発振持続部１３３の一端に接続し、他方のバラクタのゲート電極１３１４をインダクタ部１１の他端及び発振持続部１３３の他端に接続する。図５Ｄは、本実施形態における容量可変キャパシタンスの構成を示す図である。

【0061】

従って、図５Ｄに示す２つのバラクタから構成される容量可変キャパシタ１３１においては、素子パラメータ制御信号（図５Ｂ及び図５Ｃにおける第１電圧Ｖ１に対応）の電圧値を変化させることにより、２つのバラクタのゲート電極１３１４と領域１３１２ａ、１３１２ｂとの間の電圧を変化できる。その結果、素子パラメータ制御信号の電圧値により、容量可変キャパシタ１３１の（発振波に対する）キャパシタンスＣを制御できる。

【0062】

すなわち、素子パラメータ制御信号の電圧値により、発振回路形成部１３における発振周波数を制御できる。発振回路形成部１３のように、素子パラメータ制御信号の電圧値より発振周波数を制御可能な発振回路（発振器）は、電圧制御発振器（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ、ＶＣＯ）と呼ばれる。

【0063】

発振回路形成部１３とインダクタ部１１とにより形成される発振回路を、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２の差を素子パラメータとしたＶＣＯとして形成することにより、本実施形態の電子スピン共鳴測定装置１００においては、電圧を素子パラメータ制御信号として、高周波信号に関する高度な知識を必要とすることなく、より簡単に第２磁場の周波数を変化できる。その結果、電子スピン共鳴の測定が簡単になる。

【0064】

発振持続部１３３は、容量可変キャパシタ１３１とインダクタ部１１とにより構成されるＬＣ発振回路に接続され、ＬＣ発振回路において発振信号を持続的に発振させる。一般的に、インダクタ部１１を構成する平面コイルや容量可変キャパシタ１３１にはエネルギー損失成分（典型的には抵抗）が存在し、容量可変キャパシタ１３１とインダクタ部１１とのみでＬＣ発振回路を形成すると、発振信号（発振波）は減衰（エネルギー損失）する。発振持続部１３３をＬＣ発振回路に接続して発振信号のエネルギー損失分を補うことにより、ＬＣ発振回路において発振信号を持続的に発生できる。

【0065】

電流制御部１３５は、上記のＬＣ発振回路においてインダクタ部１１に流れる電流を制御する。検討の結果、インダクタ部１１に流れる電流値によっては、測定対象物Ｍにおける電子スピン共鳴現象が飽和してしまうことが分かった。
電流制御部１３５によりインダクタ部１１に流れる電流値を制御することにより、測定対象物Ｍにおける電子スピン共鳴現象が飽和することを抑制できる。その結果、より正確に電子スピン共鳴スペクトルを取得できる。なお、電流制御部１３５は、例えば、テール電流源である。

【0066】

なお、変形例として、図５Ｅに示すように、可変抵抗１３１’を含む発振回路形成部１３とインダクタ部１１とを接続して発振回路を形成してもよい。この場合、素子パラメータは可変抵抗１３１’の抵抗値である。これにより、可変抵抗１３１’とインダクタ部１１とによりＬＲ発振回路を形成できる。その結果、可変抵抗１３１’の抵抗値を変更して第２磁場の周波数を変化できる。図５Ｅは、可変抵抗を含んだ発振回路形成部の一例を示す図である。
また、この場合、可変抵抗１３１’は、例えば、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、電界効果トランジスタ）などにより形成できる。可変抵抗１３１’をＦＥＴなどのトランジスタにより形成することにより、ＦＥＴなどのトランジスタ（のゲート電極やベース電極）に印加する電圧を素子パラメータ制御信号として変化することにより、可変抵抗１３１’の抵抗値を変化できる（すなわち、第２磁場の周波数を変化できる）。

【0067】

（４）制御部の構成
次に、制御部９の構成について、図６を用いて説明する。図６は、制御部の構成を示す図である。本実施形態において、制御部９は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｌｙ）、ハードディスクなどの記憶装置と、各種インターフェースなどを備えたコンピュータである。また、以下に示す制御部９の各機能の一部又は全部は、コンピュータ上にて実行されるプログラムにより実現されていてもよい。また、制御部９の各機能の一部又は全部は、カスタムＩＣなどにより実現されていてもよい。

【0068】

制御部９は、素子パラメータ設定部９１と、発振周波数受信部９３と、スペクトル取得部９５と、同定部９７と、を有する。
素子パラメータ設定部９１は、上記の発振回路形成部１３の素子パラメータの設定値（素子パラメータ調整信号）を素子パラメータ調整部５に送信する。この結果、素子パラメータ調整部５は、素子パラメータ調整信号に基づいて、素子パラメータ制御信号を生成できる。

【0069】

電子スピン共鳴測定装置１００において電子スピン共鳴スペクトル及び／又はバックグラウンド関数（後述）を取得する際、素子パラメータ設定部９１は、素子パラメータを所定の範囲にて変化させる素子パラメータ調整信号を生成し、出力する。例えば、測定開始時の素子パラメータの値と、測定終了時の素子パラメータの値と、素子パラメータの変化割合（変化時間）を素子パラメータ設定部９１にて設定することにより、素子パラメータを所定の範囲にて変化させる素子パラメータ調整信号を生成できる。

【0070】

発振周波数受信部９３は、発振周波数計数部７において測定された、上記の発振回路の発振周波数ｆの測定値を受信する。
スペクトル取得部９５は、発振周波数受信部９３にて受信した発振周波数ｆと、素子パラメータ設定部９１にて設定された素子パラメータとを関連づけて、測定対象物Ｍの電子スピン共鳴スペクトルを取得する。すなわち、スペクトル取得部９５は、素子パラメータ調整信号の各信号値（素子パラメータ値）と、上記各信号値（素子パラメータ値）における上記の発振回路の発振周波数とを関連づけて、電子スピン共鳴スペクトルを取得する。これにより、スペクトル取得部９５は、電子スピン共鳴スペクトルを、素子パラメータ値と発振周波数データとの集合体として取得できる。

【0071】

これにより、電子スピン共鳴により影響される測定信号（発振周波数）の測定感度を高めることなく、電子スピン共鳴スペクトルを取得できる。すなわち、電子スピン共鳴測定装置１００においては、測定信号の測定感度を高める装置などが不要となる。その結果、電子スピン共鳴測定装置１００の構造を単純化できる。

【0072】

また、スペクトル取得部９５は、バックグラウンド関数を取得する。バックグラウンド関数は、測定対象物Ｍに第２磁場が印加されていないときの発振回路の発振周波数（バックグラウンド周波数ｆ_Ｂ）と素子パラメータとの関係を表現する関数である。スペクトル取得部９５がバックグラウンド関数を取得することにより、スペクトル取得部９５は、測定対象物Ｍの磁化率の変化に起因する発振周波数変化のみを含む電子スピン共鳴スペクトルを取得できる。

【0073】

同定部９７は、スペクトル取得部９５から入力した電子スピン共鳴スペクトルを用いて測定対象物Ｍの同定を行う。本実施形態において、測定対象物Ｍの同定は、得られた電子スピン共鳴スペクトルから測定対象物Ｍの電子スピン共鳴角周波数ν（後述）を算出し、算出した電子スピン共鳴角周波数νを用いて行う。なお、電子スピン共鳴スペクトルから測定対象物Ｍの電子スピン共鳴角周波数νを算出する方法、及び、電子スピン共鳴角周波数νを用いた測定対象物Ｍの同定方法については後述する。

【0074】

（５）電子スピン共鳴測定装置の動作
Ｉ．電子スピン共鳴の測定原理
（ｉ）電子スピン共鳴の原理
次に、本実施形態に係る電子スピン共鳴測定装置１００の動作について説明する。まず、電子スピン共鳴の原理について、図７を用いて説明する。図７は、電子スピン共鳴の原理を示す模式図である。電子スピン共鳴は、測定対象物Ｍに磁場を印加する前と後において、測定対象物Ｍ中の不対電子の状態が変化することにより発生する。従って、以下においては、測定対象物Ｍに磁場を印加したときの不対電子の状態を説明しながら、電子スピン共鳴の原理を説明する。

【0075】

測定対象物Ｍに磁場が印加されていない場合、測定対象物Ｍ中に含まれる不対電子は、ランダムな方向を向いている（図７の（１））。このような測定対象物Ｍに直流磁場である第１磁場（磁界強度：Ｈ_１）が印加されると、不対電子の自転（スピン）の軸が、不対電子のスピンの回転方向によって、平行（図７では右回りのスピン）又は反平行（図７では左回りのスピン）に向く。

【0076】

このとき、不対電子は、より高いエネルギー準位Ｅ_１に存在するもの（自転軸が第１磁界に対して反平行に向いた電子）と、より低いエネルギー準位Ｅ_２に存在するもの（自転軸が第１磁界に対して平行に向いた電子）とに分離する（図７の（２））。
このとき、より高いエネルギー準位Ｅ_１とより低いエネルギー準位Ｅ_２との差Ｅ_１−Ｅ_２は、第１磁場の磁界強度Ｈ_１に比例することが知られている。すなわち、Ｅ_１−Ｅ_２＝ｇβＨ_１と表現されることが知られている。上記の式において、βは定数である。また、ｇは「ｇ値」と呼ばれ、測定対象物Ｍに特有の定数である。従って、測定された電子スピン共鳴（スペクトル）からｇ値を算出することにより、測定対象物Ｍが同定できる。

【0077】

測定対象物Ｍに第１磁場を印加した状態（図７の（２）の状態）において、さらに交流磁場である第２磁場を印加したとき、第２磁場がある所定の周波数（電子スピン共鳴角周波数ν（後述））を有する場合に、第２磁場は測定対象物Ｍに最も吸収される。このとき、測定対象物Ｍにおいては、より低いエネルギー準位Ｅ_２に存在していた不対電子が、より高いエネルギー準位Ｅ_１に遷移する（図７の（３））。

【0078】

これは、第２磁場のエネルギー（ｈν、ｈ：プランク定数）がエネルギー差Ｅ_１−Ｅ_２（ｇβＨ_１）と一致したとき（すなわち、ｈν＝ｇβＨ_１のとき）に、より低いエネルギー準位Ｅ_２に存在する不対電子が第２磁場からエネルギーを受けた結果、より高いエネルギー準位Ｅ_１に遷移できることにより生じる現象である。

【0079】

上記の式から、第１磁場が所定の強度を有する場合（すなわち、磁界強度Ｈ_１が一定値の場合）、上記の電子スピン共鳴角周波数νは、測定対象物Ｍに固有の値となる。従って、第１磁場を所定の強度を有する直流磁場としておくことにより、第２磁場の周波数がある固有の周波数（電子スピン共鳴角周波数ν）となったときに第２磁場の大きな吸収が生じることを利用して、測定対象物Ｍの電子スピン共鳴を検出できる。また、第２磁場の周波数をある所定の範囲にて変化し、当該範囲内に上記の固有の周波数（電子スピン共鳴角周波数ν）が存在した場合には、測定対象物Ｍの電子スピン共鳴スペクトルを測定できる。

【0080】

（ｉｉ）電子スピン共鳴が発振回路に及ぼす影響
次に、測定対象物Ｍにおいて発生した電子スピン共鳴の、インダクタ部１１と発振回路形成部１３とにより形成される発振回路の動作への影響について説明する。
図７に示すように、第１磁場のみが印加されているときの不対電子のエネルギー状態（またはスピン状態）は、第２磁場が印加されて電子スピン共鳴が発生したときの不対電子のエネルギー状態（スピン状態）から変化している。このような場合、測定対象物Ｍにおいては、磁化率が変化する。

【0081】

その結果、電子スピン共鳴が発生していない場合と発生している場合において、測定対象物Ｍが配置されたインダクタ部１１のインダクタンスＬが変化する。なぜなら、磁化率が変化するに伴い、インダクタ部１１の空間Ｓの透磁率が変化するからである。

【0082】

すなわち、測定対象物Ｍにおいて電子スピン共鳴が発生していない（または、測定対象物Ｍがインダクタ部１１に配置されていない）場合のインダクタ部１１のインダクタンスをＬ_０とし、電子スピン共鳴の影響を考慮したインダクタンスをＬとした場合、電子スピン共鳴の影響を考慮したインダクタンスＬは、以下のように表現される。
Ｌ＝（１＋χ_ｒ−ｊχ_ｉ）Ｌ_０

【0083】

上記の式において、χ_ｒは、電子スピン共鳴の発生に伴う磁化率変化の実数部である。χ_ｉは、電子スピン共鳴の発生に伴う磁化率変化の虚数部である。ｊは、虚数（すなわちｊ^２＝−１）である。また、上記のχ_ｒ、χ_ｉは、第１磁場の磁束密度と第２磁場の周波数（発振回路の発振周波数）との関数である。
ここで、χ_ｉが十分に小さく無視できると仮定した場合、インダクタ部１１のインダクタンスＬは、Ｌ＝（１＋χ_ｒ）Ｌ_０と近似できる。

【0084】

ここで、測定対象物Ｍにおいて電子スピン共鳴が発生していない（または、測定対象物がインダクタ部１１に配置されていない）場合の発振回路の発振周波数ｆ_ｎと、電子スピン共鳴を考慮した場合の発振回路の発振周波数ｆ_ｒとを比較する。
今、図５Ａに示すような、容量可変キャパシタ１３１を含む発振回路形成部１３を用いた場合の発振回路の発振周波数を考える。容量可変キャパシタ１３１のキャパシタンスをＣとすると、電子スピン共鳴が発生していない場合の発振周波数ｆ_ｎは、以下のように表現される。
ｆ_ｎ＝１／（２π×（Ｌ_０Ｃ）^０．５）

【0085】

一方、電子スピン共鳴を考慮した場合の発振周波数ｆ_ｒは、以下のように表現される。
ｆ_ｒ＝１／（２π×（ＬＣ）^０．５）＝１／（２π×（Ｌ_０Ｃ）^０．５×（１＋χ_ｒ）^０．５）
すなわち、ｆ_ｒ＝ｆ_ｎ／（１＋χ_ｒ）^０．５

【0086】

上記のように、インダクタ部１１と発振回路形成部１３とにより形成される発振回路の発振周波数は、磁化率が変化することにより、磁化率が変化しない（χ_ｒ＝０）（電子スピン共鳴が発生していない）ときの発振周波数ｆ_ｎから変化することがわかる。すなわち、インダクタ部１１と発振回路形成部１３とにより形成される発振回路の発振周波数を測定することにより、測定対象物Ｍにおける電子スピン共鳴を検出できる。なお、上記の磁化率が変化しないときの発振周波数ｆ_ｎは、後述するバックグラウンド周波数ｆ_Ｂに対応する周波数である。一方、磁化率の影響を考慮した発振周波数ｆ_ｒは、発振周波数計数部７にて計数される発振周波数の実測値（ｆ）に対応する。

【0087】

（ｉｉｉ）素子パラメータと発振周波数
次に、電子スピン共鳴の影響を考慮した発振周波数と、発振回路形成部１３における素子パラメータとの関係について説明する。電子スピン共鳴の影響を考慮した発振周波数と素子パラメータとの関係は、以下に示すχ_ｒの公知の解析式と、上記のｆ_ｒ＝ｆ_ｎ／（１＋χ_ｒ）^０．５との式から導き出される。χ_ｒの公知の解析式は、以下のように表現される。

【数1】

【0088】

上記の式（数１）において、χ_０、Ｔ_１、Ｔ_２、γ、及びＢ_ａｃは定数である。また、ω_０（Ｂ）は上記において説明した、電子スピン共鳴が発生するときの条件ｇβＨ_１＝ｈνが成立するときのνに２πを掛けた（すなわち、２πν）値である。従って、ここでは、ω_０（Ｂ）を電子スピン共鳴角速度と呼び、νを電子スピン共鳴角周波数と呼ぶことにする。上記の電子スピン共鳴角速度ω_０（Ｂ）は第１磁場の関数として与えられる。本実施形態においては、第１磁場は一定であるため、電子スピン共鳴角速度ω_０（Ｂ）は、（第１磁場の大きさにより決定される）一定値である。さらに、上記の数１において、ωは、発振回路における発振周波数ｆに２πを掛けた値（角速度）の実測値である。

【0089】

一方、ｆ_ｒ＝ｆ_ｎ／（１＋χ_ｒ）^０．５の式から、χ_ｒ＝（ｆ_ｎ／ｆ_ｒ）^２−１と表現され、また、２πｆ_ｎ＝１／（Ｌ_０Ｃ）^０．５、２πｆ_ｒ＝ω＝２πｆであるから、χ_ｒ＝１／（Ｌ_０Ｃ×ω^２）−１とさらに表現できる。ここで、上記の解析式（数１）の右辺と、１／（Ｌ_０Ｃ×ω^２）−１とが等しいため、ω（＝２πｆ）と容量可変キャパシタ１３１のキャパシタンスＣとの関係は、以下のように表現できる。

【数2】

【0090】

上記の数２を満たすような発振周波数ｆ（ｆ＝ω／（２π））を数値解析法などにより算出することにより、発振回路の発振周波数ｆのキャパシタンスＣ（素子パラメータ）についての関数（すなわち、電子スピン共鳴スペクトル）を、図８に示すように算出できる。図８は、発振回路の発振周波数（電子スピン共鳴の影響を考慮した発振周波数ｆ（発振周波数の実測値）と電子スピン共鳴の影響を考慮していない発振周波数（バックグラウンド周波数ｆ_Ｂ（後述））との差ｆ−ｆ_Ｂ）と、キャパシタンスＣとの関係を示す図である。

【0091】

なお、数２において、発振回路の発振周波数ｆが電子スピン共鳴角周波数νと等しくなるとき、Ｌ_０Ｃ（２πν）^２＝１となる。すなわち、ν＝１／（２π×（Ｌ_０Ｃ）^０．５）と表現される。これは、電子スピン共鳴角周波数νが、バックグラウンド周波数ｆ_Ｂ（＝１／（２π×（Ｌ_０Ｃ）^０．５））と等しいことを表している。図８に示した差ｆ−ｆ_ＢとキャパシタンスＣとの関係を表したグラフにおいては、当該グラフと横軸との交点におけるキャパシタンスＣ_０（電子スピン共鳴キャパシタンスＣ_０（後述））におけるバックグラウンド周波数ｆ_Ｂが、電子スピン共鳴角周波数νに対応する。

【0092】

後述するように、図８における差ｆ−ｆ_ＢとキャパシタンスＣとの関係を表したグラフと横軸との交点は、測定対象物Ｍに第１磁場及び第２磁場を印加したときに得られる電子スピン共鳴スペクトルと、電子スピン共鳴の影響を考慮しないとき（第２磁場が測定対象物Ｍに印加されていないとき）の発振回路の発振周波数と素子パラメータとの関係を表すバックグラウンド関数（後述）とを同一座標軸上にプロットした場合の、電子スピン共鳴スペクトルを表すグラフとバックグラウンド関数を表すグラフとの交点（図１１を参照）に対応する。

【0093】

このように、本実施形態の電子スピン共鳴測定装置１００においては、電子スピン共鳴スペクトルと上記のバックグラウンド関数との交点を算出するという比較的簡単な方法により、電子スピン共鳴角周波数νを算出できる。すなわち、比較的簡単な方法により、測定対象物Ｍを同定できる。

【0094】

ＩＩ．電子スピン共鳴スペクトルの取得方法
次に、本実施形態の電子スピン共鳴測定装置１００における電子スピン共鳴スペクトルの取得方法について、図９Ａを用いて説明する。図９Ａは、電子スピン共鳴スペクトルの取得方法を示すフローチャートである。以下に説明する電子スピン共鳴スペクトルの取得方法においては、発振回路形成部１３として、図５Ａに示す容量可変キャパシタ１３１を含んだ発振回路形成部１３を用いた例を説明する。すなわち、以下の例において、素子パラメータは、容量可変キャパシタ１３１のキャパシタンスＣ、または、素子パラメータ制御信号の電圧値である。

【0095】

電子スピン共鳴スペクトルの取得を開始する際、まず、測定対象物Ｍが電子スピン共鳴測定装置１００に配置される（ステップＳ１）。具体的には、測定対象物Ｍは、半導体装置１のインダクタ部１１が形成された主面の、インダクタ部１１（の空間Ｓ）に対応する位置に配置される。なお、本実施形態においては、測定対象物Ｍの例としてＤＰＰＨ（１，１−ｄｉｐｈｅｎｙｌ−２−ｐｉｃｒｙｌ−ｈｙｄｒａｚｙｌ）を用いた。

【0096】

次に、制御部９の素子パラメータ設定部９１において、素子パラメータ（本実施形態においては、容量可変キャパシタ１３１のキャパシタンスＣ、または、容量可変キャパシタ１３１のキャパシタンスＣを制御する電圧値）の走査範囲を設定する（ステップＳ２）。素子パラメータの走査範囲は、例えば、走査したい発振回路の発振周波数範囲（すなわち、第２磁場の周波数の走査範囲）から算出できる。

【0097】

その後、測定対象物Ｍに対して第１方向に、所定の強度を有する直流磁場である第１磁場を印加する（ステップＳ３）。具体的には、例えば、磁場印加部３である永久磁石が、測定対象物Ｍを載置した半導体装置１を挟むように、半導体装置１の主面に垂直に配置される（図１）。その結果、半導体装置１上の測定対象物Ｍに対して、半導体装置１の主面に平行な方向である第１方向に第１磁場が印加される。
このとき、測定対象物Ｍ中の不対電子は、図７の（２）のような状態となっている。すなわち、測定対象物Ｍ中の不対電子が、不対電子のスピンの方向によって、より高いエネルギー準位Ｅ１に存在する不対電子と、より低いエネルギー準位Ｅ２に存在する不対電子とに分離される。

【0098】

第１磁場を印加後、インダクタ部１１と発振回路形成部１３とにより形成される発振回路を動作させる。具体的には、発振回路形成部１３の素子パラメータ（キャパシタンスＣ）を、素子パラメータの走査範囲内の所定の値に設定し、インダクタ部１１のインダクタンスと素子パラメータ（キャパシタンスＣ）により決定される発振周波数を有する発振波を発振回路内に発生させる。これにより、インダクタ部１１には、上記の発振周波数に対応した周波数を有する交流電流が流れ、その結果、インダクタ部１１の空間Ｓから上記の発振周波数に対応する周波数を有する交流磁場である第２磁場が発生する（ステップＳ４）。

【0099】

発振回路の発振周波数（第２磁場の周波数）が上記の電子スピン共鳴角周波数νに近い値となった時、測定対象物Ｍの磁化率が変化し、これにより、インダクタ部１１のインダクタンスが、測定対象物Ｍに第２磁場が印加されていない場合とは異なる値となる。その結果、所定の素子パラメータ値（キャパシタンスＣ）におけるバックグラウンド周波数ｆ_Ｂと、当該所定の素子パラメータ値と同じ素子パラメータ値における発振周波数ｆの実測値とが異なる。すなわち、差ｆ−ｆ_Ｂが０（に近い値）でなくなる（ただし、電子スピン共鳴角周波数νにおいては０となる）。

【0100】

測定対象物Ｍに第１磁場と第２磁場とを印加した状態にて、発振周波数計数部７が発振回路の発振周波数を計数する（ステップＳ５）。次に、制御部９のスペクトル取得部９５が、素子パラメータ設定部９１から現在の素子パラメータ値を取得し、発振回路の発振周波数を、発振周波数受信部９３を介して、発振周波数計数部７から取得する。その後、スペクトル取得部９５は、取得した素子パラメータ値と取得した発振周波数とを関連づけて、制御部９の記憶部などに記憶する（ステップＳ６）。この結果、現在の素子パラメータ設定値と、現在の素子パラメータ設定値における発振回路の発振周波数とが、関連づけられて記憶部などに記憶される。

【0101】

素子パラメータの設定値と、当該素子パラメータの設定値における発振周波数とを関連づけて記憶後、制御部９は、ステップＳ２にて設定した全走査範囲にて素子パラメータを走査したかどうかを確認する（ステップＳ７）。
制御部９が全走査範囲にて素子パラメータを走査していないと判断した場合（ステップＳ７において「Ｎｏ」の場合）、素子パラメータ設定部９１が素子パラメータの設定値を次の設定値に変更し（ステップＳ８）、ステップＳ４に戻る。

【0102】

これにより、素子パラメータの設定値を設定した全ての走査範囲にて走査するまで、素子パラメータの設定値と当該素子パラメータの設定値における発振周波数とを関連づけて記憶できる。その結果、素子パラメータの各設定値と当該素子パラメータの各設定値における発振周波数とが関連づけられているデータの集合体として、電子スピン共鳴スペクトルを所得できる。

【0103】

上記のステップＳ１〜Ｓ８を実行することにより、第２磁場は、発振回路形成部１３の素子パラメータ（キャパシタンスＣ）を所定の範囲にて変化させながら測定対象物Ｍに印加されている。これにより、高周波信号についての高度な知識を必要とすることなく、測定対象物Ｍに対して周波数を変化した第２磁場を印加できる。その結果、電子スピン共鳴の測定が簡単になる。

【0104】

一方、制御部９が全走査範囲にて素子パラメータを操作したと判断した場合（ステップＳ７において「Ｙｅｓ」の場合）、電子スピン共鳴スペクトルの取得を終了する。その後、必要に応じて、取得した電子スピン共鳴スペクトルを用いて、測定対象物Ｍの同定及び／又は定量を行う（ステップＳ９）。なお、ステップＳ９における測定対象物Ｍの同定及び／又は定量方法については、後述する。

【0105】

上記のステップＳ１〜Ｓ８までを実行することにより取得された電子スピン共鳴スペクトルの一例を図１０Ａに示す。図１０Ａは、電子スピン共鳴スペクトルの一例を示す図である。発振回路の発振周波数（ＧＨｚオーダー）と比較して、測定対象物Ｍの電子スピン共鳴に起因した磁化率の変化による周波数変化は小さいため、図１０Ａにおいて、電子スピン共鳴に起因する周波数変化が見られていない。

【0106】

電子スピン共鳴に起因する周波数変化を明瞭にするために、図１０Ａにて示した電子スピン共鳴スペクトル（発振周波数ｆの実測値）から、第２磁場が測定対象物Ｍに印加されていないとき（または、測定対象物Ｍが半導体装置１に配置されていないとき）の発振回路の発振周波数（バックグラウンド周波数ｆ_Ｂ）と素子パラメータ（キャパシタンスＣ）との関係を表現したバックグラウンド関数を差し引いて、新たな電子スピン共鳴スペクトル（ｆ−ｆ_Ｂ）とする。

【0107】

図１０Ｂに示すように、発振周波数ｆの実測値からバックグラウンド周波数ｆ_Ｂを差し引いて表現した電子スピン共鳴スペクトル（ｆ−ｆ_Ｂ）においては、電子スピン共鳴スペクトルにおいてピークが見られる。図１０Ｂは、発振周波数の実測値からバックグラウンド周波数を差し引いて電子スピン共鳴スペクトルとした場合の、電子スピン共鳴スペクトルを示す図である。

【0108】

なお、本実施形態において、バックグラウンド関数は、図９Ｂに示すように、測定対象物Ｍの電子スピン共鳴スペクトルを測定する前に取得する（ステップＳ１’）。図９Ｂは、バックグラウンド関数を取得するステップを含む電子スピン共鳴スペクトルの取得方法を示すフローチャートである。なお、図９Ｂに示すステップＳ２’〜Ｓ１０’は、それぞれ、図９Ａに示すステップＳ１〜Ｓ９に対応するため、説明を省略する。

【0109】

具体的には、バックグラウンド関数は、（ｉ）素子パラメータを所定の範囲にて変化させながら、第２磁場を測定対象物Ｍに印加することなく（すなわち、測定対象物Ｍを半導体装置１上に配置することなく）発生し、（ｉｉ）素子パラメータの各値における、第２磁場を測定対象物Ｍに印加しない（測定対象物Ｍを半導体装置１上に配置しない）ときの発振回路の発振周波数（バックグラウンド周波数ｆ_Ｂ）を計数し、（ｉｉｉ）素子パラメータとバックグラウンド周波数ｆ_Ｂとを関連づける、ことによる取得される。
上記のようにしてバックグラウンド関数を取得することにより、バックグラウンド関数を、電子スピン共鳴測定装置１００における実測値に基づいて取得できる。

【0110】

または、バックグラウンド関数は、図９Ａに示したステップＳ１〜Ｓ８を実行することにより得られる電子スピン共鳴スペクトルから算出されてもよい。具体的には、バックグラウンド関数は、取得された電子スピン共鳴スペクトルにおいて、測定対象物Ｍの電子スピン共鳴による影響が少ない部分（電子スピン共鳴による影響が少ない発振周波数（素子パラメータ）範囲）のデータを用いて算出できる。
上記の測定対象物Ｍの電子スピン共鳴による影響が少ない電子スピン共鳴スペクトルの部分を、「無影響スペクトル部分」と呼ぶことにする。

【0111】

例えば、図１１に示す、発振周波数の容量可変キャパシタ１３１のキャパシタンスＣとしての関数として表現される電子スピン共鳴スペクトルにおいては、図１１の丸にて囲んだ範囲の電子スピン共鳴スペクトルが、測定対象物Ｍの電子スピン共鳴（磁化率変化）による影響を受けていない無影響スペクトル部分に対応する。図１１は、無影響スペクトル部分からバックグラウンド関数を算出する方法を模式的に示す図である。

【0112】

無影響スペクトル部分においては、インダクタ部のインダクタンスＬは、バックグラウンド関数の取得（算出）時のインダクタンスＬ_０とほぼ等しい一定値となるため、無影響スペクトル部分において、発振周波数は、素子パラメータ（キャパシタンスＣ）のみの関数（１／（２π×（Ｌ_０Ｃ）^０．５）＝Ａ／Ｃ^０．５（Ａ：定数））となる。このため、例えば、無影響スペクトル部分に含まれる素子パラメータ（キャパシタンスＣ）の各設定値と上記の各設定値における発振周波数とのデータを用いて、最小二乗法などにより上記の定数Ａを算出することにより、バックグラウンド関数を算出できる。

【0113】

上記の無影響スペクトル部分を用いてバックグラウンド関数を算出することにより、バックグラウンド関数を取得するために、測定対象物Ｍが存在しないときの発振周波数を測定する必要がなくなる。その結果、電子スピン共鳴測定装置における測定回数を減少できる。また、測定対象物Ｍを半導体装置１に配置しないときの発振周波数の実測値によりバックグラウンド関数を取得する場合と比較して、測定対象物Ｍが半導体装置１上に配置された場合の磁化率（インダクタ部１１のインダクタンス）を考慮してバックグラウンド関数を算出できる。すなわち、より正確なバックグラウンド関数を算出できる。

【0114】

図５Ａに示した発振回路形成部１３においては、素子パラメータ（素子パラメータ制御信号）として電圧を変化することにより、容量可変キャパシタ１３１のキャパシタンスＣを変化している。従って、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す電子スピン共鳴スペクトルは、発振周波数ｆの電圧の関数として表現されている。しかし、これに限られず、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す電子スピン共鳴スペクトルは、素子パラメータを容量可変キャパシタ１３１のキャパシタンスＣとして表現し直すこともできる。

【0115】

本実施形態においては、例えば、上記のバックグラウンド関数を用いて容量可変キャパシタ１３１のキャパシタンスＣを算出できる。その他、容量可変キャパシタ１３１に入力する素子パラメータ制御信号としての電圧と、容量可変キャパシタ１３１のキャパシタンスＣとの関係が分かっている場合には、当該関係を用いて、容量可変キャパシタ１３１に入力した電圧から、素子パラメータとしてのキャパシタンスＣを算出してもよい。

【0116】

発振周波数（ｆ−ｆ_Ｂ）のキャパシタンスＣとしての関数として表現される電子スピン共鳴スペクトルは、図１２に示すように、図８における数値解析結果と類似したスペクトルとなっていることが分かる。すなわち、図１２に示す電子スピン共鳴スペクトルにおいて、キャパシタンスＣが（電子スピン共鳴発生キャパシタンスＣ_０（後述）よりも）小さいときに極大値が現れ、（電子スピン共鳴発生キャパシタンスＣ_０よりも）大きいときに極小値が現れている。図１２は、発振周波数のキャパシタンスとしての関数として表現される電子スピン共鳴スペクトルの一例を示す図である。

【0117】

上記のステップＳ１〜Ｓ８（または、図９ＢのステップＳ１’〜Ｓ９’）を実行することにより、測定対象物Ｍの電子スピン共鳴スペクトルは、インダクタ部１１と発振回路形成部１３とにより形成される発振回路の発振周波数と、発振回路形成部１３の素子パラメータ（キャパシタンスＣ）とを関連づけることにより取得される。すなわち、電子スピン共鳴スペクトルは、発振周波数の素子パラメータ（キャパシタンスＣ）としての関数として取得される。

【0118】

これにより、電子スピン共鳴測定装置１００において、電子スピン共鳴により影響される測定信号の測定感度を高めることなく、電子スピン共鳴スペクトルを取得できる。なぜなら、図１２に示す差ｆ−ｆ_Ｂは、数百ｋＨｚオーダーの大きさを有しており、このように大きな発振周波数変化は、一般的な周波数カウンターを発振周波数計数部７として使用しても、正確に計数できるからである。

【0119】

上記のステップＳ１〜Ｓ８（または、ステップＳ１’〜Ｓ９’）を実行することにより電子スピン共鳴スペクトルを取得後、測定対象物Ｍの同定及び／又は定量を行う（ステップＳ９、又は、ステップＳ１０’）。具体的には、図９Ｃに示すフローチャートに従って、測定対象物Ｍの同定及び／又は定量を行う。図９Ｃは、測定対象物の同定及び／又は定量方法を示すフローチャートである。

【0120】

測定対象物Ｍの同定及び／又は定量を開始すると、まず、同定部９７が、電子スピン共鳴角周波数νを算出する（ステップＳ９１）。具体的には、図１１に示すように、電子スピン共鳴スペクトル（発振周波数ｆの実測値）とバックグラウンド関数との交点を算出し、当該交点における発振周波数を電子スピン共鳴角周波数νとする。

【0121】

また、図１２に示すように、発振周波数ｆの実測値とバックグラウンド周波数ｆ_Ｂとの差分により電子スピン共鳴スペクトルが表現されているときには、関数ｆ＝ｆ_Ｂ（又は、関数ｆ−ｆ_Ｂ＝０）がバックグラウンド関数となる。
例えば、発振周波数ｆの実測値とバックグラウンド周波数ｆ_Ｂとの差分により電子スピン共鳴スペクトルが表現されているときには、まず、電子スピン共鳴スペクトルとバックグラウンド関数の交点におけるキャパシタンスＣ_０（電子スピン共鳴発生キャパシタンスＣ_０と呼ぶことにする）を算出し、その後、電子スピン共鳴発生キャパシタンスＣ_０におけるバックグラウンド周波数ｆ_Ｂをバックグラウンド関数から算出することにより、当該算出されたバックグラウンド周波数ｆ_Ｂを電子スピン共鳴角周波数νとして算出できる。

【0122】

電子スピン共鳴角周波数νを算出後、同定部９７は、測定対象物Ｍのｇ値と、必要に応じて電子スピン共鳴スペクトルの振幅を算出する（ステップＳ９２）。
測定対象物Ｍのｇ値は、上記に説明した電子スピン共鳴が発生する条件を表す式ｈν＝ｇβＨ_１より算出できる。一方、電子スピン共鳴スペクトルの振幅は、バックグラウンド関数から電子スピン共鳴スペクトルの極大値及び／又は極小値までの高さ（差分）から算出できる。または、電子スピン共鳴スペクトルの極大値と極小値との高さ（差分）を２で除算して電子スピン共鳴スペクトルの振幅を算出してもよい。

【0123】

測定対象物Ｍのｇ値及び／又は電子スピン共鳴スペクトルの振幅を算出後、同定部９７は、上記のｇ値から測定対象物Ｍの同定を行う。また、電子スピン共鳴スペクトルの振幅から、測定対象物Ｍ中の不対電子数の定量を行う（ステップＳ９３）。

【0124】

上記のステップＳ９１〜Ｓ９３を実行することにより、取得した電子スピン共鳴スペクトルから、測定対象物Ｍの同定及び不対電子数の定量を行える。すなわち、取得した電子スピン共鳴スペクトルから、測定対象物Ｍの反応性や磁性特性などの特性を知ることができる。

【0125】

上記においては、発振周波数ｆとバックグラウンド周波数ｆ_Ｂとの差ｆ−ｆ_ＢのキャパシタンスＣに対する関数を電子スピン共鳴スペクトルとしていたが、これに限られない。例えば、（測定対象物Ｍの設置時の）発振周波数ｆと、（ｆ_Ｂ／ｆ）^２−１との関係を電子スピン共鳴スペクトルとしてもよい。上記にて説明したχ_ｒ＝（ｆ_ｎ／ｆ_ｒ）^２−１の式から、（ｆ_Ｂ／ｆ）^２−１の発振周波数ｆに対する関数は、磁化率χ_ｒの発振周波数ｆの関数であるといえる。

【0126】

従来の電子スピン共鳴スペクトル測定においては、磁化率の周波数に対する関数を電子スピン共鳴スペクトルとしていた場合が多かったため、磁化率χ_ｒ、すなわち、（ｆ_Ｂ／ｆ）^２−１の発振周波数ｆに対する関数を電子スピン共鳴スペクトルとすることにより、電子スピン共鳴測定装置１００のユーザは、電子スピン共鳴スペクトルの解析を行いやすくなる。

【0127】

また、上記の電子スピン共鳴測定装置１００においては、容量可変キャパシタ１３１のキャパシタンスＣを実際に測定することは困難であるため、バックグラウンド周波数ｆ_Ｂからの算出値を用いている。上記のように、実際に測定可能な発振周波数ｆを関数としたパラメータを用いて電子スピン共鳴スペクトルを生成することにより、測定困難なパラメータ（本実施形態においては、例えば、キャパシタンスＣ）を測定することなく、電子スピン共鳴スペクトルを生成できる。また、電子スピン共鳴スペクトルを生成するために必要となる実測データに対する計算の回数も減少できる。

【0128】

上記の図１２に示す電子スピン共鳴スペクトルを生成した同じ実測データを用いると、図１３に示すような、磁化率χ_ｒを発振周波数ｆについての関数とした場合の電子スピン共鳴スペクトルが得られる。図１３は、磁化率と発振周波数との関係に基づいた電子スピン共鳴スペクトルの一例である。

【0129】

なお、上記においてフローチャートなどを用いて説明した電子スピン共鳴測定装置１００の動作（及び、電子スピン共鳴スペクトルの取得方法）は、本発明の範囲内において、必要に応じて、処理の順番を入れ替えたり、処理自体に対して変更などを加えたりすることができる。

【0130】

（６）実施形態の効果
上記の第１実施形態の効果は、以下のように記載できる。
電子スピン共鳴測定装置１００（電子スピン共鳴測定装置の一例）は、磁場印加部３（磁場印加部の一例）と、インダクタ部１１（インダクタ部の一例）と、発振回路形成部１３（発振回路形成部の一例）と、発振周波数計数部７（発振周波数計数部の一例）と、スペクトル取得部９５（スペクトル取得部の一例）と、を備える。
磁場印加部３は、測定対象物Ｍ（測定対象物の一例）に対して第１方向に第１磁場を印加する。インダクタ部１１は、測定対象物Ｍに対して第２方向に第２磁場を印加する。第２磁場は交流磁場である。
発振回路形成部１３は、インダクタ部１１と接続されて発振回路を形成する。また、発振回路形成部１３は、素子パラメータを変化することにより第２磁場の周波数を変化させる。発振周波数計数部７は、インダクタ部１１と発振回路形成部１３とにより形成される発振回路の発振周波数ｆ（発振周波数の一例）を計数する。発振回路の発振周波数ｆは、第２磁場の周波数に対応する。
スペクトル取得部９５は、発振周波数ｆと素子パラメータとを関連づけて、測定対象物Ｍの電子スピン共鳴スペクトルを取得する。電子スピン共鳴スペクトルは、発振周波数ｆの素子パラメータについての関数として表現される。

【0131】

電子スピン共鳴測定装置１００においては、磁場印加部３が測定対象物Ｍに対して第１方向に第１磁場を印加した状態にて、インダクタ部１１が第２磁場を測定対象物Ｍに対して第２方向に印加する。このとき、発振回路形成部１３の素子パラメータを変化させることにより、インダクタ部１１から発生する第２磁場の周波数を変化させる。その結果、第２磁場が所定の周波数になった時に、測定対象物Ｍにおいて電子スピン共鳴が発生する。

【0132】

測定対象物Ｍに第１磁場と第２磁場とが印加された状態にて、発振周波数計数部７が、インダクタ部１１と発振回路形成部１３とにより形成される発振回路の発振周波数ｆを計数する。このとき、発振回路の発振周波数ｆは、第２磁場の周波数に対応している。その後、スペクトル取得部９５が、計数した発振周波数ｆと素子パラメータとを関連づけて、電子スピン共鳴スペクトルを取得する。

【0133】

電子スピン共鳴測定装置１００においては、発振回路形成部１３の素子パラメータを変化することにより、測定対象物Ｍに印加する第２磁場の周波数を変化している。これにより、高周波信号についての高度な知識を必要とすることなく、測定対象物Ｍに対して周波数を変化した第２磁場を印加できる。その結果、電子スピン共鳴の測定が簡単になる。

【0134】

また、電子スピン共鳴測定装置１００においては、スペクトル取得部９５が、インダクタ部１１と発振回路形成部１３とにより形成される発振回路の発振周波数ｆの、発振回路形成部１３の素子パラメータについての関数として電子スピン共鳴スペクトルを取得している。これにより、電子スピン共鳴により影響される測定信号（発振周波数ｆ）の測定感度を高めることなく、電子スピン共鳴スペクトルを取得できる。すなわち、電子スピン共鳴測定装置１００においては、測定信号の測定感度を高める装置などが不要となる。その結果、電子スピン共鳴測定装置１００の構造を単純化できる。

【0135】

電子スピン共鳴測定装置１００において、発振回路形成部１３は容量可変キャパシタ１３１（容量可変キャパシタの一例）を含んでいる。このとき、素子パラメータは容量可変キャパシタ１３１のキャパシタンスＣ（キャパシタンスの一例）である。これにより、容量可変キャパシタ１３１とインダクタ部１１とによりＬＣ発振回路を形成できる。そして、容量可変キャパシタ１３１のキャパシタンスＣを変更して第２磁場の周波数を変化できる。

【0136】

電子スピン共鳴測定装置１００において、発振回路形成部１３は可変抵抗１３１’（可変抵抗の一例）を含んでいてもよい。このとき、素子パラメータは可変抵抗の抵抗値である。これにより、可変抵抗１３１’とインダクタ部１１とによりＬＲ発振回路を形成できる。その結果、可変抵抗１３１’の抵抗値を変更して第２磁場の周波数を変化できる。

【0137】

電子スピン共鳴測定装置１００において、インダクタ部１１と発振回路形成部１３とにより形成される発振回路は電圧制御発振器である。このとき、素子パラメータは電圧である。これにより、電圧を素子パラメータ制御信号（制御信号の一例）として第２磁場の周波数を変化できる。

【0138】

電子スピン共鳴測定装置１００において、第１磁場は所定の強度を有する直流磁場である。これにより、電子スピン共鳴測定装置１００においては、磁場の強度を変更するために大規模な電磁石などが不要となる。その結果、電子スピン共鳴測定装置１００を小規模化できる。

【0139】

電子スピン共鳴測定装置１００において、インダクタ部１１と発振回路形成部１３とは、同一の半導体装置１（半導体装置の一例）上に形成されている。これにより、電子スピン共鳴測定装置１００を小規模化できる。

【0140】

半導体装置１は、測定対象物Ｍに対して第１方向に第１磁場を印加し第２方向に交流磁場である第２磁場を印加することにより、測定対象物Ｍにおいて発生する電子スピン共鳴のスペクトルである電子スピン共鳴スペクトルを測定する電子スピン共鳴測定装置１００に用いられる半導体装置である。半導体装置１は、インダクタ部１１と発振回路形成部１３とを備える。
インダクタ部１１は、第２磁場を発生する。発振回路形成部１３は、インダクタ部１１と接続されて発振回路を形成する。また、発振回路形成部１３は、素子パラメータを変化することにより第２磁場の周波数を変化させる。
また、半導体装置１においては、電子スピン共鳴スペクトルは、第２磁場の周波数に対応する発振回路の発振周波数ｆの素子パラメータについての関数として表現される。

【0141】

発振回路形成部１３は、キャパシタンスＣ（キャパシタンスの一例）が印加する電圧により調整可能なバラクタを含んでいてもよい。これにより、電圧により簡単に発振回路の発振周波数を変更できる。

【0142】

電子スピン共鳴の測定方法は、電子スピン共鳴測定装置１００における電子スピン共鳴の測定方法である。電子スピン共鳴測定装置１００は、インダクタ部１１と発振回路形成部１３とを備える。インダクタ部１１は、交流磁場である第２磁場を発生する。発振回路形成部１３は、インダクタ部１１と接続されて発振回路を形成する。また、発振回路形成部１３は、素子パラメータを変化することにより第２磁場の周波数を変化させる。

【0143】

電子スピン共鳴の測定方法は、以下のステップを含む。
◎測定対象物に対して第１方向に第１磁場を印加するステップ。
◎素子パラメータを所定の範囲にて変化させながら第２磁場を測定対象物に対して第２方向に印加するステップ。
◎素子パラメータの各値における発振回路の発振周波数を計数するステップ。
◎発振周波数と素子パラメータとを関連づけて、電子スピン共鳴スペクトルを取得するステップ。

【0144】

電子スピン共鳴の測定方法においては、発振回路形成部１３の素子パラメータを所定の範囲にて変化させながら第２磁場を測定対象物に印加している。これにより、高周波信号についての高度な知識を必要とすることなく、測定対象物Ｍに対して周波数を変化した第２磁場を印加できる。その結果、電子スピン共鳴の測定が簡単になる。

【0145】

また、電子スピン共鳴の測定方法においては、電子スピン共鳴スペクトルは、インダクタ部１１と発振回路形成部１３とにより形成される発振回路の発振周波数ｆと、発振回路形成部１３の素子パラメータとを関連づけることにより取得される。すなわち、電子スピン共鳴スペクトルは、発振周波数ｆの素子パラメータとしての関数として取得される。
これにより、電子スピン共鳴測定装置１００において、電子スピン共鳴により影響される測定信号の測定感度を高めることなく、電子スピン共鳴スペクトルを取得できる。

【0146】

電子スピン共鳴の測定方法は、第２磁場が測定対象物に印加されていないときの発振回路の発振周波数と素子パラメータとの関係を表現するバックグラウンド関数を取得するステップをさらに含んでいる。
これにより、測定対象物Ｍの電子スピン共鳴による影響を受けない場合の発振回路の発振周波数の素子パラメータとしての関数（バックグラウンド関数）を取得できる。

【0147】

電子スピン共鳴の測定方法は、電子スピン共鳴スペクトルとバックグラウンド関数との交点を算出して測定対象物の電子スピン共鳴角周波数ν（電子スピン共鳴角周波数の一例）を算出するステップをさらに含んでいる。これにより、比較的簡単な方法により電子スピン共鳴角周波数νを取得できる。

【0148】

２．他の実施形態
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
（Ａ）測定対象物についての他の実施形態
上記の第１実施形態においては、電子スピン共鳴スペクトルを測定する測定対象物Ｍは１種類であった。しかし、これに限られない。例えば、測定対象物Ｍに加えて、ｇ値が既知である参照用試料をインダクタ部１１が形成された半導体装置１の主面上に配置して、測定対象物Ｍの電子スピン共鳴スペクトルと、上記の参照用試料の電子スピン共鳴スペクトルとを同時に測定してもよい。

【0149】

このとき、発振周波数の素子パラメータの関数として得られるデータ（電子スピン共鳴スペクトル）には、測定対象物Ｍの電子スピン共鳴スペクトルと参照用試料の電子スピン共鳴スペクトルとが含まれる。従って、上記の２つの電子スピン共鳴スペクトルが含まれたデータからは、測定対象物Ｍの電子スピン共鳴角周波数ν_１と、参照用試料の電子スピン共鳴角周波数ν_２とが算出できる。

【0150】

上記のように２つの電子スピン共鳴角周波数が算出されている際、測定対象物Ｍの電子スピン共鳴の発生条件はｇ_{ｓａｍｐｌｅ}βＨ_１＝ｈν_１（ｇ_{ｓａｍｐｌｅ}：測定対象物Ｍのｇ値）と表現され、参照用試料の電子スピン共鳴の発生条件はｇ_ｒｅｆβＨ_１＝ｈν_２（ｇｒｅｆ：参照用試料のｇ値）と表現される。従って、上記２つの式から、さらに、ｈν_１／ｇ_{ｓａｍｐｌｅ}＝ｈν_２／ｇ_ｒｅｆという式が導かれる。その結果、ｇ_{ｓａｍｐｌｅ}＝ｇ_ｒｅｆ×（ν_１／ν_２）との式がさらに導かれる。

【0151】

参照用試料のｇ値（ｇ_ｒｅｆ）は既知であるため、測定対象物Ｍの電子スピン共鳴角周波数ν_１と参照用試料の電子スピン共鳴角周波数ν_２とを算出するだけで、上記のｇ_{ｓａｍｐｌｅ}＝ｇ_ｒｅｆ×（ν_１／ν_２）との式を用いて測定対象物Ｍのｇ値（ｇ_{ｓａｍｐｌｅ}）を算出できる。すなわち、第１磁場の磁界強度Ｈ_１が不明であっても、測定対象物Ｍのｇ値を正確に算出できる。

【0152】

（Ｂ）容量可変キャパシタについての他の実施形態
上記の第１実施形態においては、図５Ａに示した発振回路形成部１３に用いられる容量可変キャパシタ１３１はバラクタであった。しかし、これに限られず、上記の容量可変キャパシタ１３１は、デジタル制御キャパシタであってもよい。この場合、制御部９からのデジタル信号をアナログ変換することなく、容量可変キャパシタ１３１のキャパシタンスＣを変化できる。

【0153】

（Ｃ）発振回路の発振周波数の測定方法についての他の実施形態
上記の第１実施形態においては、発振周波数計数部７により発振回路の発振周波数をそのまま測定していた。しかし、これに限られず、より高感度な測定方法を用いて発振周波数を測定してもよい。
例えば、図１４に示すように、発振周波数計数部７が、固定周波数信号発生部７１と、ミキサ部７２と、周波数電圧変換部７３と、ロックインアンプ７４と、信号変換部７５と、を有するように構成してもよい。図１４は、他の実施形態の発振周波数計数部の構成を示す図である。

【0154】

固定周波数信号発生部７１は、固定の周波数ｆ_ＬＯを有する固定周波数信号を発生する。ミキサ部７２は、発振回路形成部１３とインダクタ部１１とにより形成される発振回路の発振周波数（ｆ_ＯＳＣ）を有する発振波と、固定周波数信号発生部７１からの固定周波数信号とをミキシング（乗算）して、周波数ｆ_ＯＳＣ−ｆ_ＬＯを有するダウンコンバートされた信号を発生する。

【0155】

周波数電圧変換部７３は、ダウンコンバートされた信号の周波数の変化量を電圧信号の変化量に変換し、周波数変換電圧信号を出力する。従って、周波数電圧変換部７３は、例えば、ＰＬＬ回路（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ回路、位相同期回路）である。

【0156】

ロックインアンプ７４は、内部にて生成した参照信号（周波数：ｆ_ｒｅｆ）を素子パラメータ調整部５に出力する。これにより、素子パラメータ調整部５は、入力した参照信号を変調信号として用いて、素子パラメータ制御信号を変調し出力する。
その結果、発振回路形成部１３の素子パラメータは、ロックインアンプ７４内部にて生成した参照信号に同期して変化する。また、これにより、発振回路の発振周波数（周波数変換電圧信号）には、参照信号に同期して変化する成分が含まれる。

【0157】

また、ロックインアンプ７４は、周波数変換電圧信号に含まれる信号のうち、ロックインアンプ７４の内部にて発生する参照信号の周波数ｆ_ｒｅｆと同一の周波数にて変化する信号成分を増幅して抽出する（位相敏感検出）。これにより、ロックインアンプ７４は、発振回路の発振周波数に含まれる、上記の参照信号に同期して変化する成分を抽出できる。

【0158】

信号変換部７５は、ロックインアンプ７４から出力されるアナログ信号（発振回路の発振周波数に含まれる、参照信号に同期して変化する成分に対応）をデジタル信号に変換して、制御部９へ送信する。従って、信号変換部７５は、例えば、Ａ／Ｄ変換器（アナログ−デジタル変換器）である。

【0159】

発振周波数計数部７が上記の構成を有することにより、素子パラメータ制御信号をロックインアンプ７４から出力される参照信号により変調し、参照信号に同期して素子パラメータを変化できる。
また、素子パラメータを参照信号により変化させることにより、発振回路の発振周波数に参照信号に同期して変化する成分を含ませることができる。さらに、ロックインアンプ７４が、発振回路の発振周波数に含まれる参照信号に同期して変化する成分を抽出することにより、発振周波数に含まれるノイズ成分による影響を極力減少して、発振周波数をより高感度に計数できる。

【0160】

（Ｄ）半導体装置についての他の実施形態
上記の第１実施形態においては、半導体装置１は、インダクタ部１１と発振回路形成部１３とを、それぞれ、１つだけ有していた。しかし、インダクタ部１１と発振回路形成部１３の個数は１つに限られない。
例えば、複数のインダクタ部１１と発振回路形成部１３とを半導体装置１に集積化して形成してもよい。この場合、１つのインダクタ部１１と対応する発振回路形成部１３との組により形成される複数の発振回路のそれぞれにおいて異なる発振周波数にて発振するよう、素子パラメータ制御信号を発振回路形成部１３毎に異ならせてもよい。

【0161】

複数のインダクタ部１１と発振回路形成部１３とを集積化した半導体装置１において、発振回路形成部１３毎に素子パラメータ制御信号を異ならせることにより、電子スピン共鳴スペクトルを生成するためのデータを取得するために、素子パラメータ制御信号を所定の範囲内にて走査する必要がなくなる。あるいは、それぞれの素子パラメータ制御信号の走査範囲を狭くできる。すなわち、データ取得時間を大幅に短縮できる。

【0162】

その結果、例えば、一般的に不安定と言われているラジカル（ラジカルは、化学反応過程において一瞬だけ現れるため）を捉える確率を大幅に増加できる。または、化学反応過程におけるラジカルの経時変化（ラジカル数の経時変化、及び／又は、ラジカルの種類の経時変化）を正確に測定できる。

【産業上の利用可能性】

【0163】

本発明は、電子スピン共鳴を測定する電子スピン共鳴測定装置に広く適用できる。

【符号の説明】

【0164】

１００ 電子スピン共鳴測定装置
１ 半導体装置
１１ インダクタ部
１３ 発振回路形成部
１３１ 容量可変キャパシタ
１３１１ａ ｎ型井戸
１３１１ｂ ｐ型井戸
１３１２、１３１２ａ、１３１２ｂ 領域
１３１３ 絶縁層
１３１４ ゲート電極
１３１５ 空乏層
１３１６ 第１出力電極
１３１７ 第２出力電極
１３１’ 可変抵抗
１３３ 発振持続部
１３５ 電流制御部
１５ 外部接続端子
３ 磁場印加部
５ 素子パラメータ調整部
７ 発振周波数計数部
７１ 固定周波数信号発生部
７２ ミキサ部
７３ 周波数電圧変換部
７４ ロックインアンプ
７５ 信号変換部
９ 制御部
９１ 素子パラメータ設定部
９３ 発振周波数受信部
９５ スペクトル取得部
９７ 同定部
Ａ 定数
Ｃ キャパシタンス
Ｃ_０ 電子スピン共鳴発生キャパシタンス
Ｅ_１ より高いエネルギー準位
Ｅ_２ より低いエネルギー準位
Ｅ_ａ エネルギー
Ｈ_１ 磁界強度
Ｌ、Ｌ_０ インダクタンス
Ｍ 測定対象物
Ｓ 空間
ｆ、ｆ_ｒ、ｆ_ｎ発振周波数
ｆ_Ｂ バックグラウンド周波数
ｆ_ＬＯ、ｆ_ＯＳＣ、ｆ_ｒｅｆ 周波数
ν、ν_１、ν_２電子スピン共鳴角周波数
ω_０ 電子スピン共鳴角速度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図5E】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図10A】

【図10B】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】