JP2002107285A - 磁気力顕微鏡 - Google Patents

磁気力顕微鏡

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JP2002107285A
JP2002107285A JP2000299178A JP2000299178A JP2002107285A JP 2002107285 A JP2002107285 A JP 2002107285A JP 2000299178 A JP2000299178 A JP 2000299178A JP 2000299178 A JP2000299178 A JP 2000299178A JP 2002107285 A JP2002107285 A JP 2002107285A
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probe
amplitude
magnetic force
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JP2000299178A
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Shinichi Kitamura
村 真 一 北
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Jeol Ltd
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    • G01R33/0385—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using permanent magnets, e.g. balances, torsion devices in relation with magnetic force measurements
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    • Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
    • Y10S977/86—Scanning probe structure
    • Y10S977/865—Magnetic force probe

Abstract

(57)【要約】 【課題】 真空中での試料観察においても磁気情報を含
まない凹凸像を得ることができる磁気力顕微鏡を提供す
ること。 【解決手段】 凹凸像観察時、スイッチＳ1がフィルタ
１５側に接続される。エラーアンプ１４は、探針６で試
料上の観察位置（ｘi，ｙj）をタップさせるために、カ
ンチレバ４の振動数がｆ0からｆ1にシフトするように、
カンチレバと試料間の距離を制御する。その制御結果に
基づき、観察位置（ｘi，ｙj）における凹凸情報が得ら
れる。一方、磁気力像観察時、スイッチＳ1がメモリ２
０側に接続される。探針６は観察位置（ｘi，ｙj）上に
位置されると共に、メモリ２０の記憶情報に基づき、カ
ンチレバと試料間の距離は凹凸情報取得時の距離に保持
される。この時、非タッピング状態となるようにカンチ
レバの振幅は調整され、この時のカンチレバの振動数に
基づいて（ｘi，ｙj）における試料の磁気情報が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、走査形プローブ
顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）の１つ
である、試料表面の磁場分布を観察する磁気力顕微鏡
（ＭＦＭ：Magnetic Force Microscope）に関する。
【０００２】
【従来の技術】 図１は、従来の磁気力顕微鏡を示した
ものである。
【０００３】この磁気力顕微鏡においては、カンチレバ
１０１の固有振動数付近の周波数に設定されたファンク
ションジェネレータ等の発振器（Ｏｓｃ．）１０２から
の信号が、カンチレバ１０１の加振用圧電素子１０３に
供給され、カンチレバ１０１はその周波数で強制振動さ
れる。
【０００４】そして、カンチレバ１０１の背面にはレー
ザ光源１０４からのレーザ光が照射され、カンチレバか
らの反射光は、４分割フォトダイオードなどの光検出器
１０５により検出される。このような光てこ方式により
カンチレバ１０１の振動変位が検出され、光検出器１０
５の出力信号は、バンドパスフィルタが内蔵されたプリ
アンプ１０６により電気的に増幅される。
【０００５】このプリンアンプ１０６の出力信号は振幅
／直流電圧変換器（ＲＭＳ−ＤＣ）１０７に送られて、
カンチレバ１０１の振動振幅はこのＲＭＳ−ＤＣ１０７
により検出され、エラーアンプ１０８によりその振幅が
ある一定値になるように、フィルタ１０９とＺ圧電素子
駆動電源１１０を介して圧電素子スキャナ１１１のＺ動
が制御される。
【０００６】なお、エラーアンプ１０８によって一定に
保持される振幅は、参照電圧設定手段（Ｒｅｆ．Ｖ）１
１２によって設定される。また、その設定される振幅
は、カンチレバ１０１の探針が試料１１３をタップする
ような値に設定され、このタッピング状態におけるカン
チレバ１０１の振動は、試料の磁気情報よりも凹凸情報
をより強く反映したものとなる。
【０００７】さて、この時のＺ動を制御している信号
（フィルタ１０９の出力）が、試料１１３の表面の凹凸
信号（Topography Signal）に相当する。このため、
Ｘ，Ｙスキャン信号を圧電素子スキャナ１１１に供給し
てスキャナ１１１を２次元的にスキャンさせ、その時の
Ｚ動制御信号を輝度信号とすることで凹凸像が得られ
る。
【０００８】次に、試料１１３の磁気力像観察について
説明すると、上述した凹凸像観察時における圧電素子ス
キャナ１１１のスキャン軌跡（Ｘ，Ｙスキャンに対する
Ｚ動の変化）はメモリ１１４に記憶されていて、磁気力
像観察時にはスイッチＳ1がメモリ１１４側に切り替え
られる。そして、圧電素子スキャナ１１１は、メモリ１
１４に記憶されたＺ位置情報に基づき、そのＺ位置より
一定量ΔＺ下がった位置を再スキャンするように制御さ
れる。
【０００９】この時の前記Ｏｓｃ．１０２からの加振信
号（基準信号）と、実際のカンチレバの振動を表すプリ
アンプ１０６の出力信号の位相差が位相検出器１１５で
検出され、その信号（MFM Signal）を輝度信号とするこ
とで試料１１３の磁気力像が得られる。
【００１０】なお、上述したように磁気力像観察時にお
いては、カンチレバと試料間の距離が凹凸像観察時より
も大きくされて、カンチレバと試料は非接触状態とされ
る。この非タッピング状態においては、カンチレバの振
動は、試料の凹凸情報よりも磁気情報をより強く反映し
たものとなるので、試料の凹凸の影響を受けない磁気力
像を得ることができる。また、上述した凹凸像と磁気力
像は、１画素、１ラインあるいは１フレーム毎に切り替
えられて得られる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】 さて、上述した磁気
力像観察は一般に大気中で行われ、図１の磁気力顕微鏡
を用いて大気中における磁気力像観察を行えば、あまり
時間をかけずに、試料の凹凸の影響を受けない磁気力像
を得ることができる。
【００１２】しかし、Ｓｌｏｐｅ検出法と一般的に呼ば
れている、図１の装置における凹凸像観察の方式を真空
中で使用した場合には、文献（Albrecht,T.R., Grutte
r,P.,Home,D. and Rugar,D.:J.Appl.Phys.,69,668(199
1)）に記載されているように、カンチレバのＱ値が非常
に大きくなるためにカンチレバは振動しやすくなって、
振幅の変化の応答性が極端に悪くなる。すなわち、図１
の装置におけるＲＭＳ−ＤＣ１０７の出力信号の周波数
帯域が激減することになる。
【００１３】そのため、図１の磁気力顕微鏡において、
真空中に配置された試料の凹凸像をＳｌｏｐｅ検出法で
得ようとする場合には、前記圧電素子スキャナ１１１の
スキャンスピードを、大気中での観察時よりも一桁以上
遅くする必要がある。
【００１４】さらに本件発明者は、上述したようにスキ
ャンスピードを遅くしても、Ｓｌｏｐｅ検出法を用いた
のでは、真空中に配置された試料の正確な凹凸像を得ら
れないことを発見した。
【００１５】このことについて詳しく説明すると、図１
の装置における試料観察が大気中での観察であれば、前
記Ｒｅｆ．Ｖ１１２を調整してカンチレバの振幅をある
程度減少させた状態では、カンチレバの探針先端が間欠
的に試料表面に接触するタッピング状態となり、その状
態では磁気力によってカンチレバの振幅が変化すること
はほとんどない。
【００１６】ところが、真空中ではカンチレバの振動振
幅は、ＮＣ−ＡＦＭの原理であるカンチレバの固有振動
数のシフトによる効果が支配的になり、凹凸像観察時に
タッピング状態にはできない。すなわち、振動している
カンチレバを真空中に配置された試料に近づけていく
と、力を受けたカンチレバは、狭い共振周波数領域から
容易に外れてしまい、その振幅は、カンチレバの探針が
試料をタップしていないのに急激に減少するので、前記
Ｒｅｆ．Ｖ１１２を調整してカンチレバの振幅をある程
度減少させても、カンチレバの探針が試料をタッピング
する状態とはならない。
【００１７】このため、図１の装置を用いて真空中で試
料の凹凸像を得たときには、その凹凸像には試料の磁気
情報が含まれてしまい、凹凸像と磁気力像の分離が不十
分となる。
【００１８】また、図１の装置においては、上述したよ
うに、磁気力像観察のために１画素または１ライン毎に
圧電素子スキャナ１１１がΔＺだけ移動される。このた
め、このＺ動によって圧電素子スキャナ１１１が振動し
たり、その振動が他の構成に伝わって、像観察を不安定
にさせてしまう。
【００１９】また、圧電素子スキャナ１１１のＺ位置を
一定高さに保った状態で、圧電素子スキャナ１１１をＸ
Ｙ方向にスキャンさせ、その時のカンチレバの変位を検
出して磁気力像を得る方式があるが、この方式では探針
と試料間の距離が場所によって違いすぎて正確な磁気力
像を得られないという問題が生じる。
【００２０】本発明は以上の点に鑑みて成されたもの
で、その目的は、真空中での試料観察においても磁気情
報を含まない凹凸像を得ることができ、さらに、凹凸像
と磁気力像の観察を安定に行うことができる磁気力顕微
鏡を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】 この目的を達成する本
発明の磁気力顕微鏡は、支持されている端部と反対側の
自由端に探針を有し、磁性を帯びたカンチレバと、その
カンチレバと試料間に力が働かない程度にカンチレバが
試料から離れている状態において、カンチレバが所定の
振動数ｆ0および所定の振幅で振動するようにカンチレ
バを加振させる発振手段と、前記探針で試料上の観察位
置（ｘ i，ｙj）をタップさせるために、前記カンチレバ
の振動数が前記ｆ0からｆ1（ｆ 1＜ｆ0）にシフトするよ
うに、カンチレバと試料間の距離を制御する距離制御手
段と、その距離制御手段の制御結果に基づき、前記試料
上の観察位置（ｘi，ｙj）における試料の凹凸情報を得
る手段と、前記探針を前記試料の観察位置（ｘi，ｙj）
上に位置させると共に、前記カンチレバと試料間の距離
を前記凹凸情報取得時の距離に保持する位置設定手段
と、その位置設定手段によって探針が試料上に位置決め
されたときに、前記発振手段によって加振されている前
記カンチレバの振幅が、前記探針が試料をタップしない
ような振幅となるように、前記発振手段におけるカンチ
レバ振幅制御量を制御する振幅制御手段と、前記位置設
定手段によって探針が試料上に位置決めされ、前記振幅
制御手段の制御によって探針が試料をタップしないよう
にカンチレバが振動している状態において、そのときの
カンチレバの振動数に基づき、前記試料上の観察位置
（ｘi，ｙj）における試料の磁気情報を得る手段を備え
たことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】 以下、図面を用いて本発明の実
施の形態について説明する。
【００２３】図２は、本発明の磁気力顕微鏡の一例を示
した図である。まず、図２の装置構成について説明す
る。
【００２４】図２において、１は試料室壁であり、試料
室壁１の内部、すなわち試料室２は排気装置３により高
真空に排気されている。
【００２５】４は、磁性材料がコーティングされたカン
チレバであり、カンチレバ４の一端は支持部５に支持さ
れていて、その他端には探針６が取り付けられている。
このカンチレバ４の振動変位は、カンチレバ４の背面に
レーザ光を当てるレーザ光源７と、カンチレバ４の背面
で反射したレーザ光を検出する４分割フォトダイオード
などの光検出器８から成る光てこ方式により検出され
る。
【００２６】９はプリアンプであり、プリアンプ９は、
前記光検出器８の出力信号を電気的な信号に変換する。
このプリンアンプ９には、カンチレバ４の固有振動数付
近の周波数帯に合わされたバンドパスフィルタが組み込
まれており、このようなプリアンプ９によって電気信号
に変換されたカンチレバ４の変位信号は、振幅調整器１
０を介して加振用圧電素子１１に入力される。この加振
用圧電素子１１は、カンチレバ４の支持端側に取り付け
られている。
【００２７】このように、図２の装置においては、カン
チレバ４の変位信号が振幅調整器１０を介して加振用圧
電素子１１に入力される発振ループが形成されている。
さらに、この発振ループにはフェーズシフタ（図示せ
ず）も組み込まれており、この発振ループは、カンチレ
バ４の固有振動数ｆ0で正帰還発振するように形成され
ている。
【００２８】なお、カンチレバ４の振動振幅、すなわち
前記プリアンプ９の出力振幅は前記振幅調整器１０によ
って制御され、振幅調整器１０のオートゲインコントロ
ール（ＡＧＣ）等により、カンチレバ４の振幅はある一
定の振幅に成るように制御される。この結果、カンチレ
バ４は、カンチレバと試料１２間に力が働かない程度に
カンチレバが試料１２から離れている状態において、上
述した発振ループを形成する発振手段によってその固有
振動数ｆ0および所定の振幅で振動する。
【００２９】また、前記プリアンプ９の出力信号、すな
わちカンチレバ４の発振信号は前記振幅調整器１０に入
力される一方、途中分岐されて周波数／電圧変換器１３
に入力される。そして、この周波数／電圧変換器１３
は、入力された信号の発振周波数に相当する電圧を出力
する（ｆ／Ｖ変換）。
【００３０】ところで、前記探針６と試料１２間に作用
する力の勾配Ｆ’とバネ定数ｋのカンチレバ４の固有振
動数ｆ0には、ｆ0∝√（ｋ−Ｆ’）の関係があり、カン
チレバ４の振動数のｆ0からの変化（周波数シフト）は
ほぼＦ’に相当する。
【００３１】そして図２の装置においては、周波数／電
圧変換器１３の出力信号が供給されるエラーアンプ１４
は、カンチレバ４の振動数が前記固有振動数ｆ0からあ
る一定量シフトするように、フィルタ１５およびＺ圧電
素子駆動電源１６を介して、前記試料１２を載置してい
る圧電素子スキャナ１７のＺ動を制御する。
【００３２】なお、このエラーアンプ１４によるＺ動制
御の際には、フィルタ１５とＺ圧電素子駆動電源１６の
間に設けられたスイッチＳ1は、フィルタ１５とＺ圧電
素子駆動電源１６を電気的に接続するように、中央制御
装置（ＣＰＵ）１８によってフィルタ１５側に切り替え
られる。また、前記エラーアンプ１４によって一定に保
持される周波数シフトは、参照電圧設定手段（Ｒｅｆ．
Ｖ）１９によって設定される。
【００３３】また、図２において２０はメモリであり、
メモリ２０は前記フィルタ１５の後段に接続されている
と共に、前記スイッチＳ1がフィルタ１５側からメモリ
２０側に切り替えられた時に、前記Ｚ圧電素子駆動電源
１６に接続されるようになっている。
【００３４】また、２１はＸＹ圧電素子駆動電源であ
り、このＸＹ圧電素子駆動電源２１は、前記ＣＰＵ１８
からの制御信号を受けて前記圧電素子スキャナ１７をＸ
Ｙ方向へ駆動させるものである。
【００３５】なお、前記周波数／電圧変換器１３の出力
信号および前記フィルタ１５の出力信号は前記ＣＰＵ１
８に供給されるように構成されており、また、ＣＰＵ１
８は、前記振幅調整器１０、Ｒｅｆ．Ｖ１９およびメモ
リ２０を制御可能にそれらに接続されている。
【００３６】以上、図２の装置構成について説明した
が、以下、このような装置の動作について説明する。
【００３７】まず、凹凸像観察時の動作について説明す
る。
【００３８】この凹凸像観察時においては、前記ＣＰＵ
１８は、前記スイッチＳ1を図中実線で示すようにフィ
ルタ１５側に接続する。
【００３９】また、ＣＰＵ１８は、カンチレバ４の振動
振幅が比較的大きな振幅Ａ1となるように、前記振幅調
整器１０を制御する。この制御を受けた振幅調整器１０
は、カンチレバ４の振幅を一定振幅Ａ1に設定するの
で、カンチレバ４と試料１２間に力が働いていない状態
においては、カンチレバ４は振幅Ａ1およびその固有振
動数ｆ0で振動する。
【００４０】さらにＣＰＵ１８は、Ｒｅｆ．Ｖ１９によ
るエラーアンプ１４への設定電圧がＶ1となるように、
Ｒｅｆ．Ｖ１９を制御する。この制御を受けたＲｅｆ．
Ｖ１９は、電圧Ｖ1を参照電圧としてエラーアンプ１４
に設定する。この参照電圧Ｖ1が設定されたエラーアン
プ１４は、カンチレバ４の振動数が前記ｆ0から参照電
圧Ｖ1に対応するｆ1（ｆ1＜ｆ0）にシフトするように、
フィルタ１５を介してＺ圧電素子駆動電源１６を制御し
て圧電素子スキャナ１７のＺ動を制御する。
【００４１】ここで設定される参照電圧Ｖ1について詳
しく説明すると、この参照電圧Ｖ1は、カンチレバ４の
振動数をｆ0からｆ1に大きくシフトさせるもの、すなわ
ち、周波数シフトを比較的大きくさせるものである。そ
して、このときのカンチレバ４の振動数ｆ1は、カンチ
レバ４の探針６が試料１２をタップしているときの振動
数であり、この振動数ｆ1は本件発明者が予め実験で求
めた値である。
【００４２】以上のような制御により、カンチレバ４の
探針６は試料１２をタップして、カンチレバ４は振動数
ｆ1で振動し、そのときのカンチレバ４の振幅は前記Ａ1
に保たれる。
【００４３】そして、このようにカンチレバ４が振動し
ている状態において、ＣＰＵ１８は、前記圧電素子スキ
ャナ１７をＸＹ方向に２次元的にスキャンさせるための
信号を、ＸＹ圧電素子駆動電源２１に供給する。ＸＹ圧
電素子駆動電源２１は、その供給されるスキャン信号に
基づいて圧電素子スキャナ１７をＸＹ方向にスキャンさ
せる。この圧電素子スキャナ１７のスキャンにより、そ
の上にセットされている試料１２も同様に、ＸＹ方向に
２次元的にスキャンされる。
【００４４】このような試料スキャンにより、前記探針
６は、図３に示すように、試料上の観察位置（ｘ1，
ｙ1），（ｘ2，ｙ1），（ｘ3，ｙ1），……，（ｘm-1，
ｙ1），（ｘm，ｙ1），（ｘm，ｙ2），（ｘm-1，
ｙ2），（ｘm-2，ｙ2），……，（ｘi，ｙj），……，
（ｘm-1，ｙn），（ｘm，ｙn）、すなわち（ｘi，ｙj）
［i=1,2,…,m、j=1,2,…,n］を順次タップし、探針と試
料は相対的に走査（スキャン）される。この試料上での
探針走査時においても、前記エラーアンプ１４は、カン
チレバ４の振動数が前記ｆ1に保たれるように圧電素子
スキャナ１７のＺ動を制御しており、この時のＺ動を制
御しているフィルタ１５の出力信号Ｚij［i=1,2,…,m、
j=1,2,…,n］が、試料１２の観察表面の凹凸信号（Topo
graphy Signal）に相当する。
【００４５】そこで、ＣＰＵ１８は、各探針走査位置
（ｘi，ｙj）における画像輝度信号を、各探針走査位置
（ｘi，ｙj）における前記Ｚ動制御信号Ｚijとすること
で凹凸情報を得、試料観察領域の凹凸像を図示していな
い表示装置の画面上に表示させる。この凹凸像は、カン
チレバが試料をタッピングしている状態で得られたもの
であり、このような状態で得られた凹凸像には、探針と
試料間に作用する長距離力である磁気力の影響はほとん
ど現れず、磁気情報を含まない凹凸像を得ることができ
る。
【００４６】なお、この凹凸像観察時における前記Ｚ動
制御信号Ｚijは、探針走査位置（ｘ i，ｙj）に対応して
前記メモリ２０に記憶される。
【００４７】また、図４は、この凹凸像観察時におけ
る、試料に対するカンチレバの軌跡Ｗを示したものであ
る。この図に示すように、カンチレバ４が最下方に位置
したとき、探針６は試料と軽く接触しており、そして、
カンチレバ４と試料間の距離は常に一定に保たれてい
る。
【００４８】以上、図２の装置における凹凸像観察時の
動作について説明したが、次に、この装置における磁気
力像観察時の動作について説明する。
【００４９】まず、前記ＣＰＵ１８は、前記スイッチＳ
1を図２中点線で示すようにメモリ２０側に切り替え
る。このスイッチＳ1の切り替えにより、フィルタ１５
からＺ圧電素子駆動電源１６への前記Ｚ動制御信号の供
給は断たれるので、前記エラーアンプ１４による圧電素
子スキャナ１７のフィードバック制御は行われなくな
る。
【００５０】また、ＣＰＵ１８は、カンチレバ４の振動
振幅が、前記凹凸観察時の振幅Ａ1より小さいＡ2となる
ように、前記振幅調整器１０を制御する。この制御を受
けた振幅調整器１０は、カンチレバ４の振幅を一定振幅
Ａ2に設定するので、カンチレバ４と試料１２間に力が
働いていない状態においては、カンチレバ４は振幅Ａ2
およびその固有振動数ｆ0で振動する。なお、この振幅
Ａ2がどの程度Ａ1より小さいかについては、後で詳しく
説明する。
【００５１】そして、このようにカンチレバ４が振動し
ている状態において、ＣＰＵ１８は、前記圧電素子スキ
ャナ１７を上述した凹凸像観察時と全く同じようにＸＹ
スキャンさせるための信号を、ＸＹ圧電素子駆動電源２
１に供給する。すなわち、凹凸像観察時と同様に、探針
６を図３に示した観察位置（ｘi，ｙj）［i=1,2,…,m、
j=1,2,…,n］上に順次位置させるためのＸＹスキャン信
号Ｓ（ｘi，ｙj）が、ＣＰＵ１８からＸＹ圧電素子駆動
電源２１に供給される。
【００５２】さらにＣＰＵ１８は、このＸＹスキャン信
号Ｓ（ｘi，ｙj）の供給時、ＸＹスキャン位置（ｘi，
ｙj）に対応して、前記メモリ２０に記憶されたＺ動制
御信号Ｚijが前記Ｚ圧電素子駆動電源１６に順次供給さ
れるように、メモリ２０の読み出しを制御する。すなわ
ち、たとえばＸＹスキャン位置が（ｘ1，ｙ1）のときは
Ｚ動制御信号Ｚ11がメモリ２０からＺ圧電素子駆動電源
１６に供給されるように、ＣＰＵ１８はメモリ２０の読
み出しを制御する。
【００５３】そして、前記ＸＹスキャン信号Ｓ（ｘi，
ｙj）が供給されるＸＹ圧電素子駆動電源２１は、その
供給されるＸＹスキャン信号に基づいて圧電素子スキャ
ナ１７をＸＹ方向にスキャンさせる。一方、前記Ｚ動制
御信号Ｚijが供給されるＺ圧電素子駆動電源１６は、そ
の供給されるＺ動制御信号に基づいて圧電素子スキャナ
１７のＺ動を制御する。
【００５４】この圧電素子スキャナ１７のＸＹスキャン
およびＺ動により、その上にセットされている試料１２
も同様に、ＸＹ方向にスキャンおよびＺ方向に移動され
る。この結果、前記探針６は試料１２の観察位置
（ｘi，ｙj）上に順次位置し、その各観察位置におい
て、カンチレバ４と試料１２間の距離は前記凹凸像観察
時の距離に保たれる。こうして、磁気力像観察時におい
て、試料に対するカンチレバの軌跡は、図５に示すよう
に、図４に示した凹凸像観察時における軌跡Ｗと同じに
なる。
【００５５】さて、上述したように、磁気力像観察時に
おいては、カンチレバ４の振幅は凹凸像観察時の振幅Ａ
1よりも小さいＡ2に設定されており、このことは図５か
らも明らかである。より詳しく説明すると、このカンチ
レバ４の振幅Ａ2は、磁気力像観察時において探針６が
試料の各観察位置（ｘi，ｙj）上に位置決めされたとき
に、探針６が試料をタップしないような小さい値に設定
されている。
【００５６】ところで、このような探針６が試料をタッ
プしない非接触状態では、カンチレバ４の振動は探針と
試料間に働く磁気力によって支配され、カンチレバ４の
振動数の変化、すなわち周波数シフトは試料表面の磁場
状態を強く反映している。
【００５７】そこで、ＣＰＵ１８は、周波数／電圧変換
器１３の出力に基づき、各探針走査位置（ｘi，ｙj）に
おける画像輝度信号を、各探針走査位置（ｘi，ｙj）に
おける周波数シフトΔｆ（MFM Signal）とすることで磁
気力情報を得、試料観察領域の磁気力像を図示しない表
示装置の画面上に表示させる。上述した理由から、この
磁気力像には試料の凹凸情報はほとんど含まれていな
い。
【００５８】以上、図２の装置の動作について説明した
が、この装置を用いれば、真空中での試料観察において
も磁気情報を含まない凹凸像を得ることができ、また、
凹凸情報を含まない磁気力像を得ることができる。
【００５９】また、図２の装置においては、従来のよう
に、磁気力像観察の度に前記ΔＺだけ圧電素子スキャナ
をＺ方向に移動させなくてすむので、このＺ動によって
圧電素子スキャナが振動したり、その振動が他の構成に
伝わることはない。このため、凹凸像と磁気力像観察を
安定に行うことができる。
【００６０】なお、図２の装置においては、探針の試料
上での１フレーム走査で凹凸情報を得、その後の１フレ
ーム走査で磁気力情報を得ているが、凹凸情報の取得と
磁気力情報の取得は、探針の試料上での１ライン走査
毎、または１画素毎に切り替えても良い。その１ライン
走査毎に切り替えるときは、往きの走査で凹凸像を得
て、帰りの走査で磁気力像を得るようにしても良い。
【００６１】次に、本発明の磁気力顕微鏡の他の例につ
いて説明する。
【００６２】図６は、本発明の磁気力顕微鏡の他の例を
示した図である。なお、図６において、前記図２の構成
要素と同じものには図２と同じ番号が付けられており、
その説明を省略する。
【００６３】まず図６の装置構成について説明すると、
２２は第２の発振手段である発振器（Ｏｓｃ．）であ
り、Ｏｓｃ．２２は、カンチレバ４の固有振動数付近の
周波数ｆ0’に設定されたファンクションジェネレータ
等で構成されている。また、図６におけるスイッチＳ2
は、Ｏｓｃ．２２からの加振信号と、前記振幅調整器１
０の出力信号のどちらか一方を選択して前記加振用圧電
素子１１に供給する切替手段である。このスイッチＳ2
は前記ＣＰＵ１８によって制御される。
【００６４】そして、２３は位相検出器であり、この位
相検出器２３には、前記Ｏｓｃ．２２からの加振信号
（基準信号）と、実際のカンチレバ４の振動を表す前記
プリアンプ９の出力信号が供給される。位相検出器２３
はそれらの信号の位相差を検出して、その検出信号を前
記ＣＰＵ１８に供給する。
【００６５】以下、図６の装置の動作説明を行う。
【００６６】まず、凹凸像観察時の動作について説明す
る。
【００６７】この凹凸像観察時においては、前記ＣＰＵ
１８は、前記スイッチＳ1を図中実線で示すようにフィ
ルタ１５側に接続すると共に、前記スイッチＳ2を図中
実線で示すように振幅調整器１０側に接続する。このス
イッチＳ2の接続により、前記発振ループを形成する第
１の発振手段による加振信号が加振用圧電素子１１に供
給されることとなる。
【００６８】また、ＣＰＵ１８は、カンチレバ４の振動
振幅が比較的大きな振幅Ａ1となるように、前記振幅調
整器１０を制御する。この制御を受けた振幅調整器１０
は、カンチレバ４の振幅を一定振幅Ａ1に設定するの
で、カンチレバ４と試料１２間に力が働いていない状態
においては、カンチレバ４は振幅Ａ1およびその固有振
動数ｆ0で振動する。
【００６９】さらにＣＰＵ１８は、Ｒｅｆ．Ｖ１９によ
るエラーアンプ１４への設定電圧がＶ1となるように、
Ｒｅｆ．Ｖ１９を制御する。この制御を受けたＲｅｆ．
Ｖ１９は、電圧Ｖ1を参照電圧としてエラーアンプ１４
に設定する。この参照電圧Ｖ1が設定されたエラーアン
プ１４は、カンチレバ４の振動数が前記ｆ0から参照電
圧Ｖ1に対応するｆ1（ｆ1＜ｆ0）にシフトするように、
フィルタ１５を介してＺ圧電素子駆動電源１６を制御し
て圧電素子スキャナ１７のＺ動を制御する。
【００７０】ここで設定される参照電圧Ｖ1について詳
しく説明すると、この参照電圧Ｖ1は、カンチレバ４の
振動数をｆ0からｆ1に大きくシフトさせるもの、すなわ
ち、周波数シフトを比較的大きくさせるものである。そ
して、このときのカンチレバ４の振動数ｆ1は、カンチ
レバ４の探針６が試料１２をタップしているときの振動
数であり、この振動数ｆ1は本件発明者が予め実験で求
めた値である。
【００７１】以上のような制御により、カンチレバ４の
探針６は試料１２をタップして、カンチレバ４は振動数
ｆ1で振動し、そのときのカンチレバ４の振幅は前記Ａ1
に保たれる。
【００７２】そして、このようにカンチレバ４が振動し
ている状態において、ＣＰＵ１８は、前記圧電素子スキ
ャナ１７をＸＹ方向に２次元的にスキャンさせるための
信号を、ＸＹ圧電素子駆動電源２１に供給する。ＸＹ圧
電素子駆動電源２１は、その供給されるスキャン信号に
基づいて圧電素子スキャナ１７をＸＹ方向にスキャンさ
せる。この圧電素子スキャナ１７のスキャンにより、そ
の上にセットされている試料１２も同様に、ＸＹ方向に
２次元的にスキャンされる。
【００７３】このような試料スキャンにより、前記探針
６は、図３に示したように、試料上の観察位置（ｘ1，
ｙ1），（ｘ2，ｙ1），（ｘ3，ｙ1），……，（ｘm-1，
ｙ1），（ｘm，ｙ1），（ｘm，ｙ2），（ｘm-1，
ｙ2），（ｘm-2，ｙ2），……，（ｘ i，ｙj），……，
（ｘm-1，ｙn），（ｘm，ｙn）、すなわち（ｘi，ｙj）
［i=1,2,…,m、j=1,2,…,n］を順次タップし、探針と試
料は相対的に走査（スキャン）される。この試料上での
探針走査時においても、前記エラーアンプ１４は、カン
チレバ４の振動数が前記ｆ1に保たれるように圧電素子
スキャナ１７のＺ動を制御しており、この時のＺ動を制
御しているフィルタ１５の出力信号Ｚij［i=1,2,…,m、
j=1,2,…,n］が、試料１２の観察表面の凹凸信号（Topo
graphy Signal）に相当する。
【００７４】そこで、ＣＰＵ１８は、各探針走査位置
（ｘi，ｙj）における画像輝度信号を、各探針走査位置
（ｘi，ｙj）における前記Ｚ動制御信号Ｚijとすること
で凹凸情報を得、試料観察領域の凹凸像を図示していな
い表示装置の画面上に表示させる。この凹凸像は、カン
チレバが試料をタッピングしている状態で得られたもの
であり、このような状態で得られた凹凸像には、探針と
試料間に作用する長距離力である磁気力の影響はほとん
ど現れず、磁気情報を含まない凹凸像を得ることができ
る。
【００７５】なお、この凹凸像観察時における前記Ｚ動
制御信号Ｚijは、探針走査位置（ｘ i，ｙj）に対応して
前記メモリ２０に記憶される。
【００７６】また、この凹凸像観察時における、試料に
対するカンチレバの軌跡Ｗは図４に示したものと同じで
あり、カンチレバ４が最下方に位置したとき、探針６は
試料と軽く接触しており、そして、カンチレバ４と試料
間の距離は常に一定に保たれている。
【００７７】以上、図６の装置における凹凸像観察時の
動作について説明したが、次に、この装置における磁気
力像観察時の動作について説明する。
【００７８】まず、前記ＣＰＵ１８は、前記スイッチＳ
1を図６中点線で示すようにメモリ２０側に切り替え
る。このスイッチＳ1の切り替えにより、フィルタ１５
からＺ圧電素子駆動電源１６への前記Ｚ動制御信号の供
給は断たれるので、前記エラーアンプ１４による圧電素
子スキャナ１７のフィードバック制御は行われなくな
る。
【００７９】また、ＣＰＵ１８は、前記スイッチＳ2を
図６中点線で示すようにＯｓｃ．２２側に切り替える。
このスイッチＳ2の切り替えにより、振幅調整器１０な
どを含む前記自励発振ループによるカンチレバの加振は
行われなくなり、それに代わって、カンチレバ４はＯｓ
ｃ．２２によってカンチレバ４の固有振動数、またはそ
の近傍の周波数ｆ0’で強制振動される。このとき、Ｏ
ｓｃ．２２は、カンチレバ４の振動振幅が、前記凹凸観
察時の振幅Ａ1より小さいＡ2となるように予め調整され
ている。このため、カンチレバ４と試料間に力が働いて
いない状態においては、カンチレバ４は振幅Ａ2および
振動数ｆ0’で振動する。なお、この振幅Ａ2がどの程度
Ａ1より小さいかについては、後で詳しく説明する。
【００８０】そして、このようにカンチレバ４が振動し
ている状態において、ＣＰＵ１８は、前記圧電素子スキ
ャナ１７を上述した凹凸像観察時と全く同じようにＸＹ
スキャンさせるための信号を、ＸＹ圧電素子駆動電源２
１に供給する。すなわち、凹凸像観察時と同様に、探針
６を図３に示した観察位置（ｘi，ｙj）［i=1,2,…,m、
j=1,2,…,n］上に順次位置させるためのＸＹスキャン信
号Ｓ（ｘi，ｙj）が、ＣＰＵ１８からＸＹ圧電素子駆動
電源２１に供給される。
【００８１】さらにＣＰＵ１８は、このＸＹスキャン信
号Ｓ（ｘi，ｙj）の供給時、ＸＹスキャン位置（ｘi，
ｙj）に対応して、前記メモリ２０に記憶されたＺ動制
御信号Ｚijが前記Ｚ圧電素子駆動電源１６に順次供給さ
れるように、メモリ２０の読み出しを制御する。すなわ
ち、たとえばＸＹスキャン位置が（ｘ1，ｙ1）のときは
Ｚ動制御信号Ｚ11がメモリ２０からＺ圧電素子駆動電源
１６に供給されるように、ＣＰＵ１８はメモリ２０の読
み出しを制御する。
【００８２】そして、前記ＸＹスキャン信号Ｓ（ｘi，
ｙj）が供給されるＸＹ圧電素子駆動電源２１は、その
供給されるＸＹスキャン信号に基づいて圧電素子スキャ
ナ１７をＸＹ方向にスキャンさせる。一方、前記Ｚ動制
御信号Ｚijが供給されるＺ圧電素子駆動電源１６は、そ
の供給されるＺ動制御信号に基づいて圧電素子スキャナ
１７のＺ動を制御する。
【００８３】この圧電素子スキャナ１７のＸＹスキャン
およびＺ動により、その上にセットされている試料１２
も同様に、ＸＹ方向にスキャンおよびＺ方向に移動され
る。この結果、前記探針６は試料１２の観察位置
（ｘi，ｙj）上に順次位置し、その各観察位置におい
て、カンチレバ４と試料１２間の距離は前記凹凸像観察
時の距離に保たれる。こうして、磁気力像観察時におい
て、試料に対するカンチレバの軌跡は、図４に示した凹
凸像観察時における軌跡Ｗと同じになる。
【００８４】さて、上述したように、磁気力像観察時に
おいては、カンチレバ４の振幅は凹凸像観察時の振幅Ａ
1よりも小さいＡ2に設定されている。より詳しく説明す
ると、このカンチレバ４の振幅Ａ2は、磁気力像観察時
において探針６が試料の各観察位置（ｘi，ｙj）上に位
置決めされたときに、探針６が試料をタップしないよう
な小さい値に設定されている。
【００８５】ところで、このような探針６が試料をタッ
プしない非接触状態では、カンチレバ４の振動は探針と
試料間に働く磁気力によって支配され、カンチレバの振
動を表すプリアンプ９の出力信号のＯｓｃ．２２の加振
信号（基準信号）からの位相のずれは、試料表面の磁場
状態を強く反映している。
【００８６】そこで、ＣＰＵ１８は、各探針走査位置
（ｘi，ｙj）における画像輝度信号を、各探針走査位置
（ｘi，ｙj）における位相検出器２３の出力信号（MFM
Signal）とすることで磁気力情報を得、試料観察領域の
磁気力像を図示しない表示装置の画面上に表示させる。
上述した理由から、この磁気力像には試料の凹凸情報は
ほとんど含まれていない。
【００８７】以上、図６の装置の動作について説明した
が、この装置を用いれば、真空中での試料観察において
も磁気情報を含まない凹凸像を得ることができ、また、
凹凸情報を含まない磁気力像を得ることができる。
【００８８】また、図６の装置においては、従来のよう
に、磁気力像観察の度に前記ΔＺだけ圧電素子スキャナ
をＺ方向に移動させなくてすむので、このＺ動によって
圧電素子スキャナが振動したり、その振動が他の構成に
伝わることはない。このため、凹凸像と磁気力像観察を
安定に行うことができる。
【００８９】なお、図６の装置においては、探針の試料
上での１フレーム走査で凹凸情報を得、その後の１フレ
ーム走査で磁気力情報を得ているが、凹凸情報の取得と
磁気力情報の取得は、探針の試料上での１ライン走査
毎、または１画素毎に切り替えても良い。その１ライン
走査毎に切り替えるときは、往きの走査で凹凸像を得
て、帰りの走査で磁気力像を得るようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の磁気力顕微鏡を示した図である。
【図２】 本発明の一例を示した図である。
【図３】 探針の試料上での走査を説明するために示し
た図である。
【図４】 凹凸像観察時における、試料に対するカンチ
レバの軌跡Ｗを示した図である。
【図５】 磁気力像観察時における、試料に対するカン
チレバの軌跡を示した図である。
【図６】 本発明の一例を示した図である。
【符号の説明】
１０１…カンチレバ、１０２…発振器、１０３…加振用
圧電素子、１０４…レーザ光源、１０５…光検出器、１
０６…プリアンプ、１０７…振幅／直流電圧変換器、１
０８…エラーアンプ、１０９…フィルタ、１１０…Ｚ圧
電素子駆動電源、１１１…圧電素子スキャナ、１１２…
参照電圧設定手段、１１３…試料、１１４…メモリ、１
１５…位相検出器、１…試料室壁、２…試料室、３…排
気装置、４…カンチレバ、５…支持部、６…探針、７…
レーザ光源、８…光検出器、９…プリアンプ、１０…振
幅調整器、１１…加振用圧電素子、１２…試料、１３…
周波数／電圧変換器、１４…エラーアンプ、１５…フィ
ルタ、１６…Ｚ圧電素子駆動電源、１７…圧電素子スキ
ャナ、１８…中央制御装置、１９…参照電圧設定手段、
２０…メモリ、２１…ＸＹ圧電素子駆動電源、２２…発
振器、２３…位相検出器

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 支持されている端部と反対側の自由端に
    探針を有し、磁性を帯びたカンチレバと、そのカンチレ
    バと試料間に力が働かない程度にカンチレバが試料から
    離れている状態において、カンチレバが所定の振動数ｆ
    0および所定の振幅で振動するようにカンチレバを加振
    させる発振手段と、前記探針で試料上の観察位置
    （ｘi，ｙj）をタップさせるために、前記カンチレバの
    振動数が前記ｆ0からｆ1（ｆ1＜ｆ0）にシフトするよう
    に、カンチレバと試料間の距離を制御する距離制御手段
    と、その距離制御手段の制御結果に基づき、前記試料上
    の観察位置（ｘi，ｙj）における試料の凹凸情報を得る
    手段と、前記探針を前記試料の観察位置（ｘi，ｙj）上
    に位置させると共に、前記カンチレバと試料間の距離を
    前記凹凸情報取得時の距離に保持する位置設定手段と、
    その位置設定手段によって探針が試料上に位置決めされ
    たときに、前記発振手段によって加振されている前記カ
    ンチレバの振幅が、前記探針が試料をタップしないよう
    な振幅となるように、前記発振手段におけるカンチレバ
    振幅制御量を制御する振幅制御手段と、前記位置設定手
    段によって探針が試料上に位置決めされ、前記振幅制御
    手段の制御によって探針が試料をタップしないようにカ
    ンチレバが振動している状態において、そのときのカン
    チレバの振動数に基づき、前記試料上の観察位置
    （ｘi，ｙj）における試料の磁気情報を得る手段を備え
    たことを特徴とする磁気力顕微鏡。
  2. 【請求項２】 前記凹凸情報の取得と磁気情報の取得
    は、１画素毎、または探針の試料上での１ライン走査
    毎、または探針の試料上での１フレーム走査毎に切り替
    えられることを特徴とする請求項１記載の磁気力顕微
    鏡。
  3. 【請求項３】 前記カンチレバおよび試料は、真空中に
    配置されていることを特徴とする請求項１または２に記
    載の磁気力顕微鏡。
  4. 【請求項４】 支持されている端部と反対側の自由端に
    探針を有し、磁性を帯びたカンチレバと、そのカンチレ
    バと試料間に力が働かない程度にカンチレバが試料から
    離れている状態において、カンチレバが所定の振動数ｆ
    0および所定の振幅で振動するようにカンチレバを加振
    させる第１の発振手段と、前記カンチレバの振動数が所
    定の振動数ｆ0’に保持されるようにカンチレバを加振
    させる第２の発振手段と、前記第１の発振手段によるカ
    ンチレバの加振と、前記第２の発振手段によるカンチレ
    バの加振のどちらか一方を選択する切替手段と、前記第
    １の発振手段によりカンチレバが加振されるように前記
    切替手段を制御すると共に、前記探針で試料上の観察位
    置（ｘi，ｙj）をタップさせるために、前記カンチレバ
    の振動数が前記ｆ0からｆ1（ｆ1＜ｆ0）にシフトするよ
    うに、カンチレバと試料間の距離を制御する距離制御手
    段と、その距離制御手段の制御結果に基づき、前記試料
    上の観察位置（ｘi，ｙj）における試料の凹凸情報を得
    る手段と、前記探針を前記試料の観察位置（ｘi，ｙj）
    上に位置させると共に、前記カンチレバと試料間の距離
    を前記凹凸情報取得時の距離に保持する位置設定手段
    と、その位置設定手段によって探針が試料上に位置決め
    されたときに、前記第２の発振手段によりカンチレバが
    加振されるように前記切替手段を制御すると共に、その
    ときの前記カンチレバの振幅が、前記探針が試料をタッ
    プしないような振幅となるように、前記第２の発振手段
    におけるカンチレバ振幅制御量を制御する振幅制御手段
    と、前記位置設定手段によって探針が試料上に位置決め
    され、前記振幅制御手段の制御によって探針が試料をタ
    ップしないようにカンチレバが振動している状態におい
    て、そのときのカンチレバの振動を表す信号と、前記第
    ２の発振手段からの加振信号の位相差に基づき、前記試
    料上の観察位置（ｘi，ｙj）における試料の磁気情報を
    得る手段を備えたことを特徴とする磁気力顕微鏡。
  5. 【請求項５】 前記凹凸情報の取得と磁気情報の取得
    は、１画素毎、または探針の試料上での１ライン走査
    毎、または探針の試料上での１フレーム走査毎に切り替
    えられることを特徴とする請求項４記載の磁気力顕微
    鏡。
  6. 【請求項６】 前記カンチレバおよび試料は、真空中に
    配置されていることを特徴とする請求項４または５に記
    載の磁気力顕微鏡。
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