JP2002515592A - 走査型プローブ顕微鏡検査法用の力感知プローブ - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡検査法用の力感知プローブInfo
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Abstract
(57)【要約】
走査型プローブ顕微鏡にて使用される力感知プローブが提供され且つかかるプローブ１１を磁気歪み性材料１０から成る膜にて被覆する方法が提供される。該プローブ１１は、プローブに対し任意の方向に方向決めすることのできる磁界内に該プローブを配置することにより磁化可能である。磁気歪み効果は、磁気膜を圧縮し又は拡張し、印加された磁界の強度によりその長さを変化させる。このことは、一方、好ましい実施の形態において、カンチレバー１１の形態であるプローブ及び付与された磁気膜を撓み又は曲げる。その後のプローブの動きは、磁力を直接付与する場合の動作よりも遥かに大きく、また、その効果は印加された磁界の方向に対し敏感ではない。
Description
【０００１】 本発明は、走査プローブ顕微鏡検査法、より具体的には、顕微鏡および原子間
力顕微鏡検査法にて使用されるカンチレバーの形態をした力感知プローブの構造
に関する。
力顕微鏡検査法にて使用されるカンチレバーの形態をした力感知プローブの構造
に関する。
【０００２】 従来の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）において、プローブ先端と観察中の表面との
間の相互作用を監視するために可撓性のカンチレバーの撓みが使用される。先端
を表面に近付けると、この先端は、観察中の表面との相互作用に応答して撓む。
表面からの先端の距離を制御し且つ表面の詳細を測定するためこれらの撓みが使
用される。原子間力顕微鏡を揺動モードにて作動させることが望ましいことがし
ばしばである。このモード（ＡＣモードとして公知）において、カンチレバーを
高振動数にて振動させ、カンチレバーが表面に接近するときの該カンチレバーの
振幅（又は位相）の変化を使用して、顕微鏡を制御する。これを行なう１つの理
由は、高振幅にて振動させたとき、プローブが観察中の表面に付着する傾向が小
さくなるからである。しかしながら、このＡＣ作動モードは、性質上、より敏感
でもある。ＡＣ検知は、検知すべき信号をキャリア信号における側波帯に変化さ
せ、直流信号に伴なう低振動数のノイズを回避する。更に、このようにして、顕
微鏡の全体的な信号対雑音比を向上させるため、カンチレバーの機械的な共振Ｑ
を使用することができる。
間の相互作用を監視するために可撓性のカンチレバーの撓みが使用される。先端
を表面に近付けると、この先端は、観察中の表面との相互作用に応答して撓む。
表面からの先端の距離を制御し且つ表面の詳細を測定するためこれらの撓みが使
用される。原子間力顕微鏡を揺動モードにて作動させることが望ましいことがし
ばしばである。このモード（ＡＣモードとして公知）において、カンチレバーを
高振動数にて振動させ、カンチレバーが表面に接近するときの該カンチレバーの
振幅（又は位相）の変化を使用して、顕微鏡を制御する。これを行なう１つの理
由は、高振幅にて振動させたとき、プローブが観察中の表面に付着する傾向が小
さくなるからである。しかしながら、このＡＣ作動モードは、性質上、より敏感
でもある。ＡＣ検知は、検知すべき信号をキャリア信号における側波帯に変化さ
せ、直流信号に伴なう低振動数のノイズを回避する。更に、このようにして、顕
微鏡の全体的な信号対雑音比を向上させるため、カンチレバーの機械的な共振Ｑ
を使用することができる。
【０００３】 エリングス（Ｅｌｉｎｇｓ）及びその他の者の米国特許第５，４１２，９８０
号及び同第５，５１９，２１２号により教示される１つの型式のＡＣ ＡＦＭに
おいて、振動は、主として、先端と表面との間の接着効果を防止する手段として
使用される。しかしながら、かかる接着は、化学的手段により容易に防止できる
。例えば、顕微鏡は、接着を最小にする流体中で作動させることができる。これ
と代替的に（又は追加的に）、観察中の表面への接着を最小にし得るように、先
端材料を選ぶことができる。その場合、顕微鏡を大きい振動振幅にて作動させる
理由は何もない。
号及び同第５，５１９，２１２号により教示される１つの型式のＡＣ ＡＦＭに
おいて、振動は、主として、先端と表面との間の接着効果を防止する手段として
使用される。しかしながら、かかる接着は、化学的手段により容易に防止できる
。例えば、顕微鏡は、接着を最小にする流体中で作動させることができる。これ
と代替的に（又は追加的に）、観察中の表面への接着を最小にし得るように、先
端材料を選ぶことができる。その場合、顕微鏡を大きい振動振幅にて作動させる
理由は何もない。
【０００４】 ＡＦＭカンチレバーの動作を励起させる通常の方法は、そのカンチレバーを音
響的励起により駆動することである。この方法は、空気又はガス中にて良好に作
用し、また、応用物理レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）６４：１７
３８−１７４０（１９９４年）におけるハンスマ（Ｈａｎｓｍａ）及びその他の
者による「液体中のタッピングモード原子間力顕微鏡検査法（Ｔａｐｐｉｎｇ
Ｍｏｄｅ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｎ Ｌｉｑｕ
ｉｄｓ）」、及び応用物理レターズ６４：２４５４−２４５６（１９９４年）に
おけるプットマン（Ｐｕｔｍａｎ）及びその他の者による「液体中のタッピング
モード原子間力顕微鏡検査法（Ｔａｐｐｉｎｇ Ｍｏｄｅ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏ
ｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｎ Ｌｉｑｕｉｄｓ）」により教示されたよ
うに、先端を水中に入れた状態で使用している。しかしながら、流体中でのカン
チレバーの動きは粘度によって減衰され、このため、カンチレバーの動きを駆動
するためには、実質的な音響的振幅が必要とされる。更に、流体は、音響的励起
源とカンチレバー以外の顕微鏡部品との間の接続媒体として機能する。その結果
、カンチレバー以外の顕微鏡部品は、カンチレバーを振動させるのに使用される
音響的信号により励起されることになる。これらの動作が検知器における信号と
なるならば、スプリアスで且つ先端と表面との間の相互作用に敏感でないバック
グラウンド信号が発生される。
響的励起により駆動することである。この方法は、空気又はガス中にて良好に作
用し、また、応用物理レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）６４：１７
３８−１７４０（１９９４年）におけるハンスマ（Ｈａｎｓｍａ）及びその他の
者による「液体中のタッピングモード原子間力顕微鏡検査法（Ｔａｐｐｉｎｇ
Ｍｏｄｅ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｎ Ｌｉｑｕ
ｉｄｓ）」、及び応用物理レターズ６４：２４５４−２４５６（１９９４年）に
おけるプットマン（Ｐｕｔｍａｎ）及びその他の者による「液体中のタッピング
モード原子間力顕微鏡検査法（Ｔａｐｐｉｎｇ Ｍｏｄｅ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏ
ｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｎ Ｌｉｑｕｉｄｓ）」により教示されたよ
うに、先端を水中に入れた状態で使用している。しかしながら、流体中でのカン
チレバーの動きは粘度によって減衰され、このため、カンチレバーの動きを駆動
するためには、実質的な音響的振幅が必要とされる。更に、流体は、音響的励起
源とカンチレバー以外の顕微鏡部品との間の接続媒体として機能する。その結果
、カンチレバー以外の顕微鏡部品は、カンチレバーを振動させるのに使用される
音響的信号により励起されることになる。これらの動作が検知器における信号と
なるならば、スプリアスで且つ先端と表面との間の相互作用に敏感でないバック
グラウンド信号が発生される。
【０００５】 カンチレバーを直接的に励起させる方法は、真空サイエンステクノロジージャ
ーナル（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．）１１：８０８−８１５（１９
９３）におけるリンドゼイ及びその他の者による「液体―固体境界における生体
適合材料の走査トンネル顕微鏡検査法及び原子間力顕微鏡検査法による研究（Ｓ
ｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ａｔｏ
ｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ Ｂａｉｏ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｔ ａ Ｌｉｑｕｉｄ−Ｓｏｌｉｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃ
ｅ）」に記載されている。この方策において、磁気粒子又は膜をカンチレバーに
付着させ、カンチレバー付近のソレノイドを使用して、カンチレバー上に磁力を
発生させる。多分、音響的に励起させ顕微鏡にて生じるであろうように、バック
グラウンドのスプリアス信号が欠如するため、この構成は表面力に対し極めて敏
感である。その開示内容を参考として引用して本明細書に含める、リンドゼイの
米国特許第５，５１５，７１９号及び同第５，５１３，５１８号は、カンチレバ
ーが磁気手段によって励起される、この新規な形態のＡＣ−ＡＦＭを教示してい
る。
ーナル（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．）１１：８０８−８１５（１９
９３）におけるリンドゼイ及びその他の者による「液体―固体境界における生体
適合材料の走査トンネル顕微鏡検査法及び原子間力顕微鏡検査法による研究（Ｓ
ｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ａｔｏ
ｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ Ｂａｉｏ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｔ ａ Ｌｉｑｕｉｄ−Ｓｏｌｉｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃ
ｅ）」に記載されている。この方策において、磁気粒子又は膜をカンチレバーに
付着させ、カンチレバー付近のソレノイドを使用して、カンチレバー上に磁力を
発生させる。多分、音響的に励起させ顕微鏡にて生じるであろうように、バック
グラウンドのスプリアス信号が欠如するため、この構成は表面力に対し極めて敏
感である。その開示内容を参考として引用して本明細書に含める、リンドゼイの
米国特許第５，５１５，７１９号及び同第５，５１３，５１８号は、カンチレバ
ーが磁気手段によって励起される、この新規な形態のＡＣ−ＡＦＭを教示してい
る。
【０００６】 かかる顕微鏡を作動させるため、磁気カンチレバーが必要とされる。従来の技
術において、少なくとも３つの方策が使用されていた。真空サイエンステクノロ
ジージャーナル１１：８０８−８１５（１９９３）において、リンドゼイ及びそ
の他の者は、磁気粒子をカンチレバー上に固定する方法を記載している。しかし
ながら、この方法は、適当なカンチレバーを大量生産するには適していない。化
学物理レターズ（Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）２２３：３３６−３４０（
１９９４）において、オーシー（Ｏ’Ｓｈｅａ）及びその他の者の「固体―液体
境界における局所的コンプライアンスの原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒ
ｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ Ｌｏｃａｌ Ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ ａｔ
Ｓｏｌｉｄ−Ｌｉｑｕｉｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ）」は、磁気被覆をカンチ
レバー上に蒸着する方法を記載している。蒸着膜により発生した表面間の応力に
起因してカンチレバーが曲がるのを防止するため、彼等は、磁気膜が力感知カン
チレバーの先端にだけ蒸着されるようにするためカンチレバーの大部分の上にマ
スクを載せる。この方策は、機械的マスクの精密なアライメントを必要とし、こ
のため適当に被覆したカンチレバーの簡単な製造には不適当である。磁気膜をカ
ンチレバー上に形成し且つ膜の性質を較正するその他の方法は、リンドゼイの米
国特許第５，６１２，４９１号及びリンドゼイの米国特許第５，８６６，８０５
号に記載されている。同様の方法がクリーブランド（Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ）及び
その他の者の米国特許第５，６７０，７１２号にも記載されている。
術において、少なくとも３つの方策が使用されていた。真空サイエンステクノロ
ジージャーナル１１：８０８−８１５（１９９３）において、リンドゼイ及びそ
の他の者は、磁気粒子をカンチレバー上に固定する方法を記載している。しかし
ながら、この方法は、適当なカンチレバーを大量生産するには適していない。化
学物理レターズ（Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）２２３：３３６−３４０（
１９９４）において、オーシー（Ｏ’Ｓｈｅａ）及びその他の者の「固体―液体
境界における局所的コンプライアンスの原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒ
ｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ Ｌｏｃａｌ Ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ ａｔ
Ｓｏｌｉｄ−Ｌｉｑｕｉｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ）」は、磁気被覆をカンチ
レバー上に蒸着する方法を記載している。蒸着膜により発生した表面間の応力に
起因してカンチレバーが曲がるのを防止するため、彼等は、磁気膜が力感知カン
チレバーの先端にだけ蒸着されるようにするためカンチレバーの大部分の上にマ
スクを載せる。この方策は、機械的マスクの精密なアライメントを必要とし、こ
のため適当に被覆したカンチレバーの簡単な製造には不適当である。磁気膜をカ
ンチレバー上に形成し且つ膜の性質を較正するその他の方法は、リンドゼイの米
国特許第５，６１２，４９１号及びリンドゼイの米国特許第５，８６６，８０５
号に記載されている。同様の方法がクリーブランド（Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ）及び
その他の者の米国特許第５，６７０，７１２号にも記載されている。
【０００７】 これらの参考文献は、磁気膜又は粒子を有するカンチレバーは、印加された磁
界及びカンチレバーに固定された磁気モーメントの相互作用に起因する力の効果
により撓むことを教示している。この方策の１つの実施の形態、すなわちリンド
ゼイの米国特許第５，５１５，７１９号は、図１に図示されている。この場合、
磁気粒子又は膜１は、カンチレバー２に取り付けられ且つ磁化されて、その磁気
モーメントＭ，３がカンチレバーの柔らかい軸線から離れる方向を向くようにす
る。磁界勾配、ｄＢ／ｄｚ４をカンチレバー先端３上の磁気モーメントに対し平
行に付与し、その結果、次式で与えられる力が先端に作用する。
界及びカンチレバーに固定された磁気モーメントの相互作用に起因する力の効果
により撓むことを教示している。この方策の１つの実施の形態、すなわちリンド
ゼイの米国特許第５，５１５，７１９号は、図１に図示されている。この場合、
磁気粒子又は膜１は、カンチレバー２に取り付けられ且つ磁化されて、その磁気
モーメントＭ，３がカンチレバーの柔らかい軸線から離れる方向を向くようにす
る。磁界勾配、ｄＢ／ｄｚ４をカンチレバー先端３上の磁気モーメントに対し平
行に付与し、その結果、次式で与えられる力が先端に作用する。
【０００８】
【数１】 ここで、Ｍは、磁気モーメントであり、磁界勾配ｄＢ／ｄｚは、磁気モーメント
と同一方向に沿って付与され、力Ｆが得られる。１メートル当たり１ニュートン
程度の硬さのカンチレバーを数ナノメートル変位させるのに十分な力を発生させ
るためには、極めて大きい磁気モーメント又は極めて大きい磁界勾配の何れかを
必要とする。
と同一方向に沿って付与され、力Ｆが得られる。１メートル当たり１ニュートン
程度の硬さのカンチレバーを数ナノメートル変位させるのに十分な力を発生させ
るためには、極めて大きい磁気モーメント又は極めて大きい磁界勾配の何れかを
必要とする。
【０００９】 リンドゼイの米国特許第５，６１５，４９１号、リンドゼイの米国特許第５，
８６６，８０５号及びクリーブランド及びその他の者の米国特許第５，６７０，
７１２号にて教示された別の従来技術の方法が図２に図示されている。この場合
、そのモーメントＭ，６がカンチレバー２の柔らかい軸線に沿った方向を指すよ
うに、膜又は粒子５を磁化させる。磁界Ｂ，７は、カンチレバー６上の磁気モー
メントに対し垂直な方向に向ける。その結果、次式で与えられるトルクＮがカン
チレバーに作用する。
８６６，８０５号及びクリーブランド及びその他の者の米国特許第５，６７０，
７１２号にて教示された別の従来技術の方法が図２に図示されている。この場合
、そのモーメントＭ，６がカンチレバー２の柔らかい軸線に沿った方向を指すよ
うに、膜又は粒子５を磁化させる。磁界Ｂ，７は、カンチレバー６上の磁気モー
メントに対し垂直な方向に向ける。その結果、次式で与えられるトルクＮがカン
チレバーに作用する。
【００１０】
【数２】 これは、次式で与えられる、カンチレバーの端部上の力Ｆ（８）に略等しい。
【００１１】
【数３】 ここで、Ｌは、カンチレバーの長さである。この効果は、応用物理レターズ６９
、４１１１−４１１３（１９９６）におけるハン（Ｈａｎ）及びその他の者によ
る「液体中で作用するよう磁気駆動される振動プローブ顕微鏡（Ａ Ｍａｇｎｅ
ｔｉｃａｌｌｙ Ｄｒｉｖｅｎ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃ
ｒｏｓｃｏｐｅ ｆｏｒ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｌｉｑｕｉｄｓ）」によ
り実証されており、この者は、硬さが０．１２ニュートン／ｍのカンチレバーを
使用して、印加された数エルステッドの磁界に対し数ナノメートルの動きを測定
した。
、４１１１−４１１３（１９９６）におけるハン（Ｈａｎ）及びその他の者によ
る「液体中で作用するよう磁気駆動される振動プローブ顕微鏡（Ａ Ｍａｇｎｅ
ｔｉｃａｌｌｙ Ｄｒｉｖｅｎ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃ
ｒｏｓｃｏｐｅ ｆｏｒ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｌｉｑｕｉｄｓ）」によ
り実証されており、この者は、硬さが０．１２ニュートン／ｍのカンチレバーを
使用して、印加された数エルステッドの磁界に対し数ナノメートルの動きを測定
した。
【００１２】 上述した従来技術の方法は、実質的な磁気モーメントをカンチレバーの先端に
与えることを必要とし、このことは、使用できる材料の範囲を制限することにな
る。特に、従来から使用されている鉄合金は、容易に酸化するので、顕微鏡の作
動を非酸化環境にのみ制限している。従って、走査型プローブ顕微鏡のカンチレ
バーを磁気的に撓ませる、より敏感な方法、及び鉄を含む合金よりも、より耐腐
食性に優れた材料が依然として、当該技術分野にて必要とされている。
与えることを必要とし、このことは、使用できる材料の範囲を制限することにな
る。特に、従来から使用されている鉄合金は、容易に酸化するので、顕微鏡の作
動を非酸化環境にのみ制限している。従って、走査型プローブ顕微鏡のカンチレ
バーを磁気的に撓ませる、より敏感な方法、及び鉄を含む合金よりも、より耐腐
食性に優れた材料が依然として、当該技術分野にて必要とされている。
【００１３】 走査型プローブ顕微鏡にて使用される力感知プローブ、及び、かかるプローブ
を磁気歪み性材料から成る膜にて被覆する方法を提供する本発明により、これら
の要求が充足される。該プローブは、プローブに対する任意の方向に方向決めす
ることのできる磁界中にプローブを配置することにより磁化させる。この磁気歪
み効果は、印加された磁界の強度によりその長さが変化するが、磁気膜を圧縮又
は拡張することになる。このことは、ひいては、１つの好ましい実施の形態にお
いて、カンチレバーの形態をしたフローブ及び付与された磁気膜を撓ませ又は曲
げることになる。本発明は、その後のプローブの動きが、磁力を直接、印加する
場合よりも遥かに大きく、また、その効果は印加された磁界の方向に敏感でない
、という利点が得られる。その後の動きが大きいため、過酷な環境内にて酸化及
び腐食の双方又はその何れか一方に対する抵抗性のあるものを含む、極めて多数
の磁気歪み性材料を利用することができる。
を磁気歪み性材料から成る膜にて被覆する方法を提供する本発明により、これら
の要求が充足される。該プローブは、プローブに対する任意の方向に方向決めす
ることのできる磁界中にプローブを配置することにより磁化させる。この磁気歪
み効果は、印加された磁界の強度によりその長さが変化するが、磁気膜を圧縮又
は拡張することになる。このことは、ひいては、１つの好ましい実施の形態にお
いて、カンチレバーの形態をしたフローブ及び付与された磁気膜を撓ませ又は曲
げることになる。本発明は、その後のプローブの動きが、磁力を直接、印加する
場合よりも遥かに大きく、また、その効果は印加された磁界の方向に敏感でない
、という利点が得られる。その後の動きが大きいため、過酷な環境内にて酸化及
び腐食の双方又はその何れか一方に対する抵抗性のあるものを含む、極めて多数
の磁気歪み性材料を利用することができる。
【００１４】 本発明の１つの特徴によれば、表面又は表面間の性質を感知する力感知プロー
ブが提供され、また、本発明は、プローブと、プローブ上における磁気歪み性材
料から成る膜とを含む。磁気歪み性材料は、ニッケル、コバルト、アイオワ州、
アメズのエトレマ・プロダクツ・インコーポレーテッド（ＥＴＲＥＭＡ Ｐｒｏ
ｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．）から市販されている、テレフォノール（Ｔｅｒｆｅｎｏ
ｌ）Ｄのようなテルビウム及び鉄の合金及び混合体、鉄、ネオジム及びホウ素の
合金及び混合体、ニッケル及び鉄の合金及び混合体、コバルト及び鉄の合金及び
混合体、ニッケル及びバナジウムの合金及び混合体、ニッケル及びクロムの合金
及び混合体、ニッケル及びマンガンの合金及び混合体、ニッケル及びコバルトの
合金及び混合体、ニッケル及び銅の合金及び混合体、ベリリウム及び鉄の合金及
び混合体、アルミニウム及び鉄の合金及び混合体、ゲルマニウム及び鉄の合金及
び混合体、シリコン及び鉄の合金及び混合体、チタン酸化物及び鉄酸化物の合金
及び混合体、マンガン酸化物及び鉄酸化物の合金及び混合体、コバルト酸化物及
び鉄酸化物の合金及び混合体、銅酸化物及び鉄酸化物の合金及び混合体、バリウ
ム酸化物及び鉄酸化物の合金及び混合体、ストロンチウム酸化物及び鉄酸化物の
合金及び混合体から成る群から選んだ材料にて出来ていることが好ましい。これ
ら材料の多くは、酸化及び腐食の双方又はその何れか一方に対する抵抗性がある
。
ブが提供され、また、本発明は、プローブと、プローブ上における磁気歪み性材
料から成る膜とを含む。磁気歪み性材料は、ニッケル、コバルト、アイオワ州、
アメズのエトレマ・プロダクツ・インコーポレーテッド（ＥＴＲＥＭＡ Ｐｒｏ
ｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．）から市販されている、テレフォノール（Ｔｅｒｆｅｎｏ
ｌ）Ｄのようなテルビウム及び鉄の合金及び混合体、鉄、ネオジム及びホウ素の
合金及び混合体、ニッケル及び鉄の合金及び混合体、コバルト及び鉄の合金及び
混合体、ニッケル及びバナジウムの合金及び混合体、ニッケル及びクロムの合金
及び混合体、ニッケル及びマンガンの合金及び混合体、ニッケル及びコバルトの
合金及び混合体、ニッケル及び銅の合金及び混合体、ベリリウム及び鉄の合金及
び混合体、アルミニウム及び鉄の合金及び混合体、ゲルマニウム及び鉄の合金及
び混合体、シリコン及び鉄の合金及び混合体、チタン酸化物及び鉄酸化物の合金
及び混合体、マンガン酸化物及び鉄酸化物の合金及び混合体、コバルト酸化物及
び鉄酸化物の合金及び混合体、銅酸化物及び鉄酸化物の合金及び混合体、バリウ
ム酸化物及び鉄酸化物の合金及び混合体、ストロンチウム酸化物及び鉄酸化物の
合金及び混合体から成る群から選んだ材料にて出来ていることが好ましい。これ
ら材料の多くは、酸化及び腐食の双方又はその何れか一方に対する抵抗性がある
。
【００１５】 本発明の１つの好ましい実施の形態において、プローブは、上面及び底面を有
し、該底面が該底面から下方に配置されたプロープの先端を有するカンチレバー
を備えている。磁気歪み性材料から成る膜をカンチレバー構造体の上面又は底面
の何れかに被覆することができる。１つの好ましい形態において、磁気歪み性材
料は、カンチレバーの上面に被覆し、カンチレバーは、底面及びプローブ先端に
配置された異なる材料の被覆を含む。好ましくは、該異なる材料もまた、磁気歪
み性材料から成るものとする。
し、該底面が該底面から下方に配置されたプロープの先端を有するカンチレバー
を備えている。磁気歪み性材料から成る膜をカンチレバー構造体の上面又は底面
の何れかに被覆することができる。１つの好ましい形態において、磁気歪み性材
料は、カンチレバーの上面に被覆し、カンチレバーは、底面及びプローブ先端に
配置された異なる材料の被覆を含む。好ましくは、該異なる材料もまた、磁気歪
み性材料から成るものとする。
【００１６】 該プローブは、表面又は表面間の性質を感知すべく原子間力顕微鏡のような走
査型プローブ顕微鏡にて使用される。広義には、かかる顕微鏡は、プローブと、
該プローブにおける磁気歪み性材料から成る膜と、プローブを歪ませる磁界発生
源と、プローブの歪みを感知する検知器とを備えている。
査型プローブ顕微鏡にて使用される。広義には、かかる顕微鏡は、プローブと、
該プローブにおける磁気歪み性材料から成る膜と、プローブを歪ませる磁界発生
源と、プローブの歪みを感知する検知器とを備えている。
【００１７】 本発明はまた、表面又は表面間の性質を感知すべくプローブを磁化する方法で
であって、プローブ表面上に磁気歪み性材料から成る膜を形成するステップと、
約０．１乃至約２０，０００エルステッドの範囲の磁界に対しプローブをさらす
ステップとを備える方法も含む。この方法も１つの好ましい実施の形態において
、上面と、底面と、該底面から下方に伸びるプローブ先端とを備える、力感知カ
ンチレバーが提供される。該カンチレバーはスパッタ蒸着チャンバ内に配置され
、磁気歪み性材料から成る第一の膜をカンチレバーの底面にスパッタ蒸着し、そ
の後、異なる材料の第二の膜をカンチレバーの上面及びプローブ先端上にスパッ
タ蒸着する。１つの好ましい実施の形態において、この異なる材料もまた磁気歪
み性材料である。
であって、プローブ表面上に磁気歪み性材料から成る膜を形成するステップと、
約０．１乃至約２０，０００エルステッドの範囲の磁界に対しプローブをさらす
ステップとを備える方法も含む。この方法も１つの好ましい実施の形態において
、上面と、底面と、該底面から下方に伸びるプローブ先端とを備える、力感知カ
ンチレバーが提供される。該カンチレバーはスパッタ蒸着チャンバ内に配置され
、磁気歪み性材料から成る第一の膜をカンチレバーの底面にスパッタ蒸着し、そ
の後、異なる材料の第二の膜をカンチレバーの上面及びプローブ先端上にスパッ
タ蒸着する。１つの好ましい実施の形態において、この異なる材料もまた磁気歪
み性材料である。
【００１８】 従って、本発明の１つの特徴は、走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーを磁気
的に歪ませるより敏感な方法、及び鉄を含む合金よりも酸化及び腐食の双方又は
その何れか一方に対しより抵抗性のある磁気材料を提供することである。
的に歪ませるより敏感な方法、及び鉄を含む合金よりも酸化及び腐食の双方又は
その何れか一方に対しより抵抗性のある磁気材料を提供することである。
【００１９】 本発明をより容易に理解し得るようにするため、次に、添付図面に関して一例
として本発明を説明する。 本発明は、デュ・トレモレット・デ・ラチェイシェリエ（Ｄｕ Ｔｒｅｍｏｌ
ｅｔ Ｌａｃｈｅｉｓｓｅｒｉｅ）の「磁気歪み、磁気弾性の理論及び応用（Ｍ
ａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｏｎ，Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｏ
ｉｎｓ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｏｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ）」ＣＲＣプレス（１９９
３）に記載されたように、多くの磁気材料の磁気歪み性質を利用する。直径ｄの
磁気材料から成る球に磁界Ｈを印加した場合（図３の磁界が存在しない場合）、
材料は歪み、その直径は、Ｈ＝０の状態からＨ≠０の状態に変化する。すなわち
、材料は絶対体積が変化する。図３に図示した一般的な場合、この絶対体積は縮
小する。これと代替的に、この値が増大するようにしてもよい。材料の歪みが均
一（すなわち、等方性）であり、ｄ1＝ｄ2であるならば、体積磁気歪みｗ（Ｈ）
が、（ｄ3−ｄ1 3）／ｄ3により与えられる。線形寸法の対応する部分的な変化（
ｄ-ｄ1）／ｄはＩと称される。その値は、通常、飽和磁界Ｈ＝ＨSについてＩSと
して与えられる。異方性線形の場合、これら値は、印加された磁界に対し平行に
且つ垂直な方向に与えられる。
として本発明を説明する。 本発明は、デュ・トレモレット・デ・ラチェイシェリエ（Ｄｕ Ｔｒｅｍｏｌ
ｅｔ Ｌａｃｈｅｉｓｓｅｒｉｅ）の「磁気歪み、磁気弾性の理論及び応用（Ｍ
ａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｏｎ，Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｏ
ｉｎｓ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｏｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ）」ＣＲＣプレス（１９９
３）に記載されたように、多くの磁気材料の磁気歪み性質を利用する。直径ｄの
磁気材料から成る球に磁界Ｈを印加した場合（図３の磁界が存在しない場合）、
材料は歪み、その直径は、Ｈ＝０の状態からＨ≠０の状態に変化する。すなわち
、材料は絶対体積が変化する。図３に図示した一般的な場合、この絶対体積は縮
小する。これと代替的に、この値が増大するようにしてもよい。材料の歪みが均
一（すなわち、等方性）であり、ｄ1＝ｄ2であるならば、体積磁気歪みｗ（Ｈ）
が、（ｄ3−ｄ1 3）／ｄ3により与えられる。線形寸法の対応する部分的な変化（
ｄ-ｄ1）／ｄはＩと称される。その値は、通常、飽和磁界Ｈ＝ＨSについてＩSと
して与えられる。異方性線形の場合、これら値は、印加された磁界に対し平行に
且つ垂直な方向に与えられる。
【００２０】 磁気歪み変換器の作用は、印加された磁界Ｈに伴なうＩの変化に基づく。この
量は、静磁気歪みｄ33により表わされる。簡単な形態にて次式となる。
量は、静磁気歪みｄ33により表わされる。簡単な形態にて次式となる。
【００２１】
【数４】 歪みＩは無単位であり、このため、ｄ33は、印加された磁界の逆の単位を有し
、ＭＫＳ型において、メートル／アンペア（ｍ／Ａ）となる。
、ＭＫＳ型において、メートル／アンペア（ｍ／Ａ）となる。
【００２２】 磁性歪み率ｄ33は、多くのパラメータの複雑な関数であり、製造メーカは、通
常、最大値ｄ33 maxを使用する。幾つかの材料の値は、以下の表に掲げてある。
（データは、デュ・トレモレット・デ・ラチェイシェリエから入手） 表１：幾つかの磁気材料の磁気歪み率 材料 入手先 ｄ33 max（ｍ／Ａ） ニッケル −３．１ｘ１０-9 テレフェノールＤ エトレマ・プロダクツ ６ｘ１０-8 アイオワ州、アメズ アルファ（Ｆｅ0.13Ａｌ0.87） ７．１ｘ１０-9 ジョンソン・マセイ、英国 （Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｍａｔｈｅｙ） デュ・トレモレット・デ・ラチェイシェリエは、また、多数の他の材料のデー
タも提供し、以下に掲げるＩ対Ｈのプロットから推定することができる。多数の
材料について、５ｘ１０-9ｍ／Ａの値が、典型的である。
常、最大値ｄ33 maxを使用する。幾つかの材料の値は、以下の表に掲げてある。
（データは、デュ・トレモレット・デ・ラチェイシェリエから入手） 表１：幾つかの磁気材料の磁気歪み率 材料 入手先 ｄ33 max（ｍ／Ａ） ニッケル −３．１ｘ１０-9 テレフェノールＤ エトレマ・プロダクツ ６ｘ１０-8 アイオワ州、アメズ アルファ（Ｆｅ0.13Ａｌ0.87） ７．１ｘ１０-9 ジョンソン・マセイ、英国 （Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｍａｔｈｅｙ） デュ・トレモレット・デ・ラチェイシェリエは、また、多数の他の材料のデー
タも提供し、以下に掲げるＩ対Ｈのプロットから推定することができる。多数の
材料について、５ｘ１０-9ｍ／Ａの値が、典型的である。
【００２３】 磁気歪み率の効果は、磁化した試料内で磁区を回転させることにより生じる。
試料の飽和界以下の磁界の場合、ＨS磁区は、全ての可能な方向に存在するが、
正味の全体的アライメントは正味磁化に等しい。このため、磁区の回転により磁
化が進行すると仮定するならば（磁壁の自由流動と反対に）、磁気歪みは、印加
された磁界と試料の任意の正味磁化との間の方向から独立的な等方性効果になる
とすることができる。
試料の飽和界以下の磁界の場合、ＨS磁区は、全ての可能な方向に存在するが、
正味の全体的アライメントは正味磁化に等しい。このため、磁区の回転により磁
化が進行すると仮定するならば（磁壁の自由流動と反対に）、磁気歪みは、印加
された磁界と試料の任意の正味磁化との間の方向から独立的な等方性効果になる
とすることができる。
【００２４】 本発明において、次に、図４を参照すると、例えば、スパッタ蒸着技術により
磁気歪み性材料の膜１０をカンチレバー１１の表面２１上に蒸着させる。また、
カンチレバー１１は、底面２２と、該底部から下方に伸びるプローブ先端２３と
を更に有している。カンチレバー１１は、厚さｔC、長さＬ、ヤング弾性率ＥC、
ポアソン比ｎCを有している。膜１０は、厚さｔf、ヤング弾性率Ｅf、ポアソン
比ｎfを有している。印加された磁界が存在しないとき（Ｈ＝０）、膜及びカン
チレバーは、図示した位置にある。
磁気歪み性材料の膜１０をカンチレバー１１の表面２１上に蒸着させる。また、
カンチレバー１１は、底面２２と、該底部から下方に伸びるプローブ先端２３と
を更に有している。カンチレバー１１は、厚さｔC、長さＬ、ヤング弾性率ＥC、
ポアソン比ｎCを有している。膜１０は、厚さｔf、ヤング弾性率Ｅf、ポアソン
比ｎfを有している。印加された磁界が存在しないとき（Ｈ＝０）、膜及びカン
チレバーは、図示した位置にある。
【００２５】 図５に図示するように、磁界を印加したとき（Ｈ≠０）、膜１０の長さは、Ｌ
−ＩＬへと変化する一方、カンチレバー１１は、同一長さであり、その結果、カ
ンチレバーの端部は、変位量ｄを示す。正の磁気歪みを有する材料の長さは、Ｌ
＋ＩＬへと変化し、下方に動く結果となる。変位量ｄは次式により画定される。
−ＩＬへと変化する一方、カンチレバー１１は、同一長さであり、その結果、カ
ンチレバーの端部は、変位量ｄを示す。正の磁気歪みを有する材料の長さは、Ｌ
＋ＩＬへと変化し、下方に動く結果となる。変位量ｄは次式により画定される。
【００２６】
【数５】 ここで、
【００２７】
【数６】 印加された磁界が小さい場合、
【００２８】
【数７】 広範囲の材料の場合、
【００２９】
【数８】 であり、また、Ｌ＝１００ｍｍ、ｔC＝０．６ｍｍ、ｔf＝０．１ｍｍ、ｄ33＝５
ｘ１０-9ｍ／Ａ、Ｈ＝１ｋＡ／ｍ（約１２Ｏｅ）とすると、ｄ＝５０ナノメート
ルとなる。ｄのこの値は、応用物理レターズ６９：４１１１−４１１３（１９９
６）におけるハン（Ｈａｎ）及びその他の者が直接的な磁気効果について推定し
た変位量よりも大きい。
ｘ１０-9ｍ／Ａ、Ｈ＝１ｋＡ／ｍ（約１２Ｏｅ）とすると、ｄ＝５０ナノメート
ルとなる。ｄのこの値は、応用物理レターズ６９：４１１１−４１１３（１９９
６）におけるハン（Ｈａｎ）及びその他の者が直接的な磁気効果について推定し
た変位量よりも大きい。
【００３０】 図４及び図５に図示した実施の形態において、磁気歪み性材料１０をカンチレ
バーの上面２１上に蒸着した。このように蒸着可能な磁気歪み性材料の一例はニ
ッケルである。磁気歪み性材料の膜をカンチレバー１１の底面２２に蒸着するこ
とも本発明の範囲に属する。幾つかのカンチレバー及び幾つかの磁気歪み性材料
の場合、カンチレバー１１の上面又は底面にだけ膜を蒸着することは、カンチレ
バーが曲がる傾向を持つようにする可能性がある。この傾向に対処するため、カ
ンチレバーの反対側の面にそれ自体磁気歪み性材料とすることのできる第二の材
料の膜を蒸着することができる。図４及び図５に図示した実施の形態においては
、この面はカンチレバーの底面２２となる。更に、これら２つの材料の磁気歪み
率の値は、互いに相補的であるように選ぶことができる。例えば、材料の１つは
、正の磁気歪み率を有する一方、もう一方は負の磁気歪み率を有するように選ぶ
ことができる。
バーの上面２１上に蒸着した。このように蒸着可能な磁気歪み性材料の一例はニ
ッケルである。磁気歪み性材料の膜をカンチレバー１１の底面２２に蒸着するこ
とも本発明の範囲に属する。幾つかのカンチレバー及び幾つかの磁気歪み性材料
の場合、カンチレバー１１の上面又は底面にだけ膜を蒸着することは、カンチレ
バーが曲がる傾向を持つようにする可能性がある。この傾向に対処するため、カ
ンチレバーの反対側の面にそれ自体磁気歪み性材料とすることのできる第二の材
料の膜を蒸着することができる。図４及び図５に図示した実施の形態においては
、この面はカンチレバーの底面２２となる。更に、これら２つの材料の磁気歪み
率の値は、互いに相補的であるように選ぶことができる。例えば、材料の１つは
、正の磁気歪み率を有する一方、もう一方は負の磁気歪み率を有するように選ぶ
ことができる。
【００３１】 磁気歪み効果の１つの重要な特徴は、その効果が、印加された磁界と膜の磁化
方向との間の角度に顕著に依存しない点である。図６には、カンチレバー１１の
長軸線１９に対する磁化Ｍ，１６の方向が角度ｑで示してある。印加された磁界
Ｈ，１５は、カンチレバー平面に対し直角に示してある。図７には、別の方向も
図示されており、この場合、磁化Ｍ，１７とカンチレバー１１の長軸線１９との
間の角度ｊは、カンチレバーの長軸線に対し垂直な線に対し画定され且つカンチ
レバーの平面内に位置している。米国特許第５，６４２，４９１号に記載された
ネオジム・鉄・ホウ素磁気合金にて被覆したカンチレバーの変位量を一定の磁界
に対する方向の関数として測定した。その結果は、ｊ＝０°について、また、０
°乃至９０°の範囲のｑの色々な値について図８に示してある。ｑ＝０°につい
ての結果及び０°乃至９０°の範囲のｊの色々な値は図９に示してある。カンチ
レバーの平面外４５°の位置にある印加された磁界にて磁化された膜は、薄膜の
形状異方性のため、これら薄膜を面外にて磁化することは困難となるから、実際
上、平面内で磁化されると考えられる。しかしながら、トルクはカンチレバーを
その長軸線の周りで捩る作用を果すから、平面内であるが、その長さに沿って垂
直（ｑ＝０°、ｊ＝０°）の磁化膜は、直接力機構により先端の端部を何ら変位
させることはない。これら膜の変位は、直接的な磁力効果に反して磁気歪み効果
により支配される。
方向との間の角度に顕著に依存しない点である。図６には、カンチレバー１１の
長軸線１９に対する磁化Ｍ，１６の方向が角度ｑで示してある。印加された磁界
Ｈ，１５は、カンチレバー平面に対し直角に示してある。図７には、別の方向も
図示されており、この場合、磁化Ｍ，１７とカンチレバー１１の長軸線１９との
間の角度ｊは、カンチレバーの長軸線に対し垂直な線に対し画定され且つカンチ
レバーの平面内に位置している。米国特許第５，６４２，４９１号に記載された
ネオジム・鉄・ホウ素磁気合金にて被覆したカンチレバーの変位量を一定の磁界
に対する方向の関数として測定した。その結果は、ｊ＝０°について、また、０
°乃至９０°の範囲のｑの色々な値について図８に示してある。ｑ＝０°につい
ての結果及び０°乃至９０°の範囲のｊの色々な値は図９に示してある。カンチ
レバーの平面外４５°の位置にある印加された磁界にて磁化された膜は、薄膜の
形状異方性のため、これら薄膜を面外にて磁化することは困難となるから、実際
上、平面内で磁化されると考えられる。しかしながら、トルクはカンチレバーを
その長軸線の周りで捩る作用を果すから、平面内であるが、その長さに沿って垂
直（ｑ＝０°、ｊ＝０°）の磁化膜は、直接力機構により先端の端部を何ら変位
させることはない。これら膜の変位は、直接的な磁力効果に反して磁気歪み効果
により支配される。
【００３２】 上記の説明は、磁気歪み率ｄ33の値が最大値に近いものと想定した。しかしな
がら、この可変値は、膜の製造方法及びその磁化の程度に顕著に依存する。スパ
ッタリング膜の場合、領域壁の動きは、磁界にて果たす役割が多分、磁区の方向
よりも小さく、体積磁気歪みは、材料の磁化の二乗に略等しい。印加された磁界
Ｈの関数として材料の磁化Ｍの概略図的なプロット図は図１０に図示されている
。Ｍ＝０、Ｈ＝０にて磁化前の試料０にて開始し、Ｍが点１に増大する迄、Ｈを
増大させる。その後、Ｈが減少すると、Ｍはよりゆっくりと降下し、Ｈが０に戻
ったとき、多少の残留磁化５が残り、これは、ＭRと称する。磁界が逆転すると
き、曲線は下降し、磁化は、Ｈが実質的に負の値のときにのみ逆転する。Ｈがそ
れ以前の最大値ＨMに戻ると、磁化はそれ以前の最大値に戻る。印加された磁界
が新たな大きい値２までステップ状に増大すると、このループは繰り返され、Ｍ
対Ｈプロット図のより広い領域を取り囲む。更に大きいＨMの値に対するループ
は点３にて開始する状態で示してある。最後に、材料を飽和させるのに必要な値
（点４）まで磁界が増大するならば、飽和磁界ＭSに達し、磁界を更に増大させ
てもＭに殆んど効果はない。この磁界の上方値はＨS，６である。Ｈが零まで減
少すると、磁化はＭRまで降下し、残留磁化となり、これは、その材料にて形成
することのできる最強度の永久磁石（磁石の極による残留磁界ＢRに対応する）
の特徴である。印加された磁界が負の値ＨCとなるならば、磁化は零に降下する
。ＨCは保持磁界である。
がら、この可変値は、膜の製造方法及びその磁化の程度に顕著に依存する。スパ
ッタリング膜の場合、領域壁の動きは、磁界にて果たす役割が多分、磁区の方向
よりも小さく、体積磁気歪みは、材料の磁化の二乗に略等しい。印加された磁界
Ｈの関数として材料の磁化Ｍの概略図的なプロット図は図１０に図示されている
。Ｍ＝０、Ｈ＝０にて磁化前の試料０にて開始し、Ｍが点１に増大する迄、Ｈを
増大させる。その後、Ｈが減少すると、Ｍはよりゆっくりと降下し、Ｈが０に戻
ったとき、多少の残留磁化５が残り、これは、ＭRと称する。磁界が逆転すると
き、曲線は下降し、磁化は、Ｈが実質的に負の値のときにのみ逆転する。Ｈがそ
れ以前の最大値ＨMに戻ると、磁化はそれ以前の最大値に戻る。印加された磁界
が新たな大きい値２までステップ状に増大すると、このループは繰り返され、Ｍ
対Ｈプロット図のより広い領域を取り囲む。更に大きいＨMの値に対するループ
は点３にて開始する状態で示してある。最後に、材料を飽和させるのに必要な値
（点４）まで磁界が増大するならば、飽和磁界ＭSに達し、磁界を更に増大させ
てもＭに殆んど効果はない。この磁界の上方値はＨS，６である。Ｈが零まで減
少すると、磁化はＭRまで降下し、残留磁化となり、これは、その材料にて形成
することのできる最強度の永久磁石（磁石の極による残留磁界ＢRに対応する）
の特徴である。印加された磁界が負の値ＨCとなるならば、磁化は零に降下する
。ＨCは保持磁界である。
【００３３】 非磁化材料又は弱く磁化した材料は、その磁気モーメントが小さいため、磁気
歪みが小さいことが分かる。しかしながら、完全に飽和した材料は、印加された
磁界に磁化が依存する程度が小さく、
歪みが小さいことが分かる。しかしながら、完全に飽和した材料は、印加された
磁界に磁化が依存する程度が小さく、
【００３４】
【数９】 であるため、磁気歪みが小さいことも明らかである。
【００３５】 一度び磁化したならば、その材料はＨMに依存する特徴的な残留磁界ＭRに留ま
る。小さい磁界を印加すると、磁化は、ＨMが飽和磁界に接近するに伴なって減
少する勾配にて直線的に変化する。この振舞いは次式で特徴付けることができる
。
る。小さい磁界を印加すると、磁化は、ＨMが飽和磁界に接近するに伴なって減
少する勾配にて直線的に変化する。この振舞いは次式で特徴付けることができる
。
【００３６】
【数１０】
【００３７】
【数１１】 であり、Ｈ→０の限界値であるならば、等式８から次式となる。
【００３８】
【数１２】 等式１０は、（ａ）残留磁化が大きい材料を使用すること、（ｂ）その材料をＨ S ／２程度の磁界にすることにより磁化させることが望ましいことを示す。多く
の材料の場合、
の材料の場合、
【００３９】
【数１３】 であり、それは、この値は原子のスピン密度により決まるからである。このため
、膜は、その未処理状態（非磁化状態）から０．２５乃至０．５Ｔ（２．５乃至
５ｋＯｅ）の磁界とすることにより処理する必要がある。
、膜は、その未処理状態（非磁化状態）から０．２５乃至０．５Ｔ（２．５乃至
５ｋＯｅ）の磁界とすることにより処理する必要がある。
【００４０】 カンチレバーはまた、約１００ナノメートルの厚いコバルト膜にて被覆されて
おり、同様の結果が得られる。このことは、コバルト膜に対するｄ33は１０-9ｍ
／Ａ程度であることを意味する。ニッケルの場合にも同様の結果が得られた。コ
バルト及びニッケルの双方は、鉄を含有する磁気合金よりも酸化及び腐食を遥か
に受け難い。
おり、同様の結果が得られる。このことは、コバルト膜に対するｄ33は１０-9ｍ
／Ａ程度であることを意味する。ニッケルの場合にも同様の結果が得られた。コ
バルト及びニッケルの双方は、鉄を含有する磁気合金よりも酸化及び腐食を遥か
に受け難い。
【００４１】 カリフォルニア州、サニーベールのパーク・サイエンティフィック（Ｐａｒｋ
Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）からウルトラレバー（Ｕｌｔｒａｌｅｖｅｒｓ）とし
て入手可能な市販のシリコン窒化装置であるカンチレバーは、その一方の面、好
ましくは上面が標的のアルゴンイオンスパッタリングによりＣｏ、Ｎ又はＦｅ−
Ｎｄ−Ｂ合金膜にて約１００ナノメートルの厚さに被覆されることが好ましい。
カンチレバーの反対側（底）の面は、例えば、早期の親特許出願第０８／７１０
，１９１号に記載されたように、磁気歪み膜を付与することに起因する曲がりを
補償するため、例えば、クロムのような異なる材料にて５乃至１０ナノメートル
の厚さに被覆する。次に、カンチレバーを約３ｋＯｅの磁界内で磁化させる。こ
れらカンチレバーは、例えば、ソレノイドの極片近くにて原子間力顕微鏡内に取
り付けられ、その磁界は、カンチレバーに対し任意の角度にて方向決めすること
ができる。
Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）からウルトラレバー（Ｕｌｔｒａｌｅｖｅｒｓ）とし
て入手可能な市販のシリコン窒化装置であるカンチレバーは、その一方の面、好
ましくは上面が標的のアルゴンイオンスパッタリングによりＣｏ、Ｎ又はＦｅ−
Ｎｄ−Ｂ合金膜にて約１００ナノメートルの厚さに被覆されることが好ましい。
カンチレバーの反対側（底）の面は、例えば、早期の親特許出願第０８／７１０
，１９１号に記載されたように、磁気歪み膜を付与することに起因する曲がりを
補償するため、例えば、クロムのような異なる材料にて５乃至１０ナノメートル
の厚さに被覆する。次に、カンチレバーを約３ｋＯｅの磁界内で磁化させる。こ
れらカンチレバーは、例えば、ソレノイドの極片近くにて原子間力顕微鏡内に取
り付けられ、その磁界は、カンチレバーに対し任意の角度にて方向決めすること
ができる。
【００４２】 図１１に概略図的に図示するように、かかる顕微鏡は、その上面に磁気歪み性
材料から成る膜２９を有するカンチレバー２８を備えている。カンチレバー２８
は、その底面から試料３２に向けて伸びるプローブ先端３０を有する。該プロー
ブ先端３０は、圧電スキャナ３６により試料３２の表面３４上を走査する。カン
チレバー２８の撓みは、例えば、レーザ４０から収束した放射線ビーム３８ａを
膜２９の反射面から向け、反射ビーム３８ｂを形成することにより検知される。
ビーム３８ｂの角度位置は位置感知検知器４２により感知される。
材料から成る膜２９を有するカンチレバー２８を備えている。カンチレバー２８
は、その底面から試料３２に向けて伸びるプローブ先端３０を有する。該プロー
ブ先端３０は、圧電スキャナ３６により試料３２の表面３４上を走査する。カン
チレバー２８の撓みは、例えば、レーザ４０から収束した放射線ビーム３８ａを
膜２９の反射面から向け、反射ビーム３８ｂを形成することにより検知される。
ビーム３８ｂの角度位置は位置感知検知器４２により感知される。
【００４３】 カンチレバー２８に近接するソレノイド４４は、発振器５０からの線４６、４
８の上のＡＣ信号により駆動される。形成される交番的な磁界によりカンチレバ
ー２８は振動する。この振動動作は、線５２の信号における交流信号成分として
現れる。この成分は位置感知検知器４２により検知される。この線５２の信号は
、同期型検知器５４に供給される。ソレノイド４４を駆動するものと同一の発振
器５０により同期型検知器５４に対する基準入力５６が提供される。試料表面３
４の上方のカンチレバー２８の高さを制御するため、同期型検知器５４の出力５
８が使用され、また、従来の方法にて、対応する高さを調節することにより表面
３４のＡＦＭ像が形成される。
８の上のＡＣ信号により駆動される。形成される交番的な磁界によりカンチレバ
ー２８は振動する。この振動動作は、線５２の信号における交流信号成分として
現れる。この成分は位置感知検知器４２により検知される。この線５２の信号は
、同期型検知器５４に供給される。ソレノイド４４を駆動するものと同一の発振
器５０により同期型検知器５４に対する基準入力５６が提供される。試料表面３
４の上方のカンチレバー２８の高さを制御するため、同期型検知器５４の出力５
８が使用され、また、従来の方法にて、対応する高さを調節することにより表面
３４のＡＦＭ像が形成される。
【００４４】 ニッケル−鉄、コバルト−鉄、ニッケル−バナジウム、ニッケル−クロム、ニ
ッケル−マンガン、ニッケル−コバルト、ニッケル−銅、ベリリウム−鉄、アル
ミニウム−鉄、ゲルマニウム−鉄、シリコン−鉄、チタン−鉄の酸化物、マンガ
ン−鉄、コバルト−鉄、銅−鉄、バリウム−鉄及びストロンチウム−鉄、及び商
業用磁気歪性合金、テレフェノールＤ（アイオワ州、アメズのエトレマ・プロダ
クツ・インコーポレーテッドから入手可能）を含む多くの適当な磁気歪み性合金
がこの機能にとって適当であることが当業者に認識されよう。
ッケル−マンガン、ニッケル−コバルト、ニッケル−銅、ベリリウム−鉄、アル
ミニウム−鉄、ゲルマニウム−鉄、シリコン−鉄、チタン−鉄の酸化物、マンガ
ン−鉄、コバルト−鉄、銅−鉄、バリウム−鉄及びストロンチウム−鉄、及び商
業用磁気歪性合金、テレフェノールＤ（アイオワ州、アメズのエトレマ・プロダ
クツ・インコーポレーテッドから入手可能）を含む多くの適当な磁気歪み性合金
がこの機能にとって適当であることが当業者に認識されよう。
【００４５】 本発明を説明する目的にて、特定の代表的な実施の形態及び詳細を記載したが
、特許請求の範囲に規定された本発明の範囲から逸脱せずに、本明細書に開示し
た方法及び装置の色々な変更が可能であることは当業者に明らかであろう。
、特許請求の範囲に規定された本発明の範囲から逸脱せずに、本明細書に開示し
た方法及び装置の色々な変更が可能であることは当業者に明らかであろう。
【図１】 従来技術による磁気粒子及び磁界勾配を有するカンチレバーの撓みを示す概略
図である。
図である。
【図２】 従来技術によるカンチレバーの磁気モーメントにより作用する磁界により発生
されたトルクによるカンチレバーの撓みを示す概略図である。
されたトルクによるカンチレバーの撓みを示す概略図である。
【図３】 磁気歪みに起因する材料内の寸法変化を示す概略図である。
【図４】 印加された磁界が零のときの非磁気歪みカンチレバー上の磁気歪み性材料の膜
を示す概略図である。
を示す概略図である。
【図５】 印加された磁界が零でないのときの非磁気歪みカンチレバー上の磁気歪み性材
料の膜を示す概略図である。
料の膜を示す概略図である。
【図６】 磁化とカンチレバーの平面との間の方向の軸方向角度ｑを画定する概略図であ
る。
る。
【図７】 磁化とカンチレバーの平面との間の方向の方位角度ｆを画定する概略図である
。
。
【図８】 一定の方位角度（ｆ＝０）に対する磁化及び印加された磁界の間の軸方向角度
ｑの関数として、Ｆｅ−Ｎｄ−Ｂ合金で被覆したカンチレバーの撓み測定値（不
定単位）のグラフである。
ｑの関数として、Ｆｅ−Ｎｄ−Ｂ合金で被覆したカンチレバーの撓み測定値（不
定単位）のグラフである。
【図９】 一定の軸方向角度（ｑ＝０）に対する磁化及び印加された磁界の間の方位角
度ｆの関数として、Ｆｅ−Ｎｄ−Ｂ合金で被覆したカンチレバーの撓み測定値（
不定単位）のグラフである。
度ｆの関数として、Ｆｅ−Ｎｄ−Ｂ合金で被覆したカンチレバーの撓み測定値（
不定単位）のグラフである。
【図１０】 第一の掃引から各掃引後、Ｈの値を順次大きくした（１、２、３、４）ステッ
プ後のＨに対する一連の掃引に対する、磁化Ｍ及び印加した磁界Ｈのチャートで
ある。
プ後のＨに対する一連の掃引に対する、磁化Ｍ及び印加した磁界Ｈのチャートで
ある。
【図１１】 本発明の力カンチレバーを利用する走査型プローブ顕微鏡の概略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リンゼー，スチュアート・エム アメリカ合衆国アリゾナ州85040，フェニ ックス，イースト・フランシソ・ドライブ 2441 (72)発明者 ジング，ティアンウェイ アメリカ合衆国アリゾナ州85284，テンペ， ウエスト・エル・フレダ・ドライブ 381 Ｆターム(参考） 2F063 AA43 CA29 EA16 EB15 EB23 GA56 GA79
Claims (16)
- 【請求項１】 表面又は表面間の性質を感知する力感知プローブにおいて、
プローブと、該プローブ上に設けられた磁気歪み性材料を含む膜とを備える、力
感知プローブ。 - 【請求項２】 請求項１に記載の力感知プローブにおいて、前記磁気歪み性
材料が、ニッケル、コバルト、テルビウム及び鉄の合金及び混合体、鉄、ネオジ
ム及びホウ素の合金及び混合体、ニッケル及び鉄の合金及び混合体、コバルト及
び鉄の合金及び混合体、ニッケル及びバナジウムの合金及び混合体、ニッケル及
びクロムの合金及び混合体、ニッケル及びマンガンの合金及び混合体、ニッケル
及びコバルトの合金及び混合体、ニッケル及び銅の合金及び混合体、ベリリウム
及び鉄の合金及び混合体、アルミニウム及び鉄の合金及び混合体、ゲルマニウム
及び鉄の合金及び混合体、シリコン及び鉄の合金及び混合体、チタン酸化物及び
鉄酸化物の合金及び混合体、マンガン酸化物及び鉄酸化物の合金及び混合体、コ
バルト酸化物及び鉄酸化物の合金及び混合体、銅酸化物及び鉄酸化物の合金及び
混合体、バリウム酸化物及び鉄酸化物の合金及び混合体、ストロンチウム酸化物
及び鉄酸化物の合金及び混合体から成る群から選んだ材料から成る、力感知プロ
ーブ。 - 【請求項３】 請求項１に記載の力感知プローブにおいて、前記プローブが
、上面と底面とを有するカンチレバーにして、該底面が該底面から下方に配置さ
れたプローブ先端を有するカンチレバーを備える、力感知プローブ。 - 【請求項４】 請求項３に記載の力感知プローブにおいて、前記磁気歪み性
材料が前記カンチレバーの前記上面に被覆される、力感知プローブ。 - 【請求項５】 請求項４に記載の力感知プローブにおいて、カンチレバーが
、前記底面及び前記プローブ先端の上に配置された異なる材料から成る被覆を含
む、力感知プローブ。 - 【請求項６】 請求項５に記載の力感知プローブにおいて、前記異なる材料
が磁気歪み性材料を含む、力感知プローブ。 - 【請求項７】 原子間力顕微鏡用の力感知カンチレバーにおいて、上面と底
面とを有するカンチレバー構造体であって、該底面が該底面から下方に配置され
たプローブ先端を有するカンチレバー構造体と、前記上面および底面の一方に被
覆された磁気歪み性材料を有する膜と、前記面の他方に被覆された異なる材料か
ら成る膜とを有するカンチレバー構造体を備える、原子間力顕微鏡用の力感知カ
ンチレバー。 - 【請求項８】 請求項７に記載の力感知カンチレバーにおいて、前記異なる
材料が磁気歪み性材料を有する、力感知カンチレバー。 - 【請求項９】 請求項７に記載の力感知カンチレバーにおいて、前記磁気歪
み性材料が前記カンチレバーの前記上面に被覆される、力感知カンチレバー。 - 【請求項１０】 請求項９に記載の力感知カンチレバーにおいて、前記磁気
歪み性材料が、前記カンチレバーの前記底面に且つ前記プローブ先端の上に被覆
される、力感知カンチレバー。 - 【請求項１１】 請求項１の力感知プローブを備える、表面又は表面間の性
質を感知する走査型プローブ顕微鏡において、前記プローブを撓ませる磁界の発
生源と、前記プローブの撓みを感知する検知器とを備える、走査型プローブ顕微
鏡。 - 【請求項１２】 表面又は表面間の性質を感知するためのプローブを磁化す
る方法において、磁気歪み性材料を有する膜を前記プローブの表面上に形成する
ステップと、約０．１乃至約２０，０００エルステッドの範囲の磁界に前記プロ
ーブをさらすステップとを備える、方法。 - 【請求項１３】 走査型プローブ顕微鏡用の力感知プローブを磁化する方法
において、 上面と、底面と、該底面から下方に伸びるプローブ先端とを有するカンチレバ
ーを形成するステップと、 前記カンチレバーをスパッタ蒸着チャンバ内に配置するステップと、 磁気歪み性材料を有する第一の膜を前記カンチレバーの前記底面の上にスパッ
タ蒸着するステップと、 異なる材料を有する第二の膜を前記カンチレバーの前記上面にスパッタ蒸着す
るステップとを備える、方法。 - 【請求項１４】 請求項１３に記載の方法において、前記磁気歪み性材料が
前記カンチレバーの前記上面に被覆される、方法。 - 【請求項１５】 請求項１４に記載の方法において、前記磁気歪み性材料が
前記カンチレバーの前記底面に且つ前記プローブ先端の上に被覆される、方法。 - 【請求項１６】 請求項１３に記載の方法において、前記磁気歪み性材料が
、ニッケル、コバルト、テルビウム及び鉄の合金及び混合体、鉄、ネオジム及び
ホウ素の合金及び混合体、ニッケル及び鉄の合金及び混合体、コバルト及び鉄の
合金及び混合体、ニッケル及びバナジウムの合金及び混合体、ニッケル及びクロ
ムの合金及び混合体、ニッケル及びマンガンの合金及び混合体、ニッケル及びコ
バルトの合金及び混合体、ニッケル及び銅の合金及び混合体、ベリリウム及び鉄
の合金及び混合体、アルミニウム及び鉄の合金及び混合体、ゲルマニウム及び鉄
の合金及び混合体、シリコン及び鉄の合金及び混合体、チタン酸化物及び鉄酸化
物の合金及び混合体、マンガン酸化物及び鉄酸化物の合金及び混合体、コバルト
酸化物及び鉄酸化物の合金及び混合体、銅酸化物及び鉄酸化物の合金及び混合体
、バリウム酸化物及び鉄酸化物の合金及び混合体、ストロンチウム酸化物及び鉄
酸化物の合金及び混合体から成る群から選んだ材料から成る、方法。
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