JP2003085717A - 磁気記録ヘッド測定装置及び同装置に適用する測定方法 - Google Patents
磁気記録ヘッド測定装置及び同装置に適用する測定方法Info
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- JP2003085717A JP2003085717A JP2001280638A JP2001280638A JP2003085717A JP 2003085717 A JP2003085717 A JP 2003085717A JP 2001280638 A JP2001280638 A JP 2001280638A JP 2001280638 A JP2001280638 A JP 2001280638A JP 2003085717 A JP2003085717 A JP 2003085717A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高周波応答を高感度かつ高分解能に測定する
ことのできる磁気記録ヘッド測定装置を提供する。 【解決手段】 磁気記録ヘッド３の測定を行う磁気記録
ヘッド測定装置において、磁気記録ヘッド３に搬送波周
波数ωｃと変調周波数ωｍとで振幅変調された振幅変調
電流を印加し、磁性体を有する探針１が取り付けられた
カンチレバー２を一定の振動振幅で振動させ、前記振幅
変調電流の印加により磁気記録ヘッド３に生じる磁界が
カンチレバー２と共に振動する前記探針１に及ぼす力学
的相互作用を測定する。探針１が前記磁界による力学的
相互作用を測定するために走査されている間は、磁気記
録ヘッド３の表面から探針１が前記磁界と相互作用しな
くなる点までの範囲内に探針１の振動する範囲が収まる
ようにする。
ことのできる磁気記録ヘッド測定装置を提供する。 【解決手段】 磁気記録ヘッド３の測定を行う磁気記録
ヘッド測定装置において、磁気記録ヘッド３に搬送波周
波数ωｃと変調周波数ωｍとで振幅変調された振幅変調
電流を印加し、磁性体を有する探針１が取り付けられた
カンチレバー２を一定の振動振幅で振動させ、前記振幅
変調電流の印加により磁気記録ヘッド３に生じる磁界が
カンチレバー２と共に振動する前記探針１に及ぼす力学
的相互作用を測定する。探針１が前記磁界による力学的
相互作用を測定するために走査されている間は、磁気記
録ヘッド３の表面から探針１が前記磁界と相互作用しな
くなる点までの範囲内に探針１の振動する範囲が収まる
ようにする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁気力顕微鏡を利
用して磁気記録ヘッドの測定を行う磁気記録ヘッド測定
装置に関する。
用して磁気記録ヘッドの測定を行う磁気記録ヘッド測定
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、磁気記録ヘッドの磁界の分布や磁
気力などを測定する場合に、磁気力顕微鏡を利用した専
用の磁気記録ヘッド測定装置が使用されている。磁気力
顕微鏡は、走査型プローブ顕微鏡の一種で、通常ではカ
ンチレバーに搭載された探針を測定対象試料である磁気
記録ヘッドに接近させて、非接触状態で当該ヘッドから
発生する磁界による力学的相互作用（力または力勾配）
を検出する。
気力などを測定する場合に、磁気力顕微鏡を利用した専
用の磁気記録ヘッド測定装置が使用されている。磁気力
顕微鏡は、走査型プローブ顕微鏡の一種で、通常ではカ
ンチレバーに搭載された探針を測定対象試料である磁気
記録ヘッドに接近させて、非接触状態で当該ヘッドから
発生する磁界による力学的相互作用（力または力勾配）
を検出する。
【０００３】磁気記録ヘッド（以下単にヘッドと略す場
合がある）は、例えばインダクティブ型の薄膜ヘッドで
あり、コイルに印加される信号電流に応じた記録磁界を
発生する磁気ギャップを有する。前記ヘッド測定装置
は、試料であるヘッド（のコイル）に高周波の信号電流
を印加し、当該磁気ギャップから発生する磁界分布を測
定する。具体的な測定方法としては、振動しているカン
チレバーの位相または変位（ヘッドの磁界に伴う力学的
相互作用）を検出し、この検出結果に基づいて探針と試
料間に作用する力勾配または力を測定する。この場合、
カンチレバーの位相は力勾配に近似し、またカンチレバ
ーの変位は力に近似するという関係を利用して測定を行
う。
合がある）は、例えばインダクティブ型の薄膜ヘッドで
あり、コイルに印加される信号電流に応じた記録磁界を
発生する磁気ギャップを有する。前記ヘッド測定装置
は、試料であるヘッド（のコイル）に高周波の信号電流
を印加し、当該磁気ギャップから発生する磁界分布を測
定する。具体的な測定方法としては、振動しているカン
チレバーの位相または変位（ヘッドの磁界に伴う力学的
相互作用）を検出し、この検出結果に基づいて探針と試
料間に作用する力勾配または力を測定する。この場合、
カンチレバーの位相は力勾配に近似し、またカンチレバ
ーの変位は力に近似するという関係を利用して測定を行
う。
【０００４】ところで、測定方式としては種々なものが
ある。例えば“Measuring the gigahertz response of
recording heads with the magnetic force microscop
e”,R. Proksch et al. (Digital Instruments et a
l.), Applied Physics Latters,Vol. 74, No. 9, March
1999, pp 1308-1310（以下、先行技術１と称する）に
は、磁気記録ヘッドに振幅変調された電流を印加し、そ
の変調周波数をカンチレバーの共振周波数に合わせるこ
とによって、振動したカンチレバーの変位（力）の共振
周波数成分を検出する技術が開示されている。この技術
では、カンチレバーの機械的共振周波数のＱ値を利用す
ることによって感度を向上させている。
ある。例えば“Measuring the gigahertz response of
recording heads with the magnetic force microscop
e”,R. Proksch et al. (Digital Instruments et a
l.), Applied Physics Latters,Vol. 74, No. 9, March
1999, pp 1308-1310（以下、先行技術１と称する）に
は、磁気記録ヘッドに振幅変調された電流を印加し、そ
の変調周波数をカンチレバーの共振周波数に合わせるこ
とによって、振動したカンチレバーの変位（力）の共振
周波数成分を検出する技術が開示されている。この技術
では、カンチレバーの機械的共振周波数のＱ値を利用す
ることによって感度を向上させている。
【０００５】また、「記録および再生ヘッドの評価解析
技術」，大森広之，ソニー株式会社，日本応用磁気学会
誌，vol. 23, No. 12, 1999, pp2111-2117（以下、先行
技術２と称する）には、磁気記録ヘッドに高周波の正弦
波を印加し、ヘッドの周りに生じた磁界によるカンチレ
バーの位相変化（力勾配）のＤＣ成分を測定する技術が
開示されている。
技術」，大森広之，ソニー株式会社，日本応用磁気学会
誌，vol. 23, No. 12, 1999, pp2111-2117（以下、先行
技術２と称する）には、磁気記録ヘッドに高周波の正弦
波を印加し、ヘッドの周りに生じた磁界によるカンチレ
バーの位相変化（力勾配）のＤＣ成分を測定する技術が
開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記先行技術
１では、カンチレバーの変位を磁界強度としてとらえる
ため、探針の走査中はカンチレバーの振動振幅が一定で
なく、磁界に反映した像を測定できない。また、カンチ
レバーの機械的共振周波数のＱ値を利用することによっ
て感度を向上させているが、高いＱ値がカンチレバーの
変化に応答遅れを生じさせる可能性がある。
１では、カンチレバーの変位を磁界強度としてとらえる
ため、探針の走査中はカンチレバーの振動振幅が一定で
なく、磁界に反映した像を測定できない。また、カンチ
レバーの機械的共振周波数のＱ値を利用することによっ
て感度を向上させているが、高いＱ値がカンチレバーの
変化に応答遅れを生じさせる可能性がある。
【０００７】また、上記先行技術２ではヘッドの周りに
生じた磁界によるカンチレバーの位相変化（力勾配）の
ＤＣ成分を測定するが、このＤＣ成分には高周波成分以
外の寄与も含まれているため、得られたデータの解析が
困難である。
生じた磁界によるカンチレバーの位相変化（力勾配）の
ＤＣ成分を測定するが、このＤＣ成分には高周波成分以
外の寄与も含まれているため、得られたデータの解析が
困難である。
【０００８】いずれにしても、磁気記録ヘッドから生じ
る磁界の周波数はＭＨｚオーダーであり、走査プローブ
顕微鏡の応答速度を決定するカンチレバーの機械的共振
周波数に対して非常に大きい。このため、高周波応答の
みを抽出して高感度かつ高分解能に測定することは困難
である。
る磁界の周波数はＭＨｚオーダーであり、走査プローブ
顕微鏡の応答速度を決定するカンチレバーの機械的共振
周波数に対して非常に大きい。このため、高周波応答の
みを抽出して高感度かつ高分解能に測定することは困難
である。
【０００９】本発明は上記実状に鑑みてなされたもので
あり、高周波応答を高感度かつ高分解能に測定すること
のできる磁気記録ヘッド測定装置を提供することを目的
とする。
あり、高周波応答を高感度かつ高分解能に測定すること
のできる磁気記録ヘッド測定装置を提供することを目的
とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明に係る磁気記録ヘ
ッド測定装置は、磁気記録ヘッドの測定を行うための磁
気記録ヘッド測定装置であって、前記磁気記録ヘッドに
所定の搬送波周波数と変調周波数とで振幅変調された振
幅変調電流を印加する電流印加手段と、磁性体を有する
探針が取り付けられたカンチレバーと、前記カンチレバ
ーを一定の振動振幅で振動させる振動手段と、前記電流
印加手段からの振幅変調電流の印加により前記磁気記録
ヘッドに生じる磁界が前記振動手段により振動される前
記探針に及ぼす力学的相互作用を測定する測定手段とを
具備し、前記探針が前記磁界による力学的相互作用を測
定するために走査されている間は、前記磁気記録ヘッド
の表面から前記探針が前記磁界と相互作用しなくなる点
までの範囲内に前記探針の振動する範囲が収まっている
ことを特徴とする。
ッド測定装置は、磁気記録ヘッドの測定を行うための磁
気記録ヘッド測定装置であって、前記磁気記録ヘッドに
所定の搬送波周波数と変調周波数とで振幅変調された振
幅変調電流を印加する電流印加手段と、磁性体を有する
探針が取り付けられたカンチレバーと、前記カンチレバ
ーを一定の振動振幅で振動させる振動手段と、前記電流
印加手段からの振幅変調電流の印加により前記磁気記録
ヘッドに生じる磁界が前記振動手段により振動される前
記探針に及ぼす力学的相互作用を測定する測定手段とを
具備し、前記探針が前記磁界による力学的相互作用を測
定するために走査されている間は、前記磁気記録ヘッド
の表面から前記探針が前記磁界と相互作用しなくなる点
までの範囲内に前記探針の振動する範囲が収まっている
ことを特徴とする。
【００１１】また、本発明に係る測定方法は、磁気記録
ヘッドの測定を行う磁気記録ヘッド測定装置に適用され
る測定方法であって、前記磁気記録ヘッドに所定の搬送
波周波数と変調周波数とで振幅変調された振幅変調電流
を印加するステップと、磁性体を有する探針が取り付け
られたカンチレバーを一定の振動振幅で振動させるステ
ップと、前記振幅変調電流の印加により前記磁気記録ヘ
ッドに生じる磁界が前記カンチレバーと共に振動する前
記探針に及ぼす力学的相互作用を測定するステップとを
有し、前記探針が前記磁界による力学的相互作用を測定
するために走査されている間は、前記磁気記録ヘッドの
表面から前記探針が前記磁界と相互作用しなくなる点ま
での範囲内に前記探針の振動する範囲が収まるようにす
ることを特徴とする。
ヘッドの測定を行う磁気記録ヘッド測定装置に適用され
る測定方法であって、前記磁気記録ヘッドに所定の搬送
波周波数と変調周波数とで振幅変調された振幅変調電流
を印加するステップと、磁性体を有する探針が取り付け
られたカンチレバーを一定の振動振幅で振動させるステ
ップと、前記振幅変調電流の印加により前記磁気記録ヘ
ッドに生じる磁界が前記カンチレバーと共に振動する前
記探針に及ぼす力学的相互作用を測定するステップとを
有し、前記探針が前記磁界による力学的相互作用を測定
するために走査されている間は、前記磁気記録ヘッドの
表面から前記探針が前記磁界と相互作用しなくなる点ま
での範囲内に前記探針の振動する範囲が収まるようにす
ることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施の形態を説明する。
施の形態を説明する。
【００１３】（磁気記録ヘッド測定装置の構成）図１
に、本発明の一実施形態に係る磁気記録ヘッド測定装置
の構成を示す。
に、本発明の一実施形態に係る磁気記録ヘッド測定装置
の構成を示す。
【００１４】本磁気記録ヘッド測定装置には、走査プロ
ーブ顕微鏡（Scanning Probe Microsocpe; SPM）の一形
態である高周波磁気力顕微鏡（High-Frequency Magneti
c Force Microscope; HF-MFM）が組み込まれている。ま
た、本測定装置は、試料である磁気記録ヘッドにＡＭ信
号（振幅変調信号）を発生させ、高周波（MHz〜GHz）の
磁界を探針に働く力（磁気力）として測定する。また、
同時に試料の表面の凹凸像を測定する。
ーブ顕微鏡（Scanning Probe Microsocpe; SPM）の一形
態である高周波磁気力顕微鏡（High-Frequency Magneti
c Force Microscope; HF-MFM）が組み込まれている。ま
た、本測定装置は、試料である磁気記録ヘッドにＡＭ信
号（振幅変調信号）を発生させ、高周波（MHz〜GHz）の
磁界を探針に働く力（磁気力）として測定する。また、
同時に試料の表面の凹凸像を測定する。
【００１５】本測定装置は、図１に示すように、探針
１、カンチレバー２、試料３、走査用圧電素子４、加振
用圧電素子５、信号発生器６、変位検出計７、スイッチ
８、同期検波器９、位相検出器１０、同期検波器１１、
振幅／直流電圧変換器（ＲＭＳ−ＤＣ回路）１２、フィ
ードバック回路１３、第１の信号発生器１４、第２の信
号発生器１５、ＡＭ信号発生器（振幅変調信号発生器）
１６、電流値モニタ１７、コンピュータ１８、スイッチ
１９などを有する。
１、カンチレバー２、試料３、走査用圧電素子４、加振
用圧電素子５、信号発生器６、変位検出計７、スイッチ
８、同期検波器９、位相検出器１０、同期検波器１１、
振幅／直流電圧変換器（ＲＭＳ−ＤＣ回路）１２、フィ
ードバック回路１３、第１の信号発生器１４、第２の信
号発生器１５、ＡＭ信号発生器（振幅変調信号発生器）
１６、電流値モニタ１７、コンピュータ１８、スイッチ
１９などを有する。
【００１６】探針１は、磁性体物質をコーティングし磁
化されたものであり、カンチレバー２の前端に取り付け
られる。
化されたものであり、カンチレバー２の前端に取り付け
られる。
【００１７】カンチレバー２は、探針１を有し、機械的
共振周波数ωｒを有する。
共振周波数ωｒを有する。
【００１８】試料３は、磁気記録ヘッドであり、所定の
条件で高周波磁界を発生する。
条件で高周波磁界を発生する。
【００１９】走査用圧電素子４は、試料３をＸ軸、Ｙ
軸、Ｚ軸の各方向に駆動制御し、探針１と試料３との相
対的位置関係を変化させる。
軸、Ｚ軸の各方向に駆動制御し、探針１と試料３との相
対的位置関係を変化させる。
【００２０】加振用圧電素子５は、カンチレバー２の後
端に取り付けられ、当該カンチレバー２を振動させる。
端に取り付けられ、当該カンチレバー２を振動させる。
【００２１】信号発生器６は、加振用圧電素子５を駆動
してカンチレバー２を一定の振動振幅で振動させる。
してカンチレバー２を一定の振動振幅で振動させる。
【００２２】変位検出計７は、レーザ光源やフォトダイ
オードなどから構成され、カンチレバー２の変位を検出
する。
オードなどから構成され、カンチレバー２の変位を検出
する。
【００２３】スイッチ８は、力の測定と力勾配測定のい
ずれを行うかに応じて、変位検出計７の検出信号の出力
先を切り替える。
ずれを行うかに応じて、変位検出計７の検出信号の出力
先を切り替える。
【００２４】同期検波器９は、力測定系を構成し、カン
チレバー２の振動振幅（変位のＡＣ成分）を検出する。
チレバー２の振動振幅（変位のＡＣ成分）を検出する。
【００２５】位相検出器１０は、同期検波器１１と共に
力勾配測定系を構成し、信号発生器６の振動振幅とカン
チレバー２の振動振幅との位相差を検出する。
力勾配測定系を構成し、信号発生器６の振動振幅とカン
チレバー２の振動振幅との位相差を検出する。
【００２６】同期検波器１１は、位相検出器１０と共に
力勾配測定系を構成し、位相検出器１０の出力のＡＣ成
分（ＡＭ変調の側波帯成分）を検出する。
力勾配測定系を構成し、位相検出器１０の出力のＡＣ成
分（ＡＭ変調の側波帯成分）を検出する。
【００２７】なお、力勾配測定系では、変位検出計７〜
信号発生器６〜加振用圧電素子５〜カンチレバー２でフ
ィードバックループを形成し、カンチレバー２を一定の
振幅で振動させながら共振周波数の変化に相当する量
（周波数シフト）を測定する場合（周波数検出方式）も
ある。
信号発生器６〜加振用圧電素子５〜カンチレバー２でフ
ィードバックループを形成し、カンチレバー２を一定の
振幅で振動させながら共振周波数の変化に相当する量
（周波数シフト）を測定する場合（周波数検出方式）も
ある。
【００２８】振幅／直流電圧変換器１２は、変位検出計
７の実効値を測定する。
７の実効値を測定する。
【００２９】フィードバック回路１３は、振幅／直流電
圧変換器１２の出力に基づいて走査用圧電素子４を駆動
し、振幅／直流電圧変換器１２の出力が一定となるよう
に制御する。また、フィードバック回路１３は、走査用
圧電素子４を駆動して試料３をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方
向に移動させ、振幅／直流電圧変換器１２の出力に基づ
いて試料３の表面の凹凸像を示す信号（ディジタルデー
タ）を、コンピュータ１８に出力する。
圧変換器１２の出力に基づいて走査用圧電素子４を駆動
し、振幅／直流電圧変換器１２の出力が一定となるよう
に制御する。また、フィードバック回路１３は、走査用
圧電素子４を駆動して試料３をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方
向に移動させ、振幅／直流電圧変換器１２の出力に基づ
いて試料３の表面の凹凸像を示す信号（ディジタルデー
タ）を、コンピュータ１８に出力する。
【００３０】信号発生器１４は、ＡＭ信号の側波帯周波
数（変調周波数）ωｍを設定するためのものであり、ω
ｍが設定された信号を発生する。
数（変調周波数）ωｍを設定するためのものであり、ω
ｍが設定された信号を発生する。
【００３１】信号発生器１５は、ＡＭ信号の搬送波周波
数ωｃ（＞＞ωｒ）を設定するためのものであり、ωｃ
が設定された信号を発生する。
数ωｃ（＞＞ωｒ）を設定するためのものであり、ωｃ
が設定された信号を発生する。
【００３２】ＡＭ信号発生器１６は、信号発生器１４か
らの出力信号と信号発生器１４からの出力信号とに基づ
くＡＭ信号を発生する。
らの出力信号と信号発生器１４からの出力信号とに基づ
くＡＭ信号を発生する。
【００３３】電流値モニタ１７は、ＡＭ信号発生器１６
から試料３に印加される電流の値を測定し、その電流を
調節する機能を有する。
から試料３に印加される電流の値を測定し、その電流を
調節する機能を有する。
【００３４】コンピュータ１８は、測定装置全体の制御
を司るものである。このコンピュータ１８は、ＡＭ信号
発生器１６から発生する電流の条件を入力・保存する機
能を有し、またＡＭ信号発生器１６と電流値モニタ１７
の状態を監視・制御する機能を有する。また、コンピュ
ータ１８は、試料３に印加する電流の条件と測定データ
とを対応付けて同一のファイルに保存する機能を有す
る。
を司るものである。このコンピュータ１８は、ＡＭ信号
発生器１６から発生する電流の条件を入力・保存する機
能を有し、またＡＭ信号発生器１６と電流値モニタ１７
の状態を監視・制御する機能を有する。また、コンピュ
ータ１８は、試料３に印加する電流の条件と測定データ
とを対応付けて同一のファイルに保存する機能を有す
る。
【００３５】また、コンピュータ１８は、得られた複数
の画像の差分を算出し、磁界位置を特定し、その部分の
コントラストを効果的に表示する機能を有する。例え
ば、試料３に印加する電流値の異なる像どうしを引算処
理することで、磁界強度の変化が大きいところを特定
し、さらにその部分のコントラストを変更することで磁
界発生位置を視覚的に表示することが可能となる。
の画像の差分を算出し、磁界位置を特定し、その部分の
コントラストを効果的に表示する機能を有する。例え
ば、試料３に印加する電流値の異なる像どうしを引算処
理することで、磁界強度の変化が大きいところを特定
し、さらにその部分のコントラストを変更することで磁
界発生位置を視覚的に表示することが可能となる。
【００３６】また、コンピュータ１８は、力測定系を構
成する同期検波器９の出力信号に基づいて力像を測定し
たり、力勾配測定系を構成する同期検波器１１の出力信
号に基づいて力勾配像を測定したりする（表示処理及び
保存処理を含む）。力像及び力勾配像は、磁気記録ヘッ
ドの高周波磁界による磁気力に関係する高周波ヘッド像
である。コンピュータ１８は、スイッチ８及び１９を切
り替えることにより、力測定及び力勾配測定を選択的に
行う。
成する同期検波器９の出力信号に基づいて力像を測定し
たり、力勾配測定系を構成する同期検波器１１の出力信
号に基づいて力勾配像を測定したりする（表示処理及び
保存処理を含む）。力像及び力勾配像は、磁気記録ヘッ
ドの高周波磁界による磁気力に関係する高周波ヘッド像
である。コンピュータ１８は、スイッチ８及び１９を切
り替えることにより、力測定及び力勾配測定を選択的に
行う。
【００３７】スイッチ１９は、上記スイッチ８と連動
し、力の測定と力勾配測定のいずれを行うかに応じて信
号入力先を切り替える。
し、力の測定と力勾配測定のいずれを行うかに応じて信
号入力先を切り替える。
【００３８】（カンチレバーの条件）図２は、カンチレ
バーの条件を説明するための図である。
バーの条件を説明するための図である。
【００３９】測定の際の空間分解能を向上させるために
は、図示のように、振動する探針１が試料３の表面に当
たらない限りカンチレバー２の高さ方向（Ｚ方向）の振
動振幅Ａcantをできるだけ大きく設定することが望まし
い。すなわち、試料３の表面とカンチレバー２の振動中
心との間の距離ｈの２倍と、カンチレバー２の振動振幅
Ａcantとの差を０に近づけることが望ましい。
は、図示のように、振動する探針１が試料３の表面に当
たらない限りカンチレバー２の高さ方向（Ｚ方向）の振
動振幅Ａcantをできるだけ大きく設定することが望まし
い。すなわち、試料３の表面とカンチレバー２の振動中
心との間の距離ｈの２倍と、カンチレバー２の振動振幅
Ａcantとの差を０に近づけることが望ましい。
【００４０】
２ｈ−Ａcant → ０ （但し、Ａcant ＜ ２ｈ） …（１）
なお、距離ｈは、走査用圧電素子４をＺ軸方向（高さ方
向）に移動させることにより調整することができる。
向）に移動させることにより調整することができる。
【００４１】しかし、空間分解能の向上を図るがために
振動する探針１を試料３の表面に近づけすぎると（試料
３と探針１との間隔（探針−試料間距離）ｚが小さすぎ
ると）、探針１の先端が試料３に吸着する現象が起きて
しまう（なお、吸着が生じるときの探針−試料間距離
は、試料３の材質や励起場の種類によって異なる）。す
なわち、探針１に働くファン・デル・ワールス力勾配が
カンチレバー２のばね定数より大きくなると、カンチレ
バー２は探針１を支えきれなくなる。その結果、探針１
が試料３の表面にジャンプインしてしまい、測定が困難
となる（森田清三, K BOOKS SERIE 83, 走査プローブ顕
微鏡のすべて（工業調査会）1992）。したがって、カン
チレバー２のばね定数ｋcantは、次式のようにファン・
デル・ワールス力勾配よりも小さいことが望ましい。
振動する探針１を試料３の表面に近づけすぎると（試料
３と探針１との間隔（探針−試料間距離）ｚが小さすぎ
ると）、探針１の先端が試料３に吸着する現象が起きて
しまう（なお、吸着が生じるときの探針−試料間距離
は、試料３の材質や励起場の種類によって異なる）。す
なわち、探針１に働くファン・デル・ワールス力勾配が
カンチレバー２のばね定数より大きくなると、カンチレ
バー２は探針１を支えきれなくなる。その結果、探針１
が試料３の表面にジャンプインしてしまい、測定が困難
となる（森田清三, K BOOKS SERIE 83, 走査プローブ顕
微鏡のすべて（工業調査会）1992）。したがって、カン
チレバー２のばね定数ｋcantは、次式のようにファン・
デル・ワールス力勾配よりも小さいことが望ましい。
【００４２】ｋcant ＜ ∂Ｆvdw／∂ｚ …（２）
ここで、Ｆvdwは探針１に働くファン・デル・ワールス
力であり、ｚは探針−試料間距離である。
力であり、ｚは探針−試料間距離である。
【００４３】ところで、カンチレバー２を振動させなが
ら磁界による力学的相互作用を測定するダイナミックモ
ードでは、力学的相互作用は振動している各点における
探針１と磁界の磁気力の平均として表される（F. J. Gi
essibl, Physical Review B56 (1997) 16010.）。よっ
て、振動振幅Ａcantが減衰距離αmagよりも大きけれ
ば、探針１が磁界と相互作用しない場所が存在し、効率
良く測定できないことになる。ここで、減衰距離とは、
試料３の表面から探針２が磁界と相互作用しなくなる点
までの距離をいう。
ら磁界による力学的相互作用を測定するダイナミックモ
ードでは、力学的相互作用は振動している各点における
探針１と磁界の磁気力の平均として表される（F. J. Gi
essibl, Physical Review B56 (1997) 16010.）。よっ
て、振動振幅Ａcantが減衰距離αmagよりも大きけれ
ば、探針１が磁界と相互作用しない場所が存在し、効率
良く測定できないことになる。ここで、減衰距離とは、
試料３の表面から探針２が磁界と相互作用しなくなる点
までの距離をいう。
【００４４】したがって、力学的相互作用の検出効率を
一層高めるためには、振動する探針１が磁界と相互作用
しない場所が存在しないことのないようにする。換言す
れば、探針１が磁界による力学的相互作用を測定するた
めに走査されている間は、探針１の振動する範囲が、試
料３の表面から探針が磁界と相互作用しなくなる点まで
の範囲内に収まるようにする。この場合、次式のよう
に、カンチレバー２の振動振幅Ａcantを磁界の減衰距離
αmagよりも小さくする必要がある。
一層高めるためには、振動する探針１が磁界と相互作用
しない場所が存在しないことのないようにする。換言す
れば、探針１が磁界による力学的相互作用を測定するた
めに走査されている間は、探針１の振動する範囲が、試
料３の表面から探針が磁界と相互作用しなくなる点まで
の範囲内に収まるようにする。この場合、次式のよう
に、カンチレバー２の振動振幅Ａcantを磁界の減衰距離
αmagよりも小さくする必要がある。
【００４５】Ａcant ＜ αmag …（３）
なお、磁界の減衰距離αmagは50nm程度であるため、カ
ンチレバー２の振動振幅Ａcantを50nm未満にすることが
望ましい。
ンチレバー２の振動振幅Ａcantを50nm未満にすることが
望ましい。
【００４６】以上のような条件でカンチレバー２を設定
することにより、高周波応答を高分解能にかつ安定に測
定することができる。
することにより、高周波応答を高分解能にかつ安定に測
定することができる。
【００４７】（測定方法）以下、図１と共に、図３のフ
ローチャートを参照して、同実施形態の測定方法を説明
する。
ローチャートを参照して、同実施形態の測定方法を説明
する。
【００４８】まず、測定対象の磁気記録ヘッドである試
料３を、走査用圧電素子４により駆動制御される所定の
部材上に配置させる。
料３を、走査用圧電素子４により駆動制御される所定の
部材上に配置させる。
【００４９】ＡＭ信号発生器１６から発生されるべきＡ
Ｍ信号の側波帯周波数ωｍ及び搬送波周波数ωｃを設定
し（ステップＳ１）、ωｃとωｍとで振幅変調されたＡ
Ｍ信号電流をＡＭ信号発生器１６から発生させ、試料３
に印加する（ステップＳ２）。
Ｍ信号の側波帯周波数ωｍ及び搬送波周波数ωｃを設定
し（ステップＳ１）、ωｃとωｍとで振幅変調されたＡ
Ｍ信号電流をＡＭ信号発生器１６から発生させ、試料３
に印加する（ステップＳ２）。
【００５０】上記設定においては、側波帯周波数ωｍを
「ωｍ＜＜ωｒ」なる条件で設定する。この場合、側波
帯周波数ωｍについては、カンチレバー２の共振周波数
ωｒの１０分の１以下となるように設定することが望ま
しい。位相検出器１０で検出される交流成分の最大の周
波数はカンチレバーの共振周波数の約１０分の１以下と
いう、変調理論ならびに回路系の構造上の制約があるか
らである。
「ωｍ＜＜ωｒ」なる条件で設定する。この場合、側波
帯周波数ωｍについては、カンチレバー２の共振周波数
ωｒの１０分の１以下となるように設定することが望ま
しい。位相検出器１０で検出される交流成分の最大の周
波数はカンチレバーの共振周波数の約１０分の１以下と
いう、変調理論ならびに回路系の構造上の制約があるか
らである。
【００５１】また、搬送波周波数ωｃについては、カン
チレバー２の共振周波数ωｒより高い値（数MHz〜GHz）
に設定する。もし、搬送波周波数ωｃをカンチレバー２
の共振周波数ωｒ近傍に設定して測定を行うと、カンチ
レバー２自身が探針１に働くエネルギーを貯えてしま
い、正しく画像を測定することができないからである。
更に、搬送波周波数ωｃを共振周波数ωｒ以下に設定す
ると、もはや高周波の測定を行うことができないからで
ある。
チレバー２の共振周波数ωｒより高い値（数MHz〜GHz）
に設定する。もし、搬送波周波数ωｃをカンチレバー２
の共振周波数ωｒ近傍に設定して測定を行うと、カンチ
レバー２自身が探針１に働くエネルギーを貯えてしま
い、正しく画像を測定することができないからである。
更に、搬送波周波数ωｃを共振周波数ωｒ以下に設定す
ると、もはや高周波の測定を行うことができないからで
ある。
【００５２】次に、カンチレバー２に関して上記（１）
式〜（３）式を満たす条件の設定を行った上で、カンチ
レバー２を振動させ、探針１と試料３との相対的位置関
係を変化させながら探針１によって試料３の表面を走査
する（ステップＳ３）。このとき、信号発生器６から加
振用圧電素子５へ一定の信号（例えばカンチレバー２の
共振周波数ωｒに近似する周波数を有する信号）を印加
することによって、カンチレバー２を一定の振動振幅で
振動させる。
式〜（３）式を満たす条件の設定を行った上で、カンチ
レバー２を振動させ、探針１と試料３との相対的位置関
係を変化させながら探針１によって試料３の表面を走査
する（ステップＳ３）。このとき、信号発生器６から加
振用圧電素子５へ一定の信号（例えばカンチレバー２の
共振周波数ωｒに近似する周波数を有する信号）を印加
することによって、カンチレバー２を一定の振動振幅で
振動させる。
【００５３】これにより、試料３から生じる磁界による
力学的相互作用が探針１に働く。このときの探針１に
は、低周波のＡＣ成分（ωｍ成分）の力および力勾配が
働く。このωｍ成分には、高周波のωｃ成分が含まれて
いる。ωｍの値はカンチレバー２の共振周波数より十分
小さく、検出は比較的容易なので、搬送波周波数ωｃの
値を数MHz〜GHzに設定しておけば、試料３の高周波磁界
分布を測定することができる。すなわち、探針１に働く
力学的相互作用の高周波成分（搬送波成分）を低周波成
分（側波帯成分）に変換して測定することが可能とな
る。
力学的相互作用が探針１に働く。このときの探針１に
は、低周波のＡＣ成分（ωｍ成分）の力および力勾配が
働く。このωｍ成分には、高周波のωｃ成分が含まれて
いる。ωｍの値はカンチレバー２の共振周波数より十分
小さく、検出は比較的容易なので、搬送波周波数ωｃの
値を数MHz〜GHzに設定しておけば、試料３の高周波磁界
分布を測定することができる。すなわち、探針１に働く
力学的相互作用の高周波成分（搬送波成分）を低周波成
分（側波帯成分）に変換して測定することが可能とな
る。
【００５４】変位検出計７は、力及び力勾配をカンチレ
バー２の変位として検出する。ここで、コンピュータ１
８は、変位検出計７、振幅／直流電圧変換器１２、及び
フィードバック回路１３からなる測定系から試料３の表
面の凹凸像の信号を入力して当該凹凸像を測定すると共
に、スイッチ８及び１９を制御することにより力像と力
勾配像とを選択的に測定する。
バー２の変位として検出する。ここで、コンピュータ１
８は、変位検出計７、振幅／直流電圧変換器１２、及び
フィードバック回路１３からなる測定系から試料３の表
面の凹凸像の信号を入力して当該凹凸像を測定すると共
に、スイッチ８及び１９を制御することにより力像と力
勾配像とを選択的に測定する。
【００５５】コンピュータ１８がスイッチ８を位相検波
器１０側（ＰＤ側）に接続した場合には（ステップＳ４
の「ＰＤ」）、位相検波器１０及び同期検波器１１によ
り力勾配像の信号が生成される。一方、コンピュータ１
８がスイッチ８を同期検波器９側（ＰＤ側）に接続した
場合には（ステップＳ４の「ＳＤ」）、同期検波器９に
より力像の信号が生成される。
器１０側（ＰＤ側）に接続した場合には（ステップＳ４
の「ＰＤ」）、位相検波器１０及び同期検波器１１によ
り力勾配像の信号が生成される。一方、コンピュータ１
８がスイッチ８を同期検波器９側（ＰＤ側）に接続した
場合には（ステップＳ４の「ＳＤ」）、同期検波器９に
より力像の信号が生成される。
【００５６】位相検波器１０及び同期検波器１１により
生成された力勾配像の信号は、スイッチ１９を介してコ
ンピュータ１８に取り込まれる（ステップＳ７の「勾
配」）。一方、同期検波器９により生成された力像の信
号は、スイッチ１９を介してコンピュータ１８に取り込
まれる（ステップＳ７の「力像」）。
生成された力勾配像の信号は、スイッチ１９を介してコ
ンピュータ１８に取り込まれる（ステップＳ７の「勾
配」）。一方、同期検波器９により生成された力像の信
号は、スイッチ１９を介してコンピュータ１８に取り込
まれる（ステップＳ７の「力像」）。
【００５７】コンピュータ１８は、力勾配像の信号を取
り込んだときには力勾配像の測定を行い（ステップＳ
８）、力像の信号を取り込んだときには力像の測定を行
う（ステップＳ９）。
り込んだときには力勾配像の測定を行い（ステップＳ
８）、力像の信号を取り込んだときには力像の測定を行
う（ステップＳ９）。
【００５８】このように本測定装置では、試料３の表面
の凹凸像を測定すると同時に、力像と力勾配像とを選択
的に測定することができる。また、スイッチ８及び１９
を切り替え制御することにより、同一条件で同一視野内
の高周波の力像と力勾配像との比較を行うことも可能と
なる。
の凹凸像を測定すると同時に、力像と力勾配像とを選択
的に測定することができる。また、スイッチ８及び１９
を切り替え制御することにより、同一条件で同一視野内
の高周波の力像と力勾配像との比較を行うことも可能と
なる。
【００５９】なお、高周波磁界測定において、記録磁気
記録ヘッドからの磁界強度が大きすぎると、表面形状に
その影響が及んでしまう。そのような場合には、得られ
た表面形状のコントラストから、カンチレバー２の加振
周波数もしくは振動振幅を制御することが望ましい。例
えば、加振用圧電素子５もしくは信号発生器６を調整す
ることにより、カンチレバー２の加振周波数を共振周波
数ωｒからずらすか、加振振幅を大きくする。これによ
り、強磁界の影響を低減させた状態で測定を行うことが
可能となる。
記録ヘッドからの磁界強度が大きすぎると、表面形状に
その影響が及んでしまう。そのような場合には、得られ
た表面形状のコントラストから、カンチレバー２の加振
周波数もしくは振動振幅を制御することが望ましい。例
えば、加振用圧電素子５もしくは信号発生器６を調整す
ることにより、カンチレバー２の加振周波数を共振周波
数ωｒからずらすか、加振振幅を大きくする。これによ
り、強磁界の影響を低減させた状態で測定を行うことが
可能となる。
【００６０】以上のように同実施形態の測定装置によれ
ば、カンチレバー２の条件を適切に設定した状態で、測
定対象の磁気記録ヘッドに対して振幅変調した高周波電
流を印加して磁界を発生させることにより、空間分解能
を向上させた高周波応答の測定を実現することができ
る。
ば、カンチレバー２の条件を適切に設定した状態で、測
定対象の磁気記録ヘッドに対して振幅変調した高周波電
流を印加して磁界を発生させることにより、空間分解能
を向上させた高周波応答の測定を実現することができ
る。
【００６１】図４及び図５は、同実施形態の測定装置に
より磁気記録ヘッドの力勾配像及び力像を測定した場合
の測定例を示す図である。
より磁気記録ヘッドの力勾配像及び力像を測定した場合
の測定例を示す図である。
【００６２】図４（Ａ）は、同実施形態の測定装置での
力勾配測定系により得られる高周波ヘッド像である力勾
配像の画像である。同図（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ
ラインプロファイルである。ここで、測定対象である磁
気記録ヘッド（試料３）は、図６に示すように、磁極５
０間にギャップ５１を有する。また、電流値モニタ１７
から試料に印加される信号電流値（振幅）は２０ｍＡで
ある。さらに、当該信号電流を生成するためのＡＭ信号
の搬送波周波数は、「ωｃ＝２π×１０ＭＨｚ」であ
り、側波帯周波数は、「ωｍ＝２π×３００Ｈｚ」であ
る。また、探針１の操作範囲は、「５μｍ×５μｍ」で
ある。図４（Ａ）の範囲３０は、磁気記録ヘッドのギャ
ップ５１の位置に相当し、高周波磁界が大きい部分であ
ることを意味する。同図（Ｂ）は、ギャップ位置の近傍
で磁界が大きくなっていることを示すラインプロファイ
ル（図６のライン５２に相当）である。また、同図
（Ｃ）は、ギャップのエッジ部分に過電流による損失の
効果により発生したと推定されるピーク３１を示すライ
ンプロファイル（図６のライン５３に相当）である。
力勾配測定系により得られる高周波ヘッド像である力勾
配像の画像である。同図（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ
ラインプロファイルである。ここで、測定対象である磁
気記録ヘッド（試料３）は、図６に示すように、磁極５
０間にギャップ５１を有する。また、電流値モニタ１７
から試料に印加される信号電流値（振幅）は２０ｍＡで
ある。さらに、当該信号電流を生成するためのＡＭ信号
の搬送波周波数は、「ωｃ＝２π×１０ＭＨｚ」であ
り、側波帯周波数は、「ωｍ＝２π×３００Ｈｚ」であ
る。また、探針１の操作範囲は、「５μｍ×５μｍ」で
ある。図４（Ａ）の範囲３０は、磁気記録ヘッドのギャ
ップ５１の位置に相当し、高周波磁界が大きい部分であ
ることを意味する。同図（Ｂ）は、ギャップ位置の近傍
で磁界が大きくなっていることを示すラインプロファイ
ル（図６のライン５２に相当）である。また、同図
（Ｃ）は、ギャップのエッジ部分に過電流による損失の
効果により発生したと推定されるピーク３１を示すライ
ンプロファイル（図６のライン５３に相当）である。
【００６３】図５（Ａ）は、同実施形態の測定装置での
力測定系により得られる高周波ヘッド像である力像の画
像である。同図（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれラインプ
ロファイル（図６のライン５２，５３に相当）である。
測定対象の磁気記録ヘッド３及び探針１は、図４の測定
例と同一である。また、測定条件は、ＡＭ信号の側波帯
周波数が、「ωｍ＝２π×４７．２ｋＨｚ（＝ωｒ）」
である以外は同一である。図５（Ａ）の範囲４０は、磁
気記録ヘッドのギャップ位置に相当し、高周波磁界が大
きい部分であることを意味する。同図（Ｂ）は、ギャッ
プ位置の近傍で磁界が大きくなっていることを示すライ
ンプロファイルであるが、前記図４（Ｂ）に示す場合と
比較してコントラストの変化が緩やかであり、分解能が
低いことを示す。また、同図（Ｃ）は、前記図４（Ｃ）
に示すギャップのエッジ部分に過電流による損失の効果
により発生したと推定されるピーク３１が確認できない
ことを示す。
力測定系により得られる高周波ヘッド像である力像の画
像である。同図（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれラインプ
ロファイル（図６のライン５２，５３に相当）である。
測定対象の磁気記録ヘッド３及び探針１は、図４の測定
例と同一である。また、測定条件は、ＡＭ信号の側波帯
周波数が、「ωｍ＝２π×４７．２ｋＨｚ（＝ωｒ）」
である以外は同一である。図５（Ａ）の範囲４０は、磁
気記録ヘッドのギャップ位置に相当し、高周波磁界が大
きい部分であることを意味する。同図（Ｂ）は、ギャッ
プ位置の近傍で磁界が大きくなっていることを示すライ
ンプロファイルであるが、前記図４（Ｂ）に示す場合と
比較してコントラストの変化が緩やかであり、分解能が
低いことを示す。また、同図（Ｃ）は、前記図４（Ｃ）
に示すギャップのエッジ部分に過電流による損失の効果
により発生したと推定されるピーク３１が確認できない
ことを示す。
【００６４】以上の測定結果から、力勾配測定系は、力
測定系と比較して分解能が高く、磁気記録ヘッドから発
生する高周波磁界を良好に反映した像を測定できること
が確認できた。
測定系と比較して分解能が高く、磁気記録ヘッドから発
生する高周波磁界を良好に反映した像を測定できること
が確認できた。
【００６５】本発明は上記実施形態に限定されるもので
はなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施すること
が可能である。
はなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施すること
が可能である。
【００６６】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、高
周波応答を高感度かつ高分解能に測定することのできる
磁気記録ヘッド測定装置を提供できる。
周波応答を高感度かつ高分解能に測定することのできる
磁気記録ヘッド測定装置を提供できる。
【図１】本発明の一実施形態に係る磁気記録ヘッド測定
装置の構成を示すブロック図。
装置の構成を示すブロック図。
【図２】同実施形態のカンチレバーの条件を説明するた
めの図。
めの図。
【図３】同実施形態の測定方法を説明するためのフロー
チャート。
チャート。
【図４】同実施形態の力勾配像の測定例を示す図。
【図５】同実施形態の力像の測定例を示す図。
【図６】同実施形態の測定例での試料のギャップ位置と
プロファイルとの関係を示す図。
プロファイルとの関係を示す図。
１…探針
２…カンチレバー
３…試料（磁気記録ヘッド）
４…走査用圧電素子
５…加振用圧電素子
６…信号発生器
７…変位検出計
８…スイッチ
９…同期検波器
１０…位相検出器
１１…同期検波器
１２…振幅／直流電圧変換器
１３…フィードバック回路
１４…信号発生器
１５…信号発生器
１６…ＡＭ信号発生器
１７…電流値モニタ
１８…コンピュータ
１９…スイッチ
Claims (8)
- 【請求項１】 磁気記録ヘッドの測定を行うための磁気
記録ヘッド測定装置であって、 前記磁気記録ヘッドに所定の搬送波周波数と変調周波数
とで振幅変調された振幅変調電流を印加する電流印加手
段と、 磁性体を有する探針が取り付けられたカンチレバーと、 前記カンチレバーを一定の振動振幅で振動させる振動手
段と、 前記電流印加手段からの振幅変調電流の印加により前記
磁気記録ヘッドに生じる磁界が前記振動手段により振動
される前記探針に及ぼす力学的相互作用を測定する測定
手段とを具備し、 前記探針が前記磁界による力学的相互作用を測定するた
めに走査されている間は、前記磁気記録ヘッドの表面か
ら前記探針が前記磁界と相互作用しなくなる点までの範
囲内に前記探針の振動する範囲が収まっていることを特
徴とする磁気記録ヘッド測定装置。 - 【請求項２】 前記カンチレバーの振動振幅は50nm未満
であることを特徴とする請求項１記載の磁気記録ヘッド
測定装置。 - 【請求項３】 前記カンチレバーのばね定数は前記探針
に作用するファン・デル・ワールス力勾配よりも小さい
ことを特徴とする請求項１記載の磁気記録ヘッド測定装
置。 - 【請求項４】 前記振動手段は、前記カンチレバーの加
振周波数と振動振幅の少なくとも一方を調整する手段を
有することを特徴とする請求項１記載の磁気記録ヘッド
測定装置。 - 【請求項５】 磁気記録ヘッドの測定を行う磁気記録ヘ
ッド測定装置に適用される測定方法であって、 前記磁気記録ヘッドに所定の搬送波周波数と変調周波数
とで振幅変調された振幅変調電流を印加するステップ
と、 磁性体を有する探針が取り付けられたカンチレバーを一
定の振動振幅で振動させるステップと、 前記振幅変調電流の印加により前記磁気記録ヘッドに生
じる磁界が前記カンチレバーと共に振動する前記探針に
及ぼす力学的相互作用を測定するステップとを有し、 前記探針が前記磁界による力学的相互作用を測定するた
めに走査されている間は、前記磁気記録ヘッドの表面か
ら前記探針が前記磁界と相互作用しなくなる点までの範
囲内に前記探針の振動する範囲が収まるようにすること
を特徴とする測定方法。 - 【請求項６】 前記カンチレバーの振動振幅を50nm未満
にすることを特徴とする請求項５記載の測定方法。 - 【請求項７】 前記カンチレバーのばね定数を前記探針
に作用するファン・デル・ワールス力勾配よりも小さく
することを特徴とする請求項５記載の測定方法。 - 【請求項８】 前記カンチレバーの加振周波数と振動振
幅の少なくとも一方を調整することを特徴とする請求項
５記載の測定方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001280638A JP3637297B2 (ja) | 2001-09-14 | 2001-09-14 | 磁気記録ヘッド測定装置及び同装置に適用する測定方法 |
| SG200204974A SG103357A1 (en) | 2001-08-31 | 2002-08-16 | Method and apparatus for measuring magnetic head |
| US10/228,189 US6639400B2 (en) | 2001-08-31 | 2002-08-27 | Method and apparatus for measuring magnetic head |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP2001280638A JP3637297B2 (ja) | 2001-09-14 | 2001-09-14 | 磁気記録ヘッド測定装置及び同装置に適用する測定方法 |
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|---|---|
| JP2003085717A true JP2003085717A (ja) | 2003-03-20 |
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|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008051714A (ja) * | 2006-08-25 | 2008-03-06 | Fujitsu Ltd | ヘッド磁界計測方法およびヘッド磁界計測装置 |
| JP2011008845A (ja) * | 2009-06-24 | 2011-01-13 | Hitachi High-Technologies Corp | 磁気ヘッド搬送装置、磁気ヘッド検査装置、及び磁気ヘッド製造方法 |
| WO2014057849A1 (ja) * | 2012-10-12 | 2014-04-17 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | 近接場光検出方法及び熱アシスト磁気ヘッド素子の検査装置 |
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| JP2015049134A (ja) * | 2013-08-31 | 2015-03-16 | 国立大学法人秋田大学 | 交流磁場測定装置および交流磁場測定方法 |
| WO2015182564A1 (ja) * | 2014-05-24 | 2015-12-03 | 国立大学法人秋田大学 | 磁気力顕微鏡用探針の評価装置および評価方法、ならびに磁気力顕微鏡および磁気力顕微鏡の制御用磁場調整方法 |
-
2001
- 2001-09-14 JP JP2001280638A patent/JP3637297B2/ja not_active Expired - Fee Related
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