JP2003098061A - 走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡およびこれを用いた情報記録再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 走査型プローブ顕微鏡およびその応用装置に
おいて、磁性体を用いずに試料表面の磁界分布または磁
束密度分布を得ることを課題とした。 【解決手段】 試料表面に対向配置され、電流を流すこ
とのできる探針をカンチレバーの自由端に固定し、この
探針に交流電流を流し、試料表面の磁束との間にはたら
くローレンツ力によるカンチレバーの振動を検出して、
試料表面の磁束密度分布を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型プローブ顕
微鏡およびこれを用いた情報記録再生装置に係り、特に
探針と試料表面との間にはたらくローレンツ力を検出す
る走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡およびこれを用い
た情報記録再生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】探針を走査して試料表面の情報をｎｍオ
ーダーまで詳細に観察することのできる走査型の顕微鏡
が広く用いられている。探針と試料との間のトンネル電
流を検出して表示する顕微鏡が走査型トンネル顕微鏡
（STM）や、探針を走査して試料と表面との間にはたら
く力の分布を表示するようにした原子間力顕微鏡（Atom
icForce Microscope, 以下、AFMと略称する）がこれに
属するものである。

【０００３】AFMは、カンチレバーの先端につけた探針
を走査して、探針と試料との間にはたらく力を検出す
る。ＡＦＭにおいて探針が検出する力としては、ファン
デルワールス力と、クーロンの法則に従う電気力および
磁気力が主なものである。これらの力の試料表面におけ
る分布から、試料表面についての詳細な情報を得ること
ができる。

【０００４】AFMの発展したものとして磁気力顕微鏡（M
agnetic Force Magnetometer, 以下、MFMと略称する）
がある。これはアプライド・フィジックス・レターズ
（Applied Physics Letters）誌、1987年、第50巻、第1
455〜1457頁に掲載されている。MFMによれば、磁気力の
検出によって磁気記録媒体などの磁性薄膜試料から出る
磁界を検出することができることから、磁気記録媒体に
高密度に記録された情報信号を再生する手段としても有
望なものである。

【０００５】MFMにおいては、探針の先端部を磁性体で
構成し、この軟磁性体と磁気記録媒体表面の磁束との間
にはたらく力を信号として検出する。これを磁気記録媒
体に高密度に記録された情報信号を再生する手段として
用いる場合には、この信号により情報の再生を行う。MF
Mの探針としては、アプライド・フィジックス・レター
ズ（Applied Physics Letters）誌、1988年、第52巻、
第244〜246頁に掲載された磁化した鉄を用いるものをは
じめ、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス
（Journal of Applied Physics）誌、1991年、第69巻、
第5883〜5885頁に掲載されたNi-FeやCo-PtCrの薄膜を用
いたものがある。また米国特許第5436448号には、探針
をコイルで交流磁化して用いることが記載されている。

【０００６】

【発明の解決しようとする課題】ところが、このような
従来のMFMでは、探針に磁性体を磁化したものを用いる
ので、測定中にこの磁性体と磁気記録媒体に情報記録さ
れた記録磁化とが影響を及ぼし合って、例えば探針の磁
性体の磁化が変動するなどの問題があった。そこで本発
明者らは探針に磁性体を用いずに試料表面の磁界分布ま
たは磁束密度分布を得ることを課題として取り上げて研
究を行い、以下に述べる新たな解決手段を見出すことが
できた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の走査型ローレン
ツ力プローブ顕微鏡は、試料表面に対向配置され、電流
の流れる探針と、探針に電流を流すための電源と、探針
に流れる電流と前記試料表面の磁束との間にはたらくロ
ーレンツ力を検出するローレンツ力検出手段とを備えた
ことを特徴とする。

【０００８】本発明において、探針の先端に流す電流
は、試料表面の磁束との間にローレンツ力を生じるよう
に流す。例えば探針と試料との間を電流が流れるように
すればよく、そのような電流として、トンネル電流、変
位電流、オーミック電流、ショットキー電流などを用い
ることができる。

【０００９】本発明において、探針と試料とは接触して
いてもよく、接触していることによって探針と試料との
間にオーミック電流やショットキー電流などを流すこと
ができる。これら探針と試料とが接触し、電気的に接触
された状態は、非接触の状態よりも探針中に電流を流す
上で有利であり、より大きいローレンツ力を得ることが
できるので好ましい。また探針と試料とを接触させる場
合に、試料表面に導電性があり、探針の先端が導電性で
あれば、電流がこれらの間を流れやすいので好ましい。
試料表面の導電性を与える材質としては、金属膜など磁
性膜、例えば磁気記録を担う磁性体であつてもよいし、
また導電性を有する非磁性膜であってもよい。

【００１０】また探針と試料の間を非接触に保ち、これ
らの間に電流を流す方法としては、加える電圧を時間的
に変化させることにより、探針と試料との間の電束密度
Ｄを時間的に変化させた際に流れる電流であり、電流密
度が

【数１】 の変位電流を用いることができる。非接触の状態で流れ
る電流を用いる方法によれば、探針先端が試料に接して
いないので、試料との接触によって妨げられることなく
ローレンツ力に起因した力を感度よく検出する上で好ま
しい。

【００１１】非接触の探針と試料表面との間に電流を流
すためのもう１つの方法は、探針と試料表面とを十分に
近接させて、これらの間にトンネル効果による電流すな
わちトンネル電流を流す方法である。トンネル電流を流
す場合には、印加電圧を時間的に変化させなくてもトン
ネル電流を流すことができるが、ローレンツ力が探針に
交互に加わることによる探針の振動を検出することによ
り、検出感度を高めることができるので、印加電圧とし
て交流電圧が好ましい。なお、トンネル電流は探針と試
料の間の距離に対して指数関数的に変化するので、探針
と試料の間の距離を一定に保つフィードバック系を設け
ておくことが好ましい。

【００１２】探針と試料表面とを非接触の状態にしたま
ま流すことのできる変位電流とトンネル電流を用いる場
合には、試料表面を導電性にすることが好ましい。すな
わち変位電流では、試料表面に導電性がある方が電束の
変化量が大きくなり、またトンネル電流では、試料表面
に導電性があればトンネル距離が小となるため、試料表
面が導電性を有することが好ましい。試料表面に導電性
を付与する材質は、磁気記録を担う磁性体であってもよ
いし、導電性を有する非磁性膜であってもよい。

【００１３】このほかにカンチレバーに往復の電流配線
を設けて探針に電流を供給し、探針の先端部にて試料面
と平行な電流成分を持つようにすることによっても、探
針の電流と試料表面の磁束との間のローレンツ力を働か
せることができる。

【００１４】なお、特開平3-338864号公報には、試料表
面の磁束密度の測定にローレンツ力を用いる発明が記載
されている。しかしこの発明は、探針の先端部に電荷ｅ
を与えて、探針の先端部を速度νで動かしてローレンツ
力Ｆ＝ｅν×Ｂを得て、このローレンツ力から磁束を求
めるものである。従ってこの発明は探針に電流を流し、
この電流と磁束密度との間にはたらくローレンツ力を検
出する本発明とは基本的に異なる。

【００１５】また本発明の走査型ローレンツ力プローブ
顕微鏡は、試料表面に対向配置され、交流電流の流れる
探針と、探針を一端に固定したカンチレバーと、探針に
交流電流を流すための交流電源と、探針に流れる交流電
流と前記試料表面の磁束との間にはたらくローレンツ力
によるカンチレバーの振動を検出する試料表面の磁束を
検出する検出手段と、探針を前記試料に対して相対的に
移動させる移動手段とを備えることによって、試料表面
と探針との間のローレンツ力の分布を検出し、これから
試料表面の磁束密度分布を得ることができる。

【００１６】本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微
鏡において、ローレンツ力を検出する手段は、所要の感
度と安定性を有するものであればよく、例えば試料表面
のローレンツ力に起因したカンチレバーの撓みを光によ
って検出する方法、カンチレバーに形成したピエゾ抵抗
体の抵抗変化によって検出する方法などを用いることが
できる。

【００１７】即ち、本発明の走査型ローレンツ力プロー
ブ顕微鏡においては、探針がカンチレバーの自由端に固
定され、カンチレバーには撓み量を検出する光学系が設
けられており、ローレンツ力検出手段として、探針がロ
ーレンツ力を受けることによって生じるカンチレバーの
撓み量を、光学系によって検出するものを用いてもよい
し、また同様に探針がカンチレバーの自由端に固定さ
れ、カンチレバーにはピエゾ抵抗体が形成されており、
ローレンツ力検出手段として探針がローレンツ力を受け
ることによって生じるカンチレバーの撓み量を、ピエゾ
抵抗体の抵抗変化によって検出するものを用いてもよ
い。

【００１８】これらの検出手段の中で、ローレンツ力に
よるカンチレバーの撓み検出にカンチレバーに形成した
ピエゾ抵抗体を用いる方法は、光学系を用いる場合に比
べ、検出系をコンパクトに形成できるという利点があ
る。従来の走査型プローブ顕微鏡の場合には、カンチレ
バーの撓み検出にピエゾ抵抗体を用いることについて、
すでに多くの提案がなされており、例えば特開平10‐26
0360号公報には、ピエゾ抵抗体を形成したカンチレバー
の製造方法の改良が記載されている。

【００１９】本発明におけるローレンツ力の検出には、
光を用いることにより高い感度を得ることができる一方
で、カンチレバーを用いることにより、コンパクトに構
成できるなど、カンチレバーの持つ特徴を生かすことが
できる。また、ローレンツ力によるカンチレバーの撓み
は、ピエゾ抵抗体による検出に適した形を持たせること
ができる。例えば探針と試料とを接触させた場合には、
探針の先端がカンチレバー先端部の支点となり、探針に
ローレンツ力が働いたときにカンチレバーにはねじりの
力が働く。カンチレバーに形成したピエゾ抵抗体の抵抗
変化は、カンチレバーが撓むことによって生じ、ローレ
ンツ力によるカンチレバーのねじり撓みは、ピエゾ抵抗
体による検出に適しているといえる。

【００２０】なお、カンチレバーにピエゾ抵抗体を形成
し、試料表面のローレンツ力に起因したカンチレバーの
撓みを検出する場合には、ピエゾ抵抗体の電流経路と探
針に電流を流す経路とをそれぞれ設けてもよいし、同じ
電流経路をピエゾ抵抗体の電流経路と探針に電流を流す
経路の双方に用いるようにしてもよい。

【００２１】本発明においては、探針に流す電流として
交流電流を用いることができ、交流電流の周波数とし
て、カンチレバーの共振モード近傍の周波数を選択して
用いることにより、ローレンツ力の検出感度を高めるこ
とができる。

【００２２】またこの探針に流す電流には交流電流に若
干の直流成分を加えることができる。こうすることによ
り、探針に流す電流の直流電流成分によって探針と磁性
体との間の抵抗値が得られ、この抵抗値を用いてひずみ
撓み量を規格化することができる。また、探針と磁性体
との間の交流電流の実効値を測定し、この交流電流の実
効値を用いてひずみ撓み量を規格化してもよい。この規
格化により、検出される信号における抵抗値の変動の影
響が大幅に低減でき、ローレンツ力による磁束密度の検
出の精度や安定度を向上させることができる。

【００２３】本発明に用いる探針は、探針を細くし、先
端の曲率半径を小さくすることにより、試料表面の磁束
検出の分解能を高めることができる。こうして探針の磁
束検出の分解能を十分に高めることにより、試料表面の
磁化方向の反転をダイパルスの形で検出することが可能
となる。

【００２４】本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微
鏡に用いられるローレンツ力によって試料表面の磁束を
検出するローレンツ力検出手段は、情報再生装置および
情報記録再生装置における記録媒体表面の磁束検出に応
用することができる。

【００２５】即ち、本発明の情報再生装置は、磁気記録
媒体と、磁気記録媒体表面に対向配置され、交流電流の
流れる探針と、探針を一端に固定したカンチレバーと、
探針に交流電流を流すための交流電源と、探針に流れる
交流電流と前記試料表面の磁束との間にはたらくローレ
ンツ力によるカンチレバーの振動を検出して前記ローレ
ンツ力を検出するローレンツ力検出手段と、探針を磁気
記録媒体に対して相対的に移動させる移動手段とを備え
たことを特徴とする。

【００２６】また本発明の情報記録再生装置は、磁気記
録媒体と、磁気記録媒体に情報信号を記録する磁気記録
ヘッドと、磁気記録媒体表面に対向配置され、交流電流
の流れる探針と、探針を一端に固定したカンチレバー
と、探針に交流電流を流すための交流電源と、探針に流
れる交流電流と前記試料表面の磁束との間にはたらくロ
ーレンツ力によるカンチレバーの振動を検出してローレ
ンツ力を検出するローレンツ力検出手段と、磁気記録ヘ
ッドと前記探針を前記磁気記録媒体に対して相対的に移
動させる移動手段とを備えたことを特徴とする。

【００２７】本発明のローレンツ力によって磁束を検出
する情報再生装置や情報記録再生装置を用いれば、微細
な探針の先端部に流れる電流によって直接に磁気記録媒
体表面の磁束を検出することができ、微小な領域の磁束
を高い分解能で検出できるので、極めて高密度に記録さ
れた情報信号を再生することが可能となる。

【００２８】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）図１は本発明の
走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡の一実施形態におけ
る、探針に流れる電流と試料表面の磁束との間にはたら
くローレンツ力の検出部を模式的に示した図である。図
１において、試料表面３に記された太い矢印は磁化の方
向を模式的に示したものであり、表面から出て表面に戻
る矢印のついた曲線は磁束の流れを模式的に示したもの
である。

【００２９】図１において、カンチレバー１の先端に設
けられた探針２に電流Ｉが流れると、試料表面３からの
磁束密度Ｂによって、この電流にはローレンツ力がはた
らき、カンチレバー１は力Ｆを受ける。単位長さ当たり
の電流にはたらくローレンツ力Ｆは電流ベクトルＩと磁
束密度ベクトルＢとの外積Ｆ＝Ｉ×Ｂである。そこで探
針に電流Ｉを長さＬだけ流すことにより、ベクトル量と
して探針にはたらくローレンツ力ＬＩ×Ｂを検出し、ベ
クトル量としての試料表面の磁束密度Ｂを求めることが
できる。

【００３０】なお、図１においてカンチレバー１を試料
平面に対して傾けているのは、探針に電流を流すために
カンチレバー上を流れる電流をできるだけ試料表面から
遠ざけて、その影響を小さくするための処置である。

【００３１】図１において、探針２と試料３との間に交
流電圧源８０を用い交流電圧を印加し、探針２に流れる
電流として探針と試料３との間を往復する交流電流が流
れるようにした場合には、探針２にはたらくローレンツ
力は、電流ベクトルと磁束密度ベクトルとに垂直な横方
向の振動をカンチレバー１に与える。半導体レーザ４で
発生した光をこのカンチレバー１の上面で反射させ、反
射光の位置変化を利用して、カンチレバーの幅方向の振
動を４分割フォトダイオード５のＣ−Ｄシグナルを用い
て横方向の散乱光として検出し、前置増幅器７０を経由
してこのカンチレバーの幅方向の振動の周波数、振幅、
位相などを検出することができる。

【００３２】ここに４分割フォトダイオードのＣ−Ｄシ
グナルとは、４分割したフォトダイオードの縦の列の２
個のダイオードシグナルの和をＣとＤとして、その差で
あるＣ−Ｄシグナルをとることを意味する。なお、４分
割フォトダイオードでは４分割したフォトダイオードの
横の行の２個のダイオードシグナルの和をＡとＢとし
て、その差を取ったＡ−Ｂシグナルを検出することもで
きる。このＡ−Ｂシグナルは、Ｃ−Ｄシグナルと同時に
検出することが可能であり、カンチレバーの縦方向の力
であるファンデルワールス力、静電気力などを検出する
ことが可能であり、このＡ−Ｂシグナルを一定に保つこ
とにより、探針と試料の距離を一定に保ったり、探針を
試料に押し付ける力を一定に保つことができる。

【００３３】図２および図３はこのようにしてローレン
ツ力を４分割フォトダイオード５のＣ−Ｄ信号振幅とし
て測定した結果と、探針の先端を細くしていった場合の
ローレンツ力について計算を行った結果とを、ともに試
料面上の水平方向の変化として示した図である。白丸の
点Ｃ−Ｄ信号振幅の測定値、実線はローレンツ力の計算
値である。図２および図３に示した測定結果は、探針２
を試料表面３に接触させ、交流電源８０から交流電流を
供給し、探針２にローレンツ力検出のための電流１．０
μＡを流すことによって得られたものである。計算につ
いても探針の先端幅を変えた以外は測定の場合と同じ条
件とした。

【００３４】図２に示した計算結果は試料表面に方形波
状の磁束分布を仮定して計算したものであり、また図３
は試料表面の磁界について実際に近い理論式

【数２】 を用いて計算したものである。ただし、Ｍ_ｒは磁性体内
の磁化、μ_０は透磁率、δは磁性体の厚さ、ａは磁化反
転係数、ｚ_１は磁性体表面から垂直方向への距離、ｘ_１
は磁化の反転する境界を０とした磁性体表面での距離で
ある。

【００３５】このように探針の先端を細くすることによ
り、磁束検出の分解能を高めることができ、また試料表
面の磁化方向の反転をダイパルスとして検出することが
できることがわかる。

【００３６】また、このように探針を試料に接触させた
状態では、カンチレバーは非接触の状態の共振モードと
は異なる共振モードを有する。従って探針と試料とが接
触した状態の場合も、共振モードに近い周波数の交流電
流を探針に流すことにより、ローレンツ力の検出感度を
高めることができる。

【００３７】探針と試料とを接触させた状態の共振モー
ドの周波数は、探針を試料に押しつける力の大きさの影
響を受けて変化する。このためローレンツ力を検出する
交流電流の周波数をこの共振周波数に合わせると、ロー
レンツ力信号に表面の凹凸信号が重畳する傾向がみられ
る。そこで交流電流の周波数をこの共振周波数から少し
ずらすことにより、ローレンツ力信号に表面の凹凸信号
が重畳するのを避けることができ、ローレンツ力像と凹
凸像とを分離して観察することができた。例えば共振モ
ードの中心周波数が１００ｋＨｚであり、交流電流の周
波数をこの周波数にするとローレンツ力像に凹凸像の一
部重畳がみられたのに対し、交流電流の周波数を９３．
９ｋＨｚにした結果、凹凸像の重畳のみられないローレ
ンツ力像を得ることができた。このように共振周波数か
らずらす交流電流の周波数は、ローレンツ力信号に凹凸
信号の重畳が問題にならない程度に共振点からずらし、
かつ共振による高感度が保たれる範囲内の周波数を適宜
選択することができる。

【００３８】（実施の形態２）図４は本発明の走査型ロ
ーレンツ力プローブ顕微鏡の他の一実施形態における探
針に流れる電流と試料表面の磁束との間にはたらくロー
レンツ力の検出部を模式的に示した図である。カンチレ
バーからの振動検出は、図４に示したように光ファイバ
光干渉装置を用いることにより、振動検出系の構成を単
純化することができる。光ファイバ光干渉装置からのレ
ーザ光は光ファイバによって導かれ、探針２を設けたカ
ンチレバー１の側面に照射され、反射光が再び光ファイ
バに導かれて光干渉装置６１に戻され、カンチレバーで
の反射を経ていない光との干渉光が光検出器により検波
され、電気信号に変換される。なお、図４において、図
１と共通のものに対しては同じ符号を用いた。

【００３９】探針に流す交流電流の周波数は高いほどＳ
Ｎ比が良好となるので望ましいが、高周波になると電気
回路での信号の減衰や遅延が問題となる。そこで光ファ
イバーを用いる検出方法を用い、カンチレバーに交流電
流を流すための交流電圧を加えている回路の近くに光フ
ァイバのもう一つの端を配置し、ここに光検出器を設け
ることによって、電気回路での信号の減衰や遅延を極力
少なくすることができる。

【００４０】また交流電圧の周波数はカンチレバーの固
有振動数の１つの近傍に合わせておくことにより、共振
による振動の拡大や位相の変化を利用して、その検出感
度を高めることができる。

【００４１】（実施の形態３）図５は本発明の走査型ロ
ーレンツ力プローブ顕微鏡のさらに他の一実施形態にお
ける、探針に流れる電流と試料表面の磁束との間にはた
らくローレンツ力の検出部を模式的に示した図である。
図５では、探針２を試料表面３に接触させ、交流電源８
０から交流電流を供給することにより、探針２にローレ
ンツ力検出のための電流を流している。探針２が試料表
面３に接触しているため、探針２の先端がカンチレバー
１の先端部の支点となり、ローレンツ力によってカンチ
レバー１にはねじり状の力が働く。このカンチレバーの
ねじり撓みの検出を、カンチレバーの周囲にピエゾ抵抗
体７を設け、ローレンツ力をピエゾ抵抗体７の抵抗変化
により検出し、前置増幅器７０に入力している。

【００４２】このように、カンチレバーからのローレン
ツ力の検出にピエゾ抵抗体を用いることにより、検出系
をコンパクトに構成でき、また適切な使用により高い感
度を得ることができる。

【００４３】（実施の形態４）図６は本発明の走査型ロ
ーレンツ力プローブ顕微鏡のシステム構成の一実施形態
を模式的に示した図であって、（Ａ）はそのブロック図
と試料部の立面図、（Ｂ）は試料部の平面図である。図
６において、カンチレバー１の自由端側には探針２が保
持され、この探針２は試料３に近接して対向している。

【００４４】探針２には、カンチレバー１を介して交流
電源８０が接続され、探針２と試料３表面との間に交流
電圧が与えられている。この交流電圧によって探針２に
は電流Ｉが流れ、探針２から試料３表面には変位電流が
流れる。探針に流れるこの交流電流Ｉ（長さＬ）と試料
表面からの磁束密度Ｂとの間にはＦ＝ＬＩ×Ｂのローレ
ンツ力がはたらく。電流Ｉが交流電流であるため、ロー
レンツ力Ｆはカンチレバー１に振動を与える。磁束密度
Ｂの向きが図３の（Ａ）および（Ｂ）の左右の方向（Ｘ
方向）であり、探針２に流れる電流Ｉが試料３表面に垂
直な方向（Ｚ方向）であれば、ローレンツ力Ｆはカンチ
レバーを幅方向（Ｙ方向）に振動させる。

【００４５】探針に加える交流の周波数としては、カン
チレバー１の幅方向の振動についてのｎ次の固有振動
（ｎ≧１）の近くの周波数が好ましい。カンチレバー１
の幅方向の振動は、ファイバ干渉計６１によってピック
アップされ、前置増幅器７０によって増幅された後、ロ
ックイン増幅器７１に入力され、交流電源８０からの信
号を参照信号として選択増幅される。なお、磁束の方向
は幅方向振動の位相から読み取ればよい。

【００４６】一方、カンチレバー１および探針は、試料
表面の凹凸を検出する原子間力顕微鏡を構成し、試料３
と探針２との距離を一定に保つように制御している。こ
のため、カンチレバー１の後端の保持部には、加振用の
圧電素子５が取り付けられている。この圧電素子５には
発振器９からの発振出力信号が供給され、この圧電素子
５を通じて、カンチレバー１はその厚さ方向の固有振動
に近い周波数で加振される。カンチレバー１の振動は、
光ファイバ光干渉装置６２によって検出され、前置増幅
器８によって増幅された後、ロックイン増幅器１０に入
力される。

【００４７】この原子間力顕微鏡の構成で、例えば探針
２が試料３に接近すると、探針２と試料３との間に発生
する原子間力により、カンチレバー１が撓み、これによ
り光ファイバ光干渉装置６２の出力が変化し、変化した
出力信号が前置増幅器８によって適当な振幅に増幅さ
れ、凹凸像観察用のロックイン増幅器１０に供給され
る。このロックイン増幅器１０は、入力された光ファイ
バ光干渉装置からの信号について、発振器９からの出力
信号の周波数の周波数成分を選択して増幅した信号を出
力する。

【００４８】このロックイン増幅器１０からの出力信号
は誤差増幅器１１に送られ、誤差増幅器１１にて、この
出力と参照電圧Ｖにより設定された一定電圧、即ち固定
振動数とのずれを出力し、この出力がフィルタ１２を介
してＺ圧電素子駆動電源１３に送られる。このＺ圧電素
子駆動電源１３は圧電素子４に対し、フィルタ１２から
の出力信号に基づいて探針２と試料３との間の距離（Ｚ
軸方向）を一定に保つフィードバック制御する電圧を供
給している。ここに圧電素子４は試料３のＸ軸（図１の
左右方向）、Ｙ軸（図１の紙面に直交する方向）および
Ｚ軸方向（図１の上下方向）の各位置を制御する素子で
ある。フィルタ１２はこのようなフィードバック回路を
安定に動作させるために設けたものである。このフィル
タ１２の出力は、試料３表面の凹凸像の信号であり、こ
の信号は図示しない画像表示装置に送られる。

【００４９】こうした探針２と試料３との間の距離を一
定に保つ制御のもとで、探針２と試料３の間に交流電圧
を与え、カンチレバー１の幅方向の振動からローレンツ
力を検出し、さらに圧電素子４にＸ，Ｙ方向の走査信号
を与えて試料３を２次元走査することにより、ローレン
ツ力Ｆの分布を得て、さらに所定のＬＩ値を用い、Ｆ＝
ＬＩ×Ｂの関係から、磁束密度Ｂの分布を求めて画像表
示装置に表示することができる。試料とカンチレバーと
の間の相対的な角度を変えて走査を行うことにより、ベ
クトル量としての磁束密度Ｂの分布を得ることができ
る。

【００５０】探針の材料は導電性を有するものであっ
て、トラック幅を狭くする上で半径が小さいものがよ
い。例えば導電性を有するカーボンナノチューブなどが
探針の材料として適している。

【００５１】また本発明で用いるカンチレバーは縦方向
のばね定数を横方向のばね定数よりも大きくして、探針
に交流電圧を加えたときの縦方向の振動を抑制すること
が好ましい。

【００５２】本実施形態では、縦方向と横方向のカンチ
レバーの撓みの検出に二つの光ファイバー光干渉装置を
用いたが、実施の形態２と同様に、４分割フォトダイオ
ードのＡ−ＢシグナルとＣ−Ｄシグナルを用いて撓み量
を検出してもよい。また、実施の形態３と同様にピエゾ
抵抗体の抵抗変化を用いて撓み量を検出してもよい。

【００５３】（実施の形態５）図７は本発明の走査型ロ
ーレンツ力プローブ顕微鏡を応用した情報再生装置の一
実施形態におけるシステム構成の主要部を模式的に示し
た図である。図７において、カンチレバー２は磁気記録
媒体である磁気ディスク３０の回転方向と平行な方向に
向けられている。カンチレバー２は磁気ディスク３０の
表面に対し傾けた状態で上下方向微動装置５に固定され
ている。また光ファイバ光干渉装置６１は移動アーム３
４に固定され、光ファイバ光干渉装置６１とカンチレバ
ー１との位置関係が保たれるようになっている。

【００５４】交流電源８０を用いて探針２に方形波から
なる交流電圧を加えると、探針２と磁気ディスク３０と
の間に変位電流が流れる。即ち探針２と磁気ディスク３
０との間に静電容量を持つため、探針２には正と負の電
荷が交互に存在するようになり、この交流電圧による電
荷の探針への出入により、探針中に電流が流れる。こう
して探針に磁気記録媒体である磁気ディスク３０の面に
垂直な方向に電流か流れると、磁気ディスクに平行な磁
束密度と探針中に流れる電流とに比例したローレンツ力
が、磁気カンチレバーの長手方向とは垂直方向で磁気デ
ィスクとは平行な方向即ち幅方向にはたらく。探針上の
電流の流れる向きが反転するとこのローレンツ力は反転
するので、探針はこのローレンツ力によって交流電圧の
周波数でディスクの半径方向へ振動することになる。

【００５５】まず、この振動を４分割フォトダイオード
で横方向の散乱光の振動として検出し、ディジタルスト
レージオシロスコープで波形を計測したところ、プロー
ブの入力電圧周波数と同じ周波数で探針は振動し，探針
振動の入力電圧に対する位相は試料のカンチレバー方向
の長手磁気記録方向が逆になると、反転することが確認
された。さらに、入力電圧をリファレンスとして、フォ
トダイオードによる針の振動の電気信号をロックイン増
幅器に入力すると、カンチレバーの長手方向の磁束密度
の向きにより、ロックイン増幅器出力が反転することが
確認された。

【００５６】次に、図８に示したように、長手磁気記録
方向とは直角の方向にカンチレバーを配置し、カンチレ
バーの向きと磁束の向きが一致するように配置したとこ
ろ、電圧印加による探針の幅方向の振動は観察されなか
った。この理由は，ローレンツ力が電流と磁束密度方向
の外積であることから、上記の実施の形態では、磁気記
録媒体の磁束とカンチレバーとのなす角度が、図１また
は図４〜５に示された関係を有しているのに対し、この
配置の場合には、ローレンツ力は図８に示されているよ
うに、カンチレバーの長さ方向にはたらくためである。
このようにして、探針の電流と磁気記録媒体の磁束との
間にはたらくローレンツ力の検出を確認することができ
た。

【００５７】次に正弦波の長手磁気記録が同心円状に記
録された磁気ディスクを回転させ、カンチレバーの横振
動の位相を検波し、磁気記録に対応した情報を読みとる
ことができた。また、交流電流の周波数をカンチレバー
の横振動の共振周波数近傍に設定することで、情報信号
の読み取り誤差を減らすことができた。

【００５８】次に、上記の４分割フォトダイオードに代
えて移動アーム３４に固定した光ファイバ光干渉装置６
１によって、カンチレバー１の幅方向の振動を検出し、
前置増幅器７０を経てロックイン増幅器７１に入力し、
交流電源80の信号を参照信号として選択増幅し、この出
力を信号処理装置７２にて信号処理し、磁気記録媒体30
に記録された情報信号の再生を行い、再生出力を得るこ
とができた。

【００５９】なお、以上の実施例では、カンチレバーの
横方向振幅の極性変化を検出し、これを信号としたが、
光てこの出力信号と強制振動用圧電体に印加している正
弦波電圧の位相の差を検出し、これをローレンツ力を検
出する信号とすることができる。また、ここでは省略し
たが、実施の形態３で述べたように、探針と試料の間の
距離を一定に保つために、非接触原子間力顕微鏡で用い
られるフィードバック制御により、探針と試料の間の距
離を一定に保つことができる。また、実施の形態３と同
様にカンチレバーの横方向振幅に起因したピエゾ抵抗体
の抵抗変化を用いて撓み量を検出し、これを信号として
用いてもよい。

【００６０】本実施形態では、探針に流れる電流を変位
電流としたが、この探針を流れる電流は、探針と試料表
面が非接触のときに流れるトンネル電流でも良いし、探
針と試料表面とが接触した場合に流れる、オーミック電
流、ショットキー電流などであってもよい。

【００６１】探針と試料が接触した際に流れる電流であ
るオーミック電流やショットキー電流などをローレンツ
力を検出する電流として探針に流す場合には、カンチレ
バーの先端に位置する探針と試料とが接触した状態とす
る。探針と試料とが接触した状態では、非接触の状態の
共振モードとは異なる複数の共振モードがカンチレバー
形状に対応する形で存在する。従って探針と試料とが接
触した状態においても、これらの共振モードに近い周波
数を持つ交流電流を探針に流すことにより、検出感度を
高めることができる。

【００６２】すでに述べたように、探針と試料とが接触
した状態の共振モードの周波数は、探針を試料に押しつ
ける力の大きさの影響を受け、ローレンツ力を検出する
交流電流の周波数をこの共振周波数に合わせると、ロー
レンツ力信号に表面の凹凸信号が重畳する傾向があるこ
とから、交流電流の周波数をこの共振周波数から少しず
らすことにより、ローレンツ力信号に表面の凹凸信号の
重畳を避けている。

【００６３】本実施形態の情報記録再生装置における情
報記録については、周知の方法を用いることができる。
即ちコイルによって記録情報信号の磁界を発生させ、軟
磁性体の探針によってその信号の磁束を集中させること
によって磁気記録媒体表面を磁化する方法を用いること
ができる。

【００６４】（実施の形態６）図９は本発明の一実施形
態に用いられるカンチレバー−探針系であつて、カンチ
レバーから探針に電流を供給し、探針の先端近くに横方
向の電流成分を与えるようにしたものを模式的に示した
図である。図９に示した探針−カンチレバー系を用い、
その他は実施の形態４の図４と同じ磁気記録再生装置の
構成により、磁気記録媒体面に対し垂直方向の磁束成分
の検出を行なった。

【００６５】図９では垂直磁気記録された磁気記録媒体
からの磁束の垂直磁束成分検出を模式的に示す。図９に
示したように、交流電流を探針の先端２１に供給するこ
とによって、カンチレバーは幅方向にローレンツ力を受
け振動する。このようにして図４のカンチレバー１の幅
方向の振動を、移動アーム３４に固定した光ファイバ光
干渉装置６１によって検出し、前置増幅器７０を経てロ
ックイン増幅器７１に入力し、交流電源８０の信号を参
照信号として選択増幅し、この出力を信号処理装置７２
にて信号処理し、磁気記録媒体３０の垂直磁束をローレ
ンツ力により検出し、記録された情報信号の再生出力を
得た。

【００６６】本実施形態では、図９に示したようにカン
チレバーの方向が磁気記録媒体のトラック方向に垂直で
ある場合を示したが、カンチレバーの方向がトラック方
向と平行である場合にも垂直磁束成分との外積が存在す
るので、磁気記録信号を再生することが可能である。

【００６７】なお、高密度の磁気記録では、垂直磁気記
録でなくても垂直磁束成分が増加するので、このような
ローレンツ力による磁気記録信号の再生は、高密度磁気
記録において特に有用であることがわかる。

【００６８】

【発明の効果】

【００６９】本発明によりローレンツ力を検出する走査
型プローブ顕微鏡によれば、探針の先端に磁性体を用い
ることなく、試料表面の磁束密度の分布を調べることが
できる。またこの方法を利用して、超高密度に記録され
たの磁気記録信号を再生することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡
の一実施形態における４分割フォトダイオードを用いた
ローレンツ力の検出部を模式的に示した図である。

【図２】 ローレンツ力の試料の水平方向に対する変化
の測定結果と、探針の先端を細くしていった場合に検出
されるローレンツ力を、方形波状の磁束分布を仮定して
計算した結果とを示した図である。

【図３】 ローレンツ力の試料の水平方向に対する変化
の測定結果と、探針の先端を細くしていった場合に検出
されるローレンツ力を、理論式の波状の磁束分布を仮定
して計算した結果とを示した図である。

【図４】 本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡
の他の一実施形態における光ファイバ光干渉装置を用い
たローレンツ力の検出部を模式的に示した図である。

【図５】 本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡
のさらにの一実施形態におけるカンチレバーに形成した
ピエゾ抵抗体を用いたローレンツ力の検出部を模式的に
示した図である。

【図６】 本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡
のシステム構成の一実施形態を模式的に示す図である。

【図７】 本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡
を応用した情報再生装置の一実施形態におけるシステム
構成の主要部を模式的に示した図である。

【図８】 カンチレバーの向きと磁束の向きが一致する
ように配置した場合の図である。

【図９】 本発明の一実施形態に用いられるカンチレバ
ー−探針系であつて、カンチレバーから探針に電流を供
給し、探針の先端近くに横方向の電流成分を与えるよう
にしたものを模式的に示した図である。

【符号の説明】

１……カンチレバー、２……探針、３……試料、４……
圧電素子、５……半導体レーザ、６……フォトダイオー
ド、７……ピエゾ抵抗体、８……前置増幅器、９……発
振器、１０……ロックイン増幅器、１１……誤差増幅
器、１２……フィルタ、１３……Ｚ圧電素子駆動電源、
２４……電圧源、３０……磁気記録媒体、３４……移動
アーム、４１……精密エアスピンドル、４２……上下方
向微動装置、６１，６２……光ファイバ光干渉装置、７
０……前置増幅器、７１……ロックイン増幅器、７２…
…信号処理器、８０……交流電源。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料表面に対向配置され、電流の流れる
   探針と、 前記探針に電流を流すための電源と、 前記探針に流れる電流と前記試料表面の磁束との間には
   たらくローレンツ力を検出するローレンツ力検出手段と
   を備えたことを特徴とする走査型ローレンツ力プローブ
   顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記探針は前記試料表面に接触して対向
   配置されていることを特徴とする請求項１記載の走査型
   ローレンツ力プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記探針は前記試料表面に対し非接触を
   保って対向配置されていることを特徴とする請求項１記
   載の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡。
4. 【請求項４】 前記探針がカンチレバーの自由端に固定
   され、前記カンチレバーには撓み量を検出する光学系が
   設けられており、前記ローレンツ力検出手段は、前記探
   針がローレンツ力を受けることによって生じる前記カン
   チレバーの撓み量を、前記光学系によって検出するもの
   であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記
   載の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡。
5. 【請求項５】 前記探針がカンチレバーの自由端に固定
   され、前記カンチレバーにはピエゾ抵抗体が形成されて
   おり、前記ローレンツ力検出手段は、前記探針がローレ
   ンツ力を受けることによって生じる前記カンチレバーの
   撓み量を、前記ピエゾ抵抗体の抵抗変化によって検出す
   るものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか
   １項記載の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡。
6. 【請求項６】 試料表面に対向配置され、交流電流の流
   れる探針と、 前記探針を一端に固定したカンチレバーと、 前記探針に交流電流を流すための交流電源と、 前記探針に流れる交流電流と前記試料表面の磁束との間
   にはたらくローレンツ力によるカンチレバーの振動を検
   出して前記ローレンツ力を検出するローレンツ力検出手
   段と、 前記探針を前記試料に対して相対的に移動させる移動手
   段とを備えたことを特徴とする走査型ローレンツ力プロ
   ーブ顕微鏡。
7. 【請求項７】 磁気記録媒体と、 前記磁気記録媒体表面に対向配置され、交流電流の流れ
   る探針と、 前記探針を一端に固定したカンチレバーと、 前記探針に交流電流を流すための交流電源と、 前記探針に流れる交流電流と前記試料表面の磁束との間
   にはたらくローレンツ力によるカンチレバーの振動を検
   出して前記ローレンツ力を検出するローレンツ力検出手
   段と、 前記探針を前記磁気記録媒体に対して相対的に移動させ
   る移動手段とを備えたことを特徴とする情報再生装置。
8. 【請求項８】 磁気記録媒体と、 前記磁気記録媒体に情報信号を記録する磁気記録ヘッド
   と、 前記磁気記録媒体表面に対向配置され、交流電流の流れ
   る探針と、 前記探針を一端に固定したカンチレバーと、 前記探針に交流電流を流すための交流電源と、 前記探針に流れる交流電流と前記試料表面の磁束との間
   にはたらくローレンツ力によるカンチレバーの振動を検
   出して前記ローレンツ力を検出するローレンツ力検出手
   段と、 前記磁気記録ヘッドと前記探針を前記磁気記録媒体に対
   して相対的に移動させる移動手段とを備えたことを特徴
   とする情報記録再生装置。