JP2006017557A - 磁気力顕微鏡を利用した垂直磁気記録媒体中の保磁力分布解析法並びにその解析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ナノスケールの保磁力分布を画像化可能な保磁力分布解析法並びにその解析装置を提供するにある。
【解決手段】 保磁力分布解析装置では、垂直磁気記録可能な磁性薄膜を備える試料に略垂直に磁界が印加され、試料が平面移動されながら、試料表面の磁区から発生される漏れ磁束に応じて磁束検出信号が発生される。試料の平均的磁化に対応するヒステリシス特性から選定された第１及び第２の閾値に対応する第１及び第２の外部磁界が試料に印加されて第１及び第２の磁区画像データが生成さる。この第１及び第２の画像データが第１及び第２の閾値で２値化処理され、その差分が第１の保磁力分布パターンとして生成される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、磁気力顕微鏡を利用した垂直磁気記録媒体中の保磁力分布解析法並びにその解析装置に係り、特に、磁気力顕微鏡からの画像出力を解析して垂直磁気記録媒体の保磁力分布を映像化する解析法並びにその解析装置に関する。

従来の磁区を観察して映像化する装置として、磁気カー効果を利用した磁場観察装置、走査型電子顕微鏡（スピン偏極ＳＥＭ）及び透過型電子顕微鏡が知られている。しかしながら、これらの装置は、単に磁区を画像化して示すことができるが、磁区毎の保磁力の分布までも画像化するものではない。

カー効果を利用した磁場観察装置では、磁化された記録媒体に直線偏光された光ビームを入射させてこの光線の偏光面が磁場に応じて回転されることを利用して保磁力を測定しているが、光ビームのビームスポットサイズをナノ単位にまで集光することが困難であることから、磁気カー効果を利用した観察装置では、ナノスケールの分解能で磁区を観察することができず、ナノスケールの保磁力分布を求めることはできない。

また、電子顕微鏡による磁区観察では、磁気力顕微鏡と同様の高い分解能を有するが、基本的に磁場中での測定ができない。従って、保磁力分布を求めるためには、印加磁場ごとに試料を外部に取り出して着磁し、再度試料を測定器中の挿入して測定する必要がある。従って、試料中の同一位置で磁化反転を直視しなが測定し、ナノスケールの保磁力分布を求めることはできない問題がある。

磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）は、例えば、非特許文献１或いは特許文献１に開示されるように試料表面の磁気分布を検出し、画像化する観察装置として知られ、ナノスケールで磁区構造を観察することができる。磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）は、そのカンチレバーの先端に磁性探針を設け、この磁性探針が試料表面の磁気分布に応じて微動変位することを利用し、その微動変位を画像化して試料表面の磁区に対応する映像を提供する装置として知られている。
特開２００３−３４２５８ J. Appl. Phys. 70(4), 15 August 1991, P2413-2422, H. W. van Kesteren

磁気記録分野では、４００Gbit/inch²の超高密度記録を実現することが、社会的に要請され、今後１０年以内の実現が強く求められている。これを実現する記録方式として垂直磁気記録方式が精力的に研究されている。垂直磁気記録を実現するためには、記録媒体面に対して垂直方向に磁化容易軸を持つ、垂直磁気記録媒体の開発が必要である。また、超高密度記録を実現するためには、記録媒体ノイズの低減が重要であるとされている。

媒体ノイズの原因は、媒体中の磁区構造を精密に制御する必要があり、従って、媒体のナノスケールの保磁力分布を明らかにすることが、必要不可欠であるとされている。

磁気力顕微鏡（MFM）の分解能は、既に２０nm以下達し、また、上述した他の磁区観察手法に比べて試料の作製や観察が容易であり、基礎研究のみならず多量の試験試料を統計的に処理する開発研究に適している。実際に、磁気記録媒体及び記録ヘッドの評価、ナノスケール薄膜の磁区観察、超伝導材料の磁気渦の観察に至る幅広い材料開発で用いられている。しかし、従来の磁気力顕微鏡を用いた研究では、多くの研究が磁区構造の観察にとどまっており、特に磁場中での磁区観察は、高々数kOeという比較的低磁場での観察が行われているのみである。

磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）は、このような垂直磁気記録媒体（磁気薄膜）における磁区構造を画像化するに好適な装置であるが、単に、磁区の磁場強度を映像化しているにすぎず、ナノスケールの保磁力分布までも表示することが考慮されていない問題がある。磁区構造がナノスケールの保磁力分布までも映像化可能であれば、垂直磁気記録媒体での磁区構造の精密な制御に関する対策が可能となると予想され、記録媒体ノイズを低減した垂直磁気記録媒体の開発が進むと予想される。

また、パターン媒体への情報の書き込み過程である磁化反転プロセスを検討するためには、数kOeの大きな磁場を印加しながら試料の同一位置で、磁区構造が変化する様子を、連続的もしくはストロボ的に観察することが望ましいとされている。

この発明は、垂直磁気記録媒体におけるナノスケールの保磁力分布を映像化可能な磁気力顕微鏡を利用した垂直磁気記録媒体中の保磁力分布解析法並びにその解析装置を提供するにある。

この発明によれば、
垂直磁気記録可能な磁性薄膜を備える試料に対して略垂直に磁界を印加する磁石装置と、
前記試料表面の磁区から発生される漏れ磁束に応じて磁束検出信号を発生する磁束感応部と、
前記試料と前記磁束感応部とを相対的に平面移動させて前記磁束感応部によって前記試料表面を検索させる移動機構と、
前記試料の相対的移動に伴う前記磁束検出信号に基づいて前記試料表面の磁束分布に相当する磁区画像データを生成する第１の画像生成部と、
前記試料の平均的磁化に対応するヒステリシス特性から選定された第１及び第２の閾値を保持し、この第１及び第２の閾値に対応する第１及び第２の外部磁界を設定する設定部と、
前記磁石装置から前記第１の外部磁界を前記試料に印加しながら前記画像生成部に第１磁区画像データを生成させ、前記磁石装置から前記第２の外部磁界を前記試料に印加しながら前記画像生成部に第２磁区画像データを生成させ、この第１及び第２の画像データを保持させる制御部と、及び
前記第１及び第２の画像データを前記第１及び第２の閾値で２値化処理して前記第１及び第２の画像データを第１及び第２の２値化画像データに変換し、この第１及び第２の２値化画像データを比較してその差分に相当する第１の保磁力分布パターンを生成する画像処理部と、
を具備することを特徴とする保磁力分布解析装置が提供される。

また、この発明によれば、
垂直磁気記録可能な磁性薄膜を備える試料の平均的磁化に対応するヒステリシス特性から第１及び第２の閾値を選定し、この第１及び第２の閾値に対応する第１及び第２の外部磁界を設定し、
前記試料に第１の外部磁界を印加し、前記試料表面を平面的に検索しながら前記試料の磁区から発生される漏れ磁束を検出して第１の磁束検出信号を発生させ、前記試料表面の磁束分布に相当する第１の磁区画像データを生成し、
前記試料に第２の外部磁界を印加し、前記試料表面を平面的に検索しながら前記試料の磁区から発生される漏れ磁束を検出して第２の磁束検出信号を発生させ、前記試料表面の磁束分布に相当する第２の磁区画像データを生成し、及び
前記第１及び第２の画像データを前記第１及び第２の閾値で２値化処理して前記第１及び第２の画像データを第１及び第２の２値化画像データに変換し、この第１及び第２の２値化画像データを比較してその差分に相当する第１の保磁力分布パターンを生成することを特徴とする保磁力分布解析方法が提供される。

この発明の垂直磁気記録媒体中の保磁力分布解析法並びにその解析装置によれば、磁気力顕微鏡を利用して垂直磁気記録媒体におけるナノスケールの保磁力分布を映像化することができる。従って、垂直磁気記録媒体での磁区構造を解明して垂直磁気記録媒体のノイズをも低減して超高密度記録媒体の開発に寄与することができる。

この発明保磁力分布解析法並びにその解析装置によれば、磁場中での連続的もしくはストロボ的な観察によって磁化反転プロセスを観察することができ、種々の磁場における画像データ間の差分から、試料中の保磁力分布像を得ることができる。保磁力分布像が得られれば、パターン媒体や超高密度磁気記録媒体中のナノスケールの磁気揺らぎを定量的に明らかにでき、例えば、活性化体積の直接観察並びに定量的評価も可能になる。

以下図面を参照して、この発明の磁気力顕微鏡を利用する垂直磁気記録媒体中の保磁力分布解析法並びにその解析装置の実施の形態について説明する。

図１は、この発明の磁気力顕微鏡を利用する垂直磁気記録媒体中の保磁力分布を解析する解析装置を示すブロック図である。

図１において、符号１００は、磁場印加機能を有した磁気力顕微鏡を示し及び符号２は、その自由端に探針２Ａを設けた非磁性体で作られた磁気力顕微鏡の探査部としてのカンチレバーであって、このカンチレバー２は、ピエゾ素子４に振動可能に支持され、カンチレバー先端の探査針２Ａは、試料６上に配置されている。試料６の保磁力分布が解析される磁区観察モードでは、この探針２Ａは、磁区の磁力に応じて作用力を受ける必要があることから、強磁性材で作られたものが利用され、試料６の表面形状、即ち、凹凸を解析する形状観察モードでは、探針２Ａは、試料６及び探針２Ａ間に働く磁力以外の作用力、例えば、原子間力を受ける必要があることから、非磁性材で作られた金属片等が利用される。従って、カンチレバー２は、ピエゾ素子４から、或いは、ピエゾ素子４とともに装置から取り外し可能に構成され、観察モードに応じたカンチレバー２に交換することができる。

この試料６は、垂直磁気記録可能な強磁性薄膜、例えば、ＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯ_２がフイルム状基板に形成された構造を有し、試料６をＸ−Ｙ平面内で微小移動するＸ−Ｙステージ８上に支持されている。試料６の表面は、磁区単位では、通常、粒状に凹凸を有する形状であり、この凹凸が保磁力分布の解析に影響しないようにするために、好ましくは、その表面形状が観察され、この形状に応じて次に説明するように試料６がＺ方向に制御される。

Ｘ−Ｙステージ８は、試料６をＺ方向に微小移動するＺステージ１０に支持されている。Ｚステージ１０を制御することで、試料６と探針２Ａとの間を試料６の表面形状を観察する形状観察モードに適する第１距離に維持することができ、また、試料６と探針２Ａとの間を試料６の磁区を観察する磁区観察モードに適する第２距離に維持することができる。通常、この形状観察モードで設定される第１距離は、磁区観察モードで設定される第２距離に比べて十分に小さく、形状観察モードでは、試料６及び探針２Ａ間に働く作用力を利用することから、試料６に探針２Ａが十分に接近される。磁区観察モードでは、磁区からの磁力が試料６及び探針２Ａ間に働く作用力（例えば、原子間力）よりも離れた距離にまで及ぶ為に探針２Ａが試料６の表面から比較的離間されて配置される。また、磁区観察モードでは、試料６の表面の形状に応じて、Ｚステージ１０を制御することで、試料６の表面と探針２Ａ間の距離を略一定に維持することができ、試料６及び探針２Ａ間に働く作用力を略無視した状態で磁気力を測定することができる。試料６の表面が十分に平坦（数十ナノ単位で平坦）であれば、磁区観察モードにおいて、Ｚステージ１０によって試料６の表面と探針２Ａ間の距離を略一定に維持する制御が実行されなくとも良い。

ピエゾ素子４は、ピエゾ素子ドライバ３４に接続され、このピエゾ素子ドライバ３４から供給される高周波交流信号で駆動され、その先端の磁性探針２Ａが試料６の表面上で上下に振動される。また、Ｘ−Ｙステージ８及びＺステージ１０は、ステージ制御部３６に接続され、このステージ制御部３６によってＺステージ１０が駆動されて試料６と磁性探針２Ａ間の距離が所定距離に制御される。また、Ｘ−Ｙステージ８は、ステージ制御部３６によってＸ−Ｙ平面内を微小移動される。従って、試料６は、この試料６の表面との間の距離を一定に保った状態で探針２Ａによってその表面が走査される。

試料６及びカンチレバー２が配置された空間は、図示しない排気機構によって略真空に維持され、また、観察中の位置ドリフトを除くため、電磁石及び周辺部が図示しない冷却装置によって冷却されて一定温度に維持されている。即ち、試料６及びカンチレバー２が熱的にその特性が変動しないように一定温度の雰囲気下に維持されている。従って、試料６は、熱的には、一定に維持された状態で測定される。上述した装置においては、観察時の最大磁場強度は、例えば、±６ｋＯｅであり、また、測定系が磁場の影響を受けることを除くために、試料ホルダー及び探針は、非磁性材で構成された磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）装置系に固定されている。

試料６上には、第１のポールピース１２が試料６に対向して配置され、また、試料６下には、第２のポールピース１４が試料６に対向して配置され、この第１及び第２のポールピース１２，１４間に生ずる試料６を略垂直に通過する測定用垂直磁界（外部磁界）によって試料６を磁化或いは減磁することができる。

尚、磁性探針２Ａは、この測定用垂直磁場によって同様に減磁或いは着磁される。従って、磁性探針２Ａには、測定用垂直磁場に応じて保磁力が与えられ、測定用垂直磁場が一定に維持されている限りにおいて、この測定用垂直磁場の影響を受けず、試料６の磁区からの漏洩磁界のみによって磁気反撥力或いは磁気吸引力を受けることとなる。

第１及び第２のポールピース１２，１４は、磁気ヨーク１６によって磁気的に連結され、第１及び第２のポールピース１２，１４の周囲には、夫々電磁石１８，２０が設けられている。電磁石１８，２０は、電流源２２に接続され、この電流源２２からの電流によって励磁され、この励磁によって第１及び第２のポールピース１２，１４間には、後に説明するように所定の磁界強度を有する測定用の垂直磁界が発生される。

カンチレバー２の先端部の変位は、所謂、光梃子方式で検出される。カンチレバー２の先端部の背面は、このカンチレバー２の先端部の動きを測定する為に鏡面に形成され、この鏡面に向けてレーザビームを発生するレーザ２４及び振動するカンチレバー２の鏡面から反射されたレーザビームを検出する光センサ２６が設けられている。レーザ２４は、レーザドライバ２８によって駆動され、一定強度のレーザビームをカンチレバー２の先端部に向けて発生する。また、光センサ２６からの検出信号は、検出信号処理部３０に出力される。試料６の表面形状測定する形状測定モードでは、検出信号処理部３０は、試料６の表面の凹凸に対応した出力レベルを有する表面形状信号が表面形状解析部３８に出力され、磁区強度を検出する磁区観察モードでは、磁区からの漏れ磁束に対応する磁気強度検出信号が磁区画像処理生成部３２に出力される。

検出信号処理部３０には、ピエゾ素子ドライバ３４からピエゾ素子駆動信号が供給され、この駆動信号と光センサ２６とからの出力信号を比較することによって表面形状信号及び磁気強度検出信号が抽出される。

形状測定モードにおいて、試料６が全くの平坦であれば、試料６と探針２Ａとの間に働く作用力は、一定であり、光センサ２６からの出力信号からノイズが除去されれば、この出力信号とピエゾ素子駆動信号とは、信号波形が実質的に相似であり、平坦に相当する表面形状信号が発生される。これに対して、形状測定モードにおいて、試料６に凹凸がある場合には、試料６と探針２Ａとの間に働く作用力が変動し、光センサ２６からのノイズが除去された出力信号は、ピエゾ素子駆動信号と異なる信号波形となる。光センサ２６からの出力信号からピエゾ素子駆動信号に相当する信号波形を除去すると、試料６の凹凸に相当する表面形状信号が発生される。即ち、検出信号処理部３０に設けられた比較器或いは加算器（図示せず）で光センサ２６からの出力信号とピエゾ素子駆動信号とが比較されることによって試料６の凹凸に相当する表面形状信号が発生される。

また、磁区観察モードにおいて、試料６に外部垂直磁界が印加された状態において、磁区から漏れ磁束が生じていなければ、磁区と磁性探針２Ａとの間には、吸引力或いは反発力が生ぜず、光センサ２６からノイズが除去された出力信号とピエゾ素子駆動信号とは、同様に信号波形が実質的に相似であり、磁区から漏れ磁束に相当する磁気強度検出信号は、実質的に発生されない。これに対して、磁区観察モードにおいて、試料６に外部垂直磁界が印加された状態において、磁区から漏れ磁束が生じている場合には、磁区と磁性探針２Ａとの間に、吸引力或いは反発力が生じ、光センサ２６からピエゾ素子駆動信号に相当する信号波形を除去すると、磁区からの漏れ磁束に相当する磁気強度検出信号が発生される。即ち、同様に、検出信号処理部３０に設けられた比較器或いは加算器（図示せず）で光センサ２６からの出力信号とピエゾ素子駆動信号とが比較されることによって磁区からの漏れ磁束に相当する磁気強度検出信号が発生される。物理的には、振動している磁性探針２Ａに漏れ磁束が作用すると、その磁性探針２Ａ及びカンチレバー２の機械的な共振点がシフトされ、そのシフト量が漏れ磁束に対応して変化される。従って、信号処理部３０では、共振点の変動が検出されてその変動が漏れ磁束に対応するような磁気強度検出信号に変換されて磁区画像処理生成部３２に供給される。尚、外部垂直磁界は、後の説明から明らかなように磁界が発生されず、磁場ゼロの磁界を含むものである。

表面形状信号は、表面形状解析部３８に供給され、Ｘ−Ｙ座標を関数としてそのＺ方向の凹凸の信号に変換され、メモリ４０に記憶される。このメモリ４０に記憶された表面形状信号は、磁区観察モード時にＸ−Ｙステージ８の移動とともに読み出され、Ｚステージ１０が上下動される。従って、既に説明したように磁性探針２Ａは、磁性探針２Ａと試料６との間を一定に保つように試料６の凹凸に沿って試料６を検索することとなる。

磁区画像処理生成部３２においては、入力された磁気強度検出信号がそのレベルに応じてＸ−Ｙ座標を関数とする陰影データに変換され、磁性探針２Ａが走査した領域が陰影の画像に変換される。この画像データは、測定用垂直磁場毎にフレーム画像としてフレームメモリ４２に格納される。このフレーム画像は、入出力部４４，例えば、キーボードからの指示に従ってＣＰＵ４６の制御下で表示装置４８に表示させることができ、必要に応じてプリンタ（図示せず）に出力することができる。

また、陰影データは、磁区画像処理生成部３２において、閾値として選定された基準残留磁束密度、或いは、規格磁化（Ｍ／Ｍｓ）を基に２値化される。この２値化された画像データでは、基準残留磁束密度、或いは、規格磁化より大きい磁区の領域は、第１色（例えば、黒）に変換され、基準残留磁束密度、或いは、基準規格磁化より小さい磁区の領域は、第２色（例えば、白）に変換される。この２値化画像データも同様に処理後にフレームメモリ４２に記憶される。この２値化画像データは、基準残留磁束密度、或いは、基準規格磁化に対応する外部垂直磁界の強さを変更する毎に取得され、予め設定した外部垂直磁界の強さのレベル数だけ測定データから作成される。

磁区画像処理生成部３２においては、このように用意された複数枚の２値化画像データから互いに測定条件が近い関係にある２値化画像データが２フレームだけ抽出され、その２フレーム画像データの差分が取られてその差分に相当する領域が決定され、その領域を第１の着色領域に変換される。同様に、互いに測定条件が近い関係にある他の組み合わせに係る２値化画像データが２フレームだけ抽出され、その２フレーム画像データの差分が取られてその差分に相当する領域が決定され、その領域を第２の着色領域に変換される。この作業を繰り返すことによって、磁区の保磁力分布がパターン化され、その領域が夫々異なる色で着色され、保磁力分布を示す１枚の画像フレームデータが作成され、この保磁力分布を示す画像フレームデータが同様にフレームメモリ４２に格納されるとともに表示部４８に表示される。

図１に示した磁気力顕微鏡を利用する垂直磁気記録媒体中の保磁力分布を解析する解析装置における測定手順及びその動作を図２から図６を参照してより詳細に説明する。

図２に示すように、始めに、試料６となる垂直磁気記録媒体（磁気薄膜が基板に塗布された磁性媒体）が用意されて図２に示すような平均的磁気特性（ヒステリシス特性）が巨視的な磁化測定装置（例えば、振動資料型磁力計或いはカー効果による表面磁化測定装置）で計測される（ステップＳ１０及び１２）。ここで、平均的磁気特性とは、多数の磁区の集合としての磁性体の平均的な磁気特性を意味し、保磁力分布が解析されるべき個々の磁区、或いは、いくつかの磁区の集合に相当する微小領域の磁気特性とは異なるものである。

平均的磁気特性は、図３に示されるようなヒステリシス曲線を有し、このような曲線中から最低３つ、以下の例では、４つの規格磁化（Ｍ／Ｍｓ）の点が定められ、この点における磁化画像が以下のように生成される。図３は、ＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯ_２のヒステリシス曲線であって、横軸に外部垂直印加磁界（ｋＯｅ）が示され、縦軸に規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比）が示されている。ここで、規格磁化は、磁性体における飽和磁束密度（Ｍｓ）を基準とした磁束密度（Ｍ）の比を示している。この試料６は、予め飽和するまで磁化されたものが用意され、外部垂直印加磁界がゼロで規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比）を１としている。明らかなように、ここでは、規格磁化が測定されているが、規格磁化のヒステリシス曲線に代えて単に保磁力の磁束密度のヒステリシス曲線が利用されても良く、また、測定に代えて既知のヒステリシス曲線が利用されても良い。

このヒステリシス曲線から図２にステップＳ１４に示すように、Ｎ点の外部垂直印加磁界が選定される。この例では、点ａ，ｂ、ｃ、ｄの４点（Ｎ＝４）が選定される。点ａは、第１の外部垂直印加磁界がゼロで、規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比＝１）に相当する。また、点ｂは、第２の外部垂直印加磁界が−２（ｋＯｅ）におる試料６の減磁に相当し、規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比）が略０．７に相当している。更に、点ｃは、第３の外部垂直印加磁界が−４（ｋＯｅ）におる試料６の減磁に相当し、規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比）が略ゼロに相当し、点ｄは、第４の外部垂直印加磁界が−６（ｋＯｅ）における試料６の減磁に相当し、規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比）が略−０．５に相当している。ここで、４点を選定しているが、後に述べるように画像パターンの差分を抽出していることから、最小限２点が選定されれば良く、好ましくは、３点以上が選定されることが磁区の保磁力分布を画像化する上で好ましい。また、記録媒体として磁性体を利用する上では、規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比）が略ゼロに相当する磁区の保磁力分布が得られるように外部磁界が選定されることが好ましい。

次に、ステップＳ１６に示すように試料６の表面が非磁性探針２Ａで検索されて試料表面の凹凸が表面形状解析部３８で解析されてＸ−Ｙ座標をパラメータとするＺ軸座標がメモリ４０に表面形状解析データとして格納される。表面形状解析データは、その表面形状を画像として表示できる程のデータであり、表面形状解析の分解能は、磁気力顕微鏡における磁気力の測定と同程度の分解能を有する同程度であることが好ましく、表面形状画像処理部（図示せず）で処理されて画像表示可能であることが好ましい。表面形状解析データを基にした像としては、原子間力顕微鏡像（ＡＦＭ像）が知られているので、その詳細な説明は省略する。

次に、非磁性探針２Ａから磁性探針２Ａを備えたカンチレバー２に交換されて測定が開始される。測定に際して始めに規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比）１にまで試料６が磁化される。この飽和磁束密度まで磁化された試料６がＸ−Ｙステージ８上に保持されてステップＳ１８に示すように測定用外部垂直印加磁界がゼロの状態でその表面磁区の漏れ磁束密度が磁性探針２Ａによって計測される。計測される磁区の領域は、Ｘ−Ｙステージ８による移動とともに更新され、磁区の領域を示すＸ−Ｙ座標をパラメータとして漏れ磁束が次々に検出され、Ｘ−Ｙ座標をパラメータとする磁気強度検出信号が磁区画像処理生成部３２に供給される。ここで、Ｚステージ１０が試料６の表面の凹凸に従って上下動されていることから、磁気強度検出信号からは、試料６の表面の凹凸に伴って磁性探針２Ａに作用する作用成分は、除去されることとなる。

試料６の所定領域が磁性探針２Ａによって走査されてその領域の磁区からの漏れ磁束密度が検出されると、磁区画像処理生成部３２において、次々にその漏れ磁束のレベルが濃淡の画像信号に変換されてＸ−Ｙ座標をパラメータとする濃淡画像信号（ＭＦＭ画像信号）に変換される。この画像信号から成る画像データ（ＭＦＭ画像データ）は、フレームメモリ４２に格納され、入力部４４からの指示に従って表示部４８に画像（ＭＦＭ画像）として表示される。図４には、この画像の一例が模示的に示されている。漏れ磁束のレベルは、磁区の保持磁束密度に比例し、従って、この画像は、磁区の保持磁束密度の分布を示すこととなる。図４において、黒で表示される領域は、最も磁束密度が大きい磁区で構成され領域を示し、白で表示される領域は、磁化が反転し磁束が逆転しおり、逆方向の磁束密度が最も強い磁区で構成され領域を示している。白及び黒の表示領域間は、斜線で示しているが、この斜線領域は、中間の磁束密度を有する領域に相当し、斜線の領域には、磁区が異なる磁束密度を有することから、実際の画像では、濃度が付されるが、図を簡略化する目的から、図４では、単一の濃度としている。

次に、この画像信号は、磁区画像処理生成部３２において、２値化される。この２値化は、図２における点（ａ）の規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比＝１）を閾値として画像信号が２値化される。即ち、図４において、斜線で示された領域の殆どが規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比＝１）に相当し、この規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比＝１）を閾値とすると、この閾値以上の領域は、斜線で示された領域及び黒表示された領域となる。従って、図４に示されるような画像信号が規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比＝１）を閾値として画像信号が２値化されると、図４における斜線及び黒色の領域は、図５（ａ）に示すように全て黒色表示され、図４において白色で示された他の領域は、白抜き表示される。従って、図５（ａ）の画像では、黒色で示された領域は、図２における点（ａ）の規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比＝１）以上で磁化された磁区から成る領域に相当し、白色で示された領域は、図２における点（ａ）の規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比＝１）以下で着磁されている磁区から成る領域に相当することとなる。言い換えると、試料６には、平均的な飽和磁束密度においても、白色で示されている飽和磁束密度以下に反転された磁区から成る領域が生じているとともに、黒色で示されている飽和磁束密度或いはそれ以上に着磁された磁区から成る領域が生じていることを意味している。尚、図４及び図５（ａ）は、説明の理解の為に模示的に描いているにすぎず、厳密に領域が一致するように描かれたものではないことに注意されたい。

ステップＳ２２に示すようにＮ枚の２値化画像が生成されていないことから、再び、ステップＳ１８が実行される。即ち、図２における点（ｂ）の規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０．７）を試料６に平均的に与えるように外部垂直磁界（−２ｋＯe）が試料６に印加される。

外部垂直磁界（−２ｋＯe）が試料６に印加された状態で、同様に試料６の所定領域が磁性探針２Ａによって走査されてその領域の磁区からの漏れ磁束密度が検出され、磁区画像処理生成部３２において、次々にその漏れ磁束のレベルが濃淡の画像信号に変換されてＸ−Ｙ座標をパラメータとする濃淡画像信号（ＭＦＭ画像信号）に変換される。この画像信号から成る画像データ（ＭＦＭ画像データ）は、フレームメモリ４２に格納され、入力部４４からの指示に従って図４に示す同様に表示部４８に画像（ＭＦＭ画像）として表示される。

この画像信号は、同様に磁区画像処理生成部３２において、２値化される。この２値化は、図２における点（ｂ）の規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０．７）を閾値として画像信号が２値化される。即ち、図４に示すと同様な画像において、斜線で示された領域の殆どが規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０．７）に相当し、この規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０．７）を閾値とすると、この閾値以上の領域は、斜線で示された領域及び黒表示された領域となる。従って、図４に示されるような画像信号が規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０．７）を閾値として画像信号が２値化されると、図４における斜線及び黒色の領域は、図５（ｂ）に示すように全て黒色表示され、図４に示すと同様な画像おいて、白色で示された他の領域は、白抜き表示される。従って、図５（ｂ）の画像では、黒色で示された領域は、図２における点（ｂ）の規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０．７）以上で磁化された磁区から成る領域に相当し、白色で示された領域は、図２における点（ｂ）の規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０．７）以下で着磁されている磁区から成る領域に相当することとなる。言い換えると、試料６には、平均的な規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０．７）においても、白色で示されている規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０．７）以下に反転された磁区から成る領域が生じているとともに、黒色で示されている規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０．７）或いはそれ以上に着磁された磁区から成る領域が生じていることを意味している。

ステップＳ２２に示すようにＮ枚の２値化画像が生成されるまで繰り返されることから、ステップＳ１８に示すように異なる時点で夫々図２における点（ｃ）及び（ｄ）の規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０及びＭ／Ｍｓ比≒０．５）を試料６に平均的に与えるように外部垂直磁界（−４ｋＯe及び−５ｋＯe）が試料６に印加される。

外部垂直磁界（−４ｋＯe及び−５ｋＯe）が試料６に印加された状態で、同様に試料６の所定領域が磁性探針２Ａによって走査されてその領域の磁区からの漏れ磁束密度が検出され、磁区画像処理生成部３２において、次々にその漏れ磁束のレベルが濃淡の画像信号に変換されてＸ−Ｙ座標をパラメータとする濃淡画像信号（ＭＦＭ画像信号）に変換される。この画像信号から成る画像データ（ＭＦＭ画像データ）は、フレームメモリ４２に格納され、入力部４４からの指示に従って図４に示す同様に表示部４８に画像（ＭＦＭ画像）として表示される。

この画像信号は、同様に磁区画像処理生成部３２において、２値化される。この２値化は、図２における点（ｃ）及び（ｄ）の規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０及びＭ／Ｍｓ比≒０．５）を閾値として画像信号が２値化される。即ち、図４に示すと同様な画像において、斜線で示された領域の殆どが規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０及びＭ／Ｍｓ比≒０．５）に相当し、この規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０及びＭ／Ｍｓ比≒０．５）を閾値とすると、この閾値以上の領域は、斜線で示された領域及び黒表示された領域となる。従って、図４に示されるような画像信号が規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０及びＭ／Ｍｓ比≒０．５）を閾値として画像信号が２値化されると、図４における斜線及び黒色の領域は、図５（ｃ）及び（ｄ）に示すように全て黒色表示され、図４に示すと同様な画像おいて、白色で示された他の領域は、白抜き表示される。従って、図５（ｃ）及び（ｄ）の画像では、黒色で示された領域は、図２における点（ｃ）及び（ｄ）の規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０及びＭ／Ｍｓ比≒０．５）以上で磁化された磁区から成る領域に相当し、白色で示された領域は、図２における点（ｃ）及び（ｄ）の規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０及びＭ／Ｍｓ比≒０．５）以下で着磁されている磁区から成る領域に相当することとなる。言い換えると、試料６には、平均的な規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０及びＭ／Ｍｓ比≒０．５）においても、白色で示されている規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０及びＭ／Ｍｓ比≒０．５）以下に反転された磁区から成る領域が生じているとともに、黒色で示されている規格磁化（Ｍ／Ｍｓ比≒０及びＭ／Ｍｓ比≒０．５）或いはそれ以上に着磁された磁区から成る領域が生じていることを意味している。

以上の工程から、Ｎ枚（Ｎ＝４）の２値化画像が生成される。この２値化画像生成後に、図５（ａ）に示される２値化画像と図５（ｂ）に示される２値化画像とを比較して差分に相当する画像データが生成される。この差分に相当する画像は、外部垂直磁界がゼロから（−２ｋＯe）に遷移される過程（反転磁場を印加する過程）で、規格化磁化がＭ／Ｍｓ＝１．０からＭ／Ｍｓ≒０．７に切り替えられた際に磁区の保持磁束密度が切り替えられた磁区データの分布のみが残ることとなる。即ち、差分の画像データには、外部垂直磁界の遷移に伴い規格化磁化がＭ／Ｍｓ＝１．０からＭ／Ｍｓ≒０．７に切り替えられた磁区の分布パターンが残ることとなる。この磁区は、実際には、磁区がある規格化磁化（Ｍ／Ｍｓ＝１．０）を基準に反転されたと同様であるので反転磁区と称し、この反転磁区の分布パターンがＸ−Ｙ座標軸上にマッピングされて図６に示すように第１色でその反転磁区の領域が表示される。同様に、図５（ｂ）に示される２値化画像と図５（ｃ）に示される２値化画像との差分に相当する画像が比較されて差分に相当する画像データが生成され、反転磁区の分布パターンがＸ−Ｙ座標軸上にマッピングされて図６に示すように第２色でその反転磁区の領域が表示される。ここで、この差分に相当する画像には、外部垂直磁界が（−２ｋＯe）から（−４ｋＯe）に遷移される過程（反転磁場を印加する過程）で、規格化磁化がＭ／Ｍｓ≒０．７からＭ／Ｍｓ≒０に切り替えられた際に磁区の保持磁束密度が切り替えられた磁区データの分布のみが残ることとなる。また同様に、図５（ｃ）に示される２値化画像と図５（ｄ）に示される２値化画像との差分に相当する画像が比較されて差分に相当する画像データが生成され、反転磁区の分布パターンがＸ−Ｙ座標軸上にマッピングされて図６に示すように第３色でその反転磁区の領域が表示される。ここで、この差分に相当する画像には、外部垂直磁界が（−４ｋＯe）から（−６ｋＯe）に遷移される過程（反転磁場を印加する過程）で、規格化磁化がＭ／Ｍｓ≒０からＭ／Ｍｓ≒０．５に切り替えられた際に磁区の保持磁束密度が切り替えられた磁区データの分布のみが残ることとなる。同様のことがＮ点の規格化磁化で繰り返されることによって、図６に示すように第１〜第３色に限らず、複数色で区分けされた保持磁束密度の磁区分布図が得られる。この保持磁束密度の磁区分布図に関するデータがフレームメモリ４２格納されて必要に応じて表示部４８に表示され、また、印刷される。

上述した過程において、試料６は、正の飽和磁束密度まで着磁されて外部磁場が正の方向から負の方向に向け減磁するとともに更に負に着磁して任意の測定磁場で磁区構造を測定している。しかしながら、その測定原理からも明らかなように、試料６が負の飽和磁束密度まで着磁されて外部磁場が負の方向から正の方向に向けて減磁され、その後、正に着磁しながら、任意の測定磁場で磁区構造が測定されても良いことは明らかである。

上述した過程において、測定磁場をＨｎ（ｎ＝１，２，３，−−−−）とすると、任意の磁場での画像が磁区を示すようにするために、その画像中のパターンが二色化（２値化）される。即ち、対応する規格磁化（Ｍ／Ｍｓ）の点を閾値としてこの規格磁化（Ｍ／Ｍｓ）よりも大きい磁区領域及び小さい磁区領域に分類され、これがパターンとして２色で示される。

ここで、二色のそれぞれの領域を上・下向きの磁区領域を表すものとする。例えば、明、暗の領域は上・下向きの磁区領域を表すとする。

上・下向きの磁区領域の面積をＳ^↑、Ｓ^↓とするとき、（Ｓ^↑−Ｓ^↓）／（Ｓ^↑＋Ｓ^↓）は、規格化した磁化に一致される。

磁区画像処理生成部における画像処理においては、（Ｓ^↑−Ｓ^↓）／（Ｓ^↑＋Ｓ^↓）の値が巨視的な磁化測定（例えば、振動資料型磁力計或いはカー効果による表面磁化測定装置）で求めた値に一致するように、画像データが二色化することが好ましく、平均的な規格磁化（Ｍ／Ｍｓ）が得られるように校正処理が２値化データに施されることが好ましい。

また、上述した過程においては、異なった磁場ＨｎとＨｎ_＋１での磁区構造の差分が取られ、その間で反転した磁区の領域が得られる。この領域をＡｎ−ｎ_＋１ とすると、この差分処理で求められた領域Ａｎ−ｎ_＋１が測定され、全てのｎの画像を合わせて画像化すれば、試料中の保磁力の分布が得られることとなる。

尚、図１に示した装置では、磁性探針２Ａで漏れ磁束を検出する機構について説明したが、磁性探針に限らず、光学的或いは電気的に他の手段で漏れ磁束を検出する機構が採用されても良いことは明らかである。漏れ磁束を検出する機構としは、探針自体の歪を電気的に検出しても良く、近接場光を試料表面に照射してその試料表面で近接場光がカー効果によってその偏光面が回転され、その回転角を検出系で検出することもできる。

この発明の磁気力顕微鏡を利用する垂直磁気記録媒体中の保磁力分布を解析する解析装置の１実施の形態を概略的に示すブロック図である。 図１に示される解析装置における解析方法を示すフローチャートである。 図１に示される解析装置で利用される平均的な規格化磁化を示すヒステリシス曲線及びその選定された平均的な規格化磁化を示すグラフである。 図１に示される解析装置で得られたＭＦＭ画像の一例を概略的に示す図である。 （ａ）から（ｄ）は、ＭＦＭ画像を選定された平均的な規格化磁化で２値化した２値化画像の例を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、この発明の磁気力顕微鏡を利用する垂直磁気記録媒体中の保磁力分布を解析する解析装置によって得られたＸ−Ｙ座標軸上にマッピングされた反転磁区の分布パターンの一例を示す図及び保磁力と占有領域との関係を示す表である。

符号の説明

２．．．カンチレバー、２Ａ．．．探針、４．．．ピエゾ素子、６．．．試料、８．．．Ｘ−Ｙステージ、１０．．．Ｚステージ、１２，１４．．．ポールピース、１８，２０．．．電磁石、２２．．．電流源、２４．．．レーザ、２６．．．光センサ、３０．．．検出信号処理部、３２．．．磁区画像処理生成部、３４．．．ピエゾ素子ドライバ、３６．．．ステージ制御部、３８．．．表面形状解析部、１００．．．磁気力顕微鏡

Claims (13)

1. 垂直磁気記録可能な磁性薄膜を備える試料に対して略垂直に磁界を印加する磁石装置と、
   前記試料表面の磁区から発生される漏れ磁束に応じて磁束検出信号を発生する磁束感応部と、
   前記試料と前記磁束感応部とを相対的に平面移動させて前記磁束感応部によって前記試料表面を検索させる移動機構と、
   前記試料の平均的磁化に対応するヒステリシス特性から選定された第１及び第２の閾値を保持し、この第１及び第２の閾値に対応する第１及び第２の外部磁界を設定する設定部と、
   前記磁石装置から前記第１の外部磁界を前記試料に印加しながら前記試料の相対的移動に伴う前記磁束検出信号に基づいて前記試料表面の磁束分布に相当する第１の磁区画像データを生成し、前記磁石装置から前記第２の外部磁界を前記試料に印加しながら前記画像生成部に第２磁区画像データを生成させ、この第１及び第２の画像データを保持させる画像生成部と、及び
   前記第１及び第２の画像データを前記第１及び第２の閾値で２値化処理して前記第１及び第２の画像データを第１及び第２の２値化画像データに変換し、この第１及び第２の２値化画像データを比較してその差分に相当する第１の保磁力分布パターンを生成する画像処理部と、
   を具備することを特徴とする保磁力分布解析装置。
2. 前記設定部は、前記ヒステリシス特性から選定された第３の閾値に対応する第３の外部磁界を設定し、
   前記制御部は、前記磁石装置から前記第３の外部磁界を前記試料に印加しながら前記画像生成部に第３磁区画像データを生成させ、
   前記画像処理部は、前記第３の画像データを前記第３の閾値で２値化処理して前記第３の画像データを第３の２値化画像データに変換し、前記第２及び第３の２値化画像データを比較してその差分に相当する第２の保磁力分布パターンを生成することを特徴とする請求項１の保磁力分布解析装置。
3. 前記設定部は、前記ヒステリシス特性から選定された第４の閾値に対応する第４の外部磁界を設定し、
   前記制御部は、前記磁石装置から前記第４の外部磁界を前記試料に印加しながら前記画像生成部に第４磁区画像データを生成させ、
   前記画像処理部は、前記第４の画像データを前記第３の閾値で２値化処理して前記第４の画像データを第４の２値化画像データに変換し、前記第３及び第４の２値化画像データを比較してその差分に相当する第３の保磁力分布パターンを生成し、前記第１、第２及び第３の保磁力分布パターンを異なる色彩或いは濃淡で同一の保磁力分布パターン画像データ上にマッピングすることを特徴とする請求項２の保磁力分布解析装置。
4. 前記磁束感応部は、前記試料表面からの漏れ磁束に感応する磁性針を含み、この磁性針の変位を検出して磁束検出信号を発生する機構を含むことを特徴とする請求項１の保磁力分布解析装置。
5. 前記磁束感応部は、前記磁性針の変動を光学的に検出して磁束検出信号を発生する光学的検出機構を含むことを特徴とする請求項３の保磁力分布解析装置。
6. 前記磁束感応部は、前記試料表面を検索する検索部を含むことを特徴とする請求項１の保磁力分布解析装置。
7. 前記試料表面の凹凸形状を検出してその表面形状データを保持する表面形状検出部を更に具備し、
   前記移動機構は、この表面形状データに基づいて、前記試料及び前記検索部を相対的に垂直移動させて前記試料表面及び前記検索部との間の距離を一定に維持する移動機構を含むことを特徴とする請求項５の保磁力分布解析装置。
8. 垂直磁気記録可能な磁性薄膜を備える試料の平均的磁化に対応するヒステリシス特性から第１及び第２の閾値を選定し、この第１及び第２の閾値に対応する第１及び第２の外部磁界を設定し、
   前記試料に第１の外部磁界を印加し、前記試料表面を平面的に検索しながら前記試料の磁区から発生される漏れ磁束を検出して第１の磁束検出信号を発生させ、前記試料表面の磁束分布に相当する第１の磁区画像データを生成し、
   前記試料に第２の外部磁界を印加し、前記試料表面を平面的に検索しながら前記試料の磁区から発生される漏れ磁束を検出して第２の磁束検出信号を発生させ、前記試料表面の磁束分布に相当する第２の磁区画像データを生成し、及び
   前記第１及び第２の画像データを前記第１及び第２の閾値で２値化処理して前記第１及び第２の画像データを第１及び第２の２値化画像データに変換し、この第１及び第２の２値化画像データを比較してその差分に相当する第１の保磁力分布パターンを生成することを特徴とする保磁力分布解析方法。
9. 前記ヒステリシス特性から第３の閾値を選定し、この第３の閾値に対応する第３の外部磁界を設定し、
   前記試料に第３の外部磁界を印加し、前記試料表面を平面的に検索しながら前記試料の磁区から発生される漏れ磁束を検出して第３の磁束検出信号を発生させ、前記試料表面の磁束分布に相当する第３の磁区画像データを生成し、及び
   前記第３の画像データを前記第３の閾値で２値化処理して前記第３の画像データを第３の２値化画像データに変換し、この第２及び第３の２値化画像データを比較してその差分に相当する第２の保磁力分布パターンを生成することを特徴とする請求項８の保磁力分布解析法。
10. 前記ヒステリシス特性から第４の閾値を選定し、この第４の閾値に対応する第４の外部磁界を設定し、
    前記試料に第４の外部磁界を印加し、前記試料表面を平面的に検索しながら前記試料の磁区から発生される漏れ磁束を検出して第４の磁束検出信号を発生させ、前記試料表面の磁束分布に相当する第４の磁区画像データを生成し、及び
    前記第４の画像データを前記第３の閾値で２値化処理して前記第４の画像データを第４の２値化画像データに変換し、この第３及び第４の２値化画像データを比較してその差分に相当する第３の保磁力分布パターンを生成、前記第１、第２及び第３の保磁力分布パターンを異なる色彩或いは濃淡で同一の保磁力分布パターン画像データ上にマッピングすることを特徴とする請求項９の保磁力分布解析方法。
11. 前記試料表面からの漏れ磁束に感応する磁性針の変位を検出して磁束検出信号を発生することを特徴とする請求項８の保磁力分布解析方法。
12. 前記磁性針の変動を光学的に検出して磁束検出信号を発生することを特徴とする請求項１１の保磁力分布解析方法。
13. 前記試料表面の凹凸形状を検出してその表面形状データを保持し、
    この表面形状データに基づいて、前記試料及びこの試料を検索する検索部を相対的に垂直移動させて前記試料表面及び前記検索部との間の距離を一定に維持することを特徴とする請求項８の保磁力分布解析方法。

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