JP2006184043A - 磁気力顕微鏡用の磁界発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気力顕微鏡のカンチレバープローブの測定距離に関する較正を行う。
【解決手段】 磁界発生装置のコア２０１上には、それぞれ異なるサイズの磁界発生部２０４、２０５、および２０６が設けられ、異なる位置に分離した磁界を発生する。これらの磁界発生部上を磁気力顕微鏡のプローブ２１２によりスキャンして、発生する磁界強度を測定し、測定結果からスキャン方向におけるそれぞれの磁界発生部のサイズに対応する測定距離を算出する。これらの測定距離を用いてプローブ２１２の固有値を求め、個体差を較正する。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気力を測定する磁気力顕微鏡用の磁界発生装置に関する。

近年、ハードディスクのような高密度に磁化された磁気記録媒体や磁性体試料の磁化パターンの測定を可能とする磁気力顕微鏡が実用化されている（例えば、非特許文献１参照）。磁気力顕微鏡は、非接触で物理量を測定する走査型力顕微鏡の一種であり、強磁性材料を用いて構成される探針部（プローブ）とレバー部からなるカンチレバーを測定対象表面に近づけて、それらの間に働く磁気力を測定することができる。

プローブを測定対象表面からわずかに浮上させ、非接触状態で走査したとき、測定対象とプローブとの間に磁気力が働くと、プローブを保持しているレバー部に撓みが生じる。この撓みを光てこ法等で検出し、位置毎の磁気力を測定してマッピングすることで、磁化パターンの測定が可能となる。

磁気力顕微鏡の前身である原子間力顕微鏡用のカンチレバープローブは、特性に個体差があるため、測定前にプローブの感度較正を行う必要がある。その較正方法としては、プローブを機械的な振動手段により振動させ、加振強度と周波数に対して最適な振動振幅が得られるように、プローブの周波数特性を較正するのが一般的である。

一方、磁気力顕微鏡においても、磁気力顕微鏡用のカンチレバープローブそのものの磁気特性に個体差があるが、これを較正する手段は実用化されていない。このため、磁気力顕微鏡においても、原子間力顕微鏡と同様の周波数特性較正方法が用いられているに過ぎず、プローブの磁気特性の個体差を較正できないのが現状である。

これに対して、プローブを機械的に振動させた状態で直流磁界を加え、振動周波数変化を較正する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、磁気力顕微鏡を利用して、測定対象の記録ヘッドから高周波の磁界を発生させて磁気力を測定する磁気記録ヘッド測定装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。
"THE DIGITAL INSTRUMENTS DIMENSION 3100 SCANNING PROBE MICROSCOPE (SPM)"、［online］、［平成１６年９月１７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.veeco.com/html/datasheet_d3100.asp ＞ 特開平０７−０７２２２９号公報 特開２００１−２６６３１７号公報

上述のように、磁気力顕微鏡用のカンチレバープローブ自身は個体差を持っており、プローブに用いられる磁性体の膜厚やプローブ先端の形状にばらつきがある。このため、検出磁界強度のほか、測定距離にばらつきが発生してしまうが、現在実用化されている方法ではこれらのばらつきを較正することはできない。また、プローブを機械的に振動させる方法でも、測定距離に関する補正を行うことはできない。

本発明の課題は、磁気力顕微鏡のカンチレバープローブの測定距離に関する較正を行うことである。

図１は、本発明の磁界発生装置の原理図である。図１の磁界発生装置は、磁気力顕微鏡の較正に用いる装置であって、それぞれ異なる位置に分離した磁界を発生する複数の磁界発生部１０１−ｉ（ｉ＝１，２，．．．，ｎ）を備える。これらの磁界発生部のうち少なくとも２つ以上は、外形、形状、寸法のいずれかが異なる。

このような磁界発生装置を磁気力顕微鏡によりスキャンして磁界強度を測定すれば、スキャン方向におけるそれぞれの磁界発生部の外形、形状、寸法のいずれかに対応する距離の測定値が得られる。これらの測定値を用いることで、プローブの測定距離に関する個体差を正確に較正することができる。

本発明によれば、磁気力顕微鏡のプローブの絶対強度と測定距離を較正することが可能になる。このため、装置としての磁界強度検出出力および測定距離の絶対値が保証され、再現性が良く、信頼できるものとなる。これにより、磁気ヘッド等のサンプルの検査精度が向上し、製品の歩留まり向上とコストダウンにつながる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
本実施形態の磁界発生装置では、磁界発生部を複数個配置し、これらを用いて磁気力顕微鏡用のカンチレバープローブの強度感度較正および測定距離較正を行う。複数の磁界発生部のうち、少なくとも２つ以上はそれぞれ外形、形状、寸法のいずれかが異なり、任意の交流磁界の発生が可能である。これらの磁界発生部をカンチレバープローブにてスキャンすることで、磁界発生部の違いに応じた強度と距離の測定値が得られ、この測定値の差を用いてプローブの個体差を正確に較正する。これにより、カンチレバープローブを交換した場合にも、磁界に対するプローブの絶対強度と測定距離を正確に較正することができる。

図２は、このような磁界発生装置の構成例を示している。図２の磁界発生装置は、コア２０１、高周波駆動用コイル２０２、および高周波電源２０３からなる。
コア２０１上には、６つの磁極領域２０４−１、２０４−２、２０５−１、２０５−２、２０６−１、および２０６−２が形成されており、磁極領域２０４−１と磁極領域２０４−２は磁界発生部（磁極対）Ａを構成する。同様に、磁極領域２０５−１と磁極領域２０５−２は磁界発生部Ｂを構成し、磁極領域２０６−１と磁極領域２０６−２は磁界発生部Ｃを構成する。このような磁界発生構造により、異なる位置にそれぞれ分離した局所的な磁界が発生する。

また、高周波電源２０３を用いてコイル２０２に電流を流すことにより、磁界発生部Ａ〜Ｃは、任意の強度の高周波磁界を発生することができる。カンチレバー２１１にはプローブ２１２が設けられており、プローブ２１２を用いて各磁界発生部により発生される磁界の強度が測定される。

図３は、図２の磁界発生装置を用いてプローブ２１２の較正を行う較正装置の構成図である。図３の較正装置は、磁界発生装置に加えて、カンチレバー２１１、光検出器３０１、レーザ光源３０２、ＸＹＺスキャナ３０３、およびパーソナルコンピュータ（ＰＣ）３０４からなる磁気力顕微鏡を備える。

磁界発生装置のコア２０１を上面から見ると、図４に示すように、磁界発生部Ａ〜Ｃが一列に並んだ磁界発生パターンが形成されている。この例では、磁界発生部Ａ、Ｂ、およびＣの磁極領域の幅（磁極幅）は、それぞれ、７５０ｎｍ、１０００ｎｍ、および５００ｎｍとなるように設計されている。

ＰＣ３０４は、磁気力顕微鏡の全体と高周波電源２０３とを制御する。高周波電源２０３は、ＰＣ３０４からの指示に従って、実際に磁気ヘッド等のサンプルを測定する場合と同様の周波数でコイル２０２を駆動する。ここでは、例えば、１００ＭＨｚ程度の高周波磁界を発生させ、高周波磁気力顕微鏡で測定できるように、６０ｋＨｚ程度の正弦波にて振幅変調が行われる。

このような駆動状態において、ＸＹＺスキャナ３０３は、ＰＣ３０４からの指示に従って、プローブ２１２が異なる幅の１列に並んだ磁界発生部Ａ〜Ｃの上をスキャンするように、カンチレバー２１１を移動させる。このとき、カンチレバー２１１は、磁界発生部Ａ〜Ｃが発生する磁界の影響を受け、磁界強度に応じた振幅で振動を開始する。

レーザ光源３０２から射出されたレーザ光は、振動するカンチレバー２１１により反射され、反射光が光検出器３０１に入射する。光検出器３０１は、入射光の位置の変位を検出し、それをカンチレバー２１１の振幅を示す信号としてＰＣ３０４に出力する。光検出器３０１としては、例えば、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector ）が用いられる。

こうして、スキャン動作中に光検出器３０１から出力される振幅信号から、図４に示すようなラインプロファイル４０１が得られる。ラインプロファイル４０１は、スキャン方向の距離に対する磁界強度の変化を表しており、磁界発生パターンの各磁極幅に応じた磁界強度の分布に対応している。

ＰＣ３０４は、得られたラインプロファイル４０１から、それぞれの磁界発生部の磁極幅に相当する距離を求め、図５に示すように、磁極幅の設計値を横軸、その測定値を縦軸とする平面上にプロットする。そして、プロットされた点を結ぶ直線５０１の切片５０２と傾きを最小二乗法等により算出し、プローブの固有値として保存する。この固有値は、プローブのばらつきに相当する特徴を示しており、プローブ毎に固有値を算出して比較することで、プローブ毎の測定距離に関するばらつきを較正することができる。なお、切片５０２のみを固有値として採用してもよい。

また、磁界強度に関しては、図２の磁界発生構造の場合、各磁極対からは異なる強度の磁界が発生する。ＰＣ３０４は、例えば、図６に示すように、測定強度と磁界発生強度の設計値との比を磁界発生部毎に算出し、その平均値６０１を求めることで、磁界強度に関するプローブの固有値を算出する。

本実施形態では、同一のコイル構造を用いて３つの磁界発生部を駆動しているが、これに限らず、磁界発生部毎に別の駆動用コイルを組み込み、任意の磁界を発生させた場合でも、同様の効果が得られる。

また、カンチレバー２１１を移動させる代わりに、磁界発生装置を搭載したステージを移動させてスキャン動作を行ってもよい。
ＭＨｚオーダの高周波磁界測定時には、ｋＨｚオーダの低周波磁界や直流磁界測定時と比べて、測定感度が桁のオーダで低下することが知られている。そのため、本実施形態のように、実際に磁気力顕微鏡を使用する駆動周波数にて磁界発生部を駆動することが重要である。これにより、正確なプローブの絶対強度較正が可能となる。

図７は、図３の較正装置による較正処理のフローチャートである。較正処理は、磁界発生装置の測定７０１と実サンプルの測定７０２に大別される。
磁界発生装置の測定７０１では、まず、較正装置は、プローブ２１２を用いてコア２０１上の複数の磁界発生部をスキャンすることで、ラインプロファイルを取得する（ステップ７１１）。

次に、ＰＣ３０４は、得られたラインプロファイルから各磁界発生部の磁極幅を算出し（ステップ７１２）、図５のような平面上にプロットして、最小二乗法により近似直線を算出する（ステップ７１３）。そして、その直線の切片αと傾きβをプローブの固有値としてメモリに登録する（ステップ７１４）。

また、ラインプロファイルから各磁界発生部が発生する磁界のピーク強度を算出し（ステップ７１５）、ピーク強度と設計強度との比を算出する（ステップ７１６）。そして、複数の磁界発生部について算出された比の平均値γを求め、プローブの固有値としてメモリに登録する（ステップ７１７）。

実サンプルの測定７０２では、まず、較正装置は、プローブ２１２を用いてサンプル上をスキャンすることで、ラインプロファイルを取得する（ステップ７２１）。
次に、メモリに登録されている各固有値を用いて測定結果を較正する（ステップ７２２）。サンプル上の測定距離については、測定値から固有値αを減算することで正しい距離が得られ、測定強度については、測定値に固有値γの逆数を乗算することで正しい強度が得られる。

このように、磁界発生装置を高周波駆動して磁界分布を測定することで、プローブの固有値を算出することができ、測定距離と強度に関するばらつきを較正することが可能になる。さらに、磁界発生装置を磁気力顕微鏡装置のステージ上に配置し、プローブ交換時等に必要に応じて較正を行うことで、絶対測定値の保証された磁気力顕微鏡装置の提供が可能になる。なお、較正に関する計算アルゴリズムは、図５および６に示したものに限定されるわけではない。

磁界発生装置としては、図２に示したものの他にも、様々な構造のものを用いることができる。図８〜１１は、磁界発生装置を上面から見た場合のいくつかの異なる磁界発生パターンの例を示している。

図８の磁界発生パターンは、図４に示したパターンとほぼ同様であるが、複数の磁界発生部の一方の磁極が一体型に形成されている。図９の磁界発生パターンも、図４に示したパターンとほぼ同様であるが、複数の磁界発生部の一方の磁極と他方の磁極がそれぞれ一体型に形成されている。これらの磁界発生パターンを用いた場合でも、異なる位置にそれぞれ分離した磁界が発生し、図２の磁界発生装置と同様の効果が得られる。

図１０の磁界発生パターンは、磁極構造を持たない単純なメタル配線（環状の導体）による１ターンコイルパターン構造を用いた複数の磁界発生部からなる。磁界発生部毎に異なる寸法、形状、巻き数のコイルパターンを形成することで、図２の磁界発生装置と同様の効果が得られる。

図１１の磁界発生パターンは、磁極構造を持たない単純なメタル配線（線状の導体）によるライン＆スペースパターン構造を用いた複数の磁界発生部からなる。磁界発生部毎に異なる寸法、形状のラインパターンやライン＆スペースパターンを形成することで、図２の磁界発生装置と同様の効果が得られる。

以上説明した磁界発生装置では３つの磁界発生部が形成されているが、一般には、２つ以上の任意の数の磁界発生部が形成される。そのうち、少なくとも２つ以上の磁界発生部の外形、形状、寸法のいずれかが異なっていればよい。

図１２は、図３のＰＣ３０４に相当する情報処理装置の構成図である。図１２の情報処理装置は、ＣＰＵ（中央処理装置）１２０１、メモリ１２０２、入力装置１２０３、出力装置１２０４、外部記憶装置１２０５、媒体駆動装置１２０６、およびネットワーク接続装置１２０７を備え、それらはバス１２０８により互いに接続されている。

メモリ１２０２は、例えば、ＲＯＭ（read only memory）、ＲＡＭ（random access memory）等を含み、処理に用いられるプログラムおよびデータを格納する。ＣＰＵ１２０１は、メモリ１２０２を利用してプログラムを実行することにより、磁気力顕微鏡の制御および較正のために必要な処理を行う。

入力装置１２０３は、例えば、キーボード、ポインティングデバイス、タッチパネル等であり、オペレータからの指示や情報の入力に用いられる。出力装置１２０４は、例えば、ディスプレイ、プリンタ、スピーカ等であり、オペレータへの問い合わせや処理結果等の出力に用いられる。

外部記憶装置１２０５は、例えば、磁気ディスク装置、光ディスク装置、光磁気ディスク装置、テープ装置等である。情報処理装置は、この外部記憶装置１２０５に、プログラムおよびデータを格納しておき、必要に応じて、それらをメモリ１２０２にロードして使用する。

媒体駆動装置１２０６は、可搬記録媒体１２０９を駆動し、その記録内容にアクセスする。可搬記録媒体１２０９は、メモリカード、フレキシブルディスク、光ディスク、光磁気ディスク等の任意のコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。オペレータは、この可搬記録媒体１２０９にプログラムおよびデータを格納しておき、必要に応じて、それらをメモリ１２０２にロードして使用する。

ネットワーク接続装置１２０７は、ＬＡＮ（Local Area Network）等の任意の通信ネットワークに接続され、通信に伴うデータ変換を行う。情報処理装置は、必要に応じて、プログラムおよびデータを外部の装置からネットワーク接続装置１２０７を介して受け取り、それらをメモリ１２０２にロードして使用する。

図１３は、図１２の情報処理装置にプログラムおよびデータを提供する方法を示している。可搬記録媒体１２０９やサーバ１３０１のデータベース１３１１に格納されたプログラムおよびデータは、情報処理装置１３０２のメモリ１２０２にロードされる。サーバ１３０１は、そのプログラムおよびデータを搬送する搬送信号を生成し、ネットワーク上の任意の伝送媒体を介して情報処理装置１３０２に送信する。ＣＰＵ１２０１は、そのデータを用いてそのプログラムを実行し、必要な処理を行う。

（付記１） 磁気力顕微鏡の較正に用いる磁界発生装置であって、
それぞれ異なる位置に分離した磁界を発生する複数の磁界発生部を備え、該複数の磁界発生部のうち少なくとも２つ以上は外形、形状、寸法のいずれかが異なることを特徴とする磁界発生装置。

（付記２） 前記複数の磁界発生部のうち少なくとも２つ以上は異なる強度の磁界を発生しうることを特徴とする付記１記載の磁界発生装置。
（付記３） 前記複数の磁界発生部のうち少なくとも２つ以上は任意の交流磁界を発生しうることを特徴とする付記１記載の磁界発生装置。

（付記４） 前記複数の磁界発生部の各々は、磁界を局所的に発生させる磁極対からなることを特徴とする付記１、２、または３記載の磁界発生装置。
（付記５） 前記複数の磁界発生部の各々は、環状の導体からなることを特徴とする付記１、２、または３記載の磁界発生装置。

（付記６） 前記複数の磁界発生部の各々は、線状の導体からなることを特徴とする付記１、２、または３記載の磁界発生装置。
（付記７） それぞれ異なる位置に分離した磁界を発生する少なくとも２つ以上の外形、形状、寸法のいずれかが異なる磁界発生部を有する磁界発生装置により形成される磁界分布内を走査し磁界強度分布を測定する探針手段と、
前記走査により得られた測定結果を用いて、前記探針手段の較正を行う処理手段と
を備えることを特徴とする磁気力顕微鏡。

（付記８） それぞれ異なる位置に分離した磁界を発生する少なくとも２つ以上の外形、形状、寸法のいずれかが異なる磁界発生部を有する磁界発生装置により形成される磁界分布内を走査し磁界強度分布を測定するように、磁気力顕微鏡を制御し、
前記走査により得られた測定結果を用いて、前記磁気力顕微鏡の探針手段の較正を行う
処理をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。

（付記９） 前記測定結果として得られたラインプロファイルから、複数の磁界発生部のそれぞれの寸法の測定値を算出し、該測定値と該複数の磁界発生部のそれぞれの寸法の設計値とから、前記探針手段の固有値を算出し、サンプルの測定結果から得られた測定距離を該固有値を用いて較正する処理を、前記コンピュータに実行させることを特徴とする付記８記載のプログラム。

本発明の磁界発生装置の原理図である。 第１の磁界発生装置の構成図である。 較正装置の構成図である。 磁界発生部の配置とラインプロファイルを示す図である。 磁極幅の測定結果を示す図である。 磁界強度の測定結果を示す図である。 較正処理のフローチャートである。 第２の磁界発生装置のパターンを示す図である。 第３の磁界発生装置のパターンを示す図である。 第４の磁界発生装置のパターンを示す図である。 第５の磁界発生装置のパターンを示す図である。 情報処理装置の構成図である。 プログラムおよびデータの提供方法を示す図である。

符号の説明

１０１−１、１０１−２、１０１−ｎ 磁界発生部
２０１ コア
２０２ 高周波駆動用コイル
２０３ 高周波電源
２０４−１、２０４−２、２０５−１、２０５−２、２０６−１、２０６−２ 磁極領域
２１１ カンチレバー
２１２ プローブ
３０１ 光検出器
３０２ レーザ光源
３０３ ＸＹＺスキャナ
３０４ パーソナルコンピュータ
４０１ ラインプロファイル
５０１ 直線
５０２ 切片
６０１ 平均値
１２０１ ＣＰＵ
１２０２ メモリ
１２０３ 入力装置
１２０４ 出力装置
１２０５ 外部記憶装置
１２０６ 媒体駆動装置
１２０７ ネットワーク接続装置
１２０８ バス
１２０９ 可搬記録媒体
１３０１ サーバ
１３０２ 情報処理装置
１３１１ データベース

Claims (5)

1. 磁気力顕微鏡の較正に用いる磁界発生装置であって、
   それぞれ異なる位置に分離した磁界を発生する複数の磁界発生部を備え、該複数の磁界発生部のうち少なくとも２つ以上は外形、形状、寸法のいずれかが異なることを特徴とする磁界発生装置。
2. 前記複数の磁界発生部のうち少なくとも２つ以上は異なる強度の磁界を発生しうることを特徴とする請求項１記載の磁界発生装置。
3. 前記複数の磁界発生部のうち少なくとも２つ以上は任意の交流磁界を発生しうることを特徴とする請求項１記載の磁界発生装置。
4. それぞれ異なる位置に分離した磁界を発生する少なくとも２つ以上の外形、形状、寸法のいずれかが異なる磁界発生部を有する磁界発生装置により形成される磁界分布内を走査し磁界強度分布を測定する探針手段と、
   前記走査により得られた測定結果を用いて、前記探針手段の較正を行う処理手段と
   を備えることを特徴とする磁気力顕微鏡。
5. それぞれ異なる位置に分離した磁界を発生する少なくとも２つ以上の外形、形状、寸法のいずれかが異なる磁界発生部を有する磁界発生装置により形成される磁界分布内を走査し磁界強度分布を測定するように、磁気力顕微鏡を制御し、
   前記走査により得られた測定結果を用いて、前記磁気力顕微鏡の探針手段の較正を行う
   処理をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。