JP2012198192A - Magnetic force microscope and high spatial resolution magnetic field measurement method - Google Patents

Magnetic force microscope and high spatial resolution magnetic field measurement method Download PDF

Info

Publication number
JP2012198192A
JP2012198192A JP2011270138A JP2011270138A JP2012198192A JP 2012198192 A JP2012198192 A JP 2012198192A JP 2011270138 A JP2011270138 A JP 2011270138A JP 2011270138 A JP2011270138 A JP 2011270138A JP 2012198192 A JP2012198192 A JP 2012198192A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
resonance frequency
cantilever
sample
magnetic field
magnetic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2011270138A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yutaka Majima
豊 真島
Yasuo Azuma
康男 東
Suguru Tanaka
傑 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Institute of Technology NUC
Original Assignee
Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Institute of Technology NUC filed Critical Tokyo Institute of Technology NUC
Priority to JP2011270138A priority Critical patent/JP2012198192A/en
Priority to CN201280012040.7A priority patent/CN103443632B/en
Priority to PCT/JP2012/055882 priority patent/WO2012121308A1/en
Publication of JP2012198192A publication Critical patent/JP2012198192A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/50MFM [Magnetic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. MFM probes
    • G01Q60/52Resonance
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/038Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using permanent magnets, e.g. balances, torsion devices
    • G01R33/0385Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using permanent magnets, e.g. balances, torsion devices in relation with magnetic force measurements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problems of conventional magnetic force microscopes: that as the primary resonance frequency of a cantilever is varied during probe scanning, the phase of a modulation frequency signal is varied and it is difficult to obtain a magnetic field distribution with phase information; that a measuring time becomes long due to a low excitation frequency of about 100 Hz; and that as a FM modulation signal which is an indirect signal is measured, a S/N ratio is hard to be increased.SOLUTION: An inventive magnetic force microscope includes: a cantilever 2 with a probe 1 having a magnetic material; a first oscillator 4 exciting with a first resonance frequency; a displacement detection circuit 7; a fine motion element 16; a z-axis drive part 12 for driving the fine motion element 16; a second oscillator 13 exciting with a second resonance frequency; and a lock-in amplifier 21 inputting a displacement signal and a reference signal. The z-axis drive part 12 allows the probe 1 to approach a magnetic recording head 8 based on the displacement signal and the first resonance frequency, and the lock-in amplifier 21 generates magnetic field data based on the displacement signal and the reference signal.

Description

本発明は、試料表面の磁場分布及び凹凸形状を測定する磁気力顕微鏡及び磁場分布を高空間分解能で測定する高空間分解能磁場測定方法に関する。   The present invention relates to a magnetic force microscope that measures a magnetic field distribution and uneven shape on a sample surface, and a high spatial resolution magnetic field measurement method that measures the magnetic field distribution with high spatial resolution.

ハードディスクをはじめとした磁気記録装置の高密度化に向けて、磁気記録ヘッド及び磁性薄膜の磁気特性を高い空間分解能で磁場分布を画像化する手法が進められている。これを実現するために、いくつかの技術が提案されている。   In order to increase the density of magnetic recording devices such as hard disks, a technique for imaging the magnetic distribution of magnetic characteristics of the magnetic recording head and the magnetic thin film with high spatial resolution is in progress. In order to achieve this, several techniques have been proposed.

非特許文献1〜5には、交流磁場を直接観察するために、周波数変調技術を用いた磁気力顕微鏡の構成と、その磁気力顕微鏡を用いて、ハードディスクの磁気記録ヘッドに交流電流を印加した場合における、磁気記録ヘッドから発生する交流磁場像を測定した結果が記載されている。   In Non-Patent Documents 1 to 5, in order to directly observe an alternating magnetic field, a configuration of a magnetic force microscope using a frequency modulation technique and an alternating current was applied to a magnetic recording head of a hard disk using the magnetic force microscope. In this case, the result of measuring an alternating magnetic field image generated from the magnetic recording head is described.

また、特許文献1には、磁気力顕微鏡による測定時間を短縮するために、磁気力顕微鏡のカンチレバーの共振周波数とは異なる周波数の外部磁場を被測定試料である磁気記録ヘッドに印加する技術が記載されている。   Patent Document 1 describes a technique for applying an external magnetic field having a frequency different from the resonance frequency of a cantilever of a magnetic force microscope to a magnetic recording head that is a sample to be measured in order to shorten the measurement time by the magnetic force microscope. Has been.

特開2010−175534号公報JP 2010-175534 A

H. Saito, H. Ikeya, G. Egawa, S. Ishio and S. Yoshimura, 「Magnetic force microscopy of alternating magnetic field gradient by frequency modulation of tip oscillation」, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 105, 07D524 (2009)H. Saito, H. Ikeya, G. Egawa, S. Ishio and S. Yoshimura, `` Magnetic force microscopy of alternating magnetic field gradient by frequency modulation of tip oscillation '', JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 105, 07D524 (2009) W. Lu, Z. Li, K. Hatakeyama, G. Egawa, S. Yoshimura and H. Saito, 「High resolution magnetic imaging of perpendicular magnetic recording head using frequency-modulated magnetic force microscopy with a hard magnetic tip」, APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 143104 (2010)W. Lu, Z. Li, K. Hatakeyama, G. Egawa, S. Yoshimura and H. Saito, `` High resolution magnetic imaging of perpendicular magnetic recording head using frequency-modulated magnetic force microscopy with a hard magnetic tip '', APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 143104 (2010) 田中、柳内、真島、第71回応用物理学会学術講演会、17-P12-12、62 (2010)Tanaka, Yanagiuchi, Majima, 71st JSAP Scientific Lecture, 17-P12-12, 62 (2010) H. Saito, W. Lu, K. Hatakeyama, G. Egawa and S. Yoshimura「High frequency magnetic field imaging by frequency modulated magnetic force microscopy」, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 107, 09D309 (2010)H. Saito, W. Lu, K. Hatakeyama, G. Egawa and S. Yoshimura `` High frequency magnetic field imaging by frequency modulated magnetic force microscopy '', JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 107, 09D309 (2010) W. Lu, K. Hatakeyama, G. Egawa, S. Yoshimura and H. Saito, 「Characterization of Magnetic Field Distribution in a Trailing-Edge Shielded Head by Frequency-Modulated Magnetic Force Microscopy」, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 46, NO. 6, JUNE 2010W. Lu, K. Hatakeyama, G. Egawa, S. Yoshimura and H. Saito, `` Characterization of Magnetic Field Distribution in a Trailing-Edge Shielded Head by Frequency-Modulated Magnetic Force Microscopy '', IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 46 , NO. 6, JUNE 2010

非特許文献1〜5に開示されている磁気力顕微鏡では、まず被測定試料の表面の凹凸形状を測定する。この従来の磁気力顕微鏡では、被測定試料の表面の凹凸形状を測定するのに、カンチレバーを一次共振周波数で振動させて、カンチレバーの先端の振動振幅が一定になるように、カンチレバーの先端に取り付けられた探針と被測定試料間の距離を制御しながら被測定試料の表面を走査する。次に、1回目の走査で記憶した被測定試料の表面の凹凸形状のデータを用いて、探針と被測定試料間の距離を一定に保った状態で、磁場の大きさ及び位相変化の状態を、1回目の走査ラインに沿って測定する。ここで、被測定試料は、一定の励磁周波数で励磁されているので、検出される信号は、その励磁周波数をカンチレバーの一次共振周波数で周波数変調(以下、FMともいう。)されたものとなる。この信号をFM復調し、励磁周波数を参照周波数としてロックインアンプに入力し、ロックイン検波することで被測定試料表面の磁場分布のデータを得る。   In the magnetic force microscope disclosed in Non-Patent Documents 1 to 5, first, the uneven shape of the surface of the sample to be measured is measured. In this conventional magnetic force microscope, in order to measure the uneven shape of the surface of the sample to be measured, the cantilever is vibrated at the primary resonance frequency and attached to the tip of the cantilever so that the vibration amplitude at the tip of the cantilever is constant. The surface of the sample to be measured is scanned while controlling the distance between the probe and the sample to be measured. Next, using the data of the surface roughness of the sample to be measured memorized in the first scan, the magnetic field magnitude and phase change state with the distance between the probe and the sample to be measured kept constant Is measured along the first scan line. Here, since the sample to be measured is excited at a constant excitation frequency, the detected signal is obtained by frequency modulation (hereinafter also referred to as FM) of the excitation frequency with the primary resonance frequency of the cantilever. . This signal is FM demodulated, the excitation frequency is input to the lock-in amplifier as a reference frequency, and lock-in detection is performed to obtain magnetic field distribution data on the surface of the sample to be measured.

しかしながら、上述した従来の磁気力顕微鏡では、カンチレバーの一次共振周波数が探針の走査時に変動することに起因して、FM信号も変動し、結果として検出信号であるFM信号の位相が変動する。このため、従来の磁気力顕微鏡は、磁場の大きさと位相とを示すRcosθ像を得ることが困難であるとの欠点を有している。従来の磁気力顕微鏡では、測定系にフェーズロックドループを組み込むことにより、位相の変動を改善することは可能であるが、装置が複雑かつ高価になる。また、被測定試料に対する励磁周波数が100Hz〜1kHz程度と低いため、単位時間当たりの測定のスループットが悪く、測定時間が長くなってしまうという欠点もある。なお、被測定試料に対する励磁周波数を単に高めることで、この問題は改善される余地があるが、被測定試料に対する励磁周波数を高めるためには、変調周波数である一次共振周波数を引き上げなければならない。そうすると、カンチレバーの変位検出のための光てこの周波数応答を大幅に向上させなければならず、非特許文献4でも指摘されているように、測定系の問題が生ずる。さらに、FM信号という間接的な信号を測定することにより、S/N比を高くすることは原理的に困難であるとの問題もある。   However, in the conventional magnetic force microscope described above, the FM signal also fluctuates due to the fluctuation of the primary resonance frequency of the cantilever during scanning of the probe, and as a result, the phase of the FM signal that is the detection signal fluctuates. For this reason, the conventional magnetic force microscope has a drawback that it is difficult to obtain an R cos θ image indicating the magnitude and phase of the magnetic field. In the conventional magnetic force microscope, it is possible to improve the phase fluctuation by incorporating a phase-locked loop in the measurement system, but the apparatus becomes complicated and expensive. In addition, since the excitation frequency for the sample to be measured is as low as about 100 Hz to 1 kHz, there is a disadvantage that the measurement throughput per unit time is poor and the measurement time becomes long. Note that this problem can be improved by simply increasing the excitation frequency for the sample to be measured, but in order to increase the excitation frequency for the sample to be measured, the primary resonance frequency, which is the modulation frequency, must be increased. In this case, the frequency response of the optical lever for detecting the displacement of the cantilever must be greatly improved, which causes a measurement system problem as pointed out in Non-Patent Document 4. Further, there is a problem that it is theoretically difficult to increase the S / N ratio by measuring an indirect signal such as an FM signal.

また、特許文献1に開示されている磁気力顕微鏡では、カンチレバーを一次共振周波数で振動させ、カンチレバーの共振周波数と異なり、かつカンチレバーの共振周波数の整数倍(又は整数倍/2)の周波数で被測定試料を励磁している。これにより、測定位置の移動時のステップ応答を改善して、測定時間を短縮するとしている。しかしながら、この従来の磁気力顕微鏡では、被測定試料の励磁周波数をカンチレバーの共振周波数でない周波数で励磁しているので、測定系のQが低く、ゲインが上がらず、結果として検出信号のS/N比を上げることができないという欠点がある。   Further, in the magnetic force microscope disclosed in Patent Document 1, the cantilever is vibrated at the primary resonance frequency, and is different from the resonance frequency of the cantilever and is covered at a frequency that is an integral multiple (or an integral multiple / 2) of the resonance frequency of the cantilever. The measurement sample is excited. Thereby, the step response at the time of movement of the measurement position is improved, and the measurement time is shortened. However, in this conventional magnetic force microscope, since the excitation frequency of the sample to be measured is excited at a frequency that is not the resonance frequency of the cantilever, the Q of the measurement system is low and the gain does not increase, resulting in the S / N of the detection signal. There is a disadvantage that the ratio cannot be increased.

そこで、本発明は、フェーズロックドループを不要としながら、短い測定時間で高いS/N比の磁場分布データを得ることができる磁気力顕微鏡を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a magnetic force microscope that can obtain magnetic field distribution data having a high S / N ratio in a short measurement time while eliminating the need for a phase-locked loop.

上記課題を解決するために、本発明の磁気力顕微鏡は、磁性体からなる探針又は磁性体を塗布若しくは薄膜形成した探針を先端に有するカンチレバーと、カンチレバーをカンチレバーの第1の共振周波数で励振する第1の発振器と、カンチレバーの先端の変位を検出する変位検出器と、試料を上面に固定して、探針を試料に対して接近させ、離間させ、又は測定位置の移動をさせる微動素子と、微動素子を駆動する駆動部と、試料を上記カンチレバーの第2の共振周波数で励磁する第2の発振器と、変位検出器から出力される変位信号及び第2の共振周波数である参照信号を入力する微小信号増幅器とを備えている。そして、駆動部は、変位検出器によって検出されたカンチレバーの先端の変位及び第1の共振周波数に基づいて、微動素子を駆動することによって探針を試料に対して接近させ又は離間させて、試料の凹凸形状を測定する。微小信号増幅器は、試料の凹凸形状、変位信号及び上記参照信号に基づいて、試料表面の磁場に応じた出力を生成するように動作する。   In order to solve the above-described problems, a magnetic force microscope according to the present invention includes a cantilever having a tip made of a magnetic material or a probe coated with a magnetic material or formed into a thin film at the tip, and the cantilever at a first resonance frequency of the cantilever. The first oscillator to be excited, the displacement detector for detecting the displacement of the tip of the cantilever, and the fine movement for fixing the sample on the upper surface and moving the probe closer to, away from, or moving the measurement position An element, a drive unit for driving the fine movement element, a second oscillator for exciting the sample at the second resonance frequency of the cantilever, a displacement signal output from the displacement detector and a reference signal which is the second resonance frequency And a small signal amplifier. Then, the driving unit drives the fine movement element based on the displacement of the tip of the cantilever detected by the displacement detector and the first resonance frequency, thereby moving the probe closer to or away from the sample. Measure the uneven shape. The minute signal amplifier operates to generate an output corresponding to the magnetic field on the sample surface based on the uneven shape of the sample, the displacement signal, and the reference signal.

また、本発明の磁気力顕微鏡は、磁性体からなる探針又は磁性体を塗布若しくは薄膜形成した探針を先端に有するカンチレバーと、カンチレバーをカンチレバーの第1の共振周波数で励振する第1の発振器と、カンチレバーの先端の変位を検出する変位検出器と、試料を上面に固定して、探針を試料に対して接近させ、離間させ、又は測定位置の移動をさせる微動素子と、微動素子を駆動する駆動部と、試料を上記カンチレバーの第2の共振周波数の1/2の周波数で励磁する第2の発振器と、変位検出器から出力される変位信号及び第2の共振周波数である参照信号を入力する微小信号増幅器とを備えている。そして、駆動部は、変位検出器によって検出されたカンチレバーの先端の変位及び第1の共振周波数に基づいて、微動素子を駆動することによって探針を試料に対して接近させ又は離間させて、試料の凹凸形状を測定する。第2の発振器は、試料を励磁して、探針の磁性体の保磁力以上の外部磁場を発生させ、微小信号増幅器は、試料の凹凸形状、変位信号及び参照信号に基づいて、試料表面の磁場に応じた出力を生成するように動作する。   The magnetic force microscope of the present invention includes a cantilever having a tip made of a magnetic material or a tip coated with a thin film or formed of a magnetic material, and a first oscillator that excites the cantilever at a first resonance frequency of the cantilever. A displacement detector that detects the displacement of the tip of the cantilever, a fine movement element that fixes the sample on the upper surface, moves the probe closer to the sample, moves it away, or moves the measurement position, and a fine movement element A driving unit for driving, a second oscillator for exciting the sample at half the second resonance frequency of the cantilever, a displacement signal output from the displacement detector, and a reference signal that is the second resonance frequency And a small signal amplifier. Then, the driving unit drives the fine movement element based on the displacement of the tip of the cantilever detected by the displacement detector and the first resonance frequency, thereby moving the probe closer to or away from the sample. Measure the uneven shape. The second oscillator excites the sample to generate an external magnetic field that is greater than the coercivity of the magnetic material of the probe, and the micro signal amplifier is based on the concavo-convex shape of the sample, the displacement signal, and the reference signal. Operates to generate output in response to a magnetic field.

本発明の高空間分解能磁場測定方法は、第1の発振器によって、磁性体からなる探針又は磁性体を塗布若しくは薄膜形成した探針を先端に有するカンチレバーをカンチレバーの第1の共振周波数で励振し、カンチレバーの先端の変位及び第1の共振周波数に基づいて、探針を試料に対して接近させ又は離間させることにより試料の凹凸形状を測定するステップと、第2の発振器によって、試料をカンチレバーの第2の共振周波数で励磁し、測定した凹凸形状、カンチレバーの先端の変位及び第2の共振周波数に基づいて、試料表面の磁場に応じた出力を生成するステップとを有する。   The high spatial resolution magnetic field measurement method of the present invention excites a cantilever having a tip made of a magnetic material or a probe coated with a magnetic material or formed into a thin film with a first oscillator at the first resonance frequency of the cantilever. Measuring the concavo-convex shape of the sample by moving the probe toward or away from the sample based on the displacement of the tip of the cantilever and the first resonance frequency, and the second oscillator Exciting at the second resonance frequency, and generating an output corresponding to the magnetic field on the sample surface based on the measured uneven shape, the displacement of the tip of the cantilever, and the second resonance frequency.

また、本発明の高空間分解能磁場測定方法は、第1の発振器によって、磁性体からなる探針又は磁性体を塗布若しくは薄膜形成した探針を先端に有するカンチレバーをカンチレバーの第1の共振周波数で励振し、カンチレバーの先端の変位及び第1の共振周波数に基づいて、探針を試料に対して接近させ又は離間させることにより試料の凹凸形状を測定するステップと、第2の発振器によって、試料をカンチレバーの第2の共振周波数の1/2の周波数で励磁し、測定した凹凸形状、カンチレバーの先端の変位及び第2の共振周波数に基づいて、試料表面の磁場に応じた出力を生成するステップとを有する。第2の発振器は、試料を励磁して、探針の磁性体の保磁力以上の外部磁場を発生させる。   In the high spatial resolution magnetic field measuring method of the present invention, a cantilever having a tip made of a magnetic material or a tip coated with a magnetic material or formed into a thin film by a first oscillator at a first resonance frequency of the cantilever. Based on the excitation, the displacement of the tip of the cantilever and the first resonance frequency, the step of measuring the concavo-convex shape of the sample by moving the probe toward or away from the sample, and the second oscillator Exciting at a frequency half the second resonance frequency of the cantilever and generating an output corresponding to the magnetic field of the sample surface based on the measured uneven shape, displacement of the tip of the cantilever and the second resonance frequency; Have The second oscillator excites the sample to generate an external magnetic field greater than the coercive force of the magnetic material of the probe.

カンチレバーの第2の共振周波数に基づいて、磁場分布データを取得するので、第1の共振周波数の位相変動の影響を受けることがなく、フェーズロックドループを組み込まなくても、分解能の高い磁場分布データを得ることができる。被測定試料を励磁するのに用いるカンチレバーの第2の共振周波数は、第1の共振周波数よりも高い周波数に設定できるので、測定のスループットを高めて、測定時間を短くすることができる。検出する磁場分布を示す信号は、FM信号ではなく、第1の共振周波数と独立した周波数である第2の共振周波数に基づいているので、高いS/N比で信号を得ることができる。   Since magnetic field distribution data is acquired based on the second resonance frequency of the cantilever, the magnetic field distribution data with high resolution can be obtained without being affected by the phase fluctuation of the first resonance frequency and without incorporating a phase-locked loop. Can be obtained. Since the second resonance frequency of the cantilever used to excite the sample to be measured can be set to a frequency higher than the first resonance frequency, the measurement throughput can be increased and the measurement time can be shortened. Since the signal indicating the magnetic field distribution to be detected is not based on the FM signal but based on the second resonance frequency that is independent of the first resonance frequency, a signal can be obtained with a high S / N ratio.

第2の発振器によって、探針の磁性体の保磁力以上の外部交流磁場を発生させて、交流磁場の2倍の周波数を、カンチレバーの二次共振周波数と等しくしたときに、測定できる磁場分布の空間分解能を高めることができる。   The second oscillator generates an external AC magnetic field that is equal to or greater than the coercive force of the magnetic material of the probe, and the magnetic field distribution that can be measured when the frequency twice the AC magnetic field is equal to the secondary resonance frequency of the cantilever. Spatial resolution can be increased.

本発明の磁気力顕微鏡の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the magnetic force microscope of this invention. 本発明の磁気力顕微鏡の励磁コイルに流す電流と変位検出回路の出力電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the electric current sent through the exciting coil of the magnetic force microscope of this invention, and the output voltage of a displacement detection circuit. 本発明の磁気力顕微鏡により測定した磁気記録ヘッドの凹凸形状を示す図(トポグラフィ像)である。It is a figure (topography image) which shows the uneven | corrugated shape of the magnetic recording head measured with the magnetic force microscope of this invention. 図3の磁気記録ヘッドの表面の磁場の大きさを測定した図である。It is the figure which measured the magnitude | size of the magnetic field of the surface of the magnetic recording head of FIG. 図3、4の磁気記録ヘッドの表面の磁場を位相情報(磁場の向き)付で測定した図である。FIG. 5 is a diagram in which the magnetic field on the surface of the magnetic recording head of FIGS. 図5の磁場のデータを3次元データ処理して得た図である。FIG. 6 is a diagram obtained by three-dimensional data processing of the magnetic field data of FIG. 5. 従来技術との比較のために、本発明の磁気力顕微鏡により測定した磁気記録ヘッド表面の磁場の大きさの測定データを示す図である。It is a figure which shows the measurement data of the magnitude | size of the magnetic field of the magnetic recording head surface measured with the magnetic force microscope of this invention for the comparison with a prior art. 図7で測定した磁気記録ヘッドと同じものを、カンチレバーの一次共振周波数の正確に6倍の周波数で励磁した場合の磁場の大きさの測定データを示す図である。It is a figure which shows the measurement data of the magnitude | size of a magnetic field at the time of exciting the same thing as the magnetic recording head measured in FIG. 7 on the frequency of exactly 6 times the primary resonant frequency of a cantilever. 本発明の磁気力顕微鏡において、励磁電流を1mArmsにして測定した磁気記録ヘッドの磁場の(a)Rcosθ成分及び(b)Rsinθ成分の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the (a) Rcos (theta) component and (b) Rsin (theta) component of the magnetic field of a magnetic recording head measured by making the exciting current 1 mA rms in the magnetic force microscope of this invention. 本発明の変形例である磁気力顕微鏡において、被測定試料を励磁する励磁電流を5mArmsにして、強磁性体探針の保磁力を超える外部磁場を印加した場合の(a)Rcosθ成分及び(b)Rsinθ成分の測定結果を示す図である。In the magnetic force microscope which is a modification of the present invention, (a) the Rcos θ component and (a) when an external magnetic field exceeding the coercive force of the ferromagnetic probe is applied with an excitation current for exciting the sample to be measured being 5 mA rms. b) It is a figure which shows the measurement result of Rsin (theta) component. 本発明の変形例である磁気力顕微鏡において、被測定試料を励磁する励磁電流を10mArmsにして、強磁性体探針の保磁力を超える外部磁場を印加した場合の(a)Rcosθ成分及び(b)Rsinθ成分の測定結果を示す図である。In the magnetic force microscope which is a modified example of the present invention, (a) the R cos θ component when the excitation current for exciting the sample to be measured is 10 mA rms and an external magnetic field exceeding the coercive force of the ferromagnetic probe is applied. b) It is a figure which shows the measurement result of Rsin (theta) component. 本発明の変形例である磁気力顕微鏡において、被測定試料を励磁する励磁電流を20mArmsにして、強磁性体探針の保磁力を超える外部磁場を印加した場合の(a)Rcosθ成分及び(b)Rsinθ成分の測定結果を示す図である。In the magnetic force microscope which is a modified example of the present invention, (a) the R cos θ component when the exciting current for exciting the sample to be measured is 20 mA rms and an external magnetic field exceeding the coercive force of the ferromagnetic probe is applied. b) It is a figure which shows the measurement result of Rsin (theta) component. 本発明の磁気力顕微鏡の他の変形例の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the other modification of the magnetic force microscope of this invention. 図13の構成の磁気力顕微鏡によって測定したトポグラフィ像及び磁場分布像である。(a)は、保磁力以下の磁場を生成するため励磁電流を1mArmsとしたときのトポグラフィ像である。(b)は、(a)の条件における磁場分布像である。(c)は、保磁力を超える磁場を生成するため励磁電流を20mArmsとしたときのトポグラフィ像である。(d)は、(c)の条件における磁場分布像である。It is the topography image and magnetic field distribution image which were measured with the magnetic force microscope of the structure of FIG. (A) is a topography image when the exciting current is 1 mA rms in order to generate a magnetic field less than the coercive force. (B) is a magnetic field distribution image under the conditions of (a). (C) is a topography image when the exciting current is 20 mA rms in order to generate a magnetic field exceeding the coercive force. (D) is a magnetic field distribution image under the conditions of (c). 分解能の比較のために、被測定試料をカンチレバーの二次共振周波数に等しい周波数の交流磁場で保磁力を超えて励磁した場合の磁気力顕微鏡の測定結果である。(a)は、磁場分布を示す。(b)は、Rcosθ像を示す。(c)は、Rsinθ像を示す。It is a measurement result of a magnetic force microscope when the sample to be measured is excited beyond the coercive force with an alternating magnetic field having a frequency equal to the secondary resonance frequency of the cantilever for comparison of resolution. (A) shows magnetic field distribution. (B) shows an R cos θ image. (C) shows an Rsin θ image. (a)は、図13(d)の破線の断面における磁場の強度分布を電圧換算値(断面プロファイル)として示す図である。(b)は、磁場分布を空間周波数の関数として示すために、(a)の断面プロファイルのデータをフーリエ変換した得た図である。(A) is a figure which shows the intensity distribution of the magnetic field in the cross section of the broken line of FIG.13 (d) as a voltage conversion value (cross-sectional profile). (B) is a diagram obtained by subjecting the cross-sectional profile data of (a) to Fourier transform in order to show the magnetic field distribution as a function of spatial frequency. 変形例と他の変形例との比較のために、図15(a)〜(c)の破線の断面におけるプロファイルのデータをフーリエ変換して得たデータをそれぞれ示す図である。FIG. 16 is a diagram illustrating data obtained by performing Fourier transform on profile data in the cross-sections of the broken lines in FIGS. 15A to 15C for comparison between the modified example and other modified examples.

[磁気力顕微鏡の構成]
図1は、本発明の磁気力顕微鏡の構成例を示すブロック図である。
[Configuration of magnetic force microscope]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a magnetic force microscope of the present invention.

先端に強磁性体を有する探針1を接続された板バネ(以下、カンチレバーともいう。)2が圧電素子3に片持ち梁状に固定されている。探針1は、シリコン素材表面にCoCrPt合金薄膜を形成したものである。ただし、磁性体は、CoCrPtに限らず、CoCr合金やCoPt合金等の他のCo系合金であってもよく、他の磁性体、たとえばフェライト、Fe、Ni、FePt、これらの合金又はパーマロイ等であってもよい。探針1の形状は、円錐又は角錐状である。カンチレバー2は、シリコン製である。ただし、シリコン製に限らず、シリコンナイトライド等他の材質であってもよい。なお、一般には探針1及びカンチレバー2は、一体成型により形成される。ただし、測定の分解能を高めるために、シリコン製カンチレバーにカーボンナノチューブからなる探針1を付加したものでもよく、また一体成型された探針1の先端に針状磁性体を結晶成長させたものであってもよい。   A leaf spring (hereinafter also referred to as a cantilever) 2 to which a probe 1 having a ferromagnetic material at the tip is connected is fixed to the piezoelectric element 3 in a cantilever shape. The probe 1 is obtained by forming a CoCrPt alloy thin film on the surface of a silicon material. However, the magnetic material is not limited to CoCrPt, but may be other Co-based alloys such as CoCr alloy and CoPt alloy, and other magnetic materials such as ferrite, Fe, Ni, FePt, these alloys or permalloy, etc. There may be. The shape of the probe 1 is a cone or a pyramid. The cantilever 2 is made of silicon. However, the material is not limited to silicon but may be other materials such as silicon nitride. In general, the probe 1 and the cantilever 2 are formed by integral molding. However, in order to increase the resolution of the measurement, a silicon cantilever with a probe 1 made of carbon nanotubes may be added, or a needle-like magnetic material is grown on the tip of the integrally formed probe 1. There may be.

第1の発振器4は、カンチレバー2の固定端側で圧電素子3に接続されている。第1の発振器4は、所定の周波数で圧電素子3を駆動して振動させて、カンチレバー2を一次共振周波数で振動させる。第1の発振器4は、関数発生器により構成され正弦波を発生するが、他の正弦波発生回路により構成されてもよい。   The first oscillator 4 is connected to the piezoelectric element 3 on the fixed end side of the cantilever 2. The first oscillator 4 drives and vibrates the piezoelectric element 3 at a predetermined frequency, and vibrates the cantilever 2 at the primary resonance frequency. The first oscillator 4 is constituted by a function generator and generates a sine wave, but may be constituted by another sine wave generation circuit.

半導体レーザ5と4分割された光検出素子6と変位検出回路7とからなる光てこは、カンチレバー2の振動状態を検出するために、カンチレバー2で反射されたレーザ光を光検出素子6で検出して光電変換する。そして、検出したレーザ光の振幅及び位相の変化を変位検出回路7で検出する。なお、カンチレバー2の変位検出を行うのに、光てこに限らず、他の干渉光を利用する方式、たとえば光ファイバ干渉計又はプリズムを用いたフォーカス誤差検出による方式等を用いることができ、さらに干渉光以外の方式、たとえば磁気抵抗素子を用いた方式又は圧電素子を用いた方式等を用いることもできる。   An optical lever composed of a semiconductor laser 5, a light detection element 6 divided into four parts, and a displacement detection circuit 7 detects the laser light reflected by the cantilever 2 by the light detection element 6 in order to detect the vibration state of the cantilever 2. And photoelectric conversion. Then, the displacement detection circuit 7 detects changes in the amplitude and phase of the detected laser beam. The displacement detection of the cantilever 2 is not limited to the optical lever, and other methods using interference light, for example, a method using a focus error detection using an optical fiber interferometer or a prism, etc. can be used. A system other than the interference light, for example, a system using a magnetoresistive element or a system using a piezoelectric element can also be used.

変位検出回路7の出力は、直列接続されたバンドパスフィルタ9、RMS−DC変換器10に接続され、誤差増幅器11の反転入力を介してz軸駆動部12に接続される。誤差増幅器11の非反転入力には、基準参照電圧11aが接続されている。そして、誤差増幅器11の出力は、z軸駆動部12に接続され、z軸駆動部12の出力は、微動素子16に接続されて微動素子16のzスキャナ部を駆動する。zスキャナ部は、z軸駆動部12により、被測定試料である磁気記録ヘッド8の測定面に対して上下方向に駆動される。   The output of the displacement detection circuit 7 is connected to the band-pass filter 9 and the RMS-DC converter 10 connected in series, and is connected to the z-axis drive unit 12 via the inverting input of the error amplifier 11. A standard reference voltage 11 a is connected to the non-inverting input of the error amplifier 11. The output of the error amplifier 11 is connected to the z-axis drive unit 12, and the output of the z-axis drive unit 12 is connected to the fine movement element 16 to drive the z scanner unit of the fine movement element 16. The z scanner unit is driven in the vertical direction by the z-axis drive unit 12 with respect to the measurement surface of the magnetic recording head 8 that is the sample to be measured.

信号処理制御部17は、xy走査駆動部18及び粗動機構駆動部19を介して、それぞれ微動素子16のxyスキャナ部及び粗動機構20に接続される。z軸駆動部12及びxy走査駆動部18の出力は、さらに信号処理制御部17に接続され、信号処理制御部17は、被測定試料の凹凸形状データとして信号処理を行い、画像データとしてモニタ22に出力する。   The signal processing control unit 17 is connected to the xy scanner unit and the coarse movement mechanism 20 of the fine movement element 16 via the xy scanning drive unit 18 and the coarse movement mechanism drive unit 19, respectively. The outputs of the z-axis driving unit 12 and the xy scanning driving unit 18 are further connected to a signal processing control unit 17, which performs signal processing as the uneven shape data of the sample to be measured, and monitors 22 as image data. Output to.

被測定試料である磁気記録ヘッド8は、xyz軸の各方向にnmオーダで被測定試料の位置決めをする微動素子16の上面に固定される。微動素子16は、広範囲にxyz軸の各方向に被測定試料の位置決め及び走査をする粗動機構20の上面に固定される。微動素子16及び粗動機構20は、z軸駆動部12、xy走査駆動部18、粗動機構駆動部19を介して、探針1の先端と被測定試料の表面との距離及び位置を制御する。なお、微動素子16は、たとえば圧電素子により形成されており、z軸駆動部12等によって印加される電圧により、変位する方向及び変位量を制御される。一方、粗動機構は、機械的な駆動手段、たとえばモータ制御により、測定台の位置制御を行う。   A magnetic recording head 8 that is a sample to be measured is fixed to the upper surface of a fine movement element 16 that positions the sample to be measured in the order of nm in each direction of the xyz axis. The fine movement element 16 is fixed to the upper surface of the coarse movement mechanism 20 that positions and scans the sample to be measured in each direction of the xyz axis over a wide range. The fine movement element 16 and the coarse movement mechanism 20 control the distance and position between the tip of the probe 1 and the surface of the sample to be measured via the z-axis drive unit 12, the xy scanning drive unit 18, and the coarse movement mechanism drive unit 19. To do. Fine movement element 16 is formed of, for example, a piezoelectric element, and its displacement direction and displacement amount are controlled by a voltage applied by z-axis drive unit 12 or the like. On the other hand, the coarse movement mechanism controls the position of the measurement table by mechanical drive means, for example, motor control.

第2の発振器13の出力は、被測定試料である磁気記録ヘッド8の磁心に巻回された励磁コイル14に接続される。励磁コイル14の他方の端子は、電流制限抵抗15を介して接地される。また、第2の発振器13の出力は、ロックインアンプ21の参照入力に接続される。光てこの変位検出回路7の出力は、ロックインアンプ21に接続される。ロックインアンプ21は、第2の発振器13の出力である参照入力信号に基づいて、変位検出回路7の出力信号をロックイン検波して、磁場の大きさ及び磁場の位相データを出力する。ロックインアンプ21の出力は、信号処理制御部17に接続され、信号処理制御部17が、入力された磁場の大きさ及び磁場の位相データに基づいて、所定の処理を行い、画像データとしてモニタ22に出力する。   The output of the second oscillator 13 is connected to the excitation coil 14 wound around the magnetic core of the magnetic recording head 8 that is the sample to be measured. The other terminal of the exciting coil 14 is grounded via the current limiting resistor 15. The output of the second oscillator 13 is connected to the reference input of the lock-in amplifier 21. The output of the optical lever displacement detection circuit 7 is connected to the lock-in amplifier 21. The lock-in amplifier 21 locks-in the output signal of the displacement detection circuit 7 based on the reference input signal that is the output of the second oscillator 13, and outputs the magnitude of the magnetic field and the phase data of the magnetic field. The output of the lock-in amplifier 21 is connected to the signal processing control unit 17, and the signal processing control unit 17 performs predetermined processing based on the input magnetic field magnitude and magnetic field phase data and monitors it as image data. 22 to output.

なお、信号処理制御部17において信号処理された凹凸形状データや磁場分布データは、モニタ22に出力されるばかりでなく、プリンタ等の他の出力装置により出力されることができるのはいうまでもない。   Needless to say, the concavo-convex shape data and magnetic field distribution data subjected to signal processing in the signal processing control unit 17 can be output not only to the monitor 22 but also to other output devices such as a printer. Absent.

[本発明の磁気力顕微鏡の動作原理]
カンチレバー2は、一端が自由端である片持ち梁であり、複数の共振モードを有する。一次共振周波数f1と二次共振周波数f2との関係を求めるために、カンチレバー2のたわみ方向の振動振幅ηについて力学的な運動方程式を考える。
[Operation Principle of Magnetic Force Microscope of the Present Invention]
The cantilever 2 is a cantilever whose one end is a free end and has a plurality of resonance modes. In order to obtain the relationship between the primary resonance frequency f1 and the secondary resonance frequency f2, a dynamic equation of motion is considered for the vibration amplitude η in the deflection direction of the cantilever 2.

ここで、カンチレバー2の断面積A、曲げモーメントI、密度ρ、縦弾性係数Eである。   Here, the cross-sectional area A, bending moment I, density ρ, and longitudinal elastic modulus E of the cantilever 2 are shown.

振動振幅η(x,t)=Y(x)cos(ω・t+α)とおいて、変数分離を行うと、Y(x)について式(1)を書き換えることができ、以下のとおりとなる。   When variable separation is performed with the vibration amplitude η (x, t) = Y (x) cos (ω · t + α), the equation (1) can be rewritten for Y (x) as follows.

これより、Y(x)の一般解は、以下の式(3)のとおりとなる。   Thus, the general solution of Y (x) is as shown in the following formula (3).

ここで、固定端、自由端の条件を考慮すると、カンチレバーの境界条件は、以下の式(4)、(5)のようになる。   Here, considering the conditions of the fixed end and the free end, the boundary condition of the cantilever is expressed by the following equations (4) and (5).

これらの境界条件を式(2)に代入して計算することにより、以下の式(6)を得る。   By substituting these boundary conditions into equation (2) and calculating, the following equation (6) is obtained.

ここで、振動系の拘束条件を表わす振動方程式は、以下の式(7)のとおりである。   Here, the vibration equation representing the constraint condition of the vibration system is as the following expression (7).

式(7)より、mを求めると、m1=1.875104、m2=4.694091となり、それぞれ一次共振周波数f1、二次共振周波数f2に対応する。   When m is obtained from Expression (7), m1 = 1.875104 and m2 = 4.694091, which correspond to the primary resonance frequency f1 and the secondary resonance frequency f2, respectively.

また、式(2)より、角周波数ω については、mとの関係を以下のように表すことができる。   Further, from the expression (2), the relationship between the angular frequency ω 1 and m can be expressed as follows.

これより、ω 、すなわち共振周波数fは、mの2乗に比例することがわかる。したがって、一次共振周波数f1と二次共振周波数f2の比は、f2/f1=(m2/m1)=6.266893となる。なお、同様の計算により、さらに高次のm及びωを求めると、一次共振周波数と三次共振周波数との比は、約17.5倍であり、一次共振周波数と四次共振周波数との比は、約33.4倍である。 From this, it can be seen that ω 1, that is, the resonance frequency f is proportional to the square of m. Therefore, the ratio between the primary resonance frequency f1 and the secondary resonance frequency f2 is f2 / f1 = (m2 / m1) 2 = 6.266693. When the higher order m and ω are obtained by the same calculation, the ratio between the primary resonance frequency and the tertiary resonance frequency is about 17.5 times, and the ratio between the primary resonance frequency and the fourth resonance frequency is , About 33.4 times.

カンチレバー2は、その形状や材質に応じて、複数の固有の共振周波数をもっており、これらの共振モードは、同一のカンチレバー2において互いに干渉することなく同時に存在する。したがって、所定のフィルタ等を付加することにより、これらの周波数の信号をそれぞれ独立に取り出すことができる。このことから、本発明の磁気力顕微鏡では、たとえば励磁周波数を二次共振周波数f2にして、二次共振周波数f2の信号を取り出すフィルタ等の構成を従来技術の磁気力顕微鏡に追加するだけで、直接的に励磁信号による磁場データを出力することが可能となる。この場合において、特定の周波数に基づく周波数変復調機能を測定系に付加する必要はもちろんない。   The cantilever 2 has a plurality of unique resonance frequencies depending on its shape and material, and these resonance modes exist simultaneously in the same cantilever 2 without interfering with each other. Therefore, by adding a predetermined filter or the like, signals of these frequencies can be taken out independently. From this, in the magnetic force microscope of the present invention, for example, the excitation frequency is set to the secondary resonance frequency f2, and a configuration such as a filter for extracting the signal of the secondary resonance frequency f2 is added to the conventional magnetic force microscope. It becomes possible to directly output magnetic field data based on excitation signals. In this case, of course, it is not necessary to add a frequency modulation / demodulation function based on a specific frequency to the measurement system.

[磁気力顕微鏡の動作]
再度、図1を参照して、本発明の磁気力顕微鏡の動作について詳細に説明する。
[Operation of magnetic force microscope]
Again, with reference to FIG. 1, operation | movement of the magnetic force microscope of this invention is demonstrated in detail.

まず、本発明の磁気力顕微鏡の被測定試料表面の凹凸状態測定については、以下のように行う。   First, the uneven state measurement on the surface of the sample to be measured of the magnetic force microscope of the present invention is performed as follows.

先端に強磁性体の探針1を接続されたカンチレバー2は、圧電素子3に片持ち梁状に固定されている。上述したように探針1は、シリコン素材表面にCoCrPt合金薄膜を形成したものであり、カンチレバー2は、シリコン製である。そして、カンチレバー2と探針1とは一体成型されたものである。圧電素子3を第1の発振器4によって振動させ、カンチレバー2を一次共振周波数f1で振動させる。ここで、カンチレバー2の一次共振周波数f1は、58.306kHzである。上述したように、二次共振周波数f2は、6.266893×f1であるから、理論的には、365.397kHzとなるが、実測では、371.548kHzであった。f2/f1=6.37となって、理論値から少しずれているのは、一次共振周波数と二次共振周波数とで、粘性係数が異なることによる。第1の発振器4は、関数発生器(ファンクションジェネレータ)により構成される。なお、カンチレバーの一次共振周波数f1は、カンチレバーの形状、材質等から任意に設定することができることはいうまでもない。   A cantilever 2 having a ferromagnetic probe 1 connected to the tip is fixed to a piezoelectric element 3 in a cantilever shape. As described above, the probe 1 is obtained by forming a CoCrPt alloy thin film on the surface of a silicon material, and the cantilever 2 is made of silicon. The cantilever 2 and the probe 1 are integrally molded. The piezoelectric element 3 is vibrated by the first oscillator 4, and the cantilever 2 is vibrated at the primary resonance frequency f1. Here, the primary resonance frequency f1 of the cantilever 2 is 58.306 kHz. As described above, since the secondary resonance frequency f2 is 6.266893 × f1, it is theoretically 365.397 kHz, but is 371.548 kHz in actual measurement. The reason why f2 / f1 = 6.37 is slightly different from the theoretical value is that the viscosity coefficient is different between the primary resonance frequency and the secondary resonance frequency. The first oscillator 4 is composed of a function generator. It goes without saying that the primary resonance frequency f1 of the cantilever can be arbitrarily set from the shape, material, etc. of the cantilever.

半導体レーザ5と4分割された光検出素子6と変位検出回路7とからなる光てこは、カンチレバー2の振動状態を検出する。変位検出回路7によって検出された信号は、バンドパスフィルタ9、RMS−DC変換器10を介して、誤差増幅器11によってz軸駆動部12に入力される。バンドパスフィルタ9及びRMS−DC変換器10は、光てこの変位検出回路7から出力される信号には、一次共振周波数f1以外の周波数成分も含まれることから、これらの周波数成分を除去するために用いられる。誤差増幅器11に入力された信号は、基準参照電圧11aと比較されて、誤差増幅器11によって負帰還増幅された信号としてz軸駆動部12に入力される。誤差増幅器11からの負帰還信号により、z軸駆動部12は、カンチレバー2の先端の振幅が小さくなったことを検出したときには、微動素子16のzスキャン部を駆動して、磁気記録ヘッド8を探針1から遠ざけるようにする。逆に、カンチレバー2の先端の振幅が大きくなったことを検出したときには、微動素子16のzスキャン部を駆動して磁気記録ヘッド8を探針1に近づけるようにする。微動素子16のxyスキャン部は、信号処理制御部17によって、xy走査駆動部18を駆動して、磁気記録ヘッド8の測定面を二次元面内で移動させる。このようにして、凹凸を有する被測定試料である磁気記録ヘッド8の表面形状から所定の距離を保ちながら、所定の箇所を走査して、磁気記録ヘッド8の表面の凹凸形状を測定する。測定された凹凸形状は、z軸駆動部12及びxy走査駆動部の駆動信号を信号処理制御部17に入力して信号処理することにより、凹凸形状を可視化情報(以下、トポグラフィ像ともいう。)としてモニタ22に出力する。   An optical lever comprising a semiconductor laser 5, a light detection element 6 divided into four parts, and a displacement detection circuit 7 detects the vibration state of the cantilever 2. The signal detected by the displacement detection circuit 7 is input to the z-axis drive unit 12 by the error amplifier 11 via the bandpass filter 9 and the RMS-DC converter 10. Since the bandpass filter 9 and the RMS-DC converter 10 include a frequency component other than the primary resonance frequency f1 in the signal output from the optical lever displacement detection circuit 7, in order to remove these frequency components. Used for. The signal input to the error amplifier 11 is compared with the reference reference voltage 11a and input to the z-axis drive unit 12 as a signal negatively amplified by the error amplifier 11. When the z-axis drive unit 12 detects that the amplitude of the tip of the cantilever 2 is reduced by the negative feedback signal from the error amplifier 11, the z-scan unit of the fine movement element 16 is driven to move the magnetic recording head 8. Keep away from the probe 1. Conversely, when it is detected that the amplitude of the tip of the cantilever 2 has increased, the z scan portion of the fine movement element 16 is driven to bring the magnetic recording head 8 closer to the probe 1. The xy scanning unit of the fine movement element 16 drives the xy scanning driving unit 18 by the signal processing control unit 17 to move the measurement surface of the magnetic recording head 8 in a two-dimensional plane. In this way, a predetermined portion is scanned while keeping a predetermined distance from the surface shape of the magnetic recording head 8 which is a sample to be measured having unevenness, and the uneven shape on the surface of the magnetic recording head 8 is measured. The measured concavo-convex shape is obtained by inputting the drive signals of the z-axis drive unit 12 and the xy scanning drive unit to the signal processing control unit 17 and performing signal processing, thereby visualizing the concavo-convex shape (hereinafter also referred to as a topographic image). To the monitor 22.

なお、上述では、カンチレバー2の先端の振動振幅を一定にする制御について説明したが、振動の位相や周波数の変位を検出し、これらを一定にするような制御によっても被測定試料の凹凸形状を測定することができるのは言うまでもない。   In the above description, the control for making the vibration amplitude at the tip of the cantilever 2 constant has been described. However, the uneven shape of the sample to be measured can also be controlled by detecting the displacement of the vibration phase and frequency and making these constant. Needless to say, it can be measured.

次に、本発明の磁気力顕微鏡は、上記で測定した被測定試料である磁気記録ヘッド8の表面形状に沿うように探針1を走査して、探針1と磁気記録ヘッド8との距離を一定に保ちながら磁場の大きさ及び位相を測定する。   Next, the magnetic force microscope of the present invention scans the probe 1 along the surface shape of the magnetic recording head 8 which is the sample to be measured, and the distance between the probe 1 and the magnetic recording head 8 is measured. The magnitude and phase of the magnetic field are measured while keeping the constant.

第2の発振器13は、カンチレバー2の二次共振周波数f2で発振して、励磁コイル14に交流電流を流すことにより、被測定試料である磁気記録ヘッド8を二次共振周波数f2で励磁する。光てこの変位検出回路7によって検出された信号は、ロックインアンプ21に入力される。ロックインアンプ21は、第2の発振器13の出力信号を参照信号として、変位検出回路7の出力信号をロックイン検波する。ロックイン検波された信号は、信号処理制御部17に入力される。信号処理制御部17は、ロックイン検波された信号を画像処理して、磁気記録ヘッド8表面の磁場分布及び位相データをモニタ22に出力し可視化する。このように、ロックイン検波においては、参照信号の周波数を二次共振周波数f2としているので、一次共振周波数f1の信号の位相が変動したとしても、ロックインアンプ21から出力される信号の位相に影響を与えることはない。   The second oscillator 13 oscillates at the secondary resonance frequency f2 of the cantilever 2 and causes an alternating current to flow through the excitation coil 14, thereby exciting the magnetic recording head 8 that is the sample to be measured at the secondary resonance frequency f2. A signal detected by the optical lever displacement detection circuit 7 is input to the lock-in amplifier 21. The lock-in amplifier 21 locks-in the output signal of the displacement detection circuit 7 using the output signal of the second oscillator 13 as a reference signal. The lock-in detected signal is input to the signal processing control unit 17. The signal processing control unit 17 performs image processing on the lock-in detected signal, and outputs the magnetic field distribution and phase data on the surface of the magnetic recording head 8 to the monitor 22 for visualization. Thus, in the lock-in detection, the frequency of the reference signal is set to the secondary resonance frequency f2, so that even if the phase of the signal of the primary resonance frequency f1 fluctuates, the phase of the signal output from the lock-in amplifier 21 is changed. There is no impact.

なお、上述では、被測定試料である磁気記録ヘッド8の磁心に巻回された励磁コイル14に励磁電流を流すことで、磁気記録ヘッド8を励磁して、表面の磁場分布及び位相を測定した。しかしながら、たとえばハードディスクの磁気記録媒体表面の磁場分布及び位相の測定をする場合には、磁気記録媒体に励磁コイルが付属しているわけではない。そのため、被測定試料への外部磁場を印加するための構成を測定系に導入する必要がある。そこで、被測定試料である磁気記録媒体とは別に、外部磁場発生用の小型のコイルを用意する。たとえば、所定の基板上にCu箔を貼ったものを周知のエッチング技術を用いて、所定の直径及び形状のループ電流経路をパターン形成したループコイルを作成する。図1の励磁コイル14に代えて、このループコイルに第2の発振器13、電流制限抵抗15を接続する。そして、被測定試料となる磁気記録媒体を覆うようにこのループコイルを近接させて配置して、ループコイルから発生する磁束が磁気記録媒体を通過するようにする。このようにすることで、ループコイルを流れる励磁電流によって磁気記録媒体に外部磁場を印加することができ、上述と同様の方法で磁気記録媒体の表面磁場分布測定を行うことができる。   In the above description, the magnetic recording head 8 is excited by passing an exciting current through the exciting coil 14 wound around the magnetic core of the magnetic recording head 8 which is a sample to be measured, and the magnetic field distribution and phase on the surface are measured. . However, for example, when measuring the magnetic field distribution and phase on the surface of the magnetic recording medium of a hard disk, the magnetic recording medium is not accompanied by an exciting coil. Therefore, it is necessary to introduce a configuration for applying an external magnetic field to the sample to be measured into the measurement system. Therefore, a small coil for generating an external magnetic field is prepared separately from the magnetic recording medium that is the sample to be measured. For example, a loop coil in which a loop current path having a predetermined diameter and shape is patterned by using a well-known etching technique, which is obtained by pasting a Cu foil on a predetermined substrate. Instead of the exciting coil 14 of FIG. 1, a second oscillator 13 and a current limiting resistor 15 are connected to this loop coil. Then, this loop coil is arranged close to cover the magnetic recording medium to be measured, and the magnetic flux generated from the loop coil passes through the magnetic recording medium. By doing so, an external magnetic field can be applied to the magnetic recording medium by the excitation current flowing through the loop coil, and the surface magnetic field distribution of the magnetic recording medium can be measured by the same method as described above.

[磁気力顕微鏡の測定結果]
被測定試料として、磁気記録ヘッド8の主磁極部分を用いた。探針1の磁性材料の保磁力以下の外部磁場となるように、励磁コイル14に流す電流を調整して測定を行った。探針1の保磁力以下になるように励磁電流を調整したのは、図2に示すように、入力である励磁コイル14に流れる励磁電流と、出力である光てこの変位検出回路7の出力電圧とが入出力線形性を維持できるからである。励磁コイル14に流す電流が5mArms以下の場合に、探針1の磁性体が磁気飽和せず、入出力線形性が維持できることを確認した。
[Measurement result of magnetic force microscope]
The main magnetic pole portion of the magnetic recording head 8 was used as a sample to be measured. Measurement was performed by adjusting the current flowing through the exciting coil 14 so that the external magnetic field was less than the coercive force of the magnetic material of the probe 1. As shown in FIG. 2, the excitation current is adjusted so that the coercive force of the probe 1 is less than the coercive force. The excitation current flowing through the excitation coil 14 as an input and the output of the displacement detection circuit 7 as an output as an output This is because the voltage can maintain input / output linearity. It was confirmed that when the current flowing through the exciting coil 14 was 5 mA rms or less, the magnetic material of the probe 1 was not magnetically saturated and the input / output linearity could be maintained.

測定の際には、磁気記録ヘッド8の主磁極部分において、カンチレバー2の振動振幅を一定に保ちながら被測定試料表面を走査し、1ラインを1Hzの速さでトポグラフィ像の測定を行った。そして、トポグラフィ像測定と同一の走査ライン上を走査し、磁場分布の測定を行った。磁場分布を測定する際には、一次共振周波数f1の振動振幅を20%以下に減衰させ、磁気記録ヘッド8表面の凹凸部をトレースする高さを、基準面の高さから−24nmまで試料表面に接近させて測定を行った。   At the time of measurement, the surface of the sample to be measured was scanned at the main magnetic pole portion of the magnetic recording head 8 while keeping the vibration amplitude of the cantilever 2 constant, and a topography image was measured for one line at a speed of 1 Hz. Then, the same scanning line as the topographic image measurement was scanned to measure the magnetic field distribution. When measuring the magnetic field distribution, the vibration amplitude of the primary resonance frequency f1 is attenuated to 20% or less, and the height at which the concave and convex portions on the surface of the magnetic recording head 8 are traced is measured from the reference surface height to −24 nm. The measurement was performed close to

第2の発振器13がカンチレバー2の二次共振周波数f2(371.548kHz)で発振すると、二次共振周波数f2の交流電流が励磁コイル14に流れる。そうすると、磁気記録ヘッド8の主磁極から励磁電流に応じた交流磁場が発生し、探針1の磁性体との相互作用による磁気力が探針1に加わり、カンチレバー2は、二次共振周波数f2で振動する。変位検出回路7の出力をロックインアンプ21に入力し、ロックインアンプ21の参照入力を第2の発振器13に接続する。そうすると、ロックインアンプ21は、二次共振周波数f2=371.548kHzを参照周波数として、変位検出回路7の出力信号をロックイン検波して、位相情報付きの磁場信号であるRcosθ成分及びRsinθ成分を出力する。ロックインアンプ21の測定レンジを検出信号の最大値に合わせることでS/N比を向上させるために、タイムコンスタントを1msとしている。   When the second oscillator 13 oscillates at the secondary resonance frequency f2 (371.548 kHz) of the cantilever 2, an alternating current having the secondary resonance frequency f2 flows through the exciting coil 14. Then, an alternating magnetic field corresponding to the excitation current is generated from the main magnetic pole of the magnetic recording head 8, a magnetic force due to the interaction with the magnetic material of the probe 1 is applied to the probe 1, and the cantilever 2 has a secondary resonance frequency f2. Vibrate. The output of the displacement detection circuit 7 is input to the lock-in amplifier 21, and the reference input of the lock-in amplifier 21 is connected to the second oscillator 13. Then, the lock-in amplifier 21 locks-in the output signal of the displacement detection circuit 7 using the secondary resonance frequency f2 = 371.548 kHz as a reference frequency, and detects the Rcosθ component and the Rsinθ component that are magnetic field signals with phase information. Output. In order to improve the S / N ratio by adjusting the measurement range of the lock-in amplifier 21 to the maximum value of the detection signal, the time constant is set to 1 ms.

上述の設定にすることで、256ピクセル×256ピクセルの画像サイズのトポグラフィ像及び位相情報付きの磁場分布の測定を約9分で完了することができた。なお、比較のために、非特許文献1−5の従来技術の磁気力顕微鏡を用いた場合には、測定時間は約40分であった。   With the above settings, the measurement of the topographic image with an image size of 256 pixels × 256 pixels and the magnetic field distribution with phase information could be completed in about 9 minutes. For comparison, when the conventional magnetic force microscope of Non-Patent Document 1-5 was used, the measurement time was about 40 minutes.

図3−図6は、磁気記録ヘッド8の励磁周波数として、二次共振周波数f2=371.548kHz、励磁電流として、5mArmsを、励磁コイル14に流して測定を行った結果である。 FIG. 3 to FIG. 6 show the results of measurement by flowing the secondary resonance frequency f2 = 371.548 kHz as the excitation frequency of the magnetic recording head 8 and 5 mA rms as the excitation current through the excitation coil 14.

図3は、上述した構成の磁気力顕微鏡で測定したトポグラフィ像である。主磁極30は、書込シールド部31に三方を囲まれている。書込シールド部31の右側はサイドシールド部32である。   FIG. 3 is a topography image measured with the magnetic force microscope having the above-described configuration. The main magnetic pole 30 is surrounded on three sides by the write shield part 31. The right side of the write shield part 31 is a side shield part 32.

図4は、図3のトポグラフィ像に対応する磁場分布のうち、磁場の大きさの分布のみを示す図である。主磁極付近の磁場が強く、書込シールド部31において磁場が弱くなっていることが分かる。   FIG. 4 is a diagram showing only the magnetic field magnitude distribution among the magnetic field distributions corresponding to the topographic image of FIG. It can be seen that the magnetic field in the vicinity of the main magnetic pole is strong and the magnetic field is weak in the write shield part 31.

図5は、図3のトポグラフィ像に対応する位相情報を含めた磁気力を示す図であり、サイドシールド部32の部分で磁場の向きが主磁極とは反対になっていることを示している。   FIG. 5 is a diagram showing a magnetic force including phase information corresponding to the topographic image of FIG. 3, and shows that the direction of the magnetic field is opposite to that of the main magnetic pole in the side shield part 32. .

図6は、図5を3次元画像処理した図であり、磁場の大きさに加え、磁場の向きが各部分に対してどの方向であるかを視覚的により明確に示している。   FIG. 6 is a diagram obtained by performing the three-dimensional image processing on FIG. 5 and visually shows clearly which direction the direction of the magnetic field is relative to each part in addition to the magnitude of the magnetic field.

上述したように、本発明の磁気力顕微鏡では、被測定試料の表面の凹凸形状とともに、交流磁場像を観察することが容易である。カンチレバー2を数100kHz以上の二次共振周波数で直接的に励振するために、100Hzから1kHz程度で測定をする従来の磁気力顕微鏡よりも短時間で測定を行うことができる。また、上述において詳細に説明したように、磁場分布の測定に周波数変調を用いていないので、測定系にフェーズロックドループを挿入することが不要であり、かつフェーズロックドループがなくても高いS/N比で磁場分布データを取得することが可能である。   As described above, in the magnetic force microscope of the present invention, it is easy to observe an alternating magnetic field image together with the uneven shape on the surface of the sample to be measured. In order to directly excite the cantilever 2 at a secondary resonance frequency of several hundred kHz or more, measurement can be performed in a shorter time than a conventional magnetic force microscope that measures from about 100 Hz to about 1 kHz. Further, as described in detail above, since frequency modulation is not used for measurement of the magnetic field distribution, it is not necessary to insert a phase-locked loop in the measurement system, and even if there is no phase-locked loop, a high S / It is possible to acquire magnetic field distribution data with an N ratio.

図7〜図8は、本発明の磁気力顕微鏡と、特許文献1に記載されている、カンチレバーの共振周波数と等しくなく、かつカンチレバーの共振周波数の整数倍の周波数で試料を励磁する磁気力顕微鏡との測定結果の比較を示したものである。   7 to 8 show a magnetic force microscope of the present invention and a magnetic force microscope described in Patent Document 1 that excites a sample at a frequency that is not equal to the resonance frequency of the cantilever and is an integral multiple of the resonance frequency of the cantilever. The comparison of the measurement result with is shown.

図7は、本発明の磁気力顕微鏡による位相情報付きの磁場分布の測定結果である。一次共振周波数f1と二次共振周波数f2との比は、上述のとおり約6.3倍である。なお、この測定においては、カンチレバーの一次共振周波数f1は、67.904kHzであり、二次共振周波数f2は、428.366kHzである。一方、図8は、特許文献1に記載の磁気力顕微鏡を用いた測定結果を取得するために、図7の被測定試料と同一の被測定試料を同一のカンチレバー(f1=67.904kHz)を用いて、一次共振周波数の正確に6倍の周波数である407.424kHzの電流で励磁コイルを励磁した場合の測定結果である。励磁周波数を一次共振周波数の6倍としたのは、本発明の磁気力顕微鏡における周波数の比率6.3倍ともっとも近い整数だからである。   FIG. 7 is a measurement result of a magnetic field distribution with phase information by the magnetic force microscope of the present invention. The ratio between the primary resonance frequency f1 and the secondary resonance frequency f2 is about 6.3 times as described above. In this measurement, the primary resonance frequency f1 of the cantilever is 67.904 kHz, and the secondary resonance frequency f2 is 428.366 kHz. On the other hand, in FIG. 8, in order to obtain the measurement result using the magnetic force microscope described in Patent Document 1, the same sample cantilever (f1 = 67.904 kHz) is used as the sample to be measured in FIG. It is a measurement result when the exciting coil is excited with a current of 407.424 kHz, which is exactly six times the primary resonance frequency. The reason why the excitation frequency is set to 6 times the primary resonance frequency is that the frequency ratio in the magnetic force microscope of the present invention is an integer closest to 6.3 times.

図7〜図8から明らかなように、取得した画像データの鮮明さに大きな差がある。検出できた信号としては、本発明の磁気力顕微鏡の場合においては、10mVであるのに対して、特許文献1に記載された従来技術の磁気力顕微鏡では、300μVであった。したがって、本発明の磁気力顕微鏡の方が、特許文献1に記載された従来技術の磁気力顕微鏡よりも33.3倍大きな信号を取得できていることになる。以上より、被測定試料を、カンチレバーの一次共振周波数の整数倍の周波数の単なる高調波で駆動するのではなく、カンチレバー固有の高次の共振周波数を用いることで、測定系のQを高くすることができ、高いゲインを得ることで、高いS/N比を実現することができる。   As is apparent from FIGS. 7 to 8, there is a great difference in the sharpness of the acquired image data. The signal that could be detected was 10 mV in the case of the magnetic force microscope of the present invention, whereas it was 300 μV in the conventional magnetic force microscope described in Patent Document 1. Therefore, the magnetic force microscope of the present invention can obtain a signal that is 33.3 times larger than that of the conventional magnetic force microscope described in Patent Document 1. From the above, the Q of the measurement system is increased by using the high-order resonance frequency unique to the cantilever rather than driving the sample to be measured by a simple harmonic of a frequency that is an integral multiple of the primary resonance frequency of the cantilever. A high S / N ratio can be realized by obtaining a high gain.

なお、上述では、磁気力測定に用いる共振周波数は、二次共振周波数としたが、二次共振周波数に限らず三次あるいはより高次の共振周波数を被測定試料の励磁周波数に用いてもよい。ただし、周波数の比は、三次共振周波数の場合は、約17.5倍であり、四次の場合は、34.4倍であり、1MHz以上の周波数となるので、測定感度や測定系の応答速度に留意する必要がある。   In the above description, the resonance frequency used for the magnetic force measurement is the secondary resonance frequency. However, the resonance frequency is not limited to the secondary resonance frequency, and a tertiary or higher order resonance frequency may be used as the excitation frequency of the sample to be measured. However, the frequency ratio is about 17.5 times in the case of the third-order resonance frequency, and 34.4 times in the case of the fourth-order, which is a frequency of 1 MHz or more. It is necessary to pay attention to speed.

[変形例1]
本発明の磁気力顕微鏡では、被測定試料から発生する交流磁場を、探針1の強磁性体との相互作用により、カンチレバー2の振動として検出している。上述の実施の形態においては、探針1の強磁性体の保磁力を超えない大きさの外部磁場を印加した。このような探針1の磁性体の保磁力以下の外部磁場においては、磁場分布は、Rcosθ成分のみの信号が検出され、Rsinθはほぼゼロになる。ここで、探針1の磁性体の保磁力を超えるような外部磁場を用いると、磁性体の磁化曲線がヒステリシスを有するようになり、結果としてRcosθだけでなく、Rsinθ成分を検出することができるようになる。Rsinθ成分を測定することにより、Rcosθ成分だけでは検出できなかった、どの部分の磁場がより強くなっているかという点が明確に測定できるようになる。
[Modification 1]
In the magnetic force microscope of the present invention, the alternating magnetic field generated from the sample to be measured is detected as the vibration of the cantilever 2 by the interaction with the ferromagnetic material of the probe 1. In the above-described embodiment, an external magnetic field having a magnitude that does not exceed the coercive force of the ferromagnetic material of the probe 1 is applied. In an external magnetic field less than the coercive force of the magnetic material of the probe 1, a signal having only the R cos θ component is detected in the magnetic field distribution, and R sin θ is almost zero. Here, when an external magnetic field exceeding the coercive force of the magnetic material of the probe 1 is used, the magnetization curve of the magnetic material has hysteresis, and as a result, not only Rcosθ but also the Rsinθ component can be detected. It becomes like this. By measuring the Rsin θ component, it becomes possible to clearly measure which part of the magnetic field is stronger than the R cos θ component alone.

図9は、保磁力以下の外部磁場とするために、励磁コイル14の励磁電流を1mArmsとした場合の(a)Rcosθ成分及び(b)Rsinθ成分の測定結果であり、(b)のRsinθ成分は、ほとんど変化が見られず、Rsinθ成分がほとんど存在しない(ゼロ)ことを示している。なお、磁場分布の検出感度を高めるため、探針1を基準面の高さの−34nmの位置まで、被測定試料の表面に接近させて測定した。 FIG. 9 shows the measurement results of (a) R cos θ component and (b) R sin θ component when the exciting current of the exciting coil 14 is 1 mA rms in order to obtain an external magnetic field equal to or less than the coercive force. The component shows almost no change, indicating that there is almost no Rsinθ component (zero). In order to increase the detection sensitivity of the magnetic field distribution, measurement was performed by bringing the probe 1 close to the surface of the sample to be measured up to a position of −34 nm of the reference plane height.

図10〜図12は、探針1の保磁力を超える外部磁場を被測定試料に印加するために、励磁コイル14の励磁電流を、図10では5mArmsとし、図11では10mArmsとし、図12では、20mArmsとした場合の(a)Rcosθ成分及び(b)Rsinθ成分の測定結果である。 10 to 12, in order to apply an external magnetic field exceeding the coercive force of the probe 1 to the sample to be measured, the exciting current of the exciting coil 14 is 5 mA rms in FIG. 10 and 10 mA rms in FIG. 12 shows the measurement results of (a) R cos θ component and (b) R sin θ component when 20 mA rms is set.

図9〜12において各図(a)に示すように、Rcosθ成分は、強度は異なるもののほとんど差がない。これに対して、各図(b)に示すように、Rsinθ成分は、主磁極30と書込シールド部31のギャップ部分において信号が検出され、励磁電流が増大し、外部磁場が大きくなるにつれて、その信号の強度も大きくなっていることがわかる。具体的には、5mArmsでは主磁極中心部辺りが負になりかけており、10mArms及び20mArmsにおいては、主磁極全体において負になっていることが分かる。さらに、10mArms及び20mArmsにおいては、主磁極のくさび形形状を反映した磁気分布像がRsinθ像において観察できる。 As shown in FIGS. 9A to 12A, the R cos θ component has almost no difference although the intensity is different. On the other hand, as shown in each figure (b), the Rsin θ component is detected as a signal is detected in the gap portion between the main magnetic pole 30 and the write shield part 31, the excitation current increases, and the external magnetic field increases. It can be seen that the intensity of the signal is also increased. Specifically, it can be seen that the main magnetic pole center region is becoming negative at 5 mA rms , and that the entire main magnetic pole is negative at 10 mA rms and 20 mA rms . Further, at 10 mA rms and 20 mA rms , a magnetic distribution image reflecting the wedge shape of the main pole can be observed in the Rsin θ image.

このように、Rcosθ成分のみの磁場分布情報だけでは、測定のダイナミックレンジが不足するような場合には、探針1の保磁力を超える外部磁場を印加することにより、Rsinθ成分の変化を加えることでより詳細な磁場分布情報を得ることが可能となる。   Thus, when the dynamic range of the measurement is insufficient with only the magnetic field distribution information of only the R cos θ component, the change of the R sin θ component is applied by applying an external magnetic field exceeding the coercive force of the probe 1. Thus, it is possible to obtain more detailed magnetic field distribution information.

なお、本変形例に用いる探針1は、空間分解能を良好にするために、磁性体に覆われた面を制御することにより外形寸法を小さくしたものを用いることが好ましい。たとえばカーボンナノチューブからなる探針1の先端部分に磁性体を塗布したものや、探針1の先端に針状磁性体を結晶成長させたもの等が好ましい。   In addition, it is preferable to use the probe 1 used in the present modified example with a reduced outer dimension by controlling the surface covered with the magnetic material in order to improve the spatial resolution. For example, it is preferable that the tip of the probe 1 made of carbon nanotubes is coated with a magnetic material, or the tip of the probe 1 is crystal-grown with a needle-like magnetic material.

[変形例2]
カンチレバー先端に接続された探針の保磁力を超える交流磁場を印加すると、磁場が探針を構成する強磁性体の保磁力を超えるたびに、カンチレバーに引力が働く。このことは、印加した交流磁場の周波数の2倍の周波数で、カンチレバーと被測定試料との間に引力を生ずることを示す。したがって、被測定試料を二次共振周波数の1/2で励磁することによって、二次共振周波数に等しい周波数の引力モードにおける磁気力測定を行うことができる。
[Modification 2]
When an alternating magnetic field exceeding the coercive force of the probe connected to the tip of the cantilever is applied, an attractive force acts on the cantilever every time the magnetic field exceeds the coercive force of the ferromagnetic material constituting the probe. This indicates that an attractive force is generated between the cantilever and the sample to be measured at a frequency twice the frequency of the applied AC magnetic field. Therefore, the magnetic force can be measured in the attractive mode having a frequency equal to the secondary resonance frequency by exciting the sample to be measured at half the secondary resonance frequency.

図13は、本発明の他の変形例の磁気力顕微鏡の構成例を示すブロック図である。上述した変形例1の構成に対して、被測定試料に印加する交流磁場の周波数が、カンチレバー2の二次共振周波数f2の1/2の周波数であることが相違する。   FIG. 13 is a block diagram illustrating a configuration example of a magnetic force microscope according to another modification of the present invention. Compared to the configuration of Modification 1 described above, the frequency of the alternating magnetic field applied to the sample to be measured is different from that of the secondary resonance frequency f2 of the cantilever 2.

上述した図1に示される場合と同様に、先端に強磁性体を有する探針1を接続されたカンチレバー2が圧電素子3に片持ち梁状に固定されている。探針1は、シリコン素材表面にCoCrPt合金薄膜を形成したものである。磁性体は、CoCrPtに限らず、CoCr合金やCoPt合金等の他のCo系合金であってもよく、他の磁性体、たとえばフェライト、Fe、Ni、FePt、これらの合金又はパーマロイ等であってもよいのも図1の場合と同様である。たとえば、ナノワールド社製のPPP−MFMR等であってもよく、この場合の保磁力は、300Oe程度である。   Similar to the case shown in FIG. 1 described above, a cantilever 2 to which a probe 1 having a ferromagnetic material at the tip is connected is fixed to a piezoelectric element 3 in a cantilever shape. The probe 1 is obtained by forming a CoCrPt alloy thin film on the surface of a silicon material. The magnetic material is not limited to CoCrPt, and may be other Co-based alloys such as CoCr alloy and CoPt alloy, and other magnetic materials such as ferrite, Fe, Ni, FePt, alloys thereof, permalloy, etc. This is also the same as in the case of FIG. For example, PPP-MFMR manufactured by Nanoworld may be used, and the coercive force in this case is about 300 Oe.

第1の発振器4は、カンチレバー2の固定端側で圧電素子3に接続されている。第1の発振器4は、圧電素子3を駆動して、カンチレバー2を一次共振周波数で振動させる。   The first oscillator 4 is connected to the piezoelectric element 3 on the fixed end side of the cantilever 2. The first oscillator 4 drives the piezoelectric element 3 to vibrate the cantilever 2 at the primary resonance frequency.

半導体レーザ5と4分割された光検出素子6と変位検出回路7とからなる光てこは、カンチレバー2の振動状態を検出するために、カンチレバー2で反射されたレーザ光を光検出素子6で検出して光電変換する。そして、検出したレーザ光の振幅及び位相の変化を変位検出回路7で検出する。なお、図1の場合と同様に、カンチレバー2の変位検出を行うのに、光てこに限らず、他の干渉光を利用する方式、たとえば光ファイバ干渉計又はプリズムを用いたフォーカス誤差検出による方式等を用いることができ、さらに干渉光以外の方式、たとえば磁気抵抗素子を用いた方式又は圧電素子を用いた方式等を用いることもできる。   An optical lever composed of a semiconductor laser 5, a light detection element 6 divided into four parts, and a displacement detection circuit 7 detects the laser light reflected by the cantilever 2 by the light detection element 6 in order to detect the vibration state of the cantilever 2. And photoelectric conversion. Then, the displacement detection circuit 7 detects changes in the amplitude and phase of the detected laser beam. As in the case of FIG. 1, the detection of the displacement of the cantilever 2 is not limited to an optical lever, but a method using other interference light, for example, a method using focus error detection using an optical fiber interferometer or a prism. Further, a method other than the interference light, for example, a method using a magnetoresistive element or a method using a piezoelectric element can be used.

変位検出回路7の出力は、直列接続されたバンドパスフィルタ9、RMS−DC変換器10に接続され、誤差増幅器11の反転入力を介してz軸駆動部12に接続される。誤差増幅器11の非反転入力には、基準参照電圧11aが接続されている。そして、誤差増幅器11の出力は、z軸駆動部12に接続され、z軸駆動部12の出力は、微動素子16に接続されて微動素子16のzスキャナ部を駆動する。zスキャナ部は、z軸駆動部12により、被測定試料である磁気記録ヘッド8の測定面に対して上下方向に駆動される。   The output of the displacement detection circuit 7 is connected to the band-pass filter 9 and the RMS-DC converter 10 connected in series, and is connected to the z-axis drive unit 12 via the inverting input of the error amplifier 11. A standard reference voltage 11 a is connected to the non-inverting input of the error amplifier 11. The output of the error amplifier 11 is connected to the z-axis drive unit 12, and the output of the z-axis drive unit 12 is connected to the fine movement element 16 to drive the z scanner unit of the fine movement element 16. The z scanner unit is driven in the vertical direction by the z-axis drive unit 12 with respect to the measurement surface of the magnetic recording head 8 that is the sample to be measured.

信号処理制御部17は、xy走査駆動部18及び粗動機構駆動部19を介して、それぞれ微動素子16のxyスキャナ部及び粗動機構20に接続される。z軸駆動部12及びxy走査駆動部18の出力は、さらに信号処理制御部17に接続され、信号処理制御部17は、被測定試料の凹凸形状データとして信号処理を行い、画像データとしてモニタ22に出力する。   The signal processing control unit 17 is connected to the xy scanner unit and the coarse movement mechanism 20 of the fine movement element 16 via the xy scanning drive unit 18 and the coarse movement mechanism drive unit 19, respectively. The outputs of the z-axis driving unit 12 and the xy scanning driving unit 18 are further connected to a signal processing control unit 17, which performs signal processing as the uneven shape data of the sample to be measured, and monitors 22 as image data. Output to.

被測定試料である磁気記録ヘッド8は、xyz軸の各方向にnmオーダで被測定試料の位置決めをする微動素子16の上面に固定される。微動素子16は、広範囲にxyz軸の各方向に被測定試料の位置決め及び走査をする粗動機構20の上面に固定される。微動素子16及び粗動機構20は、z軸駆動部12、xy走査駆動部18、粗動機構駆動部19を介して、探針1の先端と被測定試料の表面との距離及び位置を制御する。なお、微動素子16は、たとえば圧電素子により形成されており、z軸駆動部12等によって印加される電圧により、変位する方向及び変位量を制御される。一方、粗動機構は、機械的な駆動手段、たとえばモータ制御により、測定台の位置制御を行う。   A magnetic recording head 8 that is a sample to be measured is fixed to the upper surface of a fine movement element 16 that positions the sample to be measured in the order of nm in each direction of the xyz axis. The fine movement element 16 is fixed to the upper surface of the coarse movement mechanism 20 that positions and scans the sample to be measured in each direction of the xyz axis over a wide range. The fine movement element 16 and the coarse movement mechanism 20 control the distance and position between the tip of the probe 1 and the surface of the sample to be measured via the z-axis drive unit 12, the xy scanning drive unit 18, and the coarse movement mechanism drive unit 19. To do. Fine movement element 16 is formed of, for example, a piezoelectric element, and its displacement direction and displacement amount are controlled by a voltage applied by z-axis drive unit 12 or the like. On the other hand, the coarse movement mechanism controls the position of the measurement table by mechanical drive means, for example, motor control.

第2の発振器13aは、カンチレバー2の二次共振周波数f2の1/2の周波数を出力する。第2の発振器13aの出力は、被測定試料である磁気記録ヘッド8の磁心に巻回された励磁コイル14に接続される。励磁コイル14の他方の端子は電流制限抵抗15を介して接地される。   The second oscillator 13a outputs a half frequency of the secondary resonance frequency f2 of the cantilever 2. The output of the second oscillator 13a is connected to the excitation coil 14 wound around the magnetic core of the magnetic recording head 8 that is the sample to be measured. The other terminal of the exciting coil 14 is grounded via the current limiting resistor 15.

第3の発振器13bは、カンチレバー2の二次共振周波数f2の周波数を出力する。第3の発振器13bの出力は、ロックインアンプ21の参照入力に接続される。光てこの変位検出回路7の出力は、ロックインアンプ21に接続される。ロックインアンプ21は、第2の発振器13aの出力である参照入力信号に基づいて、変位検出回路7の出力信号をロックイン検波して、磁場の大きさ及び磁場の位相データを出力する。ロックインアンプ21の出力は、信号処理制御部17に接続され、信号処理制御部17が、入力された磁場の大きさ及び磁場の位相データに基づいて、所定の処理を行い、画像データとしてモニタ22に出力する。   The third oscillator 13b outputs the frequency of the secondary resonance frequency f2 of the cantilever 2. The output of the third oscillator 13b is connected to the reference input of the lock-in amplifier 21. The output of the optical lever displacement detection circuit 7 is connected to the lock-in amplifier 21. The lock-in amplifier 21 performs lock-in detection on the output signal of the displacement detection circuit 7 based on the reference input signal that is the output of the second oscillator 13a, and outputs the magnetic field magnitude and magnetic field phase data. The output of the lock-in amplifier 21 is connected to the signal processing control unit 17, and the signal processing control unit 17 performs predetermined processing based on the input magnetic field magnitude and magnetic field phase data and monitors it as image data. 22 to output.

なお、第2の発振器13aの出力を2倍の周波数にする逓倍器を介してロックインアンプ21の参照周波数としてカンチレバー2の二次共振周波数に等しい周波数の信号を入力するようにしてもよい。あるいは、参照周波数としてロックインアンプ21に入力する二次共振周波数f2の信号を分周器によって(1/2)f2の周波数としたものを被測定試料の励磁に用いてもよい。   Note that a signal having a frequency equal to the secondary resonance frequency of the cantilever 2 may be input as a reference frequency of the lock-in amplifier 21 through a multiplier that doubles the output of the second oscillator 13a. Alternatively, a signal of the secondary resonance frequency f2 input to the lock-in amplifier 21 as a reference frequency and having a frequency of (1/2) f2 by a frequency divider may be used for exciting the sample to be measured.

図14〜図17には、図13の構成で測定した結果を示す。具体的な測定条件としては、カンチレバー2を一次共振周波数f1〜67.481kHzの範囲で励振し、図1の場合と同様にしてトポグラフィ像を測定する。ここで、たとえばカンチレバー2の振動振幅を0.5Vppとする。   14 to 17 show the results measured with the configuration of FIG. As specific measurement conditions, the cantilever 2 is excited in the range of the primary resonance frequency f1 to 67.481 kHz, and a topography image is measured in the same manner as in FIG. Here, for example, the vibration amplitude of the cantilever 2 is set to 0.5 Vpp.

次に、磁場分布を取得するために、被測定試料である磁気記録ヘッド8の主磁極部分において、カンチレバー2の振動振幅を一定に保つように探針1と磁気記録ヘッド8との距離を制御しながら走査する。ここで、たとえばカンチレバー2の振動振幅を0.1Vppに下げて、振動中心の位置を試料表面から8nmの距離まで接近させる。この場合のカンチレバー2の二次共振周波数f2は、424.324kHzであったので、磁気記録ヘッド8を励磁する周波数としては、これの1/2の周波数とある212.162kHzとする。   Next, in order to acquire the magnetic field distribution, the distance between the probe 1 and the magnetic recording head 8 is controlled so as to keep the vibration amplitude of the cantilever 2 constant in the main magnetic pole portion of the magnetic recording head 8 that is the sample to be measured. Scan while. Here, for example, the vibration amplitude of the cantilever 2 is lowered to 0.1 Vpp to bring the position of the vibration center closer to the distance of 8 nm from the sample surface. Since the secondary resonance frequency f2 of the cantilever 2 in this case is 424.324 kHz, the frequency for exciting the magnetic recording head 8 is 221.162 kHz, which is a half of this frequency.

このようにして、磁場分布像を、光てこによってカンチレバー2の二次共振周波数f2を参照入力信号の周波数としてロックインアンプ21を用いて測定する。   In this way, the magnetic field distribution image is measured using the lock-in amplifier 21 by using the optical lever with the secondary resonance frequency f2 of the cantilever 2 as the frequency of the reference input signal.

たとえば、探針1と被測定試料との間の距離を制御しながら、1ライン当たり1Hzで走査し、表面形状を測定し記憶する。そして、記憶した表面形状に沿って表面との一定距離を保ち磁場分布像を測定する。そうすると、上述した図1等の場合と同様に、256ピクセル×256ピクセルのトポグラフィ像及び磁場分布像の測定時間として9分程度である。   For example, while controlling the distance between the probe 1 and the sample to be measured, scanning is performed at 1 Hz per line, and the surface shape is measured and stored. Then, a magnetic field distribution image is measured while maintaining a certain distance from the surface along the stored surface shape. Then, as in the case of FIG. 1 and the like described above, the measurement time of the topographic image and magnetic field distribution image of 256 pixels × 256 pixels is about 9 minutes.

図14(a)、(c)に示すように、励磁電流を探針1の強磁性体の保磁力以下の1mArmsにしても、保磁力を超える20mArmsにしても、同じトポグラフィ像を取得することができる。一方、図14(b)に示すように、励磁電流を保磁力以下の1mArmsとすると磁場分布像としては、ほとんど何も検出されない。図14(d)に示すように、励磁電流を20mArmsとすると、くさび形をしたヘッドの先端の形状を磁場分布像として確認することができる。 As shown in FIGS. 14A and 14C, the same topographic image is obtained even if the excitation current is 1 mA rms less than the coercive force of the ferromagnetic material of the probe 1 or 20 mA rms exceeding the coercive force. can do. On the other hand, as shown in FIG. 14B, when the exciting current is 1 mA rms below the coercive force, almost nothing is detected as the magnetic field distribution image. As shown in FIG. 14D , when the excitation current is 20 mA rms , the shape of the tip of the wedge-shaped head can be confirmed as a magnetic field distribution image.

空間分解能を確認するために、変形例1の状態、すなわち保磁力を超える交流磁場を被測定試料に印加し、交流磁場の周波数を二次共振周波数f2に等しい周波数として再度測定した磁場分布像として取得したものを図15(a)〜(c)に示す。変形例1で説明したように、Rsinθ像として、磁場発生方向を含めて測定することができる。   In order to confirm the spatial resolution, a magnetic field distribution image obtained by applying the AC magnetic field exceeding the coercive force to the sample to be measured and measuring the frequency of the AC magnetic field again at a frequency equal to the secondary resonance frequency f2 in order to confirm the spatial resolution. What was acquired is shown to Fig.15 (a)-(c). As described in the first modification, the Rsin θ image can be measured including the magnetic field generation direction.

図16(a)は、図14(d)の破線の箇所の断面プロファイルを示す図であり、図14(d)の下側を距離の基準(x=0nm)として、磁場の強度に比例した電圧をプロットしたものである。ほぼ中心付近(x=530nm)に磁極によって磁場の強度が大きくなっている。図16(a)の断面プロファイルをフーリエ変換することによって、図16(b)に示すようなデータを得る。このフーリエ変換データより、空間周波数kx=95μm−1以上においては、信号強度が−37dBでほぼ一定値であることがわかる。ここで、信号強度−37dBは、空間周波数に依存しない熱雑音である。一方、空間周波数kx=95μm−1以下では、熱雑音よりも大きな信号強度を有しているため、空間周波数kx=95μm−1が熱雑音に埋もれずに検出することができる最大の空間周波数に対応する。したがって、この最大空間周波数の逆数をとることによって、最小の空間分解能を見積もることができ、図16(b)の場合における空間分解能の最小値は、10.52nmとすることができる。 FIG. 16A is a diagram showing a cross-sectional profile of the broken line in FIG. 14D, which is proportional to the strength of the magnetic field, with the lower side of FIG. 14D being the distance reference (x = 0 nm). The voltage is plotted. Near the center (x = 530 nm), the magnetic field strength is increased by the magnetic pole. Data as shown in FIG. 16B is obtained by Fourier transforming the cross-sectional profile of FIG. From the Fourier transform data, it can be seen that the signal intensity is substantially constant at −37 dB at the spatial frequency kx = 95 μm −1 or more. Here, the signal strength −37 dB is thermal noise that does not depend on the spatial frequency. On the other hand, since the spatial frequency kx = 95 μm −1 or less has a signal intensity greater than that of the thermal noise, the spatial frequency kx = 95 μm −1 is the maximum spatial frequency that can be detected without being buried in the thermal noise. Correspond. Accordingly, the minimum spatial resolution can be estimated by taking the reciprocal of this maximum spatial frequency, and the minimum value of the spatial resolution in the case of FIG. 16B can be 10.52 nm.

以上が、被測定試料を、カンチレバー2の二次共振周波数f2の1/2の周波数で励磁した場合の空間分解能であるが、カンチレバー2の二次共振周波数f2で励磁した場合の空間分解能についても、図15(a)〜(c)の破線の断面プロファイルから同様に見積もることができる。図17(a)〜(c)が図15(a)〜(c)のそれぞれに対応した断面プロファイルをフーリエ変換した図である。測定系の熱雑音に埋もれない空間周波数の最大値より求めた空間分解能の最小値は、図17(b)よりRcosθについては20.41nmである。また、図17(c)より、Rsinθについては、17.85nmである。   The above is the spatial resolution when the sample to be measured is excited at a frequency half that of the secondary resonance frequency f2 of the cantilever 2, but the spatial resolution when the sample to be measured is excited at the secondary resonance frequency f2 of the cantilever 2 is also described. 15A to 15C can be similarly estimated from the cross-sectional profile of the broken line in FIGS. FIGS. 17A to 17C are diagrams obtained by Fourier transforming the cross-sectional profiles corresponding to FIGS. 15A to 15C, respectively. The minimum value of the spatial resolution obtained from the maximum value of the spatial frequency that is not buried in the thermal noise of the measurement system is 20.41 nm for R cos θ from FIG. Further, from FIG. 17C, Rsinθ is 17.85 nm.

強磁性探針の保磁力を超えて被測定試料を励磁した場合においては、カンチレバーの二次共振周波数f2の1/2の周波数で励磁することによって、二次共振周波数f2で励磁する場合よりも、2倍程度の空間分解能で磁場分布像を測定することができる。   When the sample to be measured is excited beyond the coercive force of the ferromagnetic probe, by exciting at a frequency half that of the secondary resonance frequency f2 of the cantilever, excitation is performed at the secondary resonance frequency f2. Magnetic field distribution images can be measured with a spatial resolution of about twice.

上述では、カンチレバー2の励振周波数を、カンチレバー2の一次共振周波数とし、被測定試料の励磁周波数をカンチレバー2の二次共振周波数の1/2の周波数としたが、測定系の広帯域化、精度等を確保することによって、それぞれより高次の共振周波数を用いてもよい。たとえば、カンチレバー2の励振周波数を二次共振周波数とし、被測定試料の励磁周波数を三次共振周波数とすることができる。あるいは、カンチレバー2の励振周波数を一次共振周波数のままとし、被測定試料の励磁周波数を三次又はそれ以上高次の共振周波数の1/2の周波数としてもよい。   In the above description, the excitation frequency of the cantilever 2 is the primary resonance frequency of the cantilever 2, and the excitation frequency of the sample to be measured is ½ the secondary resonance frequency of the cantilever 2. By securing the above, higher order resonance frequencies may be used. For example, the excitation frequency of the cantilever 2 can be the secondary resonance frequency, and the excitation frequency of the sample to be measured can be the tertiary resonance frequency. Alternatively, the excitation frequency of the cantilever 2 may be kept at the primary resonance frequency, and the excitation frequency of the sample to be measured may be half the resonance frequency of the third or higher order.

また、図1の構成例の場合と同様に、被測定試料である磁気記録ヘッド8の磁心に巻回された励磁コイル14に代えて、ループコイルを用いてもよい。ループコイルは、たとえば、所定の基板上にCu箔を貼ったものを周知のエッチング技術を用いて、所定の直径及び形状のループ電流経路をパターン形成することによって形成することができる。ループコイルに第2の発振器13a、電流制限抵抗15を接続し、被測定試料となる磁気記録媒体を覆うようにこのループコイルを近接させて配置して、ループコイルから発生する磁束が磁気記録媒体を通過するようにする。このようにすることで、ループコイルを流れる励磁電流によって磁気記録媒体に外部磁場を印加することができ、上述と同様の方法で磁気記録媒体の表面磁場分布測定を行うことができる。   As in the case of the configuration example of FIG. 1, a loop coil may be used instead of the excitation coil 14 wound around the magnetic core of the magnetic recording head 8 that is the sample to be measured. The loop coil can be formed, for example, by patterning a loop current path having a predetermined diameter and shape using a well-known etching technique with a Cu foil pasted on a predetermined substrate. The second oscillator 13a and the current limiting resistor 15 are connected to the loop coil, and the loop coil is disposed in close proximity so as to cover the magnetic recording medium to be measured, so that the magnetic flux generated from the loop coil is a magnetic recording medium. To pass through. By doing so, an external magnetic field can be applied to the magnetic recording medium by the excitation current flowing through the loop coil, and the surface magnetic field distribution of the magnetic recording medium can be measured by the same method as described above.

以上説明した磁気力顕微鏡は、具体例を説明するためのものであって、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは言うまでもない。   The magnetic force microscope described above is for explaining a specific example, and is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Needless to say.

1 探針、2 カンチレバー、3 圧電素子、4 第1の発振器、5 レーザ、6 受光素子、7 変位検出器、8 磁気記録ヘッド、9 バンドパスフィルタ、10 RMS−DC変換器、11 誤差増幅器、11a 基準参照電圧、12 z軸駆動部、13,13a 第2の発振器、13b 第3の発振器、14 励磁コイル、15 電流制限抵抗、16 微動素子、17 信号処理制御部、18 xy走査駆動部、19 粗動機構駆動部、20 粗動機構、21 ロックインアンプ、22 モニタ、30 主磁極、31 書込シールド、32 サイドシールド   1 probe, 2 cantilever, 3 piezoelectric element, 4 first oscillator, 5 laser, 6 light receiving element, 7 displacement detector, 8 magnetic recording head, 9 bandpass filter, 10 RMS-DC converter, 11 error amplifier, 11a reference reference voltage, 12 z-axis drive unit, 13, 13a second oscillator, 13b third oscillator, 14 exciting coil, 15 current limiting resistor, 16 fine movement element, 17 signal processing control unit, 18 xy scanning drive unit, 19 Coarse mechanism drive unit, 20 Coarse mechanism, 21 Lock-in amplifier, 22 Monitor, 30 Main pole, 31 Write shield, 32 Side shield

Claims (14)

磁性体からなる探針又は磁性体を塗布若しくは薄膜形成した探針を先端に有するカンチレバーと、
上記カンチレバーを該カンチレバーの第1の共振周波数で励振する第1の発振器と、
上記カンチレバーの先端の変位を検出する変位検出器と、
試料を上面に固定して、上記探針を該試料に対して接近させ、離間させ、又は測定位置の移動をさせる微動素子と、
上記微動素子を駆動する駆動部と、
上記試料を上記カンチレバーの第2の共振周波数で励磁する第2の発振器と、
上記変位検出器から出力される変位信号及び上記第2の共振周波数である参照信号を入力する微小信号増幅器とを備え、
上記駆動部は、上記変位検出器によって検出された上記カンチレバーの先端の変位及び上記第1の共振周波数に基づいて、上記微動素子を駆動することによって上記探針を上記試料に対して接近させ又は離間させて、該試料の凹凸形状を測定し、
上記微小信号増幅器は、上記試料の凹凸形状、上記変位信号及び上記参照信号に基づいて、上記試料表面の磁場に応じた出力を生成することを特徴とする磁気力顕微鏡。
A cantilever having a tip made of a magnetic material or a tip coated with a magnetic material or formed into a thin film at the tip;
A first oscillator for exciting the cantilever at a first resonance frequency of the cantilever;
A displacement detector for detecting the displacement of the tip of the cantilever;
A fine movement element that fixes the sample on the upper surface and moves the probe closer to, away from, or moving the measurement position;
A drive unit for driving the fine movement element;
A second oscillator for exciting the sample at a second resonance frequency of the cantilever;
A minute signal amplifier for inputting a displacement signal output from the displacement detector and a reference signal having the second resonance frequency;
The drive unit drives the fine movement element based on the displacement of the tip of the cantilever detected by the displacement detector and the first resonance frequency, thereby causing the probe to approach the sample or Separate and measure the uneven shape of the sample,
The magnetic signal microscope characterized in that the minute signal amplifier generates an output corresponding to the magnetic field on the sample surface based on the uneven shape of the sample, the displacement signal, and the reference signal.
上記第1の共振周波数は、上記カンチレバーの一次共振周波数であり、
上記第2の共振周波数は、上記カンチレバーの二次以上の高次共振周波数である請求項1記載の磁気力顕微鏡。
The first resonance frequency is a primary resonance frequency of the cantilever,
The magnetic force microscope according to claim 1, wherein the second resonance frequency is a secondary or higher order resonance frequency of the cantilever.
上記高次共振周波数は、二次共振周波数である請求項2記載の磁気力顕微鏡。   The magnetic force microscope according to claim 2, wherein the high-order resonance frequency is a secondary resonance frequency. 上記変位検出器は、
レーザ光を出力するレーザ出力部と、
上記レーザ出力部から出力されたレーザ光を上記カンチレバーで反射した反射光が入力する受光素子と、
上記受光素子で変換された電気信号を処理することによって、上記カンチレバーの変位量を測定する信号処理部とを含む光てこである請求項1記載の磁気力顕微鏡。
The displacement detector is
A laser output unit for outputting laser light;
A light receiving element that receives the reflected light reflected by the cantilever of the laser light output from the laser output unit;
The magnetic force microscope according to claim 1, wherein the magnetic force microscope includes an optical lever including a signal processing unit that measures an amount of displacement of the cantilever by processing an electric signal converted by the light receiving element.
上記第2の発振器は、上記試料を覆うように近接して配置されるコイルを介して、上記試料を上記第2の共振周波数で励磁することを特徴とする請求項1記載の磁気力顕微鏡。   2. The magnetic force microscope according to claim 1, wherein the second oscillator excites the sample at the second resonance frequency via a coil disposed close to the sample so as to cover the sample. 上記微小信号増幅器は、ロックインアンプである請求項1記載の磁気力顕微鏡。   2. The magnetic force microscope according to claim 1, wherein the minute signal amplifier is a lock-in amplifier. 上記第2の発振器は、上記試料を励磁して、上記探針の磁性体の保磁力以上の外部磁場を発生させることを特徴とする請求項1記載の磁気力顕微鏡。   The magnetic force microscope according to claim 1, wherein the second oscillator excites the sample to generate an external magnetic field greater than the coercive force of the magnetic material of the probe. 磁性体からなる探針又は磁性体を塗布若しくは薄膜形成した探針を先端に有するカンチレバーと、
上記カンチレバーを該カンチレバーの第1の共振周波数で励振する第1の発振器と、
上記カンチレバーの先端の変位を検出する変位検出器と、
試料を上面に固定して、上記探針を該試料に対して接近させ、離間させ、又は測定位置の移動をさせる微動素子と、
上記微動素子を駆動する駆動部と、
上記試料を上記カンチレバーの第2の共振周波数の1/2の周波数で励磁する第2の発振器と、
上記変位検出器から出力される変位信号及び上記第2の共振周波数である参照信号を入力する微小信号増幅器とを備え、
上記駆動部は、上記変位検出器によって検出された上記カンチレバーの先端の変位及び上記第1の共振周波数に基づいて、上記微動素子を駆動することによって上記探針を上記試料に対して接近させ又は離間させて、該試料の凹凸形状を測定し、
上記第2の発振器は、上記試料を励磁して、上記探針の磁性体の保磁力以上の外部磁場を発生させ、
上記微小信号増幅器は、上記試料の凹凸形状、上記変位信号及び上記参照信号に基づいて、上記試料表面の磁場に応じた出力を生成することを特徴とする磁気力顕微鏡。
A cantilever having a tip made of a magnetic material or a tip coated with a magnetic material or formed into a thin film at the tip;
A first oscillator for exciting the cantilever at a first resonance frequency of the cantilever;
A displacement detector for detecting the displacement of the tip of the cantilever;
A fine movement element that fixes the sample on the upper surface and moves the probe closer to, away from, or moving the measurement position;
A drive unit for driving the fine movement element;
A second oscillator for exciting the sample at half the second resonant frequency of the cantilever;
A minute signal amplifier for inputting a displacement signal output from the displacement detector and a reference signal having the second resonance frequency;
The drive unit drives the fine movement element based on the displacement of the tip of the cantilever detected by the displacement detector and the first resonance frequency, thereby causing the probe to approach the sample or Separate and measure the uneven shape of the sample,
The second oscillator excites the sample to generate an external magnetic field greater than the coercive force of the magnetic material of the probe,
The magnetic signal microscope characterized in that the minute signal amplifier generates an output corresponding to the magnetic field on the sample surface based on the uneven shape of the sample, the displacement signal, and the reference signal.
上記第1の共振周波数は、上記カンチレバーの一次共振周波数であり、
上記第2の共振周波数は、上記カンチレバーの二次以上の高次共振周波数である請求項8記載の磁気力顕微鏡。
The first resonance frequency is a primary resonance frequency of the cantilever,
The magnetic force microscope according to claim 8, wherein the second resonance frequency is a secondary or higher order resonance frequency of the cantilever.
上記高次共振周波数は、二次共振周波数である請求項9記載の磁気力顕微鏡。   The magnetic force microscope according to claim 9, wherein the high-order resonance frequency is a secondary resonance frequency. 第1の発振器によって、磁性体からなる探針又は磁性体を塗布若しくは薄膜形成した探針を先端に有するカンチレバーを該カンチレバーの第1の共振周波数で励振し、該カンチレバーの先端の変位及び第1の共振周波数に基づいて、該探針を試料に対して接近させ又は離間させることにより該試料の凹凸形状を測定するステップと、
第2の発振器によって、上記試料を上記カンチレバーの第2の共振周波数で励磁し、上記測定した凹凸形状、該カンチレバーの先端の変位及び該第2の共振周波数に基づいて、上記試料表面の磁場に応じた出力を生成するステップとを有する高空間分解能磁場測定方法。
The first oscillator excites a cantilever having a tip made of a magnetic material or a tip coated with a magnetic material or formed into a thin film at a tip at the first resonance frequency of the cantilever, and the displacement of the tip of the cantilever and the first Measuring the concavo-convex shape of the sample by moving the probe closer to or away from the sample based on the resonance frequency of
The sample is excited by the second oscillator at the second resonance frequency of the cantilever, and the magnetic field on the surface of the sample is determined based on the measured uneven shape, the displacement of the tip of the cantilever and the second resonance frequency. Generating a responsive output. A high spatial resolution magnetic field measurement method.
上記第1の共振周波数は、上記カンチレバーの一次共振周波数であり、
上記第2の共振周波数は、上記カンチレバーの二次以上の高次共振周波数である請求項11記載の高空間分解能磁場測定方法。
The first resonance frequency is a primary resonance frequency of the cantilever,
The high spatial resolution magnetic field measurement method according to claim 11, wherein the second resonance frequency is a second or higher order resonance frequency of the cantilever.
上記高次共振周波数は、上記カンチレバーの二次共振周波数である請求項12記載の高空間分解能磁場測定方法。   The high spatial resolution magnetic field measurement method according to claim 12, wherein the high-order resonance frequency is a secondary resonance frequency of the cantilever. 第1の発振器によって、磁性体からなる探針又は磁性体を塗布若しくは薄膜形成した探針を先端に有するカンチレバーを該カンチレバーの第1の共振周波数で励振し、該カンチレバーの先端の変位及び第1の共振周波数に基づいて、該探針を試料に対して接近させ又は離間させることにより該試料の凹凸形状を測定するステップと、
第2の発振器によって、上記試料を上記カンチレバーの第2の共振周波数の1/2の周波数で励磁し、上記測定した凹凸形状、該カンチレバーの先端の変位及び該第2の共振周波数に基づいて、上記試料表面の磁場に応じた出力を生成するステップとを有し、
上記第2の発振器は、上記試料を励磁して、上記探針の磁性体の保磁力以上の外部磁場を発生させることを特徴とする高空間分解能磁場測定方法。
The first oscillator excites a cantilever having a tip made of a magnetic material or a tip coated with a magnetic material or formed into a thin film at a tip at the first resonance frequency of the cantilever, and the displacement of the tip of the cantilever and the first Measuring the concavo-convex shape of the sample by moving the probe closer to or away from the sample based on the resonance frequency of
The sample is excited by a second oscillator at half the frequency of the second resonance frequency of the cantilever, and based on the measured uneven shape, the displacement of the tip of the cantilever and the second resonance frequency, Generating an output corresponding to the magnetic field of the sample surface,
The method of measuring a high spatial resolution magnetic field, wherein the second oscillator excites the sample to generate an external magnetic field greater than the coercive force of the magnetic material of the probe.
JP2011270138A 2011-03-07 2011-12-09 Magnetic force microscope and high spatial resolution magnetic field measurement method Pending JP2012198192A (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011270138A JP2012198192A (en) 2011-03-07 2011-12-09 Magnetic force microscope and high spatial resolution magnetic field measurement method
CN201280012040.7A CN103443632B (en) 2011-03-07 2012-03-07 Magnetic force microscope and high spatial resolution magnetic field measuring method
PCT/JP2012/055882 WO2012121308A1 (en) 2011-03-07 2012-03-07 Magnetic force microscope and high spatial resolution magnetic field measuring method

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011049670 2011-03-07
JP2011049670 2011-03-07
JP2011270138A JP2012198192A (en) 2011-03-07 2011-12-09 Magnetic force microscope and high spatial resolution magnetic field measurement method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2012198192A true JP2012198192A (en) 2012-10-18

Family

ID=46798263

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011270138A Pending JP2012198192A (en) 2011-03-07 2011-12-09 Magnetic force microscope and high spatial resolution magnetic field measurement method

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP2012198192A (en)
CN (1) CN103443632B (en)
WO (1) WO2012121308A1 (en)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103336151A (en) * 2013-06-21 2013-10-02 中山大学 Magnetic microscope and measurement method thereof
JP6481191B2 (en) * 2013-09-02 2019-03-13 国立大学法人秋田大学 AC magnetic field measuring apparatus and AC magnetic field measuring method
CN104502635B (en) * 2014-12-22 2018-05-01 长春理工大学 A kind of magnetic force microscopy difference magnetic force micro imaging method
CN105699705B (en) * 2016-01-28 2019-05-14 中山大学 A kind of measuring device and its method of nano magnetic material
CN106093476B (en) * 2016-06-15 2019-05-10 北京原力辰超导技术有限公司 A kind of scanning magnetic probe microscope
CN111415687B (en) * 2020-03-16 2021-12-17 大连海事大学 Device and method for measuring high-frequency alternating-current magnetic field of hard disk perpendicular magnetic write head
CN111398638B (en) * 2020-03-30 2023-05-05 哈尔滨工业大学 Kelvin probe force microscope system and sample side wall scanning method

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10239329A (en) * 1997-02-27 1998-09-11 Jeol Ltd Scanning probe microscope
US7473887B2 (en) * 2002-07-04 2009-01-06 University Of Bristol Of Senate House Resonant scanning probe microscope
WO2009101991A1 (en) * 2008-02-12 2009-08-20 Akita University Surface state measuring device, and surface state measuring method using the device
JP2010175534A (en) * 2009-01-05 2010-08-12 Hitachi High-Technologies Corp Magnetic device inspection apparatus and magnetic device inspection method

Also Published As

Publication number Publication date
CN103443632B (en) 2015-04-15
CN103443632A (en) 2013-12-11
WO2012121308A1 (en) 2012-09-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2012121308A1 (en) Magnetic force microscope and high spatial resolution magnetic field measuring method
JP5424404B2 (en) Surface state measuring apparatus and surface state measuring method using the apparatus
US6605941B2 (en) Method and apparatus for measuring characteristic of specimen and its application to high frequency response measurement with scanning probe microscopes
US8621658B2 (en) Magnetic field observation device and magnetic field observation method
US5266897A (en) Magnetic field observation with tunneling microscopy
Maroufi et al. High-stroke silicon-on-insulator MEMS nanopositioner: Control design for non-raster scan atomic force microscopy
Mattiat et al. Nanowire magnetic force sensors fabricated by focused-electron-beam-induced deposition
JP5813966B2 (en) Displacement detection mechanism and scanning probe microscope using the same
JP2007232596A (en) Magnetic resonance force microscope
JPWO2008029562A1 (en) Atomic force microscope
US8726410B2 (en) Atomic force microscopy system and method for nanoscale measurement
WO2009139238A1 (en) Dynamic mode afm apparatus
JP3842669B2 (en) Magnetic head measuring device and measuring method applied to the same
JP6167265B2 (en) Apparatus for evaluating magnetic properties of magnetic fine particles and method for evaluating magnetic properties
JP3637297B2 (en) Magnetic recording head measuring apparatus and measuring method applied to the same
Tanaka et al. Secondary resonance magnetic force microscopy
JP6358788B2 (en) AC magnetic field measuring apparatus and AC magnetic field measuring method
JP3597787B2 (en) Magnetic recording head measuring device and magnetic recording head measuring method
JP3992139B2 (en) Scanning Lorentz force probe microscope and information recording / reproducing apparatus using the same
JP2002286613A (en) High-frequency characteristic measuring instrument
JP2010071674A (en) Scanning probe microscope
JP2000020929A (en) Measuring device for magnetic head characteristics
JP6481191B2 (en) AC magnetic field measuring apparatus and AC magnetic field measuring method
JP5077938B2 (en) Atomic force microscope
JP2012047689A (en) Scanning prove microscope