JP3992139B2 - Scanning Lorentz force probe microscope and information recording / reproducing apparatus using the same - Google Patents

Description

の変位電流を用いることができる。非接触の状態で流れる電流を用いる方法によれば、探針先端が試料に接していないので、試料との接触によって妨げられることなくローレンツ力に起因した力を感度よく検出する上で好ましい。
【００１１】
非接触の探針と試料表面との間に電流を流すためのもう１つの方法は、探針と試料表面とを十分に近接させて、これらの間にトンネル効果による電流すなわちトンネル電流を流す方法である。トンネル電流を流す場合には、印加電圧を時間的に変化させなくてもトンネル電流を流すことができるが、ローレンツ力が探針に交互に加わることによる探針の振動を検出することにより、検出感度を高めることができるので、印加電圧として交流電圧が好ましい。なお、トンネル電流は探針と試料の間の距離に対して指数関数的に変化するので、探針と試料の間の距離を一定に保つフィードバック系を設けておくことが好ましい。
【００１２】
探針と試料表面とを非接触の状態にしたまま流すことのできる変位電流とトンネル電流を用いる場合には、試料表面を導電性にすることが好ましい。すなわち変位電流では、試料表面に導電性がある方が電束の変化量が大きくなり、またトンネル電流では、試料表面に導電性があればトンネル距離が小となるため、試料表面が導電性を有することが好ましい。試料表面に導電性を付与する材質は、磁気記録を担う磁性体であってもよいし、導電性を有する非磁性膜であってもよい。
【００１３】
このほかにカンチレバーに往復の電流配線を設けて探針に電流を供給し、探針の先端部にて試料面と平行な電流成分を持つようにすることによっても、探針の電流と試料表面の磁束との間のローレンツ力を働かせることができる。
【００１４】
なお、特開平3-338864号公報には、試料表面の磁束密度の測定にローレンツ力を用いる発明が記載されている。しかしこの発明は、探針の先端部に電荷ｅを与えて、探針の先端部を速度νで動かしてローレンツ力Ｆ＝ｅν×Ｂを得て、このローレンツ力から磁束を求めるものである。従ってこの発明は探針に電流を流し、この電流と磁束密度との間にはたらくローレンツ力を検出する本発明とは基本的に異なる。
【００１５】
また本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡は、試料表面に対向配置され、交流電流の流れる探針と、探針を一端に固定したカンチレバーと、探針に交流電流を流すための交流電源と、探針に流れる交流電流と前記試料表面の磁束との間にはたらくローレンツ力によるカンチレバーの振動を検出する試料表面の磁束を検出する検出手段と、探針を前記試料に対して相対的に移動させる移動手段とを備えることによって、試料表面と探針との間のローレンツ力の分布を検出し、これから試料表面の磁束密度分布を得ることができる。
【００１６】
本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡において、ローレンツ力を検出する手段は、所要の感度と安定性を有するものであればよく、例えば試料表面のローレンツ力に起因したカンチレバーの撓みを光によって検出する方法、カンチレバーに形成したピエゾ抵抗体の抵抗変化によって検出する方法などを用いることができる。
【００１７】
即ち、本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡においては、探針がカンチレバーの自由端に固定され、カンチレバーにはローレンツ力による撓み量を検出する光学系が設けられており、ローレンツ力検出手段として、探針がローレンツ力を受けることによって生じるカンチレバーの撓み量を、光学系によって検出するものを用いてもよいし、また同様に探針がカンチレバーの自由端に固定され、カンチレバーにはピエゾ抵抗体が形成されており、ローレンツ力検出手段として探針がローレンツ力を受けることによって生じるカンチレバーの撓み量を、ピエゾ抵抗体の抵抗変化によって検出するものを用いてもよい。
【００１８】
これらの検出手段の中で、ローレンツ力によるカンチレバーの撓み検出にカンチレバーに形成したピエゾ抵抗体を用いる方法は、光学系を用いる場合に比べ、検出系をコンパクトに形成できるという利点がある。従来の走査型プローブ顕微鏡の場合には、カンチレバーの撓み検出にピエゾ抵抗体を用いることについて、すでに多くの提案がなされており、例えば特開平10‐260360号公報には、ピエゾ抵抗体を形成したカンチレバーの製造方法の改良が記載されている。
【００１９】
本発明におけるローレンツ力の検出には、光を用いることにより高い感度を得ることができる一方で、カンチレバーを用いることにより、コンパクトに構成できるなど、カンチレバーの持つ特徴を生かすことができる。また、ローレンツ力によるカンチレバーの撓みは、ピエゾ抵抗体による検出に適した形を持たせることができる。例えば探針と試料とを接触させた場合には、探針の先端がカンチレバー先端部の支点となり、探針にローレンツ力が働いたときにカンチレバーにはねじりの力が働く。カンチレバーに形成したピエゾ抵抗体の抵抗変化は、カンチレバーが撓むことによって生じ、ローレンツ力によるカンチレバーのねじり撓みは、ピエゾ抵抗体による検出に適しているといえる。
【００２０】
なお、カンチレバーにピエゾ抵抗体を形成し、試料表面のローレンツ力に起因したカンチレバーの撓みを検出する場合には、ピエゾ抵抗体の電流経路と探針に電流を流す経路とをそれぞれ設けてもよいし、同じ電流経路をピエゾ抵抗体の電流経路と探針に電流を流す経路の双方に用いるようにしてもよい。
【００２１】
本発明においては、探針に流す電流として交流電流を用いることができ、交流電流の周波数として、カンチレバーの共振モード近傍の周波数を選択して用いることにより、ローレンツ力の検出感度を高めることができる。
【００２２】
またこの探針に流す電流には交流電流に若干の直流成分を加えることができる。こうすることにより、探針に流す電流の直流電流成分によって探針と磁性体との間の抵抗値が得られ、この抵抗値を用いてひずみ撓み量を規格化することができる。また、探針と磁性体との間の交流電流の実効値を測定し、この交流電流の実効値を用いてひずみ撓み量を規格化してもよい。この規格化により、検出される信号における抵抗値の変動の影響が大幅に低減でき、ローレンツ力による磁束密度の検出の精度や安定度を向上させることができる。
【００２３】
本発明に用いる探針は、探針を細くし、先端の曲率半径を小さくすることにより、試料表面の磁束検出の分解能を高めることができる。こうして探針の磁束検出の分解能を十分に高めることにより、試料表面の磁化方向の反転をダイパルスの形で検出することが可能となる。
【００２４】
本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡に用いられるローレンツ力によって試料表面の磁束を検出するローレンツ力検出手段は、情報再生装置および情報記録再生装置における記録媒体表面の磁束検出に応用することができる。
【００２５】
即ち、本発明の情報再生装置は、磁気記録媒体と、磁気記録媒体表面に対向配置され、交流電流の流れる探針と、探針を一端に固定したカンチレバーと、探針に交流電流を流すための交流電源と、探針に流れる交流電流と前記試料表面の磁束との間にはたらくローレンツ力によるカンチレバーの振動を検出して前記ローレンツ力を検出するローレンツ力検出手段と、探針を磁気記録媒体に対して相対的に移動させる移動手段とを備えたことを特徴とする。
【００２６】
また本発明の情報記録再生装置は、磁気記録媒体と、磁気記録媒体に情報信号を記録する磁気記録ヘッドと、磁気記録媒体表面に対向配置され、交流電流の流れる探針と、探針を一端に固定したカンチレバーと、探針に交流電流を流すための交流電源と、探針に流れる交流電流と前記試料表面の磁束との間にはたらくローレンツ力によるカンチレバーの振動を検出してローレンツ力を検出するローレンツ力検出手段と、磁気記録ヘッドと前記探針を前記磁気記録媒体に対して相対的に移動させる移動手段とを備えたことを特徴とする。
【００２７】
本発明のローレンツ力によって磁束を検出する情報再生装置や情報記録再生装置を用いれば、微細な探針の先端部に流れる電流によって直接に磁気記録媒体表面の磁束を検出することができ、微小な領域の磁束を高い分解能で検出できるので、極めて高密度に記録された情報信号を再生することが可能となる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡の一実施形態における、探針に流れる電流と試料表面の磁束との間にはたらくローレンツ力の検出部を模式的に示した図である。図１において、試料表面３に記された太い矢印は磁化の方向を模式的に示したものであり、表面から出て表面に戻る矢印のついた曲線は磁束の流れを模式的に示したものである。
【００２９】
図１において、カンチレバー１の先端に設けられた探針２に電流Ｉが流れると、試料表面３からの磁束密度Ｂによって、この電流にはローレンツ力がはたらき、カンチレバー１は力Ｆを受ける。単位長さ当たりの電流にはたらくローレンツ力Ｆは電流ベクトルＩと磁束密度ベクトルＢとの外積Ｆ＝Ｉ×Ｂである。そこで探針に電流Ｉを長さＬだけ流すことにより、ベクトル量として探針にはたらくローレンツ力ＬＩ×Ｂを検出し、ベクトル量としての試料表面の磁束密度Ｂを求めることができる。
【００３０】
なお、図１においてカンチレバー１を試料平面に対して傾けているのは、探針に電流を流すためにカンチレバー上を流れる電流をできるだけ試料表面から遠ざけて、その影響を小さくするための処置である。
【００３１】
図１において、探針２と試料３との間に交流電圧源８０を用い交流電圧を印加し、探針２に流れる電流として探針と試料３との間を往復する交流電流が流れるようにした場合には、探針２にはたらくローレンツ力は、電流ベクトルと磁束密度ベクトルとに垂直な横方向の振動をカンチレバー１に与える。半導体レーザ４で発生した光をこのカンチレバー１の上面で反射させ、反射光の位置変化を利用して、カンチレバーの幅方向の振動を４分割フォトダイオード５のＣ−Ｄシグナルを用いて横方向の散乱光として検出し、前置増幅器７０を経由してこのカンチレバーの幅方向の振動の周波数、振幅、位相などを検出することができる。
【００３２】
ここに４分割フォトダイオードのＣ−Ｄシグナルとは、４分割したフォトダイオードの縦の列の２個のダイオードシグナルの和をＣとＤとして、その差であるＣ−Ｄシグナルをとることを意味する。なお、４分割フォトダイオードでは４分割したフォトダイオードの横の行の２個のダイオードシグナルの和をＡとＢとして、その差を取ったＡ−Ｂシグナルを検出することもできる。このＡ−Ｂシグナルは、Ｃ−Ｄシグナルと同時に検出することが可能であり、カンチレバーの縦方向の力であるファンデルワールス力、静電気力などを検出することが可能であり、このＡ−Ｂシグナルを一定に保つことにより、探針と試料の距離を一定に保ったり、探針を試料に押し付ける力を一定に保つことができる。
【００３３】
図２および図３はこのようにしてローレンツ力を４分割フォトダイオード５のＣ−Ｄ信号振幅として測定した結果と、探針の先端を細くしていった場合のローレンツ力について計算を行った結果とを、ともに試料面上の水平方向の変化として示した図である。白丸の点Ｃ−Ｄ信号振幅の測定値、実線はローレンツ力の計算値である。図２および図３に示した測定結果は、探針２を試料表面３に接触させ、交流電源８０から交流電流を供給し、探針２にローレンツ力検出のための電流１．０μＡを流すことによって得られたものである。計算についても探針の先端幅を変えた以外は測定の場合と同じ条件とした。
【００３４】
図２に示した計算結果は試料表面に方形波状の磁束分布を仮定して計算したものであり、また図３は試料表面の磁界について実際に近い理論式
【数２】

を用いて計算したものである。ただし、Ｍ_ｒは磁性体内の磁化、μ_０は透磁率、δは磁性体の厚さ、ａは磁化反転係数、ｚ_１は磁性体表面から垂直方向への距離、ｘ_１は磁化の反転する境界を０とした磁性体表面での距離である。
【００３５】
このように探針の先端を細くすることにより、磁束検出の分解能を高めることができ、また試料表面の磁化方向の反転をダイパルスとして検出することができることがわかる。
【００３６】
また、このように探針を試料に接触させた状態では、カンチレバーは非接触の状態の共振モードとは異なる共振モードを有する。従って探針と試料とが接触した状態の場合も、共振モードに近い周波数の交流電流を探針に流すことにより、ローレンツ力の検出感度を高めることができる。
【００３７】
探針と試料とを接触させた状態の共振モードの周波数は、探針を試料に押しつける力の大きさの影響を受けて変化する。このためローレンツ力を検出する交流電流の周波数をこの共振周波数に合わせると、ローレンツ力信号に表面の凹凸信号が重畳する傾向がみられる。そこで交流電流の周波数をこの共振周波数から少しずらすことにより、ローレンツ力信号に表面の凹凸信号が重畳するのを避けることができ、ローレンツ力像と凹凸像とを分離して観察することができた。例えば共振モードの中心周波数が１００ｋＨｚであり、交流電流の周波数をこの周波数にするとローレンツ力像に凹凸像の一部重畳がみられたのに対し、交流電流の周波数を９３．９ｋＨｚにした結果、凹凸像の重畳のみられないローレンツ力像を得ることができた。このように共振周波数からずらす交流電流の周波数は、ローレンツ力信号に凹凸信号の重畳が問題にならない程度に共振点からずらし、かつ共振による高感度が保たれる範囲内の周波数を適宜選択することができる。
【００３８】
（実施の形態２）
図４は本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡の他の一実施形態における探針に流れる電流と試料表面の磁束との間にはたらくローレンツ力の検出部を模式的に示した図である。カンチレバーからの振動検出は、図４に示したように光ファイバ光干渉装置を用いることにより、振動検出系の構成を単純化することができる。光ファイバ光干渉装置からのレーザ光は光ファイバによって導かれ、探針２を設けたカンチレバー１の側面に照射され、反射光が再び光ファイバに導かれて光干渉装置６１に戻され、カンチレバーでの反射を経ていない光との干渉光が光検出器により検波され、電気信号に変換される。なお、図４において、図１と共通のものに対しては同じ符号を用いた。
【００３９】
探針に流す交流電流の周波数は高いほどＳＮ比が良好となるので望ましいが、高周波になると電気回路での信号の減衰や遅延が問題となる。そこで光ファイバーを用いる検出方法を用い、カンチレバーに交流電流を流すための交流電圧を加えている回路の近くに光ファイバのもう一つの端を配置し、ここに光検出器を設けることによって、電気回路での信号の減衰や遅延を極力少なくすることができる。
【００４０】
また交流電圧の周波数はカンチレバーの固有振動数の１つの近傍に合わせておくことにより、共振による振動の拡大や位相の変化を利用して、その検出感度を高めることができる。
【００４１】
（実施の形態３）
図５は本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡のさらに他の一実施形態における、探針に流れる電流と試料表面の磁束との間にはたらくローレンツ力の検出部を模式的に示した図である。図５では、探針２を試料表面３に接触させ、交流電源８０から交流電流を供給することにより、探針２にローレンツ力検出のための電流を流している。探針２が試料表面３に接触しているため、探針２の先端がカンチレバー１の先端部の支点となり、ローレンツ力によってカンチレバー１にはねじり状の力が働く。このカンチレバーのねじり撓みの検出を、カンチレバーの周囲にピエゾ抵抗体７を設け、ローレンツ力をピエゾ抵抗体７の抵抗変化により検出し、前置増幅器７０に入力している。
【００４２】
このように、カンチレバーからのローレンツ力の検出にピエゾ抵抗体を用いることにより、検出系をコンパクトに構成でき、また適切な使用により高い感度を得ることができる。
【００４３】
（実施の形態４）
図６は本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡のシステム構成の一実施形態を模式的に示した図であって、（Ａ）はそのブロック図と試料部の立面図、（Ｂ）は試料部の平面図である。図６において、カンチレバー１の自由端側には探針２が保持され、この探針２は試料３に近接して対向している。
【００４４】
探針２には、カンチレバー１を介して交流電源８０が接続され、探針２と試料３表面との間に交流電圧が与えられている。この交流電圧によって探針２には電流Ｉが流れ、探針２から試料３表面には変位電流が流れる。探針に流れるこの交流電流Ｉ（長さＬ）と試料表面からの磁束密度Ｂとの間にはＦ＝ＬＩ×Ｂのローレンツ力がはたらく。電流Ｉが交流電流であるため、ローレンツ力Ｆはカンチレバー１に振動を与える。磁束密度Ｂの向きが図３の（Ａ）および（Ｂ）の左右の方向（Ｘ方向）であり、探針２に流れる電流Ｉが試料３表面に垂直な方向（Ｚ方向）であれば、ローレンツ力Ｆはカンチレバーを幅方向（Ｙ方向）に振動させる。
【００４５】
探針に加える交流の周波数としては、カンチレバー１の幅方向の振動についてのｎ次の固有振動（ｎ≧１）の近くの周波数が好ましい。カンチレバー１の幅方向の振動は、ファイバ干渉計６１によってピックアップされ、前置増幅器７０によって増幅された後、ロックイン増幅器７１に入力され、交流電源８０からの信号を参照信号として選択増幅される。なお、磁束の方向は幅方向振動の位相から読み取ればよい。
【００４６】
一方、カンチレバー１および探針は、試料表面の凹凸を検出する原子間力顕微鏡を構成し、試料３と探針２との距離を一定に保つように制御している。このため、カンチレバー１の後端の保持部には、加振用の圧電素子５が取り付けられている。この圧電素子５には発振器９からの発振出力信号が供給され、この圧電素子５を通じて、カンチレバー１はその厚さ方向の固有振動に近い周波数で加振される。カンチレバー１の振動は、光ファイバ光干渉装置６２によって検出され、前置増幅器８によって増幅された後、ロックイン増幅器１０に入力される。
【００４７】
この原子間力顕微鏡の構成で、例えば探針２が試料３に接近すると、探針２と試料３との間に発生する原子間力により、カンチレバー１が撓み、これにより光ファイバ光干渉装置６２の出力が変化し、変化した出力信号が前置増幅器８によって適当な振幅に増幅され、凹凸像観察用のロックイン増幅器１０に供給される。このロックイン増幅器１０は、入力された光ファイバ光干渉装置からの信号について、発振器９からの出力信号の周波数の周波数成分を選択して増幅した信号を出力する。
【００４８】
このロックイン増幅器１０からの出力信号は誤差増幅器１１に送られ、誤差増幅器１１にて、この出力と参照電圧Ｖにより設定された一定電圧、即ち固定振動数とのずれを出力し、この出力がフィルタ１２を介してＺ圧電素子駆動電源１３に送られる。このＺ圧電素子駆動電源１３は圧電素子４に対し、フィルタ１２からの出力信号に基づいて探針２と試料３との間の距離（Ｚ軸方向）を一定に保つフィードバック制御する電圧を供給している。ここに圧電素子４は試料３のＸ軸（図１の左右方向）、Ｙ軸（図１の紙面に直交する方向）およびＺ軸方向（図１の上下方向）の各位置を制御する素子である。フィルタ１２はこのようなフィードバック回路を安定に動作させるために設けたものである。このフィルタ１２の出力は、試料３表面の凹凸像の信号であり、この信号は図示しない画像表示装置に送られる。
【００４９】
こうした探針２と試料３との間の距離を一定に保つ制御のもとで、探針２と試料３の間に交流電圧を与え、カンチレバー１の幅方向の振動からローレンツ力を検出し、さらに圧電素子４にＸ，Ｙ方向の走査信号を与えて試料３を２次元走査することにより、ローレンツ力Ｆの分布を得て、さらに所定のＬＩ値を用い、Ｆ＝ＬＩ×Ｂの関係から、磁束密度Ｂの分布を求めて画像表示装置に表示することができる。試料とカンチレバーとの間の相対的な角度を変えて走査を行うことにより、ベクトル量としての磁束密度Ｂの分布を得ることができる。
【００５０】
探針の材料は導電性を有するものであって、トラック幅を狭くする上で半径が小さいものがよい。例えば導電性を有するカーボンナノチューブなどが探針の材料として適している。
【００５１】
また本発明で用いるカンチレバーは縦方向のばね定数を横方向のばね定数よりも大きくして、探針に交流電圧を加えたときの縦方向の振動を抑制することが好ましい。
【００５２】
本実施形態では、縦方向と横方向のカンチレバーの撓みの検出に二つの光ファイバー光干渉装置を用いたが、実施の形態２と同様に、４分割フォトダイオードのＡ−ＢシグナルとＣ−Ｄシグナルを用いて撓み量を検出してもよい。また、実施の形態３と同様にピエゾ抵抗体の抵抗変化を用いて撓み量を検出してもよい。
【００５３】
（実施の形態５）
図７は本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡を応用した情報再生装置の一実施形態におけるシステム構成の主要部を模式的に示した図である。図７において、カンチレバー２は磁気記録媒体である磁気ディスク３０の回転方向と平行な方向に向けられている。カンチレバー２は磁気ディスク３０の表面に対し傾けた状態で上下方向微動装置５に固定されている。また光ファイバ光干渉装置６１は移動アーム３４に固定され、光ファイバ光干渉装置６１とカンチレバー１との位置関係が保たれるようになっている。
【００５４】
交流電源８０を用いて探針２に方形波からなる交流電圧を加えると、探針２と磁気ディスク３０との間に変位電流が流れる。即ち探針２と磁気ディスク３０との間に静電容量を持つため、探針２には正と負の電荷が交互に存在するようになり、この交流電圧による電荷の探針への出入により、探針中に電流が流れる。こうして探針に磁気記録媒体である磁気ディスク３０の面に垂直な方向に電流か流れると、磁気ディスクに平行な磁束密度と探針中に流れる電流とに比例したローレンツ力が、磁気カンチレバーの長手方向とは垂直方向で磁気ディスクとは平行な方向即ち幅方向にはたらく。探針上の電流の流れる向きが反転するとこのローレンツ力は反転するので、探針はこのローレンツ力によって交流電圧の周波数でディスクの半径方向へ振動することになる。
【００５５】
まず、この振動を４分割フォトダイオードで横方向の散乱光の振動として検出し、ディジタルストレージオシロスコープで波形を計測したところ、プローブの入力電圧周波数と同じ周波数で探針は振動し，探針振動の入力電圧に対する位相は試料のカンチレバー方向の長手磁気記録方向が逆になると、反転することが確認された。さらに、入力電圧をリファレンスとして、フォトダイオードによる針の振動の電気信号をロックイン増幅器に入力すると、カンチレバーの長手方向の磁束密度の向きにより、ロックイン増幅器出力が反転することが確認された。
【００５６】
次に、図８に示したように、長手磁気記録方向とは直角の方向にカンチレバーを配置し、カンチレバーの向きと磁束の向きが一致するように配置したところ、電圧印加による探針の幅方向の振動は観察されなかった。この理由は，ローレンツ力が電流と磁束密度方向の外積であることから、上記の実施の形態では、磁気記録媒体の磁束とカンチレバーとのなす角度が、図１または図４〜５に示された関係を有しているのに対し、この配置の場合には、ローレンツ力は図８に示されているように、カンチレバーの長さ方向にはたらくためである。このようにして、探針の電流と磁気記録媒体の磁束との間にはたらくローレンツ力の検出を確認することができた。
【００５７】
次に正弦波の長手磁気記録が同心円状に記録された磁気ディスクを回転させ、カンチレバーの横振動の位相を検波し、磁気記録に対応した情報を読みとることができた。また、交流電流の周波数をカンチレバーの横振動の共振周波数近傍に設定することで、情報信号の読み取り誤差を減らすことができた。
【００５８】
次に、上記の４分割フォトダイオードに代えて移動アーム３４に固定した光ファイバ光干渉装置６１によって、カンチレバー１の幅方向の振動を検出し、前置増幅器７０を経てロックイン増幅器７１に入力し、交流電源80の信号を参照信号として選択増幅し、この出力を信号処理装置７２にて信号処理し、磁気記録媒体30に記録された情報信号の再生を行い、再生出力を得ることができた。
【００５９】
なお、以上の実施例では、カンチレバーの横方向振幅の極性変化を検出し、これを信号としたが、光てこの出力信号と強制振動用圧電体に印加している正弦波電圧の位相の差を検出し、これをローレンツ力を検出する信号とすることができる。また、ここでは省略したが、実施の形態３で述べたように、探針と試料の間の距離を一定に保つために、非接触原子間力顕微鏡で用いられるフィードバック制御により、探針と試料の間の距離を一定に保つことができる。また、実施の形態３と同様にカンチレバーの横方向振幅に起因したピエゾ抵抗体の抵抗変化を用いて撓み量を検出し、これを信号として用いてもよい。
【００６０】
本実施形態では、探針に流れる電流を変位電流としたが、この探針を流れる電流は、探針と試料表面が非接触のときに流れるトンネル電流でも良いし、探針と試料表面とが接触した場合に流れる、オーミック電流、ショットキー電流などであってもよい。
【００６１】
探針と試料が接触した際に流れる電流であるオーミック電流やショットキー電流などをローレンツ力を検出する電流として探針に流す場合には、カンチレバーの先端に位置する探針と試料とが接触した状態とする。探針と試料とが接触した状態では、非接触の状態の共振モードとは異なる複数の共振モードがカンチレバー形状に対応する形で存在する。従って探針と試料とが接触した状態においても、これらの共振モードに近い周波数を持つ交流電流を探針に流すことにより、検出感度を高めることができる。
【００６２】
すでに述べたように、探針と試料とが接触した状態の共振モードの周波数は、探針を試料に押しつける力の大きさの影響を受け、ローレンツ力を検出する交流電流の周波数をこの共振周波数に合わせると、ローレンツ力信号に表面の凹凸信号が重畳する傾向があることから、交流電流の周波数をこの共振周波数から少しずらすことにより、ローレンツ力信号に表面の凹凸信号の重畳を避けている。
【００６３】
本実施形態の情報記録再生装置における情報記録については、周知の方法を用いることができる。即ちコイルによって記録情報信号の磁界を発生させ、軟磁性体の探針によってその信号の磁束を集中させることによって磁気記録媒体表面を磁化する方法を用いることができる。
【００６４】
（実施の形態６）
図９は本発明の一実施形態に用いられるカンチレバー−探針系であつて、カンチレバーから探針に電流を供給し、探針の先端近くに横方向の電流成分を与えるようにしたものを模式的に示した図である。図９に示した探針−カンチレバー系を用い、その他は実施の形態４の図４と同じ磁気記録再生装置の構成により、磁気記録媒体面に対し垂直方向の磁束成分の検出を行なった。
【００６５】
図９では垂直磁気記録された磁気記録媒体からの磁束の垂直磁束成分検出を模式的に示す。図９に示したように、交流電流を探針の先端２１に供給することによって、カンチレバーは幅方向にローレンツ力を受け振動する。このようにして図４のカンチレバー１の幅方向の振動を、移動アーム３４に固定した光ファイバ光干渉装置６１によって検出し、前置増幅器７０を経てロックイン増幅器７１に入力し、交流電源８０の信号を参照信号として選択増幅し、この出力を信号処理装置７２にて信号処理し、磁気記録媒体３０の垂直磁束をローレンツ力により検出し、記録された情報信号の再生出力を得た。
【００６６】
本実施形態では、図９に示したようにカンチレバーの方向が磁気記録媒体のトラック方向に垂直である場合を示したが、カンチレバーの方向がトラック方向と平行である場合にも垂直磁束成分との外積が存在するので、磁気記録信号を再生することが可能である。
【００６７】
なお、高密度の磁気記録では、垂直磁気記録でなくても垂直磁束成分が増加するので、このようなローレンツ力による磁気記録信号の再生は、高密度磁気記録において特に有用であることがわかる。
【００６８】
【発明の効果】
【００６９】
本発明によりローレンツ力を検出する走査型プローブ顕微鏡によれば、探針の先端に磁性体を用いることなく、試料表面の磁束密度の分布を調べることができる。またこの方法を利用して、超高密度に記録されたの磁気記録信号を再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡の一実施形態における４分割フォトダイオードを用いたローレンツ力の検出部を模式的に示した図である。
【図２】 ローレンツ力の試料の水平方向に対する変化の測定結果と、探針の先端を細くしていった場合に検出されるローレンツ力を、方形波状の磁束分布を仮定して計算した結果とを示した図である。
【図３】 ローレンツ力の試料の水平方向に対する変化の測定結果と、探針の先端を細くしていった場合に検出されるローレンツ力を、理論式の波状の磁束分布を仮定して計算した結果とを示した図である。
【図４】 本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡の他の一実施形態における光ファイバ光干渉装置を用いたローレンツ力の検出部を模式的に示した図である。
【図５】 本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡のさらにの一実施形態におけるカンチレバーに形成したピエゾ抵抗体を用いたローレンツ力の検出部を模式的に示した図である。
【図６】 本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡のシステム構成の一実施形態を模式的に示す図である。
【図７】 本発明の走査型ローレンツ力プローブ顕微鏡を応用した情報再生装置の一実施形態におけるシステム構成の主要部を模式的に示した図である。
【図８】 カンチレバーの向きと磁束の向きが一致するように配置した場合の図である。
【図９】 本発明の一実施形態に用いられるカンチレバー−探針系であつて、カンチレバーから探針に電流を供給し、探針の先端近くに横方向の電流成分を与えるようにしたものを模式的に示した図である。
【符号の説明】
１……カンチレバー、２……探針、３……試料、４……圧電素子、５……半導体レーザ、６……フォトダイオード、７……ピエゾ抵抗体、８……前置増幅器、９……発振器、１０……ロックイン増幅器、１１……誤差増幅器、１２……フィルタ、１３……Ｚ圧電素子駆動電源、２４……電圧源、３０……磁気記録媒体、３４……移動アーム、４１……精密エアスピンドル、４２……上下方向微動装置、６１，６２……光ファイバ光干渉装置、７０……前置増幅器、７１……ロックイン増幅器、７２……信号処理器、８０……交流電源。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a scanning probe microscope and an information recording / reproducing apparatus using the same, and more particularly to a scanning Lorentz force probe microscope for detecting a Lorentz force acting between a probe and a sample surface and information recording / reproducing using the same. Relates to the device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Scanning microscopes that can scan a probe and observe information on the surface of a sample in the order of nm are widely used. The microscope that detects and displays the tunnel current between the probe and the sample is a scanning tunnel microscope (STM), and the force distribution between the sample and the surface is displayed by scanning the probe. An atomic force microscope (hereinafter abbreviated as AFM) belongs to this.
[0003]
AFM scans the probe attached to the tip of the cantilever and detects the force acting between the probe and the sample. The forces detected by the probe in the AFM mainly include van der Waals forces, and electric and magnetic forces that follow Coulomb's law. Detailed information about the sample surface can be obtained from the distribution of these forces on the sample surface.
[0004]
A development of AFM is a magnetic force magnetometer (hereinafter abbreviated as MFM). This is published in Applied Physics Letters, 1987, Vol. 50, pages 1455-1457. According to MFM, the magnetic field generated from a magnetic thin film sample such as a magnetic recording medium can be detected by detecting the magnetic force. Therefore, it is a promising means for reproducing information signals recorded on a magnetic recording medium at high density. It is.
[0005]
In MFM, the tip of the probe is made of a magnetic material, and the force acting between the soft magnetic material and the magnetic flux on the surface of the magnetic recording medium is detected as a signal. When this is used as means for reproducing an information signal recorded on a magnetic recording medium at a high density, information is reproduced by this signal. MFM tips include those using magnetized iron, published in Applied Physics Letters, 1988, Vol. 52, pp. 244-246, and Journal of Applied. Some of them use Ni-Fe or Co-PtCr thin films published in Journal of Applied Physics, 1991, Vol. 69, pages 5883 to 5885. U.S. Pat. No. 5,364,448 describes that a probe is used by being magnetized with a coil.
[0006]
[Problem to be Solved by the Invention]
However, in such a conventional MFM, since a magnetic material magnetized as a probe is used, the magnetic material and recorded magnetization recorded on the magnetic recording medium influence each other during the measurement. There was a problem that the magnetization of the magnetic material of the needle fluctuated. Therefore, the present inventors have conducted research by taking up the problem of obtaining a magnetic field distribution or magnetic flux density distribution on the sample surface without using a magnetic material for the probe, and have found a new solution described below.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The scanning Lorentz force probe microscope of the present invention is arranged in contact with and in contact with the sample surface, Ohmic current or Schottky current flows between this sample surface It works between the probe, the power source for supplying current to the probe, and the current flowing through the probe and the magnetic flux on the sample surface. Detects the amount of cantilever deflection caused by Lorentz force And a Lorentz force detection means.
[0008]
In the present invention, the current that flows through the tip of the probe is applied so as to generate a Lorentz force between the magnetic flux on the sample surface. For example, current can flow between the probe and the sample. The A dynamic current, a Schottky current, or the like can be used.
[0009]
In the present invention, a probe, a sample, Is close By touching, an ohmic current or a Schottky current can be passed between the probe and the sample. The state in which the probe and the sample are in contact with each other and in electrical contact with the probe is more advantageous in flowing current through the probe than in the non-contact state, and is preferable because a larger Lorentz force can be obtained. Further, when the probe and the sample are brought into contact with each other, it is preferable that the surface of the sample is conductive and the tip of the probe is conductive because current easily flows between them. The material imparting the conductivity of the sample surface may be a magnetic film such as a metal film, for example, a magnetic material for carrying magnetic recording, or a nonmagnetic film having conductivity.
[0010]
Further, as a method of keeping the probe and the sample in a non-contact state and passing an electric current between them, the electric flux density D between the probe and the sample is temporally changed by changing the applied voltage with time. Is the current that flows when it is changed to
[Expression 1]

Can be used. According to the method using a current flowing in a non-contact state, the tip of the probe is not in contact with the sample, which is preferable in detecting the force caused by the Lorentz force with high sensitivity without being hindered by contact with the sample.
[0011]
Another method for passing a current between the non-contact probe and the sample surface is a method in which the probe and the sample surface are placed in close proximity and a current due to the tunnel effect, that is, a tunnel current flows between them. It is. When a tunnel current is passed, the tunnel current can be passed without changing the applied voltage over time, but it is detected by detecting the vibration of the probe due to the Lorentz force being alternately applied to the probe. Since the sensitivity can be increased, an AC voltage is preferable as the applied voltage. Since the tunnel current changes exponentially with respect to the distance between the probe and the sample, it is preferable to provide a feedback system that keeps the distance between the probe and the sample constant.
[0012]
When using a displacement current and a tunnel current that can flow while the probe and the sample surface are not in contact with each other, it is preferable to make the sample surface conductive. In other words, in the displacement current, the amount of change in the electric flux is larger when the sample surface is conductive, and in the tunnel current, the tunnel distance is small if the sample surface is conductive. It is preferable to have. The material that imparts conductivity to the sample surface may be a magnetic material that performs magnetic recording, or may be a nonmagnetic film having conductivity.
[0013]
In addition, by providing a reciprocating current wiring to the cantilever to supply current to the probe and having the current component parallel to the sample surface at the tip of the probe, the probe current and the sample surface The Lorentz force between the two magnetic fluxes can be applied.
[0014]
JP-A-3-38864 describes an invention that uses Lorentz force to measure the magnetic flux density on the sample surface. However, in the present invention, a charge e is applied to the tip of the probe, the tip of the probe is moved at a speed ν to obtain a Lorentz force F = eν × B, and a magnetic flux is obtained from the Lorentz force. Therefore, the present invention is basically different from the present invention in which a current is passed through the probe and the Lorentz force acting between the current and the magnetic flux density is detected.
[0015]
Further, the scanning Lorentz force probe microscope of the present invention is arranged to face the sample surface, a probe through which an alternating current flows, a cantilever having the probe fixed to one end, an alternating current power source for flowing an alternating current through the probe, Detecting means for detecting magnetic flux on the sample surface for detecting vibration of the cantilever caused by Lorentz force acting between the alternating current flowing through the probe and the magnetic flux on the sample surface; and moving the probe relative to the sample. By providing the moving means, the Lorentz force distribution between the sample surface and the probe can be detected, and the magnetic flux density distribution on the sample surface can be obtained therefrom.
[0016]
In the scanning Lorentz force probe microscope of the present invention, any means for detecting the Lorentz force may be used as long as it has the required sensitivity and stability. For example, the bending of the cantilever caused by the Lorentz force on the sample surface is detected by light. For example, a method of detecting by a resistance change of a piezoresistor formed on a cantilever can be used.
[0017]
That is, in the scanning Lorentz force probe microscope of the present invention, the probe is fixed to the free end of the cantilever, By Lorentz force An optical system for detecting the amount of bending is provided, and as the Lorentz force detection means, an optical system that detects the amount of bending of the cantilever caused by the probe receiving the Lorentz force may be used. The probe is fixed to the free end of the cantilever, and a piezoresistor is formed on the cantilever, and the amount of bending of the cantilever caused by the Lorentz force as a Lorentz force detection means What detects by a change may be used.
[0018]
Among these detection means, the method of using a piezoresistor formed on the cantilever for detecting the bending of the cantilever by the Lorentz force has an advantage that the detection system can be made compact compared to the case of using the optical system. In the case of a conventional scanning probe microscope, many proposals have already been made regarding the use of a piezoresistor for detecting the deflection of a cantilever. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-260360 has formed a piezoresistor. An improvement in the method of manufacturing cantilevers is described.
[0019]
In the detection of the Lorentz force in the present invention, high sensitivity can be obtained by using light. On the other hand, by using the cantilever, it is possible to take advantage of the characteristics of the cantilever, such as being compact. Further, the bending of the cantilever due to the Lorentz force can have a shape suitable for detection by a piezoresistor. For example, when the probe is brought into contact with the sample, the tip of the probe becomes a fulcrum of the tip of the cantilever, and when the Lorentz force is applied to the probe, a torsional force is applied to the cantilever. The resistance change of the piezoresistor formed on the cantilever is caused by the bending of the cantilever, and the torsional deflection of the cantilever due to the Lorentz force is suitable for detection by the piezoresistor.
[0020]
In the case where a piezoresistor is formed on the cantilever and the bending of the cantilever caused by the Lorentz force on the sample surface is detected, a current path of the piezoresistor and a path for passing current to the probe may be provided. However, the same current path may be used for both the current path of the piezoresistor and the path for passing current through the probe.
[0021]
In the present invention, an alternating current can be used as the current flowing through the probe, and the detection sensitivity of the Lorentz force can be enhanced by selecting and using a frequency near the resonance mode of the cantilever as the frequency of the alternating current. .
[0022]
Further, a slight direct current component can be added to the alternating current in the current flowing through the probe. By doing so, a resistance value between the probe and the magnetic body is obtained by the direct current component of the current flowing through the probe, and the strain deflection amount can be normalized using this resistance value. Alternatively, the effective value of the alternating current between the probe and the magnetic material may be measured, and the strain deflection amount may be normalized using the effective value of the alternating current. By this standardization, the influence of the fluctuation of the resistance value in the detected signal can be greatly reduced, and the accuracy and stability of detecting the magnetic flux density by the Lorentz force can be improved.
[0023]
The probe used in the present invention can increase the resolution of detecting the magnetic flux on the sample surface by making the probe thinner and reducing the radius of curvature of the tip. Thus, by sufficiently increasing the resolution of detecting the magnetic flux of the probe, it is possible to detect the reversal of the magnetization direction of the sample surface in the form of a dipulse.
[0024]
The Lorentz force detecting means for detecting the magnetic flux on the sample surface by the Lorentz force used in the scanning Lorentz force probe microscope of the present invention can be applied to the information reproducing apparatus and the magnetic flux detection on the surface of the recording medium in the information recording / reproducing apparatus.
[0025]
That is, the information reproducing apparatus according to the present invention is configured to flow an alternating current through a magnetic recording medium, a probe that is disposed opposite to the surface of the magnetic recording medium and through which an alternating current flows, a cantilever having the probe fixed to one end, and the probe. An AC power source, a Lorentz force detecting means for detecting the Lorentz force by detecting vibration of a cantilever caused by a Lorentz force acting between an AC current flowing through the probe and a magnetic flux on the sample surface, and the probe as a magnetic recording medium And a moving means for moving relative to each other.
[0026]
The information recording / reproducing apparatus of the present invention also includes a magnetic recording medium, a magnetic recording head for recording an information signal on the magnetic recording medium, a probe arranged opposite to the surface of the magnetic recording medium and through which an alternating current flows, and the probe at one end. Detects Lorentz force by detecting cantilever vibration caused by Lorentz force acting between the AC current flowing through the probe and the magnetic flux on the sample surface. And a moving means for moving the magnetic recording head and the probe relative to the magnetic recording medium.
[0027]
By using the information reproducing apparatus or information recording / reproducing apparatus for detecting magnetic flux by the Lorentz force of the present invention, the magnetic flux on the surface of the magnetic recording medium can be detected directly by the current flowing through the tip of the fine probe, Since the magnetic flux in the region can be detected with a high resolution, it is possible to reproduce an information signal recorded at an extremely high density.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram schematically showing a Lorentz force detection unit acting between a current flowing through a probe and a magnetic flux on a sample surface in an embodiment of the scanning Lorentz force probe microscope of the present invention. In FIG. 1, a thick arrow written on the sample surface 3 schematically shows the direction of magnetization, and a curve with an arrow coming out of the surface and returning to the surface schematically shows the flow of magnetic flux. It is.
[0029]
In FIG. 1, when a current I flows through a probe 2 provided at the tip of a cantilever 1, a Lorentz force acts on this current due to a magnetic flux density B from the sample surface 3, and the cantilever 1 receives a force F. The Lorentz force F acting on the current per unit length is the outer product F = I × B of the current vector I and the magnetic flux density vector B. Therefore, by passing the current I through the probe for a length L, the Lorentz force LI × B acting on the probe can be detected as a vector quantity, and the magnetic flux density B on the sample surface as the vector quantity can be obtained.
[0030]
In FIG. 1, the cantilever 1 is inclined with respect to the sample plane in order to reduce the influence of the current flowing on the cantilever as far as possible from the sample surface in order to pass the current through the probe. .
[0031]
In FIG. 1, an AC voltage is applied between the probe 2 and the sample 3 by using an AC voltage source 80, and an alternating current reciprocating between the probe and the sample 3 flows as a current flowing through the probe 2. In this case, the Lorentz force acting on the probe 2 gives the cantilever 1 a lateral vibration perpendicular to the current vector and the magnetic flux density vector. The light generated by the semiconductor laser 4 is reflected by the upper surface of the cantilever 1, and the change in the position of the reflected light is used to generate vibration in the width direction of the cantilever using the CD signal of the quadrant photodiode 5. It is detected as scattered light, and the frequency, amplitude, phase, etc. of the vibration in the width direction of the cantilever can be detected via the preamplifier 70.
[0032]
Here, the CD signal of the four-divided photodiode means that the sum of two diode signals in the vertical column of the four-divided photodiodes is C and D, and the CD signal that is the difference between them is taken. To do. In the case of a four-divided photodiode, the sum of two diode signals in the horizontal row of the four-divided photodiodes can be A and B, and an A-B signal obtained by taking the difference can be detected. This AB signal can be detected simultaneously with the CD signal, and it is possible to detect van der Waals force, electrostatic force, and the like, which are longitudinal forces of the cantilever. By keeping the signal constant, the distance between the probe and the sample can be kept constant, and the force for pressing the probe against the sample can be kept constant.
[0033]
2 and 3 show the result of measuring the Lorentz force as the CD signal amplitude of the four-division photodiode 5 in this way and the result of calculating the Lorentz force when the tip of the probe is narrowed. Are both shown as changes in the horizontal direction on the sample surface. The white circle point CD signal amplitude measurement value, the solid line is the Lorentz force calculation value. The measurement results shown in FIG. 2 and FIG. 3 show that the probe 2 is brought into contact with the sample surface 3, an alternating current is supplied from the alternating current power supply 80, and a current of 1.0 μA for Lorentz force detection is passed through the probe 2. It was obtained by. The calculation was performed under the same conditions as in the measurement except that the tip width of the probe was changed.
[0034]
The calculation results shown in FIG. 2 are calculated assuming a square-wave-like magnetic flux distribution on the sample surface, and FIG.
[Expression 2]

It is calculated using. However, M _r Is the magnetization in the magnetic body, μ ₀ Is the magnetic permeability, δ is the thickness of the magnetic material, a is the magnetization reversal coefficient, z ₁ Is the vertical distance from the surface of the magnetic material, x ₁ Is the distance on the surface of the magnetic material where the boundary at which magnetization is reversed is zero.
[0035]
It can be seen that by reducing the tip of the probe in this way, the resolution of magnetic flux detection can be increased, and the reversal of the magnetization direction of the sample surface can be detected as a dipulse.
[0036]
Further, when the probe is in contact with the sample in this way, the cantilever has a resonance mode different from the resonance mode in the non-contact state. Accordingly, even when the probe and the sample are in contact with each other, the detection sensitivity of the Lorentz force can be increased by causing an alternating current having a frequency close to the resonance mode to flow through the probe.
[0037]
The frequency of the resonance mode in a state where the probe and the sample are in contact changes depending on the magnitude of the force pressing the probe against the sample. For this reason, when the frequency of the alternating current for detecting the Lorentz force is matched with this resonance frequency, the surface irregularity signal tends to be superimposed on the Lorentz force signal. Therefore, by shifting the frequency of the alternating current slightly from the resonance frequency, it was possible to avoid superimposing the surface unevenness signal on the Lorentz force signal, and the Lorentz force image and the uneven image could be observed separately. . For example, the center frequency of the resonance mode is 100 kHz, and when the alternating current frequency is set to this frequency, a part of the concavo-convex image is seen in the Lorentz force image, whereas the alternating current frequency is set to 93.9 kHz. A Lorentz force image in which the concavo-convex image was not superimposed was obtained. Thus, the frequency of the alternating current shifted from the resonance frequency is shifted from the resonance point to such an extent that superimposition of the uneven signal on the Lorentz force signal does not become a problem, and a frequency within a range in which high sensitivity by resonance is maintained is appropriately selected. Can do.
[0038]
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a diagram schematically showing a Lorentz force detection unit that works between the current flowing through the probe and the magnetic flux on the sample surface in another embodiment of the scanning Lorentz force probe microscope of the present invention. For vibration detection from the cantilever, the configuration of the vibration detection system can be simplified by using an optical fiber optical interference device as shown in FIG. The laser light from the optical fiber optical interference device is guided by the optical fiber, irradiated to the side surface of the cantilever 1 provided with the probe 2, and the reflected light is again guided to the optical fiber and returned to the optical interference device 61. The interference light with the light that has not been reflected is detected by the photodetector and converted into an electrical signal. In FIG. 4, the same reference numerals are used for the same components as in FIG.
[0039]
The higher the frequency of the alternating current flowing through the probe, the better the S / N ratio, which is desirable. However, when the frequency is high, signal attenuation or delay in the electric circuit becomes a problem. Therefore, by using a detection method using an optical fiber, the other end of the optical fiber is arranged near the circuit to which an AC voltage for applying an alternating current to the cantilever is applied, and a photodetector is provided here, thereby providing an electric circuit. The signal attenuation and delay at can be reduced as much as possible.
[0040]
In addition, by adjusting the frequency of the AC voltage to be close to one of the natural frequencies of the cantilever, the detection sensitivity can be increased by utilizing the expansion of vibration and the change of phase due to resonance.
[0041]
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a diagram schematically showing a Lorentz force detection unit that works between the current flowing through the probe and the magnetic flux on the sample surface in still another embodiment of the scanning Lorentz force probe microscope of the present invention. . In FIG. 5, the probe 2 is brought into contact with the sample surface 3, and an alternating current is supplied from an alternating current power supply 80, whereby a current for detecting the Lorentz force is passed through the probe 2. Since the probe 2 is in contact with the sample surface 3, the tip of the probe 2 serves as a fulcrum of the tip of the cantilever 1, and a torsional force acts on the cantilever 1 by Lorentz force. For detecting the torsional deflection of the cantilever, a piezoresistor 7 is provided around the cantilever, and the Lorentz force is detected by a change in resistance of the piezoresistor 7 and input to the preamplifier 70.
[0042]
Thus, by using the piezoresistor for detecting the Lorentz force from the cantilever, the detection system can be made compact, and high sensitivity can be obtained by appropriate use.
[0043]
(Embodiment 4)
FIG. 6 is a diagram schematically showing an embodiment of the system configuration of the scanning Lorentz force probe microscope of the present invention, where (A) is a block diagram thereof and an elevation view of a sample portion, and (B) is a sample. It is a top view of a part. In FIG. 6, a probe 2 is held on the free end side of the cantilever 1, and the probe 2 is opposed to the sample 3 in the vicinity.
[0044]
An AC power supply 80 is connected to the probe 2 via the cantilever 1, and an AC voltage is applied between the probe 2 and the surface of the sample 3. Due to this AC voltage, a current I flows through the probe 2 and a displacement current flows from the probe 2 to the surface of the sample 3. A Lorentz force of F = LI × B acts between the alternating current I (length L) flowing through the probe and the magnetic flux density B from the sample surface. Since the current I is an alternating current, the Lorentz force F gives vibration to the cantilever 1. If the direction of the magnetic flux density B is the left and right direction (X direction) of FIGS. 3A and 3B and the current I flowing through the probe 2 is a direction perpendicular to the surface of the sample 3 (Z direction), The Lorentz force F causes the cantilever to vibrate in the width direction (Y direction).
[0045]
The frequency of the alternating current applied to the probe is preferably a frequency close to the nth-order natural vibration (n ≧ 1) of the vibration in the width direction of the cantilever 1. The vibration in the width direction of the cantilever 1 is picked up by the fiber interferometer 61, amplified by the preamplifier 70, input to the lock-in amplifier 71, and selectively amplified using the signal from the AC power supply 80 as a reference signal. Note that the direction of the magnetic flux may be read from the phase of the vibration in the width direction.
[0046]
On the other hand, the cantilever 1 and the probe constitute an atomic force microscope that detects unevenness of the sample surface, and are controlled so as to keep the distance between the sample 3 and the probe 2 constant. For this reason, the piezoelectric element 5 for vibration is attached to the holding portion at the rear end of the cantilever 1. An oscillation output signal from an oscillator 9 is supplied to the piezoelectric element 5, and the cantilever 1 is vibrated through the piezoelectric element 5 at a frequency close to the natural vibration in the thickness direction. The vibration of the cantilever 1 is detected by the optical fiber optical interference device 62, amplified by the preamplifier 8, and then input to the lock-in amplifier 10.
[0047]
In the configuration of the atomic force microscope, for example, when the probe 2 approaches the sample 3, the cantilever 1 is bent by the atomic force generated between the probe 2 and the sample 3, and thereby the optical fiber optical interference device 62. And the changed output signal is amplified to an appropriate amplitude by the preamplifier 8 and supplied to the lock-in amplifier 10 for observing the concavo-convex image. The lock-in amplifier 10 outputs a signal obtained by selecting and amplifying the frequency component of the frequency of the output signal from the oscillator 9 from the input signal from the optical fiber optical interference device.
[0048]
The output signal from the lock-in amplifier 10 is sent to the error amplifier 11, and the error amplifier 11 outputs a deviation between this output and a constant voltage set by the reference voltage V, that is, a fixed frequency. It is sent to the Z piezoelectric element driving power source 13 through the filter 12. This Z piezoelectric element drive power supply 13 supplies a voltage for feedback control to the piezoelectric element 4 to keep the distance (Z-axis direction) between the probe 2 and the sample 3 constant based on the output signal from the filter 12. ing. Here, the piezoelectric element 4 is an element for controlling each position of the sample 3 in the X axis (left and right direction in FIG. 1), Y axis (direction perpendicular to the paper surface in FIG. 1), and Z axis direction (up and down direction in FIG. 1). is there. The filter 12 is provided to stably operate such a feedback circuit. The output of the filter 12 is a signal of an uneven image on the surface of the sample 3, and this signal is sent to an image display device (not shown).
[0049]
Under such control that keeps the distance between the probe 2 and the sample 3 constant, an AC voltage is applied between the probe 2 and the sample 3, and the Lorentz force is detected from the vibration in the width direction of the cantilever 1, Further, by applying a scanning signal in the X and Y directions to the piezoelectric element 4 to scan the sample 3 two-dimensionally, the distribution of the Lorentz force F is obtained, and a predetermined LI value is used, and F = LI × B. The distribution of the magnetic flux density B can be obtained and displayed on the image display device. By performing scanning while changing the relative angle between the sample and the cantilever, the distribution of the magnetic flux density B as a vector quantity can be obtained.
[0050]
The probe material is conductive and preferably has a small radius for narrowing the track width. For example, carbon nanotubes having conductivity are suitable as a probe material.
[0051]
Further, it is preferable that the cantilever used in the present invention has a longitudinal spring constant larger than a lateral spring constant to suppress longitudinal vibration when an AC voltage is applied to the probe.
[0052]
In this embodiment, two optical fiber optical interference devices are used to detect the bending of the cantilever in the vertical direction and the horizontal direction. However, as in the second embodiment, the AB signal and the CD signal of the four-division photodiode are used. May be used to detect the amount of deflection. Further, as in the third embodiment, the amount of deflection may be detected using the resistance change of the piezoresistor.
[0053]
(Embodiment 5)
FIG. 7 is a diagram schematically showing a main part of a system configuration in an embodiment of an information reproducing apparatus to which the scanning Lorentz force probe microscope of the present invention is applied. In FIG. 7, the cantilever 2 is oriented in a direction parallel to the rotation direction of the magnetic disk 30 that is a magnetic recording medium. The cantilever 2 is fixed to the vertical fine movement device 5 in an inclined state with respect to the surface of the magnetic disk 30. The optical fiber optical interference device 61 is fixed to the moving arm 34 so that the positional relationship between the optical fiber optical interference device 61 and the cantilever 1 is maintained.
[0054]
When an AC voltage consisting of a square wave is applied to the probe 2 using the AC power supply 80, a displacement current flows between the probe 2 and the magnetic disk 30. That is, since there is a capacitance between the probe 2 and the magnetic disk 30, positive and negative charges are alternately present in the probe 2, and this AC voltage causes the charge to enter and exit from the probe. A current flows during the probe. Thus, when a current flows through the probe in a direction perpendicular to the surface of the magnetic recording medium 30 that is a magnetic recording medium, a Lorentz force proportional to the magnetic flux density parallel to the magnetic disk and the current flowing in the probe is increased in the longitudinal direction of the magnetic cantilever. It works in a direction perpendicular to the direction and parallel to the magnetic disk, that is, in the width direction. When the direction of current flow on the probe is reversed, the Lorentz force is reversed, so that the probe is vibrated in the radial direction of the disk at the frequency of the AC voltage by the Lorentz force.
[0055]
First, this vibration is detected as a vibration of scattered light in the horizontal direction with a four-division photodiode, and when the waveform is measured with a digital storage oscilloscope, the probe vibrates at the same frequency as the input voltage frequency of the probe. It was confirmed that the phase with respect to the input voltage was reversed when the longitudinal magnetic recording direction in the cantilever direction of the sample was reversed. Furthermore, it was confirmed that when the electric signal of the needle vibration by the photodiode was input to the lock-in amplifier using the input voltage as a reference, the lock-in amplifier output was inverted depending on the direction of the magnetic flux density in the longitudinal direction of the cantilever.
[0056]
Next, as shown in FIG. 8, when the cantilever is arranged in a direction perpendicular to the longitudinal magnetic recording direction and the direction of the cantilever and the direction of the magnetic flux coincide with each other, the width direction of the probe by voltage application No vibrations were observed. This is because the Lorentz force is the outer product of the current and the magnetic flux density direction, and in the above embodiment, the angle formed by the magnetic flux of the magnetic recording medium and the cantilever is shown in FIG. 1 or FIGS. In this arrangement, the Lorentz force acts in the length direction of the cantilever as shown in FIG. In this way, it was possible to confirm the detection of the Lorentz force acting between the probe current and the magnetic recording medium magnetic flux.
[0057]
Next, the magnetic disk on which sinusoidal longitudinal magnetic recording was recorded concentrically was rotated, the phase of the lateral vibration of the cantilever was detected, and information corresponding to the magnetic recording could be read. In addition, by setting the frequency of the alternating current in the vicinity of the resonance frequency of the lateral vibration of the cantilever, it was possible to reduce information signal reading errors.
[0058]
Next, a vibration in the width direction of the cantilever 1 is detected by the optical fiber optical interference device 61 fixed to the moving arm 34 instead of the above four-divided photodiode, and input to the lock-in amplifier 71 via the preamplifier 70. The signal from the AC power supply 80 was selectively amplified as a reference signal, and this output was subjected to signal processing by the signal processor 72, and the information signal recorded on the magnetic recording medium 30 was reproduced to obtain a reproduction output. .
[0059]
In the above embodiment, the change in polarity of the lateral amplitude of the cantilever is detected and used as a signal. However, the difference in phase between the output signal of the optical lever and the sinusoidal voltage applied to the forced vibration piezoelectric body. This can be used as a signal for detecting the Lorentz force. Although omitted here, as described in the third embodiment, in order to keep the distance between the probe and the sample constant, the probe and the sample are controlled by feedback control used in a non-contact atomic force microscope. The distance between can be kept constant. Further, as in the third embodiment, the amount of deflection may be detected by using the resistance change of the piezoresistor caused by the lateral amplitude of the cantilever, and this may be used as a signal.
[0060]
In this embodiment, the current flowing through the probe is defined as a displacement current. However, the current flowing through the probe may be a tunnel current that flows when the probe and the sample surface are not in contact with each other. An ohmic current, a Schottky current, or the like that flows when contact is made.
[0061]
When an ohmic current or a Schottky current that is a current that flows when the probe and the sample come into contact with each other as a current for detecting the Lorentz force, the probe located at the tip of the cantilever and the sample are in contact with each other. State. In a state where the probe and the sample are in contact, a plurality of resonance modes different from the resonance mode in the non-contact state exist in a form corresponding to the cantilever shape. Therefore, even when the probe and the sample are in contact with each other, detection sensitivity can be increased by passing an alternating current having a frequency close to these resonance modes through the probe.
[0062]
As described above, the frequency of the resonance mode in which the probe and the sample are in contact is affected by the magnitude of the force pressing the probe against the sample, and the frequency of the alternating current that detects the Lorentz force is the resonance frequency. Since the surface irregularity signal tends to be superposed on the Lorentz force signal, the superposition of the surface irregularity signal on the Lorentz force signal is avoided by slightly shifting the frequency of the alternating current from the resonance frequency.
[0063]
A known method can be used for information recording in the information recording / reproducing apparatus of the present embodiment. That is, it is possible to use a method of magnetizing the surface of a magnetic recording medium by generating a magnetic field of a recording information signal with a coil and concentrating the magnetic flux of the signal with a soft magnetic probe.
[0064]
(Embodiment 6)
FIG. 9 schematically shows a cantilever-probe system used in an embodiment of the present invention, in which a current is supplied from the cantilever to the probe and a lateral current component is applied near the tip of the probe. FIG. The probe-cantilever system shown in FIG. 9 was used, and the magnetic flux component in the direction perpendicular to the magnetic recording medium surface was detected by the same configuration of the magnetic recording / reproducing apparatus as in FIG. 4 of the fourth embodiment.
[0065]
FIG. 9 schematically shows detection of a vertical magnetic flux component of a magnetic flux from a magnetic recording medium on which perpendicular magnetic recording has been performed. As shown in FIG. 9, by supplying an alternating current to the tip 21 of the probe, the cantilever vibrates by receiving a Lorentz force in the width direction. In this way, the vibration in the width direction of the cantilever 1 shown in FIG. 4 is detected by the optical fiber optical interference device 61 fixed to the moving arm 34 and input to the lock-in amplifier 71 via the preamplifier 70. The signal was selectively amplified as a reference signal, and this output was subjected to signal processing by the signal processing device 72. The perpendicular magnetic flux of the magnetic recording medium 30 was detected by the Lorentz force, and a reproduced output of the recorded information signal was obtained.
[0066]
In the present embodiment, the case where the direction of the cantilever is perpendicular to the track direction of the magnetic recording medium as shown in FIG. 9 is shown. However, even when the direction of the cantilever is parallel to the track direction, Since the outer product exists, it is possible to reproduce the magnetic recording signal.
[0067]
Note that in high-density magnetic recording, the perpendicular magnetic flux component increases even if not perpendicular magnetic recording, and it can be seen that reproduction of magnetic recording signals by such Lorentz force is particularly useful in high-density magnetic recording.
[0068]
【The invention's effect】
[0069]
According to the scanning probe microscope for detecting the Lorentz force according to the present invention, the distribution of the magnetic flux density on the sample surface can be examined without using a magnetic material at the tip of the probe. In addition, this method can be used to reproduce a magnetic recording signal recorded at an extremely high density.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a Lorentz force detection unit using a quadrant photodiode in an embodiment of a scanning Lorentz force probe microscope of the present invention.
FIG. 2 shows the measurement result of the Lorentz force in the horizontal direction of the sample and the result of calculating the Lorentz force detected when the tip of the probe is made thin, assuming a square-wave magnetic flux distribution. FIG.
FIG. 3 shows the measurement result of the change in Lorentz force in the horizontal direction of the sample and the Lorentz force detected when the tip of the probe is made thin, assuming the wavy magnetic flux distribution of the theoretical formula. It is the figure which showed the result.
FIG. 4 is a diagram schematically showing a Lorentz force detection unit using an optical fiber optical interference device in another embodiment of the scanning Lorentz force probe microscope of the present invention.
FIG. 5 is a diagram schematically showing a Lorentz force detection unit using a piezoresistor formed on a cantilever in a further embodiment of the scanning Lorentz force probe microscope of the present invention.
FIG. 6 is a diagram schematically showing an embodiment of a system configuration of a scanning Lorentz force probe microscope of the present invention.
FIG. 7 is a diagram schematically showing a main part of a system configuration in an embodiment of an information reproducing apparatus to which a scanning Lorentz force probe microscope of the present invention is applied.
FIG. 8 is a view when the cantilever and the magnetic flux are arranged so that they coincide with each other.
FIG. 9 shows a cantilever-probe system used in an embodiment of the present invention, in which a current is supplied from the cantilever to the probe and a lateral current component is applied near the tip of the probe. It is the figure shown typically.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cantilever, 2 ... Probe, 3 ... Sample, 4 ... Piezoelectric element, 5 ... Semiconductor laser, 6 ... Photodiode, 7 ... Piezoresistor, 8 ... Preamplifier, 9 ... ... Oscillator 10... Lock-in amplifier 11. Error amplifier 12. Filter 13. Z piezoelectric element drive power supply 24. Voltage source 30. Magnetic recording medium 34. …… Precise air spindle, 42 …… Vertical fine movement device, 61, 62 …… Optical fiber optical interference device, 70 …… Preamplifier, 71 …… Lock-in amplifier, 72 …… Signal processor, 80 …… AC Power supply.

Claims (3)

A probe that is placed in contact with and in opposition to the sample surface, and an ohmic current or a Schottky current flows between the sample surface, a power source for supplying current to the probe, a current flowing through the probe, and the sample A scanning Lorentz force probe microscope, comprising: a Lorentz force detecting means for detecting a deflection amount of a cantilever caused by a Lorentz force acting between magnetic fluxes on a surface.  The probe is fixed to the free end of the cantilever, and the cantilever is provided with an optical system for detecting the amount of bending due to the Lorentz force. The Lorentz force detection means is generated when the probe receives the Lorentz force. 2. The scanning Lorentz force probe microscope according to claim 1, wherein the bending amount of the cantilever is detected by the optical system.  The probe is fixed to the free end of the cantilever, and the cantilever is formed with a piezoresistor for detecting the amount of bending due to the Lorentz force, and the Lorentz force detection means is configured to 2. The scanning Lorentz force probe microscope according to claim 1, wherein the amount of bending of the cantilever generated is detected by a resistance change of the piezoresistor.

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