JP4345179B2 - 磁界測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓcanning Ｐrobe Ｍicroscope）の技術を応用し、磁気記録媒体や磁性膜などの表面近傍の局所的な磁界を測定する場合や、集積回路の微小配線の電流を測定する場合などに使用される磁界測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、磁気記録媒体や磁性膜などの表面近傍の局所的な磁界を高空間分解能で測定する手段として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａtomic Ｆorce Ｍicroscope）の技術を発展させた磁気力顕微鏡（ＭＦＭ：Ｍagnetic Ｆorce Ｍicroscope）が実用化されている。
【０００３】
一般的な磁気力顕微鏡は、カンチレバーの自由端に設けた磁性体チップを試料の表面近傍に配置させ、この磁性体チップに働く磁気力を検出することにより、試料の表面近傍の局所的な磁界を測定するというものであるが、磁性体チップは予め磁化したものを使用するとしている。
【０００４】
そこで、一般的な磁気力顕微鏡では、磁界の検出感度を上げるために、カンチレバーを共振周波数付近で加振し、カンチレバーの振動の振幅や位相の変化を検出する方法をとっている。しかし、このようにすると、得られる結果が、磁界の勾配像となることや、磁性体チップの磁化方向により変わってしまうことから、測定結果の解釈が困難であるという問題点があった。
【０００５】
このような問題点を解決する手法として、磁性体チップの磁化をコントロールすること、特に、変調することが考えられている。このように、磁性体チップの磁化を変調する手法を採用する場合には、試料からの磁界と磁性体チップとの相互作用を変調し、磁界の検出感度の向上を期待することができる。
【０００６】
たとえば、アプライド・フィジックス・レターズ・第５０巻（１９８７年）・第１４５５頁の論文や特開平５−２０３６２６号公報には、先端部を探針とするＬ字形の磁性体カンチレバーを設け、この磁性体カンチレバーの根元近傍にコイルを巻き、このコイルに流す電流を制御することにより、磁性体カンチレバーの先端部の磁化を制御する磁界測定装置が開示されている。
【０００７】
また、特開平１１−１０８９４１号公報には、カンチレバーの自由端に磁性体チップを形成すると共に、カンチレバーの磁性体チップ形成面に磁性体チップの根元が内側に位置するようなコイル部を有する導電路を形成し、この導電路に電流を流すことにより、導電路のコイル部から磁性体チップ付近に磁界を発生させて磁性体チップの磁化を制御する磁界測定装置が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平５−２０３６２６号公報に開示の磁界測定装置のように、先端部を探針とするＬ字形の磁性体カンチレバーを設け、この磁性体カンチレバーの根元近傍にコイルを巻き、このコイルに流す電流を制御することにより先端部の磁化を制御するという構成では、先端部の磁化制御を効率良く行うことができないという問題点があった。
【０００９】
また、特開平１１−１０８９４１号公報に開示の磁界測定装置のように、磁性体チップの根元にコイル部を形成するという構成では、コイル部から発生した磁界が、磁性体チップ以外の部分でも試料からの磁界と相互作用してしまうため、測定の空間分解能を低下させてしまうという問題点があった。
【００１０】
ここに、特開平１１−１６６９３６号公報には、カンチレバーの先端にコイルを設け、このコイルが発生する磁界が磁性体チップの先端に集中し、他の部分に漏れないように工夫した磁界測定装置が開示されている。この磁界測定装置によれば、空間分解能の向上を図ることができるが、プローブの加工に非常に複雑な工程が必要であるという問題点があった。
【００１１】
本発明は、かかる点に鑑み、カンチレバーの自由端に設けた磁性体チップの磁化変調を簡単な構成で行うことができ、しかも、試料の表面近傍の局所的な磁界の測定を高感度で行うことができるようにした磁界測定装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁界測定装置は、カンチレバーの自由端に磁化変調可能な磁性体チップを有し、試料に対する位置を相対的に可変可能とされたプローブと、前記磁性体チップの内部に前記カンチレバーの撓み方向に磁化を発生させることができるように前記プローブの外部に配置され、前記試料の表面近傍に配置させた前記磁性体チップに、前記磁性体チップの前記カンチレバーの撓み方向の端部間での磁界の空間変化が１％以下となる交流磁界を与えるコイルと、前記コイルに交流電流を供給して前記交流磁界を発生させる交流電源を有しているというものである。
【００１３】
本発明によれば、プローブの外部に配置させたコイルにより、試料の表面近傍に配置させた磁性体チップに交流磁界を与えることができるので、磁性体チップに簡単な構成で磁化変調を起こさせることができると共に、コイルが発生する磁界と試料が発生する磁界との相互作用がカンチレバーの振動に何ら影響を与えないようにすることができる。また、コイルは磁性体チップに、磁性体チップのカンチレバーの撓み方向の端部間での磁界の空間変化が１％以下となる交流磁界を与えるものとしているので、コイルが発生する磁界と磁性体チップとの相互作用によるカンチレバーの振動を小さく抑えることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態の概念図である。図１中、１は試料、２は試料１を保持する試料台、３はプローブであり、プローブ３において、４はカンチレバー、５はカンチレバー４を支持するプローブ基板、６はカンチレバー４の自由端の下側に設けられた磁化変調可能である軟磁性体からなる磁性体チップである。
【００１５】
また、７は３軸以上の移動機構を持ち、試料１とプローブ３の相対位置を変化させるために試料台２又はプローブ３を３軸方向以上に駆動可能とされた駆動装置であり、磁界測定時には、磁性体チップ６を試料１の表面近傍に位置させるように動作する。
【００１６】
また、８は磁性体チップ６の内部に上下方向の磁化を発生させることができるようにプローブ３の外部に設けられたコイル、９はコイル８に交流電流を供給する交流電源であり、コイル８は、後述するように、内径が磁性体チップ６の大きさに比較して十分に大きく、コイル８が発生する磁界の磁性体チップ６付近における空間変化が非常に小さくなるようにしたものである。
【００１７】
また、１０はカンチレバー４の自由端の上下方向の撓みを検出する撓み検出器、１１は撓み検出器１０の出力信号の中から交流電源９の出力である交流電流に同期した成分を検出することにより、試料１の表面近傍の局所的な磁界を検出するロックイン検出器である。
【００１８】
本発明の一実施形態は、駆動装置７により磁性体チップ６を試料１の表面近傍に位置させ、コイル８に交流電源９から交流電流を供給し、コイル８が発生する交流磁界により磁性体チップ６を磁化変調し、試料１が発生する磁界から磁性体チップ６が受ける磁気力を周期的に変化させてカンチレバー４の自由端を上下方向に振動させ、カンチレバー４の上下方向の振動を撓み検出器１０で検出し、撓み検出器１０の出力信号の中から交流電源９の出力である交流電流に同期した成分をロックイン検出器１１で検出することにより、試料１の表面近傍の局所的な磁界を測定するというものである。
【００１９】
なお、本発明の一実施形態においては、磁性体チップ６を試料１の表面近傍に位置決めし、走査型プローブ顕微鏡で一般的なように、磁性体チップ６を試料表面と接触させずに一定量浮かしたまま磁性体チップ６を試料表面に対して相対的に走査し、各点での磁界を測定する工程が実行されるが、磁性体チップ６の試料１の表面近傍への位置決めは、例えば、駆動装置７により試料台２又はプローブ３を駆動し、試料１と磁性体チップ６との距離を縮め、磁性体チップ６の先端を試料表面に接触させ、撓み検出器１０により磁性体チップ６の先端が試料表面に接触したことを検出し、その後、試料１と磁性体チップ６との距離を一定量広げることにより行うことができる。
【００２０】
また、本発明の一実施形態においては、磁性体チップ６の大きさに比べて、十分に大きな内径を持つコイル８により、ほぼ一様な磁界を磁性体チップ６付近に発生させ、磁性体チップ６を磁化変調するが、変調周波数ｆ［Ｈｚ］は、磁性体チップ６の磁化がコイル８からの交流磁界に十分に追随できる範囲、かつ、カンチレバー４の機械的共振周波数以下とする。
【００２１】
図２はコイル８が発生する交流磁界による磁性体チップ６の磁化状態を説明するための図であり、図２Ａは磁性体チップ６に与えられる交流磁界１２の向きが上向きの場合、図２Ｂは磁性体チップ６に与えられる交流磁界１２の向きが下向きの場合を示している。
【００２２】
図２Ａに示すように、磁性体チップ６に与えられる交流磁界１２の向きが上向きの場合には、磁性体チップ６の上端及び下端にはそれぞれ正磁荷１３及び負磁荷１４が発生し、磁性体チップ６は矢印１５に示すように磁化され、この場合、たとえば、試料１から上向きの磁界１６が与えられると、磁性体チップ６には下向きの磁気力１７が発生し、カンチレバー４は下側に撓むことになる。
【００２３】
これに対して、図２Ｂに示すように、磁性体チップ６に与えられる交流磁界１２の向きが下向きの場合には、磁性体チップ６の上端及び下端にはそれぞれ負磁荷１８及び正磁荷１９が発生し、磁性体チップ６は矢印２０に示すように磁化され、この場合、たとえば、試料１から上向きの磁界１６が与えられると、磁性体チップ６には上向きの磁気力２１が発生し、カンチレバー４は上側に撓むことになる。
【００２４】
本発明の一実施形態においては、磁性体チップ６は、コイル８から与えられる交流磁界１２により、図２Ａに示す磁化状態と図２Ｂに示す磁化状態とを交互に取るように磁化変調されるので、磁性体チップ６が試料１の磁界から受ける磁気力が周波数ｆで変化し、カンチレバー４は、周波数ｆで振動することになる。そこで、本発明の一実施形態においては、カンチレバー４の上下方向の撓みを撓み検出器１０で検出し、カンチレバー４の上下方向の振動の振幅及び位相をロックイン検出器１１で検出するようにしている。
【００２５】
ここに、カンチレバー４の上下方向の振動の振幅は、試料１が発生する試料１の表面近傍の磁界の試料表面に垂直な成分の大きさに比例するので、試料１が発生する試料１の表面近傍の垂直方向の磁界の大きさは、カンチレバー４の上下方向の振動の振幅を検出することで分かる。
【００２６】
また、図２Ａに示すように交流磁界１２が上向きの時にカンチレバー４が下側に撓むという位相関係あるいは図２Ｂに示すように交流磁界が下向きの時にカンチレバー４が上側に撓むという位相関係があるならば、試料１の磁界が上向きであることが分かり、交流磁界が上向きの時にカンチレバー４が上側に撓むという位相関係あるいは交流磁界が下向きの時にカンチレバー４が下側に撓むという位相関係があるならば、試料１の磁界が下向きであることが分かる。
【００２７】
なお、図２の例では、磁性体チップ６が受ける磁気力は、磁性体チップ６の下端の表面磁荷１４、１９が受けるものとしている。なぜなら、磁性体チップ６が試料１から受ける磁気力を磁性体チップ６の下端の表面磁荷１４、１９が受ける磁気力と、上端の表面磁荷１３、１８が受ける磁気力に分けて考えると、磁性体チップ６の上端は試料１の表面から遠いので、試料１からの磁界が弱まっていること、及び、試料１の表面の広い部分からの磁界を平均して受けるので、細かい構造をもっている場合には、それらが平均化されることから、磁性体チップ６の下端の表面磁荷１４、１９が受ける磁気力が支配的になるとみることができ、磁性体チップ６が受ける磁気力は、磁性体チップ６の下端の表面磁荷１４、１９が受けるものとしても問題はない。
【００２８】
このように、本発明の一実施形態では、磁界変調と同期するカンチレバー４の振動を検出するとしているので、試料１からの磁界と無関係にコイル８からの交流磁界１２によりカンチレバー４が振動することを避けなければならない。そのため、コイル８の内径を大きくし、磁性体チップ６の大きさの中でのコイル８による磁界の空間変化を小さくするようにしている。なぜなら、空間変化が小さいほど、コイル８の磁界により磁性体チップ６が受ける磁気力が減少するからである。
【００２９】
そこで、コイル８が発生する磁界の空間的な一様性として、どの程度が必要となるかを考察する。磁性体チップ６の磁化は、コイル８からの磁界により起こり、試料１からの磁界による磁気力は下端の磁化ｍに作用し、上端の磁化−ｍへの磁気力は前述したように無視すると、コイル８からの磁界による磁気力は、下端の磁荷ｍと上端の磁荷−ｍへ、ほぼキャンセルするように働くが、空間的な変化分だけ、キャンセルされずに残ることになる。
【００３０】
ここに、コイル８から磁性体チップ６に１ｍＴの磁界を印加し、０.０１ｍＴの試料１の磁界を測定しようとする場合を考えると、試料１からの磁界による磁気力はｍ×０.０１であり、コイル８からの磁界による磁気力はｍ×１×空間変化率となるので、この２つが同程度であるためには、磁性体チップ６の上端と下端でのコイル８の磁界の変化量は１％以下でなければならない。
【００３１】
たとえば、コイル８の長さを２ｍｍ、磁性体チップ６の下端位置とコイル８の上端との距離を１ｍｍとし、磁性体チップ６の大きさとしてコイル８の軸方向に５０μｍの大きさを仮定すると、コイル８の内径として１０ｍｍ以上あれば、コイル８からの磁界の空間変化が１％以下となる。つまり、コイル８の内径として磁性体チップ６の大きさ、特に磁化方向の長さの２００倍以上が必要となる。
【００３２】
なお、コイル８からの磁界による磁気力は、自身で磁化したものに作用するので、コイル８からの磁界が反転すると磁性体チップ６の磁化も反転するので、カンチレバー４の振動周波数は、交流磁界の周波数の２倍（２ｆ）となる。したがって、試料１からの磁界による振動（周波数ｆ）と同程度の振動があっても、ロックイン検出することで影響は小さくなり、試料１からの磁界による振動の測定を高精度で行うことができる。
【００３３】
上記では、コイル８からの磁界により振動する周波数２ｆのカンチレバー４の振動を考察したが、測定に対して影響するものとして、そのほかに磁性体チップ６の残留磁化の影響により生じる周波数ｆの振動というものがある。残留磁化といったが、地磁気など、環境に存在する磁界によって磁性体チップ６が磁化しているものと考えても良い。このような残留磁化が磁性体チップ６に存在すると、コイル８により交流磁界を印加した場合、残留磁化にコイル８からの僅かだが空間的に変化する磁界が作用してカンチレバー４に周波数ｆでの振動が生じてしまう。
【００３４】
このような残留磁化によるカンチレバー４の振動を抑えるためには、図３に示すように、電流値を可変可能とした直流電流を出力する直流電源２２を設け、この直流電源２２からコイル８に直流電流を供給し、直流磁界を発生させることが効果的である。このような直流磁界により残留磁化をキャンセルすることができるからである。
【００３５】
具体的には、試料１からの磁界が存在しない位置に磁性体チップ６を移動し、コイル８に対して交流電源９からの交流電流と直流電源２２からの直流電流を供給し、ロックイン検出値がゼロに近くなるように、すなわち、カンチレバー４の振動が最も小さくなるように、直流電源２２から出力される直流電流の値を調整して固定する。
【００３６】
また、本発明の一実施形態は、磁気記録媒体や磁性膜などの表面近傍の局所的な磁界を測定する場合のほか、集積回路の微小配線の電流を測定する場合にも使用することができる。図４は本発明の一実施形態を使用して集積回路の配線に流れる電流を測定する方法を説明するための図であり、図４中、２３は集積回路、２４は配線である。
【００３７】
本発明の一実施形態を使用して集積回路２３の配線２４に流れる電流を測定する場合には、配線２４の上方で配線２４を横切るように磁性体チップ６を走査し、配線２４に流れる電流により発生する磁界を検出してロックイン検出値を測定する。このようにすると、たとえば、図５のようなグラフを得ることができる。縦軸は検出した磁界強度を示し、位相が反転した場合にマイナスとして表している。また、横軸は磁性体チップ６の走査方向の位置を示し、配線２４を横切る線上で、検出した磁界強度がゼロ付近に配線２４があることが分かる。そして、同図に示した磁界強度の変化量２５が配線２４の電流値に比例することが確かめられているので、この変化量２５から配線２４の電流値を算出することができる。
【００３８】
図６は本発明の一実施形態の第１具体例を示す図であり、コイル８の形状と試料位置２６を図示し、その他の部分は図示を省略している。この例では、コイル８は、内径を５０ｍｍとし、長さを１０ｍｍとし、試料位置２６は、コイル８の軸上で、コイル８の端からの距離が１５ｍｍの位置としている。このようにすると、試料位置２６で軸上１０μｍ離れた位置での交流磁界の空間変化を０.１％以下とすることができ、１０μｍ程度の大きさの磁性体チップ６を使用する場合に適したものとなる。
【００３９】
なお、コイル８が発生する交流磁界の空間変化をより小さくするには、試料位置２６をコイル８の内部の中心付近に設定するほうが有利であるが、コイル８の内部に試料位置２６を設定すると、試料１の大きさが制限されることから、本発明の一実施形態においては、試料位置２６をコイル８の外部としている。また、コイル８の内径は、磁性体チップ６の大きさの５０００倍と非常に大きいが、これは空間的な一様性だけでなく、１５ｍｍ程度離れた位置に小電流で磁界を印加するには、コイル８が大きい方が適しているからである。
【００４０】
図７は本発明の一実施形態の第２具体例を示す図であり、本発明の一実施形態の第２具体例においては、試料台２として、透磁率の低い非磁性材質からなるものが使用され、コイル８は試料台２の下部に配置するようにされている。また、駆動装置７として、ピエゾ素子を用いた３軸ステージ２７が使用され、プローブ３は、３軸ステージ２７の先に固定されており、試料１に対して３軸方向に移動できるようにされている。
【００４１】
また、撓み検出器１０は、光テコの原理を利用するために、半導体レーザ２８と２分割受光器２９とで構成されており、半導体レーザ２８からカンチレバー４に照射したレーザ光の反射光を２分割受光器２９で受けて、２分割受光器２９上での反射光の位置を出力するとしている。また、３０は支持体であり、コイル８や試料台２の支柱３１などは支持体３０に固定されている。なお、ロックイン検出器１１や交流電源９などは図示を省略している。
【００４２】
図８は本発明の一実施形態の第３具体例を示す図である。図８中、３２は駆動装置７をなすピエゾ素子を用いた３軸ステージであり、試料台２は３軸ステージ３２の上に乗っており、３軸ステージ３２は支持体３３に固定されている。また、コイル８は、試料１の上方に配置され、支持体３３に固定部３４を介して固定されており、プローブ３は、コイル８の内部を貫いている支持体３３の先端に固定されている。なお、撓み検出器１０やロックイン検出器１１や交流電源９などは図示を省略している。
【００４３】
以上のように、本発明の一実施形態によれば、プローブ３の外部に配置させたコイル８により、試料１の表面近傍に配置させた磁性体チップ６に交流磁界を与えることができるので、カンチレバー４の自由端に形成された磁性体チップ６に簡単な構成で磁化変調を起こさせることができると共に、コイル８が発生する磁界と試料１が発生する磁界との相互作用がカンチレバー４の振動に何ら影響を与えないようにすることができる。また、コイル８による交流磁界の磁性体チップ６付近の空間変化が小さくなるようにしているので、コイル８が発生する交流磁界と磁性体チップ６との相互作用によるカンチレバー４の振動を無視することができる程度に小さくすることができる。
【００４４】
したがって、特開平１１−１６６９３６号公報に開示の磁界測定装置が備えるような複雑な構成のプローブを用意しなくとも、カンチレバー４の自由端に設けた磁性体チップ６の磁化変調を簡単な構成で行うことができ、しかも、試料１の表面近傍の局所的な磁界測定を高感度で行うことができる。
【００４５】
なお、本発明と類似の形態をしているものに、特開平１１−１４２１０５号公報に開示のプローブ顕微鏡がある。このプローブ顕微鏡は、磁界測定を目的としていないが、磁性体チップを有するカンチレバーと、プローブの外部に配置されたコイルを備え、このコイルに交流電流を流すことが記されている。しかし、このプローブ顕微鏡は、コイルは本発明とは逆に積極的にカンチレバーを振動するためにコイルを使用するものであり、形状もそれに適したもの、すなわち、磁性体チップ付近の空間変化を大きくするものであるはずであり、本発明とは本質的に異なるものである。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、プローブの外部に配置させたコイルにより、試料の表面近傍に配置させた磁性体チップに空間変化の小さい交流磁界を与えることができる構成としたことにより、カンチレバーの自由端に形成された磁性体チップに簡単な構成で磁化変調を起こさせることができ、しかも、試料の表面近傍の局所的な磁界の測定を高感度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の概念図である。
【図２】本発明の一実施形態において、コイルが発生する交流磁界による磁性体チップの磁化状態を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施形態の変形例を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態を使用して集積回路の配線に流れる電流を測定する方法を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態を使用して集積回路の配線に流れる電流を測定する方法を説明するための図である。
【図６】本発明の一実施形態の第１具体例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態の第２具体例を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態の第３具体例を示す図である。
【符号の説明】
１ 試料
２ 試料台
３ プローブ
４ カンチレバー
５ プローブ基板
６ 磁性体チップ
７ 駆動装置
８ コイル
９ 交流電源
１０ 撓み検出器
１１ ロックイン検出器
１２ 交流磁界
１３ 正磁荷
１４ 負磁荷
１５ 磁化の方向
１６ 磁界
１７ 磁気力
１８ 負磁荷
１９ 正磁荷
２０ 磁化の方向
２１ 磁気力
２２ 直流電源
２３ 集積回路
２４ 配線
２５ 磁界強度の変化量
２６ 試料位置
２７ ３軸ステージ
２８ 半導体レーザ
２９ ２分割受光器
３０ 支持体
３１ 支柱
３２ ３軸ステージ
３３ 支持体
３４ 固定部

Claims (2)

1. カンチレバーの自由端に磁化変調可能な磁性体チップを有し、試料に対する位置を相対的に可変可能とされたプローブと、
   前記磁性体チップの内部に前記カンチレバーの撓み方向に磁化を発生させることができるように前記プローブの外部に配置され、前記試料の表面近傍に配置させた前記磁性体チップに、前記磁性体チップの前記カンチレバーの撓み方向の端部間での磁界の空間変化が１％以下となる交流磁界を与えるコイルと、
   前記コイルに交流電流を供給して前記交流磁界を発生させる交流電源を有していることを特徴とする磁界測定装置。
2. 前記コイルに電流値を可変可能とした直流電流を供給する直流電源を有していることを特徴とする請求項１記載の磁界測定装置。

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