JP5975534B2 - 直流磁場の磁気プロファイル測定装置および磁気プロファイル測定方法 - Google Patents
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Description
特に、本発明は、前記走査領域を走査することで得られた磁場の振幅および位相のデータ、またはガウス平面上でのα成分およびβ成分を初期データとして用いて、直流磁場を発生する観察試料の表面上の磁場分布画像(垂直磁場分布画像および/または面内磁場分布画像)を得ることができる磁気プロファイル測定技術に関する。
MFMでは、交流磁場(AC磁場)を観察するものと、直流磁場(DC磁場)を観察するものがある。
本発明は、DC磁場を観察するMFMにかかる技術なので、以下、DC磁場を観察するMFMの従来技術について説明する。
ハード磁性材料は、ひとたび磁化されると磁化反転が生じにくい材料であり、図7のMFMでは、探針811として、コバルトとクロムとの合金、鉄と白金との合金等が使用される。
図7のMFMでは、カンチレバー81は圧電素子812により、共振周波数ないし共振周波数に近い周波数(たとえば、300kHz程度)で励振される。
そして、カンチレバー81の探針811により観察試料82の表面上を二次元走査するが、このとき、探針811と観察試料82との間には磁気的な相互作用が生じる。
図7のMFMでは、この振幅および位相が変化した振動をたとえば光学検出して測定する。これにより、観察試料82の磁気プロファイル(たとえば、記録状態に対応する磁気的な特徴)を、磁場分布画像として取得することができる。
図8のMFMでは、上記の不都合を改善することができる。図8のMFMでは、探針911として、ニッケル鉄等、比較的弱い外部磁場で磁化反転が生じる材料が使用される。
図8のMFMでは、観察試料93の、カンチレバー91が設けられた側とは反対の側に、交流磁場発生器92が設けられている。この交流磁場発生器92は、観察試料93の表面の着磁状態に影響を与えないが、探針911の磁化(磁気モーメント)の方向を変化させることができる。
交流磁場発生器92の交流磁場発生周期は、探針911の磁化の反転が容易な10Hz〜1kHzとすることができる。
カンチレバー91を励振するとともに交流磁場発生器92を駆動すると、カンチレバー91の先端に形成した探針911の磁気極性が変化する。この変化により、探針911と観察試料93との間には、カンチレバー91の共振周波数と異なる非共振の交流磁気力が発生する。
この非共振の交流磁気力は、単独ではカンチレバー91を振動させることはできない。ところが、同時に、カンチレバー91を圧電素子等により共振周波数近傍の周波数で励振させるとする。この非共振の交流磁気力により、カンチレバー91は、あたかもバネ定数が変化したように振舞う。この見かけ上のバネ定数の変化により、カンチレバー91の振動に、周波数変調が生じる。
図8のMFMでは、周波数変調および振幅変調された振動をたとえば光学検出して、周波数復調(または振幅復調)し、振幅や位相を測定することにより、観察試料93の磁気プロファイル(たとえば、記録状態に対応する磁気的な特徴)を磁場分布画像として取得することができる。
図8のMFMでは、周波数復調(または振幅復調)した信号をロックインアンプ等により低ノイズで検出することにより、観察試料93(たとえば、磁気ディスクの磁気記録媒体)の表面の磁気プロファイル(たとえば、記録状態に対応する磁気的な特徴)を測定することができる。
図9(A)では、探針の垂直磁化成分(探針の磁化の観察試料93の表面に垂直な方向の成分)が、観察試料93の表面に垂直な磁場を発生させる交流磁場発生器により生じる交流磁場の位相と同期する。この場合には、探針911の磁化が観察試料93の表面に垂直であるタイミングで、垂直磁場成分が最大(すなわち、面内磁場成分がゼロ)となり、復調信号の振幅がゼロであるときに垂直磁場成分はゼロ(すなわち、面内磁場成分が最大)になる。
また、図9(B)では、探針911の面内磁化成分(探針911の磁化の試料面に平行な方向の成分)が、観察試料93の表面に平行な方向の磁場を発生させる交流磁場発生器により生じる交流磁場の位相と同期する。この場合には、探針911の磁化が観察試料93の表面に平行であるタイミングで、復調信号の振幅が最大であるときに面内磁場成分が最大(すなわち、垂直磁場成分がゼロ)となり、復調信号の振幅がゼロであるときに面内磁場成分はゼロ(すなわち、垂直磁場成分が最大)になる。
さらに、探針911の磁化の変化が、交流磁場発生器の磁場の変化よりも遅れる場合があり、位相がさらに遅れることがある。
位相遅れは、探針911の磁化の時間変化のタイミングをずらすので、位相遅れが発生する場合、ロックインアンプの同期信号出力において、探針911の磁化が試料面に垂直とならず、垂直磁場成分のみの測定ができない。
また、ロックインアンプの直交信号出力においても、位相遅れが発生する場合、探針911の磁化が観察試料93の表面に平行とならず、面内磁場成分のみの測定ができない。
本発明の他の目的は、直流磁場を発生する観察試料について取得した磁気分布画像データを用いて、垂直磁場成分を含まない面内磁場画像および面内磁場成分を含まない垂直磁場画像を得ることができる磁気プロファイル測定技術を提供することである。
(1)
励振したカンチレバーの先端の磁性を帯びた探針により観察試料の表面上の走査領域を走査しつつ、前記カンチレバーの振動を検出し、当該検出結果に基づき前記走査領域の磁場分布画像を生成する磁気プロファイル測定装置であって、
先端に前記探針が取り付けられた前記カンチレバーと、
前記カンチレバーを当該カンチレバーの共振周波数ないし当該周波数に近い周波数で励振する励振器と、
交流磁場を生成し前記探針の磁気極性を周期的に反転させることで、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調または同時に振幅変調する交流磁場発生器と、
前記探針の振動を検出する振動センサーと、
前記振動センサーの検出信号から、前記探針と前記観察試料との間に生じる交流磁気力(すなわち、交番磁気力)に対応する磁気信号を復調するとともに、復調した前記磁気信号を位相が90°異なる互いに直交した2つの信号成分に分離して検出するか、復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出する復調処理装置と、
前記探針により前記走査領域を走査する走査機構と、
前記交流磁場発生器の動作と同期する条件のもとに、前記走査機構により前記走査領域を走査することで得られた、当該走査領域の各座標における前記互いに直交した2つの信号成分または前記磁場の振幅および位相を初期データとして記憶するデータ記憶装置と、
前記データ記憶装置から前記初期データを呼び出し、当該初期データの位相を変更したデータを複数生成する変更データ生成器と、
前記変更データ生成器により生成した前記走査領域の各座標におけるデータに基づく磁場分布画像を表示する画像表示装置と、
を備えたことを特徴とする磁気プロファイル測定装置。
前記復調処理装置は、
前記探針の位置における磁場を、αβ複素平面(ガウス平面)において、
Hα+jHβ≡H0exp(jφ)
で表わすとともに、
前記探針の位置における磁場の振幅H0をαβ複素平面における原点からの距離、
H0≡(Hα 2+Hβ 2)1/2、
前記探針の位置における磁場の位相を、αβ複素平面における偏角φ、
φ≡tan-1(Hβ/Hα)
で表し、
前記探針の位置における磁場のα軸に平行な成分(α成分)を、
Hα=H0cosφ、
前記探針の位置における磁場のα軸に直交しているβ軸に平行な成分(β成分)を、
Hβ=H0sinφ
として、
前記α成分と前記β成分のデータ対(Hα,Hβ)または、振幅と位相のデータ対(H0,φ)として検出する、
ことを特徴とする(1)に記載の磁気プロファイル測定装置。
前記α成分を前記磁場の前記観察試料の表面に垂直な成分(垂直磁場成分)とし、前記β成分を前記磁場の前記観察試料の表面に平行な成分(面内磁場成分)とすること、または、
前記α成分を前記磁場の前記観察試料の表面に平行な成分(面内磁場成分)とし、前記β成分を前記磁場の前記観察試料の表面に垂直な成分(垂直磁場成分)とすること、
を特徴とする(2)に記載の磁気プロファイル測定装置。
前記探針の位置における磁場を、偏角φの変化に応じて、
前記α成分および/または前記β成分を前記画像表示装置に画像化して表示すること、
を特徴とする(2)または(3)に記載の磁気プロファイル測定装置。
(5)
励振したカンチレバーの先端の磁性を帯びた探針により観察試料の表面上の走査領域を走査しつつ、前記カンチレバーの振動を検出し、当該検出結果に基づき前記走査領域の磁場分布画像を生成する磁気プロファイル測定方法であって、
先端に前記探針が取り付けられた前記カンチレバーを、当該カンチレバーの共振周波数ないし当該周波数に近い周波数で励振するステップ(S110)、
交流磁場を生成し前記探針の磁気極性を周期的に反転させることで、(前記探針と観察試料との間に交流磁気力を生じさせて)前記カンチレバーの励振振動を周波数変調するステップ(S120)、
前記探針の振動を検出し、この検出信号から、前記探針と前記観察試料との間に生じる交流磁気力に対応する磁気信号を復調するステップ(S130)、
復調した前記磁気信号を位相が90°異なる互いに直交した2つの信号成分に分離して検出するか、復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出するステップ(S140)、
前記探針を、前記走査領域を走査するステップ(S150)、
前記交流磁場発生と同期する条件のもとに、前記走査領域を走査することで得られた、当該走査領域の各座標における前記互いに直交した2つの信号成分または磁場の振幅および位相を初期データとしてデータ記憶装置に記憶するステップ(S160)、
前記データ記憶装置から前記初期データを呼び出し、当該初期データの位相を変更した(増加または減少した)データを複数生成するステップ(S170)、
前記初期データの位相を変更したデータに基づく磁場分布画像を画像表示装置に表示するステップ(S180)、
前記画像表示装置に表示した各磁場分布画像に基づき観察試料の磁気プロファイルを測定するステップ(S190)、
を含むことを特徴とする磁気プロファイル測定方法。
前記の復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出するステップ(S140)では、
前記探針の位置における磁場を、αβ複素平面(ガウス平面)において、
Hα+jHβ≡H0exp(jφ)
前記探針の位置における磁場の振幅H0を、αβ複素平面における原点からの距離
H0≡(Hα 2+Hβ 2)1/2、
前記探針の位置における磁場の位相を、αβ複素平面における偏角φ、
φ≡tan-1(Hβ/Hα)
で表し、
前記磁場のα軸に平行な成分(α成分)を、
Hα=H0cosφ、
前記磁場のα軸に直交しているβ軸に平行な成分(β成分)を、
Hβ=H0sinφ
として、
α成分とβ成分のデータ対(Hα,Hβ)、または、振幅と位相のデータ対(H0,φ)を検出する、
ことを特徴とする(5)に記載の磁気プロファイル測定方法。
前記α成分を前記磁場の前記観察試料の表面に垂直な成分(垂直磁場成分)とし、前記β成分を前記磁場の前記観察試料の表面に平行な成分(面内磁場成分)とすること、または、
前記α成分を前記磁場の前記観察試料の表面に平行な成分(面内磁場成分)とし、前記β成分を前記磁場の前記観察試料の表面に垂直な成分(垂直磁場成分)とすること、
を特徴とする(6)に記載の磁気プロファイル測定方法。
前記探針の位置における磁場を、偏角φの変化に応じて、
前記α成分および/または前記β成分を画像化して表示すること、
を特徴とする(6)または(7)に記載の磁気プロファイル測定方法。
これにより、ある測定点において観察される磁場成分を、垂直磁場成分と面内磁場成分に分離することが可能となった。
図1において、磁気プロファイル測定装置1は、カンチレバー11と、励振器12と、交流磁場発生器13と、振動センサー14と、復調処理装置15と、走査機構16と、データ記憶装置17と、変更データ生成器18と、画像表示装置19とを備えている。磁気プロファイル測定装置1は、励振したカンチレバー11の先端の磁性を帯びた探針111により観察試料5の表面上の走査領域を走査しつつ、カンチレバー11の振動を検出し、この検出結果に基づき走査領域の磁場分布画像を以下の構成により生成することができる。
復調信号処理装置152は、具体的にはロックインアンプであり、復調した交流磁気力から探針の位置における磁場に対するロックインアンプの参照信号に同期した同相成分Hαおよび参照信号から位相が90°異なる直交成分Hβ、または磁場の振幅H0および位相φを検出する。
走査領域の各座標における磁場に対するロックインアンプの同相成分Hαおよび直交成分Hβを検出することと、磁場の振幅H0および位相φを検出することとは等価である。
復調した磁気信号は、後述する変更データ生成処理により、観察試料5の表面に垂直な成分である垂直磁場成分および観察試料5の表面に平行な成分である面内磁場成分に分離することができる。
変更データ生成器18は、走査領域の各座標について、磁場に対するロックインアンプの同相成分Hαおよび直交成分Hβに対して、振幅H0を固定し位相φを変更した(増加または減少した)αβ複素平面上のα軸に平行な成分(α成分)およびα軸に直交しているβ軸に平行な成分(β成分)からなるデータ対を複数生成する。
画像表示装置19は、データ記憶装置17に記憶された走査領域の各座標における初期データに基づく磁場分布画像、および変更データ生成器18により生成した走査領域の各座標におけるデータに基づく磁場分布画像を表示する。
図2の磁気プロファイル測定方法は、図1の磁気プロファイル測定装置1により実施されるので、以下、図1の磁気プロファイル測定装置1の動作を主に説明し、併せて、図2のフローチャートに言及する。
V=V0cos(ωt) ・・・(1)
(1)式のV0は、交流電圧の振幅であり、初期位相はゼロとしてある。
これによりコイル本体132の巻線には、(2)式の電流Iが流れる。
I=I0cos(ωt−φ01) ・・・(2)
(2)式のI0は、交流電流の振幅である。
また、遅れ角φ01は、交流磁場発生器13を構成する電気回路の抵抗やインダクタンス等に起因する。
HV=H0cos(ωt−φ02) ・・・(3)
(3)式のH0は、交流磁場の振幅である。垂直方向の磁場(垂直磁場成分HV)は、信号発生器131の交流電圧V((1)式参照)からφ02/ωの時間だけ遅れて最大になる。
ここで遅れ角φ02は、(2)式の遅れ角φ01に、交流磁場発生器13における遅れ角(φdA)が加えられた角である。
φdAは、交流磁場発生器13のコイルに用いられる磁心材料に交流磁場を印加したときの磁化応答の遅れ等による遅れ角である。
このようにして、探針111と観察試料5との間に生じた交流磁気力により、カンチレバー11の励振振動を周波数変調することができる(ステップS120)。
交流磁気力信号復調器151の出力Fは、(4)式で表される。
F=F0cos(ωt−φ03) ・・・(4)
復調した交流磁気力信号Fは、(5)式で表される。
F0cos(ωt−φ03)
=F0cos(−φ03)cos(ωt)
−F0sin(−φ03)sin(ωt)
=F0cos(−φ03)cos(ωt)
+F0sin(−φ03)cos(ωt+π/2) ・・・(5)
F0cos(−φ03)cos(ωt) ・・・(6A)
と、
F0sin(−φ03)cos(ωt+π/2) ・・・(6B)
に分離する。
(6A)式の、F0cos(−φ03)cos(ωt)は、交流磁場発生器13の電圧(初期位相がゼロ)に対して探針111の磁化が位相角φ03だけ遅れて最大となる、磁場の観察試料5の表面に垂直な成分(垂直磁場成分)に対応する。
また、(6B)式の、F0sin(−φ03)cos(ωt+π/2)は、探針111の磁化がさらに90°の位相角だけ遅れて最大となる、磁場の観察試料5の表面に平行な成分(面内磁場成分)に対応する。
ここで上記のφ03は、記録密度が低い垂直磁気記録媒体等の磁化状態の明らかな試料を標準試料として、垂直磁場のみ発生する場所や面内磁場のみ発生する場所で位相調整を行うことにより、その値を知ることができる。
m=m0exp(j(ωt−φ04))=mz+jmx ・・・(7)
mz=mocos(ωt−φ04) ・・・(7A)
mx=mosin(ωt−φ04) ・・・(7B)
(7A)式および(7B)式のφ04は、(2)式の遅れ角φ02に、磁場印加時の探針111を構成するソフト磁性材料の磁化応答の遅れ等(これをφdCとする)を加えた遅れ角である。ここで、交流磁場発生器13で生成させる磁場の周波数が低い場合には、φ04はφ02とほぼ等しくなる。
Fz=mx(∂Hz/∂x)+mz(∂Hz/∂z)
=mx(∂Hx/∂z)+mz(∂Hz/∂z)
=m0sin(ωt−φ04)(∂Hx/∂z)
+m0cos(ωt−φ04)(∂Hz/∂z)
=m0{sin(ωt)cos(−φ04)
+cos(ωt)sin(−φ04)}(∂Hx/∂z)
+m0{cos(ωt)cos(−φ04)
−sin(ωt)sin(−φ04)}(∂Hz/∂z) ・・・(8)
となる。ここで、観察試料5からの磁場は磁極を発生源とする渦なしの場であるので、(9)式の関係が成り立っている。
(∂Hz/∂x)=(∂Hx/∂z) ・・・(9)
すなわち、復調された信号は、
m0{sin(ωt)cos(−φ04)
+cos(ωt)sin(−φ04)}(∂2Hx/∂z2)
+m0{cos(ωt)cos(−φ04)
−sin(ωt)sin(−φ04)}(∂2Hz/∂z2)
に対応する。
また、復調信号処理装置152(ロックインアンプ)で計測される同期信号は、
(∂2Hz/∂z2)m0cos(−φ04)
+(∂2Hx/∂z2)m0sin(−φ04)
に対応し、直交信号は、
(∂2Hz/∂z2)m0cos(−φ04)
−(∂2Hx/∂z2)m0sin(−φ04)
に対応する。
したがって、復調信号処理装置152(ロックインアンプ)で計測される、同期信号は垂直磁場の勾配と面内磁場の勾配の和、
(∂2Hz/∂z2)cos(−φ04)+(∂2Hx/∂z2)sin(−φ04)
に対応し、直交信号は面内磁場の勾配と垂直磁場の勾配の和、
−(∂2Hx/∂z2)sin(−φ04)+(∂2Hz/∂z2)cos(−φ04)
に対応することになる。
ここで、探針111と観察試料5の距離が、磁化mの磁気モーメント長より小さい場合には、探針111の磁化mの観察試料の表面に垂直方向の成分mzは、探針先端に形成される磁極qとして振る舞い、復調信号処理装置152(ロックインアンプ)で計測される同期信号は、垂直磁場の勾配と面内磁場の勾配の和、
(∂Hz/∂z)qcos(−φ04)+(∂2Hx/∂z2)m0sin(−φ04)
に対応することになる。
後述するように、位相遅れ−φ04に位相調整値φCとしてφ04を加えて、初期位相をゼロにすることで、同期信号を垂直磁場の勾配のみに、直交信号を面内磁場の勾配のみにすることができる。
この場合の、交流磁気力信号復調器151の出力(∂F/∂z)は、(10)式で表される。
(∂F/∂z)=[∂(Fzcos(θ)+Fxsin(θ))/∂z]
=[∂{mx(∂Hz/∂x)+mz(∂Hz/∂z)}/∂z]cos(θ)
+[∂{mx(∂Hx/∂x)+mz(∂Hx/∂z)}/∂z]sin(θ)
=[∂{mx(∂Hx/∂z)+mz(∂Hz/∂z)}/∂z]cos(θ)
+[∂{mx(∂Hx/∂x)+mz(∂Hx/∂z)}/∂z]sin(θ)
=mx{(∂2Hx/∂z2)cos(θ)+(∂2Hx/∂x∂z)sin(θ)}
+mz{(∂2Hz/∂z2)cos(θ)
+(∂2Hx/∂z2)sin(θ)}
=m0sin(ωt−φ04){(∂2Hx/∂z2)cos(θ)
+(∂2Hx/∂x∂z)sin(θ)}
+mocos(ωt−φ04){(∂2Hz/∂z2)cos(θ)
+(∂2Hx/∂z2)sin(θ)}
=m0{sin(ωt)cos(−φ04)+cos(ωt)sin(−φ04)}
{(∂2Hx/∂z2)cos(θ)+(∂2Hx/∂x∂z)sin(θ)}
+mo{cos(ωt)cos(−φ04)−sin(ωt)sin(−φ04)}
{(∂2Hz/∂z2)cos(θ)+(∂2Hx/∂z2)sin(θ)}
=cos(ωt)[m0sin(−φ04){(∂2Hx/∂z2)cos(θ)
+(∂2Hx/∂x∂z)sin(θ)}
+m0cos(−φ04){(∂2Hz/∂z2)cos(θ)
+(∂2Hx/∂z2)sin(θ)}]
+sin(ωt)[m0cos(−φ04){(∂2Hx/∂z2)cosθ
+(∂2Hx/∂x∂z)sinθ}
−m0sin(−φ04){(∂2Hz/∂z2)cos(θ)
+(∂2Hx/∂z2)sin(θ)}]
・・・(10)
m0sin(−φ04)
{(∂2Hx/∂z2)cos(θ)+(∂2Hx/∂x∂z)sin(θ)}
+m0cos(−φ04)
{(∂2Hz/∂z2)cos(θ)+(∂2Hx/∂z2)sin(θ)}
に対応する。
復調信号処理装置152(ロックインアンプ)で計測される直交信号は、
m0cos(−φ04)
{(∂2Hx/∂z2)cos(θ)+(∂2Hx/∂x∂z)sin(θ)}
−m0sin(−φ04)
{(∂2Hz/∂z2)cos(θ)+(∂2Hx/∂z2)sin(θ)}
に対応する。
したがって、復調信号処理装置152(ロックインアンプ)で計測される同期信号は、θが小さな場合には、上述したように、
∂2Hz/∂z2)cos(−φ04)+(∂2Hx/∂z2)sin(−φ04)
に対応する。
また、ロックインアンプで計測される直交信号は、
(∂2Hx/∂z2)cos(−φ04)−(∂2Hz/∂z2)sin(−φ04)
に対応することになる。
・復調された信号(交流磁気力信号)
の振幅および遅れ角、
・復調信号処理装置152(ロックインアンプ)で計測される同期信号
・復調信号処理装置152(ロックインアンプ)で計測される直交信号
を初期データとして記憶する(ステップS160)。
ステップS110からS160までの一連の計測処理を観察試料5の表面上(走査領域上)の多数の位置について行う。
復調された信号(交流磁気力信号∂Fz/∂z)は、以下で表される。
(∂Fz/∂z)
=m0sin(ωt−φ04)(∂2Hx/∂z2)
+m0cos(ωt−φ04)(∂2Hz/∂z2)
=m0[{(∂2Hz/∂z2)cos(−φ04)
+(∂2Hx/∂z2)sin(−φ04)}2
+{(∂2Hx/∂z2)cos(−φ04)
−(∂2Hz/∂z2)sin(−φ04)}2]1/2
cos(ωt+tan-1[{(∂2Hx/∂z2)cos(−φ04)
−(∂2Hz/∂z2)sin(−φ04)}/{(∂2Hz/∂z2)
cos(−φ04)+(∂2Hx/∂z2)sin(−φ04)}])
=m0[{(∂2Hz/∂z2)cos(−φ04)
+(∂2Hx/∂z2)sin(−φ04)}2
+{(∂2Hx/∂z2)cos(−φ04)
−(∂2Hz/∂z2)sin(−φ04)}2]1/2
cos(ωt−tan-1[{(∂2Hz/∂z2)sin(−φ04)
−(∂2Hx/∂z2)cos(−φ04)}/{(∂2Hz/∂z2)
cos(−φ04)+(∂2Hx/∂z2)sin(−φ04)}])
したがって、交流磁気力信号(∂Fz/∂z)の振幅は、以下で表される。
=m0[{(∂2Hz/∂z2)cos(−φ04)
+(∂2Hx/∂z2)sin(−φ04)}2
+{(∂2Hx/∂z2)cos(−φ04)
−(∂2Hz/∂z2)sin(−φ04)}2]1/2
また、交流磁気力信号(∂Fz/∂z)の遅れ角は、以下で表される。
φ03=tan-1[{(∂2Hz/∂z2)sin(−φ04)
−(∂2Hx/∂z2)cos(−φ04)}
/{(∂2Hz/∂z2)cos(−φ04)
+(∂2Hx/∂z2)sin(−φ04)}]
復調信号処理装置152(ロックインアンプ)で計測される同期信号は、以下で表される。
(∂2Hz/∂z2)m0cos(−φ04)
+(∂2Hx/∂z2)m0sin(−φ04)
復調信号処理装置152(ロックインアンプ)で計測される直交信号は、以下で表される。
(∂2Hx/∂z2)m0cos(−φ04)
−(∂2Hz/∂z2)m0sin(−φ04)
(a)初期データ((∂FZ/∂z)の振幅,遅れ角φ03、
(b)同期信号
(∂2Hz/∂z2)m0cos(−φ04)+(∂2Hx/∂z2)m0sin(−φ04),
(∂2Hx/∂z2)m0cos(−φ04)−(∂2Hz/∂z2)m0sin(−φ04)
を呼び出す。
そして、初期データの位相φを変更した(増加または減少した)データを多数生成する(ステップS170)。
たとえば、明度(濃度あるいは輝度)の幅が、明度が最も低い0から明度が最も高い2N(Nは正の整数)の2N+1段階であるとする。磁場の強度が上向きに最大となったときに明度を「2N」、磁場の強度がゼロのときに明度を「N」、磁場の強度が下向きに最大となったときに明度を「0」とし、2N+1段階の明度を、向きも含めた磁場の強度に割り振ることで、磁場分布画像を作成する。
この磁場分布画像を、目視あるいはソフトウェアにより観察することで、観察試料5の磁気プロファイル(具体的には、磁化状態)を取得することができる(ステップS190)。
図3のαβ座標系で示すベクトル図は、変更データ生成器18において変更データ生成器18による処理を行う前の位相を表している。
α1+jβ1={(∂2Hz/∂z2)cos(−φ04)
+(∂2Hx/∂z2)sin(−φ04)}
+j{(∂2Hx/∂z2)cos(−φ04)
−(∂2Hz/∂z2)sin(−φ04)}
すなわち、
α1=(∂2Hz/∂z2)cos(−φ04)
+(∂2Hx/∂z2)sin(−φ04)
β1=−(∂2Hz/∂z2)sin(−φ04)
+(∂2Hx/∂z2)cos(−φ04) ・・・(11)
α′β′座標系では、探針111の磁化mベクトルと同方向である磁気力勾配ベクトルは(12)式で表される。
α1′+jβ1′={(∂2Hz/∂z2)cos(−φ04+φC)
+(∂2Hx/∂z2)sin(−φ04+φC)}
+j{−(∂2Hz/∂z2)sin(−φ04+φC)
+(∂2Hx/∂z2)cos(−φ04+φC)}
すなわち、
α1′=(∂2Hz/∂z2)cos(−φ04+φC)
+(∂2Hx/∂z2)sin(−φ04+φC),
β1′=−(∂2Hz/∂z2)sin(−φ04+φC)
+(∂2Hx/∂z2)cos(−φ04+φC)
・・・(12)
よって、図4(B)に示すように、α′β′座標系で、磁気力勾配ベクトルの初期位相がゼロとなるための条件(β1′=0)は、(13)式となる。
φC=φ04 ・・・(13)
このとき、α1′は垂直磁場勾配のみに対応する。
α1′=(∂2Hz/∂z2)
さらに、φC=φ04+90°、として位相を90°進めると、α1′は面内磁場勾配のみに対応する。
α1′=(∂2Hx/∂z2)
上記の例では、明度が最大となっている画像(または明度が最小となっている画像)を見つけ出して、探針111の位置における磁場Hの位相を特定したが、画像中の明度差が最大の磁場分布画像を見つけ出すこと、または、画像中の明度差が最小の磁場分布画像を見つけ出すことで、探針111の位置における磁場の位相(および)を特定することもできる。
図6に、図5(A),(B)の画像(データ記憶装置17に記憶したデータ)から生成した、位相を変化させたときのハードディスク表面の磁場分布画像の例を示す。
図6では、試料である垂直磁気記録媒体の記録ビット中央部(垂直磁場のみ発生)で磁場強度が最大となるときの位相をゼロとして位相を調整後に、位相を30°ごとに変化させた12の、α′座標成分に対応する磁場分布画像を表示してある。各磁場分布画像には、位相の値を付記してあり、交流電圧V(前述した(1)式参照)の位相を基準にした位相を記すとともに、前述したα′β′座標系での位相を括弧内に記してある。
なお、括弧内の位相差が、0°、180°の場合は垂直磁場像に対応し、90°、270°の場合には面内磁場像に対応している。
5,82,93 観察試料
11,81,91 カンチレバー
12 励振器
13,92 交流磁場発生器
14 振動センサー
15 復調処理装置
16 走査機構
17 データ記憶装置
18 変更データ生成器
19 画像表示装置
111,811,911 探針
121,812,912 圧電素子
122 電源
131 信号発生器
132 コイル本体
141 レーザ
142 フォトダイオード
151 交流磁気力信号復調器
152 復調信号処理装置
Claims (8)
- 励振したカンチレバーの先端の磁性を帯びた探針により観察試料の表面上の走査領域を走査しつつ、前記カンチレバーの振動を検出し、当該検出結果に基づき前記走査領域の磁場分布画像を生成する磁気プロファイル測定装置であって、
先端に前記探針が取り付けられた前記カンチレバーと、
前記カンチレバーを当該カンチレバーの共振周波数ないし当該周波数に近い周波数で励振する励振器と、
交流磁場を生成し前記探針の磁気極性を周期的に反転させることで、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調または同時に振幅変調する交流磁場発生器と、
前記探針の振動を検出する振動センサーと、
前記振動センサーの検出信号から、前記探針と前記観察試料との間に生じる交流磁気力に対応する磁気信号を復調するとともに、復調した前記磁気信号を位相が90°異なる互いに直交した2つの信号成分に分離して検出するか、復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出する復調処理装置と、
前記探針により前記走査領域を走査する走査機構と、
前記交流磁場発生器の動作と同期する条件のもとに、前記走査機構により前記走査領域を走査することで得られた、当該走査領域の各座標における前記互いに直交した2つの信号成分または前記磁場の振幅および位相を初期データとして記憶するデータ記憶装置と、
前記データ記憶装置から前記初期データを呼び出し、当該初期データの位相を変更したデータを複数生成する変更データ生成器と、
前記変更データ生成器により生成した前記走査領域の各座標におけるデータに基づく磁場分布画像を表示する画像表示装置と、
を備えたことを特徴とする磁気プロファイル測定装置。 - 前記復調処理装置は、
前記探針の位置における磁場を、αβ複素平面(ガウス平面)において、
Hα+jHβ≡H0exp(jφ)
で表わすとともに、
前記探針の位置における磁場の振幅H0をαβ複素平面における原点からの距離、
H0≡(Hα 2+Hβ 2)1/2、
前記探針の位置における磁場の位相を、αβ複素平面における偏角φ、
φ≡tan-1(Hβ/Hα)
で表し、
前記探針の位置における磁場のα軸に平行な成分(α成分)を、
Hα=H0cosφ、
前記探針の位置における磁場のα軸に直交しているβ軸に平行な成分(β成分)を、
Hβ=H0sinφ
として、
前記α成分と前記β成分のデータ対(Hα,Hβ)または、振幅と位相のデータ対(H0,φ)として検出する、
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気プロファイル測定装置。 - 前記α成分を前記磁場の前記観察試料の表面に垂直な成分(垂直磁場成分)とし、前記β成分を前記磁場の前記観察試料の表面に平行な成分(面内磁場成分)とすること、または、
前記α成分を前記磁場の前記観察試料の表面に平行な成分(面内磁場成分)とし、前記β成分を前記磁場の前記観察試料の表面に垂直な成分(垂直磁場成分)とすること、
を特徴とする請求項2に記載の磁気プロファイル測定装置。 - 前記探針の位置における磁場を、偏角φの変化に応じて、
前記α成分および/または前記β成分を前記画像表示装置に画像化して表示することを特徴とする請求項2または3に記載の磁気プロファイル測定装置。 - 励振したカンチレバーの先端の磁性を帯びた探針により観察試料の表面上の走査領域を走査しつつ、前記カンチレバーの振動を検出し、当該検出結果に基づき前記走査領域の磁場分布画像を生成する磁気プロファイル測定方法であって、
先端に前記探針が取り付けられた前記カンチレバーを、当該カンチレバーの共振周波数ないし当該周波数に近い周波数で励振するステップ(S110)、
交流磁場を生成し前記探針の磁気極性を周期的に反転させることで、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調するステップ(S120)、
前記探針の振動を検出し、この検出信号から、前記探針と前記観察試料との間に生じる交流磁気力に対応する磁気信号を復調するステップ(S130)、
復調した前記磁気信号を位相が90°異なる互いに直交した2つの信号成分に分離して検出するか、復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出するステップ(S140)、
前記探針を、前記走査領域を走査するステップ(S150)、
前記交流磁場発生と同期する条件のもとに、前記走査領域を走査することで得られた、当該走査領域の各座標における前記互いに直交した2つの信号成分または磁場の振幅および位相を初期データとしてデータ記憶装置に記憶するステップ(S160)、
前記データ記憶装置から前記初期データを呼び出し、当該初期データの位相を変更したデータを複数生成するステップ(S170)、
前記初期データの位相を変更したデータに基づく磁場分布画像を画像表示装置に表示するステップ(S180)、
前記画像表示装置に表示した各磁場分布画像に基づき観察試料の磁気プロファイルを測定するステップ(S190)、
を含むことを特徴とする磁気プロファイル測定方法。 - 前記の復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出するステップ(S140)では、
前記探針の位置における磁場を、αβ複素平面(ガウス平面)において、
Hα+jHβ≡H0exp(jφ)
前記探針の位置における磁場の振幅H0を、αβ複素平面における原点からの距離
H0≡(Hα 2+Hβ 2)1/2、
前記探針の位置における磁場の位相を、αβ複素平面における偏角φ、
φ≡tan-1(Hβ/Hα)
で表し、
前記磁場のα軸に平行な成分(α成分)を、
Hα=H0cosφ、
前記磁場のα軸に直交しているβ軸に平行な成分(β成分)を、
Hβ=H0sinφ
として、
α成分とβ成分のデータ対(Hα,Hβ)、または、振幅と位相のデータ対(H0,φ)を検出する、
ことを特徴とする請求項5に記載の磁気プロファイル測定方法。 - 前記α成分を前記磁場の前記観察試料の表面に垂直な成分(垂直磁場成分)とし、前記β成分を前記磁場の前記観察試料の表面に平行な成分(面内磁場成分)とすること、または、
前記α成分を前記磁場の前記観察試料の表面に平行な成分(面内磁場成分)とし、前記β成分を前記磁場の前記観察試料の表面に垂直な成分(垂直磁場成分)とすること、
を特徴とする請求項6に記載の磁気プロファイル測定方法。 - 前記探針の位置における磁場を、偏角φの変化に応じて、
前記α成分および/または前記β成分を画像化して表示すること
を特徴とする請求項6または7に記載の磁気プロファイル測定方法。
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