JP6184847B2

JP6184847B2 - 磁気ヘッド素子の表面形状測定方法及びその装置

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Publication number: JP6184847B2
Application number: JP2013245105A
Authority: JP
Inventors: 開鋒張; 廣瀬　丈師; 丈師廣瀬; 渡辺　正浩; 正浩渡辺; 敏教杉山
Original assignee: Hitachi High Tech Fine Systems Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Fine Systems Corp
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2033-11-27
Also published as: JP2015102500A

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）技術を用いた磁気ヘッド素子の表面形状を測定する方法及びその装置に関する。

ハードディスク用の磁気ヘッドの生産において、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：以下、ＡＦＭと記す）技術を活用して、垂直磁気記録方式の磁気ヘッドで記録を直接行うメインポール及びその近傍の表面段差、表面粗さなどの測定を行っている。また、本発明に関連する磁気力顕微鏡（Magnetic Force Microscope：以下、ＭＦＭと記す）技術を利用して、磁気ヘッドの書込み磁界幅を検査する技術が特許文献１と非特許文献１等に開示されている。

特開２００９−２３０８４５号公報

第73 回応用物理学会学術講演会 13p-H6-11

前記ＡＦＭによる磁気ヘッドメインポール近傍の表面段差、表面粗さの測定において、測定速度の向上は一つの大きいな課題となっている。従来のＡＦＭ測定において、ＡＦＭ装置に付属する光学顕微鏡で撮像した画像から特定した比較的広い領域からＡＦＭ測定を行うエリアを徐々に絞り込んでいって、最終的に計測する微小エリアを確定して実際にＡＦＭでスキャンを完了するまでの時間は、主に以下の２つの項目に費やされている。
1. メインポール近傍の数十〜百nmの微小エリアまでの確定時間
2. ＡＦＭスキャンの測定時間
これまで、測定速度を向上するために、各ＡＦＭメーカが上記項目の２番目のＡＦＭスキャンの測定時間の短縮を着目した。しかし、磁気ヘッドの生産におけるインライン検査（測定）では、上記項目の１番目のメインポール近傍エリアまでの確定時間が検査時間全体に占める割合が比較的大きいので、このメインポール近傍エリアまでの確定に要する期間を少しでも短縮できれば、ＡＦＭによる磁気ヘッドメインポール近傍の表面段差、表面粗さの測定のスループットを向上させる上で大きな効果がある。

しかし、徐苦した特許文献１及び非特許文献１には、何れも、ＡＦＭによる磁気ヘッドメインポール近傍の寸法、形状、表面段差、表面粗さの測定のスループットを向上させることについては触れられていない。

上記した課題を解決するために、本発明では、磁気ヘッド素子の表面形状を測定する方
法において、測定対象の磁気ヘッド素子とこの磁気ヘッド素子の表面を走査するカンチレ
バーとの光学像を撮像し、この撮像して得た画像から磁気ヘッド素子の書込み磁界発生領
域を推定し、書込み磁界発生領域に磁界を発生させた状態でカンチレバーを上下に振動さ
せながらカンチレバーの先端部付近に形成されて表面に磁性膜が形成されている探針の上
下に振動する下端が磁気ヘッド素子の表面から一定の高さで推定した書込み磁界発生領域
を含む第１の領域を走査し、走査して得たデータから第１の領域の内部で前記書込み磁界発生領域の位置を特定し、位置を特定した書込み磁界発生領域の形状として書込み磁界発生領域の段差または表面の粗さを測定する場合には、書込み磁界発生領域での磁界の発生を停止した状態で、書込み磁界発生領域を含む第２の領域をカンチレバーの探針を上下に振動させて磁気ヘッド素子の表面に接触させながら走査するときに、探針に形成した磁性膜の残留磁界を消去しながら走査して書込み磁界発生領域の段差または表面の粗さを測定し、位置を特定した書込み磁界発生領域の形状として書込み磁界が発生している領域の寸法または形状を測定する場合には、書込み磁界発生領域での磁界の発生を停止した状態で、書き込み磁界発生領域を含む第２の領域をカンチレバーの探針を上下に振動させて磁気ヘッド素子の表面に接触させながら走査するときに、探針に形成した磁性膜に残留磁界が残った状態で走査して書込み磁界発生領域の寸法または形状を測定するようにした。

また、上記した課題を解決するために、本発明では、磁気ヘッド素子の表面形状を測定する装置を、測定対象の磁気ヘッド素子を載置して平面内で移動可能なテーブル部と、先端部付近に表面に磁性膜が形成された探針を有するカンチレバーと、このカンチレバーを上下に振動させる加振部と、テーブル部に載置された測定対象の磁気ヘッド素子の上面に対してカンチレバーの高さ方向の位置を調整するＺステージと、カンチレバーに光ビームを照射してカンチレバーからの反射光を検出することによりカンチレバーの振動の状態を検出する変位検出部と、探針に形成した磁性膜の残留磁界を消去する残留磁界消去手段と、テーブル部に載置された測定対象の磁気ヘッド素子とカンチレバーとの光学像を撮像する光学撮像部と、この光学撮像部で撮像して得た画像から磁気ヘッド素子の書込み磁界発生領域を推定する光学画像処理部と、Ｚステージでカンチレバーの高さを調整した状態でカンチレバーを加振部で上下に振動させながらテーブル部で測定対象の磁気ヘッド素子を平面内で移動させることにより変位検出部で検出されるカンチレバーの振動の状態の情報に基づいて磁気ヘッド素子の形状を測定する情報処理部と、テーブル部と前記加振部と前記Ｚステージと前記変位検出部と前記光学撮像部と前記光学画像処理部と前記情報処理部とを制御すると共に、磁気ヘッド素子に励磁信号を印加して前記磁気ヘッド素子の書込み磁界発生領域に書込み磁界を発生させる制御部とを備えて構成し、
制御部は、磁気ヘッド素子に励磁信号を印加して磁気ヘッド素子の書込み磁界発生領域に書込み磁界を発生させた状態で、光学画像処理部で推定した磁気ヘッド素子の書込み磁界発生領域を含む第１の領域をＺステージを制御してカンチレバーの探針が磁気ヘッド素子の表面に対して所定の間隔離れるように設定してカンチレバーを加振部で上下に振動させながらテーブル部で測定対象の磁気ヘッド素子を平面内で移動させたときに変位検出部で検出されるカンチレバーの振動の状態の情報に基づいて磁気ヘッド素子の書込み磁界発生領域の位置を特定し、位置を特定した書込み磁界発生領域の形状を検査することが書込み磁界発生領域の段差または表面の粗さを測定することである場合には、書込み磁界発生領域での書込み磁界の発生を停止した状態で、書込み磁界発生領域を含む第２の領域をカンチレバーの探針を上下に振動させて測定対象の磁気ヘッド素子の表面に接触させながら走査するときに、残留磁界消去手段で探針に形成した磁性膜の残留磁界を消去しながら走査して測定対象の磁気ヘッド素子の書込み磁界発生領域を含む領域の形状を測定し、位置を特定した書込み磁界発生領域の形状を検査することが書込み磁界発生領域の寸法または形状を測定することである場合には、書込み磁界発生領域での書込み磁界の発生を停止した状態で、書込み磁界発生領域を含む第２の領域をカンチレバーの探針を上下に振動させて測定対象の磁気ヘッド素子の表面に接触させながら走査するときに、探針に形成した磁性膜に残留磁界が残った状態で走査して測定対象の磁気ヘッド素子の書込み磁界発生領域を含む領域の形状を測定するようにした。

本発明によれば、ＡＦＭによる磁気ヘッドメインポール近傍の表面段差、表面粗さ測定のスループットを向上させることができるようになった。

また本発明によれば、表面に磁性体が形成された探針を有するカンチレバーを用いたＡＦＭ測定において、ＡＦＭの測定精度を向上させることができるようになった。

本発明の実施例１に係る磁気ヘッドのメインポール近傍のエリアをラフスキャンしている状態を示すカンチレバーと磁気ヘッドとの断面図である。本発明の実施例１に係るカメラで撮像した画像で、カンチレバーと磁気ヘッドの位置を調整する前の状態を示すカンチレバーと磁気ヘッドの平面図である。本発明の実施例１に係るカメラで撮像した画像で、カンチレバーと磁気ヘッドの位置を調整後の状態を示すカンチレバーと磁気ヘッドの平面図である。本発明の実施例１に係る磁気ヘッド素子の表面形状測定装置の概略の構成を示すブロック図である。本発明の実施例１に係るＭＦＭ測定後にＡＦＭ測定を行う状態を示す図で、カンチレバー探針表面の磁性膜に残留磁界が残ったままでＡＦＭ測定を行う状態を示すカンチレバーと磁気ヘッドとの断面図である。本発明の実施例１に係るＭＦＭ測定後にＡＦＭ測定を行う状態を示す図で、マイクロ波照射により探針表面の磁性膜の残留磁界を消磁しながらＡＦＭ測定を行う状態を示すカンチレバーと磁気ヘッドとの断面図である。本発明の実施例１に係る磁気ヘッド素子測定装置を用いて磁気ヘッド素子を測定する手順を示すフロー図である。本発明の実施例２に係る磁気ヘッド素子の表面形状測定装置の概略の構成を示すブロック図である。本発明の実施例２に係るカンチレバーで、探針の前端に近接場光を発生で構成のカンチレバーの断面図である。本発明の実施例２に係るＭＦＭ測定後にＡＦＭ測定を行う状態を示す図で、カンチレバー探針表面の磁性膜に残留磁界が残ったままでＡＦＭ測定を行う状態を示すカンチレバーと磁気ヘッドとの断面図である。本発明の実施例２に係るＭＦＭ測定後にＡＦＭ測定を行う状態を示す図で、レーザ照射により探針の表面にプラズモンを発生させ磁性膜を加熱して残留磁界を消磁しながらＡＦＭ測定を行う状態を示すカンチレバーと磁気ヘッドとの断面図である。本発明の実施例２の変形例におけるカンチレバーの構成を示す図で、探針の表面に光学多層膜と磁性膜とを積層して形成したカンチレバーの断面図である。本発明の実施例２に係る磁気ヘッド素子測定装置を用いて磁気ヘッド素子を計測する手順を示すフロー図である。

本発明では、磁性材料を付加した探針を持つＭＦＭとＡＦＭとで兼用するカンチレバーを用いて、磁気ヘッドが発生した磁界または表面磁性材料の残留磁界を利用し、磁気ヘッドのメインポール近傍のエリアを探すラフスキャンにＡＦＭ方式よりも走査速度を速くできるＭＦＭ方式を採用し、ＡＦＭ方式で計測するために走査するメインポール近傍の数十〜百nmの微小エリアを確定するための時間を短縮して、ＡＦＭ方式による磁気ヘッドメインポール近傍の寸法、圭樹、表面段差、表面粗さ測定のスループットを、ＡＦＭ方式だけを用いて行う場合と比べて向上させるようにしたものである。

また、ラフスキャンによるＭＦＭ測定後の探針には残留磁界が存在するため、同じ探針を用いてＡＦＭ測定を行う際、磁気力の影響により、従来の表面に磁性膜を形成していない探針を用いたＡＦＭ方式による原子間力の測定結果との違いが生じる可能性がある。

そのため、測定目的に応じて、ＭＦＭ測定後の探針先端の残留磁界を利用してＡＦＭ方式で高感度に測定することと、前記探針先端の残留磁界を消して残留磁界による影響を無くしてＡＦＭ方式で測定することを使い分けることにより、従来のＡＦＭ方式による測定精度と同程度又はそれ以上の測定精度を確保できるようにすると共に、測定のスループットを向上させるようにしたものである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。本発明の要旨を超えない限り、本発明は以下説明する実施例及び図面に限定されるものではない。

ＡＦＭだけで測定する場合，磁気ヘッドのメインポール近傍の数十〜百nmの微小エリアを正しく測定するためには、光学顕微鏡で撮像した画像から特定した、測定したい領域を含む数〜数十マイクロメートルの比較的広い領域に対して、ＡＦＭスキャンを行わなければならない。しかし、ＡＦＭスキャンを行う場合には、ＡＦＭのカンチレバー先端の探針が試料表面と周期的に接触するので、探針の破損を防止するために試料表面を走査する速さは制限され、走査速度は比較的遅い。また、上記光学顕微鏡で撮像した画像から特定した比較的広い領域から最終的にメインポール近傍の数十〜百nmの微小エリアを確定するまでには、順次走査範囲を狭めていって数段階の走査を行わなければならず、最終的なＡＦＭの走査範囲を確定するまでには、比較的長い時間がかかる。

一方、ＭＦＭで測定する場合には、カンチレバー先端の探針を試料の表面から一定の高さの面内を走査するので探針の破損の可能性が比較的低く、ＡＦＭの場合と比べて比較的早い速度で試料の表面を走査することが可能である。

そこで、本実施例では、数〜数十マイクロメートルの比較的広い領域をＡＦＭスキャンする代わりに、ＭＦＭ方式を利用して、全体の測定時間を短縮するようにした。

図１Ａ乃至図１Ｃを用いて、前記した本実施例に係るＭＦＭ方式を利用して磁気ヘッドメインポール近傍の表面段差、表面粗さの測定速度を向上させる原理を説明する。

図１Ａにおいて１はＭＦＭのカンチレバーであり、５は計測対象の磁気ヘッドである。カンチレバー１の先端部付近には探針３が形成されており、探針３の表面の一部には磁性体２の薄膜が形成されている。一方、磁気ヘッド５には磁界発生部６が形成されており、外部から励磁信号７を印加することに磁界発生部６の端面６１と６２から書込み磁界４が発生する。

図１Ａにおいて、カンチレバー１の上方から磁気ヘッド５を光学的に撮像して得た画像５００を図１Ｂに示す。光学像５００は比較的高い倍率で撮像しているが、図１Ａに示した磁界発生部６の端面６１と６２は１μｍ以下で小さすぎて、光学像５００で磁界発生部６の端面６１と６２を特定することはできない。これに対して磁気ヘッド５に形成されたパターン５０１〜５０４は比較的大きく、光学像５００でその位置を特定することができる。そこで、磁界発生部(メインポール)６の端面６１と６２が存在しそうな領域６０１を、光学像５００上のパターン５０１〜５０４の位置情報と、磁気ヘッド５の設計情報から推定する。次に、磁気ヘッド５を移動させて、図１Ｃに示すように、磁界発生部６の端面６１と６２が存在しそうな領域６０１がカンチレバー１の先端近傍の探針３の直下に来るようにする。

この状態において、まず、測定対象の磁気ヘッド５に書込み磁界４を励起できる信号７を印加し、磁気ヘッドに書込み磁界４を発生させる。このとき、カンチレバー１の先端部の探針３の表面に磁性材料２の薄膜を形成したカンチレバー１を磁気ヘッド５の磁界発生部６であるメインポールの上方、Ｈｆの高さ（約１０-１００nm）で上下に高速に振動させながら領域６０１をスキャンする（探針３の先端が上下に振動するときの最下点がＨｆとなるように設定してスキャンする）。前記ＭＦＭスキャンにおいては、探針３が試料表面からＨｆの高さの領域をスキャンするので探針３が試料表面と接触しない。そのため、探針３が試料表面と接触することにより破損する可能性が、試料表面に接触しながらスキャンするＡＦＭの場合と比べて少ない。その結果、広い領域をＡＦＭでスキャンする場合と比べて高速にスキャンすることができる。そのため、ＡＦＭで磁気ヘッドのメインポール近傍の数十〜百nmの微小エリアまでの確定するために時間と比べて短縮することができる。

図２は、本発明に係る磁気ヘッド素子の表面形状測定装置の第１実施形態の基本的な構成図である。図２の磁気ヘッド素子の表面形状測定装置は、磁気ヘッド素子の製造工程において、多数の薄膜磁気ヘッド素子が形成されたウェハを加工してスライダ単体（薄膜磁気ヘッドチップ）を切り出す前の工程のローバー４０（ヘッドスライダが配列されたブロック）の状態で熱アシスト磁気ヘッド素子の発生する近接場光の強度分布を測定することが可能なものである。通常、多数の薄膜磁気ヘッド素子が形成されたウェハから３ｃｍ〜１０ｃｍ程度の細長いブロック体として切り出されたローバー４０は、４０個〜９０個程度のヘッドスライダ（薄膜磁気ヘッド素子）が配列された構成となっている。

本実施例に係る磁気ヘッド素子の表面形状測定装置は、走査型プローブ顕微鏡をベースとしている。磁気ヘッド素子の表面形状測定装置の測定ステージ１０１は、ローバー４０をＸ，Ｙ方向に移動可能なＸステージ１０６、Ｙステージ１０５を備えて構成されている。

ローバー４０は、その長軸方向の片側面がＹステージ１０５の上面に設けられているローバー４０の位置決め用の載置部１１４の基準面（Ｙステージ１０５に形成された段差面）に一旦突き当てられることによってＹ方向に位置決めされる。

Ｙステージ１０５の上方にはローバー４０の位置ずれ量測定用のカメラ１０３が設けられている。カメラ１０３により、図１Ｂ及び図１Ｃに示したような画像が取得される。Ｚステージ１０４は測定ステージ１０１のカラム１０１１に固定されており、カンチレバー１をＺ方向に移動させるものである。測定ステージ１０１のＸステージ１０６、Ｙステージ１０５、Ｚステージ１０４は、それぞれ図示していないピエゾ素子で駆動されるピエゾステージで構成されている。ローバー４０の所定の位置決めが終了すると、ローバー４０に対して、制御部ＰＣ１３０から出力する励磁信号を供給し、ローバー４０は、載置部１１４に磁気ヘッド素子の書込み磁界発生部６から磁界発生可能な状態で、Ｙステージ１０５に設けた図示していない吸着手段により吸着保持される。

ピエゾドライバ１０７は、この測定ステージ１０１のＸステージ１０６、Ｙステージ１０５、Ｚステージ１０４をそれぞれ駆動するピエゾ素子（図示せず）を駆動制御するものである。制御部ＰＣ１３０は、モニタを含むパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を基本構成とする制御用コンピュータで構成されている。図に示すように、測定ステージ１０１のＹステージ１０５上に載置されたローバー４０の上方の対向する位置には、前記近接場光と磁界との両方を測定できるカンチレバー１が配置されている。カンチレバー１は、その先端部分付近に図１Ａに示して様な探針３が形成されており、Ｚステージ１０４の下側に設けられた加振部１２２に取り付けられている。加振部１２２はピエゾ素子で構成され、ピエゾドライバ１０７からの励振電圧によって機械的共振周波数近傍の周波数の交流電圧が印加され、カンチレバー１の先端部の探針３は上下方向（Ｚ方向）に振動される。

カンチレバー１の探針３のＺ方向の振動は、半導体レーザ素子１０９と、４分割光ディテクタ素子からなる変位センサ１１０とを備えて構成される変位検出部１２０により検出される。この変位検出部１２０においては、半導体レーザ素子１０９から出射したレーザがカンチレバー１の探針３が形成されている面と反対側の面に照射され、カンチレバー１で反射したレーザは変位センサ１１０に入射する。

変位センサ１１０は、受光面が４つの領域に分割された４分割センサであり、変位センサ１１０の分割されたそれぞれの受光面に入射したレーザはそれぞれ光電変換されて４つの電気信号として出力される。ここで、変位センサ１１０は、カンチレバー１が加振部１２２により振動が加えられていない状態、即ち静止した状態で半導体レーザ素子１０９からレーザが照射されたときに、カンチレバー１からの反射光が４つに分割された受光面のそれぞれに等しく入射するような位置に設置されている。

差動アンプ１１１は、変位センサ１１０から出力される４つの電気信号の差分信号に所定の演算処理を施してＤＣコンバータ１１２に出力する。すなわち、差動アンプ１１１は、変位センサ１１０から出力される４つの電気信号間の差分に対応した変位信号をＤＣコンバータ１１２に出力する。従って、カンチレバー１が加振部１２２により加振されていない状態では、差動アンプ１１１からの出力はゼロになる。ＤＣコンバータ１１２は、差動アンプ１１１から出力される変位信号を実効値の直流信号に変換するＲＭＳ−ＤＣコンバータ（ＲｏｏｔＭｅａｎＳｑｕａｒｅｄｖａｌｕｅｔｏＤｉｒｅｃｔＣｕｒｒｅｎｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）で構成される。

差動アンプ１１１から出力される変位信号は、カンチレバー１の変位に応じた信号であり、カンチレバー１は振動しているので交流信号となる。ＤＣコンバータ１１２から出力される信号は、フィードバックコントローラ１１３に出力される。フィードバックコントローラ１１３は、カンチレバー１の現在の振動の大きさをモニタするための信号として制御部ＰＣ１３０にＤＣコンバータ１１２から出力される信号を出力すると共に、カンチレバー１の励振の大きさを調整するためのＺステージ１０４の制御用信号として制御部ＰＣ１３０を通じて、ピエゾドライバ１０７にＤＣコンバータ１１２から出力される信号を出力する。この信号を制御部ＰＣ１３０でモニタし、その値に応じて、ピエゾドライバ１０７によりＺステージ１０４を駆動するピエゾ素子（図示せず）を制御することによって、測定開始前に、カンチレバー１の初期位置を調整するようにしている。

この実施の形態では、ハードディスクドライブのヘッド浮上高さをＭＦＭモードで走査する場合のカンチレバー１の初期位置として設定する。発信機１０２は、カンチレバー１を励振するための発振信号をピエゾドライバ１０７に供給するものである。ピエゾドライバ１０７は、この発振機１０２からの発振信号に基づいて加振部１２２を駆動してカンチレバー１を所定の周波数で振動させる。

ＭＦＭモードで測定を行う際、まずカンチレバー１は、ローバー４０に形成された磁気ヘッド素子部５の表面から、ヘッド浮上高さＨｆに相当する高さにカンチレバー１の磁性膜２を形成した探針３の先端部が位置するように、Ｚステージ１０４によって位置決めされる。このヘッド浮上高さＨｆは、高速に回転する磁気ディスク(図示せず)上に磁気ヘッドを配置したときに磁気ディスクの表面に対して浮上する磁気ヘッドの高さに相当する。カンチレバー１は、ローバー４０のヘッドの書込み磁界４が発生する面に平行する平面を数〜数十μmの範囲内で、加振部１２２で駆動されて所定の周波数で振動しながらスキャンされる。

この実施の形態では、カンチレバー１のＸＹ平面内での位置は固定されており、Ｘステージ１０６及びＹステージ１０５によってローバー４０がＸＹ平面内で移動されてスキャンが行われる。このとき、磁気ヘッド素子部５は図２に示した制御部ＰＣ１３０から出力される励磁信号７を供給され、磁気ヘッド素子部５の書込み磁界発生部６は書込み磁界（交流磁界）４を発生せる。

このようにＭＦＭモードでスキャンすることにより、磁界発生部６で発生した書込み磁界４によるカンチレバー１の振動(振幅又は位相)の変化が変位センサ１１０から差動アンプ１１１で検出され、ＤＣコンバータ１１２、フィードバックコントローラ１１３を経由して制御部ＰＣ１３０に記録される。この制御部ＰＣ１３０に記録されたデータから、ＡＦＭスキャンの測定対象部となる磁界発生部６の位置を求めることができる。

次に、ＭＦＭモードで求めた磁界発生部６の位置を含む微小な領域をＡＦＭモードで測定するために、カンチレバー１は、ローバー４０に形成された磁気ヘッド素子部５の磁界発生部６の端面６１と６２が形成されている面にカンチレバー１の磁性膜２を形成した探針３の先端部が位置する(接触する)ように、Ｚステージ１０４によって位置決めされる。この状態で、カンチレバー１は加振部１２２で駆動されて所定の周波数で振動し、Ｘステージ１０６及びＹステージ１０７によってローバー４０がＸＹ平面内で移動されることにより、ローバー４０に形成された磁気ヘッド５の書込み磁界発生個所（磁界発生部６の端面６１と６２）を含む数十〜数百nmの領域が詳細にスキャンされる。

このとき、ＭＦＭモードで測定した後の探針３の表面に形成した磁性膜２には、残留磁界が存在する。探針３による測定箇所が磁界発生部６のような磁性材料の表面であるとき、磁性膜２の残留磁界の影響で、探針３にかかる力として、図３Ａに下向きの太い矢印で示したように、ＡＦＭスキャン時に発生する原子間力と磁気力とがかかる。ＡＦＭの測定目的が磁界発生部６の端面６１、６２の寸法や形状、間隔などの場合、前記磁気力により測定面の材質の違いによるカンチレバーの振動の振幅差が強調されて寸法や形状、間隔などをより正確に測定することができ、前記磁気力がプラス効果を呈する。

一方、測定対象が磁界発生部６の端面６１、６２付近の数ナノ程度の微小段差や凹凸の場合、前記磁気力により測定面の材質の違いによるカンチレバーの振動の振幅差が強調されて微小段差の寸法が拡大して検出されてしまう。その結果、正確な段差寸法の情報を得ることができなくなり、前記磁気力はマイナス効果を呈する。そこで、本実施例においては、数ナノ程度の微小段差や凹凸を測定する場合には、磁性膜２の残留磁界によるＡＦＭ測定結果への影響を無くすようにすることで、従来の探針３の表面に磁性膜２が形成されていないカンチレバー１を用いてＡＦＭ測定する場合の精度と同程度の測定精度を確保するようにした。

これを実現するために、本実施例においては、ＡＦＭモードで計測するときには、図３Ｂに示すように、制御部ＰＣ１３０からマイクロ波発生アンテナ１１５にマイクロ波励起用信号を供給し、マイクロ波発生アンテナ１１５からカンチレバー１の探針３に形成した磁性膜２に対して、マイクロ波３０２を照射するようにした。ここで、磁性膜２に照射するマイクロ波３０２の周波数は、磁性膜２の材料の磁気共鳴周波数と同じか又はその近傍の周波数とする。このような周波数のマイクロ波３０２を照射することにより、磁性膜２の残留磁界３０１は衰微し、消失する。磁界発生部(メインポール)６の端面６１及び６２のような磁性材料により形成された部分を測定する際、磁性膜２の残留磁界３０１を消失させた探針３には主に原子間力（図３Ｂの下向きの矢印）だけが発生するため、従来のＡＦＭ測定の場合と同程度の測定精度を確保することができる。

図４は、上述した本発明の第１の実施例に係る磁気ヘッド素子の表面形状測定装置を用いてローバー４０に形成された磁気ヘッド５を検査する動作の手順を示すフロー図である。先ず図示していないハンドリングユニットで図示していない供給トレイからローバー４０を１本取り出し、測定ステージ１０１上に搬送してＹステージ１０５の基準面にローバー４０を押し当てた状態でＹステージ１０５上の載置部１１４にローバー４０を載置する（Ｓ４０１）。

次に、カメラ１０３でローバー４０を撮像して得た図１Ｂに示したような画像からローバー４０の位置情報を得、この得た位置情報に基づいてＸステージ１０６又はＹステージ１０５を駆動してローバー４０に形成された計測対象の磁気ヘッド５の位置を調整するアライメントを行い（Ｓ４０２）、ローバー４０に形成された計測対象の磁気ヘッド５を図１Ｃに示したような測定位置に移動する（Ｓ４０３）。

次に、ローバー４０に形成された計測対象の磁気ヘッド素子部５に制御部ＰＣ１３０から励磁信号を供給して（Ｓ４０４）、磁界発生部６の端面６１及び６２から書込み磁界（交流磁界）４を発生させる。次に、ピエゾドライバ１０７によりＺステージ１０４を駆動するピエゾ素子（図示せず）を制御することによって、カンチレバー１を磁気ヘッド素子部５の端面６１及び６２の側の面に対して探針３の先端が高さＨｆの位置までアプローチさせる（Ｓ４０５）。
１を振動させることにより、カンチレバー１を磁気ヘッド素子部５の端面６１及び６２の側の面に平行な平面内で数〜数十μmの範囲内でＭＦＭモードでスキャンする（Ｓ４０６）。このスキャンにより、磁気ヘッド素子部５の磁界発生部６から発生する書込み磁界４によるカンチレバー１の振動の変化を半導体レーザ素子１０９と位置センサ１１０とを備えて構成される変位検出部１２０からの出力信号から検出され、磁界発生部４の位置情報が得られる。

ＭＦＭモードでのスキャンを完了すると、磁気ヘッド素子部５への励磁信号の供給を停止する（Ｓ４０６１）。次に、ＡＦＭモードにおける測定目的によって、消磁するかどうかを判断する（Ｓ４０７）。
消磁しないで測定する場合（Ｓ４０７でＮＯの場合）は、ＭＦＭモードでのスキャンで得られた磁界発生部４の位置情報を用いて、カンチレバー１のスキャン範囲を磁界発生部６の付近の数十〜数百nmの範囲内に設定すると共に、ピエゾドライバ１０７によりＺステージ１０４を駆動するピエゾ素子（図示せず）を制御することによって、カンチレバー１の探針３の先端を磁気ヘッド素子部５の端面６１及び６２の側の面に接触させ、設定した磁界発生部６の付近の数十〜数百nmの範囲内を詳細にスキャンしてＡＦＭ測定を行う（Ｓ４０８）。

一方、消磁して測定する場合（Ｓ４０７でＹＥＳの場合）は、ＭＦＭモードでのスキャンで得られた磁界発生部４の位置情報を用いて、カンチレバー１のスキャン範囲を磁界発生部６の付近の数十〜数百nmの範囲内に設定すると共に、ピエゾドライバ１０７によりＺステージ１０４を駆動するピエゾ素子（図示せず）を制御することによって、カンチレバー１の探針３の先端を磁気ヘッド素子部５の端面６１及び６２の側の面に接触させ、マイクロ波発生アンテナ１１５からマイクロ波３０２を発生させて探針３の表面に形成した磁性膜２に照射しながら設定した磁界発生部６の付近の数十〜数百nmの範囲内を詳細にスキャンしてＡＦＭ測定を行う（Ｓ４０９）。
次に、更に測定する箇所があるかをチェックし（Ｓ４１０）、更に測定する箇所がある場合（ＹＥＳ）には、Ｚステージ１０４でカンチレバー１を上昇させた状態でピエゾドライバ１０７でＹステージ１０５を駆動して次のヘッドの測定位置をカメラ１０３の視野内に移動させて（Ｓ４１１）、Ｓ４０４からの動作を繰返す。一方、更に測定する箇所がない場合（ＮＯ）には、Ｚステージ１０４でカンチレバー１を上昇させた状態で測定が終了したローバー４０を図示していないハンドリングユニットで取出して回収トレイに収納する（Ｓ４１２）。

次に、図示していない供給トレイに未検査のローバー４０があるか否かをチェックし（Ｓ４１３）、未検査のローバー４０がある場合にはＳ４０１に戻って未検査のローバー４０を供給トレイ（図示せず）から取出して（Ｓ４１４），測定ステージ１０１に搬送してＳ４０１からのステップを実行する。一方、供給トレイのうちに未検査のローバー４０が無い場合には、測定を終了する（Ｓ４１５）。

本実施例によれば、磁気ヘッド素子の表面形状測定装置でローバー４０に形成されたト磁気ヘッド素子５の磁界発生部６の表面情報を比較的短い時間でカンチレバー１によるＡＦＭスキャンで検出することができ、カンチレバー１の探針３に付加する磁性膜２の残留磁界３０１を利用し、測定感度を向上したり、残留磁界を消磁することにより、ＡＦＭ測定精度を確保したり、することができる。

図５は、本発明の第２の実施例に係る磁気ヘッド素子の表面形状測定装置全体の構成を示すブロック図である。図５に示した磁気ヘッド素子の表面形状測定装置は、実施例１で説明した磁気ヘッド素子の表面形状測定装置と基本的には同じ構造を有している。図５に示した磁気ヘッド素子の表面形状測定装置の構成において、図２で説明した熱アシスト磁気ヘッド素子の表面形状測定装置１００の構成と共通する部品については、同じ番号を付した。

実施例２において、実施例１と異なる点は、ＭＦＭスキャン後のカンチレバー探針の残留磁界を消すために、マイクロ波を利用する代わりに、磁性膜に熱を加えて、磁性材料キュリー温度付近まで過熱して、２次相転移位を行い、残留磁界を消すようにした点である。

具体的には、カンチレバー２０または２５の上方にレーザ光源５０１を設置し、レーザ光源５０１によりカンチレバー２０または２５の上方からレーザを照射することにより探針３の先端に局所的な電解集中（近接場光）を発生させ、探針３の先端部分の磁性体を加熱して温度を高め、消磁するようにした点である。

図６は本発明の第２の実施例に係るカンチレバー２０の構成図である。カンチレバー２０は、板状のレバーの先端部に四面体構造をしている探針３が形成されている。レバーと探針３とはシリコン（Ｓｉ）で形成されている。レバーと探針３の正面側には貴金属（例えば金や銀等）又は貴金属を含む合金の極薄い薄膜６０２が形成されている。薄膜６０２の表面には磁性膜２（例えばＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＮｉＣｏ等）が形成されている。
図７Ａに示すように、ＭＦＭモードでスキャンした結果からＡＦＭスキャン領域を設定し、磁気ヘッド５の磁界発生部６の外観や、サイズなどを測定する場合、カンチレバー２０は、磁気ヘッド素子部５の表面に沿って、ＡＦＭモードでスキャンを行う。カンチレバー２０の探針３の表面に形成された磁性膜２は、ＭＦＭモードでスキャンを行った際に、磁気ヘッド５が発生した外部磁界４により着磁され、残留磁界３０１を持つ。この状態でＡＦＭモードで磁界発生部６のような磁性材料により形成された部分を測定する際、探針３には太い矢印で示すような原子間力と磁気力が発生するため、実施例１の場合と同様に測定感度の向上を期待できる。

一方、図７Ｂに示すように、磁気ヘッド５の磁界発生部６付近の数ナノ程度の微小段差を計測する場合、カンチレバー２０は、磁気ヘッド素子部５の表面に沿って、ＡＦＭスキャンを行いながら、レーザ光源５０１によりカンチレバー２０の上方からカンチレバー２０の探針３にレーザを照射する。この探針３に照射されたレーザは、探針３の表面に磁性膜２と積層して形成した貴金属または貴金属合金の膜６０２に入射して、貴金属または貴金属合金の膜６０２と探針３の接触面に表面プラズモン７０２を生じ、レーザのエネルギーを探針３の先端に伝搬し、探針３の先端に極小的に光エネルギー密度を待つ近接場光７０１が発生する。この発生した近接場光７０１により、探針３先端部分が加熱されて温度が高くなり、磁性膜２に加熱され、磁性材料キュリー温度付近まで上昇して、２次相転移位を行い、前記ＭＦＭスキャンを行った際に磁気ヘッド５が発生した外部磁界４により形成された残留磁界３０１が消磁される。このようにして残留磁界３０１が消磁されたカンチレバー２０を用いてＡＦＭモードで磁界発生部６のような磁性材料により形成された部分を測定する際、探針３には原子間力のみが発生するため、従来のＡＦＭ測定における測定精度と同程度の精度を確保することができる。

図８は本発明の第２の実施例の変形例に係るカンチレバー２５の構成図である。カンチレバー２５の先端部には、四面体構造をしている探針３が形成されている。カンチレバー２５は探針３も含めてシリコン（Ｓｉ）で形成されている。探針３の表面には、熱を吸収できる光学多層の薄膜８０２が形成されている。薄膜８０２の表面には磁性膜２（例えばＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＮｉＣｏ等）が積層して形成されている。カンチレバー２５は、レーザ光源５０１によりカンチレバー２５の上方からカンチレバー２５の探針３に照射されて光学多層の薄膜８０２に吸収されたレーザにより探針３の先端に熱を貯めることができ、この熱により磁性膜２を加熱する構成となっている。

磁気ヘッド５の磁界発生部６付近の数ナノ程度の微小段差を計測する場合、カンチレバー２５は、磁気ヘッド素子部５の表面に沿ってＡＦＭモードでスキャンを行う。このとき、レーザ光源５０１によりカンチレバー２５の上方からカンチレバー２５の探針３にレーザを照射する。探針３に形成した光学多層膜８０２はレーザを吸収して発熱し、探針３の先端に熱を貯める。その結果、探針３先端の温度が高くなり、磁性膜２は加熱され、磁性材料はキュリー温度付近まで温度が上昇し、磁性膜２の内部で２次相転移位が発生し、前記ＭＦＭスキャンを行った際に、磁気ヘッド５が発生した外部磁界４により形成された残留磁界３０１を消すこともできる。磁界発生部６のような磁性材料により形成された部分を測定する際、探針３には原子間力のみが発生するため、従来のＡＦＭ測定における精度と同等程度の精度を確保することができる。

図９は、上述した本発明の第２の実施例に係る磁気ヘッド素子の表面形状測定装置を用いてローバー４０を検査する動作の手順を示すフロー図である。実施例２の動作の手順を示すフローは、実施例１と異なる点は、ＡＦＭモードでスキャンする場合に磁性膜２の消磁が必要となる場合、レーザ光源５０１からカンチレバー２０にレーザを照射し、探針３に形成した磁性膜２を加熱しながらＡＦＭ測定を行う（Ｓ９０９）というところである。その他のステップは実施例１の場合と同様であるので、説明を省略する。

上記した実施例１および２で説明したカンチレバー１と２０、２５の先端部付近に形成した探針３は、角錐形状をしたものについて説明したが、本発明ではこれに限られず、カンチレバー１、２０、２５とは異なる材質のカーボンナノチューブ（ＣａｒｂｏｎＮａｎｏＴｕｂｅ：ＣＮＴ）や、カーボンナノファイバ（ＣａｒｂｏｎＮａｎｏＦｉｂｅｒ：ＣＮＦ）等で形成しても良い。また、実施例１および２で説明した磁性膜２、貴金属（例えば金や銀等）又は貴金属を含む合金の薄膜６０２及び光学多層膜８０２は、図１Ａ，３Ａ，３Ｂ，６，７Ａ，７Ｂ、８の各図において探針３の左側の面に形成されている構成を示したが、各図において探針３の右側の面に形成しても良い。

また、探針３の表面に磁性膜２を薄膜状に形成した構成の例で説明したが、探針３に磁
性材料をドーピングした構成にしても良い。

なお、上記実施例においては、磁気ヘッド素子をローバーの状態で検査することについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、磁気ヘッド素子をローバーから1個ずつ切り離してジンバルに組み付けたスライダの状態でも、実施例1又は実施例２で説明した磁気ヘッドの表面形状測定装置を用いて磁気ヘッド素子磁界発生部近傍の表面状態と書き込み磁界分布の両方を測定し、検査することができる。

１，２０，２５・・・カンチレバー２・・・探針に付加する磁性膜３・・・探針４・・・書込磁界５・・・磁気ヘッド（磁気ヘッド素子部）６・・・磁界発生部４０・・・ローバー１０１・・・測定ステージ１０２・・・発信機１０３・・・カメラ１０４・・・Ｚステージ１０５・・・Ｙステージ１０６・・・Ｘステージ１０７・・・ピエゾドライバ１０９・・・半導体レーザ素子１１０・・・変位センサ１１１・・・差動アンプ１１２・・・ＤＣコンバータ１１３・・・フィードバックコントローラ１１４・・・載置部１１５・・・マイクロ波発生アンテナ１２０・・・変位検出部１２２・・・加振部１３０・・・制御部ＰＣ５０１・・・レーザ光源６０２・・・貴金属膜８０２・・・光学多層膜。

Claims

磁気ヘッド素子の形状を測定する方法であって、
測定対象の磁気ヘッド素子と該磁気ヘッド素子の表面を走査するカンチレバーとの光学
像を撮像し、
該撮像して得た画像から前記磁気ヘッド素子の書込み磁界発生領域を推定し、
前記書込み磁界発生領域に磁界を発生させた状態で前記カンチレバーを上下に振動させ
ながら前記カンチレバーの先端部付近に形成されて表面に磁性膜が形成されている探針の
上下に振動する下端が前記磁気ヘッド素子の表面から一定の高さで前記推定した書込み磁
界発生領域を含む第１の領域を走査し、
該走査して得たデータから前記第１の領域の内部で前記書込み磁界発生領域の位置を特定し、
前記位置を特定した前記書込み磁界発生領域の形状として前記書込み磁界発生領域の段差または表面の粗さを測定する場合には、前記書込み磁界発生領域での前記磁界の発生を停止した状態で、前記書込み磁界発生領域を含む第２の領域を前記カンチレバーの前記探針を上下に振動させて前記磁気ヘッド素子の表面に接触させながら走査するときに、前記探針に形成した磁性膜の残留磁界を消去しながら走査して前記書込み磁界発生領域の段差または表面の粗さを測定し、
前記位置を特定した前記書込み磁界発生領域の形状として前記書込み磁界発生領域の寸法または形状を測定する場合には、前記書込み磁界発生領域での前記磁界の発生を停止した状態で、前記書き込み磁界発生領域を含む第２の領域を前記カンチレバーの前記探針を上下に振動させて前記磁気ヘッド素子の表面に接触させながら走査するときに、前記探針に形成した磁性膜に残留磁界が残った状態で走査して前記書込み磁界発生領域の寸法または形状を測定する
ことを特徴とする磁気ヘッド素子の表面形状測定方法。
請求項１記載の磁気ヘッド素子の形状を測定する方法であって、前記探針に形成した磁性膜の残留磁界を消去することを、前記磁性膜に該磁性膜の材料の磁気共鳴周波数とほぼ同じ周波数のマイクロ波を照射することにより行うことを特徴とする磁気ヘッド素子の表面形状測定方法。
請求項１記載の磁気ヘッド素子の形状を測定する方法であって、前記探針には貴金属又は貴金属の合金の薄膜と前記磁性膜とが積層されて形成されており、前記第１の領域を走査した後に前記探針にレーザを照射して前記探針と前記貴金属又は貴金属の合金の薄膜との間にプラズモンを発生させ、該発生したプラズモンにより前記磁性膜を加熱して前記第１の領域を走査した後に前記磁性膜に残っている残留磁界を消去することを特徴とする磁気ヘッド素子の表面形状測定方法。
請求項１記載の磁気ヘッド素子の形状を測定する方法であって、前記探針には熱を吸収する光学多層膜と前記磁性膜とが積層されて形成されており、前記第１の領域を走査した後に前記探針にレーザを照射して前記光学多層膜で熱を吸収し、該吸収した熱により前記磁性膜を加熱して前記第１の領域を走査した後に前記磁性膜に残っている残留磁界を消去することを特徴とする磁気ヘッド素子の表面形状測定方法。
磁気ヘッド素子の形状を測定する装置であって、
測定対象の磁気ヘッド素子を載置して平面内で移動可能なテーブル部と、
先端部付近に表面に磁性膜が形成された探針を有するカンチレバーと、
該カンチレバーを上下に振動させる加振部と、
該テーブル部に載置された前記測定対象の磁気ヘッド素子の上面に対して前記カンチレ
バーの高さ方向の位置を調整するＺステージと、
前記カンチレバーに光ビームを照射して該カンチレバーからの反射光を検出することに
より該カンチレバーの振動の状態を検出する変位検出部と、
前記探針に形成した磁性膜の残留磁界を消去する残留磁界消去手段と、
前記テーブル部に載置された前記測定対象の磁気ヘッド素子と前記カンチレバーとの光
学像を撮像する光学撮像部と、
該光学撮像部で撮像して得た画像から前記測定対象の磁気ヘッド素子の書込み磁界発生
領域を推定する光学画像処理部と、
前記Ｚステージで前記カンチレバーの高さを調整した状態で前記カンチレバーを前記加
振部で上下に振動させながら前記テーブル部で前記測定対象の磁気ヘッド素子を平面内で
移動させることにより前記変位検出部で検出される前記カンチレバーの振動の状態の情報
に基づいて前記測定対象の磁気ヘッド素子の形状を測定する情報処理部と、
前記テーブル部と前記加振部と前記Ｚステージと前記変位検出部と前記光学撮像部と前
記光学画像処理部と前記情報処理部とを制御すると共に、磁気ヘッド素子に励磁信号を印
加して前記測定対象の磁気ヘッド素子の書込み磁界発生領域に書込み磁界を発生させる制
御部とを備え、
該制御部は、前記測定対象の磁気ヘッド素子に励磁信号を印加して前記測定対象の磁気
ヘッド素子の書込み磁界発生領域に書込み磁界を発生させた状態で、前記光学画像処理部
で推定した前記測定対象の磁気ヘッド素子の書込み磁界発生領域を含む第１の領域を前記
Ｚステージを制御して前記カンチレバーの前記探針が前記測定対象の磁気ヘッド素子の表面に対して所定の間隔離れるように設定して前記カンチレバーを前記加振部で上下に振動させながら前記テーブル部で前記測定対象の磁気ヘッド素子を平面内で移動させたときに前記変位検出部で検出される前記カンチレバーの振動の状態の情報に基づいて前記測定対象の磁気ヘッド素子の書込み磁界発生領域の位置を特定し、前記位置を特定した前記書込み磁界発生領域の形状を検査することが前記書込み磁界発生領域の段差または表面の粗さを測定することである場合には、前記書込み磁界発生領域での前記書込み磁界の発生を停止した状態で、前記書込み磁界発生領域を含む第２の領域を前記カンチレバーの前記探針を上下に振動させて前記測定対象の磁気ヘッド素子の表面に接触させながら走査するときに、前記残留磁界消去手段で前記探針に形成した磁性膜の残留磁界を消去しながら走査して前記測定対象の磁気ヘッド素子の前記書込み磁界発生領域を含む領域の形状を測定し、前記位置を特定した前記書込み磁界発生領域の形状を検査することが前記書込み磁界発生領域の寸法または形状を測定することである場合には、前記書込み磁界発生領域での前記書込み磁界の発生を停止した状態で、前記書込み磁界発生領域を含む前記第２の領域を前記カンチレバーの前記探針を上下に振動させて前記測定対象の磁気ヘッド素子の表面に接触させながら走査するときに、前記探針に形成した磁性膜に残留磁界が残った状態で走査して前記測定対象の磁気ヘッド素子の前記書込み磁界発生領域を含む領域の形状を測定する
ことを特徴とする磁気ヘッド素子の表面形状測定装置。
請求項５記載の磁気ヘッド素子の形状を測定する装置であって、前記残留磁界消去手段は、前記磁性膜に該磁性膜の材料の磁気共鳴周波数とほぼ同じ周波数のマイクロ波を照射することを特徴とする磁気ヘッド素子の表面形状測定装置。
請求項５記載の磁気ヘッド素子の形状を測定する装置であって、前記探針には貴金属又は貴金属の合金の薄膜と前記磁性膜とが積層されて形成されており、前記探針にレーザを照射するレーザ照射部を更に備え、前記第１の領域を走査した後に前記探針に前記レーザ照射部からレーザを照射して前記探針と前記貴金属又は貴金属の合金の薄膜との間にプラズモンを発生させ、該発生したプラズモンにより前記磁性膜を加熱して前記第１の領域を走査した後に前記磁性膜に残っている残留磁界を消去することを特徴とする磁気ヘッド素子の表面形状測定装置。
請求項５記載の磁気ヘッド素子の形状を測定する装置であって、前記探針には熱を吸収する光学多層膜と前記磁性膜とが積層されて形成されており、前記探針にレーザを照射するレーザ照射部を更に備え、前記第１の領域を走査した後に前記探針に前記レーザ照射部からレーザを照射して前記光学多層膜で熱を吸収し、該吸収した熱により前記磁性膜を加熱して前記第１の領域を走査した後に前記磁性膜に残っている残留磁界を消去することを特徴とする磁気ヘッド素子の表面形状測定装置。