JP6358788B2 - 交流磁場測定装置および交流磁場測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動する探針を用いて、試料（交流信号を与えることで交流磁場を発生する試料）の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する交流磁場測定装置およびに交流磁場測定方法に関する。
特に、本発明は、周波数が数ＫＨｚより高い高周波磁場（ＧＨｚ以上の周波数）を、試料が発生する場合であっても、当該試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定することができる交流磁場測定装置および交流磁場測定方法に関する。

図４に示すように、試料８０（図４では磁気ヘッド）の印加磁場応答性に係わる磁気特性は、磁気特性測定装置（磁気力顕微鏡）８により測定することができる。
磁気特性測定装置８では、カンチレバー８１の先端の下面に、試料８０に向けて形成したハード磁性体からなる探針（以下、「ハード磁性探針」とも言う）８３を、カンチレバー８１の始端に設けられた励振器（ピエゾ素子）８２によって機械的に角周波数ω₀（周波数ｆ₀（＝ω₀／（２π））で振動させる。
探針８３の角周波数ω₀の機械的な振動は、試料８０から発生する角周波数ω_sの交流磁場により周波数変調を受ける。
すなわち、探針８３が、試料８０が生成する交流磁場から磁気力を受けると、カンチレバー８１のみかけ上のバネ定数が変化する。これにより、探針８３の角周波数ω₀の機械的な振動に周波数変調が生じる。
図４では励振器８２の電源をＡＣ₁で示し、試料８０に接続された電源をＡＣ₂で示す。

探針８３の振動（周波数変調振動）は、レーザ光源８４１とフォトダイオード８４２からなる振動検出器８４により検出される。
すなわち、レーザ光源８４１からの光は、カンチレバー８１の先端の上面に形成されたミラーにより反射され、反射光はフォトダイオード８４２により検出される。
フォトダイオード８４２からの信号は周波数復調器８５に入射される。
復調器８５は、入力信号を周波数復調し、復調信号を磁気特性測定回路８６に送出する。
磁気特性測定回路８６は、復調器８５から受け取った復調信号を解析することで、試料８０の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定することができる（特許文献１）。

ＷＯ２００９／１０１９９１

図４の磁気特性測定装置を用いた交流磁場測定においては、試料８０から発生する試料面に垂直な方向（ｚ方向）の交流磁場の成分は、次式で表される。ここで、探針８３が変位する方向を試料面と垂直な方向とする。
Ｈ_z（ｔ）＝Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ）＝Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（２πｆ_sｔ）
Ｈ_z0 ^ac：試料８０から発生する試料面に垂直方向の交流磁場の成分の振幅
ω_s：試料８０から発生する交流磁場の角周波数
ｆ_s：試料８０から発生する交流磁場の周波数（ｆ_s＝ω_s／（２π））

探針（ハード磁性探針）８３に、カンチレバー８１の共振周波数と異なる周波数の非共振の交流磁場を印加すると、非共振の交番磁気力が探針８３に加わり、前述したように探針８３の機械的な振動に周波数変調（ＦＭ）が誘起される。この周波数変調（ＦＭ）を利用して、試料８０から発生する交流磁場を測定することができる。

探針８３が、単磁極型（探針８３の先端の磁極が受ける磁気力が主となる磁性探針の様態）のハード磁性探針であり、試料８０が発生する交流磁場の試料面に垂直方向の成分がＨ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ）であるとき、非共振の交番磁気力が探針８３（ハード磁性探針）の先端の磁極に加わる。このとき、カンチレバー８１の実効的なバネ定数（みかけ上のバネ定数）の、時間変化Δｋ（ｔ）は次式で与えられる。
Δｋ（ｔ）＝∂Ｆ_z／∂ｚ＝ｑ_tip ^dc｛∂Ｈ_z（ｔ）／∂ｚ｝
＝ｑ_tip ^dc｛∂Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ）／∂ｚ｝
ｑ_tip ^dc：探針８３（ハード磁性体探針）先端の磁極
Ｈ_z0 ^ac：試料８０から発生する試料面に垂直方向の交流磁場の成分の振幅
ω_s：試料８０から発生する交流磁場の角周波数

また、探針８３が双磁極型（探針８３の磁化（磁気モーメント）の両端の磁極が磁気力を受ける磁性探針の様態）のハード磁性探針であり、探針の磁化の方向が試料面に垂直方向のｚ方向であるときには、非共振の交番磁気力が探針８３（ハード磁性探針）の磁気モーメントに加わる。このとき、カンチレバー８１の実効的なバネ定数の、時間変化Δｋ（ｔ）は次式で与えられる。
Δｋ（ｔ）＝∂Ｆ_z／∂ｚ＝Ｍ_z ^dc｛∂²Ｈ_z（ｔ）／∂ｚ²｝
＝Ｍ_z ^dc｛∂²Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ）／∂ｚ²｝
Ｍ_z ^dc：ハード磁性探針の磁気モーメントの試料面に垂直な成分

カンチレバー８１実効的なバネ定数の時間変化Δｋ（ｔ）が、カンチレバー８１の本来のバネ定数ｋ₀と比較して、充分に小さい場合（Δｋ（ｔ）＜＜ｋ₀）、Δｋ（ｔ）は、探針振動に狭帯域の周波数変調を誘起する。ここで、周波数復調信号の試料磁場に対する同相成分であるｃｏｓ（ω_sｔ）成分をロックイン検出することで、試料面に垂直方向の交流磁場Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ）の振幅の勾配（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）の分布、または当該勾配の微分（∂²Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ²）の分布を測定することができる。

なお、本発明では、Ｈ_z0 ^acがゼロの場合、ロックイン検出するｃｏｓ（ω_mｔ）成分が消滅するので、交流磁場のゼロ検出が可能である。また、本発明では、Ｈ_z0 ^acの方向が反転すると、ｃｏｓ（ω_sｔ）の位相が１８０°変化するので、垂直磁場の上向き・下向きも同時に検出できる特徴をもつ。

実効的なバネ定数の時間変化Δｋ（ｔ）が誘起する狭帯域の周波数変調のスペクトルは、機械的に励振した共振角周波数ω₀（共振周波数ｆ₀）近傍の周波数成分の他に、一対のサイドバンドスペクトル（角周波数（ω₀±ω_s））の周波数成分を有する。
ここで、角周波数（ω₀±ω_s）の一対のサイドバンドスペクトルは、ω_sが増加すると、共振角周波数ω₀から遠ざかるので、共振効果がなくなる。これにより、カンチレバー８１の実効的なバネ定数が探針本来のバネ定数と変わらなくなり、探針８３が変位しにくくなる。
したがって、ω_sが増加したときには、周波数変調ＦＭが検出できなくなり、交流磁場の測定が困難になる場合がある。具体的には、周波数が数ＫＨｚを超えると交流磁場の検出が困難になる問題が生じる。

本発明は、周波数が数ＫＨｚより高い高周波磁場（典型的には、ＧＨｚ以上の周波数）を試料が発生する場合であっても、当該試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を、高分解能を維持したまま測定することができる交流磁場測定装置および交流磁場測定方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、従来、交流磁場の周波数が高くなると、探針装置の実効的なバネ定数が探針装置本来のバネ定数と変わらなくなり探針が変位しにくくなる、という上述の現象に起因する不都合を、試料から変調した交流磁場を発生させて、探針磁化を励磁し、探針磁化と交流磁場の磁気的相互作用を利用することにより解消できる、との知見を得て本発明をなすに至った。
すなわち、本発明では、磁性探針を、交流磁場で探針の磁化が時間変化しないハード磁性探針から、交流磁場で探針の磁化が時間変化するソフト磁性体からなる探針（以下、「ソフト磁性探針」とも言う）に変え、探針に変調した交流磁場を印加することで、時間変化する探針の磁化と試料からの交流磁場との磁気的相互作用を利用する。そして、探針装置の実効的なバネ定数の時間変化を低い周波数に変換することで、高い周波数の交流磁場を測定することができる。

本発明の交流磁場測定装置は（１）〜（５）を要旨とする。
（１）
励磁用のコイルが形成された、交流磁場を発生する試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する交流磁場測定装置であって、
磁性体からなる探針を備え、前記探針が前記試料から発生する交流磁場により磁化される（典型的には、フックの法則に従う梁部材）探針装置と、
前記探針を励振周波数で励振する励振器と、
前記コイルに電流を流して前記試料から交流磁場を発生させ、前記交流磁場によって、前記探針の磁化を交流磁場の極性に応じて周期的に反転させる試料駆動源と、
前記探針の振動を検出し、前記検出信号から、前記励振振動に生じた機械的変調にかかる信号（前記変調交流磁場により前記探針装置の実効的な（みかけ上の）バネ定数が変化することにより生じた信号）を抽出する信号抽出器と、
前記信号抽出器により抽出した信号に基づき、前記試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する交流磁場応答測定器と、
を備え、
前記駆動源は、基本周波数の交流電流を所定周波数で変調した電流を出力する変調機能を有し、
前記交流磁場を発生する試料に形成された前記コイルに前記変調した電流を流すことで、前記試料から変調した交流磁場を発生し、
前記変調した交流磁場により前記探針の磁化を当該交流磁場の極性に応じて反転させるとともに、前記変調交流磁場の変調成分により前記実効的なバネ定数を変化させる、
ことを特徴とする交流磁場測定装置。
本発明で測定する、励磁用のコイルが形成された、交流磁場を発生する試料として、例えば磁気ヘッド（磁気記録ヘッド）がある。磁気記録ヘッドは、薄膜プロセスにより作成される。なお、本明細書では、薄膜プロセスにより作成される磁気ヘッドの構成等は周知であるので、詳細な説明はしない。
本発明では、探針は、典型的には強磁性体であるが、常磁性体であってもよい。
変調交流磁場の変調周波数は、試料から発生する磁場の周波数と比較して十分に小さく設定される。
本発明では、探針の磁化変調は、ＡＭ変調またはＦＭ変調の何れでもよい。
（２）
（１）に記載の交流磁場測定装置であって、
前記信号抽出器が、
前記探針装置の振動を検出する振動検出装置と、
前記振動検出装置により検出した振動にかかる信号から、前記振動検出装置に与えられた磁気信号に対応する信号を復調する復調回路と、
を備えた、
ことを特徴とする交流磁場測定装置。
（３）
（１）に記載の交流磁場測定装置であって、
前記探針装置が、
前記探針と、
前記探針が先端に設けられたカンチレバーと、
からなり、
前記励振器が、
交流電源と、
カンチレバーと、
を含む、
ことを特徴とする交流磁場測定装置。
（４）
（１）に記載の交流磁場測定装置であって、
さらに走査機構を備え、
前記走査機構は、前記探針を前記試料に対して三次元移動させる、
ことを特徴とする交流磁場測定装置。
走査機構は、前記探針を前記試料の表面上で走査させること表面形状を学習することができる。
（５）
（４）に記載の交流磁場測定装置であって、
さらに画像表示装置を備え、
前記画像表示装置は、前記走査機構により走査した前記探針の前記試料の表面上での各位置での、前記試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定し、当該測定結果を画像表示する、
ことを特徴とする交流磁場測定装置。

本発明の交流磁場測定方法は（６）〜（１０）を要旨とする。
（６）
励磁用のコイルが形成された交流磁場を発生する試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を、磁性体からなる探針を備えた探針装置を用いて測定する交流磁場測定方法であって、
励振器により前記探針を励振周波数で励振する励振ステップ、
前記コイルに電流を流して前記試料から交流磁場を発生させる試料コイル駆動ステップ、
前記探針を前記試料から発生する交流磁場により磁化し、前記探針装置の実効的な（みかけ上の）バネ定数を変化させ、前記励振振動に機械変調を生じさせる機械変調生成ステップ、
前記探針の振動を検出し、前記検出信号から、前記励振振動に生じた機械変調にかかる信号を抽出する信号抽出ステップ、および、
前記信号抽出器により抽出した信号に基づき、前記試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する測定ステップ、
を含み、
前記試料コイル駆動ステップでは、基本周波数の交流電流を所定周波数で変調した電流を出力し、
前記コイルに前記変調した電流を流すことで、前記試料から変調した交流磁場を発生させ、
前記変調した交流磁場により前記探針の磁化を当該交流磁場の極性に応じて反転させるとともに、探針磁化と交流磁場との磁気的相互作用により前記探針装置の実効的な（みかけ上の）バネ定数を変化させる、
ことを特徴とする交流磁場測定方法。
（７）
（６）に記載の交流磁場測定方法であって、
前記信号抽出ステップは、振動検出ステップおよび復調ステップを含み、
前記振動検出ステップでは、前記探針装置の振動を検出し、
前記復調ステップでは、前記振動検出ステップにより検出した信号から、前記磁気信号に対応する信号を復調する、
交流磁場測定方法。
（８）
（６）に記載の交流磁場測定方法であって、
前記信号抽出ステップでは、交流電源により圧電素子を励振する、
ことを特徴とする交流磁場測定方法。
（９）
（６）に記載の交流磁場測定方法であって、
さらに走査ステップを含み、
前記走査ステップでは、前記探針を前記試料に対して三次元移動させる、
ことを特徴とする交流磁場測定方法。
（１０）
（９）に記載の交流磁場測定方法であって、
さらに画像表示ステップを含み、
前記画像表示ステップでは、前記走査ステップにおいて走査した前記探針の前記試料の表面上での各位置での、前記試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定し、当該測定結果を画像表示する、
ことを特徴とする交流磁場測定方法。

探針に与えられる交流磁場の周波数が、前記探針に機械的な振動に変調を生じさせることができない程度に高い場合（たとえば、ＧＨｚ以上）であっても、高分解能を維持しつつ試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定することができる。
また、垂直磁場の上向き・下向きも同時に検出できる。

本発明（磁気特性測定装置および磁気特性測定方法）において、探針としてソフト磁性探針を用いた場合の作用を以下に説明する。なお、本発明の交流磁場測定方法は、本発明の交流磁場測定装置を用いて実施することができる。

本発明において、探針に与えられる変調交流磁場は、試料が発生する。
試料は、励磁用のコイルが形成された交流磁場を発生する試料である。
試料が発生する交流磁場は、基本角周波数ω_sの交流磁場（基本周波数：ｆ_s、ω_s＝２πｆ_s）の他、角周波数が異なる交流磁場成分を少なくとも１つ含む必要がある。
たとえば、スペクトラムに、基本角周波数ω_sと異なる交流磁場成分を１つ含む、全部で２つの周波数成分が現れる場合もある。
また、振幅変調（ＡＭ変調）や狭帯域の周波数変調（ＦＭ変調）では、スペクトラムに、基本角周波数ω_sと異なる交流磁場成分を２つ含む、全部で３つの周波数成分が現れる場合もある。

まず、スペクトラムに、全部で２つの周波数成分が現れる場合を以下に説明する。
この場合、交流磁場の基本角周波数ω_sは、数ＫＨｚより高くてもよい。
探針の磁化は、次のようにして変調される。
試料に、基本角周波数（本実施例では、実際の使用時に試料に与える角周波数と同じ角周波数）ω_sの交流磁場、および基本角周波数ω_sと僅かに異なる角周波数（ω_s−ω_m）または（ω_s＋ω_m）（ω_mは低角周波数）の交流磁場を加えた合わせた交流磁場（本発明における、変調磁場）を与える。
これにより、探針は、角周波数ω_s−ω_mまたはω_s＋ω_mの変調磁場により励磁され、磁化が変調される。

以上のような、変調した交流磁場の印加により、探針には、低角周波数（変調周波数）ω_mの交番磁気力が誘起される。この低角周波数ω_mの交番磁気力は、ソフト磁性探針と交流磁場との間の磁気的相互作用によるものである。
これにより、探針の機械的な振動に周波数変調が生じ、この周波数変調を利用して、試料（磁気ヘッド）の交流磁場の応答性、あるいは、試料が発生する交流磁場（高周波磁場）の測定が可能となる。

以下に、基本角周波数ω_sの交流磁場（高周波磁場）に、基本角周波数ω_sとは僅かに角周波数が異なる交流磁場（角周波数（ω_s＋ω_m）の変調磁場）を足し合わせた磁場を試料面に垂直に発生させ、試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を、単磁極型（探針の先端の磁極が受ける磁気力が主となる磁性探針の様態）のソフト磁性探針により測定する場合を説明する。
この試料面に垂直な交流磁場（変調磁場）Ｈ_z（ｔ）は、以下のように表される。
Ｈ_z（ｔ）＝Ｈ_sample ^ac（ｔ）
＝Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ）＋αＨ_z0 ^acｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ （数式１）
Ｈ_z0 ^ac：試料から発生する交流磁場（基本角周波数ω_s）のうち、試料面に垂直な成分の振幅
α：角周波数ω_s＋ω_m成分による試料からの交流磁場の変調度
ω_s：試料から発生する交流磁場の角周波数
ω_m：変調角周波数

この交流磁場Ｈ_z（ｔ）により、ソフト磁性探針は、試料から発生する交流磁場により励磁される。
試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する際には、空間分解能を向上させるために、探針と試料との距離（探針試料間距離）を減少させる必要がある。探針試料間距離の減少に伴い、探針の磁気的な挙動は、双磁極型（探針の磁化の磁気モーメントの両端の磁極が磁気力を受ける磁性探針の様態）から、上述した単磁極型に変化する。
このとき、探針の先端に発生する磁極密度は、交流磁場に応答して次式のように時間変化する。
ρ（ｔ）＝ρ_tip ^ac（ｔ）
＝ρ₀ ^acｃｏｓ（ω_sｔ）＋βρ₀ ^acｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ （数式２）
ρ₀ ^ac：角周波数ω_s成分による探針先端の磁極密度（探針磁極）の振幅
β：角周波数ω_s±ω_m成分による探針磁極の変調度

探針の磁極の変調度は、一般的には、０＜＝β＜＝α＜１である。なお、交流磁場（αＨ_z0 ^acｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ：試料から発生する交流磁場（高周波磁場）に足し合わされる変調磁場）の強度が低い場合には、探針磁極の変調度は、通常、交流磁場の変調度より小さくなる。
（数式１）および（数式２）より、実効的なバネ定数の時間変化は、次式で与えられる。
Δｋ（ｔ）＝∂Ｆ_z／∂ｚ
＝ρ（ｔ）（∂Ｈ_z（ｔ）／∂ｚ）
＝ρ_tip ^ac（ｔ）（∂Ｈ_sample ^ac（ｔ）／∂ｚ）
＝｛ρ₀ ^acｃｏｓ（ω_sｔ）＋βρ₀ ^acｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ｝
｛（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_sｔ）
＋α（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ｝ （数式３）
（数式３）から、直流を含む、低角周波数の実効バネ定数成分Δｋ_lowは、次式で与えられる。
Δｋ_low＝｛１／２＋（α＋β）／２｝ρ₀ ^ac（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）
＋｛（α＋β）／２｝ρ₀ ^ac（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_mｔ） （数式４）

（数式４）は、実効バネ定数成分Δｋ_lowのｃｏｓ（ω_mｔ）成分による探針振動の周波数変調（ＦＭ）を利用し、高周波磁場Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ）を、低角周波数に周波数変換（ダウンコンバート）することで、高周波磁場の振幅（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）の測定が可能になることを意味する。
ここで、探針励磁用の交流信号に係わる、ｃｏｓ（ω_mｔ）成分の振幅をロックインアンプにより検出することで、（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）の分布を、直流成分を利用する場合と比較して、交流磁場を高感度かつ空間分解能が向上する試料表面近傍でイメージングすることができる。なお、直流成分を利用する場合には、試料表面近傍では、表面に起因する近距離力と磁気力の分離ができないので、交流磁場の計測は困難である。

さらに、ｃｏｓ（ω_mｔ）成分を検出する本発明では、試料面に垂直な磁場成分である、Ｈ_z0 ^acがゼロの場合、ロックイン検出による、ｃｏｓ（ω_mｔ）成分が消滅するので、磁場のゼロ検出も可能である。なお、直流成分を利用する場合には、磁場のゼロ検出は不可能である。

上記の例では、探針に印加される交流磁場は、ω_sと（ω_s＋ω_m）の２つの周波数成分を持つ交流磁場であった。
次に、３つの周波数成分を持つ交流磁場の代表例として、ω_sと（ω_s＋ω_m）および（ω_s−ω_m）の角周波数成分を有する、振幅変調した交流磁場を変調磁場として用いた場合について説明する。

このとき、探針に印加される交流磁場は、次式で与えられる。
Ｈ_z（ｔ）＝Ｈ_sample ^ac（ｔ）
＝Ｈ_z0 ^acｃｏｓ（ω_sｔ）＋αＨ_z0 ^acｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ
＋αＨ_z0 ^acｃｏｓ（ω_s−ω_m）ｔ
＝Ｈ_z0 ^ac（１＋２αｃｏｓ（ω_mｔ））ｃｏｓ（ω_sｔ） （数式５）
探針の先端には、次式で表される磁極が発生する。
ρ（ｔ）＝ρ_tip ^ac（ｔ）
＝ρ₀ ^acｃｏｓ（ω_sｔ）＋βρ₀ ^acｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ
＋βρ₀ ^acｃｏｓ（ω_s−ω_m）ｔ （数式６）

（数式５）および（数式６）より、実効的なバネ定数の時間変化は、次式で与えられる。
Δｋ（ｔ）＝∂Ｆ_z／∂ｚ
＝ρ（ｔ）（∂Ｈ_z（ｔ）／∂ｚ）
＝ρ_tip ^ac（ｔ）（∂Ｈ_sample ^ac（ｔ）／∂ｚ）
＝｛ρ₀ ^acｃｏｓ（ω_sｔ）＋βρ₀ ^acｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ
＋βρ₀ ^acｃｏｓ（ω_s−ω_m）ｔ｝
｛（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_sｔ）
＋α（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_s＋ω_m）ｔ
＋α（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_s−ω_m）ｔ｝ （数式７）

（数式７）から、直流を含む、低角周波数の実効バネ定数成分Δｋ_lowは、次式で表される。
Δｋ_low＝｛１／２＋（α＋β）｝ρ₀ ^ac（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）
＋（α＋β）ρ₀ ^ac（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）ｃｏｓ（ω_mｔ） （数式８）
上記から、Δｋ_lowのｃｏｓ（ω_mｔ）成分による、探針振動の周波数変調（ＦＭ）を利用し、同様に高周波磁場の振幅（∂Ｈ_z0 ^ac／∂ｚ）の測定が可能になることがわかる。
振幅変調した交流磁場を用いた場合、先に説明した２つの周波数の交流磁場の場合と比較して、ｃｏｓ（ω_mｔ）成分の信号強度が２倍になる特徴がある。

図１は本発明の交流磁場測定装置の一実施形態を示す説明図である。 図２は本発明の交流磁場測定方法を示すフローチャートである。 図３（Ａ）磁気記録ヘッドの模式図であり、図３（Ｂ）は垂直磁気記録用の主磁極直上で取得した垂直磁場像（Ｌｏｃｋ−ｉｎ Ｘ像）であり、図３（Ｃ）はその断面プロファイルである。 図４は従来技術（交流磁場測定装置）の説明図である。

図１は本発明の交流磁場測定装置を示す説明図であり、交流信号を与えることで交流磁場を発生する試料の交流磁場（または、交流磁場応答性）を探針装置により測定することができる。
図１において、交流磁場測定装置１は、探針装置（カンチレバー）１１と、励振器１２と、駆動源１３と、信号抽出器１４と、交流磁場応答測定器１５と、走査機構１６と、画像表示装置１７とから構成されている。

探針装置１１は、図１ではカンチレバーである。図１では、探針装置１１は、カンチレバー１１２と、カンチレバー１１２の先端（自由端）に設けられたソフト磁性体からなる探針１１１により構成される。探針１１１はソフト磁性体から構成されており、探針１１１の先端の磁極の極性は、試料２が発生する磁場の極性に追従して変化する。
本実施形態では、探針１１１は、シリコン探針にＦｅＣｏを被覆して形成される。

励振器１２は、交流電源１２１と圧電素子（ピエゾ素子）１２２とからなり、探針１１１を励振する（機械振動させる）ことができる。交流電源１２１が圧電素子１２２に与える角周波数はω₀である。励振器１２は探針１１１を探針装置１１の固有振動数または固有振動数に近い角周波数ω₀（本実施形態では、周波数ｆ₀＝３００ｋＨｚ程度）で励振している。
なお、探針１１１が交流磁場Ｈ₀の影響を受けることで探針装置１１の実効的な（みかけ上の）バネ定数が変化する。これにより、探針１１１の振動に周波数変調が生じる。

駆動源１３は、角周波数ω_sの交流電流を出力する第１駆動源（電流源または電圧源）１３１と、低角周波数ω_mの信号を出力する第２駆動源（電流源または電圧源）１３２と、第１駆動源１３１からの出力と第２駆動源１３２との出力を合成する合成器１３３とからなる。
試料２に与える角周波数ω_sの交流信号（電流）を、角周波数ω_sよりも十分に低い変調角周波数ω_mで変調し、この変調した角周波数（ω_s±ω_m）の交流信号ｉを試料２に与える。
試料２は、変調角周波数ω_mで変調された交流信号ｉが与えられたときに、交流磁場Ｈ₀ｃｏｓ（ω_sｔ｝が変調角周波数ω_mで変調された交流磁場Ｈ₀ｃｏｓ｛（ω_s±ω_m）ｔ｝を発生する。
図１では、試料２はコイル２１を備えた磁気発生装置であり、試料２に与えられる交流信号（ω_s±ω_m）は、コイル２１に流される交流電流である。なお、試料２は、典型的には、ハードディスクの書込み用の磁気ヘッドである。

信号抽出器１４は、探針振動検出器１４１と、復調回路１４２とからなる。
探針振動検出器１４１は、探針１１１の振動を検出する。探針振動検出器１４１は、レーザ１４１１と光センサ（フォトダイオード）１４１２からなる。

探針１１１は、交流磁場が与えられていないときには、角周波数ω₀で振動しているが交流磁場が与えられると探針磁化と交流磁場との磁気的相互作用により、角周波数が周期的に変化する周波数変調を受ける。本発明では、交流磁場は変調された高周波数磁場であり、探針装置１１は変調周波数ω_mでバネ定数が変化するように振舞う。したがって、探針１１１の角周波数ω₀で振動している探針１１１は、変調周波数ω_mで変調を受けるようになる。
復調回路１４２は、探針振動検出器１４１の検出信号を入力し、検出信号に含まれる探針１１１の機械振動に生じた変調信号（振動周波数がω₀から周期的に変調周波数で時間変化する変調信号）から変調角周波数ω_mの信号を復調することができる。

交流磁場応答測定器１５は、復調回路１４２により復調した信号に基づき、試料２の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する。言い換えると、交流磁場応答測定器１５は、変調周波数ω_mの信号は探針１１１の振動の周波数変調の程度より、試料２の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定する。
交流磁場応答測定器１５は、ロックインアンプ１５１、振幅測定回路１５２、位相測定回路１５３、同相成分測定回路１５４および直交成分測定回路１５５から構成することができる。ロックインアンプ１５１は、第２駆動源１３２から同期をとるべく参照信号を入力している。
空間分解能向上のために、探針・試料間距離を減少させた場合に対応する、上述した単磁極型のソフト磁性探針の場合には、ロックインアンプ１５１の出力から、振幅測定回路１５２は周期変動磁場∂Ｈ_m／∂ｚの振幅を検出できるし、位相測定回路１５３は周期変動磁場∂Ｈ_zm／∂ｚの位相を検出できる。

走査機構１６は、探針装置１１を試料２に対して相対移動させることで探針１１１を試料２の面の上で走査させることができる。たとえば、走査機構１６は、三次元移動ステージ（Ｘ−Ｙ−Ｚ方向に移動できるステージ）とすることができる。三次元移動ステージには、試料２が取り付けられる。
走査機構１６による走査に際して、探針１１１と試料２との距離を予め検出しておくことができる。本実施形態では、走査機構１６の機能が探針・試料間距離の調整を行うように構成されている。

画像表示装置１７は、コンピュータとディスプレイから構成できる。画像表示装置１７は、試料２の表面の交流磁場（または、交流磁場応答性）の測定結果を、走査機構１６の走査位置情報（本実施形態では、ｘｙ座標情報またはｘｙｚ座標情報）を記憶装置１７１に記憶しておくことができる。そして、画像表示装置１７は、走査位置情報に対応させて交流磁場（または、交流磁場応答性：各位置における磁場の強度）を二次元表示または三次元表示する。
画像表示装置１７は、走査機構１６により走査された探針１１１の試料２の面の上での多数の位置で、試料２の交流磁場（または、交流磁場応答性）を測定し、測定結果をメモリに記憶しておくことができる。そして、測定結果を画像表示することができる。

図２は本発明の交流磁場測定方法を示すフローチャートである。
図２に示す、ステップＳ１１０〜２００の処理は、上述した本発明の交流磁場測定装置における各構成要素（探針装置１１、励振器１２、駆動源１３、信号抽出器１４、交流磁場応答測定器１５、走査機構１６および画像表示装置１７）により行われる。

走査機構１６が走査を開始する（初期座標Ｘ＝０，Ｙ＝０に、座標がセットされる）（Ｓ１１０）。
駆動源１３は、角周波数ωｓの交流信号をこの周波数よりも低い変調角周波数ω_mで変調し、この変調信号（交流電流ｉ）で試料２を駆動する。試料２は、変調信号（交流電流ｉ）に対応する変調周波数の交流磁場（変調交流磁場）を発生する（Ｓ１２０）
励振器１２は、探針１１１を励振し（機械振動させ）、探針１１１の磁化を、変調された交流磁場で励磁する。交流磁場で励磁された探針磁化は、交流磁場との磁気的相互作用により、探針の実効的なバネ定数を変化させ、これにより、探針振動に周波数変調が発生する。（Ｓ１３０）。
信号抽出器１４の一部を構成する探針振動検出器１４１は、探針１１１の振動を検出し検出信号を生成する（Ｓ１４０）。
信号抽出器１４の一部を構成する復調回路１４２は、検出信号に含まれる探針１１１の機械振動に生じた変調信号（周波数変調による信号）を復調する（Ｓ１５０）。
交流磁場応答測定器１５は、復調した信号に基づき、試料２の交流磁場応答性を測定する（Ｓ１６０）。探針１１１の振動に生じる周波数変調の程度より、試料２の交流磁場応答性を測定する。
交流磁場応答測定器１５は、測定結果を記憶装置（図１の符号１７１参照）に格納する（Ｓ１７０）。
交流磁場応答測定器１５は、走査機構１６が全座標を走査したかを判断する（Ｓ１８０）。
走査機構１６が全座標を走査していないときは、処理がＳ１２０に戻され、新たな座標についてＳ１２０〜１８０の処理が行われる。
走査機構１６が全座標を走査したときは、画像表示装置１７に、測定結果が画像表示される（Ｓ１９０）。

《実験例》
以下に、本実施形態における実験例を示す。
（Ａ）
本実験例の条件は以下のとおりである。
試料２は磁気ヘッドである。
探針１１１は、Ｓｉ探針にＦｅＣｏ膜を３０ｎｍ成膜して構成した。
交流磁場の周波数は、７００ＭＨｚである。
交流磁場の変調方式は振幅変調（ＡＭ）であり、変調周波数は７０Ｈｚ、変調度は９０％である。

（Ｂ）
実験では、探針１１１を上記の振幅変調磁場で励磁し、探針１１１に７０Ｈｚの交番磁気力を発生させた。
この交番磁気力により発生する探針１１１の機械変調信号（周波数変調信号（ＦＭ））を室温大気中で測定した。

（Ｃ）
図３（Ａ）に交流磁場の測定を行った、磁気記録ヘッド（試料２）の模式図を示す。磁気記録ヘッドから発生する交流磁場の磁束Φは、交流信号が加えられるコイル２１で取り囲まれている主磁極２２からリターンヨーク２３に向かって流れる。ここで主磁極とリターンヨークの間のギャップＧａｐの部分では、ヘッド表面に垂直な磁場成分はゼロとなり、ヘッド表面に平行な磁場成分が最大となる。
図３（Ｂ）に磁気記録ヘッド（試料２）の主磁極２２およびリターンヨーク２３の直上で取得した垂直磁場像（Ｌｏｃｋ−ｉｎ Ｘ像）示し、図３（Ｃ）にその断面プロファイルを示す。
図３（Ｂ）に示されるように、実線で示すギャップを挟んで、主磁極２２からリターンヨーク２３に向かうダウントラック方向で磁場像のコントラストが反転している。
主磁極ＰＭからの磁束Φがギャップを挟んでリターンヨークＲＹ側に流れる様子が明瞭に観察される。
図３（Ｃ）に示されるように、Ｌｏｃｋ−ｉｎＸ像の信号の値は、主磁極側で正、ギャップＧａｐの領域でゼロ、リターンヨーク２３側で負となっており、図３（Ａ）で示した磁束の流れが明瞭に測定される。

１ 交流磁場測定装置
２ 試料
１１ 探針装置
１２ 励振器
１３ 駆動源
１４ 信号抽出器
１５ 交流磁場応答測定器
１６ 走査機構
１７ 画像表示装置
２１ コイル
２２ 主磁極
２３ リターンヨーク
１１１ 探針
１１２ カンチレバー
１２１ 交流電源
１２２ 圧電素子（ピエゾ素子）
１３１ 第１駆動源
１３２ 第２駆動源
１４１ 探針振動検出器
１４２ 復調回路
１５１ ロックインアンプ
１５２ 振幅測定回路
１５３ 位相測定回路
１５４ 同相成分測定回路
１５５ 垂直成分測定回路
１７１ 記憶装置
１４１１ レーザ
１４１２ 光センサ（フォトダイオード）
ｇｐ２１２１１ 主磁極とリターンヨークの間のギャップ
Φ 磁束

Claims (10)

1. 励磁用のコイルが形成された、交流磁場を発生する試料の交流磁場応答性を測定する交流磁場測定装置であって、
   磁性体からなる探針を備え、前記探針が前記試料から発生する交流磁場により磁化される探針装置と、
   前記探針を励振周波数で励振する励振器と、
   基本周波数の交流電流を所定周波数で変調した電流を出力する変調機能を有し、前記コイルに電流を流して前記試料から交流磁場を発生させ、前記交流磁場によって、前記探針の磁化を交流磁場の極性に応じて周期的に反転させる試料駆動源と、
   前記探針の振動を検出し、前記検出信号から、前記変調交流磁場により前記探針装置の実効的なバネ定数が変化することにより生じた信号を抽出する信号抽出器と、
   前記信号抽出器により抽出した信号に基づき、前記試料の交流磁場応答性を測定する交流磁場応答測定器と、
   を備え、
   前記交流磁場を発生する試料に形成された前記コイルに前記変調した電流を流すことで、前記試料から変調した交流磁場を発生し、
   前記変調した交流磁場により前記探針の磁化を当該交流磁場の極性に応じて反転させるとともに、探針磁化と交流磁場との磁気的相互作用により前記実効的なバネ定数を変化させる、
   ことを特徴とする交流磁場測定装置。
2. 前記請求項１に記載の交流磁場測定装置であって、
   前記信号抽出器が、
   前記探針装置の振動を検出する探針振動検出器と、
   前記探針振動検出器により検出した振動にかかる信号から、前記探針振動検出器に与えられた磁気信号に対応する信号を復調する復調回路と、
   を備えた、
   ことを特徴とする交流磁場測定装置。
3. 前記請求項１に記載の交流磁場測定装置であって、
   前記探針装置が、
   前記探針と、
   前記探針が先端に設けられたカンチレバーと、
   からなり、
   前記励振器が、
   交流電源と、
   カンチレバーと、
   を含む、
   ことを特徴とする交流磁場測定装置。
4. 前記請求項１に記載の交流磁場測定装置であって、
   さらに走査機構を備え、
   前記走査機構は、前記探針装置の探針を前記試料に対して三次元移動させる、
   ことを特徴とする交流磁場測定装置。
5. 前記請求項４に記載の交流磁場測定装置であって、
   さらに画面表示装置を備え、
   前記画面表示装置は、前記走査機構により操作した前記探針の前記試料の表面上での各位置での、前記試料の交流磁場応答性を測定し、当該測定結果を画面に表示する、
   ことを特徴とする交流磁場測定装置。
6. 励磁用のコイルが形成された交流磁場を発生する試料の交流磁場応答性を、磁性体からなる探針を備えた探針装置を用いて測定する交流磁場測定方法であって、
   励振器により前記探針を励振周波数で励振する励振ステップ、
   前記コイルに電流を流して前記試料から交流磁場を発生させる試料コイル駆動ステップ、
   前記探針を前記試料から発生する交流磁場により磁化を周期的に反転させ、前記探針装置の実効的なバネ定数を変化させ、前記励振振動に機械変調を生じさせる機械変調生成ステップ、
   前記探針の振動を検出し、前記検出信号から、前記励振振動に生じた機械変調に係る信号を抽出する信号抽出ステップ、および、
   前記信号抽出ステップにより抽出した信号に基づき、前記試料の交流磁場応答性を測定する測定ステップ、
   を含み、
   前記試料コイル駆動ステップでは、基本周波数の交流電流を所定周波数で変調した電流を出力し、
   前記コイルに前記変調した電流を流すことで、前記試料から変調した交流磁場を発生させ、
   前記機械変調生成ステップでは、探針磁化を交流磁場との磁気的相互作用により前記実効的なバネ定数を変化させ、前記機械変調を生じさせる、
   ことを特徴とする交流磁場測定方法。
7. 前記請求項６に記載の交流磁場測定方法であって、
   前記信号抽出ステップでは、振動検出ステップおよび復調ステップを含み、
   前記振動検出ステップでは、前記探針装置の振動を検出し、
   前記復調ステップでは、前記振動検出ステップにより検出した信号から、前記磁気信号に対応する信号を復調する、
   ことを特徴とする交流磁場測定方法。
8. 前記請求項６に記載の交流磁場測定方法であって、
   前記信号抽出ステップでは、交流電源により圧電素子を励振する、
   ことを特徴とする交流磁場測定方法。
9. 前記請求項６に記載の交流磁場測定方法であって、
   さらに走査ステップを含み、
   前記走査ステップでは、前記探針を前記試料に対して三次元移動させる、
   ことを特徴とする交流磁場測定方法。
10. 前記請求項９に記載の交流磁場測定方法であって、
    さらに画像表示ステップを含み、
    前記画像表示ステップでは、前記走査ステップにおいて走査した前記探針の前記試料の表面上での各位置での、前記試料の交流磁場応答性を測定し、当該測定結果を画像表示する、
    ことを特徴とする交流磁場測定方法。