JPH06258289A - 磁気力顕微鏡 - Google Patents
磁気力顕微鏡Info
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- JPH06258289A JPH06258289A JP4701693A JP4701693A JPH06258289A JP H06258289 A JPH06258289 A JP H06258289A JP 4701693 A JP4701693 A JP 4701693A JP 4701693 A JP4701693 A JP 4701693A JP H06258289 A JPH06258289 A JP H06258289A
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- Japan
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- sample
- voltage
- leaf spring
- probe
- magnetic force
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 試料と強磁性探針間に働く力を検出して磁気
力像を得るときに、試料と強磁性探針間に異なる２種の
直流電圧を走査線毎に交互に印加することで、試料表面
形状の影響を受けない磁気力像を測定することを目的と
する。 【構成】 上記の磁気力顕微鏡において、大きな直流電
圧を印加したときは、試料と強磁性探針が離れ、磁気力
と表面凹凸が合成されたデータを得ることになる。また
一方、小さな直流電圧を印加すると、試料と強磁性探針
が接近するため、２原子間に働くVan der Waals 力のみ
になる。この力力を検出して測定したデータは磁気力の
影響を受けない表面凹凸データとなる。前述の磁気力と
表面凹凸が合成されたデータから、後述の表面凹凸デー
タをディジタル演算で差し引くことで、表面凹凸分布の
影響を受けない磁気力分布像を構成することができる。
力像を得るときに、試料と強磁性探針間に異なる２種の
直流電圧を走査線毎に交互に印加することで、試料表面
形状の影響を受けない磁気力像を測定することを目的と
する。 【構成】 上記の磁気力顕微鏡において、大きな直流電
圧を印加したときは、試料と強磁性探針が離れ、磁気力
と表面凹凸が合成されたデータを得ることになる。また
一方、小さな直流電圧を印加すると、試料と強磁性探針
が接近するため、２原子間に働くVan der Waals 力のみ
になる。この力力を検出して測定したデータは磁気力の
影響を受けない表面凹凸データとなる。前述の磁気力と
表面凹凸が合成されたデータから、後述の表面凹凸デー
タをディジタル演算で差し引くことで、表面凹凸分布の
影響を受けない磁気力分布像を構成することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、試料表面の磁気力分布
を検出、画像化する磁気力顕微鏡に関する。
を検出、画像化する磁気力顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】磁気力顕微鏡は、例えばH.W.van Kester
enらによって発表されている(J.Appl.Phys. 70 (4), 15
Augast 1991 P.2413-2422) 。これは、板バネをバイモ
ルフ型圧電素子で振動させ、光干渉法によって変位を検
出するものである。試料と板バネ間に働く微小な力によ
り、板バネの振動周波数及び振動振幅が変動する。この
変動による振幅の変位量は電気信号として検出され、検
出された信号は試料／板バネ間の距離制御系に入力さ
れ、試料／板バネ間に作用する力が一定になるように微
動素子を伸縮制御する。この状態で面内走査を行い、三
次元画像を得ている。
enらによって発表されている(J.Appl.Phys. 70 (4), 15
Augast 1991 P.2413-2422) 。これは、板バネをバイモ
ルフ型圧電素子で振動させ、光干渉法によって変位を検
出するものである。試料と板バネ間に働く微小な力によ
り、板バネの振動周波数及び振動振幅が変動する。この
変動による振幅の変位量は電気信号として検出され、検
出された信号は試料／板バネ間の距離制御系に入力さ
れ、試料／板バネ間に作用する力が一定になるように微
動素子を伸縮制御する。この状態で面内走査を行い、三
次元画像を得ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来のこのような磁気
力顕微鏡では、磁気力の極性を判別するため、及び制御
系の安定性を確保するために試料と板バネ間に直流電圧
を印加している。板バネに形成された強磁性探針は、試
料表面の磁気分布により引力と斥力を受ける。板バネの
振動振幅は力の勾配の絶対値に反応するため、前述の方
法では磁気力の極性を判別できず、磁区分布を測定する
ことが困難である。そこで試料と板バネ間に直流電圧を
印加し、斥力より大きい静電引力を付加することで全検
出力を引力のみにし、磁気極性の判別は、この引力の強
弱で置き換えることにしている。さらに、力の方向が一
定となるため試料／板バネ間の距離制御系の安定性にも
寄与している。
力顕微鏡では、磁気力の極性を判別するため、及び制御
系の安定性を確保するために試料と板バネ間に直流電圧
を印加している。板バネに形成された強磁性探針は、試
料表面の磁気分布により引力と斥力を受ける。板バネの
振動振幅は力の勾配の絶対値に反応するため、前述の方
法では磁気力の極性を判別できず、磁区分布を測定する
ことが困難である。そこで試料と板バネ間に直流電圧を
印加し、斥力より大きい静電引力を付加することで全検
出力を引力のみにし、磁気極性の判別は、この引力の強
弱で置き換えることにしている。さらに、力の方向が一
定となるため試料／板バネ間の距離制御系の安定性にも
寄与している。
【０００４】従来のこのような磁気力顕微鏡では、磁気
力に静電引力を加算した力を検出することになるため磁
気力分布と静電力分布の合成像となる。静電力分布は試
料表面の凹凸像と一致するため、磁気力像に表面凹凸像
が合成されてしまう。特に、テクスチャー処理がなされ
た磁気媒体では、表面凹凸が大きいため磁区構造の判別
が困難となっている。
力に静電引力を加算した力を検出することになるため磁
気力分布と静電力分布の合成像となる。静電力分布は試
料表面の凹凸像と一致するため、磁気力像に表面凹凸像
が合成されてしまう。特に、テクスチャー処理がなされ
た磁気媒体では、表面凹凸が大きいため磁区構造の判別
が困難となっている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明では試料と強磁性探針間に印加する直流電
圧の大きさにより、試料と強磁性探針間の距離が変わり
強磁性探針に働く力の要因が変わることから、同一の測
定点を大きさの異なる直流電圧を印加して測定するよう
にした。
めに、本発明では試料と強磁性探針間に印加する直流電
圧の大きさにより、試料と強磁性探針間の距離が変わり
強磁性探針に働く力の要因が変わることから、同一の測
定点を大きさの異なる直流電圧を印加して測定するよう
にした。
【０００６】
【作用】上記のように、試料と強磁性探針間に異なる２
種の大きさの直流電圧を走査線毎に交互に印加すると、
大きな直流電圧を印加したときは、試料と強磁性探針間
の距離が離れ、強磁性探針は磁気力と静電引力双方の力
を検出し、磁気力と表面凹凸が合成されたデータを得る
ことになる。また一方、小さな直流電圧を印加すると、
試料と強磁性探針が接近し、強磁性探針に働く力は磁気
力よりも静電引力または２原子間に働くVan der Waals
力が支配的になる。このVan der Waals 力または静電引
力を検出して測定したデータは表面凹凸データとなる。
種の大きさの直流電圧を走査線毎に交互に印加すると、
大きな直流電圧を印加したときは、試料と強磁性探針間
の距離が離れ、強磁性探針は磁気力と静電引力双方の力
を検出し、磁気力と表面凹凸が合成されたデータを得る
ことになる。また一方、小さな直流電圧を印加すると、
試料と強磁性探針が接近し、強磁性探針に働く力は磁気
力よりも静電引力または２原子間に働くVan der Waals
力が支配的になる。このVan der Waals 力または静電引
力を検出して測定したデータは表面凹凸データとなる。
【０００７】前述の磁気力と表面凹凸が合成されたデー
タから、後述の表面凹凸データをディジタル演算で差し
引くことで、表面凹凸分布の影響を受けない磁気力分布
像を得ることができる。また走査線毎に、電圧を変える
ことで熱ドリフト等の影響を受けずに安定した測定が可
能となる
タから、後述の表面凹凸データをディジタル演算で差し
引くことで、表面凹凸分布の影響を受けない磁気力分布
像を得ることができる。また走査線毎に、電圧を変える
ことで熱ドリフト等の影響を受けずに安定した測定が可
能となる
【０００８】
【実施例】図１は本発明の磁気力顕微鏡の構成図であ
り、以下図面に基づいて説明する。試料１７は、測定す
る面を上に水平にして微動機構８に載置される。微動機
構８に円筒型圧電素子よりなる。微動機構８は、試料１
７をＸＹ方向に走査しながら、試料１７をＺ方向にも駆
動するものである。そして微動機構８は、粗動機構７の
上に載置されている。粗動機構８は、試料１７を所定位
置に移動されるものであり、そして粗動機構７はステッ
ピクモータよりなり、その移動量は大きくなっている。
り、以下図面に基づいて説明する。試料１７は、測定す
る面を上に水平にして微動機構８に載置される。微動機
構８に円筒型圧電素子よりなる。微動機構８は、試料１
７をＸＹ方向に走査しながら、試料１７をＺ方向にも駆
動するものである。そして微動機構８は、粗動機構７の
上に載置されている。粗動機構８は、試料１７を所定位
置に移動されるものであり、そして粗動機構７はステッ
ピクモータよりなり、その移動量は大きくなっている。
【０００９】粗動機構７は、筐体１９の上に載置されて
いる。筐体１９には、板バネ１が取り付けられている。
板バネ１はの端部で筐体１９に取り外し自在に取り付け
られており、その他端には先端が鋭利な探針１ａが取り
付けられている。そして、探針１ａの先端が試料１７の
表面の所定位置の極近傍に来るように、粗動機構７によ
り試料１７を移動させる。探針１ａは、強磁性を有して
いる。その強磁性は、探針１ａ全体を強磁性体で製作し
てもよく、更には、強磁性体で探針１ａをコーテングし
てもよい。また更には、その強磁性を硬磁性にするも可
能である。この場合、試料１７の磁性をＮ極、Ｓ極を違
いをも検出することができる。
いる。筐体１９には、板バネ１が取り付けられている。
板バネ１はの端部で筐体１９に取り外し自在に取り付け
られており、その他端には先端が鋭利な探針１ａが取り
付けられている。そして、探針１ａの先端が試料１７の
表面の所定位置の極近傍に来るように、粗動機構７によ
り試料１７を移動させる。探針１ａは、強磁性を有して
いる。その強磁性は、探針１ａ全体を強磁性体で製作し
てもよく、更には、強磁性体で探針１ａをコーテングし
てもよい。また更には、その強磁性を硬磁性にするも可
能である。この場合、試料１７の磁性をＮ極、Ｓ極を違
いをも検出することができる。
【００１０】また、筐体１９には、板バネ１の裏面にレ
ーザ光を照射するための、半導体レーザ４が取り付けら
れている。板バネ１の裏面にて反射したレーザ光が筐体
１９に到達する位置に、さらにレーザ光を反射する反射
鏡５が配置されている。反射鏡５にて反射したレーザ光
が筐体１９に到達する位置に光検出器６が備えられてい
る。
ーザ光を照射するための、半導体レーザ４が取り付けら
れている。板バネ１の裏面にて反射したレーザ光が筐体
１９に到達する位置に、さらにレーザ光を反射する反射
鏡５が配置されている。反射鏡５にて反射したレーザ光
が筐体１９に到達する位置に光検出器６が備えられてい
る。
【００１１】板バネ１には、板バネ１を変形させるため
のバイモルフ型圧電素子２が備えられている。バイモル
フ型圧電素子２は、交流電圧印加手段として交流電圧印
加回路３に接続されている。交流電圧印加回路３は、バ
イモルフ型圧電素子２に交流電圧を印加する。そしてそ
のバイモルフ型圧電素子２に印加された交流電圧により
板バネ１は振動する。
のバイモルフ型圧電素子２が備えられている。バイモル
フ型圧電素子２は、交流電圧印加手段として交流電圧印
加回路３に接続されている。交流電圧印加回路３は、バ
イモルフ型圧電素子２に交流電圧を印加する。そしてそ
のバイモルフ型圧電素子２に印加された交流電圧により
板バネ１は振動する。
【００１２】微動機構８は、微動機構８に載置された試
料１７をＸＹ方向（試料１７の平面上の方向）に微動的
に走査するための走査電圧印加回路１２と、試料１７を
Ｚ方向に微動的に駆動させる高圧増幅器１４を介して距
離制御手段である距離制御回路１３と接続されている。
走査電圧印加回路１２は微動機構８のＸおよびＹ電極に
図４のような電圧を印加して探針１ａの先端は図６のよ
うに試料１７の表面を面内走査することになる。
料１７をＸＹ方向（試料１７の平面上の方向）に微動的
に走査するための走査電圧印加回路１２と、試料１７を
Ｚ方向に微動的に駆動させる高圧増幅器１４を介して距
離制御手段である距離制御回路１３と接続されている。
走査電圧印加回路１２は微動機構８のＸおよびＹ電極に
図４のような電圧を印加して探針１ａの先端は図６のよ
うに試料１７の表面を面内走査することになる。
【００１３】半導体レーザ４からのレーザ光を板バネ１
の裏面に照射し、その反射光を反射鏡５で反射し光検出
器６で検出する。検出された信号は、レーザ光検出回路
９を経て前述の交流電圧印加回路３の出力と同じ周波数
の交流変調波検出手段である交流変調波検出回路１０に
入力される。交流変調波検出回路１０は、交流波成分を
取り除くものである。交流変調波検出回路１０の出力は
試料１７と板バネ１間の距離制御回路１３に入力され
る。距離制御回路１３からの制御信号は高圧増幅回路１
４を経て、微動機構８へ印加され、Ｚ軸の制御すなわち
試料１７と板バネ１間の距離を一定にするように制御す
る。
の裏面に照射し、その反射光を反射鏡５で反射し光検出
器６で検出する。検出された信号は、レーザ光検出回路
９を経て前述の交流電圧印加回路３の出力と同じ周波数
の交流変調波検出手段である交流変調波検出回路１０に
入力される。交流変調波検出回路１０は、交流波成分を
取り除くものである。交流変調波検出回路１０の出力は
試料１７と板バネ１間の距離制御回路１３に入力され
る。距離制御回路１３からの制御信号は高圧増幅回路１
４を経て、微動機構８へ印加され、Ｚ軸の制御すなわち
試料１７と板バネ１間の距離を一定にするように制御す
る。
【００１４】走査電圧発生器１４からの出力は微動機構
８に印加され、板バネ１に対し試料１７を図４の如く面
内走査する。さらに距離制御回路１３の制御信号はＡ／
Ｄ変換器１５でディジタルデータに変換されたのち、コ
ンピュータ１６に入力され三次元画像としてコンピュー
タ１６に含まれる表示手段に表示される。また、筐体１
９は除振機構１８上に構成され、外部振動の影響を除去
している。
８に印加され、板バネ１に対し試料１７を図４の如く面
内走査する。さらに距離制御回路１３の制御信号はＡ／
Ｄ変換器１５でディジタルデータに変換されたのち、コ
ンピュータ１６に入力され三次元画像としてコンピュー
タ１６に含まれる表示手段に表示される。また、筐体１
９は除振機構１８上に構成され、外部振動の影響を除去
している。
【００１５】板バネ１と試料１７には、試料１７の表面
と探針１ａ先端に直流電圧を印加するための直流印加手
段である直流印加回路１１が接続されている。次に測定
原理について説明する。図２は板バネ１の共振特性を示
したものである。実線１は試料１７からの力を検出して
いない状態を表し、波線２は板バネ１に固着されている
強磁性探針が試料１７に接近し、力を検出した状態を表
している。板バネ１の共振特性は図２で示されるよう
に、引力が加わる（力を検出する）と共振周波数ωが低
周波側ω０へシフトすると同時に最大振幅も減少する。
ここで共振周波数ωよりも高い周波数ω１に着目し振幅
の変化を調べると、力を検出していない状態ではＡで示
される振幅となり、力を検出するとＢで示される振幅に
減少する。このように、外力に応じて振幅の減少が生じ
る。これを強磁性探針と試料１７間の距離との関係で表
したものが図３である。図３のＡ点、Ｂ点はそれぞれ図
２の各点に対応している。すなわち、強磁性探針が試料
１７に接近すると外力が増大し、振幅の減少が生じる。
そこで、周波数を共振周波数よりも高い一定値ω１に固
定し、振幅（または振幅の減少量）が一定になるように
強磁性探針と試料１７間の距離を制御すると、強磁性探
針が受ける力を検出することができる。
と探針１ａ先端に直流電圧を印加するための直流印加手
段である直流印加回路１１が接続されている。次に測定
原理について説明する。図２は板バネ１の共振特性を示
したものである。実線１は試料１７からの力を検出して
いない状態を表し、波線２は板バネ１に固着されている
強磁性探針が試料１７に接近し、力を検出した状態を表
している。板バネ１の共振特性は図２で示されるよう
に、引力が加わる（力を検出する）と共振周波数ωが低
周波側ω０へシフトすると同時に最大振幅も減少する。
ここで共振周波数ωよりも高い周波数ω１に着目し振幅
の変化を調べると、力を検出していない状態ではＡで示
される振幅となり、力を検出するとＢで示される振幅に
減少する。このように、外力に応じて振幅の減少が生じ
る。これを強磁性探針と試料１７間の距離との関係で表
したものが図３である。図３のＡ点、Ｂ点はそれぞれ図
２の各点に対応している。すなわち、強磁性探針が試料
１７に接近すると外力が増大し、振幅の減少が生じる。
そこで、周波数を共振周波数よりも高い一定値ω１に固
定し、振幅（または振幅の減少量）が一定になるように
強磁性探針と試料１７間の距離を制御すると、強磁性探
針が受ける力を検出することができる。
【００１６】次に本発明の測定方法について説明する。
図４は本発明の走査信号と試料１７／板バネ１間の直流
電圧印加のタイミングチャートで、走査線１本毎に試料
１７と探針１間に異なる電圧を交互に印加しながら測定
することを示している。また、図５は強磁性探針の受け
る力の勾配と試料／探針間距離の関係を示した図であ
る。実線１は探針先端と試料表面の原子間に働くVan de
r Waals 力と静電引力を合成した力で、実線２は試料表
面から受ける磁気力となる。試料１７と板バネ１間に８
［ｖ］程度の直流電圧印加回路１１から直流電圧Ｖ１を
印加すると、試料１７と強磁性探針間の距離は図５のＡ
点になるため強磁性探針は磁気力と静電引力双方の力を
検出することになる。この状態で図６の（１）の走査を
行いながら、距離制御信号１３からの出力信号をＡ／Ｄ
変換器１６でディジタル信号に変換しコンピュータに入
力する。次に、試料１７と板バネ１間に１［ｖ］程度の
直流電圧Ｖ２を印加すると、試料１７と強磁性探針間の
距離は図５のＢ点に移動するため、強磁性探針の受ける
力は磁気力より静電引力またはＶａｎ ｄｅｒ Ｗａａ
ｌｓ力が支配的となる。この状態で走査位置は図６の
（１）のまま走査を行い、上記同様にデータが測定され
コンピュータに入力される。測定されたデータはコンピ
ュータでサンプリングデータ毎に直流電圧Ｖ１で測定さ
れたデータ値から直流電圧Ｖ２で測定されたデータ値を
差し引き、磁気力データに変換する。次に、走査位置を
図６の（２）に変更して、上記同様直流電圧Ｖ１，Ｖ２
でそれぞれ測定し、磁気力データに変換する。この動作
を面内走査が終了するまで繰り返し画像化することで、
試料表面の凹凸の影響を除去した磁気力像が得られる。
図４は本発明の走査信号と試料１７／板バネ１間の直流
電圧印加のタイミングチャートで、走査線１本毎に試料
１７と探針１間に異なる電圧を交互に印加しながら測定
することを示している。また、図５は強磁性探針の受け
る力の勾配と試料／探針間距離の関係を示した図であ
る。実線１は探針先端と試料表面の原子間に働くVan de
r Waals 力と静電引力を合成した力で、実線２は試料表
面から受ける磁気力となる。試料１７と板バネ１間に８
［ｖ］程度の直流電圧印加回路１１から直流電圧Ｖ１を
印加すると、試料１７と強磁性探針間の距離は図５のＡ
点になるため強磁性探針は磁気力と静電引力双方の力を
検出することになる。この状態で図６の（１）の走査を
行いながら、距離制御信号１３からの出力信号をＡ／Ｄ
変換器１６でディジタル信号に変換しコンピュータに入
力する。次に、試料１７と板バネ１間に１［ｖ］程度の
直流電圧Ｖ２を印加すると、試料１７と強磁性探針間の
距離は図５のＢ点に移動するため、強磁性探針の受ける
力は磁気力より静電引力またはＶａｎ ｄｅｒ Ｗａａ
ｌｓ力が支配的となる。この状態で走査位置は図６の
（１）のまま走査を行い、上記同様にデータが測定され
コンピュータに入力される。測定されたデータはコンピ
ュータでサンプリングデータ毎に直流電圧Ｖ１で測定さ
れたデータ値から直流電圧Ｖ２で測定されたデータ値を
差し引き、磁気力データに変換する。次に、走査位置を
図６の（２）に変更して、上記同様直流電圧Ｖ１，Ｖ２
でそれぞれ測定し、磁気力データに変換する。この動作
を面内走査が終了するまで繰り返し画像化することで、
試料表面の凹凸の影響を除去した磁気力像が得られる。
【００１７】
【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれば
試料と板バネ間に大小２種類の直流電圧を印加したとき
に得られる両者のデータ差から試料表面の凹凸の影響を
除去した磁気力像が得られた。特に問題となっていたテ
クステャー処理された磁気媒体でも、容易に磁区構造の
判別が可能となった。
試料と板バネ間に大小２種類の直流電圧を印加したとき
に得られる両者のデータ差から試料表面の凹凸の影響を
除去した磁気力像が得られた。特に問題となっていたテ
クステャー処理された磁気媒体でも、容易に磁区構造の
判別が可能となった。
【図１】本発明の磁気力顕微鏡の模式的断面図である。
【図２】板バネの共振特性図である。
【図３】板バネの振動振幅と探針／試料間距離の関係図
である。
である。
【図４】本発明の走査信号と試料／板バネ間の直流印加
電圧のタイミングチャートである
電圧のタイミングチャートである
【図５】強磁性探針の受ける力の勾配と試料／探針間距
離の関係図である。
離の関係図である。
【図６】面内走査の平面図である。
【符号の説明】 １ 板バネ ２ バイモルフ型圧電素子 ３ 交流電圧印加回路 ４ 半導体レーザ ５ 反射鏡 ６ 光検出器 ７ 粗動機構 ８ 微動機構 ９ レーザ光検出回路 １０ 交流変調波検出回路 １１ 直流電圧印加回路 １２ 走査電圧印加回路 １３ 距離制御回路 １４ 高圧増幅回路 １５ Ａ／Ｄ変換器 １６ コンピュータ １７ 試料 １８ 除振台
Claims (2)
- 【請求項１】 強磁性材料よりなる先端が鋭利な探針
と、前記探針を端部に固定し、前記探針先端が試料表面
より受ける力を変位に変換する板バネと、前記板バネに
固定された前記板バネを振動させるためのバイモルフ型
圧電素子と、前記バイモルフ型圧電素子に交流電圧を印
加する交流電圧印加手段と、前記板バネの探針取り付け
面に対して裏面にレーザ光を照射する半導体レーザと、
前記板バネの裏面にて反射したレーザ光を検出する光検
出器と、前記板バネに対し前記試料を三次元に相対運動
させる微動機構と、前記バイモルフ型圧電素子に印加し
た印加電圧と外印加電圧の周波数の交流変調波を検出す
る交流変調波検出手段と、前記試料と前記板バネとの間
に直流電圧を印加する直流電圧印加手段と、前記試料と
前記板バネ間の距離を制御する距離制御手段と、前記距
離制御手段からの距離制御信号をディジタル変換するデ
ジタル変換手段と、前記ディジタル信号を画像化する表
示手段からなる磁気力顕微鏡において、前記試料と前記
強磁性探針間に２通り以上の直流電圧を印加すること
で、試料表面の凹凸の影響を受けない磁気力像を測定で
きることを特徴とする磁気力顕微鏡。 - 【請求項２】 前記試料と前記強磁性探針間に２通り以
上の直流電圧を走査線毎に変えて測定することを特徴と
する請求項１記載の磁気力顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04701693A JP3398411B2 (ja) | 1993-03-08 | 1993-03-08 | 磁気力顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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