JPH0666903A - 磁気力顕微鏡 - Google Patents

磁気力顕微鏡

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JPH0666903A
JPH0666903A JP22050692A JP22050692A JPH0666903A JP H0666903 A JPH0666903 A JP H0666903A JP 22050692 A JP22050692 A JP 22050692A JP 22050692 A JP22050692 A JP 22050692A JP H0666903 A JPH0666903 A JP H0666903A
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Eisuke Tomita
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 試料/板バネ間に交流電圧を印加し、この印
加電圧と同周波数の交流変調波の検出手段をもちいてZ
軸制御を行うことにより、従来困難であった磁区像と表
面凹凸像の分離、画像化を行え、容易に磁区構造の判別
が可能となる。 【構成】 バイモルフ型圧電素子を振動(周波数ω1 )
させ、強磁性探針付き板バネを共振させる。同時に試料
/板バネ間に交流電圧(周波数ω2 )を印加する。レ−
ザ−光で板バネの振動を検出し、検出周波数の異なる
(ω1 とω2 )2台の交流変調波検出手段と距離制御手
段及び微動素子で表面凹凸像と磁区像を分離、画像化す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体表面の磁気力分布
を検出し、画像化する磁気力顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】磁気力顕微鏡としては、例えば、H.
W.van Kesterenらによって発表されてい
る(J.Appl.Phys.70.2413(199
1))。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/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ずれ量を電気
信号として検出する。検出された信号はZ軸制御系に入
力され、試料/板バネ間の力が一定になるようにZ軸の
微動素子を制御する。この状態で面内走査を行い三次元
像を得ている。
【0003】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の安定性の確保のため
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絶対値に反応するため、こ
のまま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/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とし、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
が一定となりZ軸制御の安定性にも寄与している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、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
を検出し画像化するため、磁区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と一致するた
め、磁区像に表面凹凸像が重なってしまう。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】上記課題を解決するた
めに、この発明は、試料/板バネ間に交流電圧を印加
し、この印加電圧と同周波数の交流変調波の検出手段を
もちいて、Z軸制御を行うようにした。
【0006】
【作用】上記のように、試料/板バネ間に交流電圧を印
加し、この印加電圧と同周波数の交流変調波の検出手段
をもちいて、Z軸制御を行うことにより、静電引力のみ
でZ軸の制御が行える。静電引力は試料/板バネ間の印
加電圧によるものであり、この印加電圧を交流変調し検
波することで、磁気力による影響を除けるからである。
このように静電引力のみでZ軸制御することにより、静
電力像を得ることができる。
【0007】一方、Z軸は常に静電力を一定にするよう
に制御されているため、この状態で板バネをバイモルフ
型圧電素子で振動させ、その振動振幅の変動を検出する
と、検出力の変動分は常に磁気力のみとなる。この変動
分を画像化すると磁区像のみが得られることになる。し
たがって、磁区像に表面凹凸像が重なってしまうことが
なく、テクスチャー処理がなされた磁気媒体でも、容易
に磁区構造の判別が可能となる。
【0008】
【実施例】以下に、この発明の実施例を図面に基づいて
説明する。 <装置の構成>図1は本発明の磁気力顕微鏡の概略図で
ある。バイモルフ型圧電素子2を交流電圧印加手段3を
もちいて振動させ、強磁性探針付き板バネ1を共振させ
る。板バネ1と試料16の間に、交流電圧印加手段11
をもちいて交流電圧を印加する。半導体レーザー4より
レーザー光を板バネ1に照射し、反射光をミラー5で反
射し光検出素子6で検出する。検出された信号は、レー
ザー光制御検出回路9からバイモルフ型圧電素子印加電
圧と同周波数の交流変調波検出手段10と試料/板バネ
間印加電圧と同周波数の交流変調波検出手段12にそれ
ぞれ入力される。交流変調波検出手段12の出力は、試
料と板バネ間の距離制御手段13に入力され、距離制御
手段13内のZ軸サーボ回路および高圧増幅器よりZ軸
圧電素子印加電圧が出力される。距離制御手段13の出
力は微動素子8へ印加され、Z軸の制御すなはち試料と
板バネ間の距離を制御する。
【0009】また、距離制御手段13内の粗動機構制御
回路より制御電圧が粗動機構7へ出力され、Z軸の粗動
を制御する。装置全体は除振機構14上に設置され、外
部振動の影響を除去している。一方、交流変調波検出手
段10の出力は画像処理手段15をもちいて磁区像とし
て画像化する。同様に、距離制御手段13の出力は画像
処理手段15をもちいて静電力分布すなはち表面凹凸像
として画像化する。
【0010】<動作原理>図2は板バネの共振特性(Q
カーブ)を示す。実線1は試料からの力を検出していな
い状態を表し、破線2は探針が試料に接近し、力を検出
した状態を表す。板バネの共振特性は、図2で示される
ように、外力が加わる(力を検出する)と共振周波数ω
0 が低周波側ω0 ´へシフトする。同時に最大振幅も減
少する。ここで、周波数をω1 に固定し振幅の変化を調
べると、力を検出していない状態ではA点で示される振
幅となり、力を検出するとB点で示される振幅となる。
このように、力に対応して振幅の減少が生じる。これ
を、探針/試料間の距離との関係で表した図が図3であ
る。
【0011】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、探針(または板バネ)が試料
に接近すると力が増大し振幅の減少が生じる。そこで、
周波数を一定値ω1 に固定し、振幅(または振幅の減少
量)を一定にするようにZ軸を制御すると、探針/試料
間の距離が一定に保たれる。この状態でXY方向に探針
を走査するとZ軸の上下動により表面画像を得ることが
できる。ただし、この画像は静電引力像(表面凹凸像)
と磁区像との混合された画像である。
【0012】図4は静電引力像と磁区像との分離方法を
示した図である。バイモルフ型圧電素子2を交流電圧印
加手段3を用いて周波数ω1 で振動させ、強磁性探針付
き板バネ1を共振させる。板バネ1と試料16の間に、
交流電圧印加手段11を用いて周波数ω2 (ただし、ω
1 >ω2 )の交流電圧を印加する。半導体レーザー4よ
りレーザー光を板バネ1に照射し、反射光をミラー5で
反射し光検出素子6で検出する。検出された信号はレー
ザー光制御検出回路9に入力される。このとき、信号は
ω1 とω2 で変調された混合波形となっている。検出さ
れた信号はレーザー光制御検出回路9より検出周波数ω
2 の交流変調波検出手段12と検出周波数ω1 の交流変
調波検出手段10にそれぞれ入力される。交流変調波検
出手段12の出力信号は混合波形から周波数ω2 成分の
みとなる。板バネ1と試料16の間の印加電圧は、周波
数ω2 の交流電圧であるため、この出力信号は静電引力
に応じて変動する。
【0013】したがって、この信号を距離制御手段13
へ入力し、微動素子8を制御することで静電引力を一定
にすることができる。この状態でXY方向に探針を走査
し、Z軸の上下動を画像処理手段15に入力することに
より静電引力像を得ることができる。
【0014】一方、交流変調波検出手段10の出力信号
は混合波形から周波数ω1 成分のみとなる。強磁性探針
付き板バネ1の振動の周波数はω1 であり、交流変調波
検出手段10の出力信号は、静電引力が一定に保たれて
いるため、磁気力に応じて変動する。したがって、この
出力信号を画像処理手段15に入力することにより、磁
区像を得ることができる。
【0015】このようにして、静電引力像(表面凹凸
像)と磁区像の分離、画像化が可能となった。
【0016】
【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、試料/板バネ間に交流電圧を印加し、この印加電圧
と同周波数の交流変調波の検出手段をもちいてZ軸制御
を行うことにより、従来困難であった磁区像と表面凹凸
像の分離、画像化を容易に行え、特に問題となっていた
テクスチャー処理がなされた磁気媒体でも、容易に磁区
構造の判別が可能となるのである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の磁気力顕微鏡の概略図である。
【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/試料間距離との関係
をしめす図である。
【図4】静電引力像と磁区像との分離方法を示した図で
ある。
【符号の説明】
1 強磁性探針付き板バネ 2 バイモルフ型圧電素子 3 交流電圧印加手段 4 半導体レーザー 5 ミラー 6 光検出素子 7 粗動機構 8 微動素子 9 レーザー光制御検出回路 10 交流変調波検出手段 11 交流電圧印加手段 12 交流変調波検出手段 13 距離制御手段 14 除振機構 15 画像処理手段 16 試料

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】試料表面より受ける力を変位に変換する強
    磁性体探針付き板バネと、交流変調用のバイモルフ型圧
    電素子と、バイモルフ型圧電素子に交流電圧を印加する
    手段と、半導体レーザー、ミラー及び光検出素子よりな
    る変位検出手段と、試料と板バネを三次元的に相対運動
    させる粗動機構及び微動素子と、バイモルフ型圧電素子
    印加電圧と同周波数の交流変調波の検出手段と、試料と
    板バネ間に交流電圧を印加する手段と、試料/板バネ間
    の印加電圧と同周波数の交流変調波検出手段と、試料と
    板バネ間の距離制御手段と、除振機構からなる磁気力顕
    微鏡。
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