JPH0772229A - 磁気力顕微鏡 - Google Patents

磁気力顕微鏡

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁気力顕微鏡の磁気感度のばらつきを、磁界
発生用コイルを用いて、補正し、試料表面の磁界の絶対
値測定を可能にし、さらに、強磁性探針を磁化して、磁
気感度の向上を可能にする。 【構成】 圧電素子２を振動させ、強磁性探針付き板バ
ネ１を共振させ、レ−ザ−光４で板バネの振動を検出す
る。磁界発生用コイル７に電流を流し磁界を発生させ
る。電流と振動振幅の関係より、磁界の補正が可能。さ
らに、探針の磁化が行え、磁気感度の向上が可能。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気力顕微鏡に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、磁性体表面の局所磁界を測定する
装置としては、磁性探針付き板バネを用いた磁気力顕微
鏡が利用されてきた。例えば、Appl.Phys.Lett.57,1820
(1990)にこのような例が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の磁気力顕微鏡では、磁性探針としては、金属探針ま
たはシリコン、窒化シリコンの探針上に、スパッタリン
グ法または真空蒸着法、メッキ法により磁性薄膜を形成
したものを使用していたが、磁気特性が探針ごとに異な
るため、磁界検出感度のばらつきが存在し、かつ検出磁
界の絶対値を測定することが困難であった。さらに、探
針を磁化する手段を有していないため、磁気感度を上げ
ることが不可能であった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明では、ソレノイドと高透磁率磁芯とからな
る磁界発生用コイルと、前記磁界発生コイルに制御電流
を流す電流源とからなる磁気力顕微鏡の探針磁化および
検出磁界補正装置を用いて、強磁性探針付き板バネの探
針の磁化および検出磁界の補正を行うことにした。
【０００５】
【作用】上記のように、試料表面より受ける磁気力を変
位に変換する強磁性探針付き板バネと、前記強磁性探針
付き板バネを片持ち梁状に固定し、かつ、振動させる圧
電素子と、前記圧電素子に交流電圧を印加する手段と、
前記強磁性探針付き板バネの変位を検出する変位検出手
段と、ソレノイドと高透磁率磁芯とからなる磁界発生用
コイルと、前記磁界発生コイルに制御電流を流す電流源
とからなる磁気力顕微鏡の探針磁化および検出磁界補正
装置を用いることにより、磁気特性および磁界検出感度
が異なる探針を用いた測定でのばらつきを補正すること
が可能となり、磁界の絶対値測定が可能となる。さら
に、探針を磁化できるため、磁気感度を向上させること
が可能となる。
【０００６】
【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。
【０００７】
【実施例１】 ＜装置の構成＞図１は、本発明の磁気力顕微鏡の探針磁
化および検出磁界補正装置の概略図である。強磁性探針
付き板バネ１が圧電素子２に片持ち梁状に固定されてい
る。前記強磁性探針としては、シリコン探針上にＣｏＣ
ｒＰｔ合金薄膜を形成したものを用いた。板バネとして
は、シリコン製の板バネを用いた。前記板バネと前記探
針は一体製造物である。前記圧電素子２を交流電圧を印
加する手段３を用いて振動させ、前記強磁性探針付き板
バネ１を共振させる。前記交流電圧を印加する手段とし
ては、関数発生器を用いた。半導体レーザー４と４分割
の光検出素子５からなる変位検出手段６を用いて、前記
強磁性探針付き板バネ１の振動状態を検出する。ソレノ
イドと高透磁率磁芯とからなる磁界発生用コイル７に、
電流源８を用いて制御電流を流して磁界を発生する。前
記高透磁率磁芯としては、円筒形のパーマロイ（ＦｅＮ
ｉ合金）を用いた。前記ソレノイドとしては、銅線１０
ターンのものを用いた。
【０００８】＜動作原理＞図２は、前記強磁性探針付き
板バネ１の振動周波数と振動振幅との関係を示した図で
ある。横軸は振動周波数であり、縦軸は振動振幅であ
る。実線で示した曲線Ｆ0 は、コイルに電流を流さない
ときの状態であり、板バネ１がコイル７からの磁気力を
受けていない場合の共振特性である。次に、コイル７に
直流電流を流すと磁界が発生し、板バネ１に磁気力が働
く。このとき、共振特性は破線で示した曲線Ｆ1 とな
る。さらに、コイル７に流す電流を大きくし、発生する
磁界を大きくすると、板バネ１に働く磁気力は増大し、
共振特性は一点鎖線で示した曲線Ｆ2 となる。
【０００９】次に、板バネ１の振動振幅の変化を説明す
る。板バネ１の振動周波数を図２中で示したｆ0 に固定
する。コイル７に電流を流さないときは、振動振幅は曲
線Ｆ 0 上のＡ0 である。コイル７に直流電流を流したと
き、振動振幅は曲線Ｆ1上のＡ1 となる。さらに、コイ
ル７に流す電流を大きくしたときは、振動振幅は曲線Ｆ
2 上のＡ2 となる。
【００１０】図３は、板バネの振動周波数を固定したと
きの、コイル電流と発生磁界および磁気力、板バネの振
動振幅との関係を示した図である。このように、コイル
電流と発生磁界の間には比例関係があり、コイル電流を
ｉ、コイルの巻数をｎ、発生磁界をＨ、磁芯の透磁率を
μ、真空透磁率をμ0 とすると、 Ｈ＝（μ／μ0 ）ｎｉ −−−（１） となる。板バネが受ける磁気力をＦとし、強磁性探針の
磁極の強さをｍとすると、 Ｆ＝ｍＨ −−−（２） となり、（１）式より、 Ｆ＝ｍ（μ／μ0 ）ｎｉ −−−（３） となる。したがって、磁気力Ｆは、図３のようにコイル
電流に比例する。
【００１１】板バネの振動振幅をＡとすると、図２で示
されるように、磁気力Ｆの増大にともなって、振動振幅
Ａは減少し、図３のような曲線となる。以上、述べたよ
うに、コイルによる発生磁界Ｈおよび磁気力Ｆ、振動振
幅Ａは、コイル電流ｉの関数となっていることがわか
る。すなはち、電流ｉを設定すれば、磁界Ｈ、磁気力
Ｆ、振幅Ａの値は決定されることがわかる。
【００１２】以上の説明は、探針の磁極の強さをｍを一
定としてきたが、実際は、板バネごとにｍの値が異なる
場合が普通である。したがって、磁気力Ｆおよび振幅Ａ
の値は、板バネごとに異なる。 ＜磁気力の補正方法＞試料表面の磁界をＨ´とし、探針
の磁極の強さをｍ´とすると、（２）式より、磁気力Ｆ
´は、 Ｆ´＝ｍ´Ｈ´ −−−（４） である。
【００１３】次に試料を取去ったあと、板バネをコイル
上に設置し、コイル電流ｉ´を調節して磁気力を前記の
Ｆ´と等しくなるようにすると、（３）式より、 Ｆ´＝ｍ´（μ／μ0 ）ｎｉ´ −−−（５） となり、（４）式より試料表面の磁界Ｈ´は、 Ｈ´＝（μ／μ0 ）ｎｉ´ −−−（６） となる。コイル電流ｉ´は測定可能であるため、試料表
面磁界Ｈ´は（６）式より得られる。
【００１４】さらに、磁芯の透磁率μを正確に測定した
場合、以上のような測定により、試料表面磁界Ｈ´の絶
対値を得ることが可能である。 ＜探針の磁化方法＞図４は、強磁性探針（ＣｏＣｒＰｔ
合金）の磁気特性（Ｂ−Ｈ曲線）である。
【００１５】図４の横軸は外部磁界Ｈであり、縦軸は磁
束密度Ｂである。外部磁界Ｈを保磁力Ｈｃよりも大きく
し、磁束密度Ｂを飽和させ、磁界Ｈをゼロにすると、図
４の残留磁化Ｂｒの値になる。探針の磁性層の面積をｓ
とすると、探針の磁極の強さｍは、 ｍ＝Ｂｒ・ｓ −−−（７） である。試料表面の磁界をＨ´とすると、磁気力Ｆは
（２）式より、 Ｆ＝Ｂｒ・ｓＨ´ −−−（８） となる。
【００１６】探針を磁化しない場合は、探針の磁束密度
は、図４のように、試料表面の磁界Ｈ´によりＢｒ´と
なる。このとき、磁気力Ｆ´は、 Ｆ´＝Ｂｒ´・ｓＨ´ −−−（９） である。Ｂｒ＞＞Ｂｒ´であるので（８）式、（９）式
より、Ｆ＞＞Ｆ´である。したがって、探針を磁化した
場合、磁気力が増大するため、磁気感度が向上すること
になる。
【００１７】探針を磁化するための外部磁界として、コ
イル７に直流電流を流したときの発生磁界を用いた。コ
イルの卷数ｎおよび、パーマロイ磁芯の透磁率μ、真空
透磁率をμ0はそれぞれ、 ｎ＝１０ （ターン） μ＝１００ （Ｈ／ｍ） μ0＝１．２５７×１０-6（Ｈ／ｍ） であり、発生磁界Ｈは、（１）式より、 Ｈ＝８．０×１０7 ×ｉ −−−（１０） コイル電流ｉを、ｉ＝１０ｍＡとすると、（１０）式よ
り、 Ｈ＝８．０×１０5 （Ａ／ｍ） 強磁性探針の保磁力Ｈｃは、 Ｈｃ＝２．０×１０5 （Ａ／ｍ） であり、Ｈ＞＞Ｈｃであるため、探針の磁化が可能であ
る。
【００１８】
【発明の効果】以上説明したように、試料表面より受け
る磁気力を変位に変換する強磁性探針付き板バネと、前
記強磁性探針付き板バネを片持ち梁状に固定し、かつ、
振動させる圧電素子と、前記圧電素子に交流電圧を印加
する手段と、前記強磁性探針付き板バネの変位を検出す
る変位検出手段と、ソレノイドと高透磁率磁芯とからな
る磁界発生用コイルと、前記磁界発生コイルに制御電流
を流す電流源とからなる磁気力顕微鏡の探針磁化および
検出磁界補正装置を用いることで、従来技術では困難で
あった磁界検出感度のばらつきの補正および、検出磁界
の絶対値測定を可能にし、さらに、探針を磁化し、磁気
感度を上げることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気力顕微鏡の探針磁化および検出磁
界補正装置の概略図である。
【図２】板バネの振動周波数と振動振幅との関係を示す
図である。
【図３】コイル電流と発生磁界および磁気力、板バネの
振動振幅との関係を示す図である。
【図４】強磁性探針の磁気特性を示す図である。 １ 強磁性探針付き板バネ ２ 圧電素子 ３ 交流電圧を印加する手段 ４ 半導体レーザー ５ 光検出素子 ６ 変位検出手段 ７ 磁界発生用コイル ８ 電流源

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 試料表面より受ける磁気力を変位に変換
    する強磁性探針付き板バネと、前記強磁性探針付き板バ
    ネを片持ち梁状に固定し、かつ、振動させる圧電素子
    と、前記圧電素子に交流電圧を印加する手段と、前記強
    磁性探針付き板バネの変位を検出する変位検出手段と、
    前記試料位置あるいは前記探針付近に磁界を発生するた
    めのソレノイドと高透磁率磁芯とからなる磁界発生用コ
    イルと、前記磁界発生用コイルに制御電流を流す電流源
    とからなる磁気力顕微鏡。
  2. 【請求項２】 試料表面より受ける磁気力を変位に変換
    する強磁性探針付板バネと、前記強磁性探針付き板バネ
    を片持ち梁状に固定し、かつ、振動させる圧電素子と、
    前記圧電素子に交流電圧を印加する手段と、前記強磁性
    探針付き板バネの変位を検出する変位検出手段と、前記
    板バネ下に設置され、前記試料位置あるいは前記強磁性
    探針付近に磁界を発生するためのソレノイドと高透磁率
    磁芯とからなる磁界発生用コイルと、前記磁界発生用コ
    イルに制御電流を流す電流源とからなる磁気力顕微鏡に
    あって、前記磁界発生用コイルに制御電流を流さない状
    態において、前記磁気力を測定したのち、前記試料をと
    りさった後前記磁気力に等しくなるように前記磁界発生
    用コイルに電流を流し、前記電流値より前記試料表面磁
    界を求めることを特徴とする試料表面磁界の測定方法。
  3. 【請求項３】 試料表面より受ける磁気力を変位に変換
    する強磁性探針付板バネと、前記強磁性探針付き板バネ
    を片持ち梁状に固定し、かつ、振動させる圧電素子と、
    前記圧電素子に交流電圧を印加する手段と、前記強磁性
    探針付き板バネの変位を検出する変位検出手段と、前記
    板バネ下に設置され、前記試料位置あるいは前記強磁性
    探針付近に磁界を発生するためのソレノイドと高透磁率
    磁芯とからなる磁界発生用コイルと、前記磁界発生用コ
    イルに制御電流を流す電流源とからなる磁気力顕微鏡に
    あって、前記磁界発生用コイルに制御電流を流すことに
    より、前記強磁性探針に該強磁性探針が持つ保磁力より
    も大きな外部磁界をかけ磁束密度を飽和させた後、前記
    制御電流を流すのを停止し前記外部磁界をゼロにするこ
    とにより前記強磁性探針を磁化する探針の磁化方法。
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