JPH11352138A

JPH11352138A - 磁気力顕微鏡

Info

Publication number: JPH11352138A
Application number: JP15611298A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Miyatani; 竜也宮谷; Kunio Nakajima; 邦雄中島; Kazuo Kayane; 一夫茅根; Toshihiko Sakuhara; 寿彦作原; Tatsuaki Ataka; 龍明安宅; Masamichi Fujihira; 正道藤平
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1998-06-04
Filing date: 1998-06-04
Publication date: 1999-12-24

Abstract

(57)【要約】【課題】カンチレバーをその共振周波数以下の周波数
で振動させ、プローブと試料が周期的に接触と離脱を繰
り返すようにしながら走査することによってプローブと
試料との間に働く磁気力の絶対値を測定しその分布を画
像化し、さらに、その磁気力の面内での分布だけでなく
プローブと試料との距離に対する磁気力の分布を測定可
能な磁気力顕微鏡を提供する。【解決手段】カンチレバーまたは試料をカンチレバー
の共振周波数以下で、試料表面に対して垂直に振動させ
てプローブと試料が周期的に接触と離脱を繰り返すよう
に走査させる。このとき、プローブに働く最大斥力を設
定した値に保つように制御することによって試料のトポ
グラフィーを得ることができる。また、走査中のカンチ
レバーのたわみ信号を記録することによってプローブと
試料表面間に働く磁気力の分布を画像化することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物質間に作用する
磁気力を利用して、試料の表面形状および磁性分布を観
察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、試料の表面形状と磁性
分布の高分解能観察を可能にするものでその原理は、非
接触式の原子間力顕微鏡とほぼ同様である。磁気力顕微
鏡で使用するカンチレバーは先端に磁性材料で形成され
たプローブまたは、磁性材料でコーティングされたプロ
ーブを持っている。カンチレバーを共振周波数付近で振
動させながら接触しないように磁性体表面を走査すると
プローブには、ファンデルワールス引力に加えて、磁気
力が働く。

【０００３】通常、試料表面にごく近い領域では、ファ
ンデルワールス引力が支配的になり、試料表面から離れ
た領域では磁気力が支配的になる。従って、磁気力顕微
鏡では、表面形状を取得するときには、試料表面のごく
近傍で走査し、磁気力の分布を取得するときには、試料
から離れた領域で走査する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】既に述べたように、従
来の磁気力顕微鏡では表面形状像と磁気力分布像を同時
に取得することはできない。また、プローブを振動させ
ることによって測定を行っており、そのときにプローブ
が感じるのは磁気力ではなく、プローブと試料表面間の
距離に対する磁気力の微分であるため、磁気力の絶対値
を測定し画像化することができない。そこで、本発明で
は、磁気力の絶対値を測定し、試料の表面形状像と磁気
力分布像を同時に取得可能かつ、プローブと試料表面間
の距離に対する磁気力の分布を取得可能な磁気力顕微鏡
を提供することを課題とする。

【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、本発明の磁気力顕微鏡は、試料またはカンチレバー
を振動させ、プローブと試料表面間の距離に対する磁気
力曲線を連続して測定しながら走査し、その磁気力曲線
から試料の表面形状と磁気力に関する情報を抽出し、表
面形状像と磁気力分布像を取得する。また、試料表面上
の各位置での磁気力曲線を記録することによって、プロ
ーブと試料表面間の距離に対する磁気力の分布を得るこ
とができる。

【０００６】さらに、プローブに働く最大斥力を一定に
保つようにプローブまたは試料の位置を制御しながら試
料表面上を操作することによって試料表面の表面形状像
を得ることができるような磁気力顕微鏡とした。さら
に、プローブと試料との距離が十分離れていてカンチレ
バーがたわんでいない状態でのカンチレバーのたわみを
表す信号と、プローブが試料から受ける斥力が最大とな
っている状態でのカンチレバーのたわみを表す信号との
差からプローブに働く最大斥力を決定することができる
ような磁気力顕微鏡とした。

【０００７】さらに、試料の表面形状像と同時に、試料
表面上でのプローブと試料表面との間に働く磁気的相互
作用の分布を画像化することができるような磁気力顕微
鏡とした。さらに、試料表面の形状測定と同時に試料表
面上の各位置でのカンチレバーのたわみを表す信号の一
周期分または、その一部を記憶装置に保存することがで
きるような磁気力顕微鏡とした。

【０００８】さらに、試料表面の形状に関する情報を取
得するタイミングと試料表面上の各位置でのカンチレバ
ーのたわみを表す信号の一周期分または、その一部を記
憶装置に保存するタイミングを同期させることができる
ような磁気力顕微鏡とした。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に、この発明の実施例を図面
に基づいて説明する。［実施の形態１］本発明で述べている新規磁気力顕微鏡
は、先端に磁性材料で形成されたプローブまたは、磁性
材料でコーティングされたプローブをもつカンチレバー
または、試料をカンチレバーの共振周波数以下で振動さ
せている。図２は、試料を正弦波で振動させた場合のカ
ンチレバーのたわみの変化を模式的に示している。グラ
フの横軸は時間、縦軸は変位量である。実線で示した曲
線は、カンチレバーの先端の変位量であり、破線は試料
の変位量である。プローブと試料が十分に離れている状
態ではプローブに力が働いていないので、カンチレバー
先端の位置は変化しない。試料がプローブに近づくにつ
れプローブと試料との間に引力が働きその引力の勾配と
カンチレバーのバネ定数が釣り合った点aでカンチレバ
ーが試料側にたわんでプローブが試料表面に接触する。
その後、プローブは試料と共に上昇し、カンチレバーは
上側にたわむ。試料の変位量が最大になった後、プロー
ブは試料と共に下降し、カンチレバーは下向きにたわ
む。多くの場合、吸着力によってプローブはa点での位
置よりもさらに、下降する。吸着力とカンチレバーの復
元力が釣り合うd点でプローブは試料表面から離れ、カ
ンチレバーは自由振動をはじめる。大気中では、大気の
粘性抵抗によって自由振動は減衰し、カンチレバーはた
わみのない状態に戻り、再び、e点でプローブが試料に
接触する。この、a点からe点までのカンチレバーのたわ
み量から、試料の表面形状とプローブと試料との間に働
く磁気力に関する情報を得ることができる。a点からd点
までの、プローブが試料に接触している領域では試料表
面の形状に関する情報を得ることができる。また、プロ
ーブが試料表面から離れるd点から次に試料表面に接触
するe点までのカンチレバーのたわみ量からプローブと
試料との間に働く磁気力に関する情報を得ることができ
る。

【００１０】プローブが試料によって押し上げられたと
きのカンチレバーの最大たわみ量201を一定に保つよう
にフィードバック制御を行いながら、試料表面を走査す
ることによって試料の表面形状に加えてプローブと試料
との間に働く磁気力の分布像を得ることができる。［実施の形態２］AFMでは、カンチレバーのたわみをた
わみ検出器によって検出している。たわみ検出器はカン
チレバーのたわみに比例した電気信号（たわみ信号）を
出力する。図３および４を用いて、たわみ信号から、第
一実施例で述べた試料の表面形状、プローブと試料との
間に働く相互作用および試料表面の物性に関する情報を
取得するためのたわみ信号処理装置について説明する。
図３および図４は、それぞれ、たわみ信号処理装置のブ
ロック図、たわみ信号処理装置の動作を示すタイミング
チャートである。

【００１１】たわみ信号処理装置は、おもにカンチレバ
ーまたは試料を振動させる加振信号と同期したトリガを
発生させるトリガ発生回路301、トリガのタイミングを
調節するトリガ調節回路303a〜d、リファレンス信号サ
ンプル＆ホールド回路304、極大値ホールド回路305、磁
気力用サンプル＆ホールド回路306、減算器307a、bで構
成されている。

【００１２】たわみ検出器からのたわみ信号はリファレ
ンス信号サンプル＆ホールド回路304、極大値ホールド
回路305、磁気力用サンプル＆ホールド回路306へ入力さ
れる。トリガ調節回路303aを使って、402のaに示すよう
にカンチレバーがたわんでいない状態にトリガのタイミ
ングを調節することによって、リファレンス信号サンプ
ル＆ホールド回路304がリファレンス信号となるカンチ
レバーのたわんでいない状態でのたわみ信号をの大きさ
を出力する。この、リファレンス信号はカンチレバーの
たわみがない状態を表す。

【００１３】極大値ホールド回路305は、任意の時間窓
内での極大値を検出し出力する回路である。トリガ調節
回路303bおよび303cを使って403bおよび403cのタイミン
グを調節する。このとき、たわみ信号401が極大になる
時刻が403bから403cの間にくるようにする。極大値ホー
ルド回路305はトリガ403bから403cまでの時間内でたわ
み信号401の最大値を検出し出力する。この信号とリフ
ァレンス信号との差を一定に保つようにフィードバック
制御を行いながら試料表面を走査することによって、試
料の表面形状を得ることができる。

【００１４】磁気力用サンプル＆ホールド回路306が、
たわみ信号をサンプリングするタイミングはトリガ調節
回路、303dを使って、404のdに示すように、プローブが
試料に接触する前のプローブと試料との間に働く磁気力
によってカンチレバーがたわんでいる領域に調節する。
磁気力用サンプル＆ホールド回路306の出力とリファレ
ンス信号との差がプローブと試料との間に働く磁気力の
大きさを表す。

【００１５】試料表面を走査しながら、上記の表面形状
および磁気力を反映する信号をサンプリングすることに
より、表面形状像と同時に磁気力の分布像を得ることが
できる。また、試料又はカンチレバーを振動させる信号
と表面形状像等を取得するためのサンプリングのタイミ
ングを同期させることにより、実際の試料表面と、取得
した画像との整合性をより高めることができる。

【００１６】［実施の形態３］図５および図６は、たわ
み信号処理装置のブロック図とタイミングチャートであ
る。たわみ信号処理装置は、おもにカンチレバーまたは
試料を振動させる加振信号と同期したトリガを発生させ
るトリガ発生回路501、トリガのタイミングを調節する
トリガ調節回路503a〜e、サンプリング回路および記憶
装置504および509、リファレンス信号サンプル＆ホール
ド回路505、極大値ホールド回路506、減算器507で構成
されている。

【００１７】たわみ検出器からのたわみ信号はサンプリ
ング回路および記憶装置504、リファレンス信号サンプ
ル＆ホールド回路505、極大値ホールド回路506へ入力さ
れる。トリガ調節回路503aを使って、602のaに示すよう
にカンチレバーがたわんでいない状態にトリガのタイミ
ングを調節することによって、リファレンス信号サンプ
ル＆ホールド回路505がリファレンス信号となるカンチ
レバーのたわんでいない状態でのたわみ信号の大きさを
出力する。この、リファレンス信号はカンチレバーのた
わみがない状態を表す。

【００１８】極大値ホールド回路506は、任意の時間窓
内での極大値を検出し出力する回路である。トリガ調節
回路503bおよび503cを使って603bおよび603cのタイミン
グを調節する。このとき、たわみ信号601が極大になる
時刻が603bから603cの間にくるようにする。極大値ホー
ルド回路506はトリガ603bから603cまでの時間内でたわ
み信号601の極大値を検出し出力する。この信号とリフ
ァレンス信号との差を一定に保つようにフィードバック
制御を行いながら試料表面を走査することによって、試
料の表面形状を得ることができる。

【００１９】サンプリング回路および記憶装置504は、
時刻602aから時刻602dまで、たわみ信号をサンプリング
し試料表面上の各点での一周期分のたわみ信号を連続し
て記憶装置に保存する。表面形状像を測定した後、記憶
装置に保存してあるたわみ信号から任意のタイミングで
のたわみ信号を抽出することにより、任意のプローブと
試料間の距離での磁気力の分布像を得ることができる。

【００２０】また、サンプリング回路および記憶装置50
9は、たわみ信号の一部分をサンプリングし記憶装置に
保存するものである。その、サンプリングする範囲は、
トリガ調節回路503dと503eを使って、604eおよび604ｆ
のに示すように調節する。ここで、604eおよび604fはそ
れぞれ、サンプリングの開始トリガと終了トリガであ
る。同様の回路を複数使用することによってたわみ信号
の複数の任意の部分をサンプリングして記憶装置に保存
することができる。これによって、記憶装置の容量を小
さくすることができる。

【００２１】このように、たわみ信号のすべてまたは一
部を記録し保存することで面内だけでなく、プローブと
試料との距離に対する磁気力の分布を得ることができ
る。また、試料又はカンチレバーを振動させる信号と表
面形状像等を取得するためのサンプリングのタイミング
とサンプリング回路および記憶装置がサンプリングを開
始するタイミングとを同期させることにより、実際の試
料表面と、取得した画像との整合性をより高めることが
できる。

【００２２】［実施の形態４］図７から図９は、実施の
形態３から４を利用したAFMのブロック図である。図７
は、試料走査用のXYZトランスレータ705を利用して試料
を振動させる形式のAFMのブロック図である。XYZトラン
スレータ705のZ端子に高さの制御信号に加算器711を使
って加振信号を重畳するによって、試料を振動させる。

【００２３】また、図７のXYZトランスレータを利用し
て試料を振動させる方式は、簡便ではあるが、一般的に
XYZトランスレータの共振周波数が低いため加振周波数
の範囲が狭くなってしまう。そこで、図8に示すように
XYZトランスレータとは独立に共振周波数の高い加振
用アクチュエータ810を付加し試料を振動させることに
よって、加振周波数の範囲を広くすることができる。

【００２４】また、図９で示すように、加振用アクチュ
エータ910にカンチレバーを固定してカンチレバーを振
動させることによっても同様の効果を得ることができ
る。

【００２５】

【発明の効果】従来のAFMでは、試料表面上の一点での
測定に限られていたプローブ−試料間の相互作用測定
が、本発明によって、平面内での相互作用分布に加え試
料表面に対して垂直方向の相互作用分布を測定できるよ
うになる。また、副次的な効果としてサイクリックコン
タクト式に比べてプローブが試料に接触する回数が少な
いので試料およびプローブのダメージが少ないという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】距離に対する力曲線の模式図。円または楕円で
囲んだ部分は、それぞれの情報が得られると思われる領
域を示している。

【図２】本発明を応用したAFMの例としてサンプルを振
動させた場合のカンチレバーのたわみの変化を示す時間
に対するたわみ曲線を示す図である。

【図３】たわみ信号処理装置のブロック図である。

【図４】本発明による装置の動作を示すタイミングチャ
ートである。

【図５】別タイプのたわみ信号処理装置のブロック図で
ある。

【図６】本発明による別タイプの装置の動作をしめすタ
イミングチャートである。

【図７】本発明を応用した、試料を走査させ、XYZトラ
ンスレータのZトランスレータによって加振するタイプ
のAFMのブロック図である。

【図８】本発明を応用した、試料を走査させ、XYZトラ
ンスレータに付加したアクチュエータによって加振する
タイプのAFMのブロック図である。

【図９】本発明を応用した、試料を走査させ、カンチレ
バーをアクチュエータに固定して加振するタイプのAFM
のブロック図である。

【符号の説明】

101 距離に対する力曲線から試料のトポグラフィー、
粘弾性に関する情報が得られる領域 102 距離に対する力曲線からプローブと試料との間の
引力・斥力に関する情報が得られる領域 103 距離に対する力曲線からプローブと試料との間に
働く吸着力に関する情報が得られる領域 201 フィードバックコントロールおよびトポグラフィ
ー像に使用される信号 202 カンチレバーのたわみ信号 204 プローブと試料との間にはたらく吸着力の大きさ
を示す信号 205 試料表面の硬さを示す信号 206 プローブと試料との間にはたらく引力・斥力の大
きさを示す信号 310 減算器 311 コンピュータおよびAFMコントローラ 401 カンチレバーのたわみ信号 402 リファレンス信号取得用のトリガ信号 403 極大値ホールド回路用のトリガ信号 404 極小値ホールド回路用のトリガ信号 405 引力・斥力用サンプル＆ホールド回路用のトリガ
信号 406 弾性用サンプル＆ホールド回路用のトリガ信号 407 弾性用サンプル＆ホールド回路用のトリガ信号 507 減算器 508 コンピュータおよびAFMコントローラ 602 極大値ホールド回路用のトリガ信号 603 リファレンス信号取得用のトリガ信号 604 サンプリング範囲を指定するトリガ信号 703 カンチレバー 704 試料 705 XYZトランスレータ 706 たわみ信号処理装置 707 コンピュータおよびAFMコントローラ 708 発振器 709 Zトランスレータコントローラ 710 XYトランスレータコントローラ 711 加算器 808 発振器 810 加振用圧電アクチュエータ 908 発振器 910 加振用圧電アクチュエータ

フロントページの続き (72)発明者作原寿彦千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者安宅龍明千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者藤平正道神奈川県川崎市麻生区下麻生1103−５藤平正道内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カンチレバ−とプロ−ブを有し、カンチ
レバーに取り付けられた磁気に対して感応するプローブ
の先端が試料の表面を走査するときに、プローブの位置
に対して試料表面の状態を反映するデータを収集する磁
気力顕微鏡において、前記プローブまたは試料を前記カ
ンチレバーの共振周波数以下の周波数で振動させて前記
プローブと前記試料を周期的に接触させながら試料表面
を走査することによって、前記試料表面の形状に関する
情報に加えて、前記試料表面の磁性を表す情報を取得し
同時に画像化することを特徴とする磁気力顕微鏡。
【請求項２】前記磁気力顕微鏡において、プローブに
働く最大斥力を一定に保つようにプローブまたは試料の
位置を制御しながら試料表面上を操作することによって
試料表面の表面形状像を得ることを特徴とする請求項１
記載の磁気力顕微鏡。
【請求項３】プローブと試料との距離が十分離れてい
てカンチレバーがたわんでいない状態でのカンチレバー
のたわみを表す信号と、プローブが試料から受ける斥力
が最大となっている状態でのカンチレバーのたわみを表
す信号との差からプローブに働く最大斥力を決定するこ
とを特徴とする請求項２記載の磁気力顕微鏡。
【請求項４】カンチレバーまたは試料の振動に同期し
たトリガ信号のタイミングを調節し、そのトリガにあわ
せてカンチレバーのたわみを表す信号を測定することに
よってカンチレバーがたわんでいない状態でのカンチレ
バーのたわみを表す信号を決定することを特徴とする請
求項３記載の磁気力顕微鏡。
【請求項５】カンチレバーまたは試料の振動に同期し
た開始と終了のトリガ信号のタイミングを調節し、開始
トリガから終了トリガの間でのカンチレバーのたわみを
表す信号から、プローブに働く最大斥力を決定すること
を特徴とする請求項３記載の磁気力顕微鏡。
【請求項６】プローブが試料表面に接触した後プロー
ブを試料表面から引き離すのに充分かつプローブがプロ
ーブと試料との間に働く磁気力を受けなくなるような十
分な大きさの振幅で前記プローブを振動させることを特
徴とする、請求項１記載の磁気力顕微鏡。
【請求項７】前記振動段階において、正弦波で振動さ
せることを特徴とする請求項１記載の磁気力顕微鏡。
【請求項８】試料の表面形状像と同時に、試料表面上
でのプローブと試料表面との間に働く磁気的相互作用の
分布を画像化することを特徴とする請求項１記載の磁気
力顕微鏡。
【請求項９】カンチレバーまたは試料の振動に同期し
た二つのトリガ信号のタイミングを調節し、それぞれの
タイミングでのカンチレバーのたわみを表す信号の差か
らプローブと試料との間に働く引力および斥力を決定す
ることを特徴とする請求項８記載の磁気力顕微鏡。
【請求項１０】カンチレバーのたわみを表す信号から
試料表面の磁性に関する情報を取得するタイミングと、
表面形状に関する情報を取得するタイミングを同期させ
ることを特徴とする請求項８記載の磁気力顕微鏡。
【請求項１１】試料表面の形状測定と同時に試料表面
上の各位置でのカンチレバーのたわみを表す信号の一周
期分または、その一部を記憶装置に保存することを特徴
とする請求項１記載の磁気力顕微鏡。
【請求項１２】請求項１１記載の装置において、試料
表面の形状に関する情報を取得するタイミングと試料表
面上の各位置でのカンチレバーのたわみを表す信号の一
周期分または、その一部を記憶装置に保存するタイミン
グを同期させることを特徴とする請求項２記載の磁気力
顕微鏡。
【請求項１３】前記記憶装置に保存した、たわみ信号
から試料表面の磁性分布を画像化する事を特徴とする請
求項１１または１２記載の磁気力顕微鏡。