WO2013047537A1

WO2013047537A1 - 直流磁場の磁気プロファイル測定装置および磁気プロファイル測定方法

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Publication number: WO2013047537A1
Application number: PCT/JP2012/074599
Authority: WO
Inventors: 準齊藤; 哲吉村
Original assignee: 国立大学法人秋田大学
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2013-04-04
Also published as: EP2762896A4; US20150323562A1; EP2762896B1; JP5975534B2; EP2762896A1; JPWO2013047537A1

Abstract

　走査領域を走査することで得られた磁場の振幅および位相のデータを用いて、観察試料の表面上の磁場分布画像を得る。　磁気プロファイル測定装置１は、カンチレバー１１と、カンチレバーを共振周波数ないし共振周波数に近い周波数で励振する励振器１２と、カンチレバーの励振振動を周波数変調する交流磁場発生器１３と、探針の振動を検出する振動センサー１４と、探針と観察試料との間に生じる交流磁気力に対応する磁気信号を復調し、磁場の振幅および位相を検出する復調処理装置１５と、探針により走査領域を走査する走査機構１６と、走査領域の各座標における磁場の振幅および位相を初期データとして記憶するデータ記憶装置１７と、初期データから位相を変更したデータを複数生成する変更データ生成器１８と、変更したデータに基づく磁場分布画像を表示する画像表示装置１９とを備える。

Description

直流磁場の磁気プロファイル測定装置および磁気プロファイル測定方法

　本発明は、励振したカンチレバーの先端に設けた探針により、直流磁場を発生する観察試料表面上の走査領域を走査することで、当該観察試料の表面の磁気プロファイルを測定する技術に関する。
　特に、本発明は、前記走査領域を走査することで得られた磁場の振幅および位相のデータ、またはガウス平面上でのα成分およびβ成分を初期データとして用いて、直流磁場を発生する観察試料の表面上の磁場分布画像（垂直磁場分布画像および／または面内磁場分布画像）を得ることができる磁気プロファイル測定技術に関する。

　従来、観察試料の磁気プロファイルを得る装置として、磁気力顕微鏡（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＭＦＭ）が知られている。
　ＭＦＭでは、交流磁場（ＡＣ磁場）を観察するものと、直流磁場（ＤＣ磁場）を観察するものがある。
　本発明は、ＤＣ磁場を観察するＭＦＭにかかる技術なので、以下、ＤＣ磁場を観察するＭＦＭの従来技術について説明する。

　図７は、カンチレバー８１の探針８１１がハード磁性材料からなる、ＤＣ磁場を観察する従来のＭＦＭの説明図である（特許文献１参照）。
　ハード磁性材料は、ひとたび磁化されると磁化反転が生じにくい材料であり、図７のＭＦＭでは、探針８１１として、コバルトとクロムとの合金、鉄と白金との合金等が使用される。
　図７のＭＦＭでは、カンチレバー８１は圧電素子８１２により、共振周波数ないし共振周波数に近い周波数（たとえば、３００ｋＨｚ程度）で励振される。
　そして、カンチレバー８１の探針８１１により観察試料８２の表面上を二次元走査するが、このとき、探針８１１と観察試料８２との間には磁気的な相互作用が生じる。

　この磁気的な相互作用により、カンチレバー８１は、振動中にあたかもバネ定数が変化したように振る舞う。この見かけ上のバネ定数の変化により、カンチレバー８１の共振周波数が変化する。共振周波数が変化すれば、カンチレバー８１の振幅や位相が変化する。
　図７のＭＦＭでは、この振幅および位相が変化した振動をたとえば光学検出して測定する。これにより、観察試料８２の磁気プロファイル（たとえば、記録状態に対応する磁気的な特徴）を、磁場分布画像として取得することができる。

特開２００３－６５９３５公報ＷＯ２００９／１０１９９１公報

　しかし、図７のＭＦＭでは、信号強度が弱く、かつＳ／Ｎ比が悪いという不都合がある。

　ところで、図８に示す、カンチレバー９１の探針９１１としてソフト磁性探針を用いたＤＣ磁場を観察するＭＦＭが、本願発明者により出願されている（特許文献２参照）。
　図８のＭＦＭでは、上記の不都合を改善することができる。図８のＭＦＭでは、探針９１１として、ニッケル鉄等、比較的弱い外部磁場で磁化反転が生じる材料が使用される。
　図８のＭＦＭでは、観察試料９３の、カンチレバー９１が設けられた側とは反対の側に、交流磁場発生器９２が設けられている。この交流磁場発生器９２は、観察試料９３の表面の着磁状態に影響を与えないが、探針９１１の磁化（磁気モーメント）の方向を変化させることができる。

　図８のＭＦＭでも、カンチレバー９１は圧電素子９１２により、共振周波数ないし共振周波数に近い周波数（たとえば、３００ｋＨｚ程度）で励振される。
　交流磁場発生器９２の交流磁場発生周期は、探針９１１の磁化の反転が容易な１０Ｈｚ～１ｋＨｚとすることができる。
　カンチレバー９１を励振するとともに交流磁場発生器９２を駆動すると、カンチレバー９１の先端に形成した探針９１１の磁気極性が変化する。この変化により、探針９１１と観察試料９３との間には、カンチレバー９１の共振周波数と異なる非共振の交流磁気力が発生する。

　探針９１１を、観察試料９３の表面上で二次元走査すると、探針９１１と観察試料９３との間には非共振の磁気的な相互作用が生じる。
　この非共振の交流磁気力は、単独ではカンチレバー９１を振動させることはできない。ところが、同時に、カンチレバー９１を圧電素子等により共振周波数近傍の周波数で励振させるとする。この非共振の交流磁気力により、カンチレバー９１は、あたかもバネ定数が変化したように振舞う。この見かけ上のバネ定数の変化により、カンチレバー９１の振動に、周波数変調が生じる。

　一方、カンチレバー９１を圧電素子等により共振周波数から離れた周波数で励振させると、カンチレバー９１の振動には、周波数変調と同時に振幅変調が生じる。
　図８のＭＦＭでは、周波数変調および振幅変調された振動をたとえば光学検出して、周波数復調（または振幅復調）し、振幅や位相を測定することにより、観察試料９３の磁気プロファイル（たとえば、記録状態に対応する磁気的な特徴）を磁場分布画像として取得することができる。
　図８のＭＦＭでは、周波数復調（または振幅復調）した信号をロックインアンプ等により低ノイズで検出することにより、観察試料９３（たとえば、磁気ディスクの磁気記録媒体）の表面の磁気プロファイル（たとえば、記録状態に対応する磁気的な特徴）を測定することができる。

　なお、図８のＭＦＭでは、上記した観察試料９３の表面の磁気プロファイルの測定に先立って、観察試料９３の表面にプローブを接触させて二次元走査し、この表面の凹凸を検出することができる。そして、磁気プロファイルの測定に際しては、取得した表面凹凸情報を用いて、観察試料９３の表面と探針９１１との距離を一定に保つことができる。

　観察試料９３の表面の磁気プロファイルの測定に際して、探針９１１に交流磁場を印加して、カンチレバー９１の共振周波数と異なる非共振の交流磁気力を、カンチレバー９１と観察試料９３との間に発生させる。

　そして、図９（Ａ）に示すように、探針の垂直磁化成分（探針の磁化の試料面に垂直な方向の成分（白抜き矢印））が、観察試料９３から発生する、観察試料９３の表面に垂直な方向の磁場の位相と同期するとする。この場合には、探針９１１の磁化が試料面に垂直なタイミングで、復調信号の振幅が最大であるときに垂直磁場成分が最大（すなわち、面内磁場成分がゼロ）であると判断でき、復調信号の振幅がゼロであるときに垂直磁場成分はゼロ（すなわち、面内磁場成分が最大）であると判断できる。

　また、図９（Ｂ）に示すように、探針の面内磁化成分（探針の磁化の試料面に平行な方向の成分（白抜き矢印）が、観察試料から発生する、観察試料９３の表面に水平な方向の磁場の位相と同期するとする。この場合には、探針９１１の磁化が観察試料９３の表面に平行であるタイミングで、復調信号の振幅が最大であるときに面内磁場成分が最大（すなわち、垂直磁場成分がゼロ）であると判断でき、復調信号の振幅がゼロであるときに面内磁場成分はゼロ（すなわち、垂直磁場成分が最大）であると判断できる。

　ところで、図８に示したＭＦＭでの観察試料の磁気プロファイルは、交流磁場発生器９２の信号源（電流源）を参照信号としてロックインアンプを用いて測定される。
　図９（Ａ）では、探針の垂直磁化成分（探針の磁化の観察試料９３の表面に垂直な方向の成分）が、観察試料９３の表面に垂直な磁場を発生させる交流磁場発生器により生じる交流磁場の位相と同期する。この場合には、探針９１１の磁化が観察試料９３の表面に垂直であるタイミングで、垂直磁場成分が最大（すなわち、面内磁場成分がゼロ）となり、復調信号の振幅がゼロであるときに垂直磁場成分はゼロ（すなわち、面内磁場成分が最大）になる。
　また、図９（Ｂ）では、探針９１１の面内磁化成分（探針９１１の磁化の試料面に平行な方向の成分）が、観察試料９３の表面に平行な方向の磁場を発生させる交流磁場発生器により生じる交流磁場の位相と同期する。この場合には、探針９１１の磁化が観察試料９３の表面に平行であるタイミングで、復調信号の振幅が最大であるときに面内磁場成分が最大（すなわち、垂直磁場成分がゼロ）となり、復調信号の振幅がゼロであるときに面内磁場成分はゼロ（すなわち、垂直磁場成分が最大）になる。

　しかし、磁気プロファイルの測定に際して、交流磁場発生器の電源側の電気回路内または復調器の電気回路内で測定信号の位相が遅れることがある。
　さらに、探針９１１の磁化の変化が、交流磁場発生器の磁場の変化よりも遅れる場合があり、位相がさらに遅れることがある。
　位相遅れは、探針９１１の磁化の時間変化のタイミングをずらすので、位相遅れが発生する場合、ロックインアンプの同期信号出力において、探針９１１の磁化が試料面に垂直とならず、垂直磁場成分のみの測定ができない。
　また、ロックインアンプの直交信号出力においても、位相遅れが発生する場合、探針９１１の磁化が観察試料９３の表面に平行とならず、面内磁場成分のみの測定ができない。

　本発明の目的は、直流磁場を発生する観察試料について取得した磁場分布画像データを用いて、位相変化に応じた垂直磁場画像、面内磁場画像または垂直磁場と面内磁場との合成磁場画像を得ることができる磁気プロファイル測定技術を提供することである。
　本発明の他の目的は、直流磁場を発生する観察試料について取得した磁気分布画像データを用いて、垂直磁場成分を含まない面内磁場画像および面内磁場成分を含まない垂直磁場画像を得ることができる磁気プロファイル測定技術を提供することである。

　本発明者らは、観察試料から発生する直流磁場に対して、観察試料の表面に垂直な垂直磁場成分および前記試料の表面に平行な面内磁場成分から取得した位相が不定の垂直磁場分布画像であっても位相を調整することにより、信号処理回路内での測定信号の位相遅れや交流磁場発生器が発生する磁場の位相遅れに影響されない所望位相の磁場分布画像を取得することができるとの知見を得て本発明に想到した。

　本発明の磁気プロファイル測定装置は以下を要旨とする。
（１）
　励振したカンチレバーの先端の磁性を帯びた探針により観察試料の表面上の走査領域を走査しつつ、前記カンチレバーの振動を検出し、当該検出結果に基づき前記走査領域の磁場分布画像を生成する磁気プロファイル測定装置であって、
　先端に前記探針が取り付けられた前記カンチレバーと、
　前記カンチレバーを当該カンチレバーの共振周波数ないし当該周波数に近い周波数で励振する励振器と、
　交流磁場を生成し前記探針の磁気極性を周期的に反転させることで、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調または同時に振幅変調する交流磁場発生器と、
　前記探針の振動を検出する振動センサーと、
　前記振動センサーの検出信号から、前記探針と前記観察試料との間に生じる交流磁気力（すなわち、交番磁気力）に対応する磁気信号を復調するとともに、復調した前記磁気信号を位相が９０°異なる互いに直交した２つの信号成分に分離して検出するか、復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出する復調処理装置と、
　前記探針により前記走査領域を走査する走査機構と、
　前記交流磁場発生器の動作と同期する条件のもとに、前記走査機構により前記走査領域を走査することで得られた、当該走査領域の各座標における前記互いに直交した２つの信号成分または前記磁場の振幅および位相を初期データとして記憶するデータ記憶装置と、
　前記データ記憶装置から前記初期データを呼び出し、当該初期データの位相を変更したデータを複数生成する変更データ生成器と、
　前記変更データ生成器により生成した前記走査領域の各座標におけるデータに基づく磁場分布画像を表示する画像表示装置と、
を備えたことを特徴とする磁気プロファイル測定装置。

（２）
　前記復調処理装置は、
　前記探針の位置における磁場を、αβ複素平面（ガウス平面）において、
　Ｈ_α＋ｊＨ_β≡Ｈ₀ｅｘｐ（ｊφ）
で表わすとともに、
　前記探針の位置における磁場の振幅Ｈ₀をαβ複素平面における原点からの距離、
　Ｈ₀≡（Ｈ_α ²＋Ｈ_β ²）^1/2、
　前記探針の位置における磁場の位相を、αβ複素平面における偏角φ、
φ≡ｔａｎ^-1（Ｈ_β／Ｈ_α）
で表し、
　前記探針の位置における磁場のα軸に平行な成分（α成分）を、
　　Ｈ_α＝Ｈ₀ｃｏｓφ、
　前記探針の位置における磁場のα軸に直交しているβ軸に平行な成分（β成分）を、
　　Ｈ_β＝Ｈ₀ｓｉｎφ
として、
　前記α成分と前記β成分のデータ対（Ｈ_α，Ｈ_β）または、振幅と位相のデータ対（Ｈ₀，φ）として検出する、
ことを特徴とする（１）に記載の磁気プロファイル測定装置。

（３）
　前記α成分を前記磁場の前記観察試料の表面に垂直な成分（垂直磁場成分）とし、前記β成分を前記磁場の前記観察試料の表面に平行な成分（面内磁場成分）とすること、または、
　前記α成分を前記磁場の前記観察試料の表面に平行な成分（面内磁場成分）とし、前記β成分を前記磁場の前記観察試料の表面に垂直な成分（垂直磁場成分）とすること、
を特徴とする（２）に記載の磁気プロファイル測定装置。

（４）
　前記探針の位置における磁場を、偏角φの変化に応じて、
　前記α成分および／または前記β成分を前記画像表示装置に画像化して表示すること、
を特徴とする（２）または（３）に記載の磁気プロファイル測定装置。

　本発明の磁気プロファイル測定方法は以下を要旨とする。
（５）
　励振したカンチレバーの先端の磁性を帯びた探針により観察試料の表面上の走査領域を走査しつつ、前記カンチレバーの振動を検出し、当該検出結果に基づき前記走査領域の磁場分布画像を生成する磁気プロファイル測定方法であって、
　先端に前記探針が取り付けられた前記カンチレバーを、当該カンチレバーの共振周波数ないし当該周波数に近い周波数で励振するステップ（Ｓ１１０）、
　交流磁場を生成し前記探針の磁気極性を周期的に反転させることで、（前記探針と観察試料との間に交流磁気力を生じさせて）前記カンチレバーの励振振動を周波数変調するステップ（Ｓ１２０）、
　前記探針の振動を検出し、この検出信号から、前記探針と前記観察試料との間に生じる交流磁気力に対応する磁気信号を復調するステップ（Ｓ１３０）、
　復調した前記磁気信号を位相が９０°異なる互いに直交した２つの信号成分に分離して検出するか、復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出するステップ（Ｓ１４０）、
　前記探針を、前記走査領域を走査するステップ（Ｓ１５０）、
　前記交流磁場発生と同期する条件のもとに、前記走査領域を走査することで得られた、当該走査領域の各座標における前記互いに直交した２つの信号成分または磁場の振幅および位相を初期データとしてデータ記憶装置に記憶するステップ（Ｓ１６０）、
　前記データ記憶装置から前記初期データを呼び出し、当該初期データの位相を変更した（増加または減少した）データを複数生成するステップ（Ｓ１７０）、
　前記初期データの位相を変更したデータに基づく磁場分布画像を画像表示装置に表示するステップ（Ｓ１８０）、
　前記画像表示装置に表示した各磁場分布画像に基づき観察試料の磁気プロファイルを測定するステップ（Ｓ１９０）、
を含むことを特徴とする磁気プロファイル測定方法。

（６）
　前記の復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出するステップ（Ｓ１４０）では、
　前記探針の位置における磁場を、αβ複素平面（ガウス平面）において、
Ｈ_α＋ｊＨ_β≡Ｈ₀ｅｘｐ（ｊφ）
　前記探針の位置における磁場の振幅Ｈ₀を、αβ複素平面における原点からの距離
　Ｈ₀≡（Ｈ_α ²＋Ｈ_β ²）^1/2、
　前記探針の位置における磁場の位相を、αβ複素平面における偏角φ、
φ≡ｔａｎ^-1（Ｈ_β／Ｈ_α）
で表し、
　前記磁場のα軸に平行な成分（α成分）を、
　　Ｈ_α＝Ｈ₀ｃｏｓφ、
　前記磁場のα軸に直交しているβ軸に平行な成分（β成分）を、
　　Ｈ_β＝Ｈ₀ｓｉｎφ
として、
　α成分とβ成分のデータ対（Ｈ_α，Ｈ_β）、または、振幅と位相のデータ対（Ｈ₀，φ）を検出する、
ことを特徴とする（５）に記載の磁気プロファイル測定方法。

（７）
　前記α成分を前記磁場の前記観察試料の表面に垂直な成分（垂直磁場成分）とし、前記β成分を前記磁場の前記観察試料の表面に平行な成分（面内磁場成分）とすること、または、
　前記α成分を前記磁場の前記観察試料の表面に平行な成分（面内磁場成分）とし、前記β成分を前記磁場の前記観察試料の表面に垂直な成分（垂直磁場成分）とすること、
を特徴とする（６）に記載の磁気プロファイル測定方法。

（８）
　前記探針の位置における磁場を、偏角φの変化に応じて、
　前記α成分および／または前記β成分を画像化して表示すること、
を特徴とする（６）または（７）に記載の磁気プロファイル測定方法。

　本発明によれば、取得した磁場分布画像データを用いて、観察試料に対して、面内磁場成分を含まない垂直磁場画像および垂直磁場成分を含まない面内磁場画像を得ることができる。

　すなわち、ＭＦＭにおいて、観察試料に対して、磁気プロファイルの測定に際して、垂直磁場成分と面内磁場成分が重畳することがあるが、この磁場成分の重畳を、改善ないし解消することができる。
　これにより、ある測定点において観察される磁場成分を、垂直磁場成分と面内磁場成分に分離することが可能となった。

図１は、本発明の磁気プロファイル測定装置実施形態を示す説明図である。図２は、本発明の磁気プロファイル測定方法の実施形態を示すフローチャートである。図３は、本発明の磁気プロファイル測定装置の実施形態および磁気プロファイル測定方法の実施形態の処理を示す図であり、変更データ生成器において変更データ生成処理を行う前の位相を表す補助説明図である。図４は、本発明の磁気プロファイル測定装置の実施形態および磁気プロファイル測定方法の実施形態の処理を示す図であり、変更データ生成器において変更データ生成処理を行った後の位相を表す補助説明図である。図５（Ａ）はデータ記憶装置に記憶した位相が不定の垂直磁場分布画像を示す図、図５（Ｂ）はデータ記憶装置に記憶した位相が不定の面内磁場分布画像の例を示す図である。図６は、図５（Ａ），（Ｂ）の画像（データ記憶装置１７に記憶したデータ）から生成した、位相を調整した磁場分布画像の例を示す、垂直磁場分布画像と面内磁場分布画像との合成画像である。図７は、カンチレバーの探針がハード磁性探針である、ＤＣ磁場を観察する従来のＭＦＭの説明図である。図８は、カンチレバーの探針がソフト磁性探針であるＤＣ磁場を観察する従来のＭＦＭの説明図である。図９は、図８のＭＦＭの動作説明図であり、図９（Ａ）は探針の垂直磁化成分（探針の磁化の試料面に垂直方向の成分）が、試料面に垂直方向の磁場の位相と同期する場合を示す図、図９（Ｂ）は、探針の面内磁化成分（探針の磁化の試料面に平行な方向の成分）が試料面に水平方向の磁場の位相と同期する場合を示す図である。

　図１は、本発明の磁気プロファイル測定装置の実施形態を示す説明図である。
　図１において、磁気プロファイル測定装置１は、カンチレバー１１と、励振器１２と、交流磁場発生器１３と、振動センサー１４と、復調処理装置１５と、走査機構１６と、データ記憶装置１７と、変更データ生成器１８と、画像表示装置１９とを備えている。磁気プロファイル測定装置１は、励振したカンチレバー１１の先端の磁性を帯びた探針１１１により観察試料５の表面上の走査領域を走査しつつ、カンチレバー１１の振動を検出し、この検出結果に基づき走査領域の磁場分布画像を以下の構成により生成することができる。

　カンチレバー１１は、先端に探針１１１が取り付けられている。探針１１１は、本実施形態では錐形をなし、表面にいわゆるソフト磁性材料からなる膜が形成されている。交流磁場発生器１３からの磁場により、ソフト磁性材料の膜は観察試料５を介して磁化されるが、当該磁場により、この観察試料５の着磁状態が影響を受けることはない。

　励振器１２は、圧電素子１２１および電源１２２とからなり、電源１２２が圧電素子１２１を駆動し、これによりカンチレバー１１が励振される。励振器１２は、カンチレバー１１をその共振周波数ないし当該周波数に近い周波数（本発明では、「キャリア周波数」と言う）で励振する。本実施形態では、キャリア周波数は、たとえば３００ｋＨｚとすることができる。

　交流磁場発生器１３は、本実施形態ではコイルを備えた小型の電磁石であり、観察試料５のカンチレバー１１が設けられた側とは反対側に設けられている。すなわち、交流磁場発生器１３が生成する交流磁場は、観察試料５を介して探針１１１に加えられ、探針１１１の磁化（磁気モーメント）の方向は周期的に変化する。これにより、カンチレバー１１の励振振動が、探針１１１と観察試料５との間に生じる交流磁気力により、周波数変調される。交流磁場発生器１３が生成する磁場の周波数は、たとえば、１０Ｈｚ～１ｋＨｚ程度に設定することができる。前述したように、交流磁場発生器１３が生成する磁場の強さは、観察試料５の磁化状態が変化しない強さに設定されている。

　振動センサー１４は、レーザ（ＬＡＳＥＲ）１４１およびフォトダイオード（ＰＤ）１４２とからなり、カンチレバー１１の先端部の探針１１１の振動を検出する。

　復調処理装置１５は、交流磁気力信号復調器１５１と、復調信号処理装置１５２とからなる。交流磁気力信号復調器１５１は、振動センサー１４の検出信号から探針１１１と観察試料５との間に生じる交流磁気力を発生源とする変調された探針振動を復調（周波数復調または振幅復調）する。
　復調信号処理装置１５２は、具体的にはロックインアンプであり、復調した交流磁気力から探針の位置における磁場に対するロックインアンプの参照信号に同期した同相成分Ｈ_αおよび参照信号から位相が９０°異なる直交成分Ｈ_β、または磁場の振幅Ｈ₀および位相φを検出する。
　走査領域の各座標における磁場に対するロックインアンプの同相成分Ｈ_αおよび直交成分Ｈ_βを検出することと、磁場の振幅Ｈ₀および位相φを検出することとは等価である。
　復調した磁気信号は、後述する変更データ生成処理により、観察試料５の表面に垂直な成分である垂直磁場成分および観察試料５の表面に平行な成分である面内磁場成分に分離することができる。

　走査機構１６は、観察試料５を移動して探針１１１により、観察試料５の表面上の走査領域を走査する。走査機構１６は、カンチレバー１１を移動するように構成してもよい。走査機構１６による走査速度は、復調処理装置１５が、交流磁気力を復調する際に、無視できる程度に遅い速度である。

　データ記憶装置１７は、走査機構１６により走査領域を走査することで得られた、走査領域の各座標における磁場に対するロックインアンプの同相成分Ｈ_αおよび直交成分Ｈ_β、またはロックインアンプの振幅成分Ｈ₀および位相成分φを初期データとして記憶する。走査領域の各座標における磁場に対するロックインアンプの同相成分Ｈ_αおよび直交成分Ｈ_βを初期データとして記憶することと、磁場の振幅Ｈ₀および位相φを初期データとして記憶することは等価である。

　変更データ生成器１８は、データ記憶装置１７に記憶した走査領域の各座標における磁場に対するロックインアンプの同相成分Ｈ_αおよび直交成分Ｈ_βの初期データ（あるいは磁場の振幅Ｈ₀および位相φの各データ）を呼び出す。
　変更データ生成器１８は、走査領域の各座標について、磁場に対するロックインアンプの同相成分Ｈ_αおよび直交成分Ｈ_βに対して、振幅Ｈ₀を固定し位相φを変更した（増加または減少した）αβ複素平面上のα軸に平行な成分（α成分）およびα軸に直交しているβ軸に平行な成分（β成分）からなるデータ対を複数生成する。
　画像表示装置１９は、データ記憶装置１７に記憶された走査領域の各座標における初期データに基づく磁場分布画像、および変更データ生成器１８により生成した走査領域の各座標におけるデータに基づく磁場分布画像を表示する。

　観察試料５の磁気プロファイルの測定に先立って、観察試料５の表面の凹凸を測定しこれを記憶しておくことができる。そして、探針１１１と観察試料５の表面との距離を一定に保った状態で観察試料５の磁気プロファイルを測定することができる。観察試料５の表面の凹凸の測定は、カンチレバー１１の探針１１１を観察試料５の表面に接触させることで行うこともできる。

　図２は、本発明の磁気プロファイル測定方法の実施形態を示すフローチャートである。
　図２の磁気プロファイル測定方法は、図１の磁気プロファイル測定装置１により実施されるので、以下、図１の磁気プロファイル測定装置１の動作を主に説明し、併せて、図２のフローチャートに言及する。

　図１では、励振器１２の電源１２２が圧電素子１２１を駆動し、カンチレバー１１を、カンチレバー１１の共振周波数ないし共振周波数に近い周波数（キャリア周波数）で励振する（ステップＳ１１０）。通信方式における周波数変調の「信号」と「キャリア」と対比すると、交流磁場が「信号」（信号の周波数は本実施形態では１０Ｈｚ～１ｋＨｚ程度）に、カンチレバー１１の圧電素子１２１による機械的な励振は「キャリア」（キャリアの周波数はたとえば、３００ｋＨｚ）に対応している。

　図１において、交流磁場発生器１３は、上述したように信号発生器１３１とコイル本体１３２（コイルを備えた小型の電磁石）とからなり、信号発生器１３１は、（１）式の交流電圧Ｖによりコイル本体１３２を駆動している。
　　Ｖ＝Ｖ₀ｃｏｓ（ωｔ）　・・・（１）
　（１）式のＶ₀は、交流電圧の振幅であり、初期位相はゼロとしてある。
　これによりコイル本体１３２の巻線には、（２）式の電流Ｉが流れる。
　　Ｉ＝Ｉ₀ｃｏｓ（ωｔ－φ₀₁）　・・・（２）
　（２）式のＩ₀は、交流電流の振幅である。
　また、遅れ角φ₀₁は、交流磁場発生器１３を構成する電気回路の抵抗やインダクタンス等に起因する。

　（２）式の電流Ｉ₀により、交流磁場発生器１３は、観察試料５の表面に垂直な方向の磁場（垂直磁場成分Ｈ_V）を発生させる。
　Ｈ_V＝Ｈ₀ｃｏｓ（ωｔ－φ₀₂）　・・・（３）
　（３）式のＨ₀は、交流磁場の振幅である。垂直方向の磁場（垂直磁場成分Ｈ_V）は、信号発生器１３１の交流電圧Ｖ（（１）式参照）からφ₀₂／ωの時間だけ遅れて最大になる。
　ここで遅れ角φ₀₂は、（２）式の遅れ角φ₀₁に、交流磁場発生器１３における遅れ角（φ_dA）が加えられた角である。
　φ_dAは、交流磁場発生器１３のコイルに用いられる磁心材料に交流磁場を印加したときの磁化応答の遅れ等による遅れ角である。

　前述したように、交流磁場発生器１３からの磁場は、観察試料５の磁化状態を変化させることなく、ソフト磁性材料を有する探針１１１を磁化する。これにより、探針１１１の磁気モーメントは、交流磁場発生器１３からの交流磁場によって回転し反転を繰り返す磁化成分を有する。
　このようにして、探針１１１と観察試料５との間に生じた交流磁気力により、カンチレバー１１の励振振動を周波数変調することができる（ステップＳ１２０）。

　振動センサー１４は、レーザ１４１から、カンチレバー１１の先端上面にレーザビームを照射し、その反射光をフォトダイオード１４２で検出することで、探針１１１の振動を検出する。そして、交流磁気力信号復調器１５１は、振動センサー１４の検出信号から探針の位置の交流磁場により発生する、観察試料５の表面に垂直方向の交流磁気力（交流磁気力信号）を復調する（ステップＳ１３０）。
　交流磁気力信号復調器１５１の出力Ｆは、（４）式で表される。
　　Ｆ＝Ｆ₀ｃｏｓ（ωｔ－φ₀₃）　・・・（４）

　（４）式のＦ₀は交流磁気力の振幅であり、遅れ角φ₀₃は、（３）式の遅れ角φ₀₂に、磁場印加時の探針１１１を構成するソフト磁性材料の磁化応答の遅れ等が発生する場合の遅れや、振動センサー１４の検出回路の遅れ等が発生する場合の遅れ（これらの遅れをφ_dBとする）を加えたものである。ここで、交流磁場発生器１３で生成させる磁場の周波数が低い場合には、φ₀₃はφ₀₂とほぼ等しくなる。

　復調信号処理装置１５２（ロックインアンプ）は、交流磁気力信号復調器１５１により復調された交流磁気力信号Ｆの振幅（Ｆ₀）および位相（－φ₀₃）を検出する（ステップＳ１４０）。
　復調した交流磁気力信号Ｆは、（５）式で表される。
　　Ｆ₀ｃｏｓ（ωｔ－φ₀₃）
　　＝Ｆ₀ｃｏｓ（－φ₀₃）ｃｏｓ（ωｔ）
　　　－Ｆ₀ｓｉｎ（－φ₀₃）ｓｉｎ（ωｔ）
　　＝Ｆ₀ｃｏｓ（－φ₀₃）ｃｏｓ（ωｔ）
　　　＋Ｆ₀ｓｉｎ（－φ₀₃）ｃｏｓ（ωｔ＋π／２）　・・・（５）

　復調信号処理装置１５２は、復調した交流磁気力信号Ｆを、
　Ｆ₀ｃｏｓ（－φ₀₃）ｃｏｓ（ωｔ）　・・・（６Ａ）
と、
　Ｆ₀ｓｉｎ（－φ₀₃）ｃｏｓ（ωｔ＋π／２）　・・・（６Ｂ）
に分離する。
　（６Ａ）式の、Ｆ₀ｃｏｓ（－φ₀₃）ｃｏｓ（ωｔ）は、交流磁場発生器１３の電圧（初期位相がゼロ）に対して探針１１１の磁化が位相角φ₀₃だけ遅れて最大となる、磁場の観察試料５の表面に垂直な成分（垂直磁場成分）に対応する。
　また、（６Ｂ）式の、Ｆ₀ｓｉｎ（－φ₀₃）ｃｏｓ（ωｔ＋π／２）は、探針１１１の磁化がさらに９０°の位相角だけ遅れて最大となる、磁場の観察試料５の表面に平行な成分（面内磁場成分）に対応する。
　ここで上記のφ₀₃は、記録密度が低い垂直磁気記録媒体等の磁化状態の明らかな試料を標準試料として、垂直磁場のみ発生する場所や面内磁場のみ発生する場所で位相調整を行うことにより、その値を知ることができる。

　ここで、観察試料面に垂直方向をｚ方向、観察試料面に平行方向をｘ方向とし、交流磁場発生器１３により時間変化する探針１１１の磁化ｍの観察試料の表面に垂直方向の成分をｍ_z、観察試料の表面に平行方向の成分をｍ_xとおくと、探針磁化は交流磁場発生器から発生する（３）式の磁場Ｈにより変化し、（７）式、あるいは（７Ａ）式、（７Ｂ）式で表すことができる。
　ｍ＝ｍ₀ｅｘｐ（ｊ（ωｔ－φ₀₄））＝ｍ_z＋ｊｍ_x　　・・・（７）
　　ｍ_z＝ｍ_oｃｏｓ（ωｔ－φ₀₄）　・・・（７Ａ）
　　ｍ_x＝ｍ_oｓｉｎ（ωｔ－φ₀₄）　・・・（７Ｂ）
　（７Ａ）式および（７Ｂ）式のφ₀₄は、（２）式の遅れ角φ₀₂に、磁場印加時の探針１１１を構成するソフト磁性材料の磁化応答の遅れ等（これをφ_dCとする）を加えた遅れ角である。ここで、交流磁場発生器１３で生成させる磁場の周波数が低い場合には、φ₀₄はφ₀₂とほぼ等しくなる。

　このとき、探針１１１が観察試料５から受ける表面に垂直な交流磁気力Ｆ_zは、（８）式で表される。
　Ｆ_z＝ｍ_x（∂Ｈ_z／∂ｘ）＋ｍ_z（∂Ｈ_z／∂ｚ）
　　＝ｍ_x（∂Ｈ_x／∂ｚ）＋ｍ_z（∂Ｈ_z／∂ｚ）
　　＝ｍ₀ｓｉｎ（ωｔ－φ₀₄）（∂Ｈ_x／∂ｚ）
　　　＋ｍ₀ｃｏｓ（ωｔ－φ₀₄）（∂Ｈ_z／∂ｚ）
　　＝ｍ₀｛ｓｉｎ（ωｔ）ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　　＋ｃｏｓ（ωｔ）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝（∂Ｈ_x／∂ｚ）
　　　＋ｍ₀｛ｃｏｓ（ωｔ）ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　　－ｓｉｎ（ωｔ）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝（∂Ｈ_z／∂ｚ）　・・・（８）
となる。ここで、観察試料５からの磁場は磁極を発生源とする渦なしの場であるので、（９）式の関係が成り立っている。
　　（∂Ｈ_z／∂ｘ）＝（∂Ｈ_x／∂ｚ）　・・・（９）

　探針１１１が観察試料５から受ける、表面に垂直な交流磁気力Ｆ_zにより、探針振動のバネ定数は実効的に（∂Ｆ_z／∂ｚ）だけ変化し、周波数変調はバネ定数の実効的変化量に比例して発生する。
　すなわち、復調された信号は、
　　ｍ₀｛ｓｉｎ（ωｔ）ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　　＋ｃｏｓ（ωｔ）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）
　　　＋ｍ₀｛ｃｏｓ（ωｔ）ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　　－ｓｉｎ（ωｔ）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）
に対応する。
　また、復調信号処理装置１５２（ロックインアンプ）で計測される同期信号は、
　　（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｍ₀ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｍ₀ｓｉｎ（－φ₀₄）
に対応し、直交信号は、
　　（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｍ₀ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　－（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｍ₀ｓｉｎ（－φ₀₄）
に対応する。
　したがって、復調信号処理装置１５２（ロックインアンプ）で計測される、同期信号は垂直磁場の勾配と面内磁場の勾配の和、
　　（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）
に対応し、直交信号は面内磁場の勾配と垂直磁場の勾配の和、
　　－（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）＋（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）
に対応することになる。
　ここで、探針１１１と観察試料５の距離が、磁化ｍの磁気モーメント長より小さい場合には、探針１１１の磁化ｍの観察試料の表面に垂直方向の成分ｍ_zは、探針先端に形成される磁極ｑとして振る舞い、復調信号処理装置１５２（ロックインアンプ）で計測される同期信号は、垂直磁場の勾配と面内磁場の勾配の和、
　　（∂Ｈ_z／∂ｚ）ｑｃｏｓ（－φ₀₄）＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｍ₀ｓｉｎ（－φ₀₄）
に対応することになる。
　後述するように、位相遅れ－φ₀₄に位相調整値φ_Cとしてφ₀₄を加えて、初期位相をゼロにすることで、同期信号を垂直磁場の勾配のみに、直交信号を面内磁場の勾配のみにすることができる。

　次に、カンチレバー１１がθだけ傾いた場合の扱いについて説明する。
　この場合の、交流磁気力信号復調器１５１の出力（∂Ｆ／∂ｚ）は、（１０）式で表される。
　　（∂Ｆ／∂ｚ）＝［∂（Ｆ_zｃｏｓ（θ）＋Ｆ_xｓｉｎ（θ））／∂ｚ］
　　＝［∂｛ｍ_x（∂Ｈ_z／∂ｘ）＋ｍ_z（∂Ｈ_z／∂ｚ）｝／∂ｚ］ｃｏｓ（θ）
　　　＋［∂｛ｍ_x（∂Ｈ_x／∂ｘ）＋ｍ_z（∂Ｈ_x／∂ｚ）｝／∂ｚ］ｓｉｎ（θ）
　　＝［∂｛ｍ_x（∂Ｈ_x／∂ｚ）＋ｍ_z（∂Ｈ_z／∂ｚ）｝／∂ｚ］ｃｏｓ（θ）
　　　＋［∂｛ｍ_x（∂Ｈ_x／∂ｘ）＋ｍ_z（∂Ｈ_x／∂ｚ）｝／∂ｚ］ｓｉｎ（θ）
　　＝ｍ_x｛（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓ（θ）＋（∂²Ｈ_x／∂ｘ∂ｚ）ｓｉｎ（θ）｝
　　　＋ｍ_z｛（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（θ）
　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（θ）｝
　　＝ｍ₀ｓｉｎ（ωｔ－φ₀₄）｛（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓ（θ）
　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｘ∂ｚ）ｓｉｎ（θ）｝
　　　＋ｍ_oｃｏｓ（ωｔ－φ₀₄）｛（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（θ）
　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（θ）｝
　　＝ｍ₀｛ｓｉｎ（ωｔ）ｃｏｓ（－φ₀₄）＋ｃｏｓ（ωｔ）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝
　　｛（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓ（θ）＋（∂²Ｈ_x／∂ｘ∂ｚ）ｓｉｎ（θ）｝
　　　＋ｍ_o｛ｃｏｓ（ωｔ）ｃｏｓ（－φ₀₄）－ｓｉｎ（ωｔ）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝
　　｛（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（θ）＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（θ）｝
　　＝ｃｏｓ（ωｔ）［ｍ₀ｓｉｎ（－φ₀₄）｛（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓ（θ）
　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｘ∂ｚ）ｓｉｎ（θ）｝
　　　　　　　　　　＋ｍ₀ｃｏｓ（－φ₀₄）｛（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（θ）
　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（θ）｝］
　　　＋ｓｉｎ（ωｔ）［ｍ₀ｃｏｓ（－φ₀₄）｛（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓθ
　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｘ∂ｚ）ｓｉｎθ｝
　　　　　　　　　　－ｍ₀ｓｉｎ（－φ₀₄）｛（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（θ）
　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（θ）｝］
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１０）

　復調信号処理装置１５２（ロックインアンプ）で計測される同期信号は、
　　ｍ₀ｓｉｎ（－φ₀₄）
　｛（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓ（θ）＋（∂²Ｈ_x／∂ｘ∂ｚ）ｓｉｎ（θ）｝
　　＋ｍ₀ｃｏｓ（－φ₀₄）
　｛（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（θ）＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（θ）｝
に対応する。
　復調信号処理装置１５２（ロックインアンプ）で計測される直交信号は、
　　ｍ₀ｃｏｓ（－φ₀₄）
　｛（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓ（θ）＋（∂²Ｈ_x／∂ｘ∂ｚ）ｓｉｎ（θ）｝
　　－ｍ₀ｓｉｎ（－φ₀₄）
　｛（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（θ）＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（θ）｝
に対応する。
　したがって、復調信号処理装置１５２（ロックインアンプ）で計測される同期信号は、θが小さな場合には、上述したように、
　　∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）
に対応する。
　また、ロックインアンプで計測される直交信号は、
　　（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）－（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）
に対応することになる。

　走査機構１６は、カンチレバー１１の探針１１１により、観察試料５の表面を走査する（ステップＳ１５０）。走査速度は、復調処理装置１５が交流磁気力を復調する際に無視できる程度に遅い速度とする。

　データ記憶装置１７は、走査機構１６により探針１１１を観察試料５の面に平行に走査し、探針１１１の走査領域の各点における、
　・復調された信号（交流磁気力信号）
の振幅および遅れ角、
　・復調信号処理装置１５２（ロックインアンプ）で計測される同期信号
　・復調信号処理装置１５２（ロックインアンプ）で計測される直交信号
を初期データとして記憶する（ステップＳ１６０）。
　ステップＳ１１０からＳ１６０までの一連の計測処理を観察試料５の表面上（走査領域上）の多数の位置について行う。
　復調された信号（交流磁気力信号∂Ｆ_z／∂ｚ）は、以下で表される。
　　（∂Ｆ_z／∂ｚ）
　　＝ｍ₀ｓｉｎ（ωｔ－φ₀₄）（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）
　　＋ｍ₀ｃｏｓ（ωｔ－φ₀₄）（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）
　　＝ｍ₀［｛（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝²
　　　＋｛（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　　－（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝²］^1/2
　　　ｃｏｓ（ωｔ＋ｔａｎ^-1［｛（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　　－（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝／｛（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）
　　　ｃｏｓ（－φ₀₄）＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝］）
　　＝ｍ₀［｛（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝²
　　　＋｛（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　　－（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝²］^1/2
　　　ｃｏｓ（ωｔ－ｔａｎ^-1［｛（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）
　　　－（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）｝／｛（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）
　　　ｃｏｓ（－φ₀₄）＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝］）
　したがって、交流磁気力信号（∂Ｆ_z／∂ｚ）の振幅は、以下で表される。
　　＝ｍ₀［｛（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝²
　　　＋｛（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　　－（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝²］^1/2
　また、交流磁気力信号（∂Ｆ_z／∂ｚ）の遅れ角は、以下で表される。
　　φ₀₃＝ｔａｎ^-1［｛（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）
　　　　　　　　　　　－（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）｝
　　　　　　　　　／｛（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　　　　　　　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝］
　復調信号処理装置１５２（ロックインアンプ）で計測される同期信号は、以下で表される。
　　（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｍ₀ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｍ₀ｓｉｎ（－φ₀₄）
　復調信号処理装置１５２（ロックインアンプ）で計測される直交信号は、以下で表される。
　　（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｍ₀ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　－（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｍ₀ｓｉｎ（－φ₀₄）

　変更データ生成器１８は、データ記憶装置１７に記憶した、
（ａ）初期データ（（∂Ｆ_Z／∂ｚ）の振幅，遅れ角φ₀₃、
（ｂ）同期信号
　（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｍ₀ｃｏｓ（－φ₀₄）＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｍ₀ｓｉｎ（－φ₀₄），
　（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｍ₀ｃｏｓ（－φ₀₄）－（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｍ₀ｓｉｎ（－φ₀₄）
を呼び出す。
　そして、初期データの位相φを変更した（増加または減少した）データを多数生成する（ステップＳ１７０）。

　画像表示装置１９は、走査領域の各座標における、データ記憶装置１７に記憶した初期データにかかる磁場分布画像および初期データの位相φが変更されたデータにかかる磁場分布画像を表示する（ステップＳ１８０）。
　たとえば、明度（濃度あるいは輝度）の幅が、明度が最も低い０から明度が最も高い２Ｎ（Ｎは正の整数）の２Ｎ＋１段階であるとする。磁場の強度が上向きに最大となったときに明度を「２Ｎ」、磁場の強度がゼロのときに明度を「Ｎ」、磁場の強度が下向きに最大となったときに明度を「０」とし、２Ｎ＋１段階の明度を、向きも含めた磁場の強度に割り振ることで、磁場分布画像を作成する。
　この磁場分布画像を、目視あるいはソフトウェアにより観察することで、観察試料５の磁気プロファイル（具体的には、磁化状態）を取得することができる（ステップＳ１９０）。

　図３，図４は、上記の処理の補助説明図である。
　図３のαβ座標系で示すベクトル図は、変更データ生成器１８において変更データ生成器１８による処理を行う前の位相を表している。

　図３において、磁気力勾配ベクトルは、（１１）式で表される。
　　α₁＋ｊβ₁＝｛（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　　　　　　　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝
　　　　　　　　＋ｊ｛（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　　　　　　　　　　　－（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）｝
　すなわち、
　　α₁＝（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）
　　　　　　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）
　　β₁＝－（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄）
　　　　　　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄）　　・・・（１１）

　図４（Ａ）のα′β′座標系で示すベクトル図は、図３のαβ座標系を回転させたものであり、変更データ生成器１８は、（１１）式の位相－φ₀₄に補正位相φ_Cを加えることで初期位相をゼロに調整している。
　α′β′座標系では、探針１１１の磁化ｍベクトルと同方向である磁気力勾配ベクトルは（１２）式で表される。
　　α₁′＋ｊβ₁′＝｛（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄＋φ_C）
　　　　　　　　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄＋φ_C）｝
　　　　　　　　　　＋ｊ｛－（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄＋φ_C）
　　　　　　　　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄＋φ_C）｝
　すなわち、
　　α₁′＝（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄＋φ_C）
　　　　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄＋φ_C），
　　β₁′＝－（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）ｓｉｎ（－φ₀₄＋φ_C）
　　　　　　＋（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）ｃｏｓ（－φ₀₄＋φ_C）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１２）
　よって、図４（Ｂ）に示すように、α′β′座標系で、磁気力勾配ベクトルの初期位相がゼロとなるための条件（β₁′＝０）は、（１３）式となる。
　　φ_C＝φ₀₄　・・・（１３）
　このとき、α₁′は垂直磁場勾配のみに対応する。
　　α₁′＝（∂²Ｈ_z／∂ｚ²）
　さらに、φ_C＝φ₀₄＋９０°、として位相を９０°進めると、α₁′は面内磁場勾配のみに対応する。
　　α₁′＝（∂²Ｈ_x／∂ｚ²）

　なお、変更データ生成器１８を用いずに、オペレータが、まず、データ記憶装置１７に記憶した初期データから位相φ₀₄の磁場分布画像を生成し、画面を目視しながら補正位相φ_Cを変更し（あるいは、ソフトウェアにより磁場分布画像を監視しつつ補正位相φ_Cを変更し）、明度が最大となる画像（または明度が最小となる画像）を見つけ出すことで、（１３）式の条件を取得することができる。ここで上記のφ₀₄の補正、記録密度が低い垂直磁気記録媒体等の磁化状態の明らかな観察試料を標準試料として、垂直磁場のみ発生する場所や面内磁場のみ発生する場所での位相調整を行うことにより、高精度の磁気プロファイルの測定が可能となる。
　上記の例では、明度が最大となっている画像（または明度が最小となっている画像）を見つけ出して、探針１１１の位置における磁場Ｈの位相を特定したが、画像中の明度差が最大の磁場分布画像を見つけ出すこと、または、画像中の明度差が最小の磁場分布画像を見つけ出すことで、探針１１１の位置における磁場の位相（および）を特定することもできる。

　図５（Ａ），（Ｂ）に、データ記憶装置１７に記憶した、位相が不定のハードディスク表面の垂直磁場分布画像および面内磁場分布画像の例を示す。
　図６に、図５（Ａ），（Ｂ）の画像（データ記憶装置１７に記憶したデータ）から生成した、位相を変化させたときのハードディスク表面の磁場分布画像の例を示す。
　図６では、試料である垂直磁気記録媒体の記録ビット中央部（垂直磁場のみ発生）で磁場強度が最大となるときの位相をゼロとして位相を調整後に、位相を３０°ごとに変化させた１２の、α′座標成分に対応する磁場分布画像を表示してある。各磁場分布画像には、位相の値を付記してあり、交流電圧Ｖ（前述した（１）式参照）の位相を基準にした位相を記すとともに、前述したα′β′座標系での位相を括弧内に記してある。

　前述したように、画像表示装置１９に表示した磁場分布画像を目視しながら補正位相（φ_C）を変更することで（あるいは、ソフトウェアにより磁場分布画像を監視しつつ補正位相（φ_C）を変更することで）、垂直磁場像および面内磁場像を得ることができる。図６では、垂直磁場像が得られるときの位相は４．５°であり、このとき補正角度が－４．５°となる、α′β′座標系での位相を括弧内に示してある。
　なお、括弧内の位相差が、０°、１８０°の場合は垂直磁場像に対応し、９０°、２７０°の場合には面内磁場像に対応している。

　１　磁気プロファイル測定装置
　５，８２，９３　観察試料
　１１，８１，９１　カンチレバー
　１２　励振器
　１３，９２　交流磁場発生器
　１４　振動センサー
　１５　復調処理装置
　１６　走査機構
　１７　データ記憶装置
　１８　変更データ生成器
　１９　　画像表示装置
　１１１，８１１，９１１　探針
　１２１，８１２，９１２　圧電素子
　１２２　電源
　１３１　信号発生器
　１３２　コイル本体
　１４１　レーザ
　１４２　フォトダイオード
　１５１　交流磁気力信号復調器
　１５２　復調信号処理装置

Claims

　励振したカンチレバーの先端の磁性を帯びた探針により観察試料の表面上の走査領域を走査しつつ、前記カンチレバーの振動を検出し、当該検出結果に基づき前記走査領域の磁場分布画像を生成する磁気プロファイル測定装置であって、
　先端に前記探針が取り付けられた前記カンチレバーと、
　前記カンチレバーを当該カンチレバーの共振周波数ないし当該周波数に近い周波数で励振する励振器と、
　交流磁場を生成し前記探針の磁気極性を周期的に反転させることで、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調または同時に振幅変調する交流磁場発生器と、
　前記探針の振動を検出する振動センサーと、
　前記振動センサーの検出信号から、前記探針と前記観察試料との間に生じる交流磁気力に対応する磁気信号を復調するとともに、復調した前記磁気信号を位相が９０°異なる互いに直交した２つの信号成分に分離して検出するか、復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出する復調処理装置と、
　前記探針により前記走査領域を走査する走査機構と、
　前記交流磁場発生器の動作と同期する条件のもとに、前記走査機構により前記走査領域を走査することで得られた、当該走査領域の各座標における前記互いに直交した２つの信号成分または前記磁場の振幅および位相を初期データとして記憶するデータ記憶装置と、
　前記データ記憶装置から前記初期データを呼び出し、当該初期データの位相を変更したデータを複数生成する変更データ生成器と、
　前記変更データ生成器により生成した前記走査領域の各座標におけるデータに基づく磁場分布画像を表示する画像表示装置と、
を備えたことを特徴とする磁気プロファイル測定装置。
　前記復調処理装置は、
　前記探針の位置における磁場を、αβ複素平面（ガウス平面）において、
　Ｈ_α＋ｊＨ_β≡Ｈ₀ｅｘｐ（ｊφ）
で表わすとともに、
　前記探針の位置における磁場の振幅Ｈ₀をαβ複素平面における原点からの距離、
　Ｈ₀≡（Ｈ_α ²＋Ｈ_β ²）^1/2、
　前記探針の位置における磁場の位相を、αβ複素平面における偏角φ、
　φ≡ｔａｎ^-1（Ｈ_β／Ｈ_α）
で表し、
　前記探針の位置における磁場のα軸に平行な成分（α成分）を、
　　Ｈ_α＝Ｈ₀ｃｏｓφ、
　前記探針の位置における磁場のα軸に直交しているβ軸に平行な成分（β成分）を、
　　Ｈ_β＝Ｈ₀ｓｉｎφ
として、
　前記α成分と前記β成分のデータ対（Ｈ_α，Ｈ_β）または、振幅と位相のデータ対（Ｈ₀，φ）として検出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気プロファイル測定装置。
　前記α成分を前記磁場の前記観察試料の表面に垂直な成分（垂直磁場成分）とし、前記β成分を前記磁場の前記観察試料の表面に平行な成分（面内磁場成分）とすること、または、
　前記α成分を前記磁場の前記観察試料の表面に平行な成分（面内磁場成分）とし、前記β成分を前記磁場の前記観察試料の表面に垂直な成分（垂直磁場成分）とすること、
を特徴とする請求項２に記載の磁気プロファイル測定装置。
　前記探針の位置における磁場を、偏角φの変化に応じて、
　前記α成分および／または前記β成分を前記画像表示装置に画像化して表示することを特徴とする請求項２または３に記載の磁気プロファイル測定装置。
　励振したカンチレバーの先端の磁性を帯びた探針により観察試料の表面上の走査領域を走査しつつ、前記カンチレバーの振動を検出し、当該検出結果に基づき前記走査領域の磁場分布画像を生成する磁気プロファイル測定方法であって、
　先端に前記探針が取り付けられた前記カンチレバーを、当該カンチレバーの共振周波数ないし当該周波数に近い周波数で励振するステップ（Ｓ１１０）、
　交流磁場を生成し前記探針の磁気極性を周期的に反転させることで、前記カンチレバーの励振振動を周波数変調するステップ（Ｓ１２０）、
　前記探針の振動を検出し、この検出信号から、前記探針と前記観察試料との間に生じる交流磁気力に対応する磁気信号を復調するステップ（Ｓ１３０）、
　復調した前記磁気信号を位相が９０°異なる互いに直交した２つの信号成分に分離して検出するか、復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出するステップ（Ｓ１４０）、
　前記探針を、前記走査領域を走査するステップ（Ｓ１５０）、
　前記交流磁場発生と同期する条件のもとに、前記走査領域を走査することで得られた、当該走査領域の各座標における前記互いに直交した２つの信号成分または磁場の振幅および位相を初期データとしてデータ記憶装置に記憶するステップ（Ｓ１６０）、
　前記データ記憶装置から前記初期データを呼び出し、当該初期データの位相を変更したデータを複数生成するステップ（Ｓ１７０）、
　前記初期データの位相を変更したデータに基づく磁場分布画像を画像表示装置に表示するステップ（Ｓ１８０）、
　前記画像表示装置に表示した各磁場分布画像に基づき観察試料の磁気プロファイルを測定するステップ（Ｓ１９０）、
を含むことを特徴とする磁気プロファイル測定方法。
　前記の復調した前記磁気信号から前記探針の位置における磁場の振幅および位相を検出するステップ（Ｓ１４０）では、
　前記探針の位置における磁場を、αβ複素平面（ガウス平面）において、
Ｈ_α＋ｊＨ_β≡Ｈ₀ｅｘｐ（ｊφ）
　前記探針の位置における磁場の振幅Ｈ₀を、αβ複素平面における原点からの距離
　Ｈ₀≡（Ｈ_α ²＋Ｈ_β ²）^1/2、
　前記探針の位置における磁場の位相を、αβ複素平面における偏角φ、
φ≡ｔａｎ^-1（Ｈ_β／Ｈ_α）
で表し、
　前記磁場のα軸に平行な成分（α成分）を、
　　Ｈ_α＝Ｈ₀ｃｏｓφ、
　前記磁場のα軸に直交しているβ軸に平行な成分（β成分）を、
　　Ｈ_β＝Ｈ₀ｓｉｎφ
として、
　α成分とβ成分のデータ対（Ｈ_α，Ｈ_β）、または、振幅と位相のデータ対（Ｈ₀，φ）を検出する、
ことを特徴とする請求項５に記載の磁気プロファイル測定方法。
　前記α成分を前記磁場の前記観察試料の表面に垂直な成分（垂直磁場成分）とし、前記β成分を前記磁場の前記観察試料の表面に平行な成分（面内磁場成分）とすること、または、
　前記α成分を前記磁場の前記観察試料の表面に平行な成分（面内磁場成分）とし、前記β成分を前記磁場の前記観察試料の表面に垂直な成分（垂直磁場成分）とすること、
を特徴とする請求項６に記載の磁気プロファイル測定方法。
　前記探針の位置における磁場を、偏角φの変化に応じて、
　前記α成分および／または前記β成分を画像化して表示すること
を特徴とする請求項６または７に記載の磁気プロファイル測定方法。