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磁気力顕微鏡用探針の評価装置および評価方法、ならびに磁気力顕微鏡および磁気力顕微鏡の制御用磁場調整方法

国内特許コード P170014103
整理番号 (S2014-0987-N0)
掲載日 2017年5月9日
出願番号 特願2016-523490
出願日 平成27年5月25日(2015.5.25)
国際出願番号 JP2015064975
国際公開番号 WO2015182564
国際出願日 平成27年5月25日(2015.5.25)
国際公開日 平成27年12月3日(2015.12.3)
優先権データ
  • 特願2014-107632 (2014.5.24) JP
  • 特願2014-129187 (2014.6.24) JP
発明者
  • 齊藤 準
  • 木下 幸則
  • 吉村 哲
出願人
  • 国立大学法人秋田大学
発明の名称 磁気力顕微鏡用探針の評価装置および評価方法、ならびに磁気力顕微鏡および磁気力顕微鏡の制御用磁場調整方法
発明の概要 磁気力顕微鏡用探針の評価装置11は、探針励振部111と、探針に交流磁場を印加する交流磁場発生部112と、交流磁場発生部を制御する交流磁場制御部113と、探針の振動を検出し振動検出信号を生成する探針振動検出部114と、交流磁場の強度に対応する振動検出信号のスペクトルを測定するスペクトル測定部115と、スペクトルに現われたサイドバンドの強度を抽出するSBI抽出部116と、SBI変化測定部117と、評価結果出力部119とを備える。
従来技術、競合技術の概要


磁性体サンプルの交流磁気特性(交流磁気プロファイル)を測定する技術として、図1に示す磁気力顕微鏡(MFM)7が知られている(特許文献1:WO2013/047538参照)。
このMFM7では、励振した探針71(カンチレバー)の先端に設けた探針チップ711により、試料72の表面を走査する。図1では試料72は、交流磁場を生成する、ハードディスクの磁気記録ヘッドである。探針チップ711には、試料72が生成する交流磁場H_ACが印加される。探針チップには、主に強磁性体でハード磁気特性を有するものが用いられる。
レーザ(LASER)731とフォトダイオード(PD)732とからなる振動検出器により、探針71の振動(振動変調)が検出され、図示しないプロファイル測定装置により試料72の表面の交流磁場勾配を反映した交流磁気プロファイルが測定される。



磁性体サンプルの直流磁気特性(直流磁気プロファイル)を測定する技術として、図2に示す磁気力顕微鏡(MFM8)が知られている(特許文献2:WO2013/047537参照)。
このMFM8では、励振した探針81(カンチレバー)の先端に設けた探針チップ811により、試料82の表面を走査する。試料82の下側にはコイル84が設けられており、探針チップ811には、試料82が生成する直流磁場H_DCと、コイル84が生成する交流磁場H_ACとの重畳磁場が印加される。探針チップには、主に強磁性体でソフト磁気特性を有するものが用いられる。
レーザ(LASER)831とフォトダイオード(PD)832とからなる振動検出器により、探針81の振動(振動変調)が検出され、図示しないプロファイル測定装置により試料82の表面の直流磁場勾配を反映した直流磁気プロファイルが測定される。



磁性体サンプルの直流磁気特性(直流磁気プロファイル)を測定する技術として、図3に示す磁気力顕微鏡(MFM9)が提案されている。
このMFM9では、励振した探針91(カンチレバー)の先端に設けた、保磁力がゼロで、磁化がヒステリシスを持たない常磁性体、超常磁性を示す材料、または反磁性体を有してなる探針チップ911により、試料92の表面を走査する。試料92の下側には交流磁場発生コイル941,942および直流磁場発生コイル943が設けられており、交流磁場発生コイル941,942からは交流磁場H_AC1,H_AC2が生成され、直流磁場発生コイル943からは交流磁場H_DCCOILが生成される。
探針チップ911には、試料92が生成する直流磁場H_DCSMPLと、交流磁場発生コイル941,942が生成するH_AC1,H_AC2と、直流磁場発生コイル943が生成するH_DCCOILが印加される。
図3では、探針チップの先端で、H_AC1,H_AC2の振動方向成分の磁場の和がゼロになり、磁場勾配が最大になるように、またH_DCCOILは、探針91の周波数変調が小さくなるように制御される。
レーザ(LASER)931とフォトダイオード(PD)932とからなる振動検出器により、探針91の振動が検出され、図示しないプロファイル測定装置により試料92の表面の直流磁場を反映した直流磁気プロファイルが測定される。



図4は、図1に示した探針71、図2に示した探針81および図3に示した探針91の先端拡大図である。
図4に示すように、探針チップ711(811,911)は錐形をなし、錐形部はSiに磁性体薄膜MMが成膜されて構成される。磁性体薄膜MMは、強磁性体(ハード磁性体またはソフト磁性体)や、常磁性体、超常磁性を示す材料、反磁性体からなる。
なお、ハード磁性材料としては、PtとFeあるいはCoとの合金、FeNdB系金属間化合物、SmCo系金属間化合物等が知られている。ソフト磁性材料としては、パーマロイ(Ni-Fe)、Co-Zr-Nb、Fe-Co-B、Fe-Co等が知られている。超常磁性を示す材料としては、粒径が数10nm程度のFeやCo等の微粒子がお互いに接触しないように非磁性体で取り囲まれた構造をもつグラニューラー合金等が知られている。



本明細書では、探針チップの錐形部に形成される磁性体としてハード磁性材料(保磁力や残留磁化が大きい強磁性体)が使用された探針はハード磁性探針と称され、当該錐形部に形成される磁性体としてソフト磁性材料(保磁力や残留磁化が小さく、磁化率が大きな磁性体)が使用された探針はソフト磁性探針と称され、錐形部に形成される磁性体として常磁性体または超常磁性を示す材料(保磁力や残留磁化がゼロで、磁化がヒステリシスを持たない)が使用された探針は常磁性探針または超常磁性探針と称され、錐形部に形成される磁性体として反磁性体(磁化が磁場の逆方向に発生し、保磁力や残留磁化がゼロであり、磁化がヒステリシスを持たない)が使用された探針は反磁性探針と称される。
図1のMFM7ではハード磁性探針が主に使用される。
図2のMFM8ではソフト磁性探針が主に使用される。
図3のMFM9では、常磁性探針や超常磁性探針が主に使用される。

産業上の利用分野


本発明は、試料から発生する磁場を測定する磁気力顕微鏡用探針の特性評価に使用される装置および当該特性評価に適用される方法に関する。
具体的には、本発明は、強磁性体(ハード磁性材料、ソフト磁性材料)、常磁性体、超常磁性を示す材料、または反磁性体からなる磁気力顕微鏡用探針の評価に際して、励振させた探針に強度を変化させた交流磁場を印加し、前記探針の振動から得られるスペクトルに基づき当該探針の特性を評価する技術に関する。
また、具体的には、本発明は、ソフト磁性探針、常磁性体探針、または超常磁性探針の評価に際して、励振させた探針に直流磁場と交流磁場とを重畳して印加し、それぞれの強度を変化させる際に、探針の振動から得られるスペクトルに基づき当該探針の特性を評価する技術に関する。



また本発明は、探針振動のスペクトルのサイドバンドの強度変化を観察することで、探針チップに形成されたソフト磁性材料の薄膜の磁化の飽和を検出し、探針磁化の飽和の検出結果に基づき、探針に与える制御用磁場を調整できる、磁気力顕微鏡および磁気力顕微鏡の制御用磁場調整方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
試料から発生する直流磁場または交流磁場を測定する磁気力顕微鏡用の探針の特性評価に使用される装置であって、
前記探針を励振させる探針励振部と、
交流磁場を発生し前記探針に当該交流磁場を印加する交流磁場発生部と、
前記交流磁場の強度が変化するように前記交流磁場発生部を制御する交流磁場制御部と、
前記探針の振動を検出し振動検出信号を生成する探針振動検出部と、
前記探針振動検出部により生成された振動検出信号を取得し、前記交流磁場の強度に対応する前記振動検出信号のスペクトルを測定するスペクトル測定部と、
前記スペクトル測定部により測定されたスペクトルに現われた2次のサイドバンドの強度を抽出する、または前記スペクトル測定部により測定されたスペクトルに現われた1次および2次のサイドバンドの強度を抽出する、SBI抽出部と、
前記SBI抽出部によって抽出されたサイドバンドの強度の、前記交流磁場の強度に対する変化を測定するSBI変化測定部と、
前記SBI変化測定部により測定された前記変化に基づいて前記探針の特性を評価する評価結果出力部と
を備える、磁気力顕微鏡用探針の評価装置。

【請求項2】
請求項1に記載の評価装置であって、
前記探針の探針チップが強磁性体、常磁性体、超常磁性を示す材料または反磁性体を有してなる、磁気力顕微鏡用探針の評価装置。

【請求項3】
前記探針の探針チップが強磁性体のうちハード磁性材料を有してなる、請求項1に記載の評価装置であって、
前記SBI抽出部は、前記1次および2次のサイドバンドの強度を抽出し、
前記評価結果出力部は、
前記交流磁場の強度を増加させたときに前記1次のサイドバンドの強度が高くなるほど、より高い評価結果を出力し、かつ、
前記交流磁場の強度を増加させたときに前記2次のサイドバンドの強度が高くなるほど、より低い評価結果を出力する、
磁気力顕微鏡用探針の評価装置。

【請求項4】
前記探針の探針チップが強磁性体のうちソフト磁性材料を有してなる、請求項1に記載の評価装置であって、
前記評価結果出力部は、
前記SBI変化測定部により測定された前記2次のサイドバンドの強度の前記交流磁場の強度に対する変化が二次関数変化から一次関数変化へ遷移する交流磁場強度を遷移点として検出する、SBI変化遷移点検出部と、
前記遷移点における前記2次のサイドバンドの強度を取得し、前記探針の飽和磁化、および、前記探針の磁化が飽和したときの前記交流磁場の強度を検出する、探針飽和磁化特性検出部と
をさらに備える、磁気力顕微鏡用探針の評価装置。

【請求項5】
前記探針の探針チップが常磁性体もしくは反磁性体、または超常磁性を示す材料を有してなる、請求項1に記載の評価装置であって、
前記評価結果出力部は、前記交流磁場の強度を増加させたときに前記2次のサイドバンドの強度が高くなるほど、より高い評価結果を出力する、
磁気力顕微鏡用探針の評価装置。

【請求項6】
試料から発生する直流磁場または交流磁場を測定する磁気力顕微鏡用探針の特性評価に適用される方法であって、
前記探針を励振させる探針励振ステップと、
交流磁場を発生させ前記探針に当該交流磁場を印加する交流磁場発生ステップと、
前記交流磁場発生ステップにおいて発生された前記交流磁場の強度が変化するように前記交流磁場を制御する交流磁場制御ステップと、
前記探針の振動を検出し振動検出信号を生成する探針振動検出ステップと、
前記探針振動検出ステップにおいて生成された振動検出信号を取得し、前記交流磁場の強度に対応する前記振動検出信号のスペクトルを測定するスペクトル測定ステップと、
前記スペクトル測定ステップにおいて測定されたスペクトルに現われた2次のサイドバンドの強度を抽出する、または前記スペクトル測定ステップにおいて測定されたスペクトルに現われた1次および2次のサイドバンドの強度を抽出する、SBI抽出ステップと、
前記SBI抽出ステップにおいて抽出されたサイドバンドの強度の、前記交流磁場の強度に対する変化を測定するSBI変化測定ステップと、
前記SBI変化測定ステップにおいて測定された前記変化に基づいて前記探針の特性を評価する、評価結果出力ステップと
を備える、磁気力顕微鏡用探針の評価方法。

【請求項7】
請求項6に記載の評価方法であって、
前記探針の探針チップが強磁性体、常磁性体、超常磁性を示す材料または反磁性体を有してなる、磁気力顕微鏡用探針の評価方法。

【請求項8】
前記探針の探針チップが強磁性体のうちハード磁性材料を有してなる、請求項6に記載の評価方法であって、
前記SBI抽出ステップにおいて、前記1次および2次のサイドバンドの強度を抽出し、
前記評価結果出力ステップにおいて、
前記交流磁場の強度を増加させたときに前記1次のサイドバンドの強度が高くなるほど、より高い評価結果を出力し、かつ、
前記交流磁場の強度を増加させたときに前記2次のサイドバンドの強度が高くなるほど、より低い評価結果を出力する、磁気力顕微鏡用探針の評価方法。

【請求項9】
前記探針の探針チップが強磁性体のうちソフト磁性材料を有してなる、請求項6に記載の評価方法であって、
前記評価結果出力ステップは、
前記SBI変化測定ステップにおいて測定された前記2次のサイドバンドの強度の前記交流磁場の強度に対する変化が二次関数変化から一次関数変化へ遷移する交流磁場強度を遷移点として検出する、SBI変化遷移点検出ステップと、
前記SBI変化遷移点検出ステップにおいて検出された遷移点、および当該遷移点における前記2次のサイドバンドの強度を取得し、前記探針の飽和磁化、および、前記探針の磁化が飽和したときの前記交流磁場の強度を検出する、探針飽和磁化特性検出ステップと
を備える、磁気力顕微鏡用探針の評価方法。

【請求項10】
前記探針の探針チップが、常磁性体もしくは反磁性体、または超常磁性を示す材料を有してなる、請求項6に記載の評価方法であって、
前記評価結果出力ステップにおいて、前記交流磁場の強度を増加させたときに前記2次のサイドバンドの強度が高くなるほど、より高い評価結果を出力する、
磁気力顕微鏡用探針の評価方法。

【請求項11】
励振している探針に交流磁場と制御用直流磁場とを印加し、前記探針により試料の表面を走査し、前記探針の振動を検出することで、前記試料の表面の直流磁場を測定する磁気力顕微鏡であって、
先端に磁性体薄膜が形成された探針チップを備えた前記探針と、
前記探針を励振させる探針励振部と、
前記交流磁場と前記制御用直流磁場との合成磁場を発生する合成磁場発生部と、
前記制御用直流磁場の強度を変化させる制御、および、前記制御用直流磁場の強度を固定して前記交流磁場の強度を順次変化させる制御を行う磁場制御部と、
前記探針の振動を検出し振動検出信号を生成する探針振動検出部と、
前記探針を空間駆動する走査部と、
前記探針振動検出部により検出された振動検出信号を取得し、前記探針の振動に生じた変調を解析することで前記試料の表面の直流磁場を測定する直流磁場特性測定部と、
前記探針振動検出部により検出された振動検出信号を取得し、前記交流磁場の強度に対応する前記振動検出信号のスペクトルを測定するスペクトル測定部と、
前記スペクトル測定部により測定されたスペクトルのサイドバンドの強度変化に基づき、前記探針チップに形成された前記磁性体薄膜の磁化が飽和したときの前記交流磁場の強度を検出する磁化飽和検出部と、
を備えたことを特徴とする、磁気力顕微鏡。

【請求項12】
請求項11に記載の磁気力顕微鏡であって、
前記磁化飽和検出部は、
前記スペクトル測定部により測定されたスペクトルの2次のサイドバンドの強度を抽出するSBI抽出部と、
強度がゼロを含む所定範囲内のある値に設定された前記制御用直流磁場の下で、前記交流磁場の強度をある値から所定値まで変化させ、前記SBI抽出部により抽出された前記2次のサイドバンドの強度の前記交流磁場の強度に対する変化の、二次関数変化から一次関数変化への遷移の有無を検出し、前記遷移を検出した場合には、前記遷移が生じたときの前記交流磁場の強度を測定するSBI変化測定部と、
前記SBI変化測定部による測定結果に基づき、前記制御用直流磁場の強度の適性および/または前記交流磁場の強度の適性を判定する磁場強度適性判定部と、
を備えたことを特徴とする、磁気力顕微鏡。

【請求項13】
請求項11に記載の磁気力顕微鏡であって、
前記探針チップに形成された前記磁性体薄膜がソフト磁性材料からなることを特徴とする、磁気力顕微鏡。

【請求項14】
請求項11に記載の磁気力顕微鏡であって、
前記合成磁場発生部が、交流電流と直流電流との合成電流により駆動されるコイルを有してなる、磁気力顕微鏡。

【請求項15】
請求項11に記載の磁気力顕微鏡であって、
前記合成磁場発生部が、交流電流により駆動される第1のコイルおよび直流電流により駆動される第2のコイルを有してなる、磁気力顕微鏡。

【請求項16】
励振している探針に交流磁場と制御用直流磁場とを印加し、前記探針により試料の表面を走査し、前記探針の振動を検出することで、前記試料の表面の直流磁場を測定する磁気力顕微鏡の制御用磁場調整方法であって、
前記探針を励振させる探針励振ステップと、
前記交流磁場と前記制御用直流磁場との合成磁場を発生させ、前記探針に前記合成磁場を印加する制御用磁場発生ステップと、
前記制御用直流磁場の強度を変化させる制御、および、前記制御用直流磁場の強度を固定して前記交流磁場の強度を変化させる制御を行う磁場制御ステップと、
前記探針の振動を検出し振動検出信号を生成する探針振動検出ステップと、
前記探針振動検出ステップにおいて検出された振動検出信号を取得し、前記交流磁場の強度に対応する前記振動検出信号のスペクトルを測定するスペクトル測定ステップと、
前記試料の直流磁場の測定に際して、前記探針の先端に備えた探針チップに形成された磁性体薄膜の磁化が飽和するか否かを、前記スペクトル測定ステップにおいて測定されたスペクトルのサイドバンドの強度変化に基づき検出する磁化飽和検出ステップと、
を有することを特徴とする、磁気力顕微鏡の制御用磁場調整方法。

【請求項17】
請求項16に記載の制御用磁場調整方法であって、
前記磁化飽和検出ステップは、
前記スペクトル測定ステップにおいて測定されたスペクトルの2次のサイドバンドの強度を抽出するSBI抽出ステップと、
前記制御用直流磁場の強度をゼロを含む範囲のある値に設定し、前記交流磁場の強度をある値から所定値まで変化させ、前記SBI抽出ステップにおいて抽出された前記2次のサイドバンドの強度の前記交流磁場の強度に対する変化の、二次関数変化から一次関数変化への遷移の有無を検出し、前記遷移を検出した場合には、前記遷移が生じたときの前記交流磁場の強度を測定するSBI変化測定ステップと、
前記SBI変化測定ステップにおける測定結果に基づき、前記制御用直流磁場の強度の適性および/または前記交流磁場の強度の適性を判定する制御用磁場適性判定ステップと、
を含むことを特徴とする磁気力顕微鏡の制御用磁場調整方法。

【請求項18】
請求項16に記載の磁気力顕微鏡であって、
前記探針チップに形成された前記磁性体薄膜がソフト磁性材料からなることを特徴とする、磁気力顕微鏡の制御用磁場調整方法。
国際特許分類(IPC)
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出願権利状態 公開
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