(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針を、その先端を試料に向け接近して配置し、該探針と該試料との間に電圧を印加し、該探針の先端部に円偏光を照射し、該探針と該試料との間に流れるトンネル電流を検出して該試料の磁化状態を調べるスピン偏極走査型顕微鏡の傾斜角調整方法であって、
該探針と該試料との間隔を一定にした状態で、該トンネル電流が極値になるように該試料の傾斜角を調整することを特徴とするスピン偏極走査型顕微鏡の傾斜角調整方法。
【請求項２】
探針を、その先端を試料に向け接近して配置し、該探針と該試料との間に電圧を印加し、該探針の先端部に円偏光を照射し、該探針と該試料との間に流れるトンネル電流を検出して該試料の磁化状態を調べるスピン偏極走査型顕微鏡の傾斜角調整方法であって、
該トンネル電流が極値になるように該探針に対する該円偏光の進行方向を調整することを特徴とするスピン偏極走査型顕微鏡の傾斜角調整方法。
【請求項３】
探針を、その先端を試料に向け接近して配置し、該探針と該試料との間に電圧を印加し、該探針の先端部に円偏光を照射し、該探針と該試料との間に流れるトンネル電流を検出して該試料の磁化状態を調べるスピン偏極走査型顕微鏡の傾斜角調整方法であって、
該探針と該試料との間隔を一定にした状態で、該トンネル電流が極値になるように該試料に対する該探針の角度を調整することを特徴とするスピン偏極走査型顕微鏡の傾斜角調整方法。
【請求項４】
探針を、その先端を試料に向け接近して配置し、該探針と該試料との間に電圧を印加し、該探針の先端部に円偏光を照射し、該探針と該試料との間に流れるトンネル電流を検出して該試料の磁化状態を調べるスピン偏極走査型顕微鏡において、
該試料の傾斜角を調整自在な傾斜角調整装置と、
該傾斜角調整装置を制御して、該探針と該試料との間隔を一定にした状態で該トンネル電流が極値になるように該試料の傾斜角を調整する制御装置と、
を有することを特徴とするスピン偏極走査型顕微鏡。
【請求項５】
探針を、その先端を試料に向け接近して配置し、該探針と該試料との間に電圧を印加し、該探針の先端部に円偏光を照射し、該探針と該試料との間に流れるトンネル電流を検出して該試料の磁化状態を調べるスピン偏極走査型顕微鏡において、
該円偏光の進行方向を調整自在な光進行方向調整装置と、
該光進行方向調整装置を制御して、該トンネル電流が極値になるように該探針に対する該円偏光の進行方向を調整する制御装置と、
を有することを特徴とするスピン偏極走査型顕微鏡。
【請求項６】
探針を、その先端を試料に向け接近して配置し、該探針と該試料との間に電圧を印加し、該探針の先端部に円偏光を照射し、該探針と該試料との間に流れるトンネル電流を検出して該試料の磁化状態を調べるスピン偏極走査型顕微鏡において、
該探針の該試料に対する角度を調整自在な探針角度調整装置と、
該探針角度調整装置を制御して、該探針と該試料との間隔を一定にした状態で該トンネル電流が極値になるように該探針の該角度を調整する制御装置と、
を有することを特徴とするスピン偏極走査型顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピン偏極走査型顕微鏡及びその傾斜角調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スピン偏極走査型顕微鏡によれば、原子オーダーの空間分解能でハードディスク等の磁気記録媒体を評価することが可能である。
この顕微鏡では、図９（Ａ）に示す如く、磁化膜試料１０に接近して半導体探針１１を対向配置し、両者間に電圧を印加しておき、円偏光１２を探針１１に入射させると、励起されたスピン偏極電子ｅ１（図９では簡単化のため１個の電子ｅ１を示しているが、実際には多数の電子）が探針１１の内部で生成され、これがトンネル効果により試料へ注入される。そのトンネル電流は、試料１０に注入される電子ｅ０の平均的なスピン方向（スピン偏極方向）と、注入点での試料内電子ｅ０の平均的なスピン方向とに依存する。
【０００３】
励起された電子ｅ０のスピン偏極方向は、入射円偏光１２の進行方向又はその逆方向であり、右円偏光照射と左円偏光照射とで互いに逆になる。従来では、電子ｅ０とｅ１のスピン偏極方向が平行であるとみなし、電子ｅ０が偏極していないときのトンネル電流ＩＴと右円偏光照射のときに流れるトンネル電流ＩＲ及び左円偏光照射のときに流れるトンネル電流ＩＬとの差（ＩＴ−ＩＲ，ＩＴ−ＩＬ）により試料の磁化状態を検知していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際には図９（Ｂ）に示す如く、円偏光１２は探針１１に入射すると屈折するので、探針１１内で光進行方向が試料１０の面と非平行になり、励起された電子ｅ１のスピン偏極方向は電子ｅ０のそれと非平行になる。このため、上記差電流（ＩＴ−ＩＬ，ＩＴ−ＩＲ）が、平行な場合よりも小さくなり、スピン偏極走査型顕微鏡で得られた磁化状態出力信号のＳＮ比が低下する原因となる。磁気記録媒体の高記憶密度化に伴い、このＳＮ比の向上が要求されてくる。
【０００５】
本発明の目的は、本発明者によるこのような着眼点に鑑み、測定値のＳＮ比を向上させることが可能なスピン偏極走査型顕微鏡及びその傾斜角調整方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及びその作用効果】
請求項１では、探針を、その先端を試料に向け接近して配置し、該探針と該試料との間に電圧を印加し、該探針の先端部に円偏光を照射し、該探針と該試料との間に流れるトンネル電流を検出して該試料の磁化状態を調べるスピン偏極走査型顕微鏡の傾斜角調整方法であって、
該探針と該試料との間隔を一定にした状態で、該トンネル電流が極値になるように該試料の傾斜角を調整する。
【０００７】
このスピン偏極走査型顕微鏡の傾斜角調整方法によれば、測定感度が向上して、測定値のＳＮ比が向上するという効果を奏し、試料としての磁気記録媒体等の高記憶密度化に伴うＳＮ比向上の要求に応えることができる。また、各種形状の探針に対し測定値のＳＮ比が極大になるように、容易に該傾斜角を調整することができるという効果を奏する。
【０００８】
請求項２では、探針を、その先端を試料に向け接近して配置し、該探針と該試料との間に電圧を印加し、該探針の先端部に円偏光を照射し、該探針と該試料との間に流れるトンネル電流を検出して該試料の磁化状態を調べるスピン偏極走査型顕微鏡の傾斜角調整方法であって、
該トンネル電流が極値になるように該探針に対する該円偏光の進行方向を調整する。
【０００９】
このスピン偏極走査型顕微鏡の傾斜角調整方法によれば、測定感度が向上して、測定値のＳＮ比が向上するという効果を奏する。また、各種形状の探針に対し測定値のＳＮ比が極大になるように、容易に光進行方向を調整することができるという効果を奏する。さらに、円偏光進行方向調整時に試料と探針との間隔が不変であるので、調整がより正確になるという効果を奏する。
【００１０】
請求項３では、探針を、その先端を試料に向け接近して配置し、該探針と該試料との間に電圧を印加し、該探針の先端部に円偏光を照射し、該探針と該試料との間に流れるトンネル電流を検出して該試料の磁化状態を調べるスピン偏極走査型顕微鏡の傾斜角調整方法であって、
該探針と該試料との間隔を一定にした状態で、該トンネル電流が極値になるように該試料に対する該探針の角度を調整する。
【００１１】
このスピン偏極走査型顕微鏡の傾斜角調整方法によれば、測定感度が向上して、測定値のＳＮ比が向上するという効果を奏する。また、各種形状の探針に対し測定値のＳＮ比が極大になるように、容易に探針の試料に対する角度を調整することができるという効果を奏する。
請求項４では、探針を、その先端を試料に向け接近して配置し、該探針と該試料との間に電圧を印加し、該探針の先端部に円偏光を照射し、該探針と該試料との間に流れるトンネル電流を検出して該試料の磁化状態を調べるスピン偏極走査型顕微鏡において、
該試料の傾斜角を調整自在な傾斜角調整装置と、
該傾斜角調整装置を制御して、該探針と該試料との間隔を一定にした状態で該トンネル電流が極値になるように該試料の傾斜角を調整する制御装置とを有する。
【００１２】
請求項５では、探針を、その先端を試料に向け接近して配置し、該探針と該試料との間に電圧を印加し、該探針の先端部に円偏光を照射し、該探針と該試料との間に流れるトンネル電流を検出して該試料の磁化状態を調べるスピン偏極走査型顕微鏡において、
該円偏光の進行方向を調整自在な光進行方向調整装置と、
該光進行方向調整装置を制御して、該トンネル電流が極値になるように該探針に対する該円偏光の進行方向を調整する制御装置とを有する。
【００１３】
請求項６では、探針を、その先端を試料に向け接近して配置し、該探針と該試料との間に電圧を印加し、該探針の先端部に円偏光を照射し、該探針と該試料との間に流れるトンネル電流を検出して該試料の磁化状態を調べるスピン偏極走査型顕微鏡において、
該探針の該試料に対する角度を調整自在な探針角度調整装置と、
該探針角度調整装置を制御して、該探針と該試料との間隔を一定にした状態で該トンネル電流が極値になるように該探針の該角度を調整する制御装置とを有する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
［第１実施形態］
試料１０は、例えばハードディスク等の磁気記録媒体に用いられる面内磁化膜であり、微動ステージ１３を介し、傾斜角調整装置としての傾斜ステージ１４に搭載されている。微動ステージ１３は、例えばピエゾ素子に電圧を印加してこのピエゾ素子を０．１オングストロームの精度で伸縮させることにより微動させるＸ−Ｙ−Ｚステージである。傾斜ステージ１４は、同一曲率半径の片凸板１４１と片凹板１４２とが嵌合し、片凸板１４１に対し片凹板１４２が摺動自在であり、不図示のパルスモータで片凹板１４２が駆動される。
【００１５】
傾斜角調整用の試料１０を外部磁界で円偏光１２の進行方向と平行な方向へ磁化するために、互いに同一のコイル１５１と１５２との中心軸が、同心にされこの進向方向と平行にされ且つ試料１０の面上に一致されている。この中心軸は、円偏光１２の光路に略一致している。コイル１５１と１５２とは直列接続されており、コイル１５１に電流を供給すると、コイル１５２にもコイル１５１と同じ電流が流れる。
【００１６】
探針１１は、その先端を試料１０に向け接近して配置されている。探針１１は、入射円偏光でスピン偏極電子を励起可能なものであり、例えばＧａＡｓのような閃亜鉛構造の化合物半導体を劈開し、尖った角を先端としたものである。この場合、先端の曲率半径は８０ｎｍ程度になる。探針１１は、ホルダ１６に保持されて固定されている。
【００１７】
試料１０と探針１１との間には、トンネル電流を流すための直流電圧源１７の電圧が印加されている。このトンネル電流は、電流検出部１８で検出され且つ電圧に変換され、次いでアンプ１９で増幅されて制御装置２０に供給される。
制御装置２０は、微動ステージ１３及び傾斜ステージ１４に駆動信号を供給し、また、コイル１５１に直流電流を供給する。
【００１８】
空気分子付着によるトンネル電流妨害を避けるために、構成要素１０、１１及び１３〜１６は、真空ポンプで排気されるチャンバ２１内に収容されている。チャンバ２１には、コイル１５１の対向位置に、窓２２が形成されている。
レーザ２３、ポッケルスセル２４及び１／４波長板２５はそれぞれ支柱２６〜２８を介してベース２９に固定されている。レーザ２３からは直線偏光が放射され、その好ましい波長は探針１１の材料で定まる。例えば、探針１１がｐ型ＧａＡｓの場合には８２３ｎｍの近赤外線が用いられる。ポッケルスセル２４の対向電極間には、入射光の偏光面を回転させるために、制御装置２０から電圧が印加される。ポッケルスセル２４は、レーザ２３からの直線偏光を、印加２値電圧に応じ偏光面を±４５゜回転させて、偏光面が互いに９０゜異なる直線偏光にする。これら直線偏光のうちの一方が、１／４波長板２５を通ると右円偏光となり、他方が１／４波長板２５を通ると左円偏光となる。右円偏光又は左円偏光は、窓２２及びコイル１５１の内側を通って探針１１に照射される。
【００１９】
次に、図２を参照して、上記の如く構成されたスピン偏極走査型顕微鏡の傾斜角調整手順を説明する。
（Ｓ１）コイル１５１及び１５２に一方向の所定電流を供給して、傾斜角調整用試料１０を磁化し、飽和状態にする。
（Ｓ２）レーザ２３からレーザを放射させ、ポッケルスセル２４でその偏光面を回転させて、右円偏光（又は左円偏光）を探針１１の下端部に照射させる。
【００２０】
（Ｓ３）このときのアンプ１９の出力をデジタル化して読み取り、これを片凹板１４２の傾斜角θと対応させて制御装置２０内のメモリに書き込む。
電子ｅ０のスピン偏極方向に対する電子ｅ１のスピン偏極方向の角度をパラメータとして変化させた場合、トンネル電流は、電子ｅ１のスピン偏極方向が電子ｅ０のスピン偏極方向と一致しているとき、選択則により電子ｅ１が傾斜角調整用試料１０に入る余地が少なくなるので、極小になり、電子ｅ１のスピン偏極方向が電子ｅ０のスピン偏極方向と逆方向のとき、この余地が多くなって極大になる。
【００２１】
（Ｓ４）次に、片凸板１４１に対し片凹板１４２を、その曲率中心を通る紙面に垂直な軸の回りに微小角Δθ回転させる。
（Ｓ５）傾斜角θが設定値θmaxになるまで上記ステップＳ３及びＳ４の処理を繰り返す。傾斜角調整用試料１０と探針１１との間に流れるトンネル電流Ｉは、電子ｅ０と電子ｅ１のスピン偏極方向が略同一方向又は略逆方向であるかによりそれぞれ図４（Ａ）又は（Ｂ）に示す如くなる。
【００２２】
（Ｓ６）トンネル電流Ｉが極小値ｌmin（図４（Ａ））又は極大値Ｉmax（図４（Ｂ））となる傾斜角θを、θmとして求める。
図３は、θ＝θmの場合を示しており、このとき、探針１１内に入射して屈折した円偏光１２の進行方向と傾斜角調整用試料１０の表面とが平行になる。すなわち、探針１１内で円偏光により励起された電子ｅ１のスピン偏極方向と、磁化された試料１０内のスピン偏極方向とが平行になる。
【００２３】
（Ｓ７）片凸板１４１に対する片凹板１４２の傾斜角θを、θmに調整する。これにより、傾斜角調整処理が終了する。
この傾斜状態で、コイル１５１及び１５２に流れる電流を０にし、上記傾斜角調整用１０を、面方向に磁化した測定対象の試料１０と入れ替え、試料１０を、その磁化方向がコイル１５１と１５２の軸方向に平行になる方位にして微動ステージ１３上に搭載し、スピン偏極走査型顕微鏡を例えば従来と同様に動作させて試料１０の磁化状態を調べる。
【００２４】
例えば、探針１１に右円偏光及び左円偏光を順に照射させて同一箇所における両トンネル電流の平均値ＩＴが設定値になるように試料１０と探針１１との間隔を微動ステージ１３で調整することにより、試料１０と探針１１の間隔を一定にし、平均値ＩＴと右円偏光照射時のトンネル電流ＩＲ及び左円偏光照射時のトンネル電流ＩＬとの差（ＩＴ−ＩＲ，ＩＴ−ＩＬ）を、磁化の強さに応じた値として検出する。このような処理を、微動ステージ１３で試料１０を走査させて行うことにより、試料１０の走査範囲内の磁化状態を調べる。
【００２５】
本第１実施形態によれば、上記差電流（ＩＴ−ＩＲ，ＩＴ−ＩＬ）が極大となるので、測定感度が向上して測定値のＳＮ比が向上する。また、各種形状の探針１１に対し測定値のＳＮ比が極大になるように、容易に傾斜角を調整することができる。
なお、１０の厚みが一定の場合には、試料１０と探針１１の間隔ｄは原理的に傾斜角θに依存しないが、ステップＳ１の前処理として傾斜角θと間隔ｄとの関係を予め求めておき、ステップＳ４で傾斜角θを増加させる毎に、微動ステージ１３でこの間隔ｄがより一定になるように調整する構成であってもよい。
【００２６】
また、図２のステップＳ３でアンプ１９の出力が極値であるかどうかを、該出力の前回値も用いて判定し、極値であると判定したときにステップＳ７へ進む構成であってもよい。さらに、アンプ１９の出力の微分値ｆ（θ）が０になる解θ＝θmを、１／２探索法で求める構成であってもよい。
［第２実施形態］
上記第１実施形態では、試料１０の傾斜角θを調節する場合を説明したが、この傾斜角θを一定にした状態で円偏光１２の進行方向を調節してもよく、この場合のスピン偏極走査型顕微鏡を第２実施形態として図５に示す。
【００２７】
この顕微鏡では、図１のベース２９の替わりに、光進行方向調整装置として傾斜ステージ１４Ａが用いられている。傾斜ステージ１４Ａは、図１の傾斜ステージ１４と同様に、同一曲率半径の片凸板１４１Ａと片凹板１４２Ａとが嵌合し、片凸板１４１Ａに対し片凹板１４２Ａが摺動自在であり、制御装置２０からの制御パルスを介し不図示のパルスモータで片凹板１４２Ａが駆動される。
【００２８】
レーザ２３、ポッケルスセル２４及び１／４波長板２５は、それぞれ支柱２６〜２８を介して片凹板１４２Ａに固定されている。
上記第１実施形態と同様にして、トンネル電流が極値になるように片凸板１４１Ａに対する片凹板１４２Ａの傾斜角θを調整する。
図６は、試料１０と探針１１との間に流れるトンネル電流が極小になる場合を示しており、このとき、探針１１に入射した円偏光１２の進行方向は、試料１０内の電子ｅ０のスピン偏極方向と平行になる。
【００２９】
この第２実施形態によれば、各種形状の探針１１に対し測定値のＳＮ比が極大になるように、容易に光進行方向を調整することができる。また、調整時に試料１０と探針１１との間隔ｄが不変であるので、調整がより正確になる。
なお、傾斜角θに応じて、レーザ２３又は傾斜ステージ１４Ａの高さを不図示のステージで調整する構成であってもよい。
【００３０】
［第３実施形態］
図７は、本発明の第３実施形態のスピン偏極走査型顕微鏡の概略構成を示す。
この構成では、レーザ２３、ポッケルスセル２４及び１／４波長板２５を固定し、１／４波長板２５と窓２２との間の光路中にミラー３０を配置して、１／４波長板２５を通った円偏光を探針１１側へ折り曲げている。ミラー３０は、その照射点Ｐを通る紙面垂直な軸の回りに旋回自在となっており、図５の片凹板１４２Ａの傾斜角θに対応してミラー３０の旋回角θ／２が、制御装置２０からの制御パルスを介しパルスモータ３１で調整される。ミラー３０及びパルスモータ３１は、光進行方向調整装置を構成している。
【００３１】
他の点は、上記第２実施形態の場合と同一である。
この第３実施形態によれば、各種形状の探針１１に対し測定値のＳＮ比が極大になるように、光進行方向を容易に調整することができる。また、調整時に試料１０と探針１１との間隔ｄが不変であるので、調整がより正確になる。
なお、旋回角θ／２に応じて、ミラー３０の高さを不図示のステージで調整する構成であってもよい。
【００３２】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態では、図８に示す如く、試料１０に対する探針１１の傾斜角θを調整している。この調整は、例えば図１において傾斜ステージ１４を除去し、ホルダ１６を、探針角度調整装置としての傾斜ステージ１４を介して固定し、制御装置２０で傾斜ステージ１４を駆動することにより行われる。
【００３３】
図８は調整後の状態を示している。この状態では、試料１０の面に円偏光１２の進行方向が平行になり、かつ、試料１０の面に探針１１の光入射面が直角になって、円偏光１２が探針１１内で屈折せずに進行する。これにより、探針１１内で励起された電子ｅ１のスピン偏極方向は、試料１０内の電子ｅ０のそれと平行になる。
【００３４】
この第４実施形態によれば、各種形状の探針１１に対し測定値のＳＮ比が極大になるように、容易に調整することができる。
なお、上記第１実施形態で述べたように探針１１の傾斜角θを増加させる毎に、微動ステージ１３で試料１０と探針１１の間隔ｄが一定になるように調整する構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のスピン偏極走査型顕微鏡概略構成を示す図である。
【図２】図１の顕微鏡による傾斜角調整手順を示すフローチャートである。
【図３】図１の顕微鏡の動作説明図である。
【図４】試料の傾斜角に対するトンネル電流を示す線図である。
【図５】本発明の第２実施形態のスピン偏極走査型顕微鏡概略構成を示す図である。
【図６】図５の顕微鏡の動作説明図である。
【図７】本発明の第３実施形態のスピン偏極走査型顕微鏡概略構成を示す図である。
【図８】本発明の第４実施形態のスピン偏極走査型顕微鏡の調整された探針傾斜角を示す図である。
【図９】従来技術の問題点説明図である。
【符号の説明】
１０  試料
１１  探針
１２  円偏光
１３  微動ステージ
１４、１４Ａ  傾斜ステージ
１４１、１４１Ａ  片凸板
１４２、１４２Ａ  片凹板
１５１、１５２  コイル
１６  ホルダ
１７  直流電圧源
１８  電流検出部
１９  アンプ
２０  制御装置
２１  チャンバ
２２  窓
２３  レーザ
２４  ポッケルスセル
２５  １／４波長板
３０  ミラー
３１  パルスモータ
ｅ０、ｅ１  電子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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