(57)【要約】【課題】  ナノメートルサイズの磁区構造であっても、局所磁性の侵襲の問題が生じることなく磁区構造の観測が可能な磁気力顕微鏡用プローブを提供する。【解決手段】  尖端部１２に磁性体領域を有し、この磁性体領域を試料表面に接近させることにより生じる磁気力を検出する磁気力顕微鏡用プローブ１０であって、プローブ尖端部１２の磁性体領域が反強磁性単結晶で形成されるようにして、磁性体領域から漏れ出る自己磁場を微小にする。【選択図】図１
2006266794.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
尖端部に磁性体領域を有し、この磁性体領域を試料表面に接近させることにより試料との磁気的相互作用により生じる磁気力を検出する磁気力顕微鏡用プローブであって、
プローブ尖端部の磁性体領域が反強磁性単結晶で形成されることを特徴とする磁気力顕微鏡用プローブ。
【請求項２】
反強磁性単結晶がＮｉＯ、ＭｎＯ、ＭｎＴｅ、ＭｎＦ２、ＦｅＦ２、ＦｅＣｌ２、ＦｅＯ、ＣｏＣｌ２、ＣｏＯ、ＮｉＣｌ２、Ｃｒ、ＬａＣｒＯ３，ＬａＦｅＯ３，ＭｎＴｉＯ３，ＦｅＴｉＯ３，Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３、または、ＦｅＳのいずれかである請求項１に記載の磁気力顕微鏡用プローブ。
【請求項３】
プローブ尖端部の磁性体領域は、反強磁性単結晶のスピンが揃った面がプローブ尖端部の最尖端面となるように反強磁性単結晶の結晶軸方向が定められることを特徴とする請求項１に記載の磁気力顕微鏡用プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気力顕微鏡用のプローブに関し、さらに詳細には、ナノスケール以下の磁区構造の観察、究極的には磁束量子単位での磁気測定を目標とした微小な磁気力検出のための磁気力顕微鏡用プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型の磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）は、例えば磁気記憶媒体等の磁性体試料における磁区構造の観察に用いられている。
一般に、磁気力顕微鏡は、プローブの尖端部に強磁性膜が形成された磁気力顕微鏡専用のプローブを用いており、このプローブで磁性体試料の表面を走査し、そのときに作用する引力あるいは斥力に基づいて磁気力勾配を測定したり、試料表面における磁区構造の磁化方向が上向きか下向きかを測定したりし、これにより、試料表面の磁場画像や磁区構造を観察できるようにしている。
【０００３】
一方、先端部が導電性強磁性体層と絶縁性反強磁性体層との積層膜構造であるプローブを用いることにより、外部磁場を印加することなく、隣接する反強磁性体層との交換異方性を利用してプローブの強磁性体層のスピン磁気能率を特定方向に規定し、測定を行う走査型プローブ顕微鏡用の短針が開示されている（特許文献１参照）。
【０００４】
同様に、プローブ先端に強磁性層と反強磁性層とを含む磁気構造が形成されることにより、顕微鏡としての解像度を高めるとともに、プローブ先端と試料との相互作用により生じる試料の磁区への影響を避けるようにした磁気プローブか開示されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平６−９４８１３号公報
【特許文献２】特開２００３−１６６９２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の磁気力顕微鏡用のプローブでは、上述したように、基本的に強磁性体層を有している。そのため、プローブの強磁性体層が発生する自己磁場が測定試料へ及ぼす影響、すなわち、局所磁性の侵襲作用（磁区構造の書き換え）を低減する必要があり、一部のプローブでは、上述したように強磁性体層に反強磁性薄膜層を積層形成する構造が提案されていた。
ところで磁気記憶媒体は、記憶素子の高密度化が求められており、そのためには磁気記憶の単位となる磁区構造の微細化を図る必要があり、早晩、磁気記憶媒体の磁区構造は、ナノメートルオーダに達すると考えられる。
【０００６】
磁区構造の微細化が進むにつれ、磁区構造の解析技術も微細化させる必要があり、磁気力顕微鏡による観察がますます重要になる。ところが磁気力顕微鏡による観察を行う場合、局所磁性の侵襲が避けられない問題となる。すなわち、磁区の微細化とともに、試料の磁区構造についても、プローブの強磁性体層の影響による磁気力で、これまで以上に簡単に磁気反転が発生してしまうことになる。
そこで、本発明は、微細な磁区構造、特に、ナノメートルサイズの微小な磁区構造であっても局所磁性の侵襲の問題が生じることなく磁区構造の観測が可能な磁気力顕微鏡用プローブを提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は、磁区構造の最小単位と見なせる磁束量子、すなわちＳＱＵＩＤ素子など超伝導体を用いたデバイスによって計測される磁束量子単位の変化の無侵襲計測が可能な磁気力顕微鏡用プローブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するためになされた本発明の磁気力顕微鏡用プローブは、尖端部に磁性体領域を有し、この磁性体領域を試料表面に接近させることにより試料との磁気的相互作用により生じる磁気力を検出する磁気力顕微鏡用プローブであって、プローブ尖端部の磁性体領域が反強磁性単結晶で形成されるようにしている。
【０００９】
すなわち、プローブ尖端部に反強磁性体単結晶の磁性体領域を形成し、強磁性体材料を用いないようにする。反強磁性体単結晶は、結晶内で上向きスピン層と下向きスピン層とが交互に並んでいるため、プローブ尖端に反強磁性体単結晶を取り付ける際の結晶軸の方向により、最表面に現れるスピンの向きを定めることができる。したがって、反強磁性単結晶の最表面に一方のスピン層を露出させることにより、最表面スピン層の原子は、測定試料側が形成する磁場に近づくことで、大きな相互作用（引力または斥力）が生じる。一方、最表面原子層以外の内側層の原子スピンは、上向きスピン、下向きスピンが形成する磁場どうしが互いに打ち消し合い、その結果、外部に大きな磁気的影響を与えるのは、実質的に最表面のスピンだけとなる。
【００１０】
その結果、反強磁性単結晶を用い、最表面に上向き、下向きのいずれか一方のみのスピン層を露出させた場合には、この最表面に露出しているスピンと近接する位置に磁性体試料がある場合に、最表面露出スピンと試料との間で磁気力を生じ、プローブに引力または斥力を生じる。このように、プローブ尖端部の最表面のスピンのみが試料との間で磁気的相互作用を及ぼすようになるので、これを検出する。最表面層のスピンによる磁気的相互作用（すなわちプローブが作る自己磁場による相互作用）の影響が及ぶ範囲は、ナノメートルオーダの範囲であり、これまでのプローブに比べて格段に小さい磁気領域（磁区構造）単位での検出することができるとともに、これまでと比べて格段に小さい自己磁場しか漏れ出さないため、試料の磁区構造に与える影響はほとんどない。
【００１１】
ここで、磁気力顕微鏡用プローブの形状には、一端に尖端部が形成され、他端が顕微鏡本体に支持されるカンチレバータイプのものを用いることができる。例えば、原子間力顕微鏡用（ＡＦＭ用）のカンチレバープローブを加工して、その尖端部に反強磁性体単結晶の磁性体領域を形成するようにしてもよい。
【００１２】
プローブの尖端部の磁性体領域を形成する反強磁性単結晶には、ＮｉＯ、ＭｎＯ、ＦｅＳ、ＭｎＴｅ、ＭｎＦ２、ＦｅＦ２、ＦｅＣｌ２、ＦｅＯ、ＣｏＣｌ２、ＣｏＯ、ＮｉＣｌ２、Ｃｒ、ＬａＣｒＯ３，ＬａＦｅＯ３，ＭｎＴｉＯ３，ＦｅＴｉＯ３，Ｐｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３を用いることができる。
これらの反強磁性単結晶は、結晶軸方向を調整することにより、表面に露出する原子面（すなわち結晶軸方向）を、強磁性的な性質の面または反強磁性的な性質の面にすることができる。したがって、プローブ尖端に露出する端面を選択することにより、プローブ尖端が試料表面から受ける相互作用の方向や大きさを制御することができる。
【００１３】
また、プローブ尖端部の磁性体領域は、反強磁性単結晶のスピンが揃った面がプローブ尖端部の最尖端面となるように反強磁性単結晶の結晶軸方向が定められるようにしてもよい。プローブ尖端部の最尖端表面に露出する原子面を、スピン方向が上向きまたは下向きのいずれか一方のスピン方向が揃った原子面にすることで、プローブ最表面の原子面と試料の磁気領域との間で、打ち消されない磁気的相互作用を生じさせることができる。例えば、試料面に形成された垂直磁化膜の磁区構造（磁化方向）を観察する場合に、垂直磁化膜からの磁力線とプローブのスピン方向とが平行になるため、最も感度よく検出することができる。また、垂直磁化膜側に漏れ出ている自己磁場は最表面の原子面に含まれる原子のスピンによる磁場の影響だけであることから、磁区の磁化方向の反転は生じにくい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、プローブ尖端部に強磁性体領域を形成することなく、反強磁性体単結晶でプローブの磁性体領域を形成したので、磁性体領域から漏れ出る自己磁場が微小磁場となり、ナノメートルサイズの磁区構造であっても、磁気反転現象を生じさせることがなくなるので局所磁性の侵襲問題を生じることなく磁区構造の観測が可能となる。
また、測定対象が超伝導体デバイスの場合には、磁束量子単位の変化の無侵襲計測が可能となる。
【００１５】
さらに、反強磁性単結晶にＮｉＯ、ＭｎＯ、ＦｅＳなどを用いることができるので、結晶軸方向を調整することにより、表面に露出する原子面（すなわち結晶軸方向）を、強磁性的な性質の面または反強磁性的な性質の面にすることができ、プローブ尖端に露出する端面を選択することにより、プローブ尖端が試料表面から受ける相互作用の方向や大きさを制御することができる。
具体的に例示すると、ＮｉＯやＭｎＯは、常磁性イオンが面心立方格子を形成し、｛１１１｝方向にスピンが揃った面が現れるのでこの方向に露出面を切り出すことにより強磁性的な性質を得ることができる。また、ＭｎＴｅ、ＦｅＣｌ２は六方層状構造を形成し、ＭｎＦ２は体心正方構造を形成しているので、適当な方向の端面を選択することにより異なるスピン面を露出させることができる。
【００１６】
さらに、プローブ尖端部の最尖端表面に露出する原子面を、スピン方向が揃った原子面にすることで、プローブ最表面の原子面と試料の磁気構造との間で、打ち消されない磁気的相互作用を生じさせることができ、例えば、試料面に形成された垂直磁化膜の磁区構造（磁化方向）を観察する場合に、垂直磁化膜からの磁力線とプローブのスピン方向とが平行になるため、微小な磁区構造を感度よく検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態について、図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることは言うまでもない。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態である磁気力顕微鏡用のプローブの構成を示す図である。
プローブ１０は、プローブ本体１１と、その一端に形成される尖端部１２とから構成される。
このプローブ１０は、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で用いるカンチレバープローブと同形状にすることで、ＳＴＭやＡＦＭ等で採用している検出機構をそのまま用いて、磁気力を測定できるようにしている。例えば、プローブ本体１１部分にレーザビームを照射し、プローブ本体で反射させ、この反射光を光検出器でモニタするいわゆる光梃子方式の検出機構を用いることができる。
【００１９】
なお、磁気力と原子間力とが同時に測定される系では、別途にＡＦＭ用のプローブによる原子間力の測定を行っておき、本発明による磁気力顕微鏡用のプローブ１０による磁気力と原子間力とを含む測定を行い、差分をとることにより磁気力を計測することができる。
【００２０】
プローブ本体１１には、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）のプローブと同じく、ＳｉＮ（窒化シリコン）やＳｉ（シリコン）を用いる。これ以外の材料として、ガラス、あるいは非強磁性体金属材料、非反強磁性体金属材料を用いてもよい。
【００２１】
尖端部１２には、反強磁性単結晶であるＮｉＯを用いる。ＮｉＯは、図３に示すように、ＮａＣｌ構造を有しており、その（１１１）面内のＮｉ原子のスピンは、強磁性的に並び、隣り合う（１１１）面どうしは、反強磁性的な結合をしている。ＮｉＯは、例えば公知のＴＳＦＺ炉により結晶成長させることができるので、ＮｉＯを結晶成長させ、結晶軸方向を確認しながらプローブ本体１１に貼り付ければよい。
【００２２】
ＮｉＯの取り付けは、図２（ａ）の模式図に示すように、尖端部１２の軸方向（鉛直方向）に沿って上向きスピン層と下向きスピン層とが積層するようにＮｉＯ結晶の軸方向を選択して、プローブ本体１１の一端に形成する。これにより、尖端部１２の最尖端表面（露出する端面）に一方のスピン層が露出するようにする。この場合、ＮｉＯ結晶のバルク部分（表面以外の部分）を構成するスピンから漏れ出る磁場の影響は相殺されるようになり（最表面以外のスピンは、互いの磁場を相殺するともに試料からの距離が最表面の原子よりも離れているため影響は激減することになる）、最尖端表面（端面）のスピンから漏れ出る磁場のみが測定対象となる試料と相互作用するようになる。
【００２３】
尖端部１２の最尖端表面に形成されるスピン層は、例えばＦＩＢ加工やエッチング加工によって、尖端を先鋭化し、１００ｎｍ以下、好ましくはそれ以下のナノメートルサイズとする。プローブは、尖端部分と同程度の面積の分解能で磁気測定できるので、ナノメートルサイズでの測定を行う場合には、尖端表面もナノメートルサイズに近づけるようにする。なお、尖端面を小さくすることにより、最尖端表面に露出する原子数（スピン数）が少なくなり、これに伴って尖端部１２から漏れ出る自己磁場の影響も小さくなり、試料の磁気反転が発生しにくくなる。
【００２４】
このプローブ１０を、磁気構造を有する試料表面に接近させると、プローブ最表面の露出原子と試料原子との相互作用による磁気力が発生する。これをプローブ１０に付設された図示しない検出機構（例えば光梃子方式の検出機構）により検出することができる。
【００２５】
上記実施形態では、尖端部１２のプローブ軸方向（鉛直方向）に沿って上向きスピン層と下向きスピン層とが積層するようにＮｉＯ結晶の軸方向を選択したが、図２（ｂ）に示すように、尖端部１２のプローブ軸方向と直角方向（すなわち水平方向）に上向きスピン層と下向きスピン層とが積層するようにすれば、試料表面に存在する水平方向の磁場を検出することができるようになる。
【００２６】
また、上向きスピンと下向きスピンとが交互に並ぶように結晶軸を選択すれば、試料表面の磁気構造との相互作用が相殺されるようになり、磁気力を検出しない参照用プローブとすることができる。この参照用プローブと、上述した磁気力測定を行うためのプローブ１０とにより全く同条件での２つの測定を行うことで、磁気力以外の影響を差分として排除したデータを取得することができるようになる。
また、上記実施形態では、尖端部１２の全体をひとつの反強磁性体単結晶で形成するようにしたが、最尖端部分のみを反強磁性単結晶で形成するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、ナノメートルサイズの磁区構造を観察できる磁気力顕微鏡用のプローブ製造に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態である磁気力顕微鏡用プローブの構成を示す図。
【図２】本発明の一実施形態である磁気力顕微鏡用プローブにおける尖端部の磁気構造の概念図。
【図３】反強磁性結晶であるＮｉＯの原子面の磁性構造を説明する図。
【符号の説明】
【００２９】
１０：  プローブ
１１：  プローブ本体
１２：  尖端部
【図１】
2006266794.tif 000003
【図２】
2006266794.tif 000004
【図３】
2006266794.tif 000005