(57)【要約】【課題】本発明の課題は、オペレータに、設定操作やデータの採取並びにそのデータの処理解析に厄介な手間をかけることなく、高密度化された次世代磁気応用素子の局所での定量的な磁化測定、また、局所での外部磁場におけるダイナミックな特性を知ることができる磁気力顕微鏡を提供することにある。【解決手段】本発明の磁気力顕微鏡は、先端に最大外部磁場より大きい保磁力を備えた微小な探針を有するカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する手段と、カンチレバーと試料間の距離を一定周期で所望の振幅量で振動させる手段と、試料を探針に対し相対的に移動させる移動手段と、試料に対して垂直または平行に磁場印加可能な電磁石からなる外部磁場装置と、磁場の向きと大きさを掃引する手段と、外部磁場に同期してＭＦＭ信号を出力する同期増幅器を備えるようにした。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に最大外部磁場より大きい保磁力を備えた微小な探針を有するカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する手段と、試料面に対するカンチレバーの距離を一定周期で所望の振幅量で振動させる励振手段と、試料を探針に対し相対的に移動させる移動手段と、試料に対して垂直または平行に磁場印加可能な電磁石からなる外部磁場印加手段と、外部磁場の大きさを掃引する手段と、外部磁場に同期してＭＦＭ信号を出力する同期増幅器を備え、外部磁場を掃引しながらそれと同期してＭＦＭ信号を検出して試料の局所磁化計測を可能としたことを特徴とする外部磁場掃引磁気力顕微鏡。
【請求項２】
所定位置から他の所定位置まで探針を駆動走査する手段と、試料の磁性部分と非磁性部分とのＭＦＭ信号の差を演算する手段と、所定値から反転所定値にわたり外部磁場を掃引させる手段と、外部磁場値に対応する前記ＭＦＭ信号差の値を記憶する手段とを備え、試料の局所における磁化特性を計測することを特徴とする請求項１に記載の外部磁場掃引磁気力顕微鏡。
【請求項３】
所定値から反転所定値にわたり外部磁場を掃引させる手段と、標準試料の定点に設置した探針からの応答ＭＦＭ信号を外部磁場値に対応させて記憶する手段と、検出したＭＦＭ信号から同じ外部磁場値に対応する前記記憶値を差演算する手段とを備え、通常のＭＦＭ動作時に装置固有の特性分を補償除去する機能を備えたことを特徴とする請求項１に記載の外部磁場掃引磁気力顕微鏡。
【請求項４】
外部磁場を急峻な立ち上がりと急峻な立ち下がりのパルス状に変化させる手段と、試料所定位置に設置した探針からの応答ＭＦＭ信号を経過時間と共に記憶する手段と、外部磁場とＭＦＭ信号を時間軸を合わせて表示する手段とを備え、試料の局所でのスイッチング特性を計測することを特徴とする請求項１に記載の外部磁場掃引磁気力顕微鏡。
【請求項５】
磁気力顕微鏡において、外部磁場を所定値から反転所定値にわたり掃引させながら、磁性部分と非磁性部分を含む領域にわたり所定位置から他の所定位置まで探針を駆動走査して検出した試料の磁性部分と非磁性部分とのＭＦＭ信号の差を演算し、該ＭＦＭ信号差の値を前記外部磁場値に対応させることにより、試料の局所における磁化特性を計測する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料の局所磁化計測を可能とした磁気力顕微鏡に関し、特に細密化された磁気記録媒体等の磁気応用素子の磁気特性検査に適した技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁性材料の磁化計測はもっぱら試料振動型磁化測定装置（ＶＳＭ：Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ  Ｓａｍｐｌｅ  Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）等によって行われてきた。このＶＳＭは、Ｓ．Ｆｏｒｎｅｒによって提案され、非特許文献１にその基本構成が示されている。図５に示すように試料をバイブレータの出力ロッド先端部に取り付け、試料に対して磁場を発生させる電磁石と試料近傍で磁場を検出するセンサーコイルとを配置し、そのセンサーコイルの出力端をロックインアンプの入力端に接続したものである。電磁石によって発生される磁場中でバイブレータにより試料を一定周波数で励振し、その際、センサーコイルに誘起される交流起電力を前記周波数に同期させたロックインアンプを介して検出するものである。しかし、この試料振動型磁化測定装置はコイルによる試料近傍の磁気測定を行うものであり、マクロ的測定であるため、最近の高密度化された各種磁気デバイスを対象としたようなミクロ−ナノ領域の局所で磁化を計測することはできなかった。
【０００３】
そのため、最近ではプローブ顕微鏡の一種である磁気力顕微鏡（ＭＦＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって試料と探針先端部間にかかる磁気力（引力・斥力）を検出して、試料の局所的磁気状態を測定する試みがなされている。特許文献１に提示されている極微小磁区観察装置は、磁場印加による磁区の変化の磁気力顕微鏡による観察を、観測点の繁雑な位置決めの手順を省略して行うことができるようにすることを課題とし、図４に示すように極微小磁区観察試料の配置部と、試料表面に対向して配置される磁気力顕微鏡の探針１と、この探針１が配置された状態で、試料に外部磁場を印加する外部磁場印加手段６とを具備し、磁気力顕微鏡の原理に基づいて試料表面の極微小磁区の観察を行う構成とするものである。この装置によれば試料にかける磁場の向きや大きさを適宜変化させることができるので、例えば磁区発生状態、磁化反転状態のいわば動的観察を行うことができるし、また、動的観察のみならず、試料に対する磁場の印加前と後の変化を静的に観察することもできる旨明細書に記載されている。
ところで、パターンドメディアや、ＭＲＡＭ、スピントランジスターなど、次世代磁気応用素子においては、パターン形成された局所での定量的な磁化測定の必要性がある。また、磁気記録媒体開発においても、局所での外部磁場におけるダイナミックな特性を知る必要性がある。ところが、これらのような試料の特性を特許文献１の装置で計測しようとする場合、オペレータが適宜磁場印加手段が発生させる磁場をマニュアルで調整しながら測定を行わねばならず、データの採取もそのデータの処理解析も厄介な作業となる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２１８２１３号公報  「極微小磁区観察方法と極微小磁区観察装置」  平成９年８月１９日公開
【非特許文献１】
ｈｔｔｐ：／／ｍｓｗｅｂｓ．ａｉｓｔ−ｎａｒａ．ａｃ．ｊｐ／ＬＡＢｓ／ｓｈａｒｐ／ｖｓｍ．ｈｔｍｌ
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、オペレータに、設定操作やデータの採取並びにそのデータの処理解析に厄介な手間をかけることなく、高密度化された次世代磁気応用素子の局所での定量的な磁化測定、また、局所での外部磁場におけるダイナミックな特性を知ることができる磁気力顕微鏡を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気力顕微鏡は、先端に最大外部磁場より大きい保磁力を備えた微小な探針を有するカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する手段と、カンチレバーと試料間の距離を一定周期で所望の振幅量で振動させる手段と、試料を探針に対し相対的に移動させる移動手段と、試料に対して垂直または平行に磁場印加可能な電磁石からなる外部磁場装置と、磁場の向きと大きさを掃引する手段と、外部磁場に同期してＭＦＭ信号を出力する同期増幅器を備えるようにした。
また、更に動的特性を計測しやすいように所定位置から他の所定位置まで探針を駆動走査する手段と、試料の磁性部分と非磁性部分とのＭＦＭ信号の差を演算する手段と、所定値から反転所定値にわたり外部磁場を掃引させる手段と、外部磁場値に対応する前記ＭＦＭ信号差の値を記憶する手段とを備えるようにした。
【０００７】
本発明の磁気力顕微鏡は、装置固有の特性分を補償除去する機能を備えるため、所定値から反転所定値にわたり外部磁場を掃引させる手段と、標準試料の定点に設置した探針からの応答ＭＦＭ信号を外部磁場値に対応させて記憶する手段と、検出したＭＦＭ信号から同じ外部磁場値に対応する前記記憶値を差演算する手段とを備えるようにした。
また、本発明の磁気力顕微鏡は、試料の局所でのスイッチング特性を計測できるように、外部磁場を急峻な立ち上がりと急峻な立ち下がりのパルス状に変化させる手段と、試料所定位置に設置した探針からの応答ＭＦＭ信号を経過時間と共に記憶する手段と、外部磁場とＭＦＭ信号を時間軸を合わせて表示する手段とを備えるようにした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は前述したように細密化された磁気記録媒体等の磁気応用素子の磁気特性を検査するため開発されたもので、極微小領域の磁気特性を検出することを勘案し、センサとして先鋭化された探針と対峙する試料面間に働く磁気力を検出するプローブ顕微鏡の一種である磁気力顕微鏡を用いることに想到したものである。磁気力顕微鏡装置としての基本構成は特許文献１のような従来のものと同じである。すなわち、図１に示すように先端に磁性材が配置された微小な探針１を有するカンチレバー２と、カンチレバー２の変位を検出する手段３と、カンチレバー２を試料１０の表面に対し一定周期で所望の振幅量で振動させるピエゾ材等の励振手段４と、試料１０を探針１に対し相対的に移動させる移動手段５と、試料１０に対して垂直または平行に磁場印加可能な電磁石等の外部磁場印加手段６とを備える。本発明の磁気力顕微鏡は従来の外部磁場印加手段６の発生する磁場の値をオペレータが適宜設定するのではなく、オペレータが設定した所定値から所定値まで間連続的に変化するように掃引する手段を備え、更にその外部磁場の変化に同期してＭＦＭ信号を出力する同期増幅器７を備えるようにした点に特徴を有する。外部磁場は設定したとおり自動的に掃引され、その際のＭＦＭ検出信号は外部磁場の変化に同期してＭＦＭ信号を出力する同期増幅器７を介して取り出されるので、外部磁場の値と対応したＭＦＭ信号を直接得ることができる。所定値から所定値までの掃引は、コンピュータ８に設定を登録すればよく作動時には該コンピュータ８から掃引駆動信号を外部磁場印加手段６に送信すると共に、同期増幅器７へも同期信号として送出する。また、この掃引信号は磁場の極性を反転させる範囲にわたり変化させることができる。
【０００９】
【実施例１】
次に特定微小領域の磁化ヒステリシス特性を測定するのに好適な本発明の実施例を示す。この実施例の磁気力顕微鏡装置は、上記した本発明の基本構成に加え試料面上の所定位置から他の所定位置まで探針を繰り返し駆動走査する手段と、試料の磁性部分と非磁性部分とのＭＦＭ信号の差を演算する手段と、所定値から反転所定値にわたり外部磁場を掃引させる手段と、外部磁場値に対応する前記ＭＦＭ信号差の値を記憶する手段とを備えるものである。
試料面上の所定位置から他の所定位置まで探針を駆動走査する手段は、例えば探針１が２点間を繰り返し直線走査するように移動手段５へ駆動信号を送信するもので、試料と探針を相対的に移動させる。図示の例では試料１０が載置された試料ステージ９を一方向に所定距離繰り返し移動させるものとなる。例えば試料が高密度化されたメモリチップで磁性部分と非磁性部分が交互に配列されたようなものであったとすると、その試料面上で探針１が一方向に走査されると該探針１は磁性領域と非磁性領域を横切ることになり、ＭＦＭ信号はその両方の値を交互に出力する。図２に示すように試料面の走査範囲が磁性部分（白領域）と非磁性（斑点領域）２個分づつであったとすると、三角表示の探針１がいずれの領域に対峙しているかで矩形的にＭＦＭ信号が変化する。そして外部磁場の値に対応して非磁性領域の信号は変化しないが磁性領域の信号が変化する。しかも外部磁場の極性が反転するとＭＦＭ信号も正負すなわち試料面と探針間にかかる力が引力から斥力に逆転する。ただし、探針の保磁力は最大外部磁場によって反転してしまわないだけ十分大きな値を採るようにする必要がある。
【００１０】
次に試料の磁性部分と非磁性部分とのＭＦＭ信号の差を演算して記憶する手段について説明する。本実施例では外部磁場の値Ｈを±Ｋの範囲で変化するものとして掃引させるとその周波数は探針１が磁性部分と非磁性部分の一領域を通過する間に複数回の磁場サイクルを繰り返すことになる。探針１が磁性部分と対峙しているときは外部磁場の変化に対応してＭＦＭ信号が正負を越えて変化する。これに対し探針１が非磁性部分と対峙しているときは外部磁場の変化に拘わらずＭＦＭ信号は０値を保つ。本発明においてこのＭＦＭ信号は同期増幅器７を介し外部磁場掃引信号に同期して取り出されるので、同じ外部磁場のときの磁性部分のＭＦＭ信号と非磁性部分のＭＦＭ信号とを容易に対応させることができる。また、この値の差をコンピュータの記憶手段に格納することができる。これが本実施例の試料の磁性部分と非磁性部分とのＭＦＭ信号の差を演算して記憶する手段である。１回の探針走査若しくは複数回の走査における差演算値の蓄積情報を基に、例えば外部磁場の強さを横軸にそれに対応するＭＦＭ信号値を縦軸にしてプロットしディスプレイ１１に表示させれば、図２の中央に図示したような試料の特定部分の磁化ヒステリシス特性が直接グラフ表示できる。従来の磁気力顕微鏡装置でこの特性を得るためには外部磁場を所定値に設定した状態で、探針を走査し試料の磁性部分と非磁性部分のＭＦＭ信号を記憶し、次に外部磁場を少し変化させて同様なＭＦＭ信号を記憶するといった作業をすべての外部磁場と対応させて繰り返し、その取得したデータを整理してからグラフ表示させるといった厄介な作業が求められたところである。この装置において磁化測定の校正はＶＳＭ等の標準試料を用いた測定で行うことができる。
なお、本装置の試料としては磁性部分と非磁性部分が配列されたメモリチップのようなものに限らず、一様な磁性部材であっても非磁性材のダミーを試料と隣り合わせることでこの装置を用いて測定することができる。
【００１１】
【実施例２】
装置固有の特性分を補償除去する機能を備えた本発明の実施例を説明する。この実施例の装置は上記した本発明の基本構成に加え、所定値から反転所定値にわたり外部磁場を掃引させる手段と、標準試料の定点に設置した探針からの応答ＭＦＭ信号を外部磁場値に対応させて記憶する手段と、検出したＭＦＭ信号から同じ外部磁場値に対応する前記記憶値を差演算する手段とを備える。標準試料は一般には非磁性材が用いられ、その定点に探針１を対峙させ、外部磁場を掃引してＭＦＭ信号を取得する。試料が非磁性材であるから本来はＭＦＭ信号は外部磁場の値に拘わらず０値を示すはずである。しかし本装置自体の構造等の条件により雑音が信号に重畳することがある。そこで、本実施例の装置により非磁性の試料について外部磁場を掃引してＭＦＭ信号を取得すれば、雑音そのものとして得ることができる。この値を記憶しておき実際の試料について測定する際、得られたＭＦＭ信号からこの値を引けば本装置の固有の特性分を補償除去することができる。
【００１２】
【実施例３】
次に試料の局所でのスイッチング特性を計測することができる本発明の実施例について説明する。この実施例の装置は上記した本発明の基本構成に加え、外部磁場を急峻な立ち上がりと急峻な立ち下がりのパルス状に変化させる手段と、試料所定位置に設置した探針からの応答ＭＦＭ信号を経過時間と共に記憶する手段と、外部磁場とＭＦＭ信号を時間軸を合わせて表示する手段とを備えた外部磁場掃引磁気力顕微鏡である。外部磁場を急峻な立ち上がりと急峻な立ち下がりのパルス状に変化させる手段は、探針１を試料の特定位置に固定した状態で図３に示すように外部磁場印加手段６により試料部分の磁場の強さをａ値からｂ値に急激に立ち上げ、ある時間の後ｂ値からａ値に急激に立ち下げるように作用するものである。これはコンピュータ８にａ値，ｂ値を設定することで該コンピュータ８からの制御信号として外部磁場印加手段６に送るようにすることで実現できる。このパルス状の磁場変化に対し応答するＭＦＭ信号を取り出し、時間軸を合わせてディスプレイ１１上に表示する。すると、ＭＦＭ信号の立ち上がり特性、立ち下がり特性がそのまま示される。この応答特性から探針１を固定した試料の特定位置の素材のスイッチング特性を一目瞭然に把握することができる。この装置により、例えば磁気メモリの記憶速度などを測定することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の外部磁場掃引磁気力顕微鏡は、先端に最大外部磁場より大きい保磁力を備えた微小な探針を有するカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出する手段と、試料面に対するカンチレバーの距離を一定周期で所望の振幅量で振動させる励振手段と、試料を探針に対し相対的に移動させる移動手段と、試料に対して垂直または平行に磁場印加可能な電磁石からなる外部磁場印加手段と、外部磁場の大きさを掃引する手段と、外部磁場に同期してＭＦＭ信号を出力する同期増幅器を備えたものであるから、外部磁場を掃引しながらそれと同期してＭＦＭ信号を検出して試料の局所磁化計測をオペレータの厄介な作業を必要とせず容易に実行することができる。
また、所定位置から他の所定位置まで探針を駆動走査する手段と、試料の磁性部分と非磁性部分とのＭＦＭ信号の差を演算する手段と、所定値から反転所定値にわたり外部磁場を掃引させる手段と、外部磁場値に対応する前記ＭＦＭ信号差の値を記憶する手段とを更に備えることにより、試料の局所における磁化特性をオペレータの厄介な作業を必要とせず容易に計測することができる。この蓄積情報を基に、例えば外部磁場の強さを横軸にそれに対応するＭＦＭ信号値を縦軸にしてプロットしディスプレイ１２に表示させれば、図２の中央に図示したような試料の特定部分の磁化ヒステリシス特性が直接グラフ表示できる。
【００１４】
本発明の外部磁場掃引磁気力顕微鏡は、所定値から反転所定値にわたり外部磁場を掃引させる手段と、標準試料の定点に設置した探針からの応答ＭＦＭ信号を外部磁場値に対応させて記憶する手段と、検出したＭＦＭ信号から同じ外部磁場値に対応する前記記憶値を差演算する手段とを更に備えることにより、通常のＭＦＭ動作時に装置固有の特性分を補償除去する機能を備えることができる。
また、外部磁場を急峻な立ち上がりと急峻な立ち下がりのパルス状に変化させる手段と、試料所定位置に設置した探針からの応答ＭＦＭ信号を経過時間と共に記憶する手段と、外部磁場とＭＦＭ信号を時間軸を合わせて表示する手段とを更に備えた本発明の外部磁場掃引磁気力顕微鏡は、試料の局所でのスイッチング特性を一目瞭然に表示することを可能とし、例えば磁気メモリの記憶速度などを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る外部磁場掃引磁気力顕微鏡の基本構成を示す図である。
【図２】本発明の１実施例の動作を説明する図である。
【図３】本発明の他の実施例の動作を説明する図である。
【図４】従来の磁気力顕微鏡の基本構成を示す図である。
【図５】従来技術であるＶＳＭの基本構成を示す図である。
【符号の説明】
１  探針                        ７  同期増幅器
２  カンチレバー                ８  コンピュータ
３  変位検出手段                ９  試料ステージ
４  励振手段                  １０  試料
５  移動手段                  １１  ディスプレイ
６  外部磁場印加手段
【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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