(57)【要約】【課題】高分解能にて磁場または磁場勾配または磁場勾配の勾配に対応する信号の空間分布を計測可能とする磁場センサ及び磁場センサの製造方法を提供する。【解決手段】磁性流体に先鋭化された探針先端または探針全体を浸漬することにより、探針先端に磁気微粒子を備える磁場センサを特徴とする。【選択図】図１
2012058220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性材料で構成される針状部または板状部と、その針状部または板状部の少なくとも１箇所に磁気微粒子が配置されていることを特徴とする磁場センサ。
【請求項２】
請求項１記載の磁場センサであって、前記針状部または板状部が、珪素またはタングステンまたは炭素または酸化硅素またはガリウム砒素を主成分とすることを特徴とする磁場センサ。
【請求項３】
請求項１記載の磁場センサであって、前記針状部または板状部と、前記針状部または板状部に付着した磁気微粒子が、少なくとも１層の非磁性材料からなる薄膜にて被覆された構造を持つことを特徴とする磁場センサ。
【請求項４】
請求項１記載の磁場センサであって、前記磁気微粒子が酸化鉄を主成分とすることを特徴とする磁場センサ。
【請求項５】
請求項１記載の磁場センサであって、前記磁気微粒子が表面に官能基を持ち、磁気微粒子と前記針状部または板状部が化学的に結合した構造を持つことを特徴とする磁場センサ。
【請求項６】
請求項１記載の磁場センサであって、前記磁気微粒子が、探針先端から２０μｍ以内に少なくとも１つ配置された構造を持つことを特徴とする磁場センサ。
【請求項７】
非磁性材料で構成される針状部または板状部を、磁性流体に浸漬または接触させることにより、針状部または板状部の少なくとも一箇所に磁気微粒子を付着させることを特徴とする磁場センサの製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の磁場センサの製造方法であって、前記針状部または板状部と、前記針状部または板状部に付着した磁気微粒子の上に、少なくとも１層の非磁性材料からなる被覆用薄膜を堆積することを特徴とする磁場センサの製造方法。
【請求項９】
請求項７記載の磁場センサの製造方法であって、針状部または板状部の少なくとも一箇所に、表面に官能基を備える磁気微粒子を少なくとも一箇所付着させることを特徴とする磁場センサの製造方法
【請求項１０】
請求項７または請求項８記載の磁場センサの製造方法であって、前記非磁性材料からなる針状部または板状部を、振動させた状態で、磁性流体の液滴に接触させ、針状部または板状部の振動状態の変化から、付着した磁気微粒子の数または質量、付着させる場所を制御しながら付着させることを特徴とする磁場センサの製造方法。
【請求項１１】
請求項７または請求項８記載の磁場センサの製造方法であって、磁場を加えた状態にて、磁性流体中の磁気微粒子を液滴内の一部に偏在させ、偏在箇所に前記非磁性材料で構成される針状部または板状部を、接触または浸漬させることにより磁気微粒子を付着させることを特徴とする磁場センサの製造方法。
【請求項１２】
請求項７記載の磁場センサの製造方法であって、前記非磁性材料で構成される針状部または板状部に磁気微粒子を付着させた後、熱処理を加えることによって針状部または板状部に付着した磁性流体に含まれる溶媒を除去することを特徴とする磁場センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は、高分解能にて磁気記録メディアの磁区や電子部品の配線を検査するための磁場センサ及び磁場センサの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  高度情報化社会が進展し、高密度磁気記録の重要性が高まると同時に、磁気記録の読み出し、書き込み技術、また磁区検査技術における高精度化が求められている。特に、磁区検査技術の高精度化に向けて、空間分解能の向上、磁場強度分解能の向上が進められている。一方、電子部品の縮小化と共に、単位体積あたりの配線密度が向上した結果、欠陥箇所が増加し、磁場を用いた非破壊での配線検査技術の高精度化が進められている。【０００３】  また、磁気記録メディア、電子部品の信頼性確保のため、全品検査の必要性も高まりつつある。その結果、前記磁区検査や磁場による配線検査の低コスト化が求められ、特に磁場センサの高精度化と同時に低コスト化が進められている。【０００４】  非特許文献１において、磁気記録メディアの検査には磁気力顕微鏡（ＭＦＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＭＦＭ）が有効であることが提案されている。ＭＦＭでは、硅素からなる針状部（以下探針と呼ぶ）を磁性薄膜で被覆し、この磁性薄膜を磁化させたものを磁場センサとして用いることが提案されている。この磁場センサを、測定対象の磁区に接近させると、磁区から発生する磁場により、前記探針が磁気力を受け、“探針を支持するカンチレバーの歪み（磁場勾配に対応）”、または”探針とそれを支持するカンチレバーの共振周波数の変化（磁場勾配の勾配に対応）“が誘起される。これらの量を電気的または光学的に計測することによって磁場勾配または”磁場勾配の勾配“に相当する信号測定がなされる。【０００５】  前記ＭＦＭを用いて、電流によって発生する磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の計測が可能である。電流経路近傍に前記磁場センサを接近させることにより、電流経路から発生する磁場による磁気力が探針に加わり、その磁気力から電流の大小を見積もる。【０００６】  ＭＦＭで用いる針状の磁場センサを以下磁性探針と呼ぶ。従来のＭＦＭで用いる磁性探針は、四角錐状の珪素から成る探針に、磁性材料を被覆した構造、または磁性材料から成るワイアを先鋭化させて探針にしたものがある。磁性探針に用いられる磁性体の材料として、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、希土類元素、酸化鉄またこれらを混合して用いたものがある。一般的には、コバルト（Ｃｏ）とクロム（Ｃｒ），白金（Ｐｔ）の合金が用いられる。特許文献１では、原子間力顕微鏡用の珪素からなる探針の表面全体に磁性金属をスパッタリング法等により成膜したものが開示されている。【０００７】  前記、従来の磁性探針は、１０ｎｍから１００ｎｍの膜厚の磁性薄膜で、珪素からなる探針を被覆する。探針の先端曲率半径は２ｎｍから１０ｎｍ程度である場合は、磁性薄膜による被覆後には、最小２２ｎｍから最大２１０ｎｍの先端曲率半径となる。【０００８】  前記、磁性材料から成る被覆膜は、四角錐状の硅素から成る母材全体に、ＲＦスパッタリング法によって作製される。そのため、ＭＦＭによる磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の強度分布の測定における空間分解能は、先端の曲率半径より高くなることはない。【０００９】  従来の磁性探針は、ＲＦスパッタリング法によって探針全体に磁性材料が被覆されているため、ＭＦＭ計測によ���て得られるデータは、測定対象上部の磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の強度分布を探針全体で積算したものとなり、磁場勾配分布計測または“磁場勾配の勾配”分布計測の空間分解能は探針の３次元的な形状に依存すると同時に、探針の長さ方向の空間分解能は、探針の長さ方向に垂直な平面内の空間分解能より低い。３次元磁場勾配分布または３次元“磁場勾配の勾配”分布を高い空間分解能で決定するためには、磁場勾配または“磁場勾配の勾配”を検出するセンサ部分の面積は可能な限り小さい方がよい。例えば、１ｎｍ×１ｎｍの面積の場合、３次元磁場勾配または磁場勾配の勾配”分布は約１ｎｍで決定される。【００１０】  従来の磁性探針は、ＲＦスパッタリング法によって探針全体に磁性材料が被覆されているため、ＭＦＭ計測によって得られる信号は、探針全体が受ける磁気力に対応する。そのため、探針の根元の領域（探針先端から離れた領域）など、測定対象から離れた探針表面の領域における磁場勾配または“磁場勾配の勾配”に由来する探針位置の変化に伴う信号変化は、測定対象に接近した探針表面の領域における磁場勾配または“磁場勾配の勾配”に由来する探針位置の変化に伴う信号変化に比べると、一定量変化する距離も長い。また、測定対象以外の領域からの磁場勾配または“磁場勾配の勾配”が測定した信号にオフセットとして含まれてしまう。【００１１】  そのため、ＭＦＭ計測によって得られた信号には、座標依存性のない大きなオフセットが加わることになり、結果として磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の強度の測定に関する分解能が悪化してしまう。【００１２】  従来の磁性探針は、ＲＦスパッタリング法により作製する。ＲＦスパッタリング装置における真空容器内では、試料台等、探針以外の領域に多くの磁性材料が堆積してしまい、材料の利用効率は高くない。特に、磁性探針の場合、磁性材料の被覆が必要なのは探針先端近傍のみである。【００１３】  従来の磁性探針は、ＲＦスパッタリング法により作製するため、前記四角錐状の硅素から成る母材を真空装置内に配置する必要がある。真空装置を利用するため、製造コストは高くなり、また大面積化もスピンコート法等の湿式の薄膜形成プロセスに比べると容易ではない。
【先行技術文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００３−２４０７００号公報
【非特許文献１】  Ｄ．Ｒｕｇａｒ，Ｈ．Ｊ．Ｍａｍｉｎ，Ｐ．Ｇｕｅｔｈｎｅｒ，Ｓ．Ｅ．Ｌａｍｂｅｒｔ，Ｊ．Ｅ．Ｓｔｅｍ，Ｉ．ＭｃＦａｄｙｅｎ，ａｎｄ  Ｔ．Ｙｏｇｉ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６８（３），１１６９−１１８３（１９９０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】  高度情報処理社会が進展し、高密度磁気記録の重要性が高まると同時に、磁気記録の読み出し、記録技術、また検査技術における，空間分解能の向上、磁場または磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の強度分解能の向上が求められている。磁場勾配分布計測または“磁場勾配の勾配”分布計測における空間分解能を向上させるため、探針先端から１μｍ以下の領域に磁性材料を備える磁性探針が要請されている。この場合、測定結果の磁場勾配分布または“磁場勾配の勾配”分布は、１μｍ以下の精度である。また、特に測定対象面に対して平行な２次元平面における空間分解能を向上させるため、２２ｎｍ以下の空間分解能を達成可能な磁性探針が要請されている。これらの要請が達成されることによって、磁気記録メディアにおいては２２ｎｍ以下の磁区に由来する磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の２次元分布、電子部品においては２２ｎｍ以下の配線の計測が実現し、磁気記録メディアや電子部品の信頼性確保が実現される。【００１６】また電子部品の縮小化と共に、単位体積あたりの配線密度は向上したため配線製造の歩留まりが悪化し、電子部品の信頼性確保のため、全品検査の必要性も高まっている。前記、検査技術の普及のためには、検査技術で用いられる磁場センサの低コスト化が要請されている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】  本発明は、磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の計測技術における空間分解能の問題、磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の強度分解能の問題、コストの問題を解決するために、上記課題に応える磁場勾配または“磁場勾配の勾配”計測用の磁場センサとしての磁性探針及びその製造方法を提供することにある。【００１８】  この発明によれば、非磁性材料で構成される針状部または板状部と、その針状部または板状部の少なくとも１箇所に磁気微粒子が配置されていることを特徴とする磁場センサが提供される。【００１９】  また、この発明によれば、非磁性材料で構成される針状部または板状部と、その針状部または板状部に少なくとも１箇所に磁気微粒子が配置させることを特徴とする磁場センサの製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００２０】  この発明の、磁場センサ及び磁場センサの製造方法によれば、前記「探針先端から１μｍ以下の領域に磁性材料を備える磁性探針」、「３次元磁場勾配分布または３次元“磁場勾配の勾配”分布の測定において２２ｎｍ以下の空間分解能を達成可能な磁性探針」を提供することができ、または従来の磁場センサである磁性探針に比べ「低コスト」な磁性探針の製造方法を提供することができる。その結果、磁気記録メディアにおいては２２ｎｍ以下の磁区に由来する磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の３次元分布、電子部品においては２２ｎｍ以下の配線の計測が実現し、磁気記録メディアや電子部品の信頼性確保が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】  （ａ）磁気微粒子を探針先端に備える磁場センサである。（ｂ）磁気微粒子を探針先端に備える磁場センサの探針先端部の拡大模式図である。
【図２】  磁気微粒子を探針先端以外の箇所に備えた磁場センサである。
【図３】  磁気微粒子を探針先端に備え、磁気微粒子の剥離を防ぐための保護膜を備えた磁場センサである。
【図４】  磁気微粒子を探針先端以外の箇所に備え、磁気微粒子の剥離を防ぐための保護膜を備えた磁場センサである。
【図５】  磁気微粒子をカンチレバーの表面に備えた磁場センサである。
【図６】  磁気微粒子をカンチレバーの表面に備え，磁気微粒子の剥離を防ぐための保護膜を備えた磁場センサである。
【図７】  ワイア状の材料を先鋭化させ、先端に磁気微粒子を備えた磁場センサである。
【図８】  （ａ）カンチレバー表面の一定の領域に複数の磁気微粒子を備えた磁場センサの斜視図である。（ｂ）カンチレバー表面の一定の領域に複数の磁気微粒子を備えた磁場センサの側面図である。（ｃ）カンチレバー表面の一定の領域に複数の磁気微粒子を備えた磁場センサの正面図である。
【図９】  図８のカンチレバーの部分を、２つの板ばねで支える方式の磁場センサである。
【図１０】  ２つのカンチレバーを平行に配列させ、片方のカンチレバーに磁気微粒子を配置した磁場センサである。
【図１１】  探針全体に複数の磁気微粒子が配置されている磁場センサである。
【図１２】  （ａ）探針が磁性流体に接近する状態を示した模式図である。（ｂ）探針先端が磁性流体に接触した状態を示した模式図である。（ｃ）探針先端に磁気微粒子が付着した状態を示した模式図である。
【図１３】  本発明に係る磁場センサを作製するための原子間力顕微鏡の構成である。
【図１４】  （ａ）カンチレバーが磁性流体に接近する状態を示した模式図である。（ｂ）カンチレバーが磁性流体に接触した状態を示した模式図である。（ｃ）カンチレバー表面に磁気微粒子が付着した状態を示した模式図である。
【図１５】  （ａ）カンチレバー表面にレジストが塗布された状態の模式図である。（ｂ）（ａ）のレジスト表面の一部に、マスクを介して光を照射し、レジストを感光させる様子を示した模式図である。（ｃ）感光した領域を除去した後の構造を示す。（ｄ）（ｃ）によって作製された溝に磁気微粒子を付着させた様子を示す模式図である。（ｅ）レジストを除去した図である。
【図１６】  （ａ）探針を備えたカンチレバーが磁性流体に接近する状態を示した模式図である。（ｂ）探針を備えたカンチレバーが磁性流体に埋没した状態を示した模式図である。（ｃ）探針を備えたカンチレバー全体に磁気微粒子が付着した状態を示した模式図である。
【図１７】  （ａ）探針が磁場によって液面が上昇した磁性流体に接近する状態を示した模式図である。（ｂ）探針が磁場によって液面が上昇した磁性流体に接触する状態を示した模式図である。（ｃ）探針に磁気微粒子が付着した状態を示した模式図である。
【図１８】  本発明の磁場センサを利用する磁気力顕微鏡の装置構成である。
【図１９】  本発明の磁場センサを利用する磁気力顕微鏡および３次元磁場勾配分布再構成法の説明図である。
【図２０】  （ａ）磁気微粒子を付着させる前の探針の電子顕微鏡像である。（ｂ）図１２の方法で磁気微粒子を付着させた後の探針の電子顕微鏡像である。（ｃ）（ｂ）において探針先端部を拡大した電子顕微鏡像である。
【図２１】  図２４の本発明の実施例である磁場センサを用いて得られたフロッピーディスク上空の“磁場勾配の勾配”分布像である。
【図２２】  図２４の本発明の実施例である磁場センサを用いて得られた水平磁気記録方式のハードディスク上空の“磁場勾配の勾配”分布像である。
【図２３】  図２４の本発明の実施例である磁場センサを用いて得られた垂直磁気記録方式のハードディスク上空の“磁場勾配の勾配”分布像である。
【図２４】  （ａ）図１６の方法で磁気微粒子を付着させた後の探針の電子顕微鏡像である。（ｂ）（ａ）において探針先端部を拡大した電子顕微鏡像である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】図１（ａ）は磁場センサの構造を示す。図１（ｂ）は磁場センサ部を拡大した模式図を示す。カンチレバー先端部に三角錐状の硅素から成る探針１を備え、さらにその先端に磁気微粒子２を備える。磁気微粒子２は、図２に示すように、必ずしも探針１の先端になくてもよい。また、図３、図４のように、磁気微粒子２の剥離を防ぐため、例えば窒化硅素等の非磁性材料の薄膜３によって被覆された構造を有してもよい。
【００２３】  本発明に係る図１、図２、図３、図４に示す構造により、磁場勾配分布計測または“磁場勾配の勾配”分布計測の空間分解能が向上する。従来の磁性探針の場合、探針全面に磁性材料が被覆されているため、探針の表面すべての領域が磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の測定信号に含まれる。図１、図２、図３、図４の場合、測定される信号は、磁気微粒子２が位置する座標の磁場勾配または“磁場勾配の勾配”となり、磁場勾配分布計測または“磁場勾配の勾配”分布計測の空間分解能が向上する。例えば、１０ｎｍの磁気微粒子２を付着させた場合、１０ｎｍの空間分解能で３次元磁場勾配分布または３次元“磁場勾配の勾配”分布を決定することができる。
【００２４】  図１、図２、図３、図４に示す構造により、３次元磁場勾配分布計測または３次元“磁場勾配の勾配”分布計測の空間分解能が向上する。従来の磁性探針の場合、探針全面に磁性材料が被覆されているため、空間分解能が探針形状に著しく依存する。図１、図２、図３、図４に示す磁場センサの場合、磁気微粒子２の直径により空間分解能が決定する。さらに、磁気微粒子２が球対称である場合は、３次元すべての方向に同一空間分解能にて測定を行うことが可能となる。例えば、磁気微粒子２の直径が１０ｎｍであった場合、１０ｎｍの空間分解能で３次元磁場勾配分布または３次元“磁場勾配の勾配”分布を測定することができる。
【００２５】  図１、図２、図３、図４に示す構造により、磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の強度分解能が向上する。従来の磁性探針の場合、探針全面に磁性材料が被覆されているため、計測された信号には探針位置依存性のないオフセット信号が加わる。そのため、走査等の探針位置の変化によって変化する信号成分は、全体の信号レベルに比べると“探針１の全体の表面積の大きさ”分の“探針１の先端の曲率半径に相当する球体の表面積”に相当するオーダーで小さくなる。そのため、電圧分解能の高いアナログーデジタル変換機が必要となると同時に、磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の強度分解能が低下してしまう。本発明では、測定で得られた磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の強度に相当する信号は、全て磁気微粒子２に由来するものであるため、磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の強度の測定分解能が向上する。
【００２６】  図１、図２、図３、図４に示す構造の作製では、従来の磁性探針比べ、材用コストを低下させることができる。利用する磁性材料は、磁気微粒子２の体積に相当し、全面を被覆する従来の磁性探針に比べ材料コストが低い。また、従来の磁性探針では通常ＲＦスパッタリング法にて磁性材料を被覆するが、真空装置内の被覆対象物以外の領域にも磁性材料を堆積してしまうため、材料の浪費が大きい。
【００２７】  図２に示す構造は図１に対し、付加的な利点がある。図１の場合は、三角錐状の探針１の先端部に磁気微粒子２が位置するため、原子間力顕微鏡として探針先端を試料に接近させて表面の凹凸を測定する場合に、磁気微粒子２が損傷もしくは探針１から外れてしまう可能性がある。図２の場合、探針１の先端部を除く特定の領域１箇所に磁気微粒子２が配置されているため、上記の近接相互作用による磁気微粒子２の剥離または損傷の影響の軽減が見込まれる。図３のように、磁気微粒子２の剥離および損傷の防止のため、非磁性材料の保護膜３により被覆保護されている場合は、この問題は軽減される。従来の磁性探針においては、表面形状像を取得することによる、磁性材料の剥離による解像度の低下は重要な課題であった。本発明の図２の場合、その問題は解決される。図２において、先端部から一定距離、磁場勾配または“磁場勾配の勾配”検出部が離れることによる見かけの２次元磁場勾配分布または２次元“磁場勾配の勾配”分布の解像度の低下は、特定平面でのディリクレ、ノイマン境界条件を取得し、静磁場の基礎方程式を解き、３次元磁場勾配分布または“磁場勾配の勾配”分布を解析することにより解決される
【００２８】  図５は本発明に係る磁場センサの構造の１事例である。原子間力顕微鏡用の探針として利用しない場合は、必ずしも鋭利な探針１を備える必要はない。図５のようにカンチレバー４の表面または内部において少なくとも一つの磁気微粒子２を備えることを特徴とする。磁気微粒子２の剥離および損傷防止のため、図６のように非磁性材料の保護膜３により被覆保護されていてもよい。
【００２９】  図５の本発明に係る磁場センサは、本発明の事例である図１、図２と同様，「磁場勾配分布計測または“磁場勾配の勾配”分布計測の空間分解能」「磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の強度分解能」「低い材料コスト」に関して従来の磁性探針に比べ利点がある。図１、２に比べると鋭利な探針１を備えないため、表面の凹凸を高精度に測定することはできない。
【００３０】  図７は本発明に係る磁場センサの構造の１事例である。湾曲させた金属ワイアの一端を先鋭化された母材５の先端に少なくとも１つの磁気微粒子２を備えた磁場センサである。図２のように、必ずしも先端に磁気微粒子２を備える必要はない。センサ全体が導電性を示すため、走査型トンネル顕微鏡の探針としても利用することができる。従来の磁性探針に比べ、「磁場勾配分布計測または“磁場勾配の勾配”分布計測の空間分解能」「磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の強度分解能」「低い材料コスト」に関して利点がある。
【００３１】  図８は本発明の磁場センサの構造の１事例である。片端が固定されたカンチレバー４の表面もしくは内部に１つ以上の磁気微粒子２がストライプ状の領域に配置された構造を有する。１つ以上の磁気微粒子２が配置されたこの領域を以下、ストライプ状磁場検出領域と呼ぶ。図８（ｂ）に示すストライプ状磁場検出領域の厚みＴは、磁気微粒子２の直径の数倍以下であることが望ましい。
【００３２】  図８の本発明の磁場センサは、「磁場勾配分布計測または“磁場勾配の勾配”分布計測の空間分解能」に関して利点がある。図８の磁場センサを厚み方向Ｔに走査した場合、空間分解能Ｔにて２次元磁場勾配分布または２次元“磁場勾配の勾配”分布を測定することが可能となる。この場合、得られた信号は、Ｗ方向に積算された信号であるため、測定された磁場勾配または“磁場勾配の勾配”のＷ方向の分解能は、Ｗ以下にはならない。
【００３３】  図９は、本発明の磁場センサ図８のカンチレバー４が異なる形状を有する１事例である。カンチレバー４に比べるとバネ定数の調整が容易となり、感度を向上させることができる。
【００３４】  図１０は本発明の磁場センサの構造の１事例である。図１０に示すように同じ構造、材質からなる２本のカンチレバー４が空隙を介して平行に配置されている。この磁場センサの場合、２本のカンチレバーの信号の差を磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の信号として測定する。これにより、カンチレバー４が試料から受ける静電気力の影響が相殺され、正確な磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の測定を行うことが可能となる。図１０の本発明の磁場センサは、「磁場勾配分布計測または“磁場勾配の勾配”分布計測の空間分解能」「磁場勾配または“磁場勾配の勾配”の強度分解能」「低い材料コスト」に関して従来の磁性探針に比べ利点がある。
【００３５】  図１１は本発明の磁場センサの構造の１事例である。探針１およびカンチレバー４の全体に磁気微粒子２が配置されている。この配置に関して、磁気微粒子２が一様に配置されていることが望ましい。また磁気微粒子２の剥離防止のため、全体が非磁性材料によって被覆されていてもよい。
【００３６】  図１１に示す構造の作製では、従来の磁性探針比べ、材用コスト、製造コストを低下させることができ、また大面積化も容易である。従来の磁性探針では通常ＲＦスパッタリング法にて磁性材料を被覆するが、真空装置内の被覆対象物以外の領域にも磁性材料を堆積してしまうため、材料の浪費が大きい。
【００３７】  本発明の事例である図１、図２の製造方法の１事例を図１２に示す。図１２（ａ）に示すように磁性流体の液滴６に探針１を接近させる。図１２（ｂ）に示すように探針１の先端を磁性流体の液滴６に接触または浸漬した後、図１２（ｃ）に示すように探針を基板から遠ざけ、探針１の先端に付着した液滴に含まれる磁気微粒子２を磁場勾配または“磁場勾配の勾配”検出に利用する。図７の磁気センサの同様の方法で製造する。
【００３８】  探針１の先端に付着させる磁気微粒子２の数の制御の方法を以下に述べる。図１（ａ）に示すように探針１は通常、カンチレバー４の端部に配置されている。この構造全体を自励発振させる。この状態で、探針先端を図１２に示す磁性流体の液滴６に接近させ、磁気微粒子２が付着した場合、探針１とカンチレバー４の構造と材質によって決定する機械共振周波数が、付着した磁気微粒子の質量に対応する量だけ変化する。探針１の先端に付着した質量と機械共振周波数の関係は以下の数１にて表現される。
【００３９】
【数１】
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【００４０】  図１２の製造方法において、付着させる磁気微粒子２の数を制御する場合、探針１とカンチレバー４を自励発振させた状態で、磁性流体の液滴６に接近させるための装置構成を図１３に示す。図１３では、探針１を支えるカンチレバー４の変位を、レーザーダイオード７から出射されるレーザー８の反射光の位置を測定することによって検出する。レーザー８のカンチレバー４の背面での反射光の位置は、分割型のフォトダイオード９によって測定される。フォトダイオード９の出力は、プリアンプ１０によって電圧信号に変換後、増幅され、自動利得制御回路１１と周波数検出回路１２に送られる。自動利得制御回路１１に送られた信号は、位相シフター１３に送られ、その出力は圧電素子１４に加わり、探針１を備えるカンチレバー４を振動させる信号となる。位相シフター１３において、圧電素子に加わる信号の位相を調整することによって、探針１を備えるカンチレバー４を自励発振させることができ、自励発振状態におけるカンチレバー４の共振周波数を周波数検出回路１２にて測定する。周波数検出回路１２にて測定された、カンチレバー４の共振周波数に相当する出力は、帰還制御回路１５に送られ、探針１と試料間を制御する信号としてスキャナー１６に加わる。スキャナー１６はステッピングモータによる探針１と試料間の粗い調整の後、探針１と試料の高精度な距離制御を担う。上述した、「自励発振系」および「探針１を備えるカンチレバー４の共振周波数の検出の機構」、「探針１と試料の高精度の位置制御」により、図１２に示すように磁性流体の液滴６の表面と探針１の距離を高精度に制御し、探針１の先端に付着させる磁気微粒子２の数を制御することができる。
【００４１】  図５の製造方法を図１４に示す。図１２の場合と同様、図１４に示すようにカンチレバー４の表面の一端を磁性流体の液滴６の表面に図１４（ａ）に示すように接近させ、図１４（ｂ）に示すように接触または浸漬させ、図１４（ｃ）に示すようにカンチレバー４の表面に磁気微粒子２を付着させる。付着させる磁気微粒子２の数を精密に制御する場合は、図１３の装置構成を利用する。
【００４２】  図８、図９の製造方法を図１５に示す。カンチレバー４の表面にレジスト１７を塗布する。その後、レジスト１７を備えたカンチレバー４の上部にフォトマスク１８を配置し、紫外線１９を照射し、一部を感光させる。その後、感光部２０を現像し、除去し、カンチレバー４のレジスト１７塗布側の面を磁性流体の液滴６に浸漬する。磁気微粒子２を付着後、レジスト１７を除去し、感光部２０のみに磁気微粒子２を残す。レジスト１７除去時に磁気微粒子２も一部除去されてしまう場合には、レジスト１７に疎水性処理を施し、さらに水を溶媒として用いている磁性流体の液滴６を使用し、レジスト１７に磁気微粒子２が付着するのを避け、レジスト１７を除去しない状態で磁場センサとして利用する。磁気微粒子２の薄利保護のために、磁気微粒子２を付着させた後、非磁性材料にて保護膜３を作製してもよい。
【００４３】  図１１の製造方法を図１６に示す。探針１を備えるカンチレバー４全体を図１６（ｂ）のように、磁性流体の液滴６に浸漬させた後、カンチレバー４を磁性流体の液滴６から取り出す。磁性流体の液滴６に含まれる溶媒を除去するために、カンチレバー４を磁性流体の液滴６から取り出すプロセス図１６（ｃ）の後に、カンチレバー４全体を加熱し、溶媒を除去してもよい。また、磁性流体の液滴６の探針１への付着性を向上させるために、官能基を備える磁気微粒子２を含む磁性流体の液滴６を用いると同時に、探針１の表面に前記官能基と化学的に結合する官能基が具備された探針１を利用してもよい。
【００４４】  本発明の図１、図２、図７の磁場センサの製造効率を向上させる方法を図１７に示す。磁性流体の液滴６に磁気微粒子２以外の非磁性体の不純物が混入している場合、磁気微粒子２を付着させる探針１またはカンチレバー４に前記不純物が付着してしまう可能性がある。そこで、図１７（ａ）のように、例えば探針１を備えるカンチレバー４の上部に、コイルなどの静磁場発生源２１を配置し、探針１及びカンチレバー４、磁性流体の液滴６全体に静磁場を加える。この場合、純度の高い磁性流体の領域が磁性流体の液滴６の表面に形成され、その領域に探針１を接触または浸漬させることにより、磁場センサの製造効率の向上が見込まれる。
【００４５】  本発明の磁場センサの利用の一例である磁気力顕微鏡の装置構成を図１８に示す。図１８では、探針１を支えるカンチレバー４の変位を、レーザーダイオード７から出射されるレーザー８の反射光の位置を測定することによって検出する。レーザー８のカンチレバー４の背面での反射光の位置は、分割型のフォトダイオード９によって測定される。フォトダイオード９の出力は、プリアンプ１０によって電圧信号に変換後、増幅され、自動利得制御回路１１と周波数検出回路１２に送られる。自動利得制御回路１１に送られた信号は、位相シフター１３に送られ、その出力は圧電素子１４に加わり、探針１を備えるカンチレバー４を振動させる信号となる。位相シフター１３において、出力の位相を調整することによって、探針１を備えるカンチレバー４を自励発振させることができ、自励発振状態におけるカンチレバー４の共振周波数を周波数検出回路１２にて測定する。周波数検出回路１２にて測定された、カンチレバー４の共振周波数に相当する出力は、帰還制御回路１５に送られ、探針１と試料間を制御する信号としてスキャナー１６に加わる。スキャナー１６はステッピングモータによる粗い探針１と試料間の調整の後、探針１と試料の高精度な距離制御を担う。上述した、「自励発振系」および「探針１を備えるカンチレバー４の共振周波数の検出の機構」、「探針１と試料の高精度の位置制御」により、本発明が提供する磁場センサである磁気微粒子２を備えた探針１を磁気記録メディアなどの測定対象物２２上空を２次元走査し、“磁場勾配の勾配”の２次元分布を測定することができる。さらに、３次元“磁場勾配の勾配”分布を測定する場合は、磁場センサを３次元走査する。また、測定対象物が非磁性材料により覆われている場合には、非磁性材料上空における漏洩磁場に由来する２次元“磁場勾配の勾配”分布を磁場センサと試料の距離を変えて２回測定を行い、２枚の２次元“磁場勾配の勾配”分布を得る。この２枚の結果から、２次元“磁場勾配の勾配”分布および２次元“磁場勾配の勾配”勾配分布を画像演算により算出し、電磁場の基礎方程式におけるディリクレ境界条件およびノイマン境界条件として利用することにより、非磁性体材料内部においても、３次元“磁場勾配の勾配”分布を算出することができる。
【００４６】  本発明に係る図８、図９の利用方法の一例を以下に述べる。図８、図９の磁場センサは、図８（ｂ）に示すＴの方向のみ高い空間分解能を有する。例えば、１０ｎｍの磁気微粒子２が一層薄膜状に付着されている場合には、Ｔの方向には１０ｎｍの空間分解能を達成することができる。一方、Ｗ、Ｌ方向の空間分解能は、Ｗ、Ｌの大きさに依存し、図１５で示す図８、図９の磁場センサ作製プロセスのマスクの解像度で分解能が決定する。図８、図９の磁場センサを磁気力顕微鏡として利用する場合には、図１９のように磁場センサの磁気力検出部の磁気微粒子２から構成される膜厚Ｔの方向が測定対象と平行を保つように磁場センサを走査する。以下、図８、図９の磁場センサを用いた場合における画像の取得方法について述べる。図１９において、磁場センサの一部に、レーザーダイオード７からレーザー８が照射され、その反射光の位置により、磁場センサが磁気力を受けることによるセンサ全体の変位を計測する。レーザー８の反射光の位置は、分割型フォトダイオード９により検出され、その出力信号は、プリアンプ１０によって電圧に変換、増幅され、位相検波器２３に送られる。図１９は、電子部品の検査の事例を示している。電子部品には、発振器２４により交流電圧を加え、その信号の周波数に同期して発生した磁場の強度及び位相を、位相検波器２３により検出し、出力は制御部２５に保存される。制御部は、高圧アンプ２６を介して、ＸＹＺ−θ駆動ステージ２７に走査信号を送り、走査信号に同期した位相検波器２３の出力を画像データとして保存する。磁場センサ図８、図９のセンサにおいて、全方位で空間分解能に関して図８（ｂ）のＴを達成するため、ＸＹＺ−θ駆動ステージ２７には、磁場センサに対して試料２８を回転する機構を備える。これにより、得られたデータ角度毎の画像データにラドン変換を施すことによって２次元平面内で全方向に図８（ｂ）のＴの空間分解能を達成することができる。上記のラドン変換の操作を、磁場センサと試料間の距離ｚを変えた２つの座標（ｚ＝ｚ１とｚ＝ｚ２）で行い、２枚の
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ｚ１−ｚ２）で割る操作３０を経ることによって、静磁場の基礎方程式におけるノイマン境界条件３１を得る。また、１枚の画像データ２９をディリクレ境界条件３２として用いることによって、３次元の磁場勾配分布像３３を得ることができ、非磁性材料内部の磁場勾配の分布を断層的に可視化したデータ３４を得ることが実現される。
【実施例１】
【００４７】  図１に示す本発明の磁場センサを図１２の方法により作製した結果を以下に示す。図２０（ａ）は、磁気微粒子２を付着させる前の探針１の走査型電子顕微鏡（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）像，図２０（ｂ）は磁気微粒子２を付着した後の探針１及び磁気微粒子２のＳＥＭ像、図２０（ｃ）は探針１の先端の拡大像である。磁気微粒子２が、探針先端に付着されていることが分かる。
【実施例２】
【００４８】  図１１に示す本発明の磁場センサを図１６の方法により作製した後の磁場センサのＳＥＭ像を図２４に示す。磁性流体として水を溶媒とする酸化鉄、粒径１０ｎｍを用いた。図２４では、磁気微粒子２が探針１に部分的に付着していることが分かる。この磁場センサを用いて、磁気記録メディア上空の“磁場勾配の勾配”分布を測定した結果を図２１、図２２、図２３に示す。図２１はフロッピーディスクであり、３０μｍ×３０μｍの領域、走査時間１分／枚、磁場センサ試料間距離６００ｎｍにて測定を行ったものである。図２２は水平磁気記録ハードディスクであり、１５μｍ×１５μｍの領域、走査時間１分／枚、磁場センサ試料間距離２２０ｎｍにて測定を行ったものである。図２３は垂直磁気記録ハードディスクであり、５μｍ×５μｍの領域、走査時間５分／枚、磁場センサ試料間距離２００ｎｍにて測定を行ったものである。以上の測定は、すべて、図２４の磁場センサを用いて行ったものである。一つの磁場センサを用いて、試料を変えて複数回の測定を行うことが可能であることが示されており、磁場センサとしての耐久性も備えていることが分かる。また、２０回以上の探針−試料間の接触と退避の耐久性試験後にも測定が可能であることが確認されている。
【符号の説明】
【００４９】１  探針
２  磁気微粒子
３  非磁性材料から成る保護膜
４  カンチレバー
５  ワイア
６  磁性流体の液滴
７  レーザーダイオード
８  レーザー
９  フォトダイオード
１０  プリアンプ
１１  自動利得制御回路
１２  周波数検出器
１３  位相シフター
１４  圧電素子
１５  帰還制御部
１６  スキャナー
１７  レジスト
１８  マスク
１９  レジスト感光用の光
２０  レジスト感光部
２１  磁場発生源
２２  測定試料
２３  位相検出器
２４  発振器
２５  制御部
２６  高圧アンプ
２７  ＸＹＺ−θステージ
２８  電子部品
２９  磁場勾配分布画像
３０  割り算処理部
３１  ノイマン境界条件
３２  ディリクレ境界条件
３３  ３次元磁場勾配分布画像
３４  ３次元磁場勾配分布における断層表示
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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