(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出する機構と、前記カンチレバーと試料とを相対的に移動させる微動・粗動機構と、当該微動・粗動機構を制御してカンチレバーと試料との間の距離を任意に保つ制御系と、を備えた走査型プローブ顕微鏡において、
前記走査型プローブ顕微鏡は、さらに、一対の磁極柱が設けられ、各磁極柱が、互いの先端部で試料の側面両側に配置され、試料に磁場を印加するものであり、
前記磁極柱は真空容器に真空シールを介して挿入され、前記真空容器は試料室側壁に着脱自在に固定されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記磁極柱の軸を水平方向（試料測定面と略平行な方向）に可動する機構を備え、磁極柱先端間の空隙の大きさを可変することを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出する機構と、前記カンチレバーと試料とを相対的に移動させる微動・粗動機構と、当該微動・粗動機構を制御してカンチレバーと試料との間の距離を任意に保つ制御系と、を備えた走査型プローブ顕微鏡において、
前記走査型プローブ顕微鏡は、さらに、一対の磁極柱が設けられ、各磁極柱が、互いの先端部で試料の側面両側に配置され、試料に磁場を印加するものであり、
前記磁極柱の軸を水平方向（試料測定面と略平行な方向）に可動する機構を備え、磁極柱先端間の空隙の大きさを可変することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出する機構と、前記カンチレバーと試料とを相対的に移動させる微動・粗動機構と、当該微動・粗動機構を制御してカンチレバーと試料との間の距離を任意に保つ制御系と、を備えた走査型プローブ顕微鏡において、
前記走査型プローブ顕微鏡は、さらに、一対の磁極柱が設けられ、各磁極柱が、互いの先端部で試料の側面を両側から挟み込むように配置され、試料の磁化状態を観察する場合に、試料のみ及び試料とその近傍のみのいずれかに任意の水平方向磁場を印加するものであり、
前記磁極柱は真空容器に真空シールを介して挿入され、前記真空容器は試料室側壁に着脱自在に固定されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記磁極柱の軸を水平方向（試料測定面と略平行な方向）に可動する機構を備え、磁極柱先端間の空隙の大きさを可変することを特徴とする請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出する機構と、前記カンチレバーと試料とを相対的に移動させる微動・粗動機構と、当該微動・粗動機構を制御してカンチレバーと試料との間の距離を任意に保つ制御系と、を備えた走査型プローブ顕微鏡において、
前記走査型プローブ顕微鏡は、さらに、一対の磁極柱が設けられ、各磁極柱が、互いの先端部で試料の側面を両側から挟み込むように配置され、試料の磁化状態を観察する場合に、試料のみ及び試料とその近傍のみのいずれかに任意の水平方向磁場を印加するものであり、
前記磁極柱の軸を水平方向（試料測定面と略平行な方向）に可動する機構を備え、磁極柱先端間の空隙の大きさを可変することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記磁極柱の少なくとも一つは電磁石である請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記電磁石の電源としてバイポーラ電源を用いた、請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記磁極柱の少なくとも一つは永久磁石である請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡の測定モードの一つである磁気力顕微鏡は、磁性体試料表面からの漏洩磁界を磁性探針との間に作用する磁気力を用いて磁区を観察する力顕微鏡である。磁気力顕微鏡の主たる応用分野は磁気記録媒体の磁化状態観察である。近年は磁気記録への応用を目的とした新磁性体素材や磁気ドットの開発および次世代磁気ヘッドや磁性半導体デバイスへの応用を目的とした磁性材料や磁性薄膜の研究に磁気力顕微鏡が使用されており、磁場雰囲気中での磁気ドメインの移動観察や連続的に変化する磁場雰囲気中でのミクロな磁化反転率の測定などが要求されている。特に、磁気感度が向上し且つ低温環境が実現可能な真空磁場雰囲気中での磁気力測定が必須となる。
【０００３】
従来、走査型プローブ顕微鏡において試料近傍を磁場雰囲気にする場合には、試料から一番近い位置に永久磁石や電磁石を置く方法がある。ここで試料近傍にはカンチレバー変位検出器や試料の微動部などの走査型プローブ顕微鏡の構成要素が存在する。そのため、強磁場の印加を目的とする大型の磁石が位置する空間は得られず、結果として磁極空隙に走査型プローブ顕微鏡全体が入る形となる。一方、磁石を小型にして試料近傍の試料台などに組込む方式もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来例では、磁極空隙に走査型プローブ顕微鏡全体が入る形となり、それにより磁極空隙が大きくなることで強磁場を得ることが困難となる。ここで磁場印加機構を巨大化することで強磁場を得たとしても、走査型プローブ顕微鏡の信号伝送部や微少位置決め機構が強磁場雰囲気の中に位置することで顕微鏡動作の安定性が保証できない。
【０００５】
また、磁石を小型にして試料近傍の試料台などに組込む方式では、磁石が小型となり強磁場を得ることができない。特に電磁石を用いる場合には、真空環境でのマグネットワイヤの発熱による断線の危険性を有する。
【０００６】
本発明は従来のこのような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、外部から試料近傍のみに任意の水平磁場を印加する機能を有する走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明は、先端の鋭い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機構とカンチレバーと試料を相対的に移動させる微動・粗動機構とカンチレバー試料間を任意に保つ制御系から構成される走査型プローブ顕微鏡において、外部から試料近傍のみに任意の水平磁場を印加する機能を有する走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【０００８】
上記外部から試料近傍のみに任意の水平磁場を印加するために、先端が試料台上の試料側面を両側から挟み込むように水平方向に一対の磁極柱を配置させることで可能とする。磁極柱は真空容器に真空シールを介して挿入され、真空容器は、試料室側壁に着脱自在に固定される。この時、磁極柱の前部は、試料室内に、後部は、試料室外の大気中に配置される。磁極柱の軸を水平方向に可動式とすることで、磁極柱先端間の空隙の大きさを変えることが可能となる。磁極柱として永久磁石を用いる場合には、空隙の大きさを変えることで任意の磁場を得る。電磁石を用いる場合にはコイル部を磁極柱後部大気側とすることで冷却が可能となる。磁場検出器からの信号に基づいてコイル部のマグネットワイヤ電流値を制御することで任意の磁場を得る。二つの磁極柱は、大気側でヨークにより接続可能であるため磁気回路が形成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例を示す構成図である。探針１１を試料１２近傍に位置することにより生じる様々な物理情報を含んだ力は、探針１１をカンチレバー１３の先端に付けることで、カンチレバー１３の撓みとして検出される。カンチレバー１３の撓みは、半導体レーザからのLD光を用いて微小変位検出器１４により検出される。自己検出方式カンチレバーを用いる場合には、自己検出方式カンチレバーと信号変換増幅器によりカンチレバーの撓みが検出される。この検出された信号の出力変化に基づいて探針あるいは試料に接続されたスキャナ１５のZ方向圧電素子を用いて探針試料間距離を一定にするように制御回路を通してフィードバック制御を行う。そして、探針試料間距離制御を行いながら探針または試料をXY走査回路により２次元走査し出力信号処理を行うことで、試料の物理情報像が画像表示装置において得られる。
【００１０】
図１において試料１２を挟み込むように、磁性材料で作成された磁極柱１６を配置する。磁極柱１６は磁場印加用真空容器１７に可動Ｏリング１８を用いて挿入され、マイクロメータなどの導入機構１９により磁極空隙の設定を可能とする。二つの磁極柱１６はヨーク２０を取りまわすことにより磁気回路を形成する。
【００１１】
磁極空隙中心位置にホール素子などの磁場計測器２１を設置し、プローブ測定の際には二つの磁極片から同距離の位置まで退避させ磁場を計測する。
【００１２】
電磁石により磁場印加を行うときには、コイル部２２を磁極柱１６の大気側に設置し、直流電源２３からコイル部マグネットワイヤに供給する電流値を変化させることで任意の磁場空間を形成する。マグネットワイヤの発熱に起因する線抵抗増大による磁場減少を回避して磁場空間を一定に保つ場合には、磁場計測器２１の出力が一定になるように制御器２４を用いて直流電源出力を制御する。直流電源にバイポーラ電源を用いると、電流の方向を変えることにより磁場の向きを容易に反転でき、磁極柱の残留磁化を打ち消すことでゼロ磁場空間を形成することも可能となる。
【００１３】
永久磁石により磁場印加を行うときは、永久磁石２５を磁極柱１６先端に設置し、磁極空隙を変化させることで任意の磁場空間を形成する。永久磁石と電磁石を併用することで磁極空隙を変化させずに電磁石によるオフセット磁場を加えることで磁場を変化することも可能となる。
【００１４】
本願発明は、上記した実施形態をその一態様として含むが、この記載のみに基づき技術的範囲を解釈することはできず、本願明細書及び図面に開示された思想・精神に基づいて解釈されるものである。当然、以下の実施形態も本願発明の技術的範囲に含まれる。
【００１５】
技術的思想（１）
先端の鋭い探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出する機構と、前記カンチレバーと試料を相対的に移動させる微動・粗動機構と、前記カンチレバー試料間距離を任意に保つ制御系から構成される走査型プローブ顕微鏡において、外部から試料及びその近傍のみに任意の水平方向磁場を印加する機能を持たせたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【００１６】
技術的思想（２）
先端の鋭い磁性探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変位を検出する機構と、前記カンチレバーと試料を相対的に移動させる微動・粗動機構と、前記カンチレバー試料間距離を任意に保つ制御系から構成される走査型プローブ顕微鏡において、磁性体試料の磁化状態を観察する場合に、先端が試料台上の前記磁性体試料側面を両側から挟み込むように水平方向に一対の磁極柱を配置させることで、試料に水平方向磁場を印加することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【００１７】
技術的思想（３）
前記磁極柱は真空容器に真空シールを介して挿入され、前記真空容器は試料室側壁に着脱自在に固定されることを特徴とする技術的思想（２）記載の走査型プローブ顕微鏡。
【００１８】
技術的思想（４）
前記磁極柱の軸を水平方向に可動式とすることで、磁極柱先端間の空隙の大きさを変えることが可能であることを特徴とする技術的思想（２）の走査型プローブ顕微鏡。
【００１９】
技術的思想（５）
電磁石を用いて外部から試料に任意の磁場を印加する機能を持ち磁場の最大磁束密度がテスラオーダであり磁場の大きさを一定に制御する機能を持たせたことを特徴とする技術的思想（１）の走査型プローブ顕微鏡。
【００２０】
技術的思想（６）
永久磁石を用いて外部から試料に任意の磁場を印加する機能を持たせたことを特徴とする技術的思想（１）の走査型プローブ顕微鏡。
【００２１】
技術的思想（７）
真空またはガス置換雰囲気での測定が可能であることを特徴とする技術的思想（１）から技術的思想（５）のいずれかに記載の査型プローブ顕微鏡。
【００２２】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、走査型プローブ顕微鏡において外部から試料近傍のみに任意の磁場を印加することが可能となり、走査型プローブ顕微鏡の信号伝送部や微少位置決め機構が強磁場雰囲気の中に位置することによる悪影響を回避することが可能となる。また、電磁石のコイル部マグネットワイヤに供給する電流値を大きくすることで強磁場を得ることが可能となり、電磁石のコイル部が大気側に位置し水冷・空冷が可能であることからプローブ測定における熱ドリフトの影響が回避可能となる。また、磁極空隙を容易に変えることが可能であり、磁場印加でのプローブ測定が試料の体積による制限を受けない効果がある。また、磁場磁場印加用真空容器の着脱により容易に通常の走査型プローブ顕微鏡への変更が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例における走査型プローブ顕微鏡の構成図である。
【符号の説明】
１１  探針
１２  試料
１３  カンチレバー
１４  変位検出器
１５  スキャナ
１６  磁極柱
１７  磁場印加用真空容器
１８  可動Ｏリング
１９  導入機構
２０  ヨーク
２１  磁場計測器
２２  コイル部
２３  直流電源
２４  制御器
２５  永久磁石
【図１】
0003923300.tif 000002