磁力顯微鏡及高空間分辨率磁場(chǎng)測(cè)定方法
【專利摘要】在現(xiàn)有的磁力顯微鏡中，因?yàn)閼冶鄣囊淮沃C振頻率會(huì)在探針掃描時(shí)發(fā)生變動(dòng)，所以調(diào)制頻率信號(hào)的相位將發(fā)生變動(dòng)，得到帶相位信息的磁場(chǎng)分布是困難的。因?yàn)閯?lì)磁頻率為低至100Hz左右，所以測(cè)定時(shí)間將變長(zhǎng)。為了測(cè)定FM調(diào)制信號(hào)這樣的間接信號(hào)而提高S/N比是很困難的。本發(fā)明的磁力顯微鏡具備：帶具有磁性體的探針（1）的懸臂（2）；以第一諧振頻率激勵(lì)的第一振蕩器（4）；位移檢測(cè)電路（7）；微動(dòng)元件（16）；驅(qū)動(dòng)微動(dòng)元件（16）的z軸驅(qū)動(dòng)部（12）；以第二諧振頻率進(jìn)行勵(lì)磁的第二振蕩器（13）；以及輸入位移信號(hào)及參考信號(hào)的鎖相放大器（21）。而且，z軸驅(qū)動(dòng)部（12）基于位移信號(hào)及第一諧振頻率，使探針（1）相對(duì)于磁記錄頭（8）接近或分開，鎖相放大器（21）基于位移信號(hào)及參考信號(hào)生成磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。
【專利說明】磁力顯微鏡及高空間分辨率磁場(chǎng)測(cè)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測(cè)定樣品表面的磁場(chǎng)分布及凹凸形狀的磁力顯微鏡及以高空間分辨率測(cè)定磁場(chǎng)分布的高空間分辨率磁場(chǎng)測(cè)定方法。
[0002]本申請(qǐng)以在日本國于2011年3月7日申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)?zhí)柼卦?011 — 049670及在日本國于2011年12月9日申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)?zhí)?011 — 270138為基礎(chǔ)要求優(yōu)先權(quán)，通過參照這些申請(qǐng)，從而將它們引用到本申請(qǐng)中。
【背景技術(shù)】
[0003]面向以硬盤為代表的磁記錄裝置的高密度化，將磁記錄頭及磁性薄膜的磁特性以高空間分辨率對(duì)磁場(chǎng)分布進(jìn)行圖像化的方法正在發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)該方法，提出了若干技術(shù)。
[0004]在非專利文獻(xiàn)I?5中，記載有為了直接觀察交流磁場(chǎng)而使用了頻率調(diào)制技術(shù)的磁力顯微鏡的結(jié)構(gòu)和使用該磁力顯微鏡測(cè)定在對(duì)硬盤的磁記錄頭施加了交流電流的情況下的從磁記錄頭產(chǎn)生的交 流磁場(chǎng)像的結(jié)果。
[0005]此外，在專利文獻(xiàn)I中，記載有為了縮短由磁力顯微鏡進(jìn)行的測(cè)定時(shí)間而對(duì)作為被測(cè)定樣品的磁記錄頭施加與磁力顯微鏡的懸臂(cantilever)的諧振頻率不同頻率的外部磁場(chǎng)的技術(shù)。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn) 專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)1:特開2010 — 175534號(hào)公報(bào)。
[0007]非專利文獻(xiàn)
非專利文獻(xiàn) 1:H.Saito, H.1keya, G.Egawa, S.1shio and S.Yoshimura,“Magnetic force microscopy of alternating magnetic field gradient by frequencymodulation of tip oscillation”， JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 105， 07D524
(2009)；
非專利文獻(xiàn) 2:ff.Lu, Z.Li, K.Hatakeyama, G.Egawa, S.Yoshimura and H.Saito, “High resolution magnetic imaging of perpendicular magnetic recordinghead using frequency-modulated magnetic force microscopy with a hard magnetictip”， APPLIED PHYSICS LETTERS 96， 143104 (2010)；
非專利文獻(xiàn)3:田中、柳內(nèi)、真島、第71屆應(yīng)用物理學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)、17-P12-12、62
(2010)；
非專利文獻(xiàn)4:H.Saito, W.Lu, K.Hatakeyama, G..Egawa and S.Yoshimura Highfrequency magnetic field imaging by frequency modulated magnetic forcemicroscopy”， JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 107， 09D309 (2010)；
非專利文獻(xiàn) 5:ff.Lu, K.Hatakeyama, G.Egawa, S.Yoshimura and H.Saito,“Characterization of Magnetic Field Distribution in a Trailing-Edge ShieldedHead by Frequency-Modulated Magnetic Force Microscopy”， IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL.46, N0.6，JUNE 2010。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]發(fā)明要解決的課題
在非專利文獻(xiàn)I?5公開的磁力顯微鏡中，首先，對(duì)被測(cè)定樣品表面的凹凸形狀進(jìn)行測(cè)定。在該現(xiàn)有的磁力顯微鏡中，為了對(duì)被測(cè)定樣品表面的凹凸形狀進(jìn)行測(cè)定，而使懸臂以一次諧振頻率進(jìn)行振動(dòng)，以使懸臂的前端的振動(dòng)振幅固定的方式，一邊控制裝配在懸臂前端的探針與被測(cè)定樣品間的距離一邊對(duì)被測(cè)定樣品的表面進(jìn)行掃描。接著，使用在第一次的掃描中存儲(chǔ)的被測(cè)定樣品表面的凹凸形狀的數(shù)據(jù)，在將探針與被測(cè)定樣品間的距離保持為固定的狀態(tài)下，沿第一次的掃描線測(cè)定磁場(chǎng)的大小及相位變化的狀態(tài)。在此，因?yàn)楸粶y(cè)定樣品以固定的勵(lì)磁頻率被勵(lì)磁，所以，被檢測(cè)的信號(hào)成為將該勵(lì)磁頻率用懸臂的一次諧振頻率進(jìn)行頻率調(diào)制(以下，也稱為FM。)的信號(hào)。對(duì)該信號(hào)進(jìn)行FM解調(diào)，將勵(lì)磁頻率作為參照頻率輸入到鎖相放大器(lock in amplifier)，通過進(jìn)行鎖相檢波，從而得到被測(cè)定樣品表面的磁場(chǎng)分布的數(shù)據(jù)。
[0009]然而，在上述的現(xiàn)有的磁力顯微鏡中，起因于懸臂的一次諧振頻率在探針掃描時(shí)發(fā)生變動(dòng)，F(xiàn)M信號(hào)也發(fā)生變動(dòng)，其結(jié)果是，作為檢測(cè)信號(hào)的FM信號(hào)的相位發(fā)生變動(dòng)。因此，現(xiàn)有的磁力顯微鏡具有難以得到示出了磁場(chǎng)大小和相位的Rcos Θ像的缺點(diǎn)。在現(xiàn)有的磁力顯微鏡中，雖然能夠通過在測(cè)定系統(tǒng)中嵌入鎖相環(huán)，從而改善相位的變動(dòng)，但是裝置變得復(fù)雜且昂貴。此外，因?yàn)閷?duì)被測(cè)定樣品的勵(lì)磁頻率低至IOOHz?IkHz左右，所以還存在每單位時(shí)間的測(cè)定的總處理能力(throughput)較差，測(cè)定時(shí)間變長(zhǎng)的缺點(diǎn)。另外，雖然通過僅提高對(duì)被測(cè)定樣品的勵(lì)磁頻率，從而該問題存在被改善的余地，但是，為了提高對(duì)被測(cè)定樣品的勵(lì)磁頻率，就必須提高作為調(diào)制頻率的一次諧振頻率。這樣，就必須大幅提升用于進(jìn)行懸臂的位移檢測(cè)的光杠桿的頻率響應(yīng)，像在非專利文獻(xiàn)4中也指出的那樣，將產(chǎn)生測(cè)定系統(tǒng)的問題。進(jìn)而，還存在如下問題，即，原理上，通過測(cè)定FM信號(hào)這個(gè)間接的信號(hào)來使S/N比變高是很困難的。
[0010]此外，在專利文獻(xiàn)I公開的磁力顯微鏡中，使懸臂以一次諧振頻率進(jìn)行振動(dòng)，以與懸臂的諧振頻率不同而且是懸臂的諧振頻率的整數(shù)倍(或整數(shù)倍/2)的頻率對(duì)被測(cè)定樣品進(jìn)行勵(lì)磁。由此，改善測(cè)定位置移動(dòng)時(shí)的階躍響應(yīng)，縮短測(cè)定時(shí)間。然而，在該現(xiàn)有的磁力顯微鏡中，因?yàn)橐圆皇菓冶鄣闹C振頻率的頻率對(duì)被測(cè)定樣品的勵(lì)磁頻率進(jìn)行勵(lì)磁，故測(cè)定系統(tǒng)的Q低，增益不提高，其結(jié)果是，存在不能提高檢測(cè)信號(hào)的S/N比的缺點(diǎn)。
[0011]于是，本發(fā)明的目的在于，提供一種一邊不需要鎖相環(huán)一邊能夠以較短的測(cè)定時(shí)間得到高S/N比的磁場(chǎng)分布數(shù)據(jù)的磁力顯微鏡。
[0012]用于解決課題的方案
為了解決上述課題，本發(fā)明的磁力顯微鏡具備:在前端具有由磁性體構(gòu)成的探針或涂覆磁性體的探針或薄膜形成有磁性體的探針的懸臂；以懸臂的第一諧振頻率激勵(lì)懸臂的第一振蕩器；檢測(cè)懸臂前端的位移的位移檢測(cè)器；將樣品固定在上表面，使探針相對(duì)于樣品接近、分開、或使測(cè)定位置移動(dòng)的微動(dòng)元件；驅(qū)動(dòng)微動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)部；以上述懸臂的第二諧振頻率對(duì)樣品進(jìn)行勵(lì)磁的第二振蕩器；以及輸入從位移檢測(cè)器輸出的位移信號(hào)及作為第二諧振頻率的參考信號(hào)的微小信號(hào)放大器。而且，驅(qū)動(dòng)部基于由位移檢測(cè)器檢測(cè)的懸臂前端的位移及第一諧振頻率，通過驅(qū)動(dòng)微動(dòng)元件而使探針相對(duì)于樣品接近或分開，從而測(cè)定樣品的凹凸形狀。微小信號(hào)放大器基于樣品的凹凸形狀、位移信號(hào)及上述參考信號(hào)，以生成與樣品表面的磁場(chǎng)相應(yīng)的輸出的方式進(jìn)行工作。
[0013]此外，本發(fā)明的磁力顯微鏡具備:在前端具有由磁性體構(gòu)成的探針或涂敷有磁性體的探針或薄膜形成有磁性體的探針的懸臂；以懸臂的第一諧振頻率激勵(lì)懸臂的第一振蕩器；檢測(cè)懸臂前端的位移的位移檢測(cè)器；將樣品固定在上表面，使探針相對(duì)于樣品接近、分開、或使測(cè)定位置移動(dòng)的微動(dòng)元件；驅(qū)動(dòng)微動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)部；以上述懸臂的第二諧振頻率的1/2的頻率對(duì)樣品進(jìn)行勵(lì)磁的第二振蕩器；以及輸入從位移檢測(cè)器輸出的位移信號(hào)及作為第二諧振頻率的參考信號(hào)的微小信號(hào)放大器。而且，驅(qū)動(dòng)部基于由位移檢測(cè)器檢測(cè)的懸臂前端的位移及第一諧振頻率，通過驅(qū)動(dòng)微動(dòng)元件而使探針相對(duì)于樣品接近或分開，從而測(cè)定樣品的凹凸形狀。第二振蕩器對(duì)樣品進(jìn)行勵(lì)磁，使之產(chǎn)生探針的磁性體的矯頑力以上的外部磁場(chǎng)，微小信號(hào)放大器基于樣品的凹凸形狀、位移信號(hào)及參考信號(hào)，以生成與樣品表面的磁場(chǎng)相應(yīng)的輸出的方式進(jìn)行工作。
[0014]本發(fā)明的高空間分辨率磁場(chǎng)測(cè)定方法具有:通過第一振蕩器以懸臂的第一諧振頻率激勵(lì)前端具有由磁性體構(gòu)成的探針或涂敷有磁性體的探針或薄膜形成有磁性體的探針的懸臂，基于懸臂前端的位移及第一諧振頻率，通過使探針相對(duì)于樣品接近或分開來測(cè)定樣品的凹凸形狀的步驟；以及通過第二振蕩器以懸臂的第二諧振頻率對(duì)樣品進(jìn)行勵(lì)磁，基于測(cè)定的凹凸形狀、懸臂前端的位移及第二諧振頻率，生成與樣品表面的磁場(chǎng)相應(yīng)的輸出的步驟。
[0015]此外，本發(fā)明的高空間分辨率磁場(chǎng)測(cè)定方法具有:通過第一振蕩器以懸臂的第一諧振頻率激勵(lì)前端具有由磁性體構(gòu)成的探針或涂敷有磁性體的探針或薄膜形成有磁性體的探針的懸臂，基于懸臂前端的位移及第一諧振頻率，通過使探針相對(duì)于樣品接近或分開來測(cè)定樣品的凹凸形狀的步驟；以及通過第二振蕩器以懸臂的第二諧振頻率的1/2的頻率對(duì)樣品進(jìn)行勵(lì)磁，基于測(cè)定的凹凸形狀、懸臂前端的位移及第二諧振頻率，生成與樣品表面的磁場(chǎng)相應(yīng)的輸出的步驟。第二振蕩器對(duì)樣品進(jìn)行勵(lì)磁，使之產(chǎn)生探針的磁性體的矯頑力以上的外部磁場(chǎng)。
[0016]發(fā)明效果
因?yàn)榛趹冶鄣牡诙C振頻率取得磁場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，所以不受第一諧振頻率的相位變動(dòng)的影響，即使不嵌入鎖相環(huán)，也能得到分辨率高的磁場(chǎng)分布數(shù)據(jù)。因?yàn)橛糜趯?duì)被測(cè)定樣品進(jìn)行勵(lì)磁的懸臂的第二諧振頻率能夠設(shè)定為比第一諧振頻率高的頻率，所以能夠提高測(cè)定的總處理能力，并縮短測(cè)定時(shí)間。示出了所檢測(cè)的磁場(chǎng)分布的信號(hào)不是FM信號(hào)，而是基于與第一諧振頻率獨(dú)立的頻率，即第二諧振頻率，因此，能夠以高S/N比得到信號(hào)。
[0017]通過第二振蕩器使之產(chǎn)生探針的磁性體的矯頑力以上的外部交流磁場(chǎng)，當(dāng)使交流磁場(chǎng)的兩倍的頻率與懸臂的二次諧振頻率相等時(shí)，能夠提高可測(cè)定的磁場(chǎng)分布的空間分辨率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是示出本發(fā)明的磁力顯微鏡的結(jié)構(gòu)例的框圖。
[0019]圖2是示出流過本發(fā)明的磁力顯微鏡的勵(lì)磁線圈的電流與位移檢測(cè)電路的輸出電壓之間的關(guān)系的圖。
[0020]圖3是示出由本發(fā)明的磁力顯微鏡測(cè)定的磁記錄頭的凹凸形狀的圖(構(gòu)形像(topography picture))。
[0021]圖4是測(cè)定圖3的磁記錄頭表面的磁場(chǎng)大小的圖。
[0022]圖5是帶相位信息(磁場(chǎng)的朝向)地測(cè)定圖3、4的磁記錄頭表面的磁場(chǎng)的圖。
[0023]圖6是對(duì)圖5的磁場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)處理而得到的圖。
[0024]圖7是示出為了與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行比較而由本發(fā)明的磁力顯微鏡測(cè)定的磁記錄頭表面的磁場(chǎng)大小的測(cè)定數(shù)據(jù)的圖。
[0025]圖8是示出以懸臂的一次諧振頻率的正好6倍的頻率對(duì)與在圖7中測(cè)定的磁記錄頭相同的磁記錄頭進(jìn)行勵(lì)磁的情況下的磁場(chǎng)大小的測(cè)定數(shù)據(jù)的圖。
[0026]圖9是示出在本發(fā)明的磁力顯微鏡中將勵(lì)磁電流設(shè)為ImAniis進(jìn)行測(cè)定的磁記錄頭的磁場(chǎng)測(cè)定結(jié)果的圖，圖9A示出Rcos Θ分量的測(cè)定結(jié)果，圖9B示出Rsin Θ分量的測(cè)定結(jié)
果O
[0027]圖10是示出在作為本發(fā)明的變形例的磁力顯微鏡中，將對(duì)被測(cè)定樣品進(jìn)行勵(lì)磁的勵(lì)磁電流設(shè)為5mA?s而施加超過強(qiáng)磁體探針的矯頑力的外部磁場(chǎng)的情況下的測(cè)定結(jié)果的圖。圖1OA示出Rcos Θ分量的測(cè)定結(jié)果，圖1OB示出Rsin Θ分量的測(cè)定結(jié)果。
[0028]圖11是示出在作為本發(fā)明的變形例的磁力顯微鏡中，將對(duì)被測(cè)定樣品進(jìn)行勵(lì)磁的勵(lì)磁電流設(shè)為IOmAnns而施加超過強(qiáng)磁體探針的矯頑力的外部磁場(chǎng)的情況下的測(cè)定結(jié)果的圖。圖1lA示出Rcos Θ分量的測(cè)定結(jié)果，圖1lB示出Rsin Θ分量的測(cè)定結(jié)果。
[0029]圖12是示出在作為本發(fā)明的變形例的磁力顯微鏡中，將對(duì)被測(cè)定樣品進(jìn)行勵(lì)磁的勵(lì)磁電流設(shè)為20mA.而施加超過強(qiáng)磁體探針的矯頑力的外部磁場(chǎng)的情況下的測(cè)定結(jié)果的圖。圖12A示出Rcos Θ分量的測(cè)定結(jié)果，圖12B示出Rsin Θ分量的測(cè)定結(jié)果。
[0030]圖13是示出本發(fā)明的磁力顯微鏡的其它變形例的結(jié)構(gòu)的框圖。
[0031]圖14是由圖13的結(jié)構(gòu)的磁力顯微鏡測(cè)定的構(gòu)形像及磁場(chǎng)分布像。圖14A是為了生成矯頑力以下的磁場(chǎng)而將勵(lì)磁電流設(shè)為ImAniis時(shí)的構(gòu)形像。圖14B是圖14A的條件下的磁場(chǎng)分布像。圖14C是為了生成超過矯頑力的磁場(chǎng)而將勵(lì)磁電流設(shè)為20mAMS時(shí)的構(gòu)形像。圖14D是圖14C的條件下的磁場(chǎng)分布像。
[0032]圖15是為了比較分辨率而以頻率與懸臂的二次諧振頻率相等的交流磁場(chǎng)超過矯頑力地對(duì)被測(cè)定樣品進(jìn)行勵(lì)磁的情況下的磁力顯微鏡的測(cè)定結(jié)果。圖15A示出磁場(chǎng)分布。圖15B示出Rcos Θ像。圖15C示出Rsin Θ像。
[0033]圖16A是將圖13D的虛線的截面中的磁場(chǎng)的強(qiáng)度分布作為電壓換算值(截面輪廓)示出的圖。圖16B是為了將磁場(chǎng)分布作為空間頻率的函數(shù)示出而對(duì)圖16A的截面輪廓的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換而得到的圖。
[0034]圖17是分別示出為了與變形例和其它變形例進(jìn)行比較而對(duì)圖15A?C的虛線的截面輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換而得到的數(shù)據(jù)的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035][磁力顯微鏡的結(jié)構(gòu)]
圖1是示出本發(fā)明的磁力顯微鏡的結(jié)構(gòu)例的框圖。[0036]在前端連接有具有強(qiáng)磁性體的探針I(yè)的板簧(以下，也稱為懸臂。)2呈單臂梁狀固定在壓電元件3。探針I(yè)是在娃材料表面形成有CoCrPt合金薄膜的探針。但是,磁性體不限于CoCrPt，可以是CoCr合金、CoPt合金等其它Co類合金，也可以是其它的磁性體，例如鐵酸鹽(ferrite)、Fe、N1、FePt、它們的合金或透磁合金(permalloy)等。探針I(yè)的形狀是圓錐或棱錐狀。懸臂2是硅制。但是，不限于硅制，也可以是氮化硅(silicon nitride)等其它材質(zhì)。另外，一般來說，探針I(yè)及懸臂2通過一體成型來形成。但是，為了提高測(cè)定的分辨率，可以是在硅制懸臂附加由碳納米管構(gòu)成的探針1，此外，也可以在一體成型的探針I(yè)的前端使針狀磁性體進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。
[0037]第一振蕩器4在懸臂2的固定端側(cè)與壓電元件3連接。第一振蕩器4以規(guī)定的頻率驅(qū)動(dòng)壓電元件3而使其振動(dòng)，以一次諧振頻率使懸臂2振動(dòng)。雖然第一振蕩器4由函數(shù)產(chǎn)生器構(gòu)成而產(chǎn)生正弦波，但是，也可以由其它正弦波產(chǎn)生電路構(gòu)成。
[0038]在由半導(dǎo)體激光器5、被四分割的光檢測(cè)元件6以及位移檢測(cè)電路7構(gòu)成的光杠桿中，為了檢測(cè)懸臂2的振動(dòng)狀態(tài)，用光檢測(cè)元件6檢測(cè)在懸臂2反射的激光并進(jìn)行光電變換。然后，用位移檢測(cè)電路7檢測(cè)所檢測(cè)的激光的振幅及相位的變化。另外，要進(jìn)行懸臂2的位移檢測(cè)，并不限于光杠桿，能夠使用利用其它干涉光的方式，例如，通過使用了光纖干涉計(jì)或棱鏡的聚焦誤差檢測(cè)進(jìn)行的方式等，進(jìn)而，還能夠使用干涉光以外的方式，例如，使用磁阻元件的方式或使用壓電元件的方式等。
[0039]位移檢測(cè)電路7的輸出與串聯(lián)連接的帶通濾波器9、RMS — DC變換器10連接，經(jīng)由誤差放大器11的反轉(zhuǎn)輸入與Z軸驅(qū)動(dòng)部12連接。在誤差放大器11的非反轉(zhuǎn)輸入連接有基準(zhǔn)參考電壓11a。而且，誤差放大器11的輸出與z軸驅(qū)動(dòng)部12連接，z軸驅(qū)動(dòng)部12的輸出與微動(dòng)元件16連接而驅(qū)動(dòng)微動(dòng)元件16的z掃描器部。z掃描器部被z軸驅(qū)動(dòng)部12相對(duì)于作為被測(cè)定樣品的磁記錄頭8的測(cè)定面在上下方向上驅(qū)動(dòng)。
[0040]信號(hào)處理控制部17經(jīng)由xy掃描驅(qū)動(dòng)部18及粗動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)部19分別與微動(dòng)元件16的xy掃描器部及粗動(dòng)機(jī)構(gòu)20連接。z軸驅(qū)動(dòng)部12及xy掃描驅(qū)動(dòng)部18的輸出還與信號(hào)處理控制部17連接，信號(hào)處理控制部17對(duì)被測(cè)定樣品的凹凸形狀數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，作為圖像數(shù)據(jù)輸出到監(jiān)視器22。
[0041]作為被測(cè)定樣品的磁記錄頭8固定于在xyz軸的各方向上以nm量級(jí)進(jìn)行被測(cè)定樣品的定位的微動(dòng)元件16的上表面。微動(dòng)元件16固定在寬范圍地在xyz軸的各方向上進(jìn)行被測(cè)定樣品的定位及掃描的粗動(dòng)機(jī)構(gòu)20的上表面。微動(dòng)元件16及粗動(dòng)機(jī)構(gòu)20經(jīng)由z軸驅(qū)動(dòng)部12、xy掃描驅(qū)動(dòng)部18、粗動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)部19控制探針I(yè)的前端與被測(cè)定樣品的表面的距離及位置。另外，微動(dòng)元件16例如由壓電元件形成，根據(jù)由z軸驅(qū)動(dòng)部12等施加的電壓，控制進(jìn)行位移的方向及位移量。另一方面，粗動(dòng)機(jī)構(gòu)通過機(jī)械的驅(qū)動(dòng)手段，例如電動(dòng)機(jī)控制進(jìn)行對(duì)測(cè)定臺(tái)的位置控制。
[0042]第二振蕩器13的輸出與卷繞在作為被測(cè)定樣品的磁記錄頭8的磁心的勵(lì)磁線圈14連接。勵(lì)磁線圈14的另一個(gè)端子經(jīng)由限流電阻15被接地。此外，第二振蕩器13的輸出與鎖相放大器21的參考輸入連接。光杠桿的位移檢測(cè)電路7的輸出與鎖相放大器21連接。鎖相放大器21基于作為第二振蕩器13的輸出的參考輸入信號(hào),對(duì)位移檢測(cè)電路7的輸出信號(hào)進(jìn)行鎖相檢波，輸出磁場(chǎng)的大小及磁場(chǎng)的相位數(shù)據(jù)。鎖相放大器21的輸出與信號(hào)處理控制部17連接，信號(hào)處理控制部17基于輸入的磁場(chǎng)的大小及磁場(chǎng)的相位數(shù)據(jù)，進(jìn)行規(guī)定的處理，并作為圖像數(shù)據(jù)輸出到監(jiān)視器22。
[0043]另外，顯然，在信號(hào)處理控制部17中進(jìn)行信號(hào)處理的凹凸形狀數(shù)據(jù)、磁場(chǎng)分布數(shù)據(jù)不僅能夠被輸出到監(jiān)視器22，而且能夠由打印機(jī)等其它的輸出裝置進(jìn)行輸出。
[0044][本發(fā)明的磁力顯微鏡的工作原理]
懸臂2是一端為自由端的單臂梁，具有多個(gè)諧振模式。為了求出一次諧振頻率f I與二次諧振頻率f2的關(guān)系，對(duì)懸臂2的撓曲方向的振動(dòng)振幅η考慮力學(xué)的運(yùn)動(dòng)方程式。
[0045][數(shù)式I]
【權(quán)利要求】
1.一種磁力顯微鏡，其特征在于，具備: 懸臂，在前端具有由磁性體構(gòu)成的探針或涂敷有磁性體的探針或薄膜形成有磁性體的探針； 第一振蕩器，以該懸臂的第一諧振頻率激勵(lì)上述懸臂； 位移檢測(cè)器，檢測(cè)上述懸臂前端的位移； 微動(dòng)元件，將樣品固定在上表面，使上述探針相對(duì)于該樣品接近、分開、或使測(cè)定位置移動(dòng)； 驅(qū)動(dòng)部，驅(qū)動(dòng)上述微動(dòng)元件； 第二振蕩器，以上述懸臂的第二諧振頻率對(duì)上述樣品進(jìn)行勵(lì)磁；以及微小信號(hào)放大器，輸入從上述位移檢測(cè)器輸出的位移信號(hào)及作為上述第二諧振頻率的參考信號(hào)， 上述驅(qū)動(dòng)部基于由上述位移檢測(cè)器檢測(cè)的上述懸臂前端的位移及上述第一諧振頻率，通過驅(qū)動(dòng)上述微動(dòng)元件來使上述探針相對(duì)于上述樣品接近或分開，從而測(cè)定該樣品的凹凸形狀， 上述微小信號(hào)放大器基于上述樣品的凹凸形狀、上述位移信號(hào)及上述參考信號(hào)，生成與上述樣品表面的磁場(chǎng)相應(yīng)的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁力顯微鏡，其中， 上述第一諧振頻率是上述懸臂的一次諧振頻率， 上述第二諧振頻率是上述懸臂的二次以上的高次諧振頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁力顯微鏡，其中， 上述高次諧振頻率是二次諧振頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁力顯微鏡，其中， 上述位移檢測(cè)器是光杠桿，上述光杠桿包括: 激光輸出部，輸出激光； 光接收元件，輸入將從上述激光輸出部輸出的激光在上述懸臂進(jìn)行反射的反射光；以及 信號(hào)處理部，通過處理在上述光接收元件進(jìn)行變換的電信號(hào)，從而測(cè)定上述懸臂的位移量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁力顯微鏡，其特征在于， 上述第二振蕩器經(jīng)由以覆蓋上述樣品的方式接近配置的線圈，以上述第二諧振頻率對(duì)上述樣品進(jìn)行勵(lì)磁。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁力顯微鏡，其中， 上述微小信號(hào)放大器是鎖相放大器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁力顯微鏡，其特征在于， 上述第二振蕩器對(duì)上述樣品進(jìn)行勵(lì)磁，使之產(chǎn)生上述探針的磁性體的矯頑力以上的外部磁場(chǎng)。
8.—種磁力顯微鏡,其特征在于,具備: 懸臂，在前端具有由磁性體構(gòu)成的探針或涂敷有磁性體的探針或薄膜形成有磁性體的探針；第一振蕩器，以該懸臂的第一諧振頻率激勵(lì)上述懸臂； 位移檢測(cè)器，檢測(cè)上述懸臂前端的位移； 微動(dòng)元件，將樣品固定在上表面，使上述探針相對(duì)于該樣品接近、分開、或使測(cè)定位置移動(dòng)； 驅(qū)動(dòng)部，驅(qū)動(dòng)上述微動(dòng)元件； 第二振蕩器，以上述懸臂的第二諧振頻率的1/2的頻率對(duì)上述樣品進(jìn)行勵(lì)磁；以及微小信號(hào)放大器，輸入從上述位移檢測(cè)器輸出的位移信號(hào)及作為上述第二諧振頻率的參考信號(hào)， 上述驅(qū)動(dòng)部基于由上述位移檢測(cè)器檢測(cè)的上述懸臂前端的位移及上述第一諧振頻率，通過驅(qū)動(dòng)上述微動(dòng)元件而使上述探針相對(duì)于上述樣品接近或分開，從而測(cè)定該樣品的凹凸形狀， 上述第二振蕩器對(duì)上述樣品進(jìn)行勵(lì)磁，使之產(chǎn)生上述探針的磁性體的矯頑力以上的外部磁場(chǎng)， 上述微小信號(hào)放大器基于上述樣品的凹凸形狀、上述位移信號(hào)及上述參考信號(hào)，生成與上述樣品表面的磁場(chǎng)相應(yīng)的輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁力顯微鏡，其中， 上述第一諧振頻率是上述懸臂的一次諧振頻率， 上述第二諧振頻率 是上述懸臂的二次以上的高次諧振頻率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁力顯微鏡，其中， 上述高次諧振頻率是二次諧振頻率。
11.一種高空間分辨率磁場(chǎng)測(cè)定方法，具有: 通過第一振蕩器以懸臂的第一諧振頻率激勵(lì)在前端具有由磁性體構(gòu)成的探針或涂敷有磁性體的探針或薄膜形成有磁性體的探針的該懸臂，基于該懸臂前端的位移及第一諧振頻率，通過使該探針相對(duì)于樣品接近或分開從而測(cè)定該樣品的凹凸形狀的步驟；以及 通過第二振蕩器以上述懸臂的第二諧振頻率對(duì)上述樣品進(jìn)行勵(lì)磁，基于上述測(cè)定的凹凸形狀、該懸臂前端的位移及該第二諧振頻率，生成與上述樣品表面的磁場(chǎng)相應(yīng)的輸出的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高空間分辨率磁場(chǎng)測(cè)定方法，其中， 上述第一諧振頻率是上述懸臂的一次諧振頻率， 上述第二諧振頻率是上述懸臂的二次以上的高次諧振頻率。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的高空間分辨率磁場(chǎng)測(cè)定方法，其中， 上述高次諧振頻率是上述懸臂的二次諧振頻率。
14.一種高空間分辨率磁場(chǎng)測(cè)定方法，其特征在于，具有: 通過第一振蕩器以懸臂的第一諧振頻率激勵(lì)在前端具有由磁性體構(gòu)成的探針或涂敷有磁性體的探針或薄膜形成有磁性體的探針的該懸臂，基于該懸臂前端的位移及第一諧振頻率，通過使該探針相對(duì)于樣品接近或分開從而測(cè)定該樣品的凹凸形狀的步驟；以及 通過第二振蕩器以上述懸臂的第二諧振頻率的1/2的頻率對(duì)上述樣品進(jìn)行勵(lì)磁，基于上述測(cè)定的凹凸形狀、該懸臂前端的位移及該第二諧振頻率，生成與上述樣品表面的磁場(chǎng)相應(yīng)的輸出的步驟，上述第二振蕩器對(duì)上述樣品進(jìn)行勵(lì)磁，使之產(chǎn)生上述探針的磁性體的矯頑力以上的外部磁場(chǎng)。.
【文檔編號(hào)】G01R33/12GK103443632SQ201280012040
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2012年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月7日
【發(fā)明者】真島豐, 東康男, 田中杰 申請(qǐng)人:國立大學(xué)法人東京工業(yè)大學(xué)