JPH04116401A

JPH04116401A - 磁場観測装置及び方法

Info

Publication number: JPH04116401A
Application number: JP23343890A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Watanuki; 綿貫　理明; Fuminori Sai; 佐井　文憲; Kuniaki Sueoka; 邦昭末岡
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-09-05
Filing date: 1990-09-05
Publication date: 1992-04-16
Anticipated expiration: 2010-06-21
Also published as: JPH0758323B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】Ａ、産業上の利用分野本発明は、試料表面近傍の磁場の観測装置及び方法に関
する。さらに詳しくは、試料表面の形状と磁場に関する
データを同時に測定できる走査型トンネル顕微鏡（ＳＴ
Ｍ）に関する。

Ｂ、従来技術近年、磁気記録装置の記録密度が向上してきている。そ
のような装置の構成部品の欠陥等を調べるためには、表
面形状をナノメータの精度で観測することと、その表面
近傍で発生する磁場を観測することが重要である。そし
て、表面形状の磁場に対する影響を調べるために、両者
を同時に観測することが最も望ましい。

Ｍａｒｔｉｎらは、以下の文献において、原子開力顕微
鏡の原理を用いた磁力顕微鏡（ＭＦＭ）を提案している
。

（１）　Ｙ、Ｍａｒｔｉｎ、　Ｈ，に、Ｗｉｃｋｒａｍ
ａｓｉｎｇｈｅ、　　”Ｍａｇｎｅｔｉｃｉｍａｇｉｎ
ｇ　ｂｙ　’ｆｏｒｃｅ　ｍ１ｃｒｏｓｃｏｐｙ”　ｗ
ｉｔｈ　１０００人ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　、　Ａｐｐ
ｌ、　Ｐｈｙｓ、　ＬｅｔＬ、、　　５０（２０）、　
　ｐｐ、１４５５−１４５７．　１８　Ｍａｙ　１９８
７゜（２）　Ｐ、Ｃ，Ｄ、Ｈｏｂｂｓ、　　Ｄ、Ｗ−Ａ
ｂｒａｈａｍ、　　ａｎｄ　Ｉｌ、に、Ｗｉｃｋｒａｍ
ａｓｉｎｇｈｅ、　　”Ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｏｒｃｅ
　ｍ１ｃｒｏｓｃｏｐｙ　ｗｉｔｈ　２５ｎｍ　ｒｅｓ
ｏｌｕｔｉｏｎ　、　　Ａｐｐｌ、　　Ｐｈｙｓ、　　
Ｌｅｔｔ、、　　５５（２２）、ｐｐ、２３５７−２３
５９．　２７　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　１９８９゜これら従
来のＭＦＭは、磁性体で作ったチップを載せたカンチレ
バーをその共振周波数の近傍で常時大きく振動させ、チ
ップが磁力を感知したときに生じる振幅のシフトを、干
渉計等を使って光学的に観測する。磁場に関するデータ
としては、磁場の１階微分又は２階微分を求めることが
できる。同じ装置で磁力の代りにチップ先端の原子と試
料表面の原子との間で働く原子間力をチップに感知させ
れば、表面形状を観測することができる。

このように、上記（１）、（２）の装置では、磁力はも
ちろん、表面形状もチップ先端に作用する力に還元して
観測される。したがって、観測された振幅のシフトから
二つの力の影響を区別しなければならないので、磁力と
表面形状を同時に観測するのは極めて困難である。また
、カンチレバーの振幅を光学的に観測するための光学系
のセツティングは煩瑣である。

このようにＭＦＭは調整や操作が困難であるのに加えて
、いまだに市販されていない。したがって、市販されて
いるものを入手でき、且つ調整や操作の比較的容易なＳ
ＴＭを使って磁場を観測することのできる装置が望まれ
る。

ＳＴＭを使って表面形状とチップに働く力の観測を同時
に行なう試みも行われており、以下の文献に開示されて
いる。

（３）　Ｎ、Ａ、Ｔａｕｂｅｎｂｌａｔｔ、　　”Ｌａ
ｔｅｒａｌ　Ｆｏｒｃｅｓ　ａｎｄ　ｔ。

ｐｏｇｒａｐｈｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｃａｎｎｉ
ｎｇ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｍ１ｃｒｏｓｃｏｐｅ　ａ
ｎｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ
　ｔｉｐ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　。

ＩＢＭ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ　
Ｂｕｌｌｅｔｉｎ、　Ｖｏｌ、３２゜Ｎｏ、３Ａ、ｐｐ
、２５０−２５１．　Ａｕｇｕｓｔ　　１９８９゜（４
）　Ｕ、Ｄｕｒｉｇ、　Ｊ、に、Ｇｉｍｚｅｗｓｋｉ、
　ａｎｄ　Ｄ、Ｗ、Ｐｏｈｌ。

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　０ｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　
ｏｆ　Ｆｏｒｃｅｓ　Ａｃｔｉｎｇ　ｄｕｒｉｎｇ　Ｓ
ｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃ
ｏｐｙ　、　Ｐｈｙｓ、　Ｒｅｖ、　Ｌｅｔｔ、、　Ｖ
ｏｌ、５７．　Ｎｏ、１９．　ｐｐ、２４０３−２４０
６．　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　１９８６゜このうち、（３）の装置は、ＳＴＭのチップの振幅の変
化の検出が光学的に行われる点で、上記ＭＦＭと同様の
問題点がある。さらに、試料表面と平行な方向にチップ
を揺らす力しか検出できず、磁気ヘッドの発生する磁場
の観測には不適当である。

（４）の装置では、第９図に示すように、表面形状を測
定しようとする金の薄膜の試料１００がフレキシブルな
カンチレバー１０２の先端に載せられる。熱ゆらぎに起
因してカンチレバー１０２が共振周波数近傍で約０．２
５人の微小な振幅で振動するが、それはトンネル電流の
上記周波数成分の形で検出される。タングステン製のＳ
ＴＭチップ１０４の先端と試料表面の間で働くファン・
デア・ワールス力の傾斜が存在すると、カンチレバー１
０２の共振周波数が変化する。そこで、トンネル電流を
スペクトル・アナライザーで分析し、共振周波数のシフ
トを検出すれば、ファン・デア・ワールスカに関するデ
ータを得ることができる。

試料の表面形状のデータは、高周波数成分をカットした
トンネル電流に基づいてチップ１０４と試料表面の距離
を一定に制御するときの、チップのＺ方向駆動手段に与
える信号の形で得られる。

しかしながら、この装置のチップを磁性体で作ったとし
ても、薄膜磁気ヘッドの表面形状と磁場を両方観測する
ことは、以下の理由で困難である。

（Ｉ）通常、磁気ヘッドはスライダと一体化されている
。さらに、磁場を発生させるための電流を供給するため
のワイヤも取り付けられる。したがって、試料の重量は
金の薄膜より遥かに大きくなる。

そのような重い試料を支えるフレキシブルなカンチレバ
ーを用意することが困難である。

（ＩＩ）力に起因するトンネル電流の変化と表面形状に
起因するそれとを区別するためには、試料したがってカ
ンチレバーの振動数は高くなければならない。しかしな
がら、磁気ヘッドのごとき重い試料をカンチレバーに載
せて高周波で振動させることは困難である。もし高周波
で振動させることができたとしても、振幅が小さくなる
ので、共振周波数のシフトを検出するのは困難である。

（Ｉｌｌ）チップよりも遥かに重く、且つ体積の大きい
試料及び試料台の方が振動するのであるから、ノイズの
影響を受けやすく、測定結果のＳ／Ｎ比が低下する。こ
の場合のノイズとは、風や音波等の空気振動、防震台を
通して伝わる振動である。

要するに、体積及び質量の大きな試料を、それらの小さ
なＳＴＭのチップで観ＡＩＪシようとする場合に、試料
の方を動かすのは不自然である。よって、試料を動かさ
ないで、表面形状と磁場のデータを同時に獲得できる測
定装置が望まれる。

Ｃ１発明が解決しようとする課題したがって、本発明の目的は、チップを試料表面に沿っ
て走査しながらトンネル電流を測定するＳＴＭモードで
試料表面近傍の磁場を簡単な操作で観測できる新規な装
置を提供することにある。

本発明の他の目的は、重い試料であってもその表面形状
及び表面直上の磁場をＳＴＭモードで同時に観測できる
装置及び方法を提供することにある。

］９本発明のさらに他の目的は、従来のＳＴＭにわずかな修
正を加えた装置で磁場の観測を可能にすることにある。

０１課題を解決するための手段本発明の１つの局面によれば、少なくとも表面が導電性
である試料表面近傍の、所定周波数で交番する磁場を観
測するための装置であって、（ａ）カンチレバーと、（ｂ）上記カンチレバーに支持され、少なくとも先端が
磁気モーメントを有するチップと、（ｃ）上記デツプと
上記試料表面との間に電圧を印加する手段と、（ｄ）上記チップと上記試料表面の距離をトンネル電流
の流れ得る距離に保つ手段と、（ｅ）上記チップに電気的に接続された、上記磁場と上
記磁気モーメントの相互作用の結果発生するトンネル電
流の上記所定周波数成分を抽出する手段を具備する観測装置が提供される。

そのような新規なＳＴＭを用いる磁場の観測力法は、（ａ）上記チップと上記試料表面の距離をトンネル電流
の流れ得る距離に保ちながら、上記所定周波数で交番す
る磁場を発生させ、上記磁気モーメントを上記磁場と相
互作用させて上記チップを振動させるステップと、（ｂ）ｌ−ンネル電流の上記所定周波数成分を抽出する
ステップを含むことを特徴とする。

本発明の他の局面によれば、少なくとも表面が導電性で
ある試料表面近傍の磁場を観測するための装置であって
、（ａ）カンチレバーと、（ｂ）上記カンチレバーに支持され、少なくとも先端の
表面が磁性体であるチップと、（ｃ）上記チップの磁気モーメントの向きを所定周波数
でスイッチする手段と、（ｄ）上記チップと上記試料表面との間に電圧を印加す
る手段と、（ｅ）上記チップと上記試料表面の距離をトンネル電流
の流れ得る距離に保つ手段と、（ｆ）上記チップに電気的に接続された、上記磁場と上
記磁気モーメントの相互作用の結果発生ずるトンネル電
流の上記所定周波数成分を抽出する手段を具備する観測装置が提供される。

そのような新規なＳＴＭを用いる磁場の観測方法は、（ａ）上記チップと上記試料表面の距離をトンネル電流
の流れ得る距離に保ちながら、上記チップの磁気モーメ
ントの向きを所定周波数でスイッチし、上記磁気モーメ
ントを上記磁場と相互作用させて上記チップを振動させ
るステップと、（ｂ）トンネル電流の上記所定周波数成分を抽出するス
テップを含むことを特徴とする。

本発明の何れの局面においても、上記チップを試料表面
に沿って走査する場合において、さらに、（ｃ）トンネ
ル電流の高周波数成分をカットするステップと、（ｄ）上記高周波数成分カット後のトンネル電流が一定
になるように上記Ｚ方向制御手段の出力を決定するステ
ップを付加することによって、試料表面の形状も同時に観測
することが可能になる。

Ｅ、実施例例１第１図は、チップ１２を有するＳＴＭユニット１０を用
いて、薄膜磁気ヘッドである試料１４の表面形状とその
近傍で発生する交流磁場を同時に観測する装置の構成を
示す。ＳＴＭユニット１０は、カンチレバーに取り付け
た、少なくとも先端が磁気モーメントを有するチップを
用意すれば、現在市販されているのものをそのチップを
取替えるだけで転用することができる。

周知のように、ＳＴＭは導電性の試料表面の形状を観測
するためのものである。したがって、ＳＴＭで非導電性
の試料の表面を観測するためには、その上に導電性物質
を付着させる必要がある。薄膜磁気ヘッドの検査のため
には数百人の分解能があればよいので、その表面に１０
０〜２００人程度の厚さのｐｔ等の膜をスパッタにまり
均一に付着させておけばよい。

第２図は、チップ１２とその周囲の拡大図である。チッ
プ１２は、試料表面に平行な方向に延びるカンチレバー
１６の自由端に取り付けられている。本例では、チップ
１２は、先端の曲率半径が約０．１μｍ、長さＬｌが２
００−３００ｕ、ｍである。また、本例のカンチレバー
１６は、長さＬ２が約７００　ｕｍ、直径は約１１００
ｕである。

カンチレバー１６の１端は、Ｚ方向に延びる部材１８に
よってピエゾ素子２０．２２．２４に対して固定される
。部材１８は、本例では直径２５０μｍである。もちろ
ん、部材１６と１８は一体に成型することができる。ピ
エゾ素子２０．２２．２４は、それぞれカンチレバー１
６、したがってチップ１２をｘ、　ｙ、　ｚ方向に動か
して、チップを試料表面からトンネル電流の流れ得る距
離に保ちつつ、試料表面に沿って走査するための、アク
チュエータとして機能する公知のピエゾ素子である。こ
こで、Ｘ％　ｙ方向は試料表面に対して平行であり、Ｚ
方向は同表面に対して垂直とする。チップの軸方向はＺ
方向と一致している。

チップ１２は、少なくとも先端の表面が、Ｆｅ。

Ｎｉ等の磁性体で作られる必要がある。チップ１２全体
がその内部も含めて強磁性体であってもよい。チップ１
２とカンチレバー１６は、一体に成型してもまいし、別
々に成型して後で接合してもよい。

一般に磁石がＳＴＭのチップ先端のように鋭く突かった
針の形をとるとき、形状異方性のために、磁気モーメン
トは、針の軸方向を向き、且つその方向は外部の磁場の
向きにほとんど左右されない。

したがって、チップ１２の先端には、試料表面近傍に発
生する磁場によりＺ方向の引力又は斥力が作用する。ま
た、チップ１２の先端は試料表面まで数十オングストロ
ームまで近づけられるので、ファン−デア・ワールス力
等の非磁気的な力の影響も受ける。したがって、チップ
１２の先端に作用するＺ方向の力Ｆ２は、次の式（１）
のように表わされる。

ただし、Ｆｎは、ファン・デア・ワールス力等の非磁気
的な力であり、■はチップ先端の磁気モーメントのｚｔ
ｊ、分の大きさであり、しは試料表面近傍に発生する磁
場ＨのＺ成分であり、ｒは位置のベクトル、ｔは時間で
ある。

これらの力の総和がカンチレバー１６に加わり、カンチ
レバーが撓む結果、チップ１２の先端は、Ｚ方向に変位
する。その変位量δ２は、次の式（２）のように定まる
。

ここで、Ｉは慣性モーメント、Ｌはカンチレバーのアー
ムの長さ、Ｅはヤング率、ｄはカンチレバーのばね定数
である。

本発明では、チップと試料表面の間の距離は、試料表面
の凹凸によって変化するほかに、カンチレバーの撓みに
よってチップと試料表面の距離がさらにδ２だけ変化す
るので、トンネル電流ＪＴは次の式（３）で与えられる
ように変化する。

ここで、Ｚはカンチレバーの撓みがないときの試料表面
とチップの間の距離、Φは仕事関数（試料表面から電子
を出させるのに必要な仕事）、Ｊｏ、Ａは定数である。

第１図において、ｘ、ｙ方向制御回路３０は、チップ］
２をｘ、ｙ方向に走査するための電圧信号を、ｘ、ｙ方
向駆動用のピエゾ素子に供給する。

Ｚ方向制御回路３２は、チップ１２をＺ方向に動かすた
めの電圧信号をＺ方向駆動用のピエゾ素子に供給する。

具体的には、これらの回路は１．００Ｖ程度の高電圧を
発生するトランジスタ回路であってよい。

通常のＳＴＭでは、トンネル電流を一定に保ちながら、
チップをｘ、　ｙ方向に走査する。チップが試料表面の
凸部分上に来るとトンネル電流が増えるので元の電流に
なる位置までチップを上げ、開部分では逆にチップを下
げる。この操作を繰り返し、ピエゾ素子に加えた電圧の
変化を取り出して画像化すれば、表面の構造を原子のス
ケールで観測することも可能である。

本発明においても表面形状の観測は基本的には同じ原理
に基づいて行なわれる。しかしながら、本発明の装置で
は、チップと試料表面の距離は、試料表面の形状のみで
は決らず、チップ先端に作用する力による影響も受ける
。したがって、トンネル電流には両者の影響が混在して
いる。試料表面形状又は力を正確にポリ定するためには
この両者の影響を分離する必要がある。そのために、本
発明では、磁気ヘッドの発生する磁場が交流磁場である
ことを利用する。

磁気ヘッド１４のコイルには、第１図及び第３図に示す
ように、発振器４０の発生する交流信号が供給され、こ
れによって交流磁場が発生する。

発振器４０の出力はロックイン・アンプ４２の基準信号
（Ｒｅｒ）としても使用される。今、磁気ヘッドに与え
る交流信号が角周波数ω。の正弦波であるとする。この
とき、磁気ヘッドの発生ずる交流磁場ＨのＺ成分Ｈｚは
次の式（４）で表わされる。

Ｈ＝（ｒ、　ｔ）　−Ｈ−（ｒ）ｃｏｓωｏ　ｔ　　（
４，）このような交流磁場の下では、カンチレバーの自
由端の撓みδ２は次の式（５）で表わされる。

ここで、Ｈ，（ｒ）はＩ（、と略した。上の式かられか
るように、チップは角周波数ω。で振動する。

したがって、トンネル電流は変調を受ける。この変調を
受けたトンネル電流から、ロックイン・アンプ４２を通
して角周波数ω。の成分を抽出する。

ロックイン・アンプ４２の出力ｆ　（Ｊ）は、次の式４
式％したがって、ｆ（Ｊ）の対数は、磁力ｍａＨ，，／ａＺ
、つまり磁場の傾斜θ１且／ａＺに比例する。

磁場の傾斜ａ　Ｉ−Ｉ　、／　ａ　ｚの大きさはロック
イン・アンプ４２を通して抽出されたトンネル電流の角
周波数ω。の成分の振幅かられかる。一方、磁場の傾斜
ａ　Ｈ，／　ａ　ｚの符号は、トンネル電流の角周波数
ω。の成分の位相かられかる。例えば、第３図の磁極１
の近傍でｃ？　Ｈ，／　ａ　ｚの符号をプラスとすれば
、磁極２の近傍では磁場の傾斜、９Ｈ，。

／ａＺの符号はマイナスとなる。これは、磁極１と磁極
２の近傍でトンネル電流の角周波数ω０の成分の位相が
１８００ずれることがられかる。このような位相のずれ
は、ロックイン・アンプ４２において、トンネル電流と
基準信号（Ｒｅｒ）を比較することによって検出される
。

第１図に示されるように、トンネル電流は、ロックイン
・アンプ４２に並列に接続されたローパ＝３０＝スフィルタ（ＬＰＦ）４４にも供給される。ＬＰＦ４４
の出力は、フィードバック回路４６へ供給される。第４
図に示すように、ＬＰＦ４４の遮断周波数ω。を、交流
磁場の周波数、即ちトンネル電流の交流成分のビークω
。より充分低く設定しておけば、トンネル電流から磁場
の影響を除去することができる。なお、第４図において
、曲線ＡはＬＰＦの特性を示し、曲線Ｂはトンネル電流
の交流成分のスペクトルを示している。一般に、薄膜磁
気ヘッドの発生する交流磁場の周波数は１０〜２０ｋＨ
ｚに設定されるから、そのような遮断周波数を設定する
ことは簡単である。ＬＰＦ４４の出力は、試料表面形状
の影響だけを受ける。フィードバック回路４６はＬＰＦ
４４の出力を基準値と比較し、両者の差を解消するべく
、フィードバック信号をＺ方向制御回路３２に供給する
。Ｚ方向制御回路３２は、フィードバック信号に応じた
電圧信号をＺ方向駆動用のピエゾ素子に供給する。

この結果、チップの振動の影響を除いたチップ−試料表
面の距離は一定に保たれる。

なお、今の例では磁気ヘッドに与える交流信号は正弦波
であったけれども、周波数一定の矩形波を与える場合に
も、同様の方法で試料表面形状の影響と磁場の影響を分
離できる。

表面形状は、ｘ、　Ｘ方向制御回路３０とＺ方向制御回
路３２の出力にしたがって、表面形状可視化装置５０に
よって可視化される。磁場に関するデータ、この場合は
Ｅｌ　Ｈ−／　ａ　ｚの分布は、ロックイン・アンプ４
２の出力とＸｌ、Ｘ方向制御回路３ｏの出力にしたがっ
て、磁場傾斜分布可視化装置５２によって可視化される
。表面形状可視化装置５０及び磁場傾斜分布可視化装置
５２は、例えばデイスプレィを備えたコンピュータであ
る。なお、ｘ、Ｘ方向制御回路３０．ｚ方向制御回路３
２からＳＴＭユニット１０へ供給される信号のレベルと
、これら回路３０．３２から可視化装置５０．５２へ供
給される信号のレベルは、比例関係にありさえすればよ
いのであって、レベルが一致している必要はない。

第５図は、薄膜磁気ヘッドの側部の表面形状の＝３２＝画像出力の１例である。ｙ軸、ｙ軸は、それぞれチップ
のＸ走査方向、Ｘ走査方向に対応している。

ｙ軸は、試料表面の高さを表わす。チップはＸ方向に約
８μ、Ｘ方向に約２μ走査されている。ここでは、各軸
の目盛の数字は、相対的な尺度を提供している。第６図
は、第５図に対応する同時に測定された磁場傾斜分布の
画像出力である。　ｙ軸の目盛の数字は、磁場傾斜の相
対的な大きさを示している。

第７図は、薄膜磁気ヘッドの中央部表面形状の画像出力
の１例である。走査範囲のサイズは第５図の場合と同じ
である。ＬＰの部分が左側磁極であり、Ｇの部分がギャ
ップであり、ＲＰの部分が右側磁極である。左側磁極に
異物が付着しているのが観測される。第８図は、第７図
に対応する同時に測定された磁場傾斜分布の画像出力の
１例である。異物の付着部分で磁場傾斜の値が低くなっ
ていることがわかる。

例２例１は、磁気ヘッドの発生する磁場のような動的な磁場
の観測を可能にした。そのほかに、本発明は、磁気媒体
の呈するような静的な磁場の観測にも適用可能である。

以下、そのような観測を可能にする例について説明する
。

動的磁場測定装置のチップ先端は磁気モーメントが一方
向に固定された磁石であるのに対し、静的磁場測定装置
のチップ先端は磁気モーメントの向きが所定の周波数で
スイッチするように構成される。具体的には、チップの
周囲にコイルを巻き、そのコイルに発振器を接続して所
定周波数の交流信号を与えることによって、交流磁場を
発生させる。この交流磁場によって、チップの少なくと
も先端に磁気モーメントを発生させ、且つその向きを上
記所定周波数でスイッチする。交流信号は正弦波でも矩
形波でもまい。

したがって、静的磁場を測定するためには、チップの磁
気モーメントの向きが交替しゃすいことが要請される。

そのような要請を満たすことの可能なチップ構造の１例
が、末岡他、”ＦｅコートＭ、　Ｆ　Ｍチップによる磁
界画像”、第３回応用物理学関係連合講演会講演予稿集
、３１ａ　　ＰＡ−９゜ｐａ　ｒ　ｔ　ＩＩ、Ｐ、４３
４．１０００年３月に開示されている。それによれば、
チップ本体をタングステン製とし、その表面に厚さ１０
００〜２０００人のＦｅ薄膜をスパッタにより付着した
ものが使用可能である。

例１と同じように、磁気モーメントと磁場の相互作用に
よって、チップには磁気的な力が働き、カンチレバーを
撓ませる。したがって、ロックイン・アンプでトンネル
電流から上記所定周波数成分を抽出すれば、表面近傍の
磁場の傾斜の大きさがわかる。また、磁場の傾斜の符号
はトンネル電流の上記所定周波数成分の位相かられかる
。例えば、垂直磁化膜の場合、媒体表面がＮ極である磁
区の直上で磁場の傾斜の符号がプラスであるならば、媒
体表面がＳ極である磁区の直上で磁場の傾斜の符号はマ
イナスになる。、これは、前者と後者の磁区の上で、ロ
ックイン・アンプで検出されるトンネル電流の上記所定
周波数成分の位相が１８００ずれることかられかる。

このようにして観測された媒体表面の磁場は、試料表面
から数十オングストローム離れた場所でのものであるか
ら、媒体に形成された磁区のパターンが観測できたとい
ってよいことに留意されたい。ただし、媒体上の磁区パ
ターンの観測を成功させるためには、チップ先端の磁気
モーメントが作る磁場の媒体表面上での強さが同媒体の
保磁力Ｈｃより小さいことが要請される。かかる要請を
満たすためには、コイルの巻数と同コイルに流す電流の
値を適当に決める必要がある。

例１と同様に、高周波数成分をカットしたトンネル電流
が一定になるようにＺ方向制御回路の出力を決定すれば
、Ｘ、Ｖ、Ｚ方向の制御回路の出力を用いて試料表面の
形状を可視化することも可能である。

変形例本発明は、チップを動かさないである１点での磁場を観
測する場合にも適用可能である。

また、上記例では１次的には磁場の傾斜が可視化される
けれども、データを加工して、磁場のＺ成分、あるいは
その２階微分等の他のデータを可視化することもできる
。もちろん、それらのデータを直ちに可視化しないで記
憶装置に記憶させることもできる。

Ｆ１発明の効果本発明によれば、チップを試料表面に沿って走査しなが
らトンネル電流を測定するＳＴＭモードで試料表面近傍
の磁場を簡単な操作で観測することができる。

また、本発明によれば、重い試料であってもその表面形
状及び表面直上の磁場をＳＴＭモードで同時に観測する
ことができる。

また、本発明によれば、従来のＳＴＭにわずかな修正を
加えた装置を使って、磁場の観測が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の１実施例のハードウェア構成を示す
ブロック図である。第２図は、チップの拡大図である。第３図は、−に記実施例による磁場観測の原理の説明図
である。第４図は、本発明に用いるＬＰＦの周波数特性
を示す図である。第５図は、試料表面形状の観測結果の
１例を示すグラフである。第６図は、第５図に対応する
磁場の観測結果を示すグラフである。第７図は、試料表
面形状の観測結果の他の例を示すグラフである。第８図
は、第７図に対応する磁場の観測結果を示すグラフであ
る。第９図は、従来技術による、ＳＴＭを用いた試料表
面形状と力の同時測定装置の説明図である。出願人　　　インターナショナル−ビジネス・マシーン
ズ・コーポレーション代理人　　　弁理士　頓宮孝−（外−名）Ｚ軸Ｚ軸Ｚ軸Ｚ軸続補正書（自発平成　３年２月７日

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも表面が導電性である試料表面近傍の、
所定周波数で交番する磁場を観測するための装置であっ
て、（ａ）カンチレバーと、（ｂ）上記カンチレバーに支持され、少なくとも先端が
磁気モーメントを有するチップと、（ｃ）上記チップと上記試料表面との間に電圧を印加す
る手段と、（ｄ）上記チップと上記試料表面の距離をトンネル電流
の流れ得る距離に保つ手段と、（ｅ）上記チップに電気的に接続された、上記磁場と上
記磁気モーメントの相互作用の結果発生するトンネル電
流の上記所定周波数成分を抽出する手段を具備する観測装置。
（２）上記手段（ｅ）の出力を用いて、上記磁場に関す
るデータを可視化する手段を備えた請求項１記載の装置
。
（３）上記試料表面に垂直な方向をｚ方向とするとき、
上記チップの少なくとも先端はｚ方向の磁気モーメント
を有し、上記チップは磁場のｚ成分のｚ方向の傾斜が存
在するときに力を受ける請求項１又は２記載の装置。
（４）少なくとも表面が導電性である試料の表面形状と
該試料表面近傍の所定周波数で交番する磁場の観測を同
時に行なうための装置であって、（ａ）カンチレバーと
、（ｂ）上記カンチレバーに支持され、少なくとも先端が
磁気モーメントを有するチップと、（ｃ）上記チップと上記試料表面との間に電圧を印加す
る手段と、（ｄ）上記試料表面と平行な方向をｘ、ｙ方向、上記試
料表面に垂直な方向をｚ方向とするとき、それぞれの入
力信号に応じて上記チップをｘ、ｙ、ｚ方向に動かすた
めのｘ方向駆動手段、ｙ方向駆動手段、及びｚ方向駆動
手段と、（ｅ）２方向に関して上記チップと上記試料表面の距離
をトンネル電流の流れ得る距離に保って、上記チップを
ｘ、ｙ方向に走査するべく、それぞれ上記ｘ方向駆動手
段、ｙ方向駆動手段、及びｚ方向駆動手段に信号を与え
るｘ方向制御手段、ｙ方向制御手段、及びｚ方向制御手
段と、（ｆ）上記チップに電気的に接続された、上記磁場と上
記磁気モーメントの相互作用の結果発生するトンネル電
流の上記所定周波数成分を抽出する手段と、（ｇ）上記チップに電気的に接続された、ローパスフィ
ルタと、（ｈ）上記ローパスフィルタの出力が一定になるように
上記ｚ方向制御手段の出力を決定する手段を具備する観
測装置。
（５）上記ｘ方向制御手段、ｙ方向制御手段及びｚ方向
制御手段の出力を用いて、上記試料表面形状を可視化す
る手段を備えた請求項４記載の装置。
（６）上記ｘ方向制御手段、ｙ方向制御手段及び上記手
段（ｆ）の出力を用いて、上記磁場に関するデータを可
視化する手段を備えた請求項４又は５記載の装置。
（７）上記チップの少なくとも先端はｚ方向の磁気モー
メントを有し、上記チップは磁場のｚ成分のｚ方向の傾
斜が存在するときに力を受ける請求項４乃至６の何れか
に記載の装置。
（８）少なくとも表面が導電性である試料表面近傍の磁
場を観測するための装置であって、（ａ）カンチレバーと、（ｂ）上記カンチレバーに支持され、少なくとも先端の
表面が磁性体であるチップと、（ｃ）上記チップの磁気モーメントの向きを所定周波数
でスイッチする手段と、（ｄ）上記チップと上記試料表面との間に電圧を印加す
る手段と、（ｅ）上記チップと上記試料表面の距離をトンネル電流
の流れ得る距離に保つ手段と、（ｆ）上記チップに電気的に接続された、上記磁場と上
記磁気モーメントの相互作用の結果発生するトンネル電
流の上記所定周波数成分を抽出する手段を具備する観測装置。
（９）上記手段（ｆ）の出力を用いて、上記磁場に関す
るデータを可視化する手段を備えた請求項８記載の装置
。
（１０）上記試料表面に垂直な方向をｚ方向とするとき
、上記チップにはｚ方向の磁気モーメントが発生し、上
記チップは磁場のｚ成分のｚ方向の傾斜が存在するとき
に力を受ける請求項８又は９記載の装置。
（１１）少なくとも表面が導電性である試料の表面形状
と該試料表面近傍の磁場を同時に観測するための装置で
あって、（ａ）カンチレバーと、（ｂ）上記カンチレバーに支持され、少なくとも先端の
表面が磁性体であるチップと、（ｃ）上記チップの磁気モーメントの向きを所定周波数
でスイッチする手段と、（ｄ）上記チップと上記試料表面との間に電圧を印加す
る手段と、（ｅ）上記試料表面と平行な方向をｘ、ｙ方向、上記試
料表面に垂直な方向をｚ方向とするとき、それぞれの入
力信号に応じて上記チップをｘ、ｙ、ｚ方向に動かすた
めのｘ方向駆動手段、ｙ方向駆動手段、及びｚ方向駆動
手段と、（ｆ）ｚ方向に関して上記チップと上記試料表面の距離
をトンネル電流の流れ得る距離に保って、上記チップを
ｘ、ｙ方向に走査するべく、それぞれ上記ｘ方向駆動手
段、ｙ方向駆動手段、及びｚ方向駆動手段に信号を与え
るｘ方向制御手段、ｙ方向制御手段、及びｚ方向制御手
段と、（ｇ）上記チップに電気的に接続された、上記磁場と上
記磁気モーメントの相互作用の結果発生するトンネル電
流の上記所定周波数成分を抽出する手段と、（ｈ）上記チップに電気的に接続された、ローパスフィ
ルタと、（ｉ）上記ローパスフィルタの出力が一定になるように
上記ｚ方向制御手段の出力を決定する手段を具備する観
測装置。
（１２）上記ｘ方向制御手段、ｙ方向制御手段及びｚ方
向制御手段の出力にしたがって上記試料表面形状を可視
化する手段を備えた請求項１２記載の装置。
（１３）上記ｘ方向制御手段、ｙ方向制御手段及び上記
手段（ｇ）の出力にしたがって上記磁場に関するデータ
を可視化する手段を備えた請求項１１又は１２記載の装
置。
（１４）上記チップにはｚ方向の磁気モーメントが発生
し、上記チップは磁場のｚ成分のｚ方向の傾斜が存在す
るときに力を受ける請求項１１乃至１３の何れかに記載
の装置。
（１５）カンチレバーと、上記カンチレバーに支持され
、少なくとも先端が磁気モーメントを有するチップとを
備えたＳＴＭを使って、少なくとも表面が導電性である
試料表面近傍の所定周波数で交番する磁場を観測するた
めの方法であって、（ａ）上記チップと上記試料表面の
距離をトンネル電流の流れ得る距離に保ちながら、上記
所定周波数で交番する磁場を発生させ、上記磁気モーメ
ントを上記磁場と相互作用させて上記チップを振動させ
るステップと、（ｂ）トンネル電流の上記所定周波数成分を抽出するス
テップを含む観測方法。
（１６）上記ステップ（ｂ）で抽出されたトンネル電流
の上記所定周波数成分を用いて、上記磁場に関するデー
タを可視化するステップを含む請求項１５記載の方法。
（１７）上記試料表面に垂直な方向をｚ方向とするとき
、上記チップの少なくとも先端はｚ方向の磁気モーメン
トを有し、上記ステップ（ａ）において上記チップは磁
場のｚ成分のｚ方向の傾斜が存在するときに力を受ける
請求項１５又は１６記載の方法。
（１８）カンチレバーと、上記カンチレバーに支持され
、少なくとも先端が磁気モーメントを有するチップと、
上記試料表面と平行な方向をｘ、ｙ方向、上記試料表面
に垂直な方向をｚ方向とするとき、それぞれの入力信号
に応じて上記チップをｘ、ｙ、ｚ方向に動かすためのｘ
方向駆動手段、ｙ方向駆動手段、及びｚ方向駆動手段と
、それぞれ上記ｘ方向駆動手段、ｙ方向駆動手段、及び
ｚ方向駆動手段に信号を与えるｘ方向制御手段、ｙ方向
制御手段、及びｚ方向制御手段とを備えたＳＴＭを使っ
て、少なくとも表面が導電性である試料の表面形状と該
試料表面近傍の所定周波数で交番する磁場を同時に観測
するための方法であって、（ａ）上記チップと上記試料
表面の距離をトンネル電流の流れ得る距離に保って、上
記チップを上記試料表面に沿って走査しながら、上記所
定周波数で交番する磁場を発生させ、上記磁気モーメン
トを上記磁場と相互作用させて上記チップを振動させる
ステップと、（ｂ）トンネル電流の上記所定周波数成分を抽出するス
テップと、（ｃ）トンネル電流の上記所定周波数を含む高周波数成
分をカットするステップと、（ｄ）上記高周波数成分カット後のトンネル電流が一定
になるように上記ｚ方向制御手段の出力を決定するステ
ップを含む観測方法。
（１９）上記ｘ方向制御手段、ｙ方向制御手段及びｚ方
向制御手段の出力を用いて、上記試料表面形状を可視化
するステップを含む請求項１８記載の方法。
（２０）上記ｘ方向制御手段とｙ方向制御手段の出力及
び上記ステップ（ｂ）で抽出されたトンネル電流の上記
所定周波数成分を用いて、上記磁場に関するデータを可
視化するステップを含む請求項１８又は１９記載の方法
。
（２１）上記チップの少なくとも先端はｚ方向の磁気モ
ーメントを有し、上記ステップ（ａ）において上記チッ
プは磁場のｚ成分のｚ方向の傾斜が存在するときに力を
受ける請求項１８乃至２０の何れかに記載の方法。
（２２）カンチレバーと、上記カンチレバーに支持され
、少なくとも先端の表面が磁性体であるチップとを備え
たＳＴＭを使って、少なくとも表面が導電性である試料
表面近傍の磁場を観測するための方法であって、（ａ）上記チップと上記試料表面の距離をトンネル電流
の流れ得る距離に保ちながら、上記チップの磁気モーメ
ントの向きを所定周波数でスイッチし、上記磁気モーメ
ントを上記磁場と相互作用させて上記チップを振動させ
るステップと、（ｂ）トンネル電流の上記所定周波数成分を抽出するス
テップを含む観測方法。
（２３）上記ステップ（ｂ）で抽出されたトンネル電流
の上記所定周波数成分を用いて、上記磁場に関するデー
タを可視化するステップを含む請求項２２記載の方法。
（２４）上記試料表面に垂直な方向をｚ方向とするとき
、上記ステップ（ａ）において、上記チップにｚ方向の
磁気モーメントを発生させ、上記チップは磁場のｚ成分
のｚ方向の傾斜が存在するときに力を受ける請求項２２
又は２３記載の方法。
（２５）カンチレバーと、上記カンチレバーに支持され
、少なくとも先端の表面が磁性体であるチップと、上記
試料表面と平行な方向をｘ、ｙ方向、上記試料表面に垂
直な方向をｚ方向とするとき、それぞれの入力信号に応
じて上記チップをｘ、ｙ、ｚ方向に動かすためのｘ方向
駆動手段、ｙ方向駆動手段、及びｚ方向駆動手段と、そ
れぞれ上記ｘ方向駆動手段、ｙ方向駆動手段、及びｚ方
向駆動手段に信号を与えるｘ方向制御手段、ｙ方向制御
手段、及びｚ方向制御手段とを備えたＳＴＭを使って、
少なくとも表面が導電性である試料の表面形状と該試料
表面近傍の磁場を同時に観測するための方法であって、（ａ）上記チップと上記試料表面の距離をトンネル電流
の流れ得る距離に保って、上記チップを上記試料表面に
沿って走査しながら、上記チップの磁気モーメントの向
きを所定周波数でスイッチし、上記磁気モーメントを上
記磁場と相互作用させて上記チップを振動させるステッ
プと、（ｂ）トンネル電流の上記所定周波数成分を抽出するス
テップと、（ｃ）トンネル電流の上記所定周波数を含む高周波数成
分をカットするステップと、（ｄ）上記高周波数成分カット後のトンネル電流が一定
になるように上記ｚ方向制御手段の出力を決定するステ
ップを含む観測方法。
（２６）上記ｘ方向制御手段、ｙ方向制御手段及びｚ方
向制御手段の出力を用いて、上記試料表面形状を可視化
するステップを含む請求項２５記載の方法。
（２７）上記ｘ方向制御手段とｙ方向制御手段の出力及
び上記ステップ（ｂ）で抽出されたトンネル電流の上記
所定周波数成分を用いて、上記磁場に関するデータを可
視化するステップを含む請求項２５又は２６記載の方法
。
（２８）上記ステップ（ａ）において、上記チップには
ｚ方向の磁気モーメントを発生させ、上記チップは磁場
のｚ成分のｚ方向の傾斜が存在するときに力を受ける請
求項２５乃至２７の何れかに記載の方法。