JPH05203626A

JPH05203626A - 磁気力顕微鏡及び記録再生装置

Info

Publication number: JPH05203626A
Application number: JP15640991A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kikukawa; 敦菊川; Sumio Hosaka; 純男保坂; Yukio Honda; 幸雄本多
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-06-27
Filing date: 1991-06-27
Publication date: 1993-08-10

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】試料表面の磁気情報と形態情報との判別の可能
な磁気力顕微鏡及び高密度磁気記録の再生を可能にする
記録再生装置を提供する。【構成】磁気力顕微鏡は、一端に強磁性尖端を有するば
ね状のカンチレバー１、強磁性尖端の磁化状態を制御す
る手段、カンチレバー１で試料表面を走査する手段、カ
ンチレバー１のたわみ量を検出する手段、たわみ量を一
定に保って走査を行うための制御手段、制御手段の制御
量を走査位置ごとに表示する手段で構成する。記録再生
装置は、情報を記録することを目的とする強磁性体から
なる記録媒体、記録媒体に情報を記録する手段、一端に
強磁性体尖端を有するばね状カンチレバー、強磁性体尖
端の磁化状態を制御する手段、カンチレバー１のたわみ
量を検出する手段、カンチレバー１で上記記録媒体を走
査する手段、カンチレバー１のたわみ量から上記情報を
再生する手段で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微細かつ微弱な磁気情
報を観察する磁気力顕微鏡および磁気を応用した記録再
生装置に係り、特に、試料の磁気情報と形態情報との判
別の可能な磁気力顕微鏡および高密度磁気記録の再生を
可能にする記録再生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁性体表面の磁化状態を観察する手段と
しては、ローレンツ電子顕微鏡法、干渉電子顕微鏡法、
ビッター法等が知られている。この内、ローレンツ電子
顕微鏡法および干渉電子顕微鏡法は、微細な磁化状態の
観察に適した手段ではあるが、電子線透過型であるため
観察可能な試料に制限があり、また、試料の準備に多大
の労力を要し、非破壊観察が可能な場合は限られてい
る。干渉電子顕微鏡に関しては、フィジカル・レビュー
(Physical Review)誌、1982年、第B25巻、6799〜6804頁
記載の論文に記述がある。また、ビッター法は、非破壊
観察が可能ではあるが、ビッターパターンを観察する手
段(光学顕微鏡等)の能力によって分解能が決定される。

【０００３】磁気力顕微鏡(Magnetic Force Microscop
e：MFM)は、上記の方法とは全く原理が異なり、１ N/m
程度のばね定数を有する微小なカンチレバー(片持ち梁)
の先端部の磁性体に働く磁気力を検出するものである。
すなわち、磁気力によって生じるカンチレバーのたわみ
を光干渉計等を用いて検出するか、あるいは、試料の磁
気ポテンシャルの勾配によって生じるカンチレバーの共
振周波数変化を検出する。

【０００４】元来、磁気力顕微鏡は原子間力顕微鏡の一
形態として提案されたものであり、両者の構造及び原理
はほぼ同一である。原子間力顕微鏡は、G. ベンニッヒ
(G.Bennig)によって提案されたものであり、米国特許出
願第802123号(特開昭62‐130302号)に基づいて実現され
る。また、磁気力顕微鏡については、アプライド・フィ
ジックス・レターズ(Appl. Phys. Lett.)誌、1987年、
第50巻、1455〜1457頁に掲載の論文に記述がある。以
下、磁気力顕微鏡の構造及び動作の例を図７によって説
明する。まず、支持台106に走査用圧電素子105を介して
観察すべき試料３が装着される。また、カンチレバー10
2の先端に形成した強磁性体尖端101が上記試料３に対し
て適当な距離で対向するように、カンチレバー102も支
持台106に装着されている。ここで、カンチレバー102
は、支持台固定側とは反対側の先端に加えられる力に対
して0.1〜10 N/m 程度のばね定数を有しており、また、
強磁性体尖端101と試料３との間に発生する磁気力や原
子間力によってたわみを生じる。このたわみ量は、例え
ば、導電性のカンチレバー102とその背後に配置された
トンネルチップ103との間に流れるトンネル電流を用い
て検出することができる。電圧/電流変換回路110はトン
ネルチップ103とカンチレバー102との間にバイアス電圧
を印加し、上記トンネル電流値を電圧による信号に変換
する。

【０００５】ここで、走査信号源107からの走査信号に
より走査用圧電素子105を駆動して試料３の表面を走査
すると、試料３の表面状態に応じて強磁性体尖端101と
の間で発生する力が変化するためにカンチレバー102の
たわみ量が変化する。トンネルチップ103とカンチレバ
ー102の間に流れるトンネル電流は両者の距離に依存す
るものであるが、トンネル電流値が一定になるようにト
ンネルチップ103の位置を制御すると、その制御量が、
強磁性体尖端101と試料３間に働く力に対応する。トン
ネル電流値を制御回路108に入力すると、この回路はト
ンネル電流値をある値に保つように圧電素子104を駆動
する信号を出力し、圧電素子104はこの信号に応じて伸
縮することによりトンネルチップ103〜カンチレバー102
間の距離を調整する。圧電素子104を駆動する信号、す
なわちカンチレバー102に働く力の値は、同時に、表示
装置109にも出力される。該表示装置109には、走査信号
源107からの信号、すなわち試料表面の位置情報、も同
時に入力される。従って、表示装置109はカンチレバー1
02に働く力を走査位置ごとに表示することになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、カンチレバーは、全体が磁性体である場合でも先端
部のみが磁性体である場合でも、その磁化状態を積極的
に変化させることはしていない。従って、カンチレバー
を装置に装着した後は、磁化状態を変えることができな
いために、先端部の磁化状態を試料の特性に適合させる
ことができなかった。また、カンチレバーは、磁気力以
外にファンデルワールス力等の原子間力も同時に感知す
るために、磁気情報と形態情報を判別することが困難で
あった。

【０００７】また、磁気デイスク装置のような磁気を応
用した情報の記録再生を行う装置においては、年々高密
度化が進むにつれて、バイナリ符号の記録を行う場合
に、１ビット当りの面積を減少させることが要求されて
きている。１ビット当りの面積を減少させるために垂直
磁気記録が有効な技術であることはすでに広く知られて
いるが、これに関しては、アイトリプルイイ・トランザ
クション・オン・マグネティクス(IEEE Transaction on
Magnetics)、1987年、第MAG‐23巻、第5号、2070〜207
2頁に記載されている論文に記述がある。この論文によ
れば、垂直磁気記録方式は680kFRPIもの高密度記録を実
現することができる。しかし、この場合の本質的な課題
は、上記のように高密度記録された情報を有効に再生す
る手段がないことであった。

【０００８】本発明の目的は、上記従来技術の有してい
た課題を解決して、試料の磁気情報と形態情報との判別
の可能な磁気力顕微鏡および高密度磁気記録の再生を可
能にする記録再生装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、試料表面の
磁気情報及び形態情報とを分離するための機構を設けた
磁気力顕微鏡及び記録再生装置とすること、具体的に
は、磁気力顕微鏡については、下記手段から構成されて
いる磁気力顕微鏡とすることによって達成することがで
きる。

【００１０】(a) 一端に強磁性体尖端を有するばね状の
カンチレバー、(b) 上記強磁性体尖端の磁化状態を制御
する手段、(c) 上記カンチレバーで試料表面を走査する
手段、(d) 上記カンチレバーのたわみ量を検出する手
段、(e) 上記たわみ量を一定に保って走査を行うための
制御手段、(f) 上記制御手段の制御量を走査位置ごとに
表示する手段。

【００１１】また、記録再生装置については、下記手段
から構成されている記録再生装置とすることによって達
成することができる。

【００１２】(a') 情報を記録ことを目的とする強磁性
体からなる記録媒体、(b') 上記記録媒体に情報を記録
する手段、(c') 一端に強磁性体尖端を有するばね状カ
ンチレバー、(d') 上記強磁性体尖端の磁化状態を制御
する手段、(e') 上記カンチレバーのたわみ量を検出す
る手段、(f') 上記カンチレバーで上記記録媒体を走査
する手段、(g') 上記カンチレバーのたわみ量から上記
情報を再生する手段。

【００１３】なお、上記カンチレバーを全体が強磁性体
からなるものとし、該カンチレバー全体の磁化状態を制
御する手段を有するものとすること、上記カンチレバー
の強磁性体尖端あるいは全体が強磁性体からなるカンチ
レバー全体の磁化状態を制御する手段として、該カンチ
レバーあるいはそれを支持する部材にコイルを巻くこと
ができる。

【００１４】

【作用】カンチレバーの尖端の磁化状態を制御すること
は、磁気情報と形態情報とを分離できるように作用す
る。また、強磁性体からなるカンチレバーとすること
は、カンチレバー先端の磁化状態の制御を容易にするよ
うに作用する。また、カンチレバーに巻かれたコイル
は、カンチレバーの磁化状態を変化させ、あるいは、磁
束の変化を検出する作用を持つ。また、磁気記録媒体に
記録された情報をカンチレバーとの磁気相互作用によっ
て再生することは、高密度記録の再生が可能となるよう
に作用する。

【００１５】

【実施例】以下、本発明構成の磁気力顕微鏡および記録
再生装置について、実施例によって具体的に説明する。

【００１６】

【実施例１】図１は、磁気力顕微鏡のカンチレバーを強
磁性体で作り、カンチレバー先端の磁化制御機構として
コイルを用いた場合の例を示した図である。なお、本図
は、磁気力顕微鏡の機構部の一部のみを示し、その他の
部分は省略してある。本実施例においては、支持部６に
よって支持された磁性体カンチレバー１の支持部６との
接合部付近にコイル２が巻かれており、該カンチレバー
１の先端が試料３の表面に対向するように配置されてい
る。また、電流源７はコイルに流れる電流を供給するも
ので、この電流によってコイルに発生する磁界を変化さ
せ、カンチレバーの磁化状態を制御する。なお、電流源
７が供給する電流値は、必要に応じて外部からの制御信
号によって制御することができる。

【００１７】図１のように磁性体カンチレバーにコイル
を巻いた例は、アプライド・フィジックス・レターズ(A
ppl. Phys. Lett.)誌、1987年、第50巻、1455〜1457頁
に記載されている論文にも見ることができる。このコイ
ルは、電流を流して磁界を発生させることにより磁性体
カンチレバーを磁化させることを目的として配置したも
のであるが、同論文中には、実際にはその必要のないこ
とも述べられている。これは、カンチレバー先端部の保
磁力が大きいことによるためと推定される。同論文中に
は、さらに、コイルに流す電流をパルス化することによ
りカンチレバーの磁化状態を変化させることによってカ
ンチレバーを励振して磁気情報を得る方法も述べられて
いるが、結果は示されていない。このように、同論文で
は、磁気情報を得るためにコイルでカンチレバーの磁化
状態を変化させることを示してはいるが、磁気情報と形
態情報とを分離する方法については全く触れていない。
これに対して、本実施例は、カンチレバーにコイルを巻
いた点では同論文記載と同様の構成であるが、以下に述
べるような構成と動作方式とによって磁気情報と形態情
報との分離を実現している点で全く異なる。

【００１８】すなわち、走査信号源107からの信号によ
り走査用圧電素子105を駆動させることによってカンチ
レバー１で試料３の表面を走査すると、カンチレバー１
は試料３からの漏洩磁界との磁気相互作用による力及び
原子間力に応じてたわみを生じる。カンチレバー先端部
の変位の量はセンサー４によって検出され、センサー４
の出力は雑音低減、信号増幅機能を有する信号処理装置
５によって変位量信号に変換される。この信号を出力と
して直接外部に出力することも可能であるが、このまま
では磁気情報と形態情報とが分離されていない。これを
解決するために、本実施例においては、メモリ８と演算
器９とを備えている。ある走査線上をカンチレバーの磁
化の向きを反転させながら２回走査し、それぞれの走査
の結果をメモリ８に蓄積しておき、これらの走査結果か
ら演算器９を用いて、磁気情報と形態情報との分離を行
う。以下に、この方法を具体的に説明する。

【００１９】図２は、図１の装置を用いて磁気情報と形
態情報とを分離する方法を説明するための図で、(a) は
ある走査線上の形態情報(試料表面の凹凸)を示した図、
(b)は同じ走査線上における磁気力によるカンチレバー
先端の変位量を示した図である。なお、(b) では、単純
化のために、カンチレバーの変位量を模式化して示して
ある。(c) は形態による変位と磁気力による変位とを合
わせた量、すなわち実際に試料を観察したときに得られ
る情報で、試料表面の凹凸が磁気力による変位量に比較
して大きい場合には磁気情報が判別困難となることが判
る。また、(d)はカンチレバーの磁化を反転させて走査
したときに得られる情報で、試料表面の凹凸による変位
量は磁化の向きとは無関係であるが、磁気力による変位
は向きが反転する。従って、(c) の情報から (d) の情
報を差し引けば、磁気情報だけが得られる。また、反対
に、(c) の情報と (d) との和をとることによって形態
情報のみを取り出すことができる。なお、形態情報のみ
あるいは磁気情報のみを表示すること、あるいは、それ
ぞれを異なる表現方法で一つの画面に合成するなど多様
な表示をすることが可能である。

【００２０】図３は図１とは磁化制御機構の配置及び構
造の異なるカンチレバーの例を示した図で、この場合、
カンチレバーは磁性体先端11と非磁性体カンチレバー本
体12とから構成されており、磁化制御機構としてはやは
りコイルを用いているが、図１の場合とは異なり、コイ
ル２がカンチレバー12の先端部磁性体先端に設けた場合
を示す。このような構成とすることによって、カンチレ
バー全体を磁性体で構成した場合と比較し外部からの磁
気雑音に感応する磁性体の体積を少なくできるので、磁
気雑音を低減することができる。磁性体先端11は必ずし
も全体が磁性体で構成されている必要はなく、タングス
テン線材等を電解研磨して形成した微細な探針に磁性体
薄膜を付着させたようなものであっても良い。また、全
体が磁性体で構成されたカンチレバーにおいても、磁化
制御機構を先端部付近に設けても良いことは言うまでも
ない。また、磁化制御機構は、必ずしも、カンチレバー
に固定されている必要はない。

【００２１】また、図１には示されていないが、例えば
図７と同様にトンネルチップを用いた場合には、図７の
場合と同様な制御を行う必要が生じる。従って、図１の
装置がそのような制御手段を兼備している場合も当然あ
り得る。

【００２２】

【実施例２】図４は磁気記録媒体に記録されたディジタ
ル記録を再生する本発明記録再生装置の概略構成を示し
た図で、磁性体カンチレバー１、コイル２、センサー
４、アンプモジュール20、位相検波回路21、符号判定回
路22、振幅制御装置23、磁気記録媒体24、パルス信号源
25及びタイミング抽出回路26からなることを示す。

【００２３】ここで、磁気記録媒体24は垂直磁化膜で、
記録は磁化方向を反転させることによって行う。垂直磁
気記録媒体24への記録は、垂直磁気記録に用いる単磁極
ヘッドを別途設けて行ってもよく、あるいは、磁性体カ
ンチレバー１を単磁極ヘッドとして用いて行ってもよ
い。何れの場合にも、記録するバイナリー符号列に応じ
た記録信号電流をコイルに流すための回路が必要である
ことは言うまでもない。

【００２４】パルス信号源25は２系統の出力を有するも
ので、第１の系統の出力は周波数ｆの正弦波信号で、参
照信号として位相検波回路21へ供給され、第２の系統の
出力は周波数ｆの交番パルス信号でコイル２に供給され
る。コイル２はパルス信号の電流に応じた磁界を発生
し、磁性体カンチレバー１の磁化を周波数ｆで反転させ
る。カンチレバー１の先端は記録媒体からの漏洩磁界と
の相互作用により周波数ｆの周期的な力を受け、その結
果、カンチレバー１は周波数ｆで励振される。カンチレ
バー１は長手方向に磁化されているので、先端部は専ら
媒体からの漏洩磁界の垂直成分に応答する。媒体からの
漏洩磁界垂直成分の方向が反転すると、カンチレバー１
の受ける周期的な力の位相が反転(180°変化)する。す
なわち、磁化反転領域の境界においてカンチレバー１の
振動の位相が反転する。この位相の反転を検出すること
によってディジタル記録の再生を行うことができる。

【００２５】以下、上記の様子を図５を用いて説明す
る。図で、(a) は図４のコイル２に流れる電流の時間変
化を、(b) はカンチレバー１を走査したときに先端部が
感じる媒体からの磁界の垂直成分Ｈを時間の関数として
表現したものである。コイル１に流れる電流は周期的な
交番パルス信号で、振幅は常に一定であり、従って、カ
ンチレバー１の先端が感じる力は媒体からの漏洩磁界の
垂直成分に応じて変化する。図(b) のようにＨ_zが変化
すると、カンチレバー１の受ける周期的な力はＨ_zが正
のときと負のときとでは位相が反転するので、カンチレ
バー１の振動の位相も反転する。

【００２６】カンチレバー１の振動はセンサー４によっ
て検出され、アンプモジュール20へ出力される。アンプ
モジュール20は信号増幅を行うアンプと雑音及び不要な
信号を減衰させるフィルタとから構成されており、その
出力は位相検波回路21と振幅制御装置23とに出力され
る。振幅制御装置23はアンプモジュール20の出力の内振
幅情報を取り出し、カンチレバー１の振幅が極端に大き
くなったり小さくなったりしないように、パルス信号源
25のパルス信号の電流値を制御する。位相検波回路21は
パルス信号源25から供給される参照信号を基にカンチレ
バーの振動の位相と参照信号の位相差を出力する。位相
検波回路21からの出力はタイミング抽出回路26と符号判
定回路22とに出力される。タイミング抽出回路26は符号
を判定するタイミングを符号判定回路22に指示する信号
を発生し、符号判定回路22はこの指示にに従って位相検
波回路21からの出力信号の符号を判定する。

【００２７】上述したように、カンチレバーの振動の位
相の反転を用いて符号を判定することによって、微小な
面積かつ微弱な漏洩磁界という条件下においても符号を
確実に判定することができる。磁気力顕微鏡の分解能は
20nm 程度まで期待でき、これから推測すると、およそ
1300kFRPI の線記録密度が期待できる。また、ディス
ク装置のトラックに相当する部分の幅も狭くすることが
できるので、現行の磁気ディスクを遥かに上回る１平方
インチ当り 100Gbit 以上の記録密度を達成することが
できる。

【００２８】

【実施例３】図６は電磁誘導を用いて磁気情報の再生を
行う装置の概略構成を示した図で、磁性体カンチレバー
１にコイル２が巻かれており、また、カンチレバー１の
先端とは反対側の端に、カンチレバー１内を通り磁気記
録媒体24へ戻る磁路の磁気抵抗を小さくするための磁性
体31が設けられていることを示している。ここで、カン
チレバー１と磁気記録媒体24とが相対運動をすると、カ
ンチレバー１内を通る磁束が媒体24の表面の磁界分布に
応じて変化し、電磁誘導によってコイル端子間に誘導起
電力が生じる。この信号を増幅、フィルタリング、タイ
ミン抽出の機能を有する信号処理装置32へ入力し、同装
置32の出力を符号判定機33に入力することによって、媒
体24に記録されたデイジタル信号を再生する。磁束の変
化を検出する手段として、上記のコイルの他に、磁気抵
抗効果素子やホール素子を用いることもできる。

【００２９】

【発明の効果】以上述べてきたように、磁気力顕微鏡を
本発明構成の顕微鏡とすることによって、カンチレバー
の磁化状態を能動的に制御し、得られた情報に演算を施
す手段を備えているので、磁気情報と形態情報とを分離
することができ、その結果、非破壊的にかつ特別な試料
準備を必要とすることなしに、微細かつ微弱な磁気情報
を得ることのできる磁気力顕微鏡を提供することができ
た。

【００３０】また、垂直磁気記録媒体に磁化反転を用い
て記録したバイナリ符号をカンチレバーの振動の位相反
転として検出することによって、微小記録面積、微弱漏
洩磁界という条件下においても確実に符号を判定するこ
とができるため、超高密度記録が可能な記録再生装置を
提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明磁気力顕微鏡の概略構成を示す図。

【図２】図１構成の顕微鏡により磁気情報と形態情報を
分離できることの説明図。

【図３】図１とは異なるコイルの配置の例を示す図。

【図４】本発明記録再生装置の一実施例の概略構成を示
す図。

【図５】図４構成の記録再生装置におけるコイルによる
カンチレバーの励振を示す図。

【図６】本発明構成記録再生装置の他の実施例の構成を
示す図。

【図７】従来技術の磁気力顕微鏡の概略構成を示す図。

【符号の説明】

１…強磁性体カンチレバー、２…コイル、３…試料、４
…センサー、５…信号処理装置、６…支持部、７…電流
源、８…メモリ、９…演算器、11…強磁性体尖端、12…
非磁性体カンチレバー、20…アンプモジュール、21…位
相検波回路、22…符号判定回路、23…振幅制御回路、24
…磁気記録媒体、25…パルス信号源、26…タイミング抽
出回路、31…磁性体、32…信号処理装置、33…符号判定
機、101…強磁性体尖端、102…カンチレバー、103…ト
ンネルチップ、104…圧電素子、105…走査用圧電素子、
106…支持台、107…走査信号源、108…制御回路、109…
表示装置、110…電流/電圧変換回路、A…カンチレバー
の振幅、H…磁界の垂直成分、I…コイル電流、t…時
間、x…走査方向、z…変位。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料表面の磁気情報と形態情報とを分離す
るための機構を設けたことを特徴とする磁気力顕微鏡。
【請求項２】上記分離機構が下記手段から構成されてい
ることを特徴とする請求項１記載の磁気力顕微鏡。 (a) 一端に強磁性体尖端を有するばね状のカンチレバ
ー、 (b) 上記強磁性体尖端の磁化状態を制御する手段、 (c) 上記カンチレバーで試料表面を走査する手段、 (d) 上記カンチレバーのたわみ量を検出する手段、 (e) 上記たわみ量を一定に保って走査を行うための制御
手段、 (f) 上記制御手段の制御量を走査位置ごとに表示する手
段。
【請求項３】上記カンチレバーが全体が強磁性体からな
り、かつ、カンチレバー全体の磁化状態を制御する手段
を有するカンチレバーであることを特徴とする請求項１
および２記載の磁気力顕微鏡。
【請求項４】上記カンチレバーの強磁性体尖端の磁化状
態を制御する手段として、該カンチレバーあるいはそれ
を支持する部材にコイルを巻いたことを特徴とする請求
項１および２記載の磁気力顕微鏡。
【請求項５】上記強磁性体からなるカンチレバー全体の
磁化状態を制御する手段として、該強磁性体カンチレバ
ーにコイルを巻いたことを特徴とする請求項１および２
記載の磁気力顕微鏡。
【請求項６】記録媒体表面の磁気情報と形態情報とを分
離するための機構を設けたことを特徴とする記録再生装
置。
【請求項７】上記分離機構が下記手段から構成されてい
ることを特徴とする記録再生装置。 (a') 情報を記録することを目的とする強磁性体からな
る記録媒体、 (b') 上記記録媒体に情報を記録する手段、 (c') 一端に強磁性体尖端を有するばね状カンチレバ
ー、 (d') 上記強磁性体尖端の磁化状態を制御する手段、 (e') 上記カンチレバーのたわみ量を検出する手段、 (f') 上記カンチレバーで上記記録媒体を走査する手
段、 (g') 上記カンチレバーのたわみ量から上記情報を再生
する手段。
【請求項８】上記カンチレバーが全体が強磁性体からな
り、かつ、カンチレバー全体の磁化状態を制御する手段
を有するカンチレバーであることを特徴とする請求項６
および７記載の記録再生装置。
【請求項９】上記カンチレバーの強磁性体尖端の磁化状
態を制御する手段として該カンチレバーあるいはそれを
支持する部材にコイルを巻いたことを特徴とする請求項
６および７記載の記録再生装置。
【請求項１０】上記強磁性体からなるカンチレバー全体
の磁化状態を制御する手段として、該カンチレバーにコ
イルを巻いたことを特徴とする請求項６および７記載の
記録再生装置。