JP5579516B2 - Scanning probe microscope - Google Patents
Scanning probe microscope Download PDFInfo
- Publication number
- JP5579516B2 JP5579516B2 JP2010151245A JP2010151245A JP5579516B2 JP 5579516 B2 JP5579516 B2 JP 5579516B2 JP 2010151245 A JP2010151245 A JP 2010151245A JP 2010151245 A JP2010151245 A JP 2010151245A JP 5579516 B2 JP5579516 B2 JP 5579516B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- probe
- sample
- output
- lock
- amplifier
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
本発明は、試料表面の磁気力分布を測定する走査プローブ顕微鏡に関する。 The present invention relates to a scanning probe microscope for measuring a magnetic force distribution on a sample surface.
従来の磁性材料の表面観察手法には、ビッター法、カー顕微鏡、スピン偏極走査型電子顕微鏡(Spin−SEM:Spin-Polarized Scanning Electron Microscopy)、ローレンツ電子顕微鏡、磁気力顕微鏡(MFM:Magnetic Force Microscopy)等がある。ビッター法は、古くから用いられている技術であり、磁性体試料表面に磁性微粒子のコロイド溶液をたらし、試料の磁壁近傍に引き付けられた微粒子のパターンを光学顕微鏡で観察するものである。カー顕微鏡は、磁性体試料に直線偏光が入射すると反射光が楕円偏光となる磁気カー効果を用いて、偏光顕微鏡により磁区観察を行う磁気光学的な手法であり、これも古くから知られている。Spin−SEMは、磁性材料に電子線を照射した際に放出される2次電子のスピンを3次元ベクトル成分に分解して検出する手法である(例えば、非特許文献1)。磁性材料から放出される2次電子は試料内のスピン磁気モーメントの情報を持っているので、これを検出しマッピングすることで試料表面の磁化の大きさおよび向きが2次元画像として得られる。ローレンツ電子顕微鏡は、電子線が磁性体試料を透過する際に、試料内部の磁化から受けるローレンツ力による電子線の曲がりを利用して磁壁あるいは磁区を可視化するものである。 Conventional surface observation methods for magnetic materials include the Bitter method, Kerr microscope, spin-polarized scanning electron microscope (Spin-SEM), Lorentz electron microscope, magnetic force microscope (MFM). ) Etc. The bitter method is a technique that has been used for a long time, and is a technique in which a colloidal solution of magnetic fine particles is dropped on the surface of a magnetic sample and the pattern of fine particles attracted near the domain wall of the sample is observed with an optical microscope. The Kerr microscope is a magneto-optical technique for observing magnetic domains with a polarizing microscope using the magnetic Kerr effect in which reflected light becomes elliptically polarized light when linearly polarized light is incident on a magnetic sample. This is also known for a long time. . Spin-SEM is a technique for detecting the spins of secondary electrons emitted when a magnetic material is irradiated with an electron beam by decomposing the spins into three-dimensional vector components (for example, Non-Patent Document 1). Since the secondary electrons emitted from the magnetic material have information on the spin magnetic moment in the sample, the magnitude and direction of the magnetization of the sample surface can be obtained as a two-dimensional image by detecting and mapping this information. The Lorentz electron microscope visualizes the domain wall or magnetic domain by utilizing the bending of the electron beam due to the Lorentz force received from the magnetization inside the sample when the electron beam passes through the magnetic sample.
一方、MFMは光や電子線を用いず、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscopy)と呼ばれる手法を基礎としている。この手法は、磁性体をコートした探針を持ったカンチレバーと磁性体試料との間に働く磁気力をカンチレバーのたわみとして検出しながら、探針を試料表面上で走査することにより磁気力分布をマッピングする手法である(例えば、非特許文献2)。探針には磁気力以外に原子間力等も加わっており、磁気力を他の相互作用から分離する必要がある。そのために、まず、カンチレバーを振動させ、探針と試料の接触時に働く原子間力により減少する振動振幅を一定に保つように探針−試料間距離を調整する。これにより試料表面の高さ方向の位置が決定され、そこから一定の距離だけ探針を試料表面から離した状態で、カンチレバーの振動の位相変化から長距離力である磁気力を検出する。 On the other hand, MFM is based on a technique called an atomic force microscope (AFM) without using light or an electron beam. In this method, magnetic force distribution is detected by scanning the probe surface over the sample surface while detecting the magnetic force acting between the cantilever with the probe coated with the magnetic material and the magnetic sample as the deflection of the cantilever. This is a mapping method (for example, Non-Patent Document 2). In addition to the magnetic force, atomic force is also applied to the probe, and it is necessary to separate the magnetic force from other interactions. To that end, first, the cantilever is vibrated, and the distance between the probe and the sample is adjusted so as to keep constant the vibration amplitude that decreases due to the atomic force acting when the probe and the sample are in contact with each other. As a result, the position of the sample surface in the height direction is determined, and a magnetic force, which is a long-distance force, is detected from the phase change of the cantilever vibration while the probe is separated from the sample surface by a certain distance therefrom.
ビッター法およびカー顕微鏡は比較的簡便な方法であるが、ともに光学顕微鏡を用いているため分解能は1μm程度であり、微細な磁区構造の観察はできない。Spin−SEMの分解能は数nm程度と高いが、表面感度が高いため試料表面処理により観察対象を露出させる必要があり、さらに、超高真空中での動作を必要とする。また、ローレンツ顕微鏡においては、電子を透過させるために試料を薄膜に加工する必要があるため、加工による試料の変質が懸念される。 The bitter method and the Kerr microscope are relatively simple methods, but both use an optical microscope, so the resolution is about 1 μm, and a fine magnetic domain structure cannot be observed. The resolution of Spin-SEM is as high as several nanometers, but since the surface sensitivity is high, it is necessary to expose the observation target by the sample surface treatment, and further, the operation in an ultrahigh vacuum is required. Further, in the Lorentz microscope, since it is necessary to process the sample into a thin film in order to transmit electrons, there is a concern that the sample may be altered by the processing.
一方、MFMは大気中動作が可能であり、比較的簡便な操作により10nm程度の高分解能が得られる。しかし、試料表面の位置を検出するために探針を試料表面と接触させなければならず、測定中に探針先端が破壊されたり、試料表面の磁性物質が付着するなどした場合、検出される磁気力信号が不安定となってしまうという問題があった。AFMにおいて、探針−試料間のファンデルワールス力を利用することにより、探針と試料を接触させないで試料表面の位置を検出する非接触式の手法が存在するが、ファンデルワールス力と磁気力を分離するのが困難なため、MFMにおいては非接触式の手法は使えなかった。 On the other hand, the MFM can be operated in the atmosphere, and a high resolution of about 10 nm can be obtained by a relatively simple operation. However, in order to detect the position of the sample surface, the probe must be brought into contact with the sample surface. If the tip of the probe is broken or a magnetic substance on the sample surface is attached during measurement, it is detected. There has been a problem that the magnetic force signal becomes unstable. In AFM, there is a non-contact method that uses the van der Waals force between the probe and the sample to detect the position of the sample surface without bringing the probe into contact with the sample, but the van der Waals force and the magnetic force are detected. Since it is difficult to separate the forces, a non-contact method cannot be used in MFM.
本発明の目的は、試料を加工せず又探針先端を劣化させることなく磁気力分布を高分解能で測定可能な非接触式の走査プローブ顕微鏡を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a non-contact scanning probe microscope capable of measuring a magnetic force distribution with high resolution without processing a sample and without deteriorating a probe tip.
上記目的を達成するための一実施形態は、カンチレバーと、前記カンチレバー先端に設けられた探針と、前記カンチレバーの変位を力として検出する力検出器と、試料を載置する試料台と、前記試料台を移動する移動手段とを備え、前記試料台に載置される試料の表面の高さ分布と磁気力分布を非接触で測定するための走査プローブ顕微鏡において、前記探針に交流電圧を印加する交流電圧源と直流電圧を印加する直流電圧源とを更に有し、前記試料表面の高さ分布は、静電気力を用いて測定されるものであることを特徴とする走査プローブ顕微鏡とする。 One embodiment for achieving the above object includes a cantilever, a probe provided at the tip of the cantilever, a force detector that detects displacement of the cantilever as a force, a sample stage on which a sample is placed, A scanning probe microscope for measuring the height distribution and magnetic force distribution of the surface of the sample placed on the sample table in a non-contact manner, and applying an AC voltage to the probe A scanning probe microscope characterized by further comprising an AC voltage source to be applied and a DC voltage source to apply a DC voltage, wherein the height distribution of the sample surface is measured using electrostatic force. .
また、強磁性体の探針を用いて試料の表面の磁気力分布を測定する走査プローブ顕微鏡において、前記探針を前記試料の表面に対して面内方向および垂直方向への相対的な移動手段、前記探針を振動させる励振器、前記探針に印加される力を検出する力検出器、前記探針に交流電圧を印加する交流電圧源、前記探針に直流電圧を印加する直流電圧源、前記力検出器の出力信号から前記交流電圧源の周波数成分を検出する第一のロックインアンプ、前記第一のロックインアンプからの出力がゼロとなるように前記直流電圧源の出力を制御する第一の制御系、前記力検出器の出力信号から前記交流電圧源の二倍周波数成分を検出する第二のロックインアンプ、前記第二のロックインアンプからの出力が一定値となるように前記移動手段を垂直方向に制御する第二の制御系、前記力検出機の出力信号と前記励振器の励振信号の位相を比較する位相比較器、前記移動手段を面内方向に移動させながら前記第二のロックインアンプの出力及び前記位相比較器の出力を取得する制御装置、および、前記制御装置で取得した前記第二のロックインアンプの出力および前記位相比較器の出力を前記移動手段の面内方向の位置に対応させて表示する表示装置、を具備することを特徴とする走査プローブ顕微鏡とする。 Further, in a scanning probe microscope that measures the magnetic force distribution on the surface of the sample using a ferromagnetic probe, the probe is moved relative to the sample surface in an in-plane direction and in a vertical direction. An exciter that vibrates the probe, a force detector that detects a force applied to the probe, an AC voltage source that applies an AC voltage to the probe, and a DC voltage source that applies a DC voltage to the probe A first lock-in amplifier that detects the frequency component of the AC voltage source from the output signal of the force detector, and controls the output of the DC voltage source so that the output from the first lock-in amplifier becomes zero The first control system, the second lock-in amplifier for detecting the double frequency component of the AC voltage source from the output signal of the force detector, and the output from the second lock-in amplifier to be a constant value The moving means in the vertical direction A second control system for controlling, a phase comparator for comparing the phase of the output signal of the force detector and the excitation signal of the exciter, and the second lock-in amplifier while moving the moving means in the in-plane direction. A control device that acquires the output and the output of the phase comparator, and the output of the second lock-in amplifier and the output of the phase comparator acquired by the control device correspond to the position in the in-plane direction of the moving means The scanning probe microscope is characterized by comprising a display device for display.
本発明によれば、静電気力を用いて試料表面位置を検出することにより、探針を試料表面に接触させることなく、高安定、高分解能で磁性体の磁気力測定が可能となる。 According to the present invention, by detecting the position of the sample surface using electrostatic force, the magnetic force of the magnetic material can be measured with high stability and high resolution without bringing the probe into contact with the sample surface.
本発明は、探針−試料間に働く静電気力が、交流電圧を用いたロックイン検出を行うことにより、磁気力を含んだ他の相互作用と分離可能であること、また、静電気力が原子間力と比較して長距離力であるため、探針が離れた状態で試料表面位置の検出が可能であること等の新たな知見に基づくものである。 In the present invention, the electrostatic force acting between the probe and the sample can be separated from other interactions including magnetic force by performing lock-in detection using an alternating voltage, and the electrostatic force is atomic. Since it is a long-distance force compared to an interatomic force, it is based on new knowledge such as the ability to detect the position of the sample surface with the probe away.
以下、走査プローブ顕微鏡にかかる発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る走査プローブ顕微鏡の概略構成図である。試料1は磁性材料で構成された試料であり、アース電位に接地されている。試料1の表面に対向してカンチレバー6が配置され、その先端には探針5が設けられている。探針5はそれ自体が強磁性体で構成されるか、あるいは強磁性体でコートされ、一定の方向に磁化されている。カンチレバー6および探針5は発振部(励振器)7により、固有振動数かその近傍の周波数(固有振動数の±1%程度以内)で、測定試料1の表面に対して垂直方向に振動させられる。カンチレバー6は発振部(励振器)7による強制振動の他に、試料1との間の相互作用により変位し、その変位は変位検出部(力検出器)8を用いて検出される。試料1は試料台2を介してXYZ走査機構3および粗動機構4上に固定されており、XYZ走査機構3により探針5に対して3次元方位方向に移動させることができ、また、粗動機構4により試料1と探針5の間の距離を大きく変化させることができる。
Embodiments of the invention relating to a scanning probe microscope will be described below.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a scanning probe microscope according to an embodiment of the present invention.
探針5には交流電圧印加部(交流電圧源)9から出力される交流電圧および直流電圧印加部(直流電圧源)12から出力される直流電圧を足し合わせた電圧信号が印加される。このとき、接地された試料1と探針5の間には、この電圧信号と試料1表面の仕事関数の差に応じた静電気力が加わり、カンチレバー6が変位する。
A voltage signal obtained by adding the AC voltage output from the AC voltage application unit (AC voltage source) 9 and the DC voltage output from the DC voltage application unit (DC voltage source) 12 is applied to the
交流電圧の振幅はあらかじめ設定された値であるが、直流電圧の値は次のように決定される。変位検出部(力検出器)8からのカンチレバー6の変位信号はロックインアンプA(第一のロックインアンプ)10に入力され、交流電圧印加部(交流電圧源)9から出力される交流電圧に同期した同じ周波数の信号を参照信号として、変位信号内の交流電圧と同じ周波数成分の強度が検出される。探針5と試料1との間の距離をz、電位差をV、誘電率をεとすると、カンチレバー6に加わる静電気力Fは、F∝εV2/z2となる。ロックインアンプA(第一のロックインアンプ)10から出力される信号は静電気力の電圧Vに関する微分となるため、dF/dV∝εV/z2となり、距離zおよび誘電率εが一定であれば、電位差に比例した値となる。そのため、ロックインアンプA(第一のロックインアンプ)10からの出力信号がゼロとなるように、フィードバック制御部A(第一の制御系)11を用いて、直流電圧印加部(直流電圧源)12から出力される直流電圧を調整することにより、探針5と試料1との間の電位差は常にゼロに保たれる。これにより、試料表面の電位によらずカンチレバー6に加わる静電気力をゼロとすることができる。即ち、探針と試料との間の電位差は、ロックインアンプAとフィードバック制御部Aを含む電位差制御部により、直流電圧印加部の直流電圧を調整することにより制御できる。
The amplitude of the AC voltage is a preset value, but the value of the DC voltage is determined as follows. The displacement signal of the
また、変位検出部(力検出器)8からのカンチレバー6の変位信号はロックインアンプB(第二のロックインアンプ)13に入力され、交流電圧印加部(交流電圧源)9から出力される交流電圧に同期した二倍周波数の信号を参照信号として、変位信号内の交流電圧の二倍周波数成分の強度が検出される。ロックインアンプB(第二のロックインアンプ)13から出力される信号は静電気力の電圧Vに関する二回微分となるため、d2F/dV2∝ε/z2となり、誘電率εが一定であれば、探針5と試料1の間の距離zの二乗に反比例した値となる。そのため、ロックインアンプB(第二のロックインアンプ)13からの出力信号が設定された一定の値となるように、フィードバック制御部B(第二の制御系)14を用いて、Z駆動部15を介してXYZ走査機構3をZ方向に駆動し、試料1の探針5に対するZ方向の位置を調整することにより、探針5と試料1との距離が一定値に保たれる。これにより、試料表面の凹凸によらず探針5と試料1との距離は常に一定となる。即ち、探針と試料表面との間の距離は、ロックインアンプBとフィードバック制御部Bとを含む距離制御部により、試料の探針に対するZ方向の位置を調整することにより制御できる。
Further, the displacement signal of the
さらに、変位検出部(力検出器)8からのカンチレバー6の変位信号は位相検出部(位相比較器)17に入力され、発振部(励振器)7からの励振信号と、カンチレバー6の変位信号内の励振信号と同じ周波数成分の信号の位相が比較され、位相差に比例した位相信号が出力される。位相信号は探針5に加わる力に応じて変化するが、探針5と試料1の間の電位差はフィードバック制御によりゼロに保たれているため静電気力は含まれず、また、探針5と試料1が接触しない程度に十分に離す(1nm以上、実用的には5nm以上)ことにより、機械的な接触による力やファンデルワールス力の影響も無視できるため、探針5が試料1からの漏えい磁界から受ける磁気力を反映している。即ち、磁気力と他の力とを分離することができる。
Further, the displacement signal of the
測定は図4に示したような手順で行う。まず、カンチレバーセットステップS401でカンチレバー6をセットした後に、試料セットステップS402で試料1を試料台2にセットする。さらに、試料位置調整ステップS403で試料1の測定したい所望の位置が探針5の直下となるように試料1の位置を調整する。次に、探針電圧印加ステップS404で、交流電圧印加部(交流電圧源)9から出力される交流電圧および直流電圧印加部(直流電圧源)12から出力される直流電圧を足し合わせた電圧信号を探針5に印加し、電位差制御開始ステップS405でフィードバック制御部A(第一の制御系)11による探針‐試料間電位差制御を開始する。この状態で、粗動ステップS406で、制御部21は粗動部20を介して粗動機構4を駆動することにより粗動を行い、探針5を試料1に数百nm程度まで接近させる。粗動はロックインアンプB(第二のロックインアンプ)13から出力される信号があらかじめ設定したしきい値を超えた時点で停止し、次の距離制御開始ステップS407でフィードバック制御部B(第二の制御系)14による探針‐試料間距離制御を開始する。この時点で、探針5と試料1の距離が一定、かつ、探針5と試料1の電位差がゼロとなるように制御されている。
The measurement is performed according to the procedure shown in FIG. First, after setting the
走査およびデータ取得ステップS408で、制御部21は走査部19を介してXYZ走査機構3を駆動することにより、試料1を探針5に対してXY方向に走査する。なお、試料1と探針5の距離は一定に保たれており、従来の接触式のMFMと異なりカンチレバーの上下移動(Z方向)をする時間を必要としないため計測時間の短縮が図れる。また、探針が試料に触れることがないため試料表面の磁性物質の探針への付着がなく磁気力信号が不安定となることもない。
In scanning and data acquisition step S408, the
試料1を探針5に対してXY方向に走査する際、制御部21は、各測定点においてフィードバック制御部B(第二の制御系)14からの出力信号を、表面形状取得部16を介して表面形状データとして取り込み、さらに、位相検出部(位相比較器)17からの出力信号を、磁気力取得部18を介して磁気力データとして取り込む。表面形状データ表示ステップS409で表面形状データを、各XY座標を用いて2次元的にマッピングし、表面形状の画像を表示装置(図示せず)に表示する。さらに、磁気力データ表示ステップS410で磁気力データを、各XY座標を用いて2次元的にマッピングし、磁気力分布の画像を表示装置(図示せず)に表示する。
When scanning the
本発明を、以下の実施例を用いて詳細に説明する。なお、発明を実施するための形態に記載され、本実施例に未記載の事項は本実施例にも適用することができる。 The invention is explained in detail using the following examples. Note that matters described in the mode for carrying out the invention and not described in this embodiment can be applied to this embodiment.
本実施例に係る走査プローブ顕微鏡を用いて、磁性体試料としてネオジウム‐鉄‐ホウ素磁石表面の磁気力分布を測定した。走査プローブ顕微鏡の構成は図1と同様である。ネオジウム‐鉄‐ホウ素磁石は、アモルファス炭素基板表面に形成した厚さ200nmの薄膜を厚さ20nmのタンタル膜を介して10層積層し、最表面を厚さ40nmのタンタル膜で被覆したものを用いた。試料は試料面に垂直方向に磁界消磁した。カンチレバーとして、長さ110μm、幅35μm、力定数0.95N/mのシリコン製のものを用い、カンチレバーホルダーに設けられた励振用ピエゾ素子により、カンチレバーの固有振動数である105kHzで振動させた。振動振幅は5nmであった。カンチレバー先端には長さ20μmの探針が設けられ、その表面を強磁性体であるコバルトを厚さ60nmコートし、さらに保護層として厚さ20nmのクロムをコートした。 Using the scanning probe microscope according to the present example, the magnetic force distribution on the surface of a neodymium-iron-boron magnet as a magnetic material sample was measured. The configuration of the scanning probe microscope is the same as that shown in FIG. For neodymium-iron-boron magnets, a thin film with a thickness of 200 nm formed on the surface of an amorphous carbon substrate is laminated via a tantalum film with a thickness of 20 nm, and the outermost surface is coated with a tantalum film with a thickness of 40 nm. It was. The sample was demagnetized in the direction perpendicular to the sample surface. A cantilever having a length of 110 μm, a width of 35 μm, and a force constant of 0.95 N / m was used, and the cantilever was vibrated at 105 kHz, which is the natural frequency of the cantilever, by an excitation piezoelectric element provided in the cantilever holder. The vibration amplitude was 5 nm. A tip having a length of 20 μm was provided at the tip of the cantilever, and the surface was coated with 60 nm thick cobalt as a ferromagnetic material, and further coated with 20 nm thick chromium as a protective layer.
カンチレバーの変位は、レーザダイオードからのレーザ光をカンチレバー表面に照射し、そのときの反射光を2分割フォトダイオードで検出し、2つの出力の差分を取ることにより検出した。探針には周波数1000Hz、振幅1Vの交流電圧を印加し、ロックインアンプを用いてカンチレバーの変位信号から交流電圧と同じ周波数成分を検出することにより、探針−試料間に働く静電気力の電圧微分に対応する信号を得た。この信号がゼロとなるように、フィードバック回路を用いて探針電圧の直流成分の値を調整することにより、探針‐試料間の電位差がゼロとなるように制御した。また、ロックインアンプを用いてカンチレバーの変位信号から交流電圧の二倍周波数成分、すなわち2000Hzの周波数成分を検出することにより、探針−試料間に働く静電気力の二回電圧微分に対応する信号を得た。 The displacement of the cantilever was detected by irradiating the surface of the cantilever with laser light from the laser diode, detecting the reflected light at that time with a two-divided photodiode, and taking the difference between the two outputs. A voltage of electrostatic force acting between the probe and the sample is applied to the probe by applying an AC voltage with a frequency of 1000 Hz and an amplitude of 1 V and detecting the same frequency component as the AC voltage from the displacement signal of the cantilever using a lock-in amplifier. A signal corresponding to the differentiation was obtained. By adjusting the value of the direct current component of the probe voltage using a feedback circuit so that this signal becomes zero, the potential difference between the probe and the sample was controlled to be zero. In addition, a signal corresponding to the double voltage differentiation of the electrostatic force acting between the probe and the sample is detected by detecting a double frequency component of the AC voltage, that is, a frequency component of 2000 Hz, from the displacement signal of the cantilever using a lock-in amplifier. Got.
試料基板を、ピエゾ素子を用いたXYZ走査ステージ上に固定し、ステッピングモータとねじを用いた粗動機構によってステージ全体を上下方向に移動し、試料表面に対向して取り付けられたカンチレバーに試料を接近させた。試料‐探針間に十分に大きな静電気力が作用し始めるまで接近させた後、ステッピングモータを停止した。 The sample substrate is fixed on an XYZ scanning stage using a piezo element, the entire stage is moved up and down by a coarse movement mechanism using a stepping motor and a screw, and the sample is placed on a cantilever mounted facing the sample surface. Approached. After approaching until a sufficiently large electrostatic force began to act between the sample and the probe, the stepping motor was stopped.
図2は本実施例に係る走査プローブ顕微鏡により測定された静電気力の二回微分値の探針‐試料間距離依存を測定した結果のプロットである。試料表面が探針先端に接近すると静電気力の二回微分信号は探針‐試料間距離の二乗に反比例して増大するため、静電気力の二回微分信号を一定に調整することにより、探針‐試料間距離を一定に保つことができる。 FIG. 2 is a plot of the results of measuring the probe-sample distance dependence of the twice differential value of the electrostatic force measured by the scanning probe microscope according to this example. When the sample surface approaches the tip of the probe, the double differential signal of the electrostatic force increases in inverse proportion to the square of the probe-sample distance, so the probe is adjusted by making the double differential signal of the electrostatic force constant. -The distance between samples can be kept constant.
本実施例では、フィードバック回路を用いて静電気力の二回微分信号の設定値が1(任意単位)となるようにXYZ走査ステージのZ方向ピエゾ素子に印加する電圧を調整し、探針‐試料間距離を40nmに維持した。この程度の距離では探針に働く原子間力およびファンデルワールス力の影響は無視できる。 In this embodiment, the voltage applied to the Z-direction piezo element of the XYZ scanning stage is adjusted using a feedback circuit so that the set value of the double differential signal of electrostatic force is 1 (arbitrary unit), and the probe-sample The inter-distance was maintained at 40 nm. At such a distance, the effects of interatomic forces and van der Waals forces acting on the probe are negligible.
この状態において、本実施例に係る走査プローブ顕微鏡を用いて試料表面の10μm×8μmの領域をラスター走査することにより得られた画像を図3に示す。図3(a)は、探針‐試料間距離のフィードバック回路からの出力値をD/Aコンバータで制御PCに読み込み、試料表面のXY座標に対して濃淡表示した表面凹凸像である。また、図3(b)は、カンチレバー励振用ピエゾ素子に印加した交流信号とカンチレバーの変位信号の位相を位相比較器で比較して求めた位相差信号の値をD/Aコンバータで制御PCに読み込み、試料表面のXY座標に対して濃淡表示した画像であり、濃淡は試料表面の垂直方向の磁化の大きさおよび向きに対応している。明るい領域がS極、暗い領域がN極である。 In this state, FIG. 3 shows an image obtained by raster scanning a 10 μm × 8 μm region of the sample surface using the scanning probe microscope according to the present example. FIG. 3A is a surface irregularity image in which the output value from the feedback circuit of the probe-sample distance is read into the control PC by a D / A converter and displayed in shades with respect to the XY coordinates of the sample surface. FIG. 3B shows the phase difference signal value obtained by comparing the phase of the AC signal applied to the piezo element for cantilever excitation and the displacement signal of the cantilever with a phase comparator. This is an image that is read and displayed in shades with respect to the XY coordinates of the sample surface, and the shades correspond to the magnitude and direction of magnetization in the vertical direction of the sample surface. The bright area is the S pole and the dark area is the N pole.
図3(c)は図3(a)の直線AAにおける断面図、図3(d)は図3(b)の直線BBにおける断面図である。面内空間分解能はともに約50nmであり、磁気力分布を高分解能で測定できること、又静電気力による位置検出精度も十分得られることがわかった。また、本実施例によれば、探針は試料表面と接触しないため、探針先端にコートした強磁性体層を保護する保護層が不要となる。その結果、探針先端の曲率半径を小さくすることができるため、分解能が向上する。 3C is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 3A, and FIG. 3D is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. Both in-plane spatial resolutions were about 50 nm, and it was found that the magnetic force distribution can be measured with high resolution, and the position detection accuracy by electrostatic force can be sufficiently obtained. Further, according to this embodiment, since the probe does not come into contact with the sample surface, a protective layer for protecting the ferromagnetic layer coated on the tip of the probe becomes unnecessary. As a result, the radius of curvature at the tip of the probe can be reduced, and the resolution is improved.
以上、本実施例によれば、静電気力を用いて試料表面位置を検出することにより、試料を加工せず又探針先端を劣化させることなく磁気力分布を高分解能で測定可能な非接触式の走査プローブ顕微鏡を提供することができる。また、探針が試料と接触することがないため異物付着が無く、磁気力を高安定に検出することができる。また、測定点ごとにカンチレバーを上下する必要がないため、計測時間を短縮できる。さらに、探針は試料表面と接触しないため、探針先端にコートした強磁性体層を保護する保護層が不要であり、探針先端の曲率半径を小さくすることができるため、分解能が向上する。 As described above, according to the present embodiment, by detecting the position of the sample surface using electrostatic force, the magnetic force distribution can be measured with high resolution without processing the sample and without degrading the tip of the probe. The scanning probe microscope can be provided. Further, since the probe does not come into contact with the sample, there is no adhesion of foreign matter, and the magnetic force can be detected with high stability. Further, since it is not necessary to move the cantilever up and down for each measurement point, the measurement time can be shortened. Furthermore, since the probe does not come into contact with the sample surface, a protective layer for protecting the ferromagnetic layer coated on the probe tip is unnecessary, and the radius of curvature of the probe tip can be reduced, thereby improving the resolution. .
磁石材料の磁区サイズおよび構造の評価、また、ハードディスクドライブヘッド周囲の磁界評価に適用できる。 It can be applied to the evaluation of the magnetic domain size and structure of the magnet material and the magnetic field around the hard disk drive head.
1…試料、2…試料台、3…XYZ走査機構、4…粗動機構、5…探針、6…カンチレバー、7…発振部(励振器)、8…変位検出部(力検出器)、9…交流電圧印加部(交流電圧源)、10…ロックインアンプA(第一のロックインアンプ)、11…フィードバック制御部A(第一の制御系)、12…直流電圧印加部(直流電圧源)、13…ロックインアンプB(第二のロックインアンプ)、14…フィードバック制御部B(第二の制御系)、15…Z駆動部、16…表面形状取得部、17…位相検出部(位相比較器)、18…磁気力取得部、19…走査部、20…粗動部、21…制御部、S401…カンチレバーセットステップ、S402…試料セットステップ、S403…試料位置調整ステップ、S404…探針電圧印加ステップ、S405…電位差制御開始ステップ、S406…粗動ステップ、S407…距離制御開始ステップ、S408…走査およびデータ取得ステップ、S409…表面形状データ表示ステップ、S410…磁気力データ表示ステップ。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記探針に交流電圧を印加する交流電圧源と直流電圧を印加する直流電圧源とを更に有し、
前記試料表面の高さ分布は、前記力検出器からの出力信号が入力され、前記探針と前記試料表面との間の距離を一定に制御するための距離制御部を用い、静電気力を用いて測定されるものであり、
前記距離制御部は、
前記力検出器の出力信号から前記交流電圧源の二倍周波数成分を検出する第二のロックインアンプと、
前記第二のロックインアンプからの出力が一定値となり、前記試料と前記探針との距離
が1nm以上となるように前記移動手段を垂直方向に制御する第二の制御系と、を備え、
前記直流電圧源の電圧は、前記探針と前記試料との間の電位差をゼロに保つように設定されるものであり、
前記探針と前記試料との間の電位差は、前記力検出器からの出力信号が入力される電位差制御部により制御されるものであり、
前記電位差制御部は、
前記力検出器の出力信号から前記交流電圧源の周波数成分を検出する第一のロックインアンプと、
前記第一のロックインアンプからの出力がゼロとなるように前記直流電圧源の出力を制御する第一の制御系と、を備え、
前記試料を前記探針に対して水平方向に走査する際、各測定点において前記第二の制御系からの出力信号を表面形状データとして取り込み、さらに、前記カンチレバーへの励振信号と前記カンチレバーからの励振信号の位相を比較する位相比較器からの出力信号を磁気力データとして取り込む制御部を備えることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。 A cantilever, a probe provided at the tip of the cantilever, a force detector for detecting displacement of the cantilever as a force, a sample stage on which a sample is placed, and a moving means for moving the sample stage, In a scanning probe microscope for non-contact measurement of the height distribution and magnetic force distribution of the surface of the sample placed on the sample stage,
An AC voltage source for applying an AC voltage to the probe and a DC voltage source for applying a DC voltage;
For the height distribution of the sample surface, an output signal from the force detector is input, and a distance control unit for controlling the distance between the probe and the sample surface to be constant is used, and electrostatic force is used. Is measured,
The distance controller is
A second lock-in amplifier that detects a double frequency component of the AC voltage source from the output signal of the force detector;
A second control system for controlling the moving means in the vertical direction so that the output from the second lock-in amplifier becomes a constant value and the distance between the sample and the probe is 1 nm or more,
The voltage of the DC voltage source is set to keep the potential difference between the probe and the sample at zero,
The potential difference between the probe and the sample is controlled by a potential difference control unit to which an output signal from the force detector is input,
The potential difference control unit
A first lock-in amplifier that detects a frequency component of the AC voltage source from an output signal of the force detector;
A first control system that controls the output of the DC voltage source so that the output from the first lock-in amplifier becomes zero, and
When the sample is scanned in the horizontal direction with respect to the probe, the output signal from the second control system is captured as surface shape data at each measurement point. Further, the excitation signal to the cantilever and the signal from the cantilever A scanning probe microscope comprising a control unit that takes in an output signal from a phase comparator that compares phases of excitation signals as magnetic force data.
前記探針を前記試料の表面に対して面内方向および垂直方向への相対的な移動手段、
前記探針を振動させる励振器、
前記探針に印加される力を検出する力検出器、
前記探針に交流電圧を印加する交流電圧源、
前記探針に直流電圧を印加する直流電圧源、
前記力検出器の出力信号から前記交流電圧源の周波数成分を検出する第一のロックインアンプ、
前記第一のロックインアンプからの出力がゼロとなるように前記直流電圧源の出力を制御し、前記探針と前記試料との間の電位差をゼロに保つようにする第一の制御系、
前記力検出器の出力信号から前記交流電圧源の二倍周波数成分を検出する第二のロックインアンプ、
前記第二のロックインアンプからの出力が一定値となり、前記試料と前記探針との距離が1nm以上となるように前記移動手段を垂直方向に制御する第二の制御系、
前記力検出器の出力信号と前記励振器の励振信号の位相を比較する位相比較器、
前記移動手段を面内方向に移動させながら前記第二のロックインアンプの出力を表面形状データとして、及び前記位相比較器の出力を磁気力データとして取得する制御装置、
および、前記制御装置で取得した前記第二のロックインアンプの出力および前記位相比較器の出力を前記移動手段の面内方向の位置に対応させて表示する表示装置、
を具備することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。 In a scanning probe microscope that measures the magnetic force distribution on the surface of a sample using a ferromagnetic probe,
Means for moving the probe in an in-plane direction and in a direction perpendicular to the surface of the sample;
An exciter for vibrating the probe;
A force detector for detecting a force applied to the probe;
An AC voltage source for applying an AC voltage to the probe;
A DC voltage source for applying a DC voltage to the probe;
A first lock-in amplifier that detects a frequency component of the AC voltage source from an output signal of the force detector;
A first control system for controlling the output of the DC voltage source so that the output from the first lock-in amplifier is zero, and maintaining the potential difference between the probe and the sample at zero;
A second lock-in amplifier for detecting a double frequency component of the AC voltage source from an output signal of the force detector;
A second control system for controlling the moving means in a vertical direction so that an output from the second lock-in amplifier becomes a constant value and a distance between the sample and the probe is 1 nm or more;
A phase comparator for comparing the phase of the excitation signal of the exciter and the output signal of the force detector,
A control device for acquiring the output of the second lock-in amplifier as surface shape data and moving the output of the phase comparator as magnetic force data while moving the moving means in an in-plane direction,
And a display device that displays the output of the second lock-in amplifier and the output of the phase comparator acquired by the control device in correspondence with the position in the in-plane direction of the moving means,
A scanning probe microscope comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010151245A JP5579516B2 (en) | 2010-07-01 | 2010-07-01 | Scanning probe microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010151245A JP5579516B2 (en) | 2010-07-01 | 2010-07-01 | Scanning probe microscope |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012013575A JP2012013575A (en) | 2012-01-19 |
| JP5579516B2 true JP5579516B2 (en) | 2014-08-27 |
Family
ID=45600183
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010151245A Expired - Fee Related JP5579516B2 (en) | 2010-07-01 | 2010-07-01 | Scanning probe microscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5579516B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102104059B1 (en) | 2014-07-31 | 2020-04-23 | 삼성전자 주식회사 | Conductive atomic force microscope and method for operating the same |
| KR102059658B1 (en) * | 2017-10-17 | 2019-12-26 | 포항공과대학교 산학협력단 | Photoactivated atomic force microscopy with 2nd harmonic response |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3142652B2 (en) * | 1992-08-19 | 2001-03-07 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | Magnetic force microscope |
| JP3402512B2 (en) * | 1994-05-23 | 2003-05-06 | セイコーインスツルメンツ株式会社 | Scanning probe microscope |
| JPH08201462A (en) * | 1995-01-25 | 1996-08-09 | Hitachi Ltd | Surface potential measuring device |
| JPH10239329A (en) * | 1997-02-27 | 1998-09-11 | Jeol Ltd | Scanning probe microscope |
| JP5066258B2 (en) * | 2008-08-01 | 2012-11-07 | 株式会社日立製作所 | Film thickness evaluation apparatus and film thickness evaluation method |
-
2010
- 2010-07-01 JP JP2010151245A patent/JP5579516B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2012013575A (en) | 2012-01-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3249132B2 (en) | A method for magnetically modulating a force sensor for alternating current detection in an atomic force microscope | |
| US6134955A (en) | Magnetic modulation of force sensor for AC detection in an atomic force microscope | |
| JP5592841B2 (en) | Magnetic force microscope and magnetic field observation method using the same | |
| US5670712A (en) | Method and apparatus for magnetic force control of a scanning probe | |
| US7603891B2 (en) | Multiple frequency atomic force microscopy | |
| JP4769918B1 (en) | Magnetic field observation apparatus and magnetic field observation method | |
| US5266897A (en) | Magnetic field observation with tunneling microscopy | |
| CN103443632B (en) | Magnetic force microscope and high spatial resolution magnetic field measuring method | |
| CN103336151A (en) | Magnetic microscope and measurement method thereof | |
| JP2012184959A (en) | Displacement detection mechanism and scanning probe microscope having the same | |
| JP2009525466A (en) | This application claims priority to US Provisional Patent Application 60 / 763,659 filed on January 31, 2006, and is filed in the United States on November 28, 2006. And claims its priority in connection with patent application 11 / 563,822 (name of invention “variable density scanning”), which is hereby incorporated by reference in its entirety. | |
| CN106501552A (en) | A kind of while the method for measurement surface magnetic and surface potential | |
| Proksch et al. | Energy dissipation measurements in frequency-modulated scanning probe microscopy | |
| JP5579516B2 (en) | Scanning probe microscope | |
| US9366693B2 (en) | Variable density scanning | |
| US20120030846A1 (en) | Atomic Force Microscopy System and Method for Nanoscale Measurement | |
| JP6358788B2 (en) | AC magnetic field measuring apparatus and AC magnetic field measuring method | |
| JP6167265B2 (en) | Apparatus for evaluating magnetic properties of magnetic fine particles and method for evaluating magnetic properties | |
| JPH09218213A (en) | Ultrafine magnetic domain observation method and ultrafine magnetic domain observation device | |
| JP3637297B2 (en) | Magnetic recording head measuring apparatus and measuring method applied to the same | |
| CN105102989B (en) | Magnetic field value determines device and magnetic field values determination method | |
| JP4345179B2 (en) | Magnetic field measuring device | |
| JP6001728B2 (en) | Displacement detection mechanism and scanning probe microscope using the same | |
| KR100474844B1 (en) | Lorentz force microscope and method of measuring magnetic domain utilizing lorentz force | |
| JP3566567B2 (en) | Magnetic resonance type exchange interaction force microscope and observation method using the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20130225 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130912 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130924 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20140311 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140417 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140624 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140709 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5579516 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |