磁场值测定装置以及磁场值测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测定观察试样所产生的直流磁场的磁场测定装置以及磁场测定 方法。
[0002] 本发明特别涉及一种能够高精度地测定上述直流磁场的磁场测定装置以及磁场 测定方法。
【背景技术】
[0003] 以往，作为对观察试样所产生的磁场进行观察的装置，已知有磁力显微镜 (Magnetic Force Microscope :MFM) 〇
[0004] 在MFM中，存在观察交流磁场（AC磁场）的显微镜和观察直流磁场（DC磁场）的 显微镜。
[0005] 本发明是与观察DC磁场的MFM有关的技术，因此在下面对观察DC磁场的以往的 MFM进行说明。
[0006] 图6的（A)是观察DC磁场的以往的MFM的说明图（参照专利文献1)。在图6的 (A)所示的MFM中，悬臂81的探针811含有硬磁性材料。硬磁性材料是指一旦磁化就很难 发生反磁化的材料。在图6的（A)中，作为硬磁性材料，使用钴和铬的合金、铁和铂的合金 等。
[0007] 在图6的⑷的MFM中，悬臂81通过压电元件812以共振频率或接近共振频率的 频率（例如300kHz左右）被激励。在图6的（A)中，用AC表示激励用的电源。在探针811 与观察试样82之间产生磁性的相互作用。
[0008] 通过该磁性的相互作用，悬臂81的弹簧系数发生表观变化。通过该弹簧系数的表 观变化，悬臂81的共振频率发生变化。其结果，探针811的振动的状态（振幅、相位）也发 生变化。
[0009] 在图6的⑷的MFM中，对探针811的振动的振幅以及相位的变化（悬臂81的弹 簧系数的变化）进行光学检测。由此，能够以图像获取观察试样82的表面的磁场梯度的分 布。
[0010] 专利文献1 :日本特开2003-65935号公报
[0011] 专利文献2 :国际公开2009/0101992号手册
【发明内容】
[0012] 发明要解决的问题
[0013] 在图6的（A)的MFM中，并不是直接测定观察试样82的磁场，而是根据悬臂81的 弹簧系数的变化值（振幅和相位的变化值），来检测观察试样82的磁场梯度。
[0014] 另外，在图6的（A)的MFM中，在观察试样82的表面附近，与作为远程力的磁力相 比，表面附近的范德华力等近程力较强，因此很难进行磁场梯度的检测。因而，以使磁力比 近程力大的探针与观察试样之间的距离来测量磁场梯度，从而空间分辨率的提高受以磁力 为主的上述探针与观察试样之间的距离的限制。
[0015] 本申请的申请人为了消除该问题，提出了图6的（B)所示的技术（专利文献2)。 在该技术中，悬臂91通过压电元件912以共振频率或接近共振频率的频率而被激励。在图 6的⑶中，用AC表示激励用的电源。悬臂91的前端部的探针911包括软磁性体，使用线 圈93对探针911施加交流外部磁场Η Αε。而且，使探针911的磁化周期性地变化，并测量由 于来自观察试样92的直流磁场而向探针911的强制振动导入的频率调制的程度。基于该 测量结果能够测定观察试样92的表面的直流磁场梯度3H sur/0Z。
[0016] 当应用专利文献2的技术时，通过交流外部磁场Hac对由压电元件912引起的探针 911的强制振动进行频率调制，由此能够高精度地检测观察试样92的表面的直流磁场梯度 SHsur/SZ。
[0017] 但是，在专利文献2的技术中，适用于观察试样92的表面的磁场梯度的检测，但是 无法检测磁场本身。
[0018] 另外，在专利文献2的技术中，在观察试样92的矫顽力低的情况下，表面磁场Hsur 被交流外部磁场ΗΑε干扰。因此，存在无法满足更高精度的磁场测定要求这样的情况。
[0019] 本发明的目的在于，不干扰从观察试样产生的直流磁场而高精度地测定该直流磁 场本身。
[0020] 用于解决问题的方案
[0021] 以下说明本发明的典型的作用。
[0022] (a)向已激励的含有顺磁性材料等（具有磁化强度与外部磁场的大小成比例这种 性质的材料）的探针施加该探针的振动方向上的变化率不为零的（大的）交流外部磁场。
[0023] (b)向探针前端位置施加上述探针的机械振动方向上的变化率不为零且频率与上 述探针的机械振动频率不同的交流磁场。
[0024] (C)通过直流外部磁场以消除施加于探针前端的来自观察试样的直流磁场的方式 改变来自观察试样的直流磁场，由此探针振动的频率调制减弱。
[0025] (d)在不产生频率调制时或频率调制的大小为极小时测定直流外部磁场。该磁场 为从观察试样产生的直流磁场。
[0026] 本发明的磁场测定装置包含以下方式。
[0027] (1) -种检测从观察试样产生的直流磁场的磁场测定装置，其特征在于，具备：
[0028] 振动式的探针装置，其具备探针，该探针含有一种以上的具有磁化强度与外部磁 场的大小成比例这种性质的材料；
[0029] 机械振动源，其对探针进行机械激励；
[0030] 振动检测装置，其检测探针的机械振动频率和机械振动振幅；
[0031] 交流磁场产生装置，其向探针施加交流磁场，该交流磁场在探针的机械振动方向 上的变化率不为零且频率与探针的机械振动频率不同；
[0032] 直流外部磁场产生装置，其向探针施加机械振动方向的直流外部磁场；
[0033] 频率调制检测装置，其基于振动检测装置所检测出的机械振动频率来检测在探针 的机械振动中产生的频率调制；
[0034] 直流外部磁场调整装置，其对直流外部磁场产生装置向探针施加的机械振动方向 的直流外部磁场的大小进行调整；以及
[0035] 直流磁场确定装置，其根据频率调制的大小为极小时的直流外部磁场产生装置的 输出值、或者要使频率调制的大小成为极小时的直流外部磁场产生装置的预测输出值，来 确定从观察试样产生的机械振动方向的直流磁场的值。
[0036] (2)根据⑴所述的磁场测定装置，其特征在于，
[0037] 直流外部磁场调整装置调整直流外部磁场使得直流外部磁场将直流磁场全部消 除。
[0038] (3)根据⑴所述的磁场测定装置，其特征在于，
[0039] 直流外部磁场调整装置调整直流外部磁场使得直流外部磁场将直流磁场的一部 分消除。
[0040] (4)根据⑴~（3)中的任一项所述的磁场测定装置，其特征在于，
[0041] 交流磁场产生装置具有电磁线圈。
[0042] (5)根据⑴~（4)中的任一项所述的磁场测定装置，其特征在于，
[0043] 交流磁场产生装置具有两个以上的电磁线圈，
[0044] 通过该两个以上的电磁线圈产生在探针的前端为彼此消除的朝向的多个磁场，由 此交流磁场产生装置产生具有磁场振幅为零的位置的磁场，并且
[0045] 交流磁场产生装置所产生的磁场在磁场振幅为零的位置处的磁场梯度比上述两 个以上的电磁线圈各自单独产生的磁场在该位置处的磁场梯度中的任一个都大。
[0046] (6)根据⑴~（5)中的任一项所述的磁场测定装置，其特征在于，
[0047] 直流外部磁场产生装置具有向探针施加磁场的电磁线圈，
[0048] 直流外部磁场调整装置具有电流调整装置。
[0049] (7)根据⑴~（6)中的任一项所述的磁场测定装置，其特征在于，
[0050] 还具备利用探针对观察试样的表面进行一维、二维或三维扫描的机构。
[0051] (8) -种磁场测定方法，使用具备探针的振动式的探针装置来测定从观察试样产 生的直流磁场，其中，该探针含有一种以上的具有磁化强度与外部磁场的大小成比例这种 性质的磁性材料，该磁场测定方法的特征在于，包括以下工序：
[0052] 对探针进行机械激励；
[0053] 向探针施加在探针的机械振动方向上的变化率不为零且频率与探针的机械振动 频率不同的交流磁场，并且向探针施加消除从观察试样产生的直流磁场的朝向的、机械振 动方向的直流外部磁场；
[0054] 检测在探针的机械振动中产生的频率调制；
[0055] 根据频率调制的检测结果，调整向探针施加的机械振动方向的直流外部磁场的大 小；以及
[0056] 根据不产生频率调制时或频率调制的大小为极小时的直流外部磁场的值、或者要 使频率调制的大小成为极小时的直流外部磁场的预测值，来确定从观察试样产生的机械振 动方向的直流磁场的值。
[0057] (9)根据（8)所述的磁场测定方法，其特征在于，
[0058] 还具有以下工序：调整直流外部磁场使得直流外部磁场将直流磁场全部消除
[0059] (10)根据（8)所述的磁场测定方法，其特征在于，还具有以下工序：
[0060] 调整直流外部磁场使得直流外部磁场将直流磁场的一部分消除；以及
[0061] 根据至少两个直流外部磁场的值以及与该至少两个直流外部磁场的值对应的频 率调制的大小，来确定从观察试样产生的机械振动方向的直流磁场的值。
[0062] (11)根据⑶~（10)中的任一项所述的磁场测定方法，其特征在于，
[0063] 还具有以下工序：在未设置观察试样时，（a)校正交流磁场使得频率调制为零，或 者（b)校正交流磁场使得频率调制接近零
[0064] (12)根据⑶~（11)中的任一项所述的磁场测定方法，其特征在于，
[0065] 还具有以下工序：利用探针对观察试样的表面进行一维、二维或三维扫描。
[0066] 发明的效果
[0067] 在本发明中，对具备探针的探针装置进行激励，向探针施加交流外部磁场，该探针 含有一种以上的磁化强度与外部磁场的大小成比例的材料，交流外部磁场在向探针位置施 加直流磁场时使探针的机