JP3353519B2 - Force gradient detecting method, information reproducing method, information reproducing apparatus, and information recording / reproducing apparatus - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は原子間力顕微鏡、磁気力
顕微鏡、静電気力顕微鏡による表面計測方法ならびにそ
れを用いた情報再生方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface measuring method using an atomic force microscope, a magnetic force microscope, and an electrostatic force microscope, and an information reproducing method using the same.

【０００２】[0002]

【従来の技術】従来、試料表面の凹凸をnmオーダーで観
察できる装置として、原子間力顕微鏡（Atomic Force M
icroscope;以後ＡＦＭと略記する）が発明されている。
ＡＦＭの測定モードには接触型と非接触型の２種類が存
在する。接触型ＡＦＭはカンチレバーの自由端に設けら
れた探針を試料表面に１nm以下の距離に接近させ、探針
と試料の間にはたらく力をカンチレバーのたわみとして
検出する。この力は試料と探針の距離によって決まる。
したがってカンチレバーのたわみが一定になるように試
料を上下させながら、カンチレバーに対して走査してや
ると、カンチレバーの動きから表面の凹凸を画像化でき
る。2. Description of the Related Art Conventionally, an atomic force microscope (Atomic Force M
icroscope; hereinafter abbreviated as AFM).
There are two types of AFM measurement modes: contact type and non-contact type. In the contact type AFM, a probe provided at a free end of a cantilever is brought closer to a sample surface at a distance of 1 nm or less, and a force acting between the probe and the sample is detected as deflection of the cantilever. This force is determined by the distance between the sample and the probe.
Therefore, when scanning is performed on the cantilever while moving the sample up and down so that the deflection of the cantilever becomes constant, the surface irregularities can be imaged from the movement of the cantilever.

【０００３】非接触ＡＦＭは探針を試料から数nmから百
nmの距離に接近させ、カンチレバーの機械的な共振周波
数近傍で強制振動させる。この距離で試料と探針の間に
はたらく力はファンデルワールス力が支配的である。フ
ァンデルワールス力は試料探針間距離によって決まる
が、ファンデルワールス力の距離微分（力勾配と呼ぶ）
もまた距離によって決まる。この状態は探針にカンチレ
バーのばねとファンデルワールス力のばねが接続されて
いると考えることができる。力勾配の変化はファンデル
ワールス力のばね定数の変化であり、探針（カンチレバ
ー）の共振特性を変化させる。力勾配の変化は振動振
幅、位相、共振周波数の変化として検出することができ
る。[0003] Non-contact AFM moves a probe from a few nm to a hundred
approach the distance of nm and forcibly vibrate around the mechanical resonance frequency of the cantilever. At this distance, the force acting between the sample and the probe is dominated by van der Waals force. The van der Waals force is determined by the distance between the sample tips, but the distance derivative of the van der Waals force (called the force gradient)
Is also determined by distance. This state can be considered that the cantilever spring and the van der Waals force spring are connected to the probe. The change in the force gradient is a change in the spring constant of the Van der Waals force, and changes the resonance characteristics of the probe (cantilever). Changes in the force gradient can be detected as changes in vibration amplitude, phase, and resonance frequency.

【０００４】このことを図２のような力学的モデルを用
いてさらに詳しく説明する。カンチレバーのばね定数を
k_c、ファンデルワールス力により生ずる探針と試料の間
のばね定数をk_f、探針の有効質量をｍ、空気抵抗などの
減衰定数をｃ、カンチレバーの強制振動の振幅をＡ、周
波数をω_osc とすると運動方程式は（数１）となり、こ
の解は（数２）となる。This will be described in more detail using a dynamic model as shown in FIG. The spring constant of the cantilever
k _c , k _{f is} the spring constant between the probe and the sample generated by Van der Waals force, m is the effective mass of the probe, c is the damping constant such as air resistance, A is the amplitude of forced vibration of the cantilever, and A is the frequency. _Assuming that ω _osc , the equation of motion is (Equation 1), and the solution is (Equation 2).

【０００５】[0005]

【数１】 (Equation 1)

【０００６】[0006]

【数２】 (Equation 2)

【０００７】ただしHowever,

【０００８】[0008]

【数３】 (Equation 3)

【０００９】[0009]

【数４】 (Equation 4)

【００１０】[0010]

【数５】 (Equation 5)

【００１１】である。したがってカンチレバーの振幅、
位相の変化からファンデルワールス力の変化を知ること
ができる。## EQU1 ## Therefore the cantilever amplitude,
The change in van der Waals force can be known from the change in phase.

【００１２】非接触型ＡＦＭの特徴は、非接触であるが
ために試料探針間での物質のやりとりがなく、また共振
型検出法であるため接触型ＡＦＭに比べより高感度であ
ることがあげられる（「ジャーナル・オブ・アプライド
・フィジックス」６１巻１０号4723頁−4729頁（1987
年）（Y.Martin et al.Journal of Applied Physics61
(10)4723-4729(1987))）。非接触ＡＦＭの原理は磁気力
や静電気力を検出するのに、その効力を最もよく発揮す
る。The characteristics of the non-contact type AFM are that there is no exchange of substances between the sample probes because it is non-contact, and the sensitivity is higher than that of the contact type AFM because it is a resonance type detection method. (Journal of Applied Physics, Vol. 61, No. 10, pp. 4723-4729 (1987
Year) (Y. Martin et al. Journal of Applied Physics61
(10) 4723-4729 (1987))). The principle of the non-contact AFM is most effective in detecting a magnetic force or an electrostatic force.

【００１３】走査型磁気力顕微鏡（Magnetic Force Mic
roscope;以下ＭＦＭと略記する。）は磁性探針を用い、
試料の磁化との間にはたらく磁気力を検出することによ
って試料表面の磁化分布を画像化する。ところが磁気力
はファンデルワールス力に比べかなり小さく、接触型Ａ
ＦＭが動作する領域ではファンデルワールス力に隠れて
しまい十分なＳＮで測定することは難しい。ファンデル
ワールス力は試料探針間距離が大きくなるにつれ急激に
減少するが、磁気力は基本的に距離の２乗で変化し、ゆ
るやかに減少する。したがってファンデルワールス力が
比較的小さくなる領域まで探針を試料から離して磁気力
を測定する。磁気力は10^-9Ｎ以下と微弱であるので、カ
ンチレバーのたわみが小さく測定が困難である。そこで
磁気力そのものではなく、磁気力勾配を高感度の非接触
ＡＦＭの原理で測定する。Scanning magnetic force microscope (Magnetic Force Mic)
roscope; hereinafter abbreviated as MFM. ) Uses a magnetic probe,
The magnetization distribution on the sample surface is imaged by detecting the magnetic force acting between the magnetization of the sample and the sample. However, the magnetic force is much smaller than the van der Waals force,
In the region where the FM operates, it is difficult to measure with sufficient SN because it is hidden by Van der Waals force. The van der Waals force sharply decreases as the distance between the sample probes increases, but the magnetic force basically changes with the square of the distance and gradually decreases. Therefore, the magnetic force is measured by moving the probe away from the sample until the van der Waals force becomes relatively small. Since the magnetic force is as weak as 10 ⁻⁹ N or less, the deflection of the cantilever is small and measurement is difficult. Therefore, instead of the magnetic force itself, the magnetic force gradient is measured based on the principle of non-contact AFM with high sensitivity.

【００１４】静電気力もまた距離の二乗で変化し非接触
のＡＦＭの原理で測定する。半導体デバイスなど表面に
配線パターンを施した試料に信号（電圧）を印加した状
態で導電性探針との間にはたらく静電気力の力勾配を画
像化することによって配線パターンの断線などで信号が
伝わっていない領域を調べることができる。また超高密
度記録の手段として、ＭＦＭの探針を磁界源としてポイ
ント記録し、ＭＦＭの原理で再生する方法が提案されて
いる（例えば、電子情報通信学会論文誌Ｃ−IIVol.J75-
C-II No.11 pp600-610(1992年)）。The electrostatic force also changes with the square of the distance and is measured by the principle of non-contact AFM. Signals are transmitted by disconnection of the wiring pattern by imaging the force gradient of the electrostatic force acting between the conductive probe and the sample while applying a signal (voltage) to a sample with a wiring pattern on the surface such as a semiconductor device. You can find out which areas are not. Further, as a means for ultra-high density recording, a method has been proposed in which point recording is performed using an MFM probe as a magnetic field source and reproduction is performed based on the principle of MFM (for example, IEICE Transactions C-IIVol.J75-).
C-II No.11 pp600-610 (1992)).

【００１５】[0015]

【発明が解決しようとする課題】ところが従来のカンチ
レバーを振動させた力勾配の測定では、カンチレバーの
振幅、または位相の変化を検出するため、試料表面の１
ケ所あたりの検出時間は最短でもカンチレバーの振動の
１周期の時間が必要である。同様にこの原理を用いた情
報再生装置ではカンチレバーの基本共振周波数以上の信
号再生が不可能である。カンチレバーの材料の弾性率を
Ｅ、密度をρ、長さをＬ、幅をｗ、厚さをｔとするとカ
ンチレバーの基本共振周波数f₁とばね定数k_cは次式で表
される。However, in the conventional measurement of the force gradient caused by oscillating the cantilever, a change in the amplitude or phase of the cantilever is detected.
The detection time per location requires at least one cycle of cantilever vibration. Similarly, an information reproducing apparatus using this principle cannot reproduce signals above the basic resonance frequency of the cantilever. The elastic modulus of the cantilever material E, the density [rho, the fundamental resonant frequency f ₁ and the spring constant k _c of the length L, a width w, when the thickness is t cantilever is represented by the following equation.

【００１６】[0016]

【数６】 (Equation 6)

【００１７】[0017]

【数７】 (Equation 7)

【００１８】したがってより高速な測定をするためには
厚さｔを厚くするか、長さＬを短くして基本共振周波数
の高いカンチレバーを製作する必要があった。しかし高
感度の測定を行うには、カンチレバーのばね定数が小さ
いことが望ましく、この点から厚さｔを厚くすることに
は限度があった。また長さＬを短くすると、カンチレバ
ーの振幅を大きくとることが難しく、ＳＮ比が低下する
ため長さＬを短くすることにも限度があった。Therefore, in order to perform higher-speed measurement, it is necessary to increase the thickness t or shorten the length L to manufacture a cantilever having a high fundamental resonance frequency. However, in order to perform high-sensitivity measurement, it is desirable that the spring constant of the cantilever is small, and there is a limit in increasing the thickness t from this point. Further, when the length L is reduced, it is difficult to increase the amplitude of the cantilever, and the S / N ratio is reduced. Therefore, the reduction of the length L is limited.

【００１９】従来のカンチレバーの共振を用いた力勾配
を検出する方法は、カンチレバーの基本共振を用いてい
た。これは単なる力勾配の測定では多少測定時間が長く
なっても致命的な問題にはならず、また強制振動源の振
幅が同じ場合、探針の振幅は基本共振のときが最大にな
り効率的という点からでもある。ところがＭＦＭを用い
た磁気再生装置を考えたとき測定時間が長いことは致命
的である。例えば画像信号をＭＰＥＧ２で圧縮して記録
したとしても、転送速度は６Ｍｂｐｓ必要であり、した
がって再生速度も６Ｍｂｐｓ必要となる。従来ＭＦＭで
用いられているカンチレバーの代表的なサイズは、長さ
200μｍ、幅20μｍ、厚さが4μｍで共振周波数20kHz程
度である（電子情報通信学会論文誌Ｃ−IIVol.J75-C-II
No.11 pp600-610(1992年))。したがって６ＭHzの共振
周波数を得るためには、長さを1/10以下の10μｍ程度に
する必要がある。しかしカンチレバーの自由端に設けら
れた円錐状の探針は底面部分の直径が10μｍ以上であ
り、カンチレバーの長さと同等になるため共振現象に影
響が出る可能性がある。A conventional method for detecting a force gradient using resonance of a cantilever uses the fundamental resonance of the cantilever. This is not a fatal problem even if the measurement time is slightly longer in the mere measurement of the force gradient. This is also from the point. However, when considering a magnetic reproducing apparatus using MFM, a long measurement time is fatal. For example, even if an image signal is compressed by MPEG2 and recorded, the transfer speed needs to be 6 Mbps, and therefore the reproduction speed also needs to be 6 Mbps. A typical size of a cantilever conventionally used in MFM is a length.
200μm, width 20μm, thickness 4μm, resonance frequency is about 20kHz (Transactions of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers C-IIVol.J75-C-II
No.11 pp600-610 (1992)). Therefore, in order to obtain a resonance frequency of 6 MHz, it is necessary to reduce the length to about 10 μm, which is 1/10 or less. However, the conical probe provided at the free end of the cantilever has a bottom surface diameter of 10 μm or more, which is equivalent to the length of the cantilever, and may affect the resonance phenomenon.

【００２０】本発明の目的は、カンチレバーを振動させ
た力勾配の測定をより高速に行うことにある。An object of the present invention is to measure a force gradient caused by oscillating a cantilever at a higher speed.

【００２１】[0021]

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、先鋭化した探針を自由端に有するカンチレバ
ーを試料に接近させ、前記カンチレバーの自由振動の機
械的共振周波数のうち少なくとも２次以上の高次の機械
的共振周波数近傍の周波数で強制振動源を用いて強制振
動させ、前記カンチレバーの振幅、または前記強制振動
源と前記カンチレバーの振動の位相のずれ、または前記
機械的共振周波数の変化から前記探針と前記試料表面の
間にはたらく力の力勾配を検出する方法である。According to the present invention, in order to attain the above object, a cantilever having a sharpened probe at a free end is brought close to a sample, and at least two of the mechanical resonance frequencies of free vibration of the cantilever are obtained. Forced vibration using a forced vibration source at a frequency near the next higher mechanical resonance frequency or higher, the amplitude of the cantilever, or the phase shift of the vibration of the forced vibration source and the cantilever, or the mechanical resonance frequency And detecting a force gradient of a force acting between the probe and the sample surface from a change in the force.

【００２２】また、少なくとも先端が磁性材料からなる
探針を用いて、上記力勾配を検出する方法によって、探
針と試料の間にはたらく磁気力の力勾配を検出する方法
である。また少なくともその先端が導電性材料からなる
探針を用いて、上記力勾配を検出する方法によって、前
記探針と試料表面の間にはたらく静電気力の力勾配を検
出する方法である。また上記磁気力勾配を検出する方法
を用いて、磁気媒体に微小磁化として記録された情報信
号を再生する方法である。[0022] Further, there is provided a method of detecting a force gradient of a magnetic force acting between a probe and a sample by a method of detecting the above-mentioned force gradient by using a probe having at least a tip made of a magnetic material. Further, a method of detecting a force gradient of an electrostatic force acting between the probe and the sample surface by a method of detecting the force gradient by using a probe whose tip is made of a conductive material at least. Also, this is a method of reproducing an information signal recorded as a minute magnetization on a magnetic medium by using the method for detecting the magnetic force gradient.

【００２３】[0023]

【００２４】[0024]

【００２５】[0025]

【作用】周期的に変化する信号の振幅や位相を検出する
には少なくとも１周期分その信号を測定することが必要
であるが、周波数を上げることによってこの１周期の時
間を短くすることが可能である。図３にカンチレバーの
高次共振のモードの概念を示す。二次共振の周波数は基
本共振の周波数の６．２７倍であり、三次共振の周波数
は１７．５６倍、四次共振の周波数は３４．４１倍であ
る。In order to detect the amplitude and phase of a periodically changing signal, it is necessary to measure the signal for at least one cycle, but it is possible to shorten the time of one cycle by increasing the frequency. It is. FIG. 3 shows the concept of the higher-order resonance mode of the cantilever. The frequency of the secondary resonance is 6.27 times the frequency of the basic resonance, the frequency of the tertiary resonance is 17.56 times, and the frequency of the quaternary resonance is 34.41 times.

【００２６】本発明によればカンチレバーの高次の機械
的共振を用いるので、基本共振周波数がそれほど高くな
いカンチレバーを用いても、カンチレバーの強制振動の
周波数を上げることができる。したがって探針と試料の
間にはたらく力の勾配によって変化する振幅や位相、共
振周波数の変化をより短時間で測定でき力勾配の測定を
高速化できる。According to the present invention, since the higher-order mechanical resonance of the cantilever is used, the frequency of the forced vibration of the cantilever can be increased even if a cantilever whose basic resonance frequency is not so high is used. Therefore, changes in amplitude, phase, and resonance frequency, which change due to the gradient of the force acting between the probe and the sample, can be measured in a shorter time, and the measurement of the force gradient can be accelerated.

【００２７】[0027]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【００２８】（実施例１）図４に本実施例で用いた非接
触型ＡＦＭ装置の構成を示す。図４において、４１は探
針、４２はカンチレバーでその自由端には探針４１が設
けられている。カンチレバー４２の固定端はカンチレバ
ーホールダー４３に固定されており、カンチレバー４２
はカンチレバーホールダー４３ごと強制振動用圧電体４
４によって強制振動される。試料４６は三次元微動素子
４７に固定されている。強制振動用圧電体４４と三次元
微動素子４７は固定台４５に固定されている。なお、カ
ンチレバー４２は試料４６に対して２０゜傾けて固定さ
れている。カンチレバー４２の上方には半導体レーザー
４８と二分割フォトダイオード４９が配置されており、
光てこ方式の変位検出系を構成している。Embodiment 1 FIG. 4 shows the configuration of a non-contact type AFM apparatus used in this embodiment. In FIG. 4, 41 is a probe, 42 is a cantilever, and a probe 41 is provided at its free end. The fixed end of the cantilever 42 is fixed to the cantilever holder 43, and the cantilever 42
Is the piezoelectric body 4 for forced vibration together with the cantilever holder 43
4 forcibly vibrates. The sample 46 is fixed to a three-dimensional fine movement element 47. The forced vibration piezoelectric body 44 and the three-dimensional fine movement element 47 are fixed to a fixed base 45. The cantilever 42 is fixed at an angle of 20 ° with respect to the sample 46. Above the cantilever 42, a semiconductor laser 48 and a two-part photodiode 49 are arranged.
An optical lever type displacement detection system is configured.

【００２９】４１０は発振器で、ピエゾアンプ４１１を
通して強制振動用圧電体４４に正弦波電圧を印加する。
４１２はプリアンプで、二分割フォトダイオード４９の
２つのフォトダイオードの出力電流を入力とし、これら
を電圧に変換してその差分を出力する。この出力がカン
チレバー４２の変位に相当する。４１３は振幅検出器
で、プリアンプ４２の正弦波出力の振幅の大きさに応じ
た直流電圧を出力する。４１４はフィードバックコント
ローラで、振幅検出器４１３の出力とあらかじめ設定さ
れた値との差に応じた出力電圧を発生し、ピエゾアンプ
４１６を通して三次元微動素子４７に印加され試料を上
下動する。４１５はコンピュータで、試料を横方向に走
査するために三角波の走査電圧を発生する。走査電圧は
ピエゾアンプ４１６を通して三次元微動素子４７に印加
され試料４６を走査させる。An oscillator 410 applies a sine wave voltage to the piezoelectric body 44 for forced vibration through the piezo amplifier 411.
A preamplifier 412 receives the output currents of the two photodiodes of the two-division photodiode 49, converts them into voltages, and outputs the difference. This output corresponds to the displacement of the cantilever 42. An amplitude detector 413 outputs a DC voltage corresponding to the magnitude of the amplitude of the sine wave output of the preamplifier 42. A feedback controller 414 generates an output voltage corresponding to the difference between the output of the amplitude detector 413 and a preset value, and is applied to the three-dimensional fine movement element 47 through a piezo amplifier 416 to vertically move the sample. A computer 415 generates a triangular scanning voltage for scanning the sample in the horizontal direction. The scanning voltage is applied to the three-dimensional fine movement element 47 through the piezo amplifier 416 to scan the sample 46.

【００３０】カンチレバー４２には、探針４１を一体化
したシリコン製の矩形のものを用いた。カンチレバーの
長さは５００μｍ、幅７５μｍ、厚さ１μｍで、ばね定
数は１．３Ｎ／ｍである。まず探針４１を試料４６から
１０mm以上離して周波数を変化させながら強制振動用圧
電体４４を０．２nmp-p の一定振幅で振動させた。半導
体レーザー４８から直径３０μｍに絞ったレーザー光を
カンチレバー先端に照射し、反射光を二分割フォトダイ
オード４９で受け、プリアンプ４１２の出力をオシロス
コープで観察したところ、（表１）のように振動の周波
数が２８．１６ｋHz、１７２．６ｋHz、４９４．４９ｋ
Hzのときに光てこの出力の振幅が極大となった。As the cantilever 42, a silicon rectangular one in which the probe 41 is integrated is used. The length of the cantilever is 500 μm, the width is 75 μm, the thickness is 1 μm, and the spring constant is 1.3 N / m. First, the piezoelectric body 44 for forced vibration was vibrated at a constant amplitude of 0.2 nm-p while changing the frequency while the probe 41 was separated from the sample 46 by 10 mm or more. A laser beam focused to a diameter of 30 μm from the semiconductor laser 48 was applied to the tip of the cantilever, the reflected light was received by the two-division photodiode 49, and the output of the preamplifier 412 was observed with an oscilloscope. Are 28.16 kHz, 172.6 kHz, 494.49 kHz
The amplitude of this output was maximized at Hz.

【００３１】[0031]

【表１】 [Table 1]

【００３２】したがってこのカンチレバーの基本共振周
波数は２８．１６ｋHz、二次共振周波数１７２．６ｋH
z、三次共振周波数は４９４．４９ｋHzであることがわ
かった。次にそれぞれの共振周波数でカンチレバーを共
振させた状態で、非接触ＡＦＭの測定を行った。試料に
は直交する２方向に０．５μｍ周期の溝を持つ回折格子
を用いた。まずカンチレバー４２の振動振幅が４０mVp-
p になる点まで探針を試料に近づけ、この値を維持する
ように力勾配一定モードで１０μｍ×１０μｍの領域を
測定した。Therefore, the basic resonance frequency of this cantilever is 28.16 kHz, and the secondary resonance frequency is 172.6 kHz.
z, the tertiary resonance frequency was found to be 494.49 kHz. Next, the non-contact AFM was measured with the cantilever resonating at each resonance frequency. A diffraction grating having grooves having a period of 0.5 μm in two orthogonal directions was used as a sample. First, the vibration amplitude of the cantilever 42 is 40 mVp-
The probe was brought close to the sample up to the point p, and an area of 10 μm × 10 μm was measured in the constant force gradient mode so as to maintain this value.

【００３３】試料を探針に対して走査する走査速度を高
めていくと、カンチレバーの基本共振を用いたときは走
査速度が７０μｍ／ｓを越えると回折格子の溝を検出で
きなくなり、また得られるＡＦＭ像に再現性がなくなっ
た。ところが二次共振を用いたときは、４２０μｍ／ｓ
付近まで溝を検出でき再現性のよいＡＦＭ像が得られ
た。三次共振を用いたときはさらに１．２mm／ｓ付近ま
で溝を検出でき、再現性のよいＡＦＭ像を得られた。す
なわちより高次の共振を使うとより高速のＡＦＭ観察が
可能であった。When the scanning speed at which the sample is scanned with respect to the probe is increased, when the fundamental resonance of the cantilever is used, if the scanning speed exceeds 70 μm / s, the groove of the diffraction grating cannot be detected, and it can be obtained. AFM images no longer have reproducibility. However, when the secondary resonance is used, 420 μm / s
The groove was detected up to the vicinity, and an AFM image with good reproducibility was obtained. When the tertiary resonance was used, the groove could be further detected up to around 1.2 mm / s, and an AFM image with good reproducibility was obtained. That is, the use of higher order resonance enables higher-speed AFM observation.

【００３４】なお、本実施例では基本共振が２８．１６
ｋHzのカンチレバーを用いたが、基本共振周波数のより
高いカンチレバーを用いると高次共振の周波数も高くな
り、さらに高速のＡＦＭ観察が可能となる。In this embodiment, the fundamental resonance is 28.16.
Although a cantilever of kHz is used, if a cantilever having a higher fundamental resonance frequency is used, the frequency of higher-order resonance also becomes higher, and higher-speed AFM observation becomes possible.

【００３５】なお、本実施例では、光てこの振動振幅を
直流電圧に変換する振動検出器４１３としてアナログ回
路で入力信号の二乗値を積分して平方根をとる、いわゆ
るＲＭＳ検出回路を用いたが、十分に高速応答可能なロ
ックインアンプを用いてもよい。In the present embodiment, a so-called RMS detection circuit is used as the vibration detector 413 for converting the vibration amplitude of the optical lever into a DC voltage by integrating the square value of the input signal with an analog circuit and taking the square root. Alternatively, a lock-in amplifier capable of sufficiently high-speed response may be used.

【００３６】なお、本実施例ではカンチレバーの変位検
出に光てこを用いたが、この他に光干渉法やカンチレバ
ー背面に金属探針を近づけトンネル電流の変化から変位
を求めるＳＴＭ方式、カンチレバー背面に近接した電極
とカンチレバー背面に密着した電極の間の静電容量から
変位を求める容量方式、カンチレバーに薄膜圧電体を形
成し圧電効果により変位を求める方式などを用いてもよ
い。しかし光てこには他の方式に比べ以下の長所があ
る。通常、強制振動の振幅が同じ場合、高次共振では基
本共振に比べ自由端の振幅が小さくなり、信号が小さく
なる。ところが光てこを用いる場合はレーザー光を照射
する位置に注意すれば他の方法よりも信号の低下を抑え
ることが出来る。このことを図を参照して説明する。In this embodiment, an optical lever is used to detect the displacement of the cantilever. In addition, an optical interference method, an STM method in which a metal probe is brought close to the back of the cantilever to determine the displacement from a change in tunnel current, and A capacitance method in which displacement is obtained from the capacitance between an adjacent electrode and an electrode in close contact with the back of the cantilever, or a method in which a thin film piezoelectric material is formed on the cantilever and displacement is obtained by a piezoelectric effect may be used. However, optical levers have the following advantages over other methods. Normally, when the amplitude of the forced vibration is the same, the amplitude of the free end becomes smaller in the higher-order resonance than in the basic resonance, and the signal becomes smaller. However, in the case of using an optical lever, a signal drop can be suppressed more than other methods by paying attention to the position where the laser beam is irradiated. This will be described with reference to the drawings.

【００３７】図８は探針が同じ位置にあるときの基本共
振と二次共振のカンチレバーの傾きを比較したものであ
る。二次共振では固有振動の腹８５は固有振動の節８６
をはさんで探針８１と逆方向に変位するので二次共振時
のカンチレバー８４と水平線８７のなす角θ2は、一次
共振時のカンチレバー８３と水平線８７のなす角θ1よ
りも大きくなる。したがって光てこの入射角、反射角が
大きくなり、探針の振幅が同じ場合、二次共振の方が光
てこの出力は大きくなる。ただし二次共振時のカンチレ
バー８４のうち腹よりも固定端よりの部分と水平線８７
がなす角θ2'はθ２よりも小さい。したがってカンチレ
バーの固有振動の腹８５より自由端よりの部分にレーザ
ー光を照射する方が望ましい。このように自由端の変位
のみならずカンチレバーの傾きの効果もあるので光てこ
方式では、自由端の変位を直接検出する光干渉法やＳＴ
Ｍ方式などに比べ高次共振を用いたときの出力低下が小
さくなる効果がある。FIG. 8 is a comparison of the inclination of the cantilever between the fundamental resonance and the secondary resonance when the probe is at the same position. In the secondary resonance, the antinode 85 of the natural vibration is a node 86 of the natural vibration.
The angle θ2 between the cantilever 84 and the horizontal line 87 at the time of the secondary resonance is larger than the angle θ1 between the cantilever 83 and the horizontal line 87 at the time of the primary resonance. Therefore, when the incident angle and the reflection angle of the optical lever are large and the amplitude of the probe is the same, the output of the optical resonance is larger in the secondary resonance. However, the portion of the cantilever 84 at the time of the secondary resonance that is closer to the fixed end than the antinode and the horizontal line 87
The angle θ2 ′ is smaller than θ2. Therefore, it is desirable to irradiate the laser beam to a portion from the antinode 85 of the natural vibration of the cantilever from the free end. As described above, not only the displacement of the free end but also the effect of the tilt of the cantilever is provided.
There is an effect that a decrease in output when high-order resonance is used is smaller than that in the M method or the like.

【００３８】尚、強制振動の周波数は必ずしも共振周波
数に正確に一致させる必要はない。図５は強制振動の周
波数を変化させたときの光てこの出力の振幅を測定した
もので、(ａ)一次共振点と(ｂ)二次共振点の近傍でのカ
ンチレバー振幅の周波数特性を表した図である。ただし
縦軸は光てこのプリアンプ出力である。図５よりカンチ
レバーの共振ピークは共振点を中心として２〜３ｋHzの
幅を持っており、カンチレバーの強制振動の周波数が、
この共振ピークの中に入っていれば力勾配の測定は可能
である。ただしＳＮの問題を考えると共振ピークの半値
全幅の中に入っていることが望ましい。It should be noted that the frequency of the forced vibration does not necessarily need to be exactly equal to the resonance frequency. FIG. 5 shows the amplitude of the output of the optical lever when the frequency of the forced vibration is changed. FIG. 5 shows the frequency characteristics of the cantilever amplitude near the (a) primary resonance point and (b) the secondary resonance point. FIG. However, the vertical axis is the optical amplifier preamplifier output. From FIG. 5, the resonance peak of the cantilever has a width of 2 to 3 kHz around the resonance point, and the frequency of the forced vibration of the cantilever is
If it is within this resonance peak, the measurement of the force gradient is possible. However, considering the problem of SN, it is desirable that the resonance peak is within the full width at half maximum of the resonance peak.

【００３９】（実施例２）他の実施例として本発明を走
査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）に応用した例を示す。用い
た装置の構成は図４と同じである。ただし探針４１とし
てはSi製のカンチレバーの探針の表面にスパッタ法で厚
さ８０nmのコバルト・白金・クロム合金を形成したもの
を用いた。試料４６には純鉄からなるテープに従来公知
の磁気記録ヘッドで正弦波信号を記録し、５０００fr／
mm（磁化反転間隔２００nm）の繰り返しパターンを形成
したものを用いた。カンチレバーの共振周波数と共振点
での光てこ出力の振幅の関係は（表２）のとおりであ
る。(Embodiment 2) As another embodiment, an example in which the present invention is applied to a scanning magnetic force microscope (MFM) will be described. The configuration of the used apparatus is the same as that of FIG. However, as the probe 41, an 80 nm thick cobalt-platinum-chromium alloy was formed on the surface of the probe of a Si cantilever by sputtering. A sine wave signal was recorded on a tape made of pure iron with a conventionally known magnetic recording head on the sample 46, and 5000 fr /
One having a repetitive pattern of mm (magnetization reversal interval 200 nm) was used. The relationship between the resonance frequency of the cantilever and the amplitude of the optical lever output at the resonance point is as shown in (Table 2).

【００４０】[0040]

【表２】 [Table 2]

【００４１】まず、光てこの出力振幅が５０．０mVp-p
になるまで探針を試料に接近させた。次に試料を上下動
させずに横方向に走査し、光てこ出力の振幅変化を画像
化する「高さ一定モード」で１０μｍ×１０μｍの領域
を測定した。探針の基本共振を用いた場合、試料の走査
速度を７５μｍ／ｓ以下では十分なコントラストをもっ
て試料の磁化パターンを検出できたが、これ以上では磁
化パターンが不鮮明になった。二次共振を用いた場合で
は走査速度が４７０μｍ／ｓまで十分なコントラストで
磁化パターンを検出できた。また三次共振を用いた場合
は走査速度が１．３mm／ｓまで十分なコントラストで磁
化パターンを検出できた。First, the output amplitude of the optical lever is 50.0 mVp-p
The probe was brought close to the sample until Next, the sample was scanned in the horizontal direction without moving up and down, and an area of 10 μm × 10 μm was measured in the “constant height mode” in which the amplitude change of the optical lever output was imaged. When the fundamental resonance of the probe was used, the magnetization pattern of the sample could be detected with sufficient contrast when the scanning speed of the sample was 75 μm / s or less, but the magnetization pattern became unclear when the scanning speed was higher than 75 μm / s. When the secondary resonance was used, the magnetization pattern could be detected with a sufficient contrast up to a scanning speed of 470 μm / s. Further, when the tertiary resonance was used, the magnetization pattern could be detected with a sufficient contrast up to a scanning speed of 1.3 mm / s.

【００４２】（実施例３）他の実施例として本発明を静
電気力顕微鏡に応用した例を示す。用いた装置の構成は
図４と同じである。ただし、探針４１としてはSi製のカ
ンチレバーの探針の表面に真空蒸着法で厚さ３０nmのク
ロム薄膜を形成した上に厚さ５０nmの金の薄膜を形成し
たものを用いた。試料４６には図６のようにシリコン基
板６１に櫛形金電極６２を埋め込んだものである。櫛形
金電極６２は厚さ５００nm、幅０．５μｍ、長さ５mm、
ピッチ０．５μｍである。カンチレバーの共振周波数と
共振点での光てこ出力の振幅の関係は（表３）のとおり
である。(Embodiment 3) As another embodiment, an example in which the present invention is applied to an electrostatic force microscope will be described. The configuration of the used apparatus is the same as that of FIG. However, as the probe 41, a 30-nm-thick chromium thin film was formed on the surface of a Si cantilever probe by a vacuum deposition method and a 50-nm-thick gold thin film was formed. The sample 46 has a comb-shaped gold electrode 62 embedded in a silicon substrate 61 as shown in FIG. The comb-shaped gold electrode 62 has a thickness of 500 nm, a width of 0.5 μm, a length of 5 mm,
The pitch is 0.5 μm. The relationship between the resonance frequency of the cantilever and the amplitude of the optical lever output at the resonance point is as shown in (Table 3).

【００４３】[0043]

【表３】 [Table 3]

【００４４】探針４１は接地電位にし、櫛形金電極６２
に０．５Ｖの電圧を印加した状態で、光てこの出力振幅
が４０mVp-p になるまで探針４１を試料４６に近づけ
た。この状態で力勾配一定モードにて１０μｍ×１０μ
ｍの領域を観察した。櫛形金電極６２上では探針４１は
静電引力をうけるので、シリコン基板６１と櫛形金電極
６２でコントラストの違う画像が得られる。The probe 41 is set to the ground potential and the comb-shaped gold electrode 62
With a voltage of 0.5 V applied to the sample, the probe 41 was brought close to the sample 46 until the output amplitude of the light lever reached 40 mVp-p. In this state, in a constant force gradient mode, 10 μm × 10 μm
The area of m was observed. Since the probe 41 receives an electrostatic attraction on the comb-shaped gold electrode 62, an image having a different contrast is obtained between the silicon substrate 61 and the comb-shaped gold electrode 62.

【００４５】試料を探針に対して走査する走査速度を高
めていくと、カンチレバーの基本共振を用いたときは走
査速度が７０μｍ／ｓを越えると櫛形金電極のパターン
を検出できなくなり、また得られる像に再現性がなくな
った。ところが二次共振を用いたときは４２０μｍ／ｓ
付近まで櫛形金電極のパターンを検出でき再現性のよい
像が得られた。三次共振を用いたときはさらに１．２mm
／ｓ付近まで櫛形金電極のパターンを検出でき、再現性
のよい像を得られた。すなわちより高次の共振を使うと
より高速の観察が可能であった。As the scanning speed at which the sample is scanned with respect to the probe is increased, when the basic resonance of the cantilever is used, if the scanning speed exceeds 70 μm / s, the pattern of the comb-shaped gold electrode cannot be detected. The reproducibility of the resulting image is lost. However, when the secondary resonance is used, 420 μm / s
The pattern of the comb-shaped gold electrode was detected up to the vicinity, and an image with good reproducibility was obtained. 1.2 mm more when using tertiary resonance
The pattern of the comb-shaped gold electrode could be detected up to around / s, and an image with good reproducibility was obtained. That is, higher-speed observation was possible by using higher-order resonance.

【００４６】（実施例４）本発明を情報再生装置に応用
した例を示す。図７は本発明を実施するために用いたＭ
ＦＭを応用した情報再生装置である。図７において、７
１は磁性探針７７を磁気ディスクの半径方向に可動させ
るための移動アームである。７２は固定台、７３は磁気
ディスク７４を回転させるための精密エアースピンドル
で、固定台７２に固定されている。７４は情報を記録す
るための磁気ディスクであり、ガラス基板上に垂直磁気
層（コバルト・クロム合金薄膜）と裏打ち層（ニッケル
鉄合金薄膜）の二層構造を形成したものである。磁気デ
ィスク７４にはあらかじめトラックごとに、最高５００
ｋHzまで周波数が５ｋHzずつ異なる正弦波信号が記録さ
れている。７５は磁性探針７７と磁気ディスク７４の間
隔を調整するための上下方向微動装置である。７６は強
制振動用圧電素子、７７は磁性探針、７８はカンチレバ
ー、７９はカンチレバー７８を磁気ディスク表面に対し
て約２０゜傾いた状態で固定するカンチレバーホルダー
であり、これを介してカンチレバー７８は強制振動用圧
電素子７６に固定されている。また図示しない半導体レ
ーザーと二分割フォトダイオードは移動アーム７１に固
定され、ピックアップと一緒に移動するため光てこの光
学系は維持されるようになっている。７１０は磁性探針
７７を磁化するための電磁石である。(Embodiment 4) An example in which the present invention is applied to an information reproducing apparatus will be described. FIG. 7 shows the M used to implement the present invention.
This is an information reproducing apparatus to which FM is applied. In FIG. 7, 7
Reference numeral 1 denotes a moving arm for moving the magnetic probe 77 in the radial direction of the magnetic disk. Reference numeral 72 denotes a fixed base, and 73 denotes a precision air spindle for rotating the magnetic disk 74, which is fixed to the fixed base 72. Numeral 74 denotes a magnetic disk for recording information, which has a two-layer structure of a perpendicular magnetic layer (a cobalt-chromium alloy thin film) and a backing layer (a nickel iron alloy thin film) formed on a glass substrate. The magnetic disk 74 has a maximum of 500
A sine wave signal whose frequency differs by 5 kHz up to kHz is recorded. Reference numeral 75 denotes a vertical fine-movement device for adjusting the interval between the magnetic probe 77 and the magnetic disk 74. 76 is a piezoelectric element for forced vibration, 77 is a magnetic probe, 78 is a cantilever, 79 is a cantilever holder which fixes the cantilever 78 in a state of being inclined by about 20 ° with respect to the magnetic disk surface. It is fixed to the piezoelectric element 76 for forced vibration. Further, a semiconductor laser and a two-segment photodiode (not shown) are fixed to the moving arm 71 and move together with the pickup so that the optical system of the optical lever is maintained. 710 is an electromagnet for magnetizing the magnetic probe 77.

【００４７】磁気ディスク７４に記録された信号は磁気
ディスク７４を回転させたとき磁性探針７７直下の磁界
勾配は記録された信号に応じて変化する。これをＭＦＭ
方式で光てこの出力振幅の変化として再生する。本実施
例で使用したカンチレバーの共振周波数と共振点での光
てこの出力信号の振幅は（表４）のとおりである。When the signal recorded on the magnetic disk 74 is rotated, the magnetic field gradient immediately below the magnetic probe 77 changes when the magnetic disk 74 is rotated. This is MFM
In this manner, light is reproduced as a change in the output amplitude. The resonance frequency of the cantilever used in this embodiment and the amplitude of the light lever output signal at the resonance point are as shown in Table 4.

【００４８】[0048]

【表４】 [Table 4]

【００４９】基本共振周波数２５．３３ｋHzでカンチレ
バー７８を振動させたときは磁気ディスクに記録された
信号のうち１５ｋHzの信号は再生できたが、２０ｋHz以
上の信号は再生できなかった。ところが二次共振周波数
１５８．３８ｋHzでカンチレバーを振動させたときは１
００ｋHzの信号まで再生でき、三次共振周波数４４４．
９ｋHzでカンチレバーを振動させたときは４００ｋHzの
信号まで再生できた。When the cantilever 78 was vibrated at the basic resonance frequency of 25.33 kHz, a signal of 15 kHz among signals recorded on the magnetic disk could be reproduced, but a signal of 20 kHz or more could not be reproduced. However, when the cantilever is vibrated at the secondary resonance frequency of 158.38 kHz, 1
Up to a 00 kHz signal and a tertiary resonance frequency of 444.
When the cantilever was vibrated at 9 kHz, signals up to 400 kHz could be reproduced.

【００５０】本実施例の情報再生装置は、磁性探針７７
を軟磁性体にし、磁気ディスク７４の下に配置された電
磁石７１０を使うことによって記録装置としても用いる
ことができる。電磁石７１０から発生した磁束は、磁性
探針７７が軟磁性体であるので、磁性探針７７に集中し
磁性探針７７は磁化される。磁化された磁性探針７７は
微小磁界源として磁気ディスク７４を磁化させる。磁性
探針７７は軟磁性体であるので、電磁石７１０からの磁
束がなくなれば、磁化はほとんど残らない。したがって
磁気ディスク７４を回転させながら電磁石７１０に流す
電流を情報信号に応じて変調してやれば、磁気ディスク
７４に情報信号を記録することも可能である。The information reproducing apparatus of the present embodiment employs a magnetic probe 77
Can be used as a recording device by using a soft magnetic material and using an electromagnet 710 disposed below the magnetic disk 74. The magnetic flux generated from the electromagnet 710 concentrates on the magnetic probe 77 because the magnetic probe 77 is a soft magnetic material, and the magnetic probe 77 is magnetized. The magnetized magnetic probe 77 magnetizes the magnetic disk 74 as a micro magnetic field source. Since the magnetic probe 77 is a soft magnetic material, if there is no magnetic flux from the electromagnet 710, almost no magnetization remains. Therefore, if the current flowing through the electromagnet 710 is modulated according to the information signal while rotating the magnetic disk 74, the information signal can be recorded on the magnetic disk 74.

【００５１】なお、以上の実施例ではカンチレバーの振
幅の変化を検出して信号としたが、利得位相計などを用
いて光てこの出力信号と強制振動用圧電体に印加してい
る正弦波電圧の位相の差を検出してもよい。また前記の
位相差が一定になるように強制振動の周波数を変化さ
せ、この周波数の変化を信号としてもよい。この場合、
強制振動の周波数が常に共振周波数になるように設定す
れば、光てこの出力の振幅が大きくとれるので位相差を
検出するときの誤差が減る。In the above embodiment, the change in the amplitude of the cantilever is detected and used as a signal. However, the output signal and the sinusoidal voltage applied to the forcibly oscillating piezoelectric body are detected using a gain phase meter or the like. May be detected. Further, the frequency of the forced vibration may be changed so that the phase difference is constant, and the change in the frequency may be used as a signal. in this case,
If the frequency of the forced vibration is always set to the resonance frequency, the amplitude of the output of the light can be increased, so that the error in detecting the phase difference is reduced.

【００５２】[0052]

【発明の効果】以上実施例で述べたように、本発明を用
いると力勾配の検出を高速化することができ、探針と試
料の間にはたらく力の力勾配を測定する非接触型ＡＦ
Ｍ、ＭＦＭ、静電気力顕微鏡による観察をより短時間で
行うことが可能である。また本発明を用いるとＭＦＭを
応用した情報再生方法でより周波数の高い信号を再生す
ることができる。As described in the above embodiments, the use of the present invention makes it possible to speed up the detection of the force gradient, and to measure the force gradient of the force acting between the probe and the sample.
Observation with M, MFM, and an electrostatic force microscope can be performed in a shorter time. Also it is possible to reproduce higher-frequency signals in the information reproducing method applying the MFM using the present invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明のカンチレバーの二次共振モードを表す
線図FIG. 1 is a diagram showing a secondary resonance mode of a cantilever of the present invention.

【図２】本発明のカンチレバー、カンチレバー先端の探
針、試料からなる系の力学的モデルを示す線図FIG. 2 is a diagram showing a mechanical model of a system including a cantilever, a probe at the tip of the cantilever, and a sample according to the present invention.

【図３】(a)〜(d)はカンチレバーの高次共振モードの概
念を表す線図FIGS. 3A to 3D are diagrams showing the concept of a higher-order resonance mode of a cantilever.

【図４】本発明の一実施例で使用した非接触型ＡＦＭ装
置の構成図FIG. 4 is a configuration diagram of a non-contact type AFM device used in one embodiment of the present invention.

【図５】(a)は本実施例で使用したカンチレバーの一次
共振点付近での振幅の周波数特性図 (b)は本実施例で使用したカンチレバーの二次共振点付
近での振幅の周波数特性図FIG. 5 (a) is a frequency characteristic diagram of the amplitude near the primary resonance point of the cantilever used in this embodiment. FIG. 5 (b) is a frequency characteristic of the amplitude near the secondary resonance point of the cantilever used in this embodiment. Figure

【図６】本発明の一実施例で使用した試料の構成を示す
図FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a sample used in one embodiment of the present invention.

【図７】本発明の他の実施例で使用したＭＦＭを応用し
た情報再生装置の構成図FIG. 7 is a configuration diagram of an information reproducing apparatus using MFM used in another embodiment of the present invention.

【図８】探針が同じ位置にあるときの基本共振と二次共
振のカンチレバーの傾きを比較した状態を示す線図FIG. 8 is a diagram showing a state where the inclination of the cantilever of the fundamental resonance and the secondary resonance when the probe is at the same position is compared.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ カンチレバー ２ 探針 ３ 自由端 ４ 固定端 ５ 節 ６ 腹 ２１ 探針の有効質量 ２２ 試料 ２３ カンチレバー自身のばね定数 ２４ ファンデルワールス力により生ずる探針と試料の
間のばね定数 ２５ 空気抵抗などの減衰定数 ４１ 探針 ４２ カンチレバー ４３ カンチレバーホルダー ４４ 強制振動用圧電体 ４５ 固定台 ４６ 試料 ４７ 三次元微動素子 ４８ 半導体レーザー ４９ 二分割フォトダイオード ６１ シリコン基板 ６２ 櫛形金電極 ７１ 移動アーム ７２ 固定台 ７３ 精密エアースピンドル ７４ 磁気ディスク ７５ 上下方向微動装置 ７６ 強制振動用圧電体 ７７ 磁性探針 ７８ カンチレバー ７９ カンチレバーホルダー ８１ 探針 ８２ 固定端 ８３ 基本共振時のカンチレバー ８４ 二次共振時のカンチレバー ８５ 固有振動の腹 ８６ 固有振動の節 ８７ 水平線 ４１０ 発振器 ４１１ ピエゾアンプ ４１２ プリアンプ ４１３ 振幅検出器 ４１４ フィードバックコントローラ ４１５ コンピュータ ４１６ ピエゾアンプ ７１０ 電磁石Reference Signs List 1 cantilever 2 probe 3 free end 4 fixed end 5 node 6 belly 21 effective mass of probe 22 sample 23 spring constant of cantilever itself 24 spring constant between probe and sample generated by van der Waals force 25 air resistance Attenuation constant 41 Probe 42 Cantilever 43 Cantilever holder 44 Piezoelectric body for forced vibration 45 Fixed base 46 Sample 47 Three-dimensional fine movement element 48 Semiconductor laser 49 Bipartite photodiode 61 Silicon substrate 62 Comb-shaped gold electrode 71 Moving arm 72 Fixed base 73 Precision air Spindle 74 Magnetic disk 75 Vertical fine movement device 76 Piezoelectric body for forced vibration 77 Magnetic probe 78 Cantilever 79 Cantilever holder 81 Probe 82 Fixed end 83 Cantilever at basic resonance 84 Cantilever at secondary resonance 85 Antinode of natural vibration 86 Natural Node of vibration 87 horizontal line 410 oscillator 411 piezo amplifier 412 preamplifier 413 amplitude detector 414 feedback controller 415 computer 416 piezo amplifier 710 electromagnet

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−21846（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−201462（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−249863（ＪＰ，Ａ) Ｋ．ＥＬ Ｈａｍｉ、Ｂ．Ｇａｕｔｈ ｉｅｒ−Ｍａｎｕｅｌ，”Ｓｅｌｅｃｔ ｉｖｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｓ ｏｆ ａ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｓｐｒｉｎｇ”，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎ ｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ Ｐｈｙｓ ｉｃａｌ，スイス，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｅｑｕｃｉａ，1998年 １月 ６日, Ｖｏｌ．Ａ64，Ｎｏ．２，ｐｐ．151− 155 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G01B 21/30 G11B 9/00 H01J 37/28 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)Continuation of front page (56) References JP-A-8-21846 (JP, A) JP-A-8-201462 (JP, A) JP-A-6-249863 (JP, A) EL Hami, B .; Gautier-Manuel, "Selective exitation of the vibration mode of cantilever springing", Sensors and Actors, Actuarial, August 1, 1998, August 1, 1998. A64, No. 2, pp. 151-155 (58) Fields investigated (Int. Cl. ⁷ , DB name) G01N 13/10-13/24 G12B 21/00-21/24 G01B 21/30 G11B 9/00 H01J 37/28 JICST file ( JOIS)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】先鋭化した探針を自由端に有するカンチレ
バーを試料に接近させ、前記カンチレバーの自由振動の
機械的共振周波数のうち少なくとも２次以上の高次の機
械的共振周波数近傍の周波数で強制振動源を用いて前記
カンチレバーを強制振動させ、前記カンチレバーの振動
振幅、または前記強制振動源と前記カンチレバーの振動
の位相のずれ、または前記機械的共振周波数の変化から
前記探針と前記試料表面の間にはたらく力の力勾配を検
出する力勾配検出方法。1. A cantilever having a sharpened probe at a free end is brought close to a sample, and a cantilever at a frequency in the vicinity of a higher-order mechanical resonance frequency of at least second order among mechanical resonance frequencies of free vibration of the cantilever. Forced vibration of the cantilever using a forced vibration source, the vibration amplitude of the cantilever, or the phase shift of the vibration of the forced vibration source and the cantilever, or the change in the mechanical resonance frequency, the probe and the sample surface A force gradient detection method for detecting a force gradient of a force acting between the two. 【請求項２】カンチレバーの強制振動の振幅が、前記強
制振動の最も近傍の機械的共振周波数における共振振幅
の少なくとも1/10以上であることを特徴とする請求項１
記載の力勾配検出方法。2. An amplitude of a forced vibration of a cantilever is at least 1/10 or more of a resonance amplitude at a mechanical resonance frequency closest to said forced vibration.
The described force gradient detection method. 【請求項３】光てこを用いてカンチレバーの変位を測定
する請求項１または２記載の力勾配検出方法であって、
前記カンチレバーの自由端と前記カンチレバーの自由端
から最も近い固有振動の腹の間に光を照射することを特
徴とする力勾配検出方法。3. The force gradient detecting method according to claim 1, wherein the displacement of the cantilever is measured using an optical lever.
A method of detecting a force gradient, comprising irradiating light between a free end of the cantilever and an antinode of a natural vibration closest to the free end of the cantilever. 【請求項４】少なくともその先端が磁性材料からなる探
針を用いて、前記探針と試料の間にはたらく磁気力の力
勾配を検出する請求項１〜３のいずれかに記載の力勾配
検出方法。4. The force gradient detection according to claim 1, wherein a force gradient of a magnetic force acting between the probe and the sample is detected by using a probe whose tip is made of a magnetic material. Method. 【請求項５】少なくともその先端が導電性材料からなる
探針を用いて、請求項１、２または４記載の力勾配を検
出する方法によって、前記探針と試料表面の間にはたら
く静電気力の力勾配を検出する請求項１、２または４の
いずれかに記載の力勾配検出方法。5. A method for detecting a force gradient according to claim 1, wherein at least the tip of the tip is made of a conductive material, and wherein the electrostatic force acting between the tip and the sample surface is detected. The force gradient detection method according to claim 1, wherein the force gradient is detected. 【請求項６】請求項５記載の力勾配検出方法を用いて、
磁気媒体に微小磁化として記録された情報信号を再生す
る情報再生方法。6. A method according to claim 5, wherein:
An information reproducing method for reproducing an information signal recorded as a minute magnetization on a magnetic medium.