JPH05215828A - 磁区構造解析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】磁性薄膜の磁区構造・磁区遷移幅の測定 【構成】縦カー効果を用いる偏向顕微鏡に、観察点を中
心に回転することができる試料駆動系を組み合わせる。
また、偏向顕微鏡に、画像処理を行う為の計算機が接続
してあり、撮像した画像を計算機の外部記憶に取り込む
ことができる。 【効果】測定試料上の磁区パターンは、偏向子と検光子
によって明暗のパターンとしてＣＣＤカメラで検出され
る。試料駆動系を用い、観察方向を変えて磁区像を撮像
し、各点で明るさの変化を計算機を用いて解析すること
で、試料の磁区構造を明らかにすることができる。ま
た、磁区像の微分をとることで磁区遷移幅を測定するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜磁気テープ，薄膜
ヘッド，スパッタ磁気ディスクなど、特に金属磁性薄膜
において、膜画内方向での磁区構造および磁化過程を解
析するためのものである。

【０００２】

【従来の技術】磁気記録技術が進歩するにつれて、記録
密度は高くなり、磁気的に記録されるパターンの最小寸
法は１μｍ以下と細かくなってきている。記録パターン
が小さくなると、磁性媒体の単磁区の大きさ，粒径，粒
子間相互作用など、磁性媒体自身の特性が、磁区の挙動
を通して、記録特性により大きく影響する。また、記録
パターン自身の形状も再生出力に影響する。特にハード
ディスク装置などに用いられる画内飽和記録方式では、
記録パターン間の磁区の遷移領域の幅が記録密度、記録
の質に著しく影響する。

【０００３】記録パターンを読み出す磁気ヘッドにおい
ても、記録されたパターンにあわせてヘッドの大きさを
小さくすることが必要で、その結果、読み出し時のヘッ
ドの磁区構造が出力に影響することが明らかにされてき
ている。従来、記録特性の解析は、読み出し，書き込み
等の電気特性に重点が置かれ、電気特性をもたらす要因
として磁気特性を測定し、磁気特性を与える原因として
膜物性の解析が行われ、これら電気特性，磁気特性，膜
物性を突き合わせて考察することで進められてきた。ま
た、これらの間接的な手法に加えて、磁化状態を直接観
察する方法としてビッター法，ローレンツ電子顕微鏡に
よる観察がある。磁化状態を直接見ることで、磁気記録
現象を直感的に捕らえる事が出来る。近年、スピンＳＥ
Ｍ，光磁気効果を用いた顕微鏡の開発によって、記録状
態と磁区の挙動の関係についての研究はさらに進んでき
ている。

【０００４】ビッター法，ローレンツ電子顕微鏡，スピ
ンＳＥＭは、特殊な場合をのぞき、動的に磁化現象を観
察することはできない。このために、磁区を直接見るこ
とによる研究は、最初、静的に磁区を観察するだけであ
った。これに対して、光磁気効果を用いる方法は、磁気
バブルの研究により明らかなように、動的な磁区の挙動
を実験的に観察することに適している。

【０００５】ビッター法では、厳密な意味では磁化自身
を観察するのではなく、磁化の作る磁極に集まる磁性コ
ロイド粒子を観察している。この方法は、実験上、記録
状態を観察するためには簡便で有効な方法であるが、分
解能は粗く，細かい磁区構造を解析することには適して
いない。

【０００６】ローレンツ電子顕微鏡，スピンＳＥＭな
ど、電子顕微鏡を用いる方法は分解能が高い事を特徴と
する。しかしながら、ローレンツ電顕による観察は特殊
な試料を作成する必要があること。ローレンツ電顕，ス
ピンＳＥＭは試料を真空の試料室に入れる事が必要であ
ること。また、試料の磁化過程を観察するために試料に
磁界を加えることは、特殊な場合をのぞいてほとんど不
可能である。

【０００７】これに対して、光磁気効果を用いる方法
は、分解能は電子顕微鏡に比べ劣るものの大気中で測定
可能であり、また外部磁界を加えての観察が可能であ
り、かつ非破壊測定という特徴がある。特に、画内方向
の磁区構造の観察は、特開昭６３−１０４０１５に述べ
ているように、マイクロカー光学系によって、縦カー効
果を用い磁区像を得る事が出来る。この装置では、磁性
試料付近に電磁石を備え、能動的に磁化反転などの磁気
現象を引き起こし、その過程を観察することもできる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
６３−１０４０１５に述べてある装置は、一方向からの
磁区構造の観察にとどまり、磁区の磁化方向を特定して
いない。この結果、この装置では、磁気ヘッド等に用い
られる軟磁性材料のように明確な磁壁を持ち、単純な磁
区構造を取る磁性膜の磁区構造を観察することはできる
が、磁気記録媒体などに用いられる保磁力が大きい硬磁
性材料等、明確な磁壁構造を取らない磁性膜の複雑な磁
区構造は解析できないという問題が有った。また、単に
磁区を観察するだけでは、記録の質に大きく影響する磁
化の反転幅を測定することはできない。

【０００９】

【課題を解決するための手段】特開昭６３−１０４０１
５と同様な光学系に、試料の観察方向（媒体への光の入
射方向）を媒体の画内方向で自由に変えられる手段を組
み合わせ、観察方向を連続的変えながら撮像した複数の
画像を計算機を用い解析することによって、媒体の画内
方向での磁区構造を決定する事ができる。また、磁化方
向に磁区像の明るさを微分することで、記録パターン間
での磁区の遷移領域の幅を決定することができる。

【００１０】

【作用】次に、その原理を説明する。

【００１１】画内方向に磁化成分がある磁性膜を、偏向
子と検光子をもちいて縦カー効果によって観察する場
合、図１に示すように磁化方向によって濃淡を持つよう
に光学系を調整することができる。この図では、磁化方
向と観察方向が一致した場合に最も明るく、逆向きにな
った場合に最も暗くなる用に、光学系を調整している。
磁性膜を上方からを見ると、観察方向を３６０°連続的
に変化させた場合に、観察方向と磁化がなす角度θに応
じて、磁区の明るさは図１（ｂ）に示すように変化す
る。したがって、実際では観察方向を変化させて、観察
範囲内の各点で、最も明るくなる方向、又は、最も暗く
なる方向記録しておくことで、各点の磁化方向を特定す
る事ができる。

【００１２】具体的な例として、リングヘッドによって
画内磁気記録媒体に図２（ａ）に示すような磁化反転領
域が書き込まれていた場合を考える。この画像を計算機
によって、図２（ｂ）に示すように微小部分に分割す
る。次に観察方向を４５°ずつ変えながら観察し、計算
機にそれぞれの像を取り込む。それぞれの方向で予想さ
れる磁区像を図３（ａ）〜（ｈ）に示す。計算機では分
割された微小部分内で画素の明るさを調べる。各微小部
分について、最も明るかった方向をその微小部分の磁化
方向、又は、最も暗かった方向を磁化の逆方向として整
理する。この結果、それぞれの微小部分について図４
（ａ）に示すように磁化方向を特定する事ができる。磁
化領域の形成過程を考慮すると図４（ｂ）の磁区構造が
推定される。微小部分を形成するための分割の粗さ、観
察方向をもっと細かく変化させることで、より詳細な磁
区構造を得る事ができる。

【００１３】磁化状態が一様な場合には、縦カー効果に
よる磁区像で明るさの変化はない。しかし、図２にしめ
すような画内磁気記録パターンの場合、互い逆方向に磁
化された磁区が隣り合っているので、その境界では、磁
化状態に応じて明るさが変化する。このために、磁化遷
移領域に直行する方向に磁区像の明るさの微分をとれ
ば、磁区間の磁化遷移領域の幅を評価することができ
る。

【００１４】

【実施例】

実施例１ 次に本発明による磁区構造の観察例を図面を用いて説明
する。

【００１５】磁区構造解析装置のブロック図を図５に示
す。水銀灯からでた光は、偏向子によって直線偏向、ま
たは直線偏向に近い楕円偏向になり、プリズムによって
垂直下方に投射され、対物レンズによって斜め方向から
測定対象物上に集光して、入射し、反射される。偏向し
た光が測定対象で反射されるときに、反射光は測定対象
の面内磁化成分に応じて偏向面が回転する。反射光は、
対物レンズを通り、垂直上方に進み、プリズムによって
水平方向に反射され、検光子を通過する。検光子は、偏
向子に対して、クロスニコル位置からカー回転角度分程
度ずらしてあるために、測定対象物の磁区構造に応じて
濃淡の像を生じさせる。この磁区像をＣＣＤカメラで観
察する。

【００１６】ＣＣＤカメラには、画像処理装置を接続し
てある。この画像処理装置は、感度を非常に高くするこ
とができて、極めて狭い範囲の濃淡を識別することがで
きる。また、画像の加算による像の強調、画像間での減
算を行って関係の無い背景像を消すこともできる。この
画像処理装置には計算機がＧＰ−ＩＢを通して接続して
あり、計算機から画像処理装置を制御したり、互いの間
で画像を転送することもできる。また、この計算機は試
料の駆動系をＧＰ−ＩＢを通して制御している。

【００１７】試料の駆動系の概念図を図６に示す。この
試料の駆動系は、観察点を中心に回転することで、観察
方向（試料に対する光の入射方向）を変えることができ
る。本実施例では、−９０〜５４０°まで０．１°ステ
ップで回転させることができる。回転の中心を観察点に
選ぶことが出来るように、回転ステージはＸステージ，
Ｙステージに載っている。また試料の任意の点を観察す
ることが出来るように、回転ステージの上にＸＹステー
ジがある。Ｚステージは顕微鏡の焦点を合わせるための
もので、その位置は回転ステージの上でも下でも構わな
い。

【００１８】本装置による軟磁性薄膜の観察例を図７に
示す。三角形の環流磁区構造をとっていることがわか
る。しかしながら、図の右上の部分で、一様な磁区構造
にかかわらず、濃淡が変化している。これは光源による
照明に、明るさの分布があるためである。この光源によ
る明るさの分布は、磁化方向の変化による濃淡の差より
大きい。計算機を用いて磁区像の濃淡から磁区構造を得
るためには、光源による明るさの分布を補正することが
必要である。本実施例では、最初に鏡面の非磁性の試料
について明るさの分布を測定し、明るさの最大値を用い
て規格化し補正した。

【００１９】次に測定の手順を流れ図にして図８に示
す。最初に、鏡面基板（ＮｉＰめっきを行い、鏡面研磨
したアルミニウム板）を測定する（１−１−２）。これ
は、計算機で光源の明るさを補正するテーブルを作るた
めである。次に、測定対象を観察し、磁区がある場合に
は、最も明るい磁区と最も暗い磁区の明るさを測定し、
磁化方向の違いによる明るさの変化範囲を定める（１−
１−３）。磁区が見当たらない場合には、電磁石で磁性
体を両方向に飽和させた場合の明るさを測定し、明るさ
の変化範囲とする。磁化方向の違いによる明るさの変化
範囲を定める理由は、磁化方向の違いによる明るさの変
化範囲を定める理由は、磁化方向による明るさの変化以
上に、傷など、観察対象の表面の状態によって局所的に
明るさが変化する場合があり、そのような点を評価から
除くためである。次に記録媒体の磁区像の角度依存性を
測定し、磁区像を計算機に取り込む（１−２）。角度依
存性を測定する場合に、試料を回転させると、観察点が
回転の中心より振れるのでＸステージ，Ｙステージを用
いて修正する。

【００２０】次に、データ処理を行う。最初に、測定し
た明るさ補正テーブルを用い、各像の明るさを補正する
（２−１−１）。次に、ソフト上で像を回転させ、回転
ステージによって試料を回転させたぶんを元に戻す（２
−１−２）。次に、像を分割し、微小部分に分ける（２
−２）。各微小部分の中で、明るさの平均値を計算する
（２−２−１）。明るさの平均値を計算する場合に、
（１−１−３）に定めた明るさの範囲から外れる画素
は、平均値の計算に含めない。この結果から図９の磁区
構造が得られる。

【００２１】本実施例では、磁区像の濃淡に影響するた
めに、測定中は偏向子，検光子の状態を一定にした。し
かし、検光子にディジタルエンコーダを付けて角度設定
の再現性が得られれば、測定中にクロスニコル位置の両
側に検光子を動かし差像を取り、磁区に関係しない背景
像を消去し、磁区像を強調する事もできる。

【００２２】また、本実施例では、適用の範囲を広げる
ために、白色光源として水銀灯を用いた。しかし、表面
の平坦性が良く、カー回転角が大きい場合には、レーザ
光源を用いると、磁区像をより鮮明に観察することがで
きる。

【００２３】実施例２ 次に、磁区の遷移領域の幅を測定した結果をしめす。

【００２４】測定の手順を、流れ図にして図１０に示
す。最初に実施例１と同様に鏡面基板を用いて光源の明
るさの分布を補正するテーブルを作成する。次に記録パ
ターンを観察し、磁区像を外部記憶装置に取り込む。こ
のときに、画像処理を行いやすい方向に磁区像の方向を
調節することが望ましい。本実施例では、記録パターン
が縦長になるようにセットした。画像の明るさの値から
数値微分を行う。磁区遷移幅の測定に用いた記録パター
ンを図１１（ａ）に示す。記録パターンの幅は１０μｍ
である。この記録パターンでは、基板のテクスチャング
加工による明暗の影響が強くでてしまい。良好な微分波
形が得られない。このために、記録パターンの長さ方向
に磁区像を加算して微分を行った。その結果を図１１
（ｂ）に示す。微分波形の半値幅さを２倍にして、磁区
遷移幅を求めた。記録パターン長さ方向に平均した磁区
遷移幅は３．１μｍとなる。この図では観察した記録パ
ターンと微分波形との横軸を合わせてある。微分波形の
横軸を大きく引き延ばして表示することはもちろん可能
である。

【００２５】

【発明の効果】測定試料上の磁区パターンは、偏向子と
検光子によって明暗のパターンとしてＣＣＤカメラで検
出される。試料駆動系を用い、観察方向を変えて磁区像
を撮像し、各点で明るさの変化を計算機を用いて解析す
ることで、試料の磁区構造を明らかにすることができ
る。また、磁区像の微分をとることで磁区遷移幅を測定
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】縦カー効果の原理を説明する図および磁化方向
によって磁区の明るさが変わることを示した図である。

【図２】磁化反転領域を示す模式図および観察領域を微
小領域に分割した状態を示す図である。

【図３】方向を変えて観察した磁区像を微小領域に分け
て明るさの平均値を示す図である。

【図４】図３（ａ）に示す明るさの分布から決定できる
磁区構造図および図４（ａ）の磁区構造と記録パターン
を書き込んだ時の状況から推定される磁区構造図であ
る。

【図５】磁区構造解析装置のブロック図である。

【図６】試料駆動系の概念図である。

【図７】磁区構造解析装置で観察した軟磁性薄膜の観察
例を示す図である。

【図８】磁区構造決定のための測定から磁区構造解析ま
での流れ図である。

【図９】図７に示す軟磁性膜で磁区像の角度依存性を撮
像し、計算機で明るさを解析し、磁区構造を決定した例
を示す図である。

【図１０】磁区の遷移幅を測定するための流れ図であ
る。

【図１１】記録パターンの磁区像および空間微分を行い
磁区遷移幅を測定した例を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 勝男 神奈川県小田原市国府津2880番地株式会社 日立製作所小田原工場内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】縦カー効果を用いてφ０．５〜１００μm
   の領域の磁区構造を解析する装置において、光源からで
   て、偏向子，プリズム，対物レンズを通り、偏向してい
   る光を、磁性薄膜である測定対象物上に斜め方向から入
   射させ、集光し、その反射光を上記対物レンズ、上記プ
   リズム、検光子によって撮像装置に導き、画像処理を行
   い磁区像を得る装置に、上記偏向した光の入射方向を上
   記測定対象物の面内方向で自由に変えられる手段を組み
   合わせる事で、上記測定対象物の磁区の磁化方向を決定
   出来ることを特徴とした磁区構造解析装置。
2. 【請求項２】上記対物レンズは５〜１００倍の倍率であ
   り、上記撮像装置は１〜１５倍の倍率を持つことを特徴
   とした請求項１記載の磁区構造解析装置。
3. 【請求項３】上記画像処理では、画像の積算による像の
   強調、画像間の減算による背景像の消去ができて、上記
   撮像装置で撮像した画像を記憶することができる外部記
   憶装置を持った計算機を備え、この計算機を用いて上記
   磁区像を細かい微小領域に分割し、この微小領域の平均
   の明るさを求め、他の磁区像と微小領域の明るさを比較
   することで、上記測定対象物の面内方向で磁区の磁区方
   向を決定出来ることを特徴とした請求項１記載の磁区構
   造解析装置。
4. 【請求項４】上記画像処理では、表面が一様な非磁性膜
   を観察することで光源による明るさの分布を測定し、画
   像の明るさの最大値を用いて、明るさの分布を規格化す
   ることで光源の明るさの分布を補正するテーブルを作成
   し、この補正テーブルを用いることで磁区観察時に光源
   による明るさの分布を補正できることを特徴とした請求
   項１記載の磁区構造解析装置。
5. 【請求項５】上記計算機は、上記偏向した光の入射方向
   を上記測定対象物の画内方向で自由に変えられることを
   特徴とした請求項１記載の磁区構造解析装置。
6. 【請求項６】上記測定対象物付近に、上記測定対象物を
   磁気的に飽和させられる電磁石を備えたことを特徴とし
   た請求項１記載の磁区構造解析装置。
7. 【請求項７】上記磁区像で、磁性膜の画内の一方向につ
   いて磁区の明るさを微分することで、磁区遷移幅を決定
   できることを特徴とした請求項１記載の磁区構造解析装
   置。