磁気力顕微鏡を用いた高分解能 ２次元磁場計測法の開発 秋田大学 工学資源学部 環境資源学研究センター 教授 齊藤 準 1 研究背景 ・高密度磁気ストレージデバイス・ナノスケール 磁性体の進展 ・１Tbit/in2を超える高密度化には、磁気記録媒 体の磁気ノイズの低減が必須であり、このため にはナノスケールでの高機能な磁区観察手法 が必要不可欠と なる。 ・現在広く用いられている磁区観察装置である 磁気力顕微鏡(MFM)に対して、新たに高分解 能２次元磁場計測法を検討した。 2 新技術の概要 (I) 一定周波数加振での探針振動周波数の計測 ・高分解能・面内磁場イメージングが可能 ・従来の位相検出法と併用した ２次元磁場計測が可能 ①Topographic Image ②Phase Image ③&④ ② ① ③Frequency Image ④ Frequency Image 数10 nm ～ 走査面 ④ ②③ 凹凸(AFM)信号 ① Sample 1µm 3 新技術の概要 (II) • 磁気力顕微鏡(MFM)の探針走査時の探針過 渡振動により発生する探針の振動数変化を 測定することにより以下を実現した。 • 高分解能・面内磁場イメージング （探針走査方向での面内磁場の勾配） • ２次元磁場計測 （垂直磁場と面内磁場の勾配の同時計測。 従来の位相検出法を併用） 4 従来技術とその問題点 (I) 計測手法 振幅検出法 位相検出法 特徴と問題点 ･表面凹凸像の計測後に、探針試料間距離一定での磁 場勾配像を計測 ･磁場勾配を、 探針振動の振幅（振幅検出法）または、 位相（位相検出法）の変化を測定することで計測 ･測定感度が向上するQ(機械的共振の性能指数)の高い 共振では、探針過渡振動のため観察が困難 (Q>10,000) 周波数検出法 ･探針の共振周波数一定での磁気力勾配一定像を計測 ･高いQ の共振でも観察が可能 ･表面凹凸像に磁気的コントラストが混入 これら手法では、計測する磁場の方向が探針磁化方向で決定され、変更 が困難。 (通常は、探針磁化が試料面に垂直な探針を用い、垂直磁場勾配を計測) 5 従来技術とその問題点 (II) 既に実用化されている磁気力顕微鏡の磁区 観察手法には、探針試料間の磁気力に起因す る探針振動挙動の変化を検出する手法として、 １）振幅検出法、２）位相検出法、３）周波数検出 法、があるが、 ・計測磁場は１方向のみでその変更が困難 ・ベクトル磁場計測が不可能 であった。またこれら手法での空間分解能は最 高でも10nm程度であり、さらなる向上が求めら れていた。 6 新技術と従来技術との比較 従来技術 新技術 ＭＦＭ 探針 ・測定磁場方向により探針の磁化方向 を変化させる必要有り。 （垂直磁化探針、面内磁化探針を使い 分ける必要有） ・感度に優れた垂直磁化探針を常に使用可能 ﾍﾞｸﾄﾙ 磁場計 測 ・不可 （１方向の磁場成分のみ計測可能） ・可（試料面に垂直方向と面内方向の２方向の 磁場を同時に計測） 検出磁 場方向 ・変更が困難（探針磁化方向に依存） ・変更が容易（面内磁場については探針走査方 向が検出磁場方向となる） 空間 分解能 ・探針磁化方向により変化 （垂直磁化探針で最もよい分解能が得 られる） ・垂直方向での分解能は従来の垂直磁化探針を 用いた場合と同等 ・面内磁場方向での分解能は従来技術より高い ・面内磁場方向では、溶液中雰囲気でも高い空 間分解能が期待できる。 その他 ・探針の検出感度を高めると（周波数検 出方式を採用）、表面凹凸像および探 針試料間距離一定での磁気像の取得 が困難 （構造と磁気との対応関係が不明） ・探針試料間距離一定での表面凹凸像と磁気像 の同時取得が可能 （構造と磁気との対応を調査できる） 7 新技術の特徴 • １回の探針走査で垂直磁場勾配および探針 走査方向に沿った面内磁場勾配を同時に計 測できる。 • 開発した面内磁場勾配計測法は真空中のみ ならず大気中においても高い空間分解能（10 ～20nm）を有する。 • 計測原理は帯電探針を用いた２次元電場計 測に応用できる。 8 位相像(従来技術)及び周波数像(新技術) HL 真空雰囲気 (Q=2813) ビット長：500nm(50kfci) 1µm 位相像 (垂直磁場) x 25150 nm vs Av.signal 25100 25050 25000 探針走査方向 → 周波数像 (面内磁場) 探針走査方向 → 周波数像 (面内磁場) 探針走査方向 ↓ HL 0 200 400 600 800 1000 1200 nm x nm vs Av.signal 0 200 400 600 800 1000 1200 nm x nm vs Av.signal 0 200 400 600 800 1000 1200nm 33000 32975 32950 32925 32900 32875 32850 32825 33050 33000 32950 32900 32850 32800 32750 HL 9 探針走査方向依存性 位相像 (従来技術) (垂直磁場) 周波数像 (新技術) (面内磁場) 真空雰囲気 (Q=2813) ビット長：500nm(50kfci) 1µm 探針走査方向 → 探針走査方向 → 10 磁気像の記録密度依存性 真空中測定 位相像 (従来技術) (垂直磁場) 周波数像 (新技術) (面内磁場) 500nm (50kfci) 1µm 50nm (500kfci) 25nm (1000kfci) 探針走査方向 → 探針走査方向 → 11 磁気像の測定雰囲気依存性 周波数像 (真空中, Q=8743) 周波数像 (大気中, Q=554) 500nm (50kfci) 1µm 50nm (500kfci) 25nm (1000kfci) 探針走査方向 → 探針走査方向 → 12 想定される用途 • 高密度磁気ストレージデバイスの微細磁区 観察 • ナノスケール磁性体の微細磁区観察 • 液中観察に応用することで、生体磁気・バイオ 分野に展開することも可能と考えられる。 13 想定される業界 • 想定されるユーザー 高密度磁気ストレージ業界 ナノスケール磁性体の研究者 生体磁気・バイオ分野の研究者、等 • 想定される市場規模 磁気力顕微鏡：200台、導入費用：2000万円 (新規)、 500万円(２次元磁場計測機能に特化 したｵﾌﾟｼｮﾝを追加) と想定 →数10億円の市場規模 14 実用化に向けた課題 • 現在、観察雰囲気として、真空中雰囲気、大気中雰 囲気については、２次元磁場計測の実証済み。しか し、液中雰囲気は検討を開始したところである。 • 液中雰囲気での観察については、今後、実験データ を取得し、生体磁気・バイオ分野に適用していく場合 の計測条件の最適化を行っていく。 • 液中雰囲気での実用化に向けては、数10μsec（数 サイクル）以下の時間での過渡振動の振動数変化 （数100kHzの中心周波数から数10mHzの変動）を 計測する技術を確立する必要がある。 15 企業への期待 • 周波数計測技術を持つ企業との共同研究 （液中観察用・高精度周波数計測オプション 品の開発）を希望。 • 高密度磁気ストレージデバイス、ナノスケー ル磁性体の研究開発を行っている企業・研究 機関には、本技術の導入が有効と思われる。 16 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称 ：走査型プローブ顕微鏡と • 出願番号 • 出願人 • 発明者 計測方法 ：特願2007-265936 ：秋田大学 ：齊藤 準 17 お問い合わせ先 秋田大学産学連携推進機構 知的財産ディレクター 柴田 ＴＥＬ ＦＡＸ 春一 018－889－3020 018－837－5356 e-mail chizai＠jimu.akita-u.ac.jp 産学官連携コーディネーター 森川 ＴＥＬ ＦＡＸ 茂弘 018－889－2703 018－837－5356 e-mail morikawa＠crc.akita-u.ac.jp 18
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