JP2017181025A - 近接場偏光顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】試料に外部から磁界を印加しつつ、試料の磁区を正確に検出することができる近接場偏光顕微鏡の提供。
【解決手段】近接場偏光顕微鏡１は、探針２を有するカンチレバー３と、磁区検出レーザ光１１の探針２への照射による近接場光により試料８の磁区を検出する磁区検出光学系４と、磁区検出レーザ光１１の照射状態を観察する観察照明光学系５と、磁区検出光学系４と観察照明光学系５との共通の対物レンズ６と、試料８に外部から磁界を印加する磁界印加手段７とを備える。磁界印加手段７が有する上部磁極４３と下部磁極４４との間に、非磁性かつ非導電性材料から形成されるカンチレバー３と、磁性材料から形成される試料８とが配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、探針に光が入射されることで発生する近接場光を用いて試料の情報が検出される近接場偏光顕微鏡に関するものである。

従来から、磁性体から形成される試料の磁区を検出するために、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）が用いられている。磁気力顕微鏡のカンチレバーは、下記特許文献１の背景技術の欄に記載のとおり、磁性を有している。カンチレバーが磁性を有していることで、試料の表面から発生する磁界を測定することができる。

特開２０１２−２３３８４５号公報

しかしながら、磁気力顕微鏡では、カンチレバーが磁性を有しているため、試料に外部から磁界を印加しつつ、試料の磁区を検出することが困難である。これは、磁性を有するカンチレバーが、外部から印加される磁界の影響を受けてしまい、試料の正確な磁区を検出することができないからである。

本発明が解決しようとする課題は、試料に外部から磁界を印加しつつ、試料の磁区を正確に検出することができる近接場偏光顕微鏡を提供することにある。また、好ましくは、試料の磁気ヒステリシスを容易に測定できる近接場偏光顕微鏡を提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、少なくとも表面が磁性を有する試料の磁区を検出することができる近接場偏光顕微鏡であって、非磁性材料から形成され、先端へ行くに従って先細りとなる凹形状の探針を有し、この探針は、光を透過する材料で形成されると共に内面が金属製の膜で覆われ、前記探針と前記試料との間に原子間力が作用するよう配置されるカンチレバーと、磁区検出レーザ光の前記探針内面への照射による近接場光により、前記試料の磁区を検出できる磁区検出光学系と、前記磁区検出レーザ光の波長以外の波長帯を有する照明光の前記カンチレバーからの戻り光の光学像により、前記磁区検出レーザ光の照射状態が観察できる観察照明光学系と、前記磁区検出光学系および前記観察照明光学系に対して共通に設けられる対物レンズと、前記カンチレバーおよび前記試料を挟んで上下に配置される上部磁極および下部磁極を有し、前記試料に外部から磁界を印加することができる磁界印加手段とを備えることを特徴とする近接場偏光顕微鏡である。

請求項２に記載の発明は、前記試料を２次元平面内で走査させる走査手段と、この走査手段により設定量ずつ前記試料を移動させ、その各点におけるｚ座標を記録する座標記録手段と、設定値間において外部磁界を変動させる磁界変動手段と、前記各点において外部磁界を変動させた際の情報を記憶する記憶手段とをさらに備え、前記磁区検出光学系からの前記情報に基づいて、前記試料の微小領域の磁気ヒステリシスを測定することができることを特徴とする請求項１に記載の近接場偏光顕微鏡である。

さらに、請求項３に記載の発明は、前記下部磁極の上端部は、上方へ行くに従って先細りに形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の近接場偏光顕微鏡である。

請求項１に記載の発明によれば、カンチレバーが非磁性材料から形成されることで、カンチレバーを挟んで上部磁極と下部磁極とが配置される磁界印加手段により、試料に磁界が印加された場合、カンチレバーが磁界印加手段による磁界の影響を受けることがない。従って、試料に外部から磁界を印加しつつ、試料の磁区を正確に検出することができる。また、近接場光を用いることで、光の回折限界を超えた分解能で、試料の磁区を検出することができる。

請求項２に記載の発明によれば、ＡＦＭ像と共に、試料の磁気ヒステリシスを得ることができる。

さらに、請求項３に記載の発明によれば、下部磁極の上端部が先細りに形成されることで、磁界印加手段による磁界をより強くすることができる。

本発明の近接場偏光顕微鏡の一実施例を示す概略構成図である。 図１の近接場偏光顕微鏡の一部を拡大して示す概略図である。 図１の近接場偏光顕微鏡の変形例の磁界印加手段を示す概略側面図である。 図３の磁界印加手段の概略平面図である。 図１の近接場偏光顕微鏡の別の変形例を示す概略構成図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１および図２は、本発明の近接場偏光顕微鏡の一実施例を示す図であり、図１は、一部を断面にして示す概略構成図、図２は、図１の一部を拡大した概略図であり、さらに一部を拡大して示している。本実施例の近接場偏光顕微鏡１は、探針２を有するカンチレバー３と、磁区検出光学系４と、観察照明光学系５と、磁区検出光学系４および観察照明光学系５に共通の対物レンズ６と、磁界印加手段７とを備える。本実施例では、磁性体から形成される試料８の磁区を検出する場合について説明するが、試料８はこれに限定されるものではなく、少なくとも表面が磁性を有していればよい。

カンチレバー３は、光を透過する材料で非磁性かつ非導電性材料から形成され、本実施例では窒化シリコンから形成される。図２に示されるように、カンチレバー３は、一端支持型構成とされ、板状の梁部９と、梁部９の他端部に設けられる探針２とを有して構成される。カンチレバー３は、一端側（探針２が形成される側と反対側）を支点として撓曲可能とされる。

カンチレバー３の探針２は、先端へ行くに従って先細りとなる凹形状とされ、本実施例では逆円錐状に形成される。探針２の形状は、逆円錐状に限定されるものではなく、たとえば、逆角錐状に形成してもよい。探針２の内面には、表面プラズモン共鳴が起きるように、金属製の膜１０が形成される。本実施例では、膜１０は、金、銀、アルミなどの金属を用いて、金属蒸着により形成される。

磁区検出光学系４は、試料８の磁区を検出するものである。磁区検出光学系４は、磁区検出レーザ光１１のレーザ光源１２と、レーザ光源１２からの磁区検出レーザ光１１の絞り１３と、λ／２板１４と、λ／４板１５と、ダイクロイックミラー１６とを備える。図１に示されるように、磁区検出レーザ光１１の光路に沿って、レーザ光源１２から近い順に、絞り１３、λ／２板１４、λ／４板１５およびダイクロイックミラー１６が配置される。なお、本実施例では、磁区検出レーザ光１１は、たとえば、６３３ｎｍの赤の波長とされる。磁区検出レーザ光１１の波長は、これに限定されるものではなく、カンチレバーのプラズモン共鳴波長付近の波長とすればよい。

また、磁区検出光学系４は、試料８の磁区が検出される磁区検出装置１７と、狭帯域干渉フィルタ１８と、レンズ１９と、Ｇ−Ｔ（Ｇｌａｎ−Ｔｈｏｍｐｓｏｎ）アナライザ２０と、λ／４板２１と、磁区検出装置１７への不要反射光が排除される不要反射光排除手段２２とをさらに備える。狭帯域干渉フィルタ１８は、特定の波長の光のみを通すフィルタとされ、周囲の蛍光灯などの不要な光がカットされて、レーザ光のみを通すことができる。磁区検出装置１７は、光の試料８への照射による試料８からの戻り光により、試料８の磁区を検出することができる。また、磁区検出装置１７は、導入される試料８からの戻り光の態様、目的とする検出信号態様などに応じて、たとえば、フォトダイオード、光電子増倍管（フォトマルチプライヤ）、分光器などによって構成される。なお、狭帯域干渉フィルタ１８が用いられる場合には、磁区検出装置１７は光電子増倍管とされる。不要反射光排除手段２２は、探針２の先端との共焦点を形成する一対の共焦点レンズ２３，２３と、共焦点レンズ２３，２３間に配置されるアパーチャ２４とを備える。

観察照明光学系５は、カンチレバー３に対する磁区検出レーザ光１１の照射状態や、探針２と試料８との位置関係などを観察するものである。観察照明光学系５は、照明光源２５と、ビームスプリッタ２６と、結像レンズ２７と、試料８からの戻り光の光学像が観察される観察装置２８とを備える。照明光源２５は、たとえば、白色の照明光２９を発生させる白色光源とされる。ビームスプリッタ２６は、照明光源２５からの照明光２９を、後述する対物レンズ６の光軸もしくは近軸上に導入するためのものとされる。観察装置２８は、カメラ３０と、撮像光学像が映し出されるモニタ３１とを備える。このような観察照明光学系５と磁区検出光学系４とに共通の対物レンズ６は、試料８の最も近くに配置されるレンズとされる。

前述したように、磁区検出レーザ光１１は、赤のレーザ光とされる。照明光源２５は、磁区検出レーザ光１１の波長以外の波長に渡る波長帯、本実施例では赤の波長以外の波長に渡る波長帯とされ、照明光２９として好適な白色光の照明光２９の白色光源とされる。

磁界印加手段７は、試料８に外部から磁界を印加するものである。図１に示されるように、磁界印加手段７は、基体３２と、基体３２に設けられるコイル３３とを備える。基体３２は、本体３４と、本体３４の上端部に設けられる蓋体３５とを有して構成される。本体３４は、円柱状で上端部が上方へ行くに従って先細りとなる円錐台状の強磁性体から形成される鉄心３６と、鉄心３６との間に筒状隙間３７を形成するよう配置される円筒状の筒部３８と、鉄心３６の下端部と筒部３８の下端部とが接続される円板状の接続部３９とを有する。ここで、鉄心３６および筒部３８はそれぞれ、接続部３９にネジで固定される。

蓋体３５は、円板状に形成され、一部に切欠き部４０が形成される。蓋体３５の下面の縁部には、下方へ筒状に延出して載置部４１が形成される。蓋体３５の中央部には、板面を貫通して円形状の導入穴４２が形成され、この導入穴４２と切欠き部４０とは連通している。コイル３３は、前記筒状隙間３７に配置される。蓋体３５の載置部４１は、本体３４の筒部３８の上面にネジで固定される。これにより、蓋体３５が上部磁極４３とされる一方、基体３２の鉄心３６が下部磁極４４とされる。上部磁極４３と下部磁極４４との間には、蓋体３５の載置部４１によって間隔が形成される。蓋体３５の載置部４１には、蓋体３５の切欠き部４０と径方向に対向する位置において、周方向へ沿って貫通穴４５が形成される。

導入穴４２の直径や厚さは、対物レンズ６の作動距離や焦点、その他開口数（ＮＡ）に合わせて適宜に設定される。また、導入穴４２の形状は、円形に限定されるものではなく、対物レンズ６の作動距離や焦点、開口数に合わせて適宜に変更可能とされる。これにより、本実施例の磁界印加手段７の構成であっても、大きな開口数や短焦点を実現することができる。

なお、本実施例の近接場偏光顕微鏡１は、前述した他、ダイクロイックミラー４６と、探針支持片４７が設けられる探針ステージ４８と、試料支持片４９が設けられる試料ステージ５０と、試料スキャナ５１とをさらに備える。

ダイクロイックミラー４６は、白色光の照明光２９から、磁区検出レーザ光１１の波長光、本実施例では６３３ｎｍの赤の光を反射させて排除できる。また、ダイクロイックミラー４６は、磁区検出レーザ光１１の波長以外の波長光が透過され、照明光２９を磁区検出レーザ光１１と共に対物レンズ６へ向かわせる波長選択性を有する。試料ステージ５０は、試料スキャナ５１により、近接場偏光顕微鏡１の光軸方向へ沿うｚ軸方向と、これと直交する面上において互いに直交するｘ軸およびｙ軸方向とへ移動可能とされる。

ところで、探針２と試料８との間に原子間力が作用するように、探針２の先端が試料８の表面に近接するようカンチレバー３が配置される。図２に示されるように、カンチレバー３は、水晶振動子５２に設けられる。水晶振動子５２は、２本の振動片５３の内、一方を切断したものとされ、残された他方の振動片５３に、カンチレバー３が接着される。水晶振動子５２は、セラミック製のベース５４を介して励振ピエゾ５５に設けられ、この励振ピエゾ５５は、探針ホルダ５６を介して探針支持片４７に設けられる。探針ホルダ５６および探針支持片４７は、非磁性かつ非導電性材料から形成され、本実施例では、アルミナなどのセラミック製とされる。探針支持片４７は、細長い板状に形成され、先端部に探針ホルダ５６が設けられる。この探針支持片４７は、先端部が蓋体３５の切欠き部４０を介して基体３２内に差し込まれる。この際、カンチレバー３は、上部磁極４３と下部磁極４４との間に配置されると共に、探針２が蓋体３５の導入穴４２に対応して配置される。

一方、試料８は、試料ホルダ５７を介して、試料支持片４９に設けられる。試料ホルダ５７および試料支持片４９は、非磁性かつ非導電性材料から形成され、本実施例では、アルミナなどのセラミック製とされる。試料支持片４９は、細長い板状に形成され、先端部に試料ホルダ５７が設けられる。この試料支持片４９は、蓋体３５に形成された貫通穴４５を介して、基体３２内に差し込まれる。この際、試料８は、カンチレバー３の下側において、上部磁極４３と下部磁極４４との間に配置されると共に、蓋体３５の導入穴４２に対応して配置される。

次に、本実施例の近接場偏光顕微鏡１を用いて試料８の磁区を検出する動作について説明する。ここで、近接場光について説明する。レーザ光源１２から照射される磁区検出レーザ光１１のファーフィールド光を探針２の先端にフォーカスさせることで、探針２と膜１０との境界面でプラズモン共鳴が励起され、これが探針２の先端側へ伝播し、先端から近接場光（ニアフィールド光）が発生し、近接場光が試料８に照射される。この近接場光によるスポット径は回折限界に規制されず、対物レンズ６の開口数および磁区検出レーザ光１１の波長に依存しないことから、微小な照射スポット径とすることができる。

試料８には、磁界印加手段７によって、外部から磁界が印加される。具体的には、コイル３３に電流を流すことで、蓋体３５および鉄心３６がそれぞれ磁極４３，４４となり、磁界を発生させることができる。これにより、本実施例では、強磁界、たとえば１テスラの磁界を発生させることができる。このようにして、外部から磁界を印加しつつ、試料８の磁区を検出することができる。

近接場偏光顕微鏡１では、照明光２９は、ビームスプリッタ２６で反射され、ダイクロイックミラー４６を通過した後に対物レンズ６にて集光され、蓋体３５の導入穴４２を介して、カンチレバー３および試料８に照射される。カンチレバー３および試料８に照射された照明光２９の戻り光は、レンズ２７を通過して、観察装置２８により観察される。この観察結果に基づいて、試料８の基準位置の調整が試料スキャナ５１によって行われる。試料スキャナ５１は、ｘｙ方向（水平方向）およびｚ方向（垂直方向）に、試料ステージ５０を移動させることができる。なお、必要に応じて、カンチレバー３の設定位置の調整が行われる。

その後、試料スキャナ５１により試料ステージ５０がｘ方向およびｙ方向に移動され、磁区検出レーザ光１１による探針２先端からの近接場光のスポットが、試料８の表面上に走査される。このようにして、カンチレバー３を固定した状態で、試料８を移動させる。磁区検出レーザ光１１は、絞り１３を介してλ／２板１４を通過した後、さらにλ／４板１５を通過する。この際、磁区検出レーザ光１１は、λ／２板１４により直線偏光とされ、λ／４板１５により円偏光または楕円偏光とされる。円偏光のファーフィールド光は、ダイクロイックミラー１６を通過し、ミラー５８およびミラー５９にて反射された後、ダイクロイックミラー４６で反射されて対物レンズ６にて集光され、蓋体３５の導入穴４２を介して探針２の先端にフォーカスされ、これにより先端から近接場光が得られ、その近接場光が試料８に照射される。

探針２の先端にフォーカスされる際、磁区検出レーザ光１１の波長の半分以下の内径では、空気中を伝播する通常の光は、透過せずに反射される。この部分より先端側には、近接場光のみが伝播される。探針２と膜１０との境界面でプラズモン共鳴が励起され、これが探針２の先端方向へ伝播され、探針２の先端から近接場光が滲み出る。この際、探針２の先端部が試料８の表面に近接されていることで、この微小スポットの近接場光が試料８の表面に照射される。

試料８に照射された近接場光は、試料８の表面で反射されて戻り光として、対物レンズ６を通過し、ダイクロイックミラー４６で反射された後、ミラー５９およびミラー５８にて反射され、さらにダイクロイックミラー１６にて反射される。そして、磁区検出光学系４に備えられる磁区検出装置１７によって、試料８の磁区が検出される。

試料８の表面から磁区を検出するには、磁気カー効果を検出する必要がある。試料８にて近接場光が反射されると、試料８の磁化の向きに応じて偏光面が回転される。このような戻り光は、前述したように対物レンズ６からダイクロイックミラー１６へ進み、さらに不要反射光排除手段２２を介して、λ／４板２１へ進む。この際、探針２の内面で反射された不要のファーフィールド光の戻り光もまた、近接場光の戻り光と同様に対物レンズ６からダイクロイックミラー１６へ進み、さらに不要反射光排除手段２２を介して、λ／４板２１へ進む。

試料８からの戻り光と、探針２の内面で反射された不要のファーフィールド光の戻り光とは、λ／４板２１までの光路長が異なる。これにより、λ／４板２１にて直線偏光とされた双方の戻り光は、偏光面の角度が相違した状態で、Ｇ−Ｔアナライザ２０に導入される。ここで、Ｇ−Ｔアナライザ２０の偏光角を調整しておくことで、試料８からの戻り光のみを取り出すことができる。すなわち、探針２の内面で反射された不要のファーフィールド光の戻り光を排除することができる。このようにして、磁区検出がなされた光のみが、レンズ１９と狭帯域干渉フィルタ１８とを介して磁区検出装置１７へ導入され、電気信号に変換した出力を取り出すことができる。

不要反射光排除手段２２では、一対の共焦点レンズ２３，２３による共焦点関係にない回折光を、共焦点位置に配置されるアパーチャ２４によって遮断してカットすることができる。不要反射光排除手段２２では、たとえば、探針２からの信号を検出する場合、アパーチャ２４のピンホールの径は、その信号のみを検出できるように、共焦点レンズ２３の倍率と対物レンズ６の倍率との差により設定される。

ところで、カンチレバー３は、探針２と試料８との間の距離が一定となるように制御される。図１および図２に示されるように、カンチレバー３が設けられる水晶振動子５２には、図示しないが、加振用電極や検出用電極が設けられる。この加振用電極に交流電圧が印加されることで、水晶振動子５２の振動片５３が屈曲振動され、これにより、カンチレバー３の探針２を試料８の表面と略垂直な方向に振動させることができる。

試料スキャナ５１は、探針２と試料８との間の距離を調整できる微動手段と、探針２と試料８とを２次元平面内で相対的に走査する走査手段とを備えて構成される。この試料スキャナ５１と試料ステージ５０とは接続されており、これにより、試料ステージ５０、ひいては試料８が、試料スキャナ５１によりｘｙ方向（水平方向）およびｚ方向（垂直方向）へ移動可能とされる。

水晶振動子５２に交流電圧が印加されて振動片５３が共振された状態で、探針２の先端と試料８の表面とが近接される。これにより、探針２の先端と試料８の表面との間に原子間力が作用され、振動片５３の周波数や振幅などの振動状態が変化し、水晶振動子５２の振動により発生する圧電電流が変化される。

水晶振動子５２の検出用電極には、プリアンプ６０を介して、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路６１が接続される。プリアンプ６０では、水晶振動子５２の振動により発生する圧電電流が検出されて電気信号に増幅変化され、これがＰＬＬ回路６１へ出力される。ＰＬＬ回路６１では、振動片５３の共振周波数の変化量が検出され、その変化量を表す電気信号が生成され、生成された電気信号が制御部６２へ出力される。制御部６２は、前述した周波数の変化量が一定に保持されるように、試料スキャナ５１に制御信号が出力される。そして、試料スキャナ５１により探針２と試料８との間の距離が一定になるよう調整しつつ、試料８が探針２に対して２次元平面内で相対的に移動される。

本実施例の近接場偏光顕微鏡１では、ＡＦＭ像と共に、試料８の微小領域における磁気ヒステリシスを測定できるのが好ましい。この場合、本実施例の近接場偏光顕微鏡１は、試料スキャナ５１の走査手段により設定量ずつ試料８を移動させ、その各点におけるｚ座標を記録する座標記録手段と、設定値間において外部磁界を変動させる磁界変動手段と、前記各点において外部磁界を変動させた際の情報を記憶する記憶手段とをさらに備える。試料スキャナ５１の走査手段を設定量ずつ移動させる場合には、パーソナルコンピュータから構成される端末装置と試料スキャナ５１とが接続され、端末装置にその設定量を設定しておけばよい。

座標記録手段は、試料８の各点におけるｚ座標を記録する手段とされる。座標記録手段は、試料スキャナ５１と接続され、この試料スキャナ５１から送られるｚ座標の情報を記録することができる。ここで、ｚ座標は、試料８の起伏の高さ情報とされる。このｚ座標は、試料８のｘｙ座標（試料表面の場所）と対応づけて、座標記録手段に記録される。磁界変動手段は、磁界印加手段７に備えられており、前記端末装置に接続される。この端末装置に、変動させる磁界の値が設定される。本実施例では、たとえば、＋１テスラから−１テスラへ、そして−１テスラから＋１テスラへ連続的に変動するように設定される。記憶手段は、磁区検出装置１７と接続され、前記各点において、外部磁界変動手段により磁界を変動させた際の情報を記憶することができる。すなわち、記憶される情報は、各点におけるｚ座標と対応づけられる。これにより、各点ごとの磁気ヒステリシスを得ることができる。

従って、取得したｚ座標の情報を２次元的に表示することでＡＦＭ像を得ることができる。また、これに加えて、ｚ軸に磁気軸をとりｘｙ軸に試料の表面の場所を表すような３次元の磁気ヒステリシスデータを２つ得ることができる。ここで、２つとは、−１テスラから＋１テスラへ磁界を変動させた際のものと、＋１テスラから−１テスラへ磁界を変動させた際のものである。

データ取得後、特定の磁気軸でスライスすることで、たとえば、ゼロ磁界から増加させた際の０．５テスラ時の磁気像（２次元）を、ＡＦＭ像と共に得ることができる。また、特定の場所の磁気ヒステリシスを確認する際には、その箇所の磁気ヒステリシス曲線を抜き出せばよい。

本実施例の近接場偏光顕微鏡１によれば、上部磁極４３と下部磁極４４との間に配置されるカンチレバー３が非磁性材料から形成されることで、そのカンチレバー３は、磁界印加手段７により印加される磁界の影響を受けることがない。従って、外部から磁界を印加しつつ、試料８の磁区を正確に検出することができる。これに加えて、本実施例の近接場偏光顕微鏡１によれば、上部磁極４３と下部磁極４４との間に配置される試料支持片４９、試料ホルダ５７、探針ホルダ５６および探針支持片４７も非磁性材料から形成されることで、それらも磁界の影響を受けることがない。

また、本実施例の近接場偏光顕微鏡１によれば、カンチレバー３、試料支持片４９、試料ホルダ５７、探針ホルダ５６および探針支持片４７が非導電性材料から形成されることで、渦電流による影響を抑制することができる。また、本実施例の近接場偏光顕微鏡１によれば、上部磁極４３と下部磁極４４との間に基体３２の外周面から試料支持片４９および探針支持片４７を差し込む構成とすることで、上部磁極４３と下部磁極４４との間隔を小さくすることができる。また、本実施例の近接場偏光顕微鏡１によれば、磁界を印加しつつ、近接場光を用いて試料８の磁区が検出できるため、微小領域での磁性ドットの磁化の変化を観察することができる。さらに、本実施例の近接場偏光顕微鏡１によれば、下部磁極４４の上端部が先細りに形成されることで、磁界をより強くすることができる。

本発明の近接場偏光顕微鏡は、前記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。たとえば、磁界印加手段７は、前記実施例の構成に限定されるものではない。図３および図４は、図１の近接場偏光顕微鏡の変形例を示す図であり、図３は、磁界印加手段の概略側面図、図４は、磁界印加手段の概略平面図であり、カンチレバーと試料とが配置された状態を示している。

本変形例の磁界印加手段７は、上下に離隔して配置される上部リターンヨーク７０および下部リターンヨーク７１と、上部リターンヨーク７０と下部リターンヨーク７１とを接続する鉄心７２と、鉄心７２に設けられるコイル７３と、下部リターンヨーク７１に設けられる柱体７４とを備える。上部リターンヨーク７０と下部リターンヨーク７１とは、一端部同士が円柱状の鉄心７２により接続され、この鉄心７２にコイル７３が設けられる。柱体７４は、円柱状に形成され、下部リターンヨーク７１の他端部に立設される。この際、上部リターンヨーク７０の他端部と柱体７４の上端部とが隙間を空けた状態で互いに対応するように配置される。柱体７４の上端部は、上方へ行くに従って先細りとなる円錐台状に形成される。これにより、上部リターンヨーク７０が上部磁極４３とされる一方、柱体７４が下部磁極４４とされる。

カンチレバー３および試料８は、上部磁極４３となる上部リターンヨーク７０と下部磁極４４となる柱体７４の間の隙間に配置される。この状態において、コイル７３に電流を流すことで、上部リターンヨーク７０と柱体７４とがそれぞれ上部磁極４３と下部磁極４４となり、磁界を発生させることができ、試料８に磁界を印加することができる。本変形例では、細長い板状の探針支持片４７および試料支持片４９は必要としないが、その他のカンチレバー３やホルダ５６，５７などは非磁性材料から形成されることで、磁界の影響を受けることがない。それに加えて、それらが非導電性材料から形成されることで、渦電流による影響を抑制することができる。また、本変形例の磁界印加手段７では、近接場偏光顕微鏡１全体をコンパクトにすることができる。さらに、本変形例の磁界印加手段７を用いた近接場偏光顕微鏡１は、既存の原子間力顕微鏡の構成を適用し易い。

また、前記実施例では、水晶振動子５２によりカンチレバー３を振動させたが、励振ピエゾ５５によりカンチレバー３を振動させてもよい。図５は、図１の近接場偏光顕微鏡の別の変形例を示す概略構成図であり、一部を省略して示している。本変形例の近接場偏光顕微鏡１は、基本的には前記実施例と同様の構成である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。

図５に示されるように、カンチレバー３は、励振ピエゾ５５に直接設けられる。励振ピエゾ５５は、図示しない出力装置からのカンチレバー３の共振周波数の励振周波数により励振される。従って、励振ピエゾ５５の振動がカンチレバー３に伝達されて、カンチレバー３が振動される。本変形例の近接場偏光顕微鏡１は、カンチレバー３の変位を検出する変位検出光学系６３と、ダイクロイックミラー６４とをさらに備える。変位検出光学系６３は、変位検出レーザ光６５の変位レーザ光源６６と、光によってカンチレバー３の変位が検出される変位検出装置６７と、レンズ６８とを有して構成される。なお、本変形例では、膜１０は、梁部９の一端部を残して、梁部９の表面にも探針２の内面から連続して形成される。

変位検出装置６７は、本変形例では４分割フォトダイオードとされ、カンチレバー３からの変位検出レーザ光６５の戻り光により、カンチレバー３の変位を検出することができる。なお、本実施例では、変位検出レーザ光６５は、たとえば、５３２ｎｍの緑の波長とされる。このような変位検出光学系６３、観察照明光学系５および磁区検出光学系４とに対して、対物レンズ６は共通とされる。これにより、構成の簡素化、占有空間の小型化および組立精度の向上を図ることができる。ダイクロイックミラー６４は、照明光２９から、変位検出レーザ光６５の波長光、本実施例では５３２ｎｍの緑の光を反射させて排除できる。また、ダイクロイックミラー６４は、変位検出レーザ光６５の波長以外の波長光が透過され、照明光２９を変位検出レーザ光６５と共に対物レンズ６へ向かわせる波長選択性を有する。

本変形例の近接場偏光顕微鏡１は、前記実施例の近接場偏光顕微鏡１と同様にして、試料８の磁区が検出される。この際、変位レーザ光源６６からの変位検出レーザ光６５は、ダイクロイックミラー６４にて反射され、ダイクロイックミラー４６を透過して対物レンズ６を通過し、カンチレバー３の膜１０で反射される。この戻り光は、レンズ６８を介して変位検出装置６７に導入される。戻り光は、カンチレバー３の撓曲、すなわち変位に応じて、変位検出装置６７への入射角変化（すなわちスポット形状の変化）、あるいは位置が変化することから、変位検出装置６７における光電変換の各部の入射光量の変化が生じる。従って、これらによる出力の演算により、カンチレバー３の撓みの検出、ひいては原子間力を検出することができる。つまり、探針２と試料８との間隔を検出できる。

探針２と試料８との間隔を検出した信号が制御装置６９に入力され、制御装置６９から試料スキャナ５１へ制御信号が出力される。そして、試料スキャナ５１により試料ステージ５０のｚ軸方向の調整がなされる。これにより、常時、探針２と試料８との間隔を一定に保持することができる。言い換えれば、近接場光は、常時、試料８の表面に一定条件で照射される。

また、前記実施例では、水晶振動子５２を直接振動させたが、励振ピエゾ５５により振動させてもよい。この場合、励振ピエゾ５５を振動させることで水晶振動子５２が振動され、ひいてはカンチレバー３が振動される。また、前記実施例では、磁区検出光学系４においてλ／４板１５が設けられたが、これを用いないこともできる。この場合、磁区検出レーザ光１１は、λ／２板１４により直線偏光とされて、ダイクロイックミラー１６へ進む。また、λ／４板１５およびλ／４板２１を用いない構成とすることもできる。

また、前記実施例では、探針支持片４７と試料支持片４９とが基体３２の径方向に互いに対向するように配置されたが、これに限定されるものではなく、探針支持片４７と試料支持片４９とが互いに直交するよう配置してもよい。また、前記実施例では、磁区検出装置１７が光電子増倍管とされたが、分光器としてもよい。この場合、狭帯域干渉フィルタ１８は用いられず、ダイクロイックミラー１６およびダイクロイックミラー４６がハーフミラーであるビームスプリッタとされる。また、不要反射光排除手段２２とλ／４板２１との間、またはＧ−Ｔアナライザ２０とレンズ１９との間にビームスプリッタが配置され、戻り光を、光電子増倍管へ向かう光とビームスプリッタで反射される光とに分岐させてもよい。この場合、ビームスプリッタで反射された光は分光器へ導入され、光電子増倍管での検出信号と分光器での検出信号とを同時に取得することができる。

また、前記実施例では、水晶振動子５２の振動片５３の周波数がＰＬＬ回路６１により検出され、これに基づいて探針２と試料８との距離が一定に保持されたが、これに限定されるものではなく、たとえば、前述した変位検出光学系６３を用いてもよい。さらに、前記変形例では、励振ピエゾ５５の振動によるカンチレバー３の振動が変位検出光学系６３にて検出されたが、これに限定されるものではなく、たとえば、励振ピエゾ５５の周波数がＰＬＬ回路６１にて検出される構成としてもよい。なお、ＰＬＬ回路６１は、試料８表面をカンチレバー３で触れながらなぞりつつ、カンチレバー３の動きで試料８表面の凹凸を検出するコンタクト方式や、カンチレバー３を共振周波数で強制励振させて試料８表面をなぞるタッピング方式にも対応している。

１ 近接場偏光顕微鏡
２ 探針
３ カンチレバー
４ 磁区検出光学系
５ 観察照明光学系
６ 対物レンズ
７ 磁界印加手段
８ 試料
１０ 膜
１１ 磁区検出レーザ光
１７ 磁区検出装置
２８ 観察装置
２９ 照明光
４３ 上部磁極
４４ 下部磁極

Claims (3)

1. 少なくとも表面が磁性を有する試料の磁区を検出することができる近接場偏光顕微鏡であって、
   非磁性材料から形成され、先端へ行くに従って先細りとなる凹形状の探針を有し、この探針は、光を透過する材料で形成されると共に内面が金属製の膜で覆われ、前記探針と前記試料との間に原子間力が作用するよう配置されるカンチレバーと、
   磁区検出レーザ光の前記探針内面への照射による近接場光により、前記試料の磁区を検出できる磁区検出光学系と、
   前記磁区検出レーザ光の波長以外の波長帯を有する照明光の前記カンチレバーからの戻り光の光学像により、前記磁区検出レーザ光の照射状態が観察できる観察照明光学系と、
   前記磁区検出光学系および前記観察照明光学系に対して共通に設けられる対物レンズと、
   前記カンチレバーおよび前記試料を挟んで上下に配置される上部磁極および下部磁極を有し、前記試料に外部から磁界を印加することができる磁界印加手段と
   を備えることを特徴とする近接場偏光顕微鏡。
2. 前記試料を２次元平面内で走査させる走査手段と、
   この走査手段により設定量ずつ前記試料を移動させ、その各点におけるｚ座標を記録する座標記録手段と、
   設定値間において外部磁界を変動させる磁界変動手段と、
   前記各点において外部磁界を変動させた際の情報を記憶する記憶手段とをさらに備え、
   前記磁区検出光学系からの前記情報に基づいて、前記試料の微小領域の磁気ヒステリシスを測定することができる
   ことを特徴とする請求項１に記載の近接場偏光顕微鏡。
3. 前記下部磁極の上端部は、上方へ行くに従って先細りに形成される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の近接場偏光顕微鏡。

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