(57)【要約】  本発明の荷電粒子線装置は、荷電粒子源と試料台の間に配置されて荷電粒子を荷電粒子束として試料台方向へ搬送する搬送光学系を備え、前記搬送光学系は、荷電粒子束（４０６）の進路と垂直成分を有する磁場（４０３）を発生する磁場発生部（４０２）と、荷電粒子束の進路と垂直成分を有する電場を発生する電場発生部（４０１）と、磁場発生部および電場発生部を通過した荷電粒子束の少なくとも一部を遮蔽する遮蔽部（４０８）とを有する。そして、磁場の垂直成分は磁場勾配を持ち、電場の垂直成分は荷電粒子束が受けるローレンツ力と逆方向に静電気力を与える。  これにより、１次電子線のスピン偏極度を、増加させることも含めて調整可能な光学系を提供できるようになった。
2016207961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子を発生する荷電粒子源と、  試料を載置する試料台と、  前記荷電粒子源と前記試料台の間に配置され、前記荷電粒子を荷電粒子束として前記試料台方向へ搬送する搬送光学系を有し、  前記搬送光学系は、  前記荷電粒子束の進路と垂直成分を有する磁場を発生する磁場発生部と、  前記荷電粒子束の進路と垂直成分を有する電場を発生する電場発生部と、  前記磁場発生部および前記電場発生部を通過した前記荷電粒子束の少なくとも一部を遮蔽する遮蔽部と、  を備え、  前記磁場の垂直成分は磁場勾配を持ち、  前記電場の垂直成分は前記荷電粒子束が受けるローレンツ力と逆方向に静電気力を与える、  ことを特徴とする荷電粒子装置。
【請求項２】
前記磁場発生部と前記電場発生部を備える分離光学系を備え、  前記分離光学系を射出した前記荷電粒子束は、上向きのスピンを有する荷電粒子と下向きのスピンを有する荷電粒子の分布が偏っており、  前記遮蔽部は、前記遮蔽により前記荷電粒子束のスピン偏極度を大きくする、  ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子装置。
【請求項３】
前記分離光学系と前記遮蔽部との間に、  前記遮蔽部によって遮蔽される前記荷電粒子束の断面積を拡大する拡大光学系を有する、  ことを特徴とする請求項２記載の荷電粒子装置。
【請求項４】
前記分離光学系と前記遮蔽部との間に、  前記荷電粒子束と前記遮蔽部の相対的位置を変化させる偏向器を有する、  ことを特徴とする請求項２記載の荷電粒子装置。
【請求項５】
前記分離光学系と前記遮蔽部との間に、  前記遮蔽部に入射する前記荷電粒子束の条件を電場によって制御する制御光学系を有する、  ことを特徴とする請求項２記載の荷電粒子装置。
【請求項６】
前記分離光学系と前記遮蔽部の間に、  磁場によって構成される光学系または偏向器を有しない、  ことを特徴とする請求項５記載の荷電粒子装置。
【請求項７】
前記荷電粒子源と前記分離光学系の間には、磁場によって構成される光学系および偏向器の少なくとも一つを有する、  ことを特徴とする請求項６記載の荷電粒子装置。
【請求項８】
前記磁場発生部と前記電場発生部を備える分離光学系を備え、  前記分離光学系は、  第１の磁場発生部および第１の電場発生部の組からなる第１のユニットと、  第２の磁場発生部および第２の電場発生部の組からなる第２のユニットと、  を備え、  前記第１のユニットと前記第２のユニットは、前記荷電粒子束の進路に沿って配置され、互いに、前記磁場勾配の向き、前記磁場の垂直成分、前記電場の垂直成分が逆向きである、  ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子装置。
【請求項９】
スピンを持つ荷電粒子を試料に照射する荷電粒子の照射方法であって、  前記荷電粒子の軌道と垂直、かつ、お互いが垂直になる成分を有する電場と磁場を発生させ、  前記磁場は前記荷電粒子の軌道の位置において磁場勾配を持ち、  前記電場は前記荷電粒子がうけるローレンツ力を弱めるように印加され、  前記磁場勾配によって前記荷電粒子にそのスピンに応じた軌道の変化を与える、  ことを特徴とする荷電粒子の照射方法。
【請求項１０】
前記電場と磁場を発生させるために、第１の電極と磁極の組み合わせからなる第１のユニットと、第２の電極と磁極の組み合わせからなる第２のユニットを、前記荷電粒子の軌道方向に配列し、  前記第１のユニットと前記第２のユニットは、それらが形成する前記磁場勾配の向き、前記磁場、および、前記電場が、いずれも逆方向に向いている、  ことを特徴とする請求項９記載の荷電粒子の照射方法。
【請求項１１】
前記第１のユニットと前記第２のユニットを円周上に配列し、前記荷電粒子を前記円周上で複数回回転させることにより、前記磁場勾配によるスピンに応じた軌道の変化を増強する、  ことを特徴とする請求項１０記載の荷電粒子の照射方法。
【請求項１２】
前記スピンに応じた軌道の変化を与えた後、前記荷電粒子の一部を遮断することにより、前記試料に照射される前記荷電粒子のスピン偏極度を制御する、  ことを特徴とする請求項９記載の荷電粒子の照射方法。
【請求項１３】
前記荷電粒子のスピン偏極度を制御した後、前記荷電粒子の一部を遮断するまでに用いる構成は、磁界を用いた光学系もしくは偏向器を用いない、  ことを特徴とする請求項１２記載の荷電粒子の照射方法。
【請求項１４】
荷電粒子を発生する荷電粒子源と、  試料を載置する試料台と、  前記荷電粒子源と前記試料台の間に配置され、前記荷電粒子を荷電粒子束として前記試料まで搬送する搬送光学系を有し、  前記搬送光学系は、分離光学系と、アパーチャと、対物レンズを備え、  前記分離光学系は、  前記荷電粒子束の進路と垂直な成分を有し、該垂直成分が勾配を有する磁場を発生する磁場発生部と、  前記荷電粒子束の進路および前記磁場の垂直成分と垂直な成分を有する電場を発生する電場発生部と、  を備え、  前記アパーチャは、  前記分離光学系を通過した前記荷電粒子束の一部を遮蔽することにより、前記荷電粒子束のスピン偏極度を増大させ、  前記対物レンズは、前記荷電粒子束を収束して前記試料に照射し、  前記照射により前記試料より反射もしくは発生する粒子を観測する検出器を有する、  ことを特徴とする分析装置。
【請求項１５】
前記分離光学系と前記アパーチャの間に、  電界レンズまたは前記荷電粒子の自発的な拡散により前記荷電粒子束の径を拡大する拡大光学系、および、偏向電極の少なくとも一つを備える制御光学系を有する、  ことを特徴とする請求項１４記載の分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、スピンを有する荷電粒子を取り扱う技術に関する。
【背景技術】
【０００２】  電子は電荷以外にスピンという物理量を持つが、これは磁性の起源である。つまり物質内部の電子スピンがある方向に偏っていると、つまりスピン偏極していると、その物質は磁性を持つ。【０００３】  以下、上向きのスピンを有する荷電粒子と下向きのスピンを有する荷電粒子の分布を「スピンの分布」といい、スピンの分布が偏っている（均一でない）ことを「スピン偏極」しているという。また、荷電粒子束に含まれる上下のスピンの割合の偏りを「スピン偏極度」という。【０００４】  電子線においても、電子線に含まれるスピンの割合が片方に偏ったスピン偏極電子線は、物質の磁性を微視的に調べる手段として活用されている。スピン偏極度は、例えばスピンが全て上向き（または下向き）だと偏極度100％（完全に偏極している）、上向きと下向きが同数だと0％（全く偏極していない）となる。【０００５】  特に最近ではGaAs/GaAsPの超格子を電子源とするスピン偏極電子線は、そのスピン偏極度が90％を超える等から（従来は50％程度）、注目されている。このようなスピン偏極度を持つスピン偏極電子線を試料に照射して、試料を観察、測定することにより、新たな知見を得ることが期待される。【０００６】  このスピン偏極電子線の搬送光学系は、通常の電子線同様の静電レンズや磁界レンズが用いられており、またスピン偏極方向の回転用としてスピン回転器も使用されている。ここで、搬送光学系とは、電子等の粒子線源から発生した粒子を、測定あるいは加工対象である試料まで搬送する系をいうものとする。【０００７】  スピン偏極電子線の偏極度は、例えば一様でない磁場を通過すると、磁場によるラーモア回転角に分散が生じるために小さくなる。例えば搬送光学系でよく用いられる磁界レンズの出入り口などでは、一様でない磁場が分布しているため、上記のようにスピン偏極度が小さくなる可能性が高い。逆にスピン偏極度を意図的に調整したり、大きくしたりするような搬送光学系は、現状ではない。【０００８】  以上のように、スピン偏極度の大きさを調整するような搬送光学系や、スピンに依存して電子の軌道を調整するような搬送光学系は報告されていなかった。【０００９】  なお、荷電粒子が持つ磁気モーメントを高効率で分解できる検出器について特許文献１および特許文献２がある。また、スピン偏極電子線を磁性体へ照射してその反射電子の強度を計測するSPLEEM（Spin−Polarized Low Energy Electron Microscopy）について非特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開2008−251525号公報
【特許文献２】特開2010−146968号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】ジャーナル  オブ  フィジックス  ディー、アプライド  フィジックス  第３５巻、第２３２７頁から第２３３１頁（２００２）（Journal of Physics D: Applied Physics  35、p2327−2331(2002)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】  本発明の課題は、電子やイオンなど荷電粒子をプローブとして用いる装置において、スピン偏極度の調整や、スピンに依存した軌道の調整を実現できる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】  上記課題を解決する本発明の一側面は、荷電粒子を発生する荷電粒子源と、試料を載置する試料台と、荷電粒子源と試料台の間に配置され、荷電粒子を荷電粒子束として試料台方向へ搬送する搬送光学系を有する荷電粒子装置である。【００１４】  この装置において、搬送光学系は、荷電粒子束の進路と垂直成分を有する磁場を発生する磁場発生部と、荷電粒子束の進路と垂直成分を有する電場を発生する電場発生部と、磁場発生部および電場発生部を通過した荷電粒子束の少なくとも一部を遮蔽する遮蔽部とを備える。また、上記磁場の垂直成分は磁場勾配を持ち、上記電場の垂直成分は荷電粒子束が受けるローレンツ力と逆方向に静電気力を与える。【００１５】  本発明の他の一側面は、スピンを持つ荷電粒子を試料に照射する荷電粒子の照射方法である。この方法では、荷電粒子の軌道と垂直、かつ、お互いが垂直になる成分を有する電場と磁場を発生させ、磁場は荷電粒子の軌道の位置において磁場勾配を持ち、電場は荷電粒子がうけるローレンツ力を弱めるように印加され、磁場勾配によって荷電粒子にそのスピンに応じた軌道の変化を与える。【００１６】  本発明のさらに他の一側面は、荷電粒子を発生する荷電粒子源と、試料を載置する試料台と、荷電粒子源と試料台の間に配置され、荷電粒子を荷電粒子束として試料まで搬送する搬送光学系を有する分析装置である。搬送光学系は、分離光学系と、アパーチャと、対物レンズを備える。分離光学系は、荷電粒子束の進路と垂直な成分を有し、該垂直成分が勾配を有する磁場を発生する磁場発生部と、荷電粒子束の進路および磁場の垂直成分と垂直な成分を有する電場を発生する電場発生部とを備える。また、アパーチャは、分離光学系を通過した荷電粒子束の一部を遮蔽することにより、荷電粒子束のスピン偏極度を増大させる。対物レンズは、荷電粒子束を収束して試料に照射し、照射により試料より反射もしくは発生する粒子を検出器で観測する。
【発明の効果】
【００１７】  スピン偏極度の大きさを調整するような搬送光学系や、スピンに依存して電子の軌道を調整するような搬送光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】中性子にスピンに応じた力を与えるシュテルン・ゲルラッハ法を示す原理図。
【図２】本発明の電子光学系の実施例１を示す原理図。
【図３】本発明の実施例１において、電子の軌道が変更される様子を示す原理図。
【図４】本発明の実施例２の電子光学系を示す原理図。
【図５】本発明の実施例３の電子光学系を示す原理図。
【図６】本発明の実施例４の電子光学系を示す原理図。
【図７】本発明の実施例５の電子光学系を示す斜視図。
【図８】本発明の実施例６の電子光学系を示す平面図。
【図９】本発明の実施例７の搬送光学系を示す構成図。
【図１０】本発明の実施例８のSPLEEMを示す構成図。
【図１１】本発明の実施例９の走査型電子顕微鏡を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】  本発明の実施例では、荷電粒子をプローブとして用いる電子顕微鏡の搬送光学系において、電子のスピンに依存した軌道の調整を実現できる光学系を提供する。これにより、スピン偏極度を制御することも可能となる。このような搬送光学系を用いて、観察や加工する試料に対して、所望のスピン偏極度を有する荷電粒子線を照射することができる。実施例を理解するために、まずスピンをもつ荷電粒子の振る舞いに関する原理を説明する。
【００２０】  荷電粒子ではないが、スピンに依存した中性子の軌道の調整については、シュテルン・ゲルラッハ法（Stern Gerlach method）が知られている。
【００２１】  図１にシュテルン・ゲルラッハ法の原理を示す。図１(a)は磁極とそれらが作り出す勾配を持つ磁場並びに中性子線の位置関係を示す。図１(b)は磁場勾配により中性子線のスピンが受ける力を示している。
【００２２】  図１(a)に示すように、例えば、磁極（N極）101と磁極（S極）102による磁力線103で、磁場勾配を形成する。図１(a)の例では、N極101側の磁場が強く（磁力線が密）であり、S極102側の磁場が弱い（磁力線が粗）。
【００２３】  この磁場勾配を持つ空間に中性子104を、紙面表から裏に向かって入射させる。すると、図１(b)に示すように、その磁場勾配の向きに対して中性子104のスピンの向きが平行か反平行かによって逆向きの力106を受ける。その力106により、中性子の軌道を変化させるものである。この際、磁場勾配から受ける力は微小であっても、中性子は磁場からそれ以外に力を受けない。このために、図１(b)に示すように、勾配からの力によって異なるスピンをもつ中性子の軌道が別れることになる。
【００２４】  周知のように、スピンは上向きと下向きの２つの状態を確率的にとり得る。スピンは、概念的には中性子（粒子）に磁石の性質（磁気モーメント）を与えると考えられる。図１(b)に示すように、本実施例の図面では、スピンによる粒子の磁気モーメントの状態を矢印で表すことにする。説明上、矢印の指す方向がＮ極に、逆側がＳ極に相当するものとする。なお、スピンの向きも同じく矢印で表すことができるが、一般的な表記では、磁気モーメントとは逆向きの矢印となる。
【００２５】  不均一な磁場中では、磁気モーメントは磁場により磁力を受ける。例えば、図１(b)の右側の中性子104aでは、中性子はN極側に強く引き寄せられ、S極側に弱く引き寄せられる。このため、最終的にはN極側へ引き寄せられる力106aが残る。左側の中性子104bでは、中性子はN極側から強く反発を受け（S極側に強く引き寄せられ）、S極側から弱く反発を受け（N極側に弱く引き寄せられ）る。このため、最終的にはS極側へ引き寄せられる力106bが残る。
【００２６】  以上のように、シュテルン・ゲルラッハ法によれば、中性子のスピンに依存した軌道の調整を実現できる光学系を提供することができる。
【００２７】  しかし、工業上は中性子を扱うシュテルン・ゲルラッハ法をそのまま電子やイオンなどの荷電粒子に適用することはできない。その理由は、電荷を持たない中性子とは異なり、電磁場中で運動する荷電粒子の場合、圧倒的に大きいローレンツ力を受けるために、電子のスピンに依存した軌道の調整が意味を持たないほど、荷電粒子の軌道が大きく曲がってしまうからである。従って、電子顕微鏡などの電子光学系に使用することはできない。
【００２８】  そこで、ローレンツ力による軌道の変化の問題を解決する原理を検討する。ここで採用する解決法は、磁場印加方向と粒子軌道方向に垂直成分を持つ電場を印加するというものである。
【００２９】  すなわち、静電気力でローレンツ力を小さくする（理想的にはキャンセルさせる）向きに電場を印加する。これにより粒子が受ける磁場勾配から受ける力の影響を支配的にして、荷電粒子の軌道を変化させるものである。この原理に基づいて、荷電粒子の磁気モーメントを分離して検出するスピン検出器が、発明者らによって既に報告されている（特許文献１）。
【００３０】  この方式により、左右上下、あるいは内側外側等、電子束（電子ビーム）内の位置によってスピンを偏らせることができる。この場合、無偏極の電子線においても、電子線束内の一部にスピン偏極を生じさせることができる。従って、これらの光学系の後段に、電子線束の一部をカットする光学系（遮蔽板やアパーチャ等）を設置することにより、スピン偏極している部分だけを後段光学系に搬送し、スピン偏極度を増加させることができる。
【００３１】  このスピン偏極度の調整や増加は、スピン偏極電子線を磁性体へ照射してその反射電子の強度を計測するSPLEEM（Spin−Polarized Low Energy Electron Microscopy）（非特許文献１）等において、S/Nを増加させる点で非常に有用である。
【００３２】  以下、実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。
【００３３】  以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。
【００３４】  本明細書や請求項における「第１」、「第２」、「第３」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数または順序を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。
【００３５】  図面や明細書において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
【００３６】  本明細書で引用した刊行物、特許および特許出願は、そのまま本明細書の説明の一部を構成する。
【００３７】  本明細書において単数形で表される構成要素は、特段文脈で明らかに示されない限り、複数形を含むものとする。
【実施例１】
【００３８】  以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。【００３９】  図２に、実施例１の電子光学系の基本構造を示す。図２(a)は、磁極、電極とそれらが作り出す磁場と電場の関係を示す。図２(b)は、電子のスピンとそれらが磁場勾配より受ける力を示している。【００４０】  図２のように凹面や凸面など、曲面を持つ磁極が生成する磁場は、勾配を持っている。曲面を持つ磁極を精度よく工作するのは難しいので、曲面を近似した複数の平面から構成される磁極を用いることも有効である。【００４１】  図２(a)に示すように、シュテルン・ゲルラッハ法と同様、N極の磁極201とS極の磁極202は異なる形状を持ち、磁場勾配を形成する。2つの電極203は同じ形状でよいが、その表面を平行ではなく傾けて配置している。【００４２】  このような状態で発生する磁力線204と電気力線205は、ともに場所によって向きや密度が異なるものとなる。【００４３】  図２(b)に示すように、その状態で、電子206を図面垂直方向に入射させる。図１で説明した原理により、電子206aと206bはスピンの状態により、力207aと207bを受ける。図１と図２の基本的な違いは、粒子の電荷の有無と、電荷によるローレンツ力を小さくする構成の有無である。ローレンツ力は理想的にはキャンセルすることが望ましいが、スピンに起因する軌道ずれへの影響を小さくするようにローレンツ力を弱めるだけでも所定の効果がある。【００４４】  電子206に所望の力207を加えて所望の量だけ軌道を変更するため、磁力線204で所望の磁場勾配を生成する。磁力線204と電子206の電荷（電気素量）および電子の運動速度により、電子206はローレンツ力を受ける。図２ではそれをキャンセルするような静電気力を電気力線205から受けるようにする。【００４５】  例えば、電子206が、図１と同様に紙面の表から裏の方向に入射しているとすると、電子206には右向きのローレンツ力が加わり、軌道は右側にずれる。この力をキャンセルするためには、図２(a)に示すように、右側にマイナスの電極を置き、左側にプラスの電極を置いて、マイナスの電荷を持つ電子206に左向きの力を加え、軌道を左側にずらすことになる。【００４６】  条件を満たす磁力線204と電気力線205を得るための、磁極201，202、電極203の形状と磁力、電圧は古典的電磁気学により計算することができる。例えば、仮に1T/mの磁場勾配中を、10Vで加速された電子が1m進む際に受ける偏向量は、1.4umと計算できる。この偏向量は、磁場中の電子の進行距離の2乗に比例する。【００４７】  条件を満たす磁力線204と電気力線205が得られた場合、電子206が受ける力は、磁場勾配から受ける力207のみになり、その力207は電子206のスピンによって向きが違うので、電子のスピンに応じた軌道の違いを生成することができる。【００４８】  図３に、図２で示した本発明の実施例を電界205の向きからみた図を示す。本図で電子206は右側から磁極201と202、電極203に向かって入射し、そこで磁場勾配よりスピンの向きに応じた力を受け、磁極201と302、電極203を通過する間に軌道が変化する。これにより電子206のスピンに応じた軌道の違いを生成することができる。【００４９】  なお、図３では２つの電子の軌道のずれを大きく表しており、電子束は分離されているように見える。ただし、軌道のずれ量の大きさは制御可能で��る。ずれ量を大きく調整することで、１つの電子束をスピンの異なる電子からなる２つの電子束にすることができる。また、ずれ量を小さく調整し、一つの電子束の内部で、スピンの分布を変更することができる。【００５０】  １つの電子束をスピンの異なる電子からなる２つの電子束にした場合には、図３に示すように、片方の電子束を遮蔽版301で遮蔽し、もう片方の電子束のみを試料302に照射することができる。この構成により、スピン偏極度の高い電子束を試料302に照射することができる。
【実施例２】
【００５１】  図４に、本発明の実施例２による、電子線のスピンの分布の制御の例を示す。図４の例では、紙面上下方向のスピン（あるいは磁気モーメント）を持つ電子が、左右方向に偏っていく状態を示す。【００５２】  磁場勾配を持つ磁場の生成は、導線に電流を流すことでも可能になる。この際に生じる同心円状の磁場は、導線近辺では強く、導線から離れるに従って弱くなる。この場合、同心円の径方向に勾配を持つ磁場が生成していることになる。【００５３】  図４(a)に示すように、板状電極401と、紙面裏側から表側に向かう電流402が同心円状磁場403を生成している。ここで、磁場403に入射する電子の進行方向は紙面垂直方向とする。【００５４】  一般的な電子源と搬送電子光学系で形成された電子束を用いた場合、図４(b)に示すように、この光学系に入射する前の電子束406は円形であり、その内部でのスピン偏極はない（上向きのスピンと下向きのスピンが半分ずつ、かつ均一に分布）。この状態で、電流402が作り出す同心円状磁場403を通過すると、上向き磁気モーメントを持つ電子404は左、下向き磁気モーメントを持つ電子405は右側に力を受ける。また磁場勾配により、この力は下向き磁気モーメントを持つ電子405が右側に受ける力の方が大きい。【００５５】  上記の作用が働くことにより、この光学系を通過した後の電子束407は右側が細くなったいびつな形になる。また、右側に下向きスピンを持つ電子405が偏った、スピン偏極を起こす。【００５６】  このとき、図２で説明したように電子405は磁場403によりローレンツ力を受ける。ローレンツ力の向きは電子405の紙面に対する進行方向に依存するが、板状電極402には、ローレンツ力を打ち消す静電気力を電子405に加えるような、正または負の極性を与える。【００５７】  図４(b)に示すスピン偏極を起こした電子束407に対し、図４(c)に示すアパーチャ408を適用し、電子束407の一部を遮蔽する。電子束407内のスピンの分布が偏っているため、開口409通過後の電子束のスピン偏極度を変更することができる。
【実施例３】
【００５８】  図５に実施例３を示す。基本構成は図２と同様である。図５では、紙面左右方向のスピン（あるいは磁気モーメント）を持つ電子が、左右方向に偏っていく状態を示す。板状電極203が作り出す電場と、凸状曲面を持つ磁極201と凹状曲面を持つ磁極202が作り出す磁場を利用している。【００５９】  ここでも、電子の進行方向は紙面垂直方向である。この光学系に入射する前の電子束506は円形であり、その内部でのスピン偏極はない。この状態で、図５(a)に示す上記の電磁場中を通過すると、右向きの磁気モーメントを持つ電子504は、S極202の磁界が強い左、左向きの磁気モーメントを持つ電子505はN極201の磁界が強い右側に力を受ける。またこの力は、N極201側の磁力線が密であるため、左向きスピンを持つ電子505が右側に受ける力の方が大きい。【００６０】  上記の作用が働くことにより、この光学系を通過した後の電子束507は右側が細くなったいびつな形になり、その方向に左向きスピンを持つ電子505が偏った、スピン偏極を起こす。【００６１】  このとき、図２で説明したように電子504，505は磁場によりローレンツ力を受ける。ローレンツ力の向きは電子504，505の紙面に対する進行方向に依存するが、板状電極203には、ローレンツ力を打ち消す静電気力を電子に加えるような、正または負の極性を与える。【００６２】  電子束507に対して、図４(c)と同様にアパーチャを適用することにより、スピン偏極度を制御した電子束を得ることができる。【００６３】  図５(b)では、アパーチャ408に電子束507を入射する前に、一度電子束507を拡大する例を示す。拡大された電子束508をアパーチャ408に照射して、電子束の一部を透過させることにより、同じアパーチャを使った場合、図４(c)の場合よりスピン偏極度の制御が容易となる。
【実施例４】
【００６４】  図６に4枚の板状電極601、602、603、604が作り出す電場と、２つの凸状曲面を持つ磁極605、606が作り出す磁場による、本発明の実施例４を示す。図６では、紙面左右方向のスピンを持つ電子が、左右方向に偏りながら、ビーム形状は左右等方的になっている状態を示す。ここでも、電子609の進行方向は紙面垂直方向で、図６(a)の中央部を紙面表側から裏側に向かって通過する。【００６５】  図６(a)の光学系に入射する前の電子束609は円形であり、その内部でのスピン偏極はない。図6(a)において、電極601と602より、電極603と604の電位を高く（相対的にプラス電位）し、電子は下側に静電気力を受けるようにして、磁極605と606から受ける上向きのローレンツ力をキャンセルするようにする。【００６６】  この図６(a)に示す電磁場中を通過すると、図６(b)に示すように、右向きの磁気モーメントを持つ電子607は左、左向きの磁気モーメントを持つ電子608は右側に力を受け、スピン偏極を生じる。【００６７】  図４や図５の例と違い、この力は左右等方的なのでこの光学系を通過した後の電子束610は円形（楕円形）を保つことができ、その左側に右向きスピンを持つ電子607、右側に左向きスピンを持つ電子608が偏った、スピン偏極を起こす。【００６８】  図６(c)に示すように、電子束610の右半分または左半分を遮蔽板611で遮蔽することにより、通過する電子のスピン偏極度を変更することができる。遮蔽板611と電子束610の相対位置を可変とすれば、スピン偏極度を切り替えることができる。また、図４(c)のようなアパーチャを適用してもよい。
【実施例５】
【００６９】  図７に、本発明の実施例５を示す。前述の図５に示した磁極と電極の組み合わせを複数個準備し、それを電子軌道方向に並べたものである。なお、図４や図６の構成を複数用いて構成することもできる。この例では、いくつかの磁極と電極の組（本例では３つ）を電子の軌道方向に並べることにより、スピンによる軌道の変化を拡大する。【００７０】  一組の磁極と電極のペアが持つ磁場勾配から電子のスピンが受ける力が充分ではない場合、それらの組み合わせを複数個準備し、磁場勾配から受ける力を足し合わせることによって、充分な軌道の変化を得ることができる。【００７１】  本実施例では、図５(a)の構成（ユニット）を３つ直列に並べているが、図４(a)や図６(a)の構成を並べてもよい。電子は最初に磁極701と702、電極703に入射する。ここでも前述の実施例同様、ローレンツ力は電極703による静電気力でキャンセルするものとする。【００７２】  その後電子は磁極704と705、電極706に入射する。ここで、磁極701と702、704と705では逆方向の磁場を作り出すようにして、また磁極の形も逆転させているので磁力線の密度分布も逆になる。その結果、磁場勾配の向きは同じになる。従って、電子のスピンが磁極701と702、704と705が作り出す磁場勾配から受ける力は同じ方向になる。但し、それぞれの磁極が作り出す磁場の向きが異なるので、ローレンツ力は逆方向になり、お互いにキャンセルするようにできる。【００７３】  この方式では、ローレンツ力をユニット同士で一部相殺することができる。よって、静電気力を与える電極の規模を小さくすることができる。また逆に、仮に静電気力でローレンツ力のキャンセルが完全にできなかった場合でも、複数個の電極、磁極の配置を調整すれば、ローレンツ力をキャンセルすることができる。【００７４】  本実施例においては、その後電子は磁極707と708、電極709に入射する。ここでも磁極707と708が作り出す磁場の方向、磁力線密度の勾配は磁極704と705が作り出すものと逆方向になっている。このように、磁極と電極の組み合わせを適当な個数配列することによって、磁場勾配から受ける力は増強し、ローレンツ力等他から受ける力は小さくすることができるので、スピン依存の軌道偏向を増強させることができる。すべての組み合わせにおいて、電子の光軸710は一致させておくことが望ましい。
【実施例６】
【００７５】  図８に、本発明の実施例６を示す。複数組の磁極と電極を円周上に配置し、その中を電子を円運動させることにより、スピンによる軌道の分離を増強する例である。【００７６】  前述の図４〜７で説明した、磁界勾配を作り出す磁極と電子が受けるローレンツ力をキャンセルするための構成を1つのユニットとして、複数のユニット801を円周上に並べる。但し電子802が入射する部分を空けておく必要がある。【００７７】  このような状態で電子802をこの円周に入射させ、ユニット内の電磁場を制御して電子が円周上を回転運動させるようにする。本実施例では、ユニット内で磁場は図面垂直方向に向いており、図面垂直方向のスピンを分解することを想定している。個々のユニット内での電子のスピンが受ける力は弱くても、円運動を何周も行い、円周上に並べた複数のユニットを何回も通過するので、スピンが磁場勾配から受ける力を適切に積分してやれば、大きな軌道の違いとなって表れる。【００７８】  そして、その軌道の変化が充分大きくなると、電子軌道から少し図面垂直方向に離れた位置においているアパーチャ803に入射し、電子束の所望の部分をカットすることにより、スピン偏極度を向上させることができる。その後観察試料に照射する光学系の方向804へ搬送される。このような電子の円運動を利用すれば、微弱な力を積分して、スピンによる電子軌道の分解が可能になる。【００７９】  以上の図２〜図７の構成から明らかなように、これらの実施例において、磁界や電界を電気的に制御して極性を反転すれば、スピン偏極の状態を動的に切り替えることができる。
【実施例７】
【００８０】  以上の実施例１〜６の構成を搬送光学系に用いた例を示す。この搬送光学系は、スピンに依存して荷電粒子（例えば電子）の進路（軌道）を変更することができる。進路の変化が十分大きければ、電子束はスピンに応じて２つに分離される。また、進路の変化を小さく留めれば、１つの電子束の中で、スピンの偏り（スピン偏極）を生ぜしめることができる。スピンの偏りを持つ電子束の一部を遮蔽すれば、スピン偏極度の高い電子束を形成することができる。【００８１】  このような、スピンの状態を制御された荷電粒子線をプローブとして試料に照射し、種々の観測を行うことにより、特に磁性分野での新しい発見が期待される。【００８２】  試料に照射するプローブを形成する際に、スピンに応じた電子束の進路変化が大きく、電子束が２つに分離されている場合には、片方の電子束をダミーのターゲット等で遮蔽し、もう片方のみを試料に照射する構成とすることができる。【００８３】  スピンに応じた進路の変化を小さく留めれば、１つの電子束の中で、スピンの偏りを生じるので、図４や図６で示したように、アパーチャ等によって電子束の一部を遮蔽することにより、電子束のスピン偏極度を制御することができる。【００８４】  図３で説明したように、電子束をスピンに応じて２つに分離する方式では、偏極度の大きな電子束を容易に形成できるが、装置が大型化する可能性がある。以下にアパーチャを用いて、試料にスピン偏極度を制御した電子束を照射する搬送光学系の一例を示す。【００８５】  図９は、実施例１〜６の構成を搬送光学系に適用した実施例を示す基本構成図である。搬送光学系は一般に真空チャンバ内等、真空度や清浄度の高い空間に格納される。電子源901としては、各種の電子源を使用できる。前述のGaAs/GaAsPの超格子を電子源とすれば、スピン偏極度の高い電子束を形成できる。また、電子以外の公知の荷電粒子源を利用してもよい。【００８６】  電子源901から放射された電子束902は、電子を加速する加速電極903で効率的に引き出すことができる。また、電子束（プローブ）径やプローブ電流を制御するためのコンデンサレンズ904等を配置してもよい。電子源901と分離光学系905の間の光学系は、公知の電界または磁界で電子の運動を制御する構成を用いることができる。図９の例では電界型の加速電極903と磁界型コンデンサレンズ904を用いている。【００８７】  分離光学系905はスピンの状態によって電子束の電子に異なる軌道を与える部分である。分離光学系905は、荷電粒子束の進路と垂直成分を有する磁場を発生する磁場発生部と、荷電粒子束の進路と垂直成分を有する電場を発生する電場発生部を備える。荷電粒子束の進路は、理論的には荷電粒子束の断面の重心位置における粒子の軌道に代表させることができる。粒子の軌道は工業的には光学系の光軸と等価と考えてよい。分離光学系905は、図２〜図８で説明した構成の１つまたは複数の組合せで構成することができる。分離光学系を射出した荷電粒子束は、上向きのスピンを有する荷電粒子と下向きのスピンを有する荷電粒子の分布（すなわち「スピンの分布」）が偏っている。【００８８】  分離光学系905でスピンに応じた軌道の偏向を与えられた電子束902は、制御光学系906を経てアパーチャ907に入射す��。ここで、アパーチャ907は電子束902のスピン偏極度を制御するためのものであるが、通常の対物レンズ用の絞りを兼ねてもよいし、対物レンズ用の絞りは別のアパーチャで構成してもよい。【００８９】  分離光学系905とアパーチャ907の間にある制御光学系906の役割は、アパーチャ907に入射する電子束902の制御である。例えば、図４(c)に示すように、特定のスピンを持つ電子が偏在した電子束407の中から、アパーチャ408で高精度に所望の部分を透過させるためには、図５(b)で説明したように、アパーチャの開口409の径に対して電子束径を大きく調整することが望ましい。従って、制御光学系906には電子束の径を拡大する拡大光学系9061を含むことが望ましい。【００９０】  なお、拡大光学系9061は実質的に電子束の径を大きくできればよい。拡大光学系9061は、電子レンズ等で意図的に電子束径を大きくする他、所定の距離電子束を通過させるだけでも、電子束の径は自らの電荷の作用で自発的に広がるため、電子レンズ等を置かずに所定距離電子を通過させるのみの構成も含む。【００９１】  電子レンズ等を置かずに電子束の径を広げる方式は、分離光学系905から射出される電子束のスピンの分布に影響を与えることが少なく、構成が簡単であるが、電子の光路長が長くなる。【００９２】  また、図６(c)に示すように、電子束610のうち透過させる部分を変更することにより、スピン偏極度を変更することができる。すなわち、遮蔽版611（図９のアパーチャ907に相当）に対する、電子束610（図９の電子束902に相当）の相対的位置を変更することにより、スピン偏極度の変更や制御が可能となる。このため、制御光学系906には、偏向光学系9062を含むことが望ましい。アパーチャを機械的に動かしても同様の効果が得られるが、機構的には偏向光学系を用いる利点がある。【００９３】  また、図４(c)や図５(b)のような場合でも、アパーチャ907と電子束902の相対位置を制御することにより、スピン偏極度を制御することができる。【００９４】  なお、荷電粒子を搬送する光学系を構成するレンズや偏向器には、電界を用いる電界型と磁界を用いる磁界型がある。一般に電子顕微鏡では性能の良い磁界型が主に用いられているが、分離光学系905以降の光学系は、電界型で構成することにメリットがある。なぜならば、スピンを持つ粒子は勾配を持つ磁界により軌道に影響を受けるため、磁界型の光学系を用いると軌道が変化する。このため、分離光学系905で制御したスピンの分布が乱れてしまう。よって、特に個々の光学系要素を独立に設計したり制御したりする場合には、所望のスピン偏極度を得るための制御が複雑になる可能性があるためである。【００９５】  逆に、電子源901と分離光学系905の間には、性能により電界型、磁界型のいずれの光学系や偏向器も任意におくことができる。【００９６】  特に、分離光学系905とアパーチャ907の間には、磁界を発生する要素を置かないことが望ましい。分離光学系905とアパーチャ907の間に傾斜磁場があると、アパーチャに入射する電子束のスピンの分布が乱れるからである。すなわち、例えば、図４(b)407に示すようなスピンの分布を保ったまま、図４(c)のようにアパーチャに入射させることが困難になる。よって、図９の構成例では、制御光学系906を構成する拡大光学系9061には静電レンズ��、偏向光学系9062は偏向電極を用い、磁界を発生する構成を置かないようにしている。【００９７】  一方、アパーチャ907以降の光学系では、アパーチャによりスピン偏極度が100％近くになっている場合には、軌道のずれはあるものの、電子束中のスピンの分布が乱れるということがないので、軌道ずれを考慮したうえで磁場を用いてもかまわない。【００９８】  アパーチャ907を通過し、スピン偏極度の制御された電子束902は、偏向器908や対物レンズ909を経て、試料910に照射される。試料910は一般に試料ホルダ911上に配置される。試料ホルダ（または試料台）911は回転、移動機構を備えていてもよい。【００９９】  偏向器902は試料910上の電子束902の照射位置を制御する。また、対物レンズ909は電子束902を所望の径に収束させて試料910上に照射する。電子束902の径は小さいほど分解能が向上する。なお上述のように、偏向器908や対物レンズ909等、分離光学系905から試料910の間に配置される光学系は、電界型である偏向電極や静電レンズで構成すると、スピンに依存した軌道ずれを無視することができる。【０１００】  この装置を分析装置として利用する場合には、電子束902の照射により試料910から放射される２次電子や反射電子その他の得られる粒子912を、検出器913で検出することにより、試料910の状態を分析することができる。
【実施例８】
【０１０１】  図１０に実施例７の搬送光学系を、SPLEEMに適用した分析装置の実施例８を示す。真空チャンバ内において、レーザー1001から円偏光した光がGaAs等の半導体1002に照射され、スピン偏極電子線1000が生成される。その後の照射側の電子レンズ系1003の一部に、例えば図２〜８に示した電子光学系を設置して、スピン偏極電子線1000のスピン偏極度を向上させてから、試料ステージ（試料台あるいは試料ホルダでもよい）1007に載置される試料1006に照射する。照射側の電子レンズ系1003の具体的な構成は、図９で説明した構成を適用する。【０１０２】  そして試料1006から反射した電子1008をスクリーン1009上に結像させる。それらのレンズ系の制御装置1004や1005の安定度も高いレベルのものが好ましい。本実施例による電子光学系によりスピン偏極電子線1000のスピン偏極度を調整することができれば、S/Nの向上には極めて有効である。
【実施例９】
【０１０３】  図１１に実施例７の搬送光学系で形成したスピン偏極電子線を、走査電子顕微鏡に適用した分析装置の実施例９を示す。従来の走査電子顕微鏡の構成については、例えば特許文献２に開示がある。電子源はスピン偏極電子源であり、電子線制御装置1100によってコントロールされる。例えば円偏光でGaAs等の半導体1102を励起するタイプが考えられるが、電子線制御装置1100によって励起光の波長や円偏光の向きを制御できるようにする。【０１０４】  本実施例では、円偏光した光がレーザー1101から出射して半導体1102に照射され、半導体1102からスピン偏極電子線1103が放出される。スピン偏極電子線1103は静電レンズ1104で加速された後、例えば図７に示したように図５の構成を多段にした（図１１では２段）電子光学系1105を通過し、アパーチャ907によってスピン偏極度が調整される。【０１０５】  ここで、静電レンズ1104で約1kV以上に加速しないと、放出された電子線の進行方向の制御がうまくいかず広がってしまい、すべての電子を試料に到達させることができない可能性がある。【０１０６】  その後、スピン偏極電子線1103は走査用偏向電極1106を通過し、走査信号に応じて偏向する。【０１０７】  その後、静電電極1107で減速され、約100V以下の加速度になった後に試料1108に照射される。図１１の構成では、アパーチャ907以降の走査用偏向電極1106や静電電極1107では、磁界を用いていない。【０１０８】  試料1108に照射されたスピン偏極走査電子線のうち、一部は反射されて反射電子1109となる。また一部は試料内部に入り込み、内部の電子を励起し、2次電子を発生させる。この際の反射電子や2次電子の量は、入射電子のスピン偏極度と照射されている部分の試料磁化との関係に依存するので、本実施例に示すように、スピン偏極電子線、磁性体試料、そして電子検出器をこのような配置にセットし、反射電子や2次電子の強度をマッピングすることにより、試料の磁化の向きを可視化して分析することができる。【０１０９】  図１１の例においても、電子源である半導体1102から試料1108までの搬送光学系の構成の細部は、図９で説明した構成を適用すればよい。【０１１０】  以上では、電子束を例に説明したが、陽電子や陽子など、スピンを有する荷電粒子であれば、原理的には同様である。【０１１１】  本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【０１１２】101，201，301，701，705，707…磁極（N極）、102，202，302，702，704，708…磁極（S極）、103，204…磁力線、104…中性子、106…中性子が磁場勾配から受ける力の向き、203，303，703，706，709…電極、205…電気力線、206，304，802…電子、207…電子が磁場勾配から受ける力の向き、305…電子検出器、401，501…板状電極、402…電流、403…同心円状磁場、404…上向き磁気モーメントを持つ電子、405…下向き磁気モーメントを持つ電子、406，506，609…入射する前の電子束、407，507，610…通過した後の電子束、502，605，606…凸状曲面を持つ磁極、503…凹状曲面を持つ磁極、504，607…右向き磁気モーメントを持つ電子、505，608…左向き磁気モーメントを持つ電子、601，602，603，604…板状電極、710…電子の光軸、801…磁場勾配を作り出す磁極とローレンツ力をキャンセルする電極のユニット、408，803，907…アパーチャ、1000，1103…スピン偏極電子線、1003…本発明実施例による電子光学系を含む照射側の電子レンズ系、1004，1005…電子レンズ系の制御装置、910，1006，1108…試料、1104…静電レンズ、1105…本発明実施例による電子光学系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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