(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピン方向が偏在しているプローブ電子線を発生するプローブ電子線の発生装置と、磁場を利用するプローブ電子線の走査装置と、対物レンズと、プローブ電子線が試料で反射して前記走査装置に向けて進行する反射電子を検出する検出装置を備えており、
前記走査装置と前記対物レンズの間に、前記試料に向かって進行する電子には「電場が電子に加える力と磁場が電子に加える力が相殺する」関係を満たし、前記試料から離れる向きに進行する電子には「前記電場が電子に加える力と前記磁場が電子に加える力が相乗する」関係を満たす方位と強度に調整されている電場と磁場を加える電磁場発生装置が挿入されており、
前記検出装置は、前記した相乗した力によって進行方向が曲げられた反射電子の進行路上に配置されており、
前記走査装置の前記磁場が前記プローブ電子線のスピン方向に与える影響と、前記電磁場発生装置が前記プローブ電子線のスピン方向に与える影響が相殺する関係にあり、
プローブ電子線は直進し、反射電子は屈曲することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項２】
前記発生装置が、時間とともに偏在しているスピン方向を反転させることを特徴とする請求項１の走査電子顕微鏡。
【請求項３】
前記検出装置が前記反射電子のスピン方向に依存しないことを特徴とする請求項１〜２のいずれかの１項に記載の走査電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、反射電子を検出する走査電子顕微鏡を開示する。
【背景技術】
【０００２】
試料に反射してプローブ電子線と逆方向に進行する反射電子を検出する走査電子顕微鏡が開発されている。その反射電子を検出するためには、プローブ電子線と逆方向に進行する反射電子を検出する必要があり、試料に対してプローブ電子線源と反射電子検出装置を同じ側に配置する必要がある。反射電子検出装置がプローブ電子線と干渉するのを避けるために、反射電子検出装置を円環状とし、円環状の反射電子検出装置の中央開孔をプローブ電子線が通過する構造が開発されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
中央開孔をプローブ電子線が通過する円環状の反射電子検出装置の場合、反射電子と二次電子を区別して検出するのが難しい。また反射電子をエネルギーによって分光する分光装置を配置することも困難である。
本明細書では、プローブ電子線と逆方向に進行する反射電子の進行方向を曲げ、プローブ電子線との干渉が問題とならない位置に反射電子検出装置を配置することを可能とする技術を開示する。
【０００４】
本明細書で開示する走査電子顕微鏡は、プローブ電子線の発生装置と、プローブ電子線の走査装置と、対物レンズと、プローブ電子線が試料で反射して走査装置に向けて進行する反射電子を検出する検出装置を備えている。本明細書で開示する走査電子顕微鏡では、走査装置と対物レンズの間に、電場と磁場の双方を加える電磁場発生装置が挿入されている。磁場が電子に加える力は、電子の進行方向によって変化する。電場と磁場の方位と強度を調整すると、試料に向かって進行する電子には「電場が電子に加える力と磁場が電子に加える力が相殺する」関係を得ることができ、試料から離れる向きに進行する電子には「電場が電子に加える力と磁場が電子に加える力が相乗する」関係を得ることができる。その結果、試料に向かって進行するプローブ電子線は直進し、試料から離れる向きに進行する反射電子は曲げられる関係を得ることができる。本明細書で開示する走査電子顕微鏡では、電場と磁場が相乗した力によって進行方向が曲げられた反射電子の進行路上に反射電子検出装置を配置する。
【０００５】
上記によると、プローブ電子線と反射電子検出装置の干渉が避けられ、反射電子検出装置の制約が大幅に緩和される。反射電子のエネルギーによって分光する装置を配置することもできる。また、反射電子と二次電子ではエネルギーレベルが相違することから、電磁場発生装置によって曲げられる角度が相違し、反射電子は反射電子検出装置に到達し、二次電子は反射電子検出装置に到達しない関係を得ることもできる。
【０００６】
プローブ電子線に、スピン偏極電子線（スピン方向が偏在している電子線）を利用することができる。この場合スピンＳＥＭが得られる。
現状で利用可能なスピンＳＥＭは、二次電子のスピン方向を検出する。プローブ電子線のスピン方向は、二次電子のスピン方向に保存されない。そこで現状で利用可能なスピンＳＥＭは、スピン方向が偏極していないプローブ電子線を用い、その無偏極プローブ電子線が試料に衝突することで発生する二次原子のスピン方向を検出する。現状のスピンＳＥＭは、スピン方向が偏極しているプローブ電子線の反射を検出するものでない。プローブ電子線のスピン方向と試料との関係が検出できれば、試料に関する研究がさらに進む。また、現状で利用可能なスピンＳＥＭは、二次電子のスピン方向を検出する。スピン方向を検出するためには大型の検出装置を利用して長時間の検出を継続する必要がある。それに対して、プローブ電子線のスピン方向を制御する技術によると、反射電子のスピン方向を検出する必要がなくなり、検出装置を小型化することができ、検出時間を短時間化することが可能となる。特許第５６２６６９４号に、スピン方向が偏在している電子線を発生させるとともに、そのスピン方向を反転させることが可能な電子線源が開示されており、それをプローブ電子線の発生装置に利用することができる。プローブ電子線のスピン方向を反転させ、検出結果の差分を求めることで、コントラストの高い検出結果を得ることができる。
【０００７】
反射電子に電場と磁場を加えて屈曲させる場合、プローブ電子線にも電場と磁場が加えられる。磁場によってプローブ電子線のスピン方向が変化する。その影響を避けるためには、走査装置に磁場を利用するタイプを採用し、走査装置がプローブ電子線のスピン方向に与える影響と、電磁場発生装置がプローブ電子線のスピン方向に与える影響が相殺する関係とすることが好ましい。この場合、反射電子に電場と磁場を加えて屈曲させる際に反射電子のスピン方向が変化するが、反射電子のスピン方向は観測しないために問題とならない。
【０００８】
プローブ電子線にスピン偏極電子線を利用する装置は、反射電子以外の物理現象を検出するのに流用することができる。例えば試料に電子線を照射することで生じる発光現象を検出する技術（逆光電子分光）が知られている。本明細書に開示する装置を利用すると、試料にスピン偏極電子線を照射することで生じる発光現象を検出することが可能となる。その場合、反射電子を検出する必要がないことから、反射電子に電場も磁場を加える必要がない。そのような利用方法が想定される場合には、プローブ電子線の走査装置に磁場を利用しないタイプを採用することが好ましい。磁場を利用しなければ、走査装置がスピン方向に影響することを防止でき、試料とスピン方向の関係を調整しやすくなる。
【発明の効果】
【０００９】
磁気記録材料の技術分野では、高密度化の進行とともに磁区サイズが小型化している。本明細書に開示されている走査電子顕微鏡によると、ナノメータの分解能で磁区構造等を観察することが可能となる。磁気記録材料の開発促進に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１の電子顕微鏡の構成を示す図。
【図２】実施例２の電子顕微鏡の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に説明する実施例の技術的特徴を列記する。
（特徴１）励起光で励起した状態の試料を観測する。
（特徴２）パルス状のプローブ電子線を利用する。
【実施例】
【００１２】
（実施例１）
図１は、実施例１の走査電子顕微鏡２２の構成を模式的に示している。この走査電子顕微鏡２２は、スピン偏極電子線を発生させるプローブ電子線発生装置２と、プローブ電子線に電場や磁場を加えてプローブ電子線の進行方向を回転させるプローブ電子線の進行方向回転装置４と、プローブ電子線を収束する集束レンズ６と、プローブ電子線の進行方向を曲げて試料１２上におけるプローブ電子線の照射位置をｘ−ｙ方向に走査する走査装置８と、プローブ電子線２０と反射電子線１８に電場と磁場の双方を加える電磁場発生装置１４と、対物レンズ１０と、試料１２を保持する装置と、電磁場発生装置１４によって進行方向が回転した（曲げられた）反射電子線１８を検出する反射電子検出装置１６を備えている。電磁場発生装置１４が加える電場と磁場の方位と強度は、試料１２に向かって進行するプローブ電子線２０に対しては、「電場が電子に加える力と磁場が電子に加える力が相殺する」関係を満たし、試料１２から離れる向きに進行する反射電子線１８に対しては、「電場が電子に加える力と磁場が電子に加える力が相乗して加わる」関係となるように選定されている。プローブ電子線２０は直進し、反射電子線１８は電場と磁場によって曲げられる。反射電子検出装置１６は、電磁場発生装置１４によって進行方向が回転した反射電子線１８の進行路上に置かれており、試料１２で反射された反射電子線１８を検出する。反射電子検出装置１６は、プローブ電子線２０と干渉しない位置にある。
【００１３】
プローブ電子線の発生装置２の詳細は、特許第５６２６６９４号に開示されている。プローブ電子線の発生装置２は、スピン偏極電子線をパルス状に（すなわち間欠的に）発生する。ここでいうスピン偏極電子線は、アップスピンの電子数とダウンスピンの電子数を比較したときに、一方が他方を大きく優越しており、電子のスピン方向が偏在している電子線のことをいう。プローブ電子線の発生装置２は、パルスごとに、アップスピン電子が優越している状態と、ダウンスピン電子が優越している状態を反転させることができる。ここでいうアップスピンは、スピンがプローブ電子線の進行方向（＋ｘ方向）を向いていることをいい。ダウンスピンは、スピンがプローブ電子の反進行方向（-ｘ方向）を向いていることをいう。プローブ電子線は、ｘ―ｙ平面内のスピンをもっている。
【００１４】
プローブ電子線の進行方向回転装置４の詳細も、特許第５６２６６９４号に開示されている。進行方向回転装置４は、電子に電場と磁場を加え、電子の進行方向を回転させる。図１の場合、ｘ方向に向かう電子の進行方向を回転させてｚ方向に進行させる。原則として、進行方向回転装置４は電子のスピン方向を変化させない。進行方向回転装置４を通過してｚ方向に進行するプローブ電子は、パルスによって、＋ｘ方向のスピンをもつアップスピン電子か、-ｘ方向のスピンをもつダウンスピン電子をもっている。電子の移動速度が低速であれば、電子に電場を加えてもスピン方向は回転しないが、相対論が無視できないほどの高速度で電子が移動する場合には、電場もスピン方向に影響する。電場と磁場の強度を独立に調整することで、電子線の進行方向の回転角とスピン方向の回転角を独立に調整することができる。進行方向は回転し、スピン方向は回転しない関係を実現することもできる。
【００１５】
集束レンズ６の詳細も、特許第５６２６６９４号に開示されている。集束レンズ６は、ｘ−ｙ面内においてスピン方向を回転させる能力を持ち、試料１２を観測する最適なスピン方向に回転させることができる。アップスピン電子による検出結果とダウンスピン電子による検出結果の差異が大きくなって鮮明なコントラストが得られるスピン方向に回転させることができる。
【００１６】
走査装置８は、プローブ電子線の進行方向を曲げて試料１２上におけるプローブ電子線の照射位置をｘ−ｙ方向に走査する。
【００１７】
電磁場発生装置１４は、電場と磁場の両方を発生する。磁場が電子に加える力は、電子の進行方向によって変化する。電磁場発生装置１４は、試料１２に向かって進行するプローブ電子線２０に対して、電場が電子に加える力と磁場が電子に加える力が相殺する関係を満たす方位と強度に調整されている電場と磁場を加える。その場合、試料１２から離れる向きに進行する反射電子線１８には、電場が電子に加える力と磁場が電子に加える力が相乗して加わる関係となる。プローブ電子線２０は電磁場発生装置１４中を直進し、反射電子線１８は電磁場発生装置１４によって進行方向が回転する。
【００１８】
電磁場発生装置１４によって試料から離れる向きに進行する電子線の進行方向が回転するが、進行方向の回転角は電子のエネルギー（電子の速度）によって変化する。反射電子検出装置１６は、電磁場発生装置１４によって進行方向が回転した反射電子線の進行路上に配置されている。反射電子線とは異なるエネルギーを持つ二次電子線は、反射電子検出装置１６に到達しない。図１の走査電子顕微鏡２２によると、二次電子ではなく、反射電子のみを検出することができる。
【００１９】
電磁場発生装置１４は、電子線に磁場を加えることによってスピン方向を回転させる。本装置の場合、反射電子検出装置１６はスピン方向に依らないことから、電磁場発生装置１４が反射電子線１８のスピン方向を回転させることは問題とならない。
しかしながら、電磁場発生装置１４がプローブ電子線のスピン方向を回転させると、試料とスピン方向の関係に影響してしまう。本実施例では、走査装置８によってプローブ電子線のスピン方向が回転し、電磁場発生装置１４によってプローブ電子線のスピン方向が回転する。両者が打ち消される関係としている。試料とプローブ電子線のスピン方向の関係が、意図した関係からずれ難くしている。
【００２０】
反射電子検出装置１６は、反射電子線の空間的密度分布を計測する。アップスピンによる空間的密度分布と、ダウンスピンによる空間的密度分布の差を検出することができる。差をとることでコントラストの高い分布を得ることができる。空間的密度分布をフーリエ変換することによって、試料表面の情報を細かな分解能（１ｎｍ以下）で知ることが可能となる。スピン偏極電子線の反射率は、試料表面の磁化方向に依存して変化する。試料表面の磁区の分布を細かな分解能で知ることが可能となる。
【００２１】
特許第５６２６６９４号に開示されているように、パルス状プローブ電子線２０は、パルス状レーザー光に励起されて発生する。そのパルス状レーザー光の一部が試料１２を照射する関係とすることもできる。この場合、レーザー光によって励起されている状態の試料を観測することが可能となる。またロックインアンプを同様にして、ＳＮ比を下げることもできる。短時間で試料を観測することが可能となる。
【００２２】
（実施例２）
図２に示すように、実施例２では、反射電子検出装置として、電子のエネルギーによって分光する分光装置１６ａを用いる。分光装置１６ａには、国際公表ＷＯ２０１４／１０４０２２号公報に開示されている分光装置が利用可能であり、反射電子が分光装置に入射する角（入射位置）と電子のエネルギーによって分光する。これによって、試料とスピン偏極電子の相互作用をより深く観測することが可能となる。
【００２３】
図１あるいは図２に示した走査電子顕微鏡は、スピン偏極電子をプローブ電子線として試料に照射する。その機能を利用して逆光電子効果を検出することができる。この場合は試料の表面の発光現象を検出できる光検出装置を利用する。光検出装置による逆光電子現象の観測と、反射電子検出装置１６，１６ａによる反射原子の観測を同時に実施してもよい。逆光電子現象を観測する場合には、電磁場発生装置１４によって電場と磁場を発生させる必要はない。図１と図２の電子顕微鏡に光検出装置を組み込むことによって逆光電子現象の観測が可能となる。スピン偏極電子線と試料が相互作用して発光する現象を観測することによって、試料の理解がより深まるものと期待できる。
【００２４】
プローブ電子線に対して試料を大きく傾斜させると（入射角を浅くすると）、電子が走査装置から離れる側に反射する関係を得ることができる。その関係を利用してプローブ電子線と反射電子検出装置の干渉を避けることが可能である。その場合、スピン偏極電子をプローブ電子線とすることも可能である。この技術によってスピンＳＥＭを実現することも可能であるが、本明細書に記載したように、試料から走査装置の側に向かう反射電子を検出する方が有利である。試料に対するプローブ電子線の入射角が大きいと（９０°に近いと）、分解能が細かくなり、表面が傾斜している試料を観測しやすい。
【００２５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２６】
２：スピン偏極電子線発生装置（プローブ電子線発生装置）
４：プローブ電子線の進行方向回転装置
６：集束レンズ
８：走査装置
１０：対物レンズ
１２：試料
１４：電磁場発生装置
１６：反射電子検出装置
１６ａ：反射電子分光装置
１８：反射電子線
２０：プローブ電子線
【図１】
0006516327.tif 000002
【図２】
0006516327.tif 000003