(57)【要約】  本願のスピン検出器は被測定電子（１０１）の光軸周辺に配置された複数個のＶＬＥＥＤ検出器（１０４）を備える。各ＶＬＥＥＤ検出器には、被測定電子の進行方向からみて、順に低くなるように電圧が印加される。被測定電子はＶＬＥＥＤ検出器の列を通過するにつれて、そのエネルギーが低くなり、順次ＶＬＥＥＤ検出器に取り込まれる。  これにより、エネルギーアクセプタンスの狭いスピン検出器であるＶＬＥＥＤ検出器を用いて、エネルギー分散が例えば０−２０Ｖ程度の二次電子が持つスピン偏極度を高効率で検出することができる。
2015029201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピンを持つ荷電粒子を検出する荷電粒子線装置に用いられるスピン検出器であって、  前記荷電粒子線装置が試料に荷電粒子を照射することにより発生し、２次光学系によって搬送された２次荷電粒子を検出する、前記試料から近い順に配置された第１及び第２の検出器、を有し、
前記第１及び第２の検出器は、入射する被測定荷電粒子のスピンの向きによって反射率が変化する検出器であり、
前記第１検出器に印加される電位の絶対値は、前記第２検出器に印加される電位の絶対値よりも低いことを特徴とするスピン検出器。
【請求項２】
請求項１に記載のスピン検出器であって、
前記荷電粒子線装置が試料に荷電粒子を照射することにより発生し、２次光学系によって搬送された２次荷電粒子を検出し、かつ前記試料からみて前記第２の検出器よりも遠い順に配置された第３の検出器を有し、
前記第３の検出器は、入射する被測定荷電粒子のスピンの向きによって反射率が変化する検出器であり、
前記第３検出器に印加される電位の絶対値は、前記第２検出器に印加される電位の絶対値よりも高いことを特徴とするスピン検出器。
【請求項３】
請求項１に記載のスピン検出器であって、
前記第１及び第２の検出器は、それぞれ複数個の検出器から構成されることを特徴とするスピン検出器。
【請求項４】
請求項１に記載のスピン検出器であって、
前記第１及び第２の検出器は、被測定荷電粒子の軌道に平行方向から、前記被測定荷電粒子の入射方向に傾斜していることを特徴とするスピン検出器。
【請求項５】
請求項１に記載のスピン検出器であって、
前記第１及び第２の検出器は鉄の単結晶であることを特徴とするスピン検出器。
【請求項６】
請求項１に記載のスピン検出器であって、
前記第１及び第２の検出器は磁性体を含む多層膜より構成されることを特徴とするスピン検出器。
【請求項７】
請求項１に記載のスピン検出器において、
前記第１及び第２の検出器に前記荷電粒子が入射する前に、前記荷電粒子のスピンの向きを回転させる第一スピン回転器を有することを特徴とするスピン検出器。
【請求項８】
請求項７に記載のスピン検出器であって、
前記第１及び第２の検出器に前記電子線が入射する前に、前記荷電粒子線のスピンの向きを回転させる第二スピン回転器が、前記第一スピン回転器と直列に２つ配置されていることを特徴とするスピン検出器。
【請求項９】
請求項８に記載のスピン検出器において、
前記荷電粒子線のスピンの向きを回転させる第一および第二スピン回転器が、電場と磁場を直交させる機構を持つウィーンフィルタタイプのものを少なくとも一つ含むことを特徴とするスピン検出器。
【請求項１０】
スピンを持つ荷電粒子を検出する荷電粒子線装置であって、
試料に荷電粒子を照射する照射光学系と、
前記試料から発生する２次荷電粒子を搬送する２次光学系と、
前記試料から近い順に配置された第１及び第２の検出器と、を有し、
前記第１及び第２の検出器は、入射荷電粒子のスピンの向きによって反射率が変化する検出器であり、
前記第１検出器に印加される電位の絶対値は、前記第２検出器に印加される電位の絶対値よりも低いことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の荷電粒子線装置であって、
前記試料からみて前記第２の検出器よりも遠い順に配置された第３の検出器を有し、
前記第３の検出器は、入射する被測定荷電粒子のスピンの向きによって反射率が変化する検出器であり、
前記第３検出器に印加される電位の絶対値は、前記第２検出器に印加される電位の絶対値よりも高いことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の荷電粒子線装置であって、
前記２次光学系を通過した荷電粒子の電子スピンの向きに変化を与えるスピン回転器を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１３】
スピンを持つ荷電粒子を検出する光電子分光装置であって、
試料にX線を照射する照射光学系と、
前記試料から発生する光電子束を搬送する２次光学系と、
前記試料から近い順に配置された第１及び第２の検出器と、を有し、
前記第１及び第２の検出器は、入射光電子のスピンの向きによって反射率が変化する検出器であり、
前記第１検出器に印加される電位の絶対値は、前記第２検出器に印加される電位の絶対値よりも低いことを特徴とする光電子分光装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の光電子分光装置であって、
前記試料からみて前記第２の検出器よりも遠い順に配置された第３の検出器を有し、
前記第３の検出器は、入射する被測定荷電粒子のスピンの向きによって反射率が変化する検出器であり、
前記第３検出器に印加される電位の絶対値は、前記第２検出器に印加される電位の絶対値よりも高いことを特徴とする光電子分光装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の光電子分光装置であって、
前記２次光学系を通過した光電子の電子スピンの向きに変化を与えるスピン回転器を有することを特徴とする光電子分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子のスピンを検出する検出器、装置または分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、真空チャンバ内で動作し、荷電粒子(電子)の個々のスピンを検出する分析装置に関する。例えば、スピン偏極走査電子顕微鏡（スピンSEM）やスピン分解光電子分光装置に用いられている電子線のスピン検出器として、モット検出器が知られているが、これは感度が電子検出器より４桁程度低い。そのため、その効率向上を目指してモット検出器の構造を工夫した研究が様々な研究所で進められている。しかし、現状ではせいぜい数倍程度の向上にとどまっており、今後も飛躍的な向上はのぞめそうもない。【０００３】
また、全く別のタイプのスピン検出器として、強磁性体にスピン偏極電子線を照射し、その際強磁性体に吸収される電流が入射電子線のスピン偏極度に依存する現象を利用した検出器が提案されており、VLEED (Very-Low-Energy Electorn Diffraction)検出器と呼ばれている（例えば、非特許文献１）。【０００４】
その原理は、強磁性体のもつ電子バンド構造が電子スピンの向きによって違っており、そのバンドに取り込まれる確率が電子のスピンの向きで異なることに由来する。つまりあるエネルギーのバンドに関しては、片方の向きのスピンを持つ電子準位だけが存在するので、その向きのスピンを持つ電子は強磁性体に吸収されるが、反対のスピンを持つ電子は殆どが反射される。このような電子バンド構造のスピン方向依存性を利用したVLEED検出器は、従来から使われているモット検出器よりも2桁程度効率がよく、しかも小型で安価に製作できる。特にスピン分解光電子分光の分野ではよく使われている。【０００５】
実際に使われているVLEED検出器は、鉄の単結晶(001)面を酸素終端したものが多く使われている。また、表面の清浄度は極めて重要で、数日使用した場合は、アニール等の清浄化処理が必要となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Taichi Okuda, Yasuo Takeichi, Yuuki Maeda, Ayumi Harasawa, Iwao Matsuda, Toyohiko Kinoshita and Akito Kakizaki Rev. Sci. Instrum.79, 123117(2008).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本願が解決しようとする問題点を以下に記載する。VLEED検出器の場合、ターゲットに衝突する電子のエネルギーは厳密に規定されており、例えば非特許文献１に記述されているようなVLEED検出器では6V±1V程度の範囲に収めなくてはいけない。しかしながら、例えばスピンSEM等で解析するスピン偏極電子は、試料から放出される2次電子なので、0-20eV程度の分布を持っており、この状態ではVLEED検出器で測定してもその効率の良さを発揮することができない。【０００８】
従って現状では、VLEED検出器を用いたスピン偏極度検出は、充分な量の電子線を測定できるほどのアクセプタンスがなく、限られた条件の電子線にしか適用できない状況である。それ故、まだモット検出器を置き換えるようなスピン検出器には至っていない。【０００９】
そこで、本願発明の目的は、2次電子のようなエネルギー分散の大きい電子束に対しても、VLEED検出器を適用可能にすることである。これにより、エネルギー分散が大きい電子束が持つスピンを高効率で分解でき、また100kVレベルに電子線を加速する必要がない小型で安価に製作できる電子スピン検出器を提供することが可能になる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本願発明のスピン検出器は、スピンを持つ荷電粒子を検出する荷電粒子線装置に用いられるスピン検出器であって、前記荷電粒子線装置が試料に荷電粒子を照射することにより発生し、２次光学系によって搬送された２次荷電粒子を検出する、前記試料から近い順に配置された第１及び第２の検出器、を有し、前記第１及び第２の検出器は、入射する被測定荷電粒子のスピンの向きによって反射率が変化する検出器であり、前記第１検出器に印加される電位の絶対値は、前記第２検出器に印加される電位の絶対値よりも低いことを特徴とする。【００１１】
また、本願発明の荷電粒子線装置は、スピンを持つ荷電粒子を検出する荷電粒子線装置であって、試料に荷電粒子を照射する照射光学系と、前記試料から発生する２次荷電粒子を搬送する２次光学系と、前記試料から近い順に配置された第１及び第２の検出器と、を有し、前記第１及び第２の検出器は、入射荷電粒子のスピンの向きによって反射率が変化する検出器であり、前記第１検出器に印加される電位の絶対値は、前記第２検出器に印加される電位の絶対値よりも低いことを特徴とする。【００１２】
また、本願発明の光電子分光装置は、スピンを持つ荷電粒子を検出する光電子分光装置であって、試料にX線を照射する照射光学系と、前記試料から発生する光電子束を搬送する２次光学系と、前記試料から近い順に配置された第１及び第２の検出器と、を有し、前記第１及び第２の検出器は、入射光電子のスピンの向きによって反射率が変化する検出器であり、前記第１検出器に印加される電位の絶対値は、前記第２検出器に印加される電位の絶対値よりも低いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電子が持つスピンを高効率に検出できる検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のスピン検出器におけるVLEED検出器と減速レンズの配置例を示す図である。
【図２】本発明のスピン検出器におけるVLEED検出器と減速レンズの配置例を示す図である。
【図３】本発明のスピン検出器におけるVLEED検出器と減速レンズの配置例を示す図である。２つのスピン回転器と組み合わせている。
【図４】本発明のスピン検出器をスピン偏極走査型電子顕微鏡に応用した構成の例を示す図である。
【図５】本発明のスピン検出器を走査型イオン電子顕微鏡に応用した構成の例を示す図である。
【図６】本発明の電子スピン検出器をスピン分解光電子分光装置に応用した構成の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明においては、エネルギー分解した被測定電子を複数のVLEED検出器に入射させてスピン偏極度の測定をすることを考えた。複数のVLEED検出器を電子線の入射方向からみて順に配置していく。そして、各VLEED検出器に電圧を印加し、その電圧は、電子の入射方向から順に低く（マイナス方向に絶対値が大きく）なるようにする。この場合、被測定電子は順に並んだVLEED検出器の列を過ぎるたびに等電位面を横切り、電子から見ると位置エネルギーが高い方向へ進んでいき、その分速度を落としていく。
【００１６】
そして、速度を落とした電子は直進性を失い、軌道からそれていく傾向を持つ。この場合、元々のエネルギーが低い電子から順に大きく軌道からそれてゆき、被測定電子軌道の近傍に配置していたVLEED検出器に入射させるようにする。このVLEED検出器に入射するくらい軌道がそれるエネルギー（例えば6V程度）に設定しておけば、VLEED検出器で入射してきた電子のスピン偏極度測定が効率よくできる。この場合、被測定電子束のエネルギー分散が大きいほど、多数のVLEED検出器を用いて構成する。
【００１７】
なお、以下の本特許では、”VLEED検出器”は鉄単結晶板などの素子固体を示し、それの集合体として組みあがった集合体を”スピン検出器”と呼ぶことにする。
【００１８】
本発明では、VLEED検出器のようなエネルギーアクセプタンスの狭いスピン検出素子をアレイ状に配置することにより、エネルギー分散の大きな電子線束の持つスピンを高効率で分解する検出器を提供する。また100kVレベルに電子線を加速する必要がない小型で安価に製作できる電子スピン検出器を提供することができる。
【００１９】
図１に、VLEED検出器を本発明のスピン検出器として用いるように配置した実施例を示す。被測定電子線101は左側から、電子を一定の場所へと移動させる搬送光学系102により特定のエネルギ状態（例えば10kVレベル）で搬送されてくる。この場合電子線の搬送効率を上げるためには電子線を細く絞る必要があり、加速電圧はある程度高くなる必要がある。
【００２０】
しかしVLEED検出器104でスピンの向きを検出する際には電子線のエネルギーを数V程度まで低くしなくてはいけないので、スピン検出器へ入射する直前に減速レンズ105を配置している。ここで被測定電子線101は減速させられた後、右側のVLEED検出器104が並んで配置される部分へ進んでいく。VLEED検出器には、さらに被測定電子線101を減速させるように電位を印加し、このため等電位線103は図中のように湾曲し、それにより電子線の開き角は大きく、ビーム径は広がり、特にエネルギーの低い電子は光軸からそれていく。
【００２１】
そして、電子の軌道が逸れるエネルギーとして、VLEED検出器104にとって検出効率が高い電圧（例えば6V）に設定し、そのエネルギーで光軸横に設置しているVLEED検出器に入射するようにする。この場合、電子が垂直に近い角度で入射できるように、VLEED検出器104を傾斜させておくこともさらに有効である。軌道がそれずに直進していく被測定電子線101は、図１において矢印に示すように右側に進んでいく。
【００２２】
ここで、周辺に配置してあるVLEED検出器104には図１において右へ行くほど低い電位にしているため、被測定電子線101のエネルギーは右へ進むほど低くなる。そして、順次エネルギーが低くなった段階(6V程度)で、光軸よりそれていき、光軸横に配置しているVLEED検出器に入射し、そのスピン偏極度が測定される。
【００２３】
VLEED検出器が高感度を維持できるのは電子のエネルギー幅に依存する(ここでは2eV程度)。なので、例えばエネルギー幅が0-20eVの2次電子を解析するためには、2eV程度のエネルギー幅を持つVLEED検出器を10段程度配列すれば、殆どの2次電子のスピン偏極度を効率よく検出することができる。
【００２４】
また、本例ではVLEED検出器を配列させる場合に関して述べたか、エネルギーアクセプタンスの小さい多層膜磁気抵抗素子なども、本実施例と同様の体系で高効率スピン検出器として実施することができる。また、図１では1枚の板として記述されているVLEED検出器を、電子の取り込み易さを考慮して、複数枚のVLEED検出器から構成し、例えば円弧状に配置することも可能である。
【００２５】
図２に、VLEED検出器204を本発明のスピン検出器として用いるように配置した別の実施例を示す。ここでは、VLEED検出器204を電子軌道に対称な位置に配置するのではなく、片側には電子軌道方向に伸びている電極206を配置し、その対向する位置にVLEED検出器204を配置している。従って被測定電子線201が通過する部分の等電位面は、被測定電子線201の軌道に対して非対称になる。VLEED検出器204には、図１と同様に、右へ行くほど低い電位にしており、電極206には最終段のVLEED検出器204と同じ或いは低い電位を印加している。
【００２６】
この場合、被測定電子線201はエネルギー幅を持った電子線束であるが、そのエネルギーは右へ進むほど低くなり、例えばVLEED検出器204が効率よく電子スピンを検出できる6Vまでエネルギーが低くなった電子から順に、軌道が光軸から大きくずれて、光軸横に配置しているVLEED検出器204に入射し、スピン偏極度測定が行われる。本実施例では、図１のものと比べると、VLEED検出器204の数が少なくて済む利点がある。
【００２７】
図３は本発明の別の実施例である。前述した手法では、VLEED検出器304を構成している材料の持つスピン分極方向306のスピンしか分解できない。本発明による電子スピン検出器で他の方向のスピンを分解するためには、入射する前に検出不可能方向のスピンを検出可能方向に回転させる必要がある。このような役目を果たせるスピン回転器を１つ或いは２つ(302や303)、本発明によるスピン検出器の前に配置することにより、他の方向のスピンも検出できる。
【００２８】
スピン回転器としては、電場と磁場がお互いと電子軌道に直交したウィーンフィルタと呼ばれるエネルギー分析器と同様の構造をしたものや、ソレノイドコイルなどが考えられる。そして、ウィーンフィルタタイプのもの２つ、或いはウィーンフィルタタイプとソレノイドタイプとの組み合わせにより、どのような方向を向いている電子スピンでも、本発明によるスピン検出器で検出できる方向に向かせることができる。
【００２９】
例えば、スピン回転器を全く動作させない場合では図3において紙面垂直のスピン成分を検出できる。また図3に示す実施例では、紙面横方向のスピン成分を検出している。この他に、電子スピンを図３において紙面垂直方向を回転軸に９０度回転させれば、紙面上下方向のスピン成分を検出できる。以上の３方向のスピンを検出することにより、電子がもつスピンの向きを３次元的に決定することができる。
【００３０】
図4に本発明における電子スピン検出器を搭載したスピン偏極走査電子顕微鏡の実施例を示す。スピン偏極走査電子顕微鏡とは、磁性体試料から放出された２次電子の持つスピン偏極度をマッピングすることにより磁区像を得る装置で、例えば特許文献１（特開昭60-177539）等でその概要は公開されている。
【００３１】
電子銃401から放出された１次電子線402は試料ステージ403にセットされている試料404に照射される。ここまでは通常のSEMと同じであるが、スピン偏極走査電子顕微鏡では試料近辺に２次電子収集光学系405を配置し、極力多くの２次電子406を搬送し、それらのスピンを分解する必要がある。そのため、２次電子406を搬送する２次電子搬送光学系407を配置し、それら光学系のレンズ特性を調節しながらスピン検出系に搬送しなくてはいけない。２次電子収集光学系405並びに２次電子搬送光学系407の各電子レンズに印加するべき電圧の一例を図に示している。
【００３２】
２次電子406はその後スピン回転器408に到達し、検出したい電子スピンの成分を電子スピン検出器409で検出可能な方向に回転させた後、電子スピン検出器409へ搬送される。スピン回転器408は前述のように２つ搭載すると、どの方向のスピンも検出可能方向に向けてやることができる。スピン検出器409からの信号は信号処理システム410に入って、画像処理システム411で磁区像が作成される。この画像処理システム412は、スピン回転器も制御し、どの方向のスピンを画像化するかを選択できるようにしておく。
【００３３】
またこの画像処理システム411は、電子銃401を制御する電子線コントローラー412にも繋がっており、１次電子線402の試料上の位置と信号処理システム410からの信号を融合させて磁区像を作り出している。尚、１次電子線402や試料ステージ403、試料404、2次電子406、2次電子収集光学系405、２次電子搬送光学系407、スピン回転器408、スピン検出器409を覆っている真空チャンバは本図では省略している。上記のスピン偏極走査電子顕微鏡は既に報告されている技術ではあるが、本発明によるスピン検出器409を搭載することにより、従来よりも格段にS/Nの良いデータを得ることができ、また短時間での大量のデータ取得が可能となる。
【００３４】
次に、図５には、本発明によるスピン検出器を搭載したイオン顕微鏡の実施例を示す。ここでは試料周辺の図しか示していないが、基本的には図４のスピン偏極走査電子顕微鏡と同じであり、荷電粒子の発生源である荷電粒子源やビームを試料に照射する光学系、照射により試料から発生した２次電子もしくは反射電子の検出系などを有する。しかし、試料からの２次電子をイオン照射で作り出しているため、高い２次電子イールドが期待でき、スピン検出器の高効率と合わせることで、極めて高いS/Nの撮影が可能である。
【００３５】
図6に本発明おけるスピン検出器を搭載した光電子分光装置の実施例を示す。光源601より放出された電磁波604は、集光光学602を経た後、超高真空チャンバ603内にセットされている試料605に照射される。それにより励起された光電子は電子レンズ606を経た後、スピン検出器608に入射する。ここでスピン検出器は、電子が描く円弧の外側にVLEED検出器614とその直前の減速レンズ613の組を多数配列させたものとして表示している。電子を電場により円弧運動させる際、エネルギーの大きい電子ほど外側の軌道をとる。
【００３６】
そのような性質を利用し、様々なエネルギーを持つ光電子束において、エネルギーの大きな電子から順に、円弧軌道から外周方向に逸らし、充分それた状態で減速レンズを通し、エネルギーを例えば6Vに調節してからVLEED検出器614に入射させ、スピン偏極度を検出する。そして各VLEED検出器で吸収した電子量を、信号として信号処理システム609やシステム制御用コンピュータ610を経て、データ保存部612に保存される。
【００３７】
またシステム制御用コンピュータ610は光源制御部もコントロールしている。この方式はスピン分解光電子分光として知られている手法であるが、スピン検出器608として従来はモット検出器を使っており、その感度は充分ではなかった。VLEED検出器も使われているが、鉄の単結晶1枚だけである。VLEED検出器を複数枚用いる本発明によるスピン検出器608を搭載することにより、従来よりも格段にS/Nの良いデータ、あるいは短時間での大量のデータ取得が可能となる。
【符号の説明】
【００３８】
100…被測定電子線進行方向、101…電子線、102…搬送光学系、103…等電位線、104…磁気抵抗素子、105…減速レンズ、
200…被測定電子線進行方向、201…電子線、202…搬送光学系、203…等電位線、204…磁気抵抗素子、205…減速レンズ、
301…電子線、302…スピン回転器、303…スピン回転器、304…磁気抵抗素子、305…減速レンズ、
401…電子銃、402…1次電子線、403…試料ステージ404…試料、405…2次電子収集光学系、406…2次電子、407…2次電子搬送光学系、408…スピン回転器、409…スピン検出器、410…信号処理システム、411…画像処理システム、412…電子線コントローラー
501…イオンビーム、502…試料、503…2次電子、504…スピン検出器、
601…光源、602…集光光学系、603…超高真空チャンバ、604…電磁波、605…試料、606…電子レンズ、607…エネルギー分析器、608…電子スピン検出器、609…信号処理システム、610…システム制御用コンピュータ、611…光源制御部、612…データ保存部、613…減速レンズ、614…データ保存部、
【図１】
2015029201.tif 000003
【図２】
2015029201.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015029201.tif 000006
【図５】
2015029201.tif 000007
【図６】
2015029201.tif 000008
【国際調査報告】
2015029201.tif 000009
2015029201.tif 000010
2015029201.tif 000011
2015029201.tif 000012