(57)【要約】      （修正有）【課題】スピン偏極走査電子顕微鏡において、２次電子収集効率やスピン偏極度を維持しながら、試料に１ｋＯｅレベル以上の高磁場を印加しながら測定できる装置を提供する。【解決手段】電子銃から出射される１次電子線を磁性体試料２０２に照射する照射光学系と、試料を載置する試料載置手段と、１次電子線の照射により試料から放出される２次電子を搬送する搬送光学系と、搬送された２次電子のスピン偏極度を信号として検出するスピン検出器とを有し、スピン偏極度にかかる信号をもとに試料の磁区像を観察するスピン偏極走査電子顕微鏡において、試料載置手段は、試料に磁界を印加する磁場印加機構２０３、２０６、２０７を有し、該磁場印加機構は、１次電子線および２次電子２１０が通過する開口部を備えた磁気シールド部材２０３を有し、該磁気シールド部材を試料の電子銃側表面に配置して、試料面上の浮遊磁界を封じるようにしたことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子銃から出射される１次電子線を磁性体試料に照射する照射光学系と、前記試料を載置する試料載置手段と、前記１次電子線の照射により前記試料から放出される２次電子を搬送する搬送光学系と、搬送された前記２次電子のスピン偏極度を信号として検出するスピン検出器とを有し、前記スピン偏極度にかかる信号をもとに前記試料の磁区像を観察するスピン偏極走査電子顕微鏡において、
前記試料載置手段は、前記試料に磁界を印加する磁場印加機構を有し、
該磁場印加機構は、前記１次電子線および前記２次電子が通過する開口部を備えた磁気シールド部材を有し、該磁気シールド部材を前記試料の電子銃側表面に配置して、前記試料面上の浮遊磁界を封じるようにしたことを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁場印加機構は、試料面垂直方向磁場印加用磁極を有し、前記試料への印加磁界が、前記試料表面において試料面垂直方向になるようにしたことを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項１に記載のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁場印加機構は、試料面内方向磁場印加用磁極を有し、前記試料への印加磁界が、前記試料表面において試料面平行方向になるようにしたことを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項１に記載のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁場印加機構は、試料面垂直方向磁場印加用磁極と試料面内方向磁場印加用磁極とを有し、前記試料面垂直方向磁場印加用磁極および前記試料面内方向磁場印加用磁極の少なくとも一磁極により、磁場印加方向を制御するようにしたことを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項１に記載のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁場印加機構は、複数の磁極を有し、該複数の磁極を励磁することにより、前記試料への印加磁界を任意の方向に向けられるようにしたことを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項１に記載のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記試料載置手段は、試料ホルダーまたは試料ステージであることを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項６に記載のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記試料ホルダーもしくは前記磁気シールド部材は、磁場センサを有することを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項８】
請求項６に記載のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記試料ホルダーもしくは前記磁気シールド部材は、複数の磁場センサを有し、前記試料上の観察領域に於ける磁場強度を前記複数の磁場センサからのデータより求めることを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項９】
請求項７又は８に記載のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁場センサが、ホール素子であることを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項１０】
請求項１に記載のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁気シールド部材が有する開口部は、１辺０.５ｍｍ以上６ｍｍ以下の四角形あるいは直径０.５ｍｍ以上６ｍｍ以下の円形であることを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項１１】
請求項１０に記載のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁気シールド部材の板厚が０.１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項１２】
請求項１に記載のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁気シールド部材が、真空比透磁率１００以上の軟磁性体からなることを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項１３】
請求項４に記載のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁場印加機構は、前記試料面垂直方向磁場印加用磁極と前記試料面内方向磁場印加用磁極とのうち少なくとも一磁極を搭載する回転ステージとを有し、磁場印加方向を磁極の回転により制御できることを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１に記載のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁場印加機構は、前記試料に磁場を印加する磁極を３個以上有し、それらの励磁を調節することによって、試料印加磁場方向、および磁場を印加する試料位置を制御できることを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項１５】
請求項１に記載のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁気シールド部材の、電子銃側の直上に磁極を挿入し、該磁極が、前記磁気シールド部材と共働して前記試料面上の浮遊磁界を消去することを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項１６】
請求項２乃至５に記載のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁気シールド部材の開口部の大きさが、前記磁極各々の上面の面積よりも小さいことを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項１７】
請求項１に記載のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁気シールド部材の開口部は、前記１次電子線の照射領域を含むことを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項１８】
請求項１４に記載のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁気シールド部材は、前記複数の磁極の各々に対応して開口部を有することを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【請求項１９】
電子銃より出射される１次電子線を磁性体試料に照射する照射光学系と、前記試料を載置する試料ホルダーと、前記１次電子線の照射により前記試料から放出される２次電子を収集し搬送する搬送光学系と、搬送された前記２次電子のスピン偏極度を信号として検出するスピン検出器と、前記スピン偏極度にかかる信号をもとに前記試料の磁区像を測定する手段とを有し、
前記試料ホルダーは、その内部に、前記試料に磁界を印加する磁場印加機構を有し、
該磁場印加機構は、前記１次電子線および前記２次電子が通過する開口部を備えた磁気シールド板と、試料面垂直方向磁場印加用磁極と、試料面内方向磁場印加用磁極とを有し、
前記磁気シールド板を前記試料の電子銃側表面に配置し、前記試料面垂直方向磁場印加用磁極および前記試料面内方向磁場印加用磁極を、前記試料の前記電子銃側の面とは反対側の面に配置したことを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体試料からの２次電子のもつスピン偏極度を信号とする磁区観察技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスク等の磁気記録装置の高密度化等に伴い、微小な磁区を観察する技術が注目を集めている。特に記録過程や熱擾乱による信号消失過程を観察するには外部磁界に対して磁区がどのように変化しているかを観察する技術が極めて有用である。最も普及している磁区観察技術としては、Kerr顕微鏡と磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）が挙げられる。
【０００３】
Kerr顕微鏡は、信号強度が強いためいろいろな測定ができる。例えば、磁場を印加しながら磁区が変化する様子を実時間で観察することができる。この手法の利点として、信号とする光の偏光度が浮遊磁場の影響を受けないことが挙げられる。試料に磁場を印加する際に当然試料表面上に漏洩磁界が生じるが、Kerr顕微鏡測定に支障をきたすことはない。従って、印加磁場中の磁区観察が容易である。しかしながら、Kerr顕微鏡は、光の波長による制限のため分解能はせいぜい１μｍレベルであり、高分解能観察には限界がある。
【０００４】
一方、ＭＦＭは、浮遊磁界の勾配を信号とするもので、１０ｎｍレベルの高分解能観察が可能である。元々は無磁場での測定が主流であったが、最近は試料に磁場を印加するシステムを付随したものが製品化されている。試料に磁場を印加する際に生じる浮遊磁界が局所的に勾配を持つと測定に支障をきたすが、勾配を持たない一様な浮遊磁界であれば測定は可能である。しかし、ＭＦＭは、原理上、磁区形状の推定はできるが、磁化の変化を直接観察することはできない。つまり浮遊磁界の勾配から、試料の持つ磁化方向までは評価できないので、磁場を印加した際に試料の磁化方向が変化する場合、そのような解析ができないといった欠点を有する。
【０００５】
一方、磁化ベクトル解析が可能な高分解能磁区観察装置としてスピン偏極走査電子顕微鏡（スピンＳＥＭ）が挙げられる。この技術は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）において試料から放出される２次電子のもつスピン偏極度を信号として検出するもので、やはり１０ｎｍレベルの分解能で磁区観察ができる。
【０００６】
図１に、スピンＳＥＭの基本的な構造を示す。対物レンズ１０１から１次電子線１００を照射することにより、試料ホルダー１０２にセットされた試料１０３より２次電子１０６が放出される。このとき、試料が鉄やコバルト等の強磁性体である場合は、磁化の起源である試料内部の電子スピンは偏極しており、そのため２次電子１０６もスピン偏極度を持つ。その２次電子１０６は、放出直後は１０ｅＶ程度の低いエネルギーであるが、２次電子収集電極１０４で加速し、球面偏向器１０５や２次電子光学系１０７、また球面偏向器１０８、２次電子光学系１０９を通り、スピン検出器１１０に到達する。スピン検出器１１０では、２次電子のスピン偏極度を測定することができ、このスピン偏極度をマッピングすることにより磁区像を得ている。尚、図中、各電子光学系の近辺に印加電圧の例を示している。
【０００７】
しかしながら、前述のKerr顕微鏡やＭＦＭと比べると、スピンＳＥＭでは試料に磁場を印加することが原理的に難しい。スピンＳＥＭで検出する２次電子１０６は、試料表面から放出直後はエネルギーが小さく速度が遅い。そのため、試料表面に大きな浮遊磁界が生じれば、ローレンツ力により２次電子軌道が変化し、スピン検出器に収集・搬送することができなくなる。また、信号とするスピン偏極度も浮遊磁界のためラーモア歳差運動により回転する。全ての２次電子１０６のスピンが一様に回転するのであれば回転角を補正することで測定自体はできるが、２次電子軌道は有限の広がりを持つため、その軌道やエネルギーによってスピンの回転角に分散が生じ、それらの平均であるスピン偏極度が小さくなってしまう。このように、スピンＳＥＭに磁場を印加することは原理的に困難である。
【０００８】
しかし、少数ではあるが、これまでにスピンＳＥＭに磁場を印加した例があり、以下に示す。
【０００９】
（１）（独）マックスプランク研究所での開発である「レビュー・オブ・サイエンティフィック・インスツルメンツ、７３巻、４２６４頁、２００３年（Review of Scientific Instruments、Vol.73, 4264 (2003)）」では、１２０μｍ程度の微小な間隙を持つ磁性体リングを試料表面上に配置し、その間隙から漏れる磁場を試料に印加すると同時に、磁性体リング自体にも電圧を印加し、２次電子収集電極としても使用する。この手法によって、１ｋＯｅの強磁場を試料に印加することに成功している。
【００１０】
（２）他方、試料ホルダーにセットした磁極により磁場を印加する手法も、「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、４５巻、５００４頁、２００６年（Japanese Journal of Applied Physics、Vol.45, 5004 (2006)）」で報告されている。
【００１１】
（３）また、特開平８−２４１６９０号公報には、スピンＳＥＭにおける２次電子収集電極に磁気シールドを装着する技術が開示されている。この技術では、試料自体が軟磁性体であることが想定されており、もともと漏れ磁界を小さくすることができるが、２次電子収集電極先端に作りこんだ磁気シールドでさらに小さくすることが可能である。
【００１２】
【非特許文献１】レビュー・オブ・サイエンティフィック・インスツルメンツ、７３巻、４２６４頁、２００３年（Review of Scientific Instruments、Vol.73, 4264 (2003)）
【非特許文献２】ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、４５巻、５００４頁、２００６年（Japanese Journal of Applied Physics、Vol.45, 5004 (2006)）
【特許文献１】特開平８−２４１６９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、上述した従来手法（１）〜（３）では、それぞれ、以下に示すような課題を有する。
【００１４】
（１）の手法では、磁性体リングの間隙を試料直上４０μｍ程度の位置にセットする等、実験のセットアップ上困難な点がある。また磁場が印加される領域が１２０μｍ以下というように極めて狭く、視野に関する制限が極めて厳しい。また試料自体の透磁率によって、試料に印加される磁場は大きく変化するので定量的な解析という点で課題を有する。
【００１５】
（２）の手法では、かけられる磁場は数１０Ｏｅであり、記録材料や永久磁石材料に使われるハードマグネットの磁化反転という点で課題を有する。
【００１６】
（３）の手法では、ハードマグネット等、透磁率の小さい試料の場合には有効か否かは判断できない。また、試料と２次電子収集電極間の距離はゼロにはできないため、その間の浮遊磁界は無視することはできず、それにより印加磁場強度も決まってしまうという課題を有する。
【００１７】
従って、１ｋＯｅレベル以上の磁界を発生させながら定常的に観察できるスピンＳＥＭ装置は、現状では存在しない。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、観察するポイントである磁性体試料表面に１平方ｍｍ以上の領域に渡って１ｋＯｅレベル以上の磁場印加中においても高分解能磁区観察が可能なスピン偏極走査電子顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
浮遊磁界を封じる手段としては、磁気シールドが効果的である。しかし、スピンＳＥＭ観察においては、磁性体試料表面直上のわずかな浮遊磁界であっても測定に支障をきたす可能性が高い。かつ、１次電子線が照射される経路並びに走査領域と、２次電子が放出されるスペースを確保する必要がある。
【００２０】
そこで、本発明においては、穴（開口部）を有する磁気シールド部材（例えば、板部材）を試料表面に配置することを見出した。その作用効果について、図１２により説明する。
【００２１】
例えば、試料面の垂直方向に磁場印加する磁極１２０１より非磁性体板１２０２を介して磁性体試料１２０３に磁場が印加される場合、図１２の（ａ）に示すように、試料１２０３だけでなくその上部の空間にも、磁場ベクトル１２０４が分布することになる。この磁場ベクトル１２０４が２次電子の軌道やスピンに悪影響を及ぼす。そこで、図１２（ｂ）に示すように、試料１２０３直上に磁気シールド部材１２０５を配置すると、透磁率の高い磁気シールド部材１２０５に磁場ベクトル１２０４は吸収され、試料１２０３上の空間には殆ど広がらない。本発明では、３次元的な電磁場中での２次電子軌道やスピンに関してのシミュレーションを行い、磁気シールド板により浮遊磁場量が１桁程度まで下げることができ、試料表面に１ｋＯｅレベル以上の磁場が印加される場合でもスピン偏極度の減少率が２％程度であることを確認している。
【００２２】
磁気シールド板部材に開ける穴は小さい方が浮遊磁界の封じ込め効果は高いが、視野を確保するためにはある程度の広さが必要である。同様の２次電子軌道のシミュレーションにより、１辺０.５ｍｍ以上６ｍｍ以下の四角形あるいは直径０.５ｍｍ以上６ｍｍ以下の円形の穴なら磁場遮断効果が充分であることを確かめた。また、磁気シールドの厚さについても同様にシミュレーションを行い、０.１ｍｍ以上１ｍｍ以下の厚さなら効果があることを確かめた。また、上記の効果は、確場の方向によらず有効である。つまり、試料面内方向の磁場であっても、試料面垂直方向の磁場であっても、磁場遮断効果はある。また、磁極上面の面積よりも磁気シールドの穴の面積が小さい方が磁気遮断効果は大きい。また、試料の透磁率が小さい場合においても、励磁電流を大きくすることにより、１ｋＯｅレベル以上の磁場印加が可能である。
【００２３】
磁気シールド部材による上記の効果は、試料に印加する磁場の方向によらず有効である。すなわち、試料面内方向の磁場であっても、試料面垂直方向の磁場であっても、それによって生ずる浮遊磁界を封じ込む磁場遮断効果はある。また、磁極上面の面積よりも磁気シールドの穴の面積が小さい方が磁気遮断効果は大きい。また、試料の透磁率が小さい場合においても、励磁電流を大きくすることにより、１ｋＯｅレベル以上の磁場印加が可能である。
【００２４】
試料に磁界印加する磁極は、試料面内方向磁場印加用と、試料面垂直方向磁場印加用とあり、それらを分けて配置してもよい。どの磁極をどのように励磁するかを選択することにより、磁場印加方向や試料上の磁場印加個所を選択できるようにもできる。もし試料上の離れた何箇所かを観察する場合、磁気シールドに複数の穴を開けておいた方がいい。
【００２５】
また、磁場中での磁区観察を行う場合、印加磁場の値を定量的に評価することは重要である。特に、透磁率が違う試料では、試料ステージ或は試料ホルダーに搭載している磁極を同じように励磁しても、印加磁場は異なる。そこで、試料の表面或は磁気シールドの表面にホール素子などの磁場センサを装着することは有効である。観察する個所の磁場の値を知りたいため、本来は１次電子線が照射される領域近辺に磁場センサを配置したいが、それが困難な場合は幾つかの磁場センサを測定する個所を囲むように配置し、それらの値から測定点に印加されている磁場を類推することも可能である。
【００２６】
以下、本発明のスピン偏極走査電子顕微鏡の特徴的構成例を列挙する。
【００２７】
（１）電子銃から出射される１次電子線を磁性体試料に照射する照射光学系と、前記試料を載置する試料載置手段と、前記１次電子線の照射により前記試料から放出される２次電子を搬送する搬送光学系と、搬送された前記２次電子のスピン偏極度を信号として検出するスピン検出器とを有し、前記スピン偏極度にかかる信号をもとに前記試料の磁区像を測定するスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記試料載置手段は、前記試料に磁界を印加する磁場印加機構を有し、該磁場印加機構は、前記１次電子線および前記２次電子が通過する開口部を備えた磁気シールド部材を有し、該磁気シールド部材を前記試料の電子銃側表面に配置して、前記試料面上の浮遊磁界を封じるようにしたことを特徴とする。
【００２８】
（２）前記構成のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁場印加機構は、試料面垂直方向磁場印加用磁極を有し、前記試料への印加磁界が、前記試料表面において試料面垂直方向になるようにしたことを特徴とする。
【００２９】
（３）前記構成のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁場印加機構は、試料面内方向磁場印加用磁極を有し、前記試料への印加磁界が、前記試料表面において試料面平行方向になるようにしたことを特徴とする。
【００３０】
（４）前記構成のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁場印加機構は、試料面垂直方向磁場印加用磁極と試料面内方向磁場印加用磁極とを有し、前記試料面垂直方向磁場印加用磁極および前記試料面内方向磁場印加用磁極の少なくとも一磁極により、磁場印加方向を制御するようにしたことを特徴とする。
【００３１】
（５）前記構成のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁場印加機構は、複数の磁極を有し、該複数の磁極を励磁することにより、前記試料への印加磁界を任意の方向に向けられるようにしたことを特徴とする。
【００３２】
（６）前記構成のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記試料載置手段は、試料ホルダーまたは試料ステージであることを特徴とする。
【００３３】
（７）前記構成のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記試料ホルダーもしくは前記磁気シールド部材は、磁場センサを有することを特徴とする。
【００３４】
（８）前記構成のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記試料ホルダーもしくは前記磁気シールド部材は、複数の磁場センサを有し、前記試料上の観察領域に於ける磁場強度を前記複数の磁場センサからのデータより求めることを特徴とする。
【００３５】
（９）前記構成のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁場センサが、ホール素子であることを特徴とする。
【００３６】
（１０）前記構成のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁気シールド部材が有する開口部は、１辺０.５ｍｍ以上６ｍｍ以下の四角形あるいは直径０.５ｍｍ以上６ｍｍ以下の円形であることを特徴とする。
【００３７】
（１１）前記構成のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁気シールド部材の板厚が０.１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００３８】
（１２）前記構成のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁気シールド部材が、真空比透磁率１００以上の軟磁性体からなることを特徴とする。
【００３９】
（１３）前記構成のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁場印加機構は、前記試料面垂直方向磁場印加用磁極と前記試料面内方向磁場印加用磁極とのうち少なくとも一磁極を搭載する回転ステージとを有し、磁場印加方向を磁極の回転により制御できることを特徴とする。
【００４０】
（１４）前記構成のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁場印加機構は、前記試料に磁場を印加する磁極を３個以上有し、それらの励磁を調節することによって、試料印加磁場方向、および磁場を印加する試料位置を制御できることを特徴とする。
【００４１】
（１５）前記構成のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁気シールド部材の、電子銃側の直上に磁極を挿入し、該磁極が、前記磁気シールド部材と共働して前記試料面上の浮遊磁界を消去することを特徴とする。
【００４２】
（１６）前記構成のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁気シールド部材の開口部の大きさが、前記磁極各々の上面の面積よりも小さいことを特徴とする。
【００４３】
（１７）前記構成のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁気シールド部材の開口部は、前記１次電子線の照射領域を含むことを特徴とする。
【００４４】
（１８）前記構成のスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記磁気シールド部材は、前記複数の磁極の各々に対応して開口部を有することを特徴とする。
【００４５】
（１９）電子銃より出射される１次電子線を磁性体試料に照射する照射光学系と、前記試料を載置する試料ホルダーと、前記１次電子線の照射により前記試料から放出される２次電子を収集し搬送する搬送光学系と、搬送された前記２次電子のスピン偏極度を信号として検出するスピン検出器と、前記スピン偏極度にかかる信号をもとに前記試料の磁区像を測定する手段とを有し、前記試料ホルダーは、その内部に、前記試料に磁界を印加する磁場印加機構を有し、該磁場印加機構は、前記１次電子線および前記２次電子が通過する開口部を備えた磁気シールド板と、試料面垂直方向磁場印加用磁極と、試料面内方向磁場印加用磁極とを有し、前記磁気シールド板を前記試料の電子銃側表面に配置し、前記試料面垂直方向磁場印加用磁極および前記試料面内方向磁場印加用磁極を、前記試料の前記電子銃側の面とは反対側の面に配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、スピン偏極走査電子顕微鏡において、２次電子収集効率やスピン偏極度を維持しながら、観察するポイントである磁性体試料表面に１平方ｍｍ以上の領域に渡って１ｋＯｅレベル以上の磁場印加中においても高分解能の磁区観察が可能なスピン偏極走査電子顕微鏡を提供することにある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳述する。
【００４８】
（実施例１）
スピン偏極走査電子顕微鏡の基本的な構造は、図１で示したように、電子銃より出射される１次電子線１００を対物レンズ１０１を介して照射する照射光学系により、試料ホルダー１０２にセットされた試料１０３から２次電子１０６が放出される。このとき、試料が鉄やコバルト等の強磁性体である場合は、磁化の起源である試料内部の電子スピンは偏極しており、そのため２次電子もスピン偏極度を持つ。その２次電子は、２次電子収集電極１０４で加速し、球面偏向器１０５や２次電子光学系１０７、また球面偏向器１０８、２次電子光学系１０９を通り、スピン検出器１１０に搬送される（搬送光学系）。スピン検出器１１０で検出されたスピン偏極度にかかる信号は、電子線制御装置１１１と連動している信号処理・画像解析装置１１２に送られ、そこでマッピングすることにより磁区像が生成される。
【００４９】
本発明では、図１に示した試料ホルダー等の、磁性体試料を載置する試料載置手段に、試料に磁界を印加する磁場印加機構を有し、該磁場印加機構は、１次電子線および２次電子が通過する開口部を備えた磁気シールド部材を有し、該磁気シールド部材を前記試料の電子銃側表面に配置して、前記試料面上の浮遊磁界を封じるよう構成する。
【００５０】
図２に、本発明のスピン偏極走査電子顕微鏡における磁場印加機構の試料面垂直方向磁場印加の一構成例を示す。
【００５１】
図２において、試料ホルダー２０１の内部に、試料面内方向磁場印加用磁極２０６と、試料面垂直方向磁場印加用磁極２０７を作りこむ。あるいは、これらの磁極は試料ステージに作りこみ、試料ホルダーは空洞にして試料ステージにセットした際に磁極が試料近辺まで近づくような構造でも良い。また、磁場励起用のコイル２０８が必要であり、これは試料ホルダー２０１の下部にあけた開口部を通じて電流導入端子に繋がり、電流を供給することができる。磁極２０６と２０７の上に、非磁性体板２０４をスペーサとして配置する。この部分の厚さは１ｍｍ以下が適当である。その上に試料２０２をセットし、その上から磁気シールド部材２０３を被せる。
【００５２】
磁気シールド板２０３には中心部に穴（開口部）が設けられ、この穴を通じて１次電子線の照射や２次電子の収集が行われる。磁気シールド２０３は、例えば、パーマロイ等、軟磁性体より作製され、真空比透磁率は１００以上がよい。
【００５３】
本実施例では、試料面垂直方向の磁場を印加しており、磁場ベクトル２０５は試料表面上では垂直方向を向いているが、その直上で磁気シールド板２０３に吸い取られ、広い範囲に渡って浮遊磁界が生じることはない。従って、２次電子収集電極２０９を用いて２次電子２１０を殆ど全て収集することができる。仮に印加磁場が１ｋＯｅレベル以上に増加しても、２次電子２１０の収集率は９０％以上が確保できる。また、スピン偏極度回転の分散も±１０度以内に抑えることができ、これはスピン偏極度の減少率に換算すると２％未満であり、殆ど元のスピン偏極度を維持できることになる。
【００５４】
また、この際、試料面垂直方向の磁場印加に限定すれば、試料面内方向磁場用磁極２０６は基本的には励磁しなくてもよい。あるいは、試料面内方向磁場用磁極２０６は搭載しなくてもよい。
【００５５】
図３に、本発明のスピン偏極走査電子顕微鏡における磁場印加機構の試料面内方向磁場印加の一構成例を示す。
【００５６】
図２での例と同様で、試料ホルダー３０１の内部、或は試料ステージに試料面内方向磁場印加用磁極３０６と、試料面垂直方向磁場印加用磁極３０７を作りこむ。その上に非磁性体板３０４をスペーサとして配置する。その上に試料３０２をセットし、その上から磁気シールド３０３を被せる。本実施例では、試料面内方向の磁場を印加しており、磁場ベクトル３０５は試料表面上で試料面内方向になるように磁極の励磁を調節する。
【００５７】
この際、試料面内磁場のみ印加する場合では、垂直磁場用磁極３０７は基本的には励磁しなくてもよい。あるいは、垂直磁場用磁極３０７は搭載しなくてもよい。浮遊磁界は、試料面直上で磁気シールド３０３に吸い取られ、広い範囲に渡って浮遊磁界が生じることはないので、２次電子収集電極３０９を用いて２次電子３１０をほぼ全て収集することができる。
【００５８】
図４に、本発明のスピン偏極走査電子顕微鏡における磁場印加機構の試料面内方向磁場印加の別の構成例を示す。
【００５９】
図３と類似しているが、本例では磁気シールド４０３で浮遊磁界を完全に消去することができなかった場合を想定して、磁気シールド４０３直上に磁場キャンセラー４１１を配置している。これは試料面内方向の磁場を印加できるもので、角柱或は円柱形状の軟磁性体磁極に磁場励起用コイル４１２を巻いたものをペアにしたものである。試料直上の浮遊磁場をホール素子等でモニターしておき、その逆方向に同じ大きさの磁場を作り出し、浮遊磁界をトータルでゼロに近づけるようにする。
【００６０】
図５に、１次電子線入射方向から見た試料周りのセッティングの一例を示す。
【００６１】
試料ホルダー５０１の中に、試料面内方向磁場印加用磁極５０４と、試料面垂直方向磁場印加用磁極５０５を作りこむ。その上に非磁性体板（本例では省略）を挟んで試料５０３をセットし、その上に磁気シールド板５０２を被せる。磁気シールド板の固定は本実施例では導電性テープ５０７を用いて試料ホルダーに接着させている。これは試料ホルダーにビス止めする機構にしても構わない。
【００６２】
このセッティングにおいて、磁気シールド板の穴５０６は、磁極の上面よりも小さい方が、本発明の浮遊磁界減少率は高い。また、試料５０３全体を磁気シールド板５０２が覆えるように、磁気シールド板５０２を試料５０３のサイズより大きくしている方がいい。
【００６３】
また、図５は、磁極の励磁法についての例を示している。図５（ａ）では、試料面垂直方向磁場印加用磁極５０５のみを励磁しているので、試料中心部には主に試料面垂直方向磁場がかかる。その磁場ベクトル５０９は、試料を通過した後、磁気シールドを経て試料面内方向磁場印加用磁極５０４等に吸い込まれていく。また、図５（ｂ）では、２つの試料面内方向磁場印加用磁極５０４を励磁した例を示している。この場合、２つの磁極の励磁方向を逆にすることにより、試料中心部での磁場ベクトル５０９は、試料面内方向磁場が印加される。
【００６４】
（実施例２）
図６に、本発明の別の実施例を示す。本実施例でも、１次電子線入射方向から見た試料ホルダー６０１、試料面内方向磁場印加用磁極６０２と、試料面垂直方向磁場印加用磁極６０３を示す。図中、試料や磁気シールド板は省略している。
【００６５】
ここでは、試料面内方向磁場印加用磁極６０２と、試料面垂直方向磁場印加用磁極６０３が回転ステージ６０４に載っており、磁極のユニットごと回転させることができる。このため、試料面内磁場方向を、試料面内で自由に選ぶことができ、実験における印加磁場方向の選択肢が増えることになる。このように、磁場印加方向を磁極の回転により制御できる。
【００６６】
なお、本例では、試料面内方向磁場印加用磁極６０２と試料面垂直方向磁場印加用磁極６０３とが、回転ステージ６上に搭載されているが、これらの磁極のうち少なくとも一磁極を搭載するようにしてもよい。
【００６７】
（実施例３）
図７に、本発明のさらに別の実施例を示す。本実施例でも、１次電子線入射方向から見た試料ホルダー７０１と、磁極７０２〜７０６の位置を示している。図６までの実施例では試料面垂直方向磁場印加用磁極と試料面内方向磁場印加用磁極を分けていたが、本実施例ではそのような区別をして説明しない。試料や磁気シールド板は省略している。
【００６８】
本実施例では、図６のような磁極ユニットの回転機構はない。しかし、５つの磁極の励磁を調節することにより、試料面内任意の方向の磁場を作り出すことができる。また、試料ホルダー中心に対して対称な位置にある磁極同士ではなく、隣接する２つの磁極を励磁することにより、試料上における磁場を印加する場所を変化させることができる。この方式は、１つのウエハー上に作りこんだＭＲＡＭ等の素子の性能を、ウエハーにおける場所の関数として調べることができる等、有用な点がある。
【００６９】
図７（ａ）では、磁極７０４と７０６を励磁して、試料中心部において図面横方向の磁場ベクトル７０８を印加している。また、図７（ｂ）では、磁極７０３と７０４を励磁して、試料左下方部において図面斜め方向の磁場ベクトル７０８を印加している。このように、励磁する磁極の組み合わせを変えることにより、磁場を印加する試料位置や、磁場の方向を選択することができる。
【００７０】
図８は、図７の実施例からさらに磁極８０２〜８１０の個数を増やした場合の例を示している。磁場を印加する磁極の組み合わせも多くなり、図７よりも磁場方向や印加する場所の選択肢を増やすことができる。図８（ａ）では、磁極８０８と８０９を励磁して、試料左上方において図面横方向の磁場ベクトル８１２を印加している。また、図８（ｂ）では、磁極８０６と８０８を励磁して、試料左上方部において図面斜め方向の磁場ベクトル８１２を印加している。
【００７１】
この２つの例は、図７の実施例での磁極構成では実現できない。このように磁極の数を増やすことにより、図７の実施例よりも磁場印加方向や磁場印加試料位置の選択肢を増やすことができる。
【００７２】
図９は、図８の例のように、試料９０１の中に多数の磁極９０２を持ち、試料上において磁場を印加する場所を選択できる場合において、それに適用できる磁気シールド９０３の実施例を示している。場所を選択するため、磁気シールドの穴９０４は１箇所では足りない。磁極の配置によって、考えられる測定個所を決めて穴を開けておく必要がある。本実施例のような場合、磁場印加する試料上の場所を決め、それにより励磁する磁極を決め、その領域を含む磁気シールドの穴を決定し、試料ステージを移動させることにより１次電子線が照射される観察領域に持ってくることになる。
【００７３】
（実施例４）
図１０に、本発明のさらに別の実施例を示す。１次電子線入射方向から見た試料ホルダー１００１と３つの磁極１００２〜１００４を示している。磁気シールドは省略している。
【００７４】
本実施例では、試料１００５の中央部の電子線が照射される測定領域近辺にホール素子１００７をセットし、リード線１００６を用いて観察領域の磁場強度を測定できるようにしている。この場合、もし磁場をベクトル解析するならば、ホール素子は１箇所で３成分を測定することになるので３個必要となる。
【００７５】
図１１に、図１０に示すホール素子を使用する別の例を示す。図１０に示すように試料１１０５の中央部にホール素子を装着することが困難な場合、図示のように中央部以外の他の場所にホール素子１１０７を装着し、その点からの類推で観察部の磁場ベクトルを推定することができる。
【００７６】
一般に、試料の透磁率や大きさ、試料ホルダー１１０１上での位置が変化すると、試料の磁場の吸い込み方が変化し、従って、試料に印加される磁場の値も変化する。よって１点の測定点からの較正はそれほど高精度な値は期待できない。しかし、複数個のホール素子１１０７を異なる場所に配置し、そこから得られるデータより中央部の磁場の値を類推するのであれば、必然的に確度を上げることができる。
【００７７】
以上のように、本発明によれば、スピン偏極走査電子顕微鏡において、２次電子収集効率やスピン偏極度を維持しながら、観察するポイントである磁性体試料表面に１平方ｍｍ以上の領域に渡って１ｋＯｅレベル以上の磁場印加中においても高分解能の磁区観察が可能なスピン偏極走査電子顕微鏡を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】スピン偏極走査電子顕微鏡（スピンＳＥＭ）の構成を示す図。
【図２】本発明における磁場印加機構の実施例で、試料面垂直方向磁場印加機構を説明する図。
【図３】本発明における磁場印加機構の実施例で、試料面内方向磁場印加機構を説明する図。
【図４】本発明における磁場印加機構の実施例で、試料面内方向磁場印加機構の別の例を示す図。
【図５】本発明における、１次電子線入射方向から見た試料周りのセッティングの一例を示し、磁場印加が、試料面垂直方向の場合（ａ）、磁場印加が試料面内方向の場合（ｂ）を説明する図。
【図６】本発明による、磁極全体が回転ステージに搭載された磁極配置構成の実施例を説明する図。
【図７】本発明による、磁極の数を増やした磁極配置構成の実施例を示し、磁場印加が、試料中心部に図面横方向の場合（ａ）、試料左下方部に図面斜め方向の場合（ｂ）を説明する図。
【図８】本発明の、図７の実施例よりも更に磁極の数を増やした磁極配置構成の実施例を示し、磁場印加が、試料左上方部に図面横方向の場合（ａ）、試料左上方部に図面斜め方向の場合（ｂ）を説明する図。
【図９】本発明の、図７における実施例に磁気シールドを加えた磁極配置構成の実施例を説明する図。
【図１０】本発明の、試料中央部の電子線が照射される領域近辺に磁場センサを配置した構成の実施例を説明する図。
【図１１】本発明の、電子線が照射される領域を外して、その周辺に複数の磁場センサを配置した構成の実施例を説明する図。
【図１２】本発明による磁気シールド部材の作用効果を示し、磁気シールドがなく磁場を印加した場合の磁化ベクトル分布（ａ）と、磁気シールドを備えて磁場を印加した場合の磁化ベクトル分布（ｂ）を説明する図。
【符号の説明】
【００７９】
１００…１次電子線、１０１…電子銃対物レンズ、１０２…試料ホルダー、１０３…試料、１０４…２次電子収集電極、１０５…球面偏向器、１０６…２次電子、１０７…２次電子光学系、１０８…球面偏向器、１０９…２次電子光学系、１１０…スピン検出器、１１１…電子線制御装置、１１２…信号処理・画像解析装置、２０１…試料ホルダー、２０２…試料、２０３…磁気シールド、２０４…非磁性体板、２０５…磁場ベクトル、２０６…試料面内方向磁場印加用磁極、２０７…試料面垂直方向磁場印加用磁極、２０８…磁場励起用コイル、２０９…２次電子収集電極、２１０…２次電子、３０１…試料ホルダー、３０２…試料、３０３…磁気シールド、３０４…非磁性体板、３０５…磁場ベクトル、３０６…試料面内方向磁場印加用磁極、３０７…試料面垂直方向磁場印加用磁極、３０８…磁場励起用コイル、３０９…２次電子収集電極、３１０…２次電子、４０１…試料ホルダー、４０２…試料、４０３…磁気シールド、４０４…非磁性体板、４０５…磁場ベクトル、４０６…試料面内方向磁場印加用磁極、４０７…試料面垂直方向磁場印加用磁極、４０８…磁場励起用コイル、４０９…２次電子収集電極、４１０…２次電子、４１１…磁場キャンセラー、４１２…磁場キャンセラー用コイル、５０１…試料ホルダー、５０２…磁気シールド板、５０３…試料、５０４…試料面内方向磁場印加用磁極、５０５…試料面垂直方向磁場印加用磁極、５０６…磁気シールド板の穴、５０７…導電性テープ、５０８…磁極の磁化ベクトル、５０９…磁場ベクトル、６０１…試料ホルダー、６０２…試料面内方向磁場印加用磁極、６０３…試料面垂直方向磁場印加用磁極、６０４…回転ステージ、７０１…試料ホルダー、７０２…磁極、７０３…磁極、７０４…磁極、７０５…磁極、７０６…磁極、７０７…磁極の磁化ベクトル、７０８…磁場ベクトル、８０１…試料ホルダー、８０２…磁極、８０３…磁極、８０４…磁極、８０５…磁極、８０６…磁極、８０７…磁極、８０８…磁極、８０９…磁極、８１０…磁極、８１１…磁極の磁化ベクトル、８１２…磁場ベクトル、９０１…試料ホルダー、９０２…磁極、９０３…磁気シールド、９０４…磁気シールドの穴、１００１…試料ホルダー、１００２…磁極、１００３…磁極、１００４…磁極、１００５…試料、１００６…リード線、１００７…ホール素子、１１０１…試料ホルダー、１１０２…磁極、１１０３…磁極、１１０４…磁極、１１０５…試料、１１０６…リード線、１１０７…ホール素子、１２０１…試料面の垂直方向に磁場印加する磁極、１２０２…非磁性体板、１２０３…磁性体試料、１２０４…磁場ベクトル、１２０５…磁気シールド部材。
【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】
2008243486.tif 000011
【図１０】
2008243486.tif 000012
【図１１】
2008243486.tif 000013
【図１２】
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