(57)【要約】【目的】本発明は、走査型電子顕微鏡の対物レンズで細く絞った１次電子ビームで照射した磁区を含む試料の磁区構造を検出する電子線スピン検出器に関し、簡単な構造、かつ試料の１次電子ビーム照射位置に対する見込み角を大きくして高Ｓ／Ｎ比で磁区を極めて高分解能で表示することを目的とする。【構成】走査型電子顕微鏡の対物レンズと磁区を含む試料との間に設け、１次電子ビームで照射した試料の位置を中心に、周囲に放出された２次電子のスピン偏極を検出する、対称の２つの部分検出部からなるスピン偏極検出器を、複数配置したスピン検出器と、スピン検出器を構成する複数のスピン偏極検出器でそれぞれ検出した２次電子のスピン偏極の違いをもとに試料の１次電子ビームの照射位置のスピン方向を判定するスピン方向判定手段とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズで細く絞った１次電子ビームで照射した磁区を含む試料の磁区構造を検出する電子線スピン検出器において、
前記対物レンズと磁区を含む試料との間に設け、前記１次電子ビームで照射した試料の位置を中心に、周囲に放出された２次電子のスピン偏極を検出する、対称の２つの部分検出部からなるスピン偏極検出器を、複数配置したスピン検出器と、
前記スピン検出器を構成する前記複数のスピン偏極検出器でそれぞれ検出した２次電子のスピン偏極の違いをもとに前記試料の１次電子ビームの照射位置のスピン方向を判定するスピン方向判定手段と、
を備えたことを特徴とする電子線スピン検出器。
【請求項２】
前記対称の２つの部分検出部として、直角三角錐あるいは直角三角錐の斜面をもちかつ当該直角三角錐の斜面あるいは当該斜面が対称で相互に電気的に絶縁したそれぞれの当該斜面の部分に前記２次電子をそれぞれ照射させて吸収させ、当該吸収された２次電子の電流量の差を検出してスピン偏極を検出することを特徴とする請求項１記載の電子線スピン検出器。
【請求項３】
前記直角三角錐あるいは前記直角三角錐の斜面の代わりに、当該直角三角錐の斜面あるいは当該斜面の部分を凹面形状としたことを特徴とする請求項２記載の電子線スピン検出器。
【請求項４】
前記吸収された２次電子の電流量の差を、当該電流量の和で除算して正規化したことを特徴とする請求項２あるいは請求項３記載の電子線スピン検出器。
【請求項５】
前記あるスピン偏極検出器と他のスピン偏極検出器との間に、シールド板を配置したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電子線スピン検出器。
【請求項６】
前記シールド板を２次電子を可及的に吸収かつ反射の少ない材質で形成あるいはコーティング、あるいは表面を凹凸にしたことを特徴とする請求項５記載の電子線スピン検出器。
【請求項７】
前記材質をカーボンとしたことを特徴とする請求項６記載の電子線スピン検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型電子顕微鏡などの対物レンズで細く絞った１次電子ビームで照射した磁区を含む試料の磁区構造を検出する電子線スピン検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁性体の磁化領域（磁区）を観察するには、光学顕微鏡を用いたピッター法や直線偏向を使ったカー効果を用いた手法がある。これら光学顕微鏡を用いた手法では、磁区の微細構造は当該光学顕微鏡の分解能が限界であった。
【０００３】
これに比して分解能が２桁程度高い、走査型電子顕微鏡を使って磁性体の磁区の微細構造を観察する手法として、図６に示すＭｏｔｔ型検出器がある。
【０００４】
図６のＭｏｔｔ型検出器は、１次電子ビームを試料（観察対象の磁性体試料）に照射し、当該試料より放出された２次電子を２５〜２００ＫＶの高電圧で加速し、加速した２次電子を金等のターゲットに垂直に照射し、その散乱電子を当該ターゲットを中心に円周状に配置したチャネルトロン検出器等でそれぞれ検出し、散乱電子の僅かな非対称性をもとに試料（観察対象の磁性体試料）の磁区を画像として表示装置に表示するものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の上述した前者の光学顕微鏡を使った磁区観察では、分解能が低く微細構造、例えば数十ｎｍの構造を観察することが不可であるという問題があった。
【０００６】
従来の上述した後者の図６のＭｏｔｔ型検出器を用いた磁区観察では、試料から放出された２次電子を２５〜２００ＫＶの高電圧で加速し、更に、金のターゲットに垂直に照射し、かつその散乱電子を複数のチャネルトロン検出器等で検出して非対称性をもとに磁区を表示する必要があり、高加速するために装置が大げさになってしまうと共に、試料より相当離れた位置に検出器（チャネルトロン検出器等）を置かざるを得ない構造となり試料に対する見込み角が小さくなって信号量が少なく高Ｓ／Ｎ比を得難いという根本的な欠点が存在するという問題があった。更に、金ターゲットやチャネルトロン検出器やマルチチャネルプレートなどを使うために高真空が更に要求されてしまうという問題もあった。
【０００７】
また、Ｍｏｔｔ型の欠点を一部解決する手法として、試料より発生した２次電子を当該試料近傍で偏向器で偏向し、途中にレンズを設けて発散を抑えながらＭｏｔｔ検出器に当該２次電子を導入する手法もあるが、いずれにしても、Ｍｏｔｔ型検出器の構造が大型かつ多数のチャネルトロン検出器を用いる必要があり、装置が大げさかつ充分な見込み角を確保して高Ｓ／Ｎ比で試料の磁区のスピン方向を検出して画像（磁区）を表示し得ないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、これらの問題を解決するため、対物レンズで細く絞った１次電子ビームで照射した磁区を含む試料の磁区構造を検出する電子線スピン検出器において、対物レンズと磁区を含む試料との間に設け、１次電子ビームで照射した試料の位置を中心に、周囲に放出された２次電子のスピン偏極を検出する、対称の２つの部分検出部からなるスピン偏極検出器を、複数配置したスピン検出器と、スピン検出器を構成する複数のスピン偏極検出器でそれぞれ検出した２次電子のスピン偏極の違いをもとに試料の１次電子ビームの照射位置のスピン方向を判定するスピン方向判定手段とを備えるようにしている。
【０００９】
この際、対称の２つの部分検出部として、直角三角錐あるいは直角三角錐の斜面をもちかつ当該直角三角錐の斜面あるいは当該斜面が対称で相互に電気的に絶縁したそれぞれの当該斜面の部分に２次電子をそれぞれ照射させて吸収させ、当該吸収された２次電子の電流量の差を検出してスピン偏極を検出するようにしている。
【００１０】
また、直角三角錐あるいは直角三角錐の斜面の代わりに、当該直角三角錐の斜面あるいは当該斜面の部分を凹面形状とするようにしている。
【００１１】
また、吸収された２次電子の電流量の差を、当該電流量の和で除算して正規化するようにしている。
【００１２】
また、あるスピン偏極検出器と他のスピン偏極検出器との間に、シールド板を配置するようにしている。
【００１３】
また、シールド板を２次電子を可及的に吸収かつ反射の少ない材質で形成あるいはコーティング、あるいは表面を凹凸にするようにしている。
【００１４】
また、シールド板の材質あるいはコーティングする材質をカーボンとするようにしている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、走査型電子顕微鏡などの対物レンズの下面と試料との間に、当該試料の１次電子ビーム照射位置を中心に、当該位置から周囲に放出された２次電子のスピン偏極の度合いを検出可能な検出器をリング状に複数配置し、当該複数の検出器の各位置におけるスピン偏極の度合いの違いをもとに試料の磁区を表示することにより、簡単な構造、かつ試料の１次電子ビーム照射位置に対する見込み角を大きくして高Ｓ／Ｎ比で磁区を極めて高分解能で表示することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、走査型電子顕微鏡などの対物レンズの下面と試料との間に、当該試料の１次電子ビーム照射位置を中心に、当該位置から周囲に放出された２次電子のスピン偏極の度合いを検出可能な検出器をリング状に複数配置し、当該複数の検出器の各位置におけるスピン偏極の度合いの違いをもとに試料の磁区を表示し、簡単な構造、かつ試料の１次電子ビーム照射位置に対する見込み角を大きくして高Ｓ／Ｎ比で磁区を極めて高分解能で表示することを実現した。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明の１実施例構造図を示す。
図１の（ａ）は要部断面図を示す。
【００１８】
図１の（ａ）において、ＳＥＭ鏡筒部１は、公知の走査型電子顕微鏡を構成する鏡筒部であって、電子線発生源、電子線発生源で発生された１次電子線を集束するコンデンサレンズ、コンデンサレンズで集束された１次電子ビームを磁性試料４上に細く絞る対物レンズ２、および磁性試料４上に細く絞られた１次電子ビームを平面走査する走査系（Ｘ方向およびＹ方向に走査する偏向走査系）などから構成されるものである。ここでは、ＳＥＭ鏡筒１の下部に図示の対物レンズ２を設けたものである。
【００１９】
対物レンズ２は、１次電子ビームを、磁性試料４の上に細く絞るものである。ここでは、当該対物レンズ２と磁性試料４との間の空間（あるいは距離（ＷＤ））に、本発明に係るスピン検出器１１を図示のように配置する。
【００２０】
磁性材料４は、１次電子ビームを対物レンズ２で細く絞って照射しつつ、図示外の偏向系で平面走査し、そのときに放出された２次電子のスピン方向を本発明に係るスピン検出器１１で検出し、当該磁性材料４の磁区を画面上に表示する対象の試料である。
【００２１】
試料室５は、磁性材料４およびスピン検出器１１などを真空中に保持する部屋であって、図示外の真空排気系で真空配置される部屋である。
【００２２】
２次電子６は、１次電子を磁性材料４に照射したときに当該１次電子の照射点を中心に周囲に放出される２次電子である。本発明のスピン検出器１１で磁性材料４の磁区のスピン方向を検出するときは通常のＳＥＭのように、これに具備する検出器の集束用の正電圧を印加することなく、ほぼゼロ電位（試料室５の電位）に保持し、２次電子が１次電子の照射点から放出された方向にそのまま走行するようにし、その方向に走行した当該２次電子についてスピン検出器１１で電子のスピンの偏極度合い（非対称性）をそれぞれ検出し、偏極度合い（非対称性）の最大の方向がスピン方向（偏極方向）と判定する（図３を用いて後述する）。
【００２３】
スピン検出器１１は、複数のスピン偏極検出器１２を、１次電子ビームを磁性材料４に照射した位置を中心に、放射状に配置したものであって（図３の（ａ）参照）、１次電子ビームを磁性材料４に照射した場所のスピン方向（磁区のスピン方向）を検出するものである（図１から図５を用いて後述する）。スピン検出器１１は、図示外の機構により、図示の状態に挿入して磁区を表示する構成にしたり、外部に引き出して通常のＳＥＭ（２次電子像、反射電子像を表示するＳＥＭ）として動作させたり、必要に応じて切り替えることが可能となっている。
【００２４】
図１の（ｂ）は、図１の（ａ）に点線で示す方向に見たときの、スピン検出器１１の模式図を示す。ここでは、図１の（ａ）のスピン検出器１１は、外側から中心方向に眺めると、図１の（ｂ）に示すように、直角三角形を２組対称に配置した構造となり、実際は直角三角錐を２組、対称に電気的に絶縁して配置した構造となる（図２参照）。
【００２５】
図１の（ｃ）は、図１の（ｂ）のスピン偏極検出器１２を拡大および、磁性試料４から放出された２次電子が照射する方向および当該スピン偏極検出器１２を構成する対称の２つの部分で電流を検出する様子を模式的に示す。図１の（ａ）で１次電子ビームを磁性試料４に照射したときに上斜め方向に放出される２次電子が、図１の（ｃ）の下から上方向に走行する２次電子に相当する。２次電子は、スピン偏極検出器１２を構成する対称の２つの部分（直角三角錐）の斜面にそれぞれ図示のように衝突して吸収される。対称の２つの部分（直角三角錐）の角度はここでは、２５°近辺（１５〜３５°程度）が最大の偏極度（非対称性）を検出する角度である（図１の（ｄ）参照）。２つの直角三角錐の部分に吸収される２次電子の電流をそれぞれＩ右、Ｉ左として測定し、両者の差を両者の和で除算し、偏極度合い（非対称性）を算出する。
【００２６】
図１の（ｄ）は、図１の（ｃ）のスピン偏極検出器１２の左側、および右側で検出される２次電子の電流の大きさを模式的に説明する図を示す。
【００２７】
図１の（ｄ−１）は図１の（ｃ）のスピン偏極検出器１２を構成する左側の直角三角錐で２次電子を検出するときの様子を模式的に示し、図１の（ｄ−２）は図１の（ｃ）のスピン偏極検出器１２を構成する右側の直角三角錐で２次電子を検出するときの様子を模式的に示す。
【００２８】
図１の（ｄ−１）において、図１の（ａ）で１次電子を磁性試料４に照射して放出された２次電子線について、放出されたときに磁性材料４の磁区（スピン）によってここでは、紙面の裏から表側にスピン偏極方向となるように偏極されたとすると、当該２次電子線（スピン偏極方向として紙面の裏から表方向に持つ）が約２５°の直角三角錐の斜面に図示のように入射すると、左方向に反射される割合が減少し（弱くなり）、結果として、吸収される２次電子の電流量Ｉ左が増大した値として検出される。
【００２９】
一方、直角三角錐の斜面の向きが逆の図１の（ｄ−２）の場合には、右方向に２次電子が反射される割合が増大し（強くなり）、結果として、吸収される２次電子の電流量Ｉ右は減少した値として検出される。
【００３０】
以上のように、図１の（ｄ−１）で測定したＩ左と、図１の（ｄ−２）で測定したＩ右との差を、両者の和で除算した値は、２次電子のスピンの偏極度合い（非対称性）（図１の（ａ）で１次電子ビーム３が磁性試料４に照射して２次電子が放出されたときに、当該２次電子が磁性材料４の磁区から受けたスピン偏極の度合い）について、当該スピン偏極検出器１２の配置した方向における大きさを検出することが可能となる。従って、リング状にスピン偏極検出器１２を複数配置し、各スピン偏極検出器１２で検出したスピンの偏極度合い（非対称性）の最大の当該スピン偏極検出器１２の方向がスピン方向に対応したものとして判定できる（図３の（ｂ）参照）。
【００３１】
図２は、本発明のスピン偏極検出器例を示す。図示のスピン偏極検出器１２は、図１のスピン検出器１１として、１次電子ビームを磁性材料４に照射した位置を中心にリング状に配置する１つの偏極検出器１２を取り出したものである。ＸとＹとからなる面が図１の（ａ）の磁性材料４の表面に対応する面に対応し、Ｚ方向が図１の（ａ）の磁性試料４から上方向である。図示のスピン偏極検出器１２は、直角三角錐を２つ対称に図示のように配置したものであって、検出面Ａとその反対側の図示外の検出面Ａ’が当該直角三角錐の斜面に対応する部分である。１次電子を磁性試料４に照射して放出された２次電子は、図示の検出面Ａと図示外の反対側の検出面Ａ’に下方向から上方向に照射され、既述した図１の（ｄ）で説明したようにスピン偏極方向に応じた電流差（Ｉ左−Ｉ右）を電流和（Ｉ左＋Ｉ右）で除算し、スピン偏極度合い（非対称性）を検出することが可能となる。
【００３２】
図２の（ｂ）は、図２の（ａ）の直角三角錐のＸ方向から見た様子を模式的に示す。ここでは、直角三角錐の斜面を検出面Ａ（図２の（ａ）の検出面Ａ）と、対応する反対側の検出面Ａ’とを有するものである。試料（図１の（ａ）の磁性試料）は、下方向に位置する。従って、試料（磁性材料４）に上から下方向に１次電子ビームを照射し、上方向（正確には上斜め方向）に放出された２次電子が、図示の検出面Ａ，Ａ’にそれぞれ照射し、既述した図１の（ｄ）で説明したように、当該２次電子が磁性試料４から受けたスピン偏極に応じた偏極度合い（非対称性）（Ｉ左−Ｉ右）／（Ｉ左＋Ｉ右）を検出することが可能となる。
【００３３】
図２の（ｃ）は、検出面Ａ，Ａ’（直角三角形の斜面）を曲面（凹面）にした例を示す。曲面は、２次電子の検出面Ａ，Ａ’への入射角度を２５°近辺になるようにした検出面である。検出面をＹ−Ｚから見ると、その曲線ｚ＝ｆ（ｙ）は、ｚのｙ微分をｆ’（ｙ）として、
ｔａｎ−１（ｆ（ｙ）／ｙ）−ｔａｎ−１（ｆ’（ｙ））＝α
α＝約２５・π／１８０
を満足ｆ（ｙ）は唯一存在し、これを検出面Ａ，Ａ’として用いる。
【００３４】
尚、検出面Ａ，Ａ’は、通常は金あるいは金スパッタ、金蒸着、金メッキした面である。金の他にトリウムなどの真空中で綺麗に面が保持され、かつ２次電子の偏極を検出しうる金属であればいずれの金属でもよい。
【００３５】
図３は、本発明の実験例を示す。
図３の（ａ）は、スピン偏極検出器１２の５組をθ＝０°、６７．５°、１１２．５°、１８０°、２２５°として配置した例を示す。
【００３６】
図３の（ｂ）は、図３の（ａ）の構造で、磁性材料４の磁区について測定した非対称性をプロットした曲線を示す。ここで、横軸は図３の（ａ）のスピン偏極検出器１２を配置した角度を表し、縦軸は各スピン偏極検出器１２で既述した図１の（ｄ）で測定した非対称性（偏極度合い）（Ｉ左ーＩ右）／（Ｉ左＋Ｉ右）を表す。また、
○は２０ＫＶ
●は２８ＫＶ
×は３０ＫＶ
は、１次電子の加速電圧を表す。
【００３７】
ここで、図３の（ｂ）の曲線を見ると、ＳＩＮ波となり、その頂点（最大）の角度は、約１３０度で、これがスピンの方向を表すとして判定できる。
【００３８】
従って、１次電子ビーム３を磁性試料４に照射しつつ走査した各位置における、２次電子６のスピンの方向をそれぞれ判定し、磁区画像（特にスピンが反転する場所を明確に表示した磁区画像）として表示することが可能となる。
【００３９】
図４は、本発明のシールド板例を示す。スピン偏極検出器１２は、例えば図３の（ａ）では５組、１次電子ビーム３を磁性試料４に照射した位置を中心に、リング状に所定角度に配置する。このため、各スピン偏極検出器１２が隣接するスピン偏極検出器１２との間に検出器間シールド２１を設け、２次電子があるスピン偏極検出器１２で吸収されずに反射されて他のスピン偏極検出器１２に入射し、ノイズとなってしまう事態を防止するようにする。この際、検出器間シールド２１は、可及的に２次電子が入射したときに吸収され、反射され難い材質（例えばカーボンで作成、カーボンでコーティング）あるいは構造（表面を微細な凹凸かつカーボンあるいはカーボンコーティングする構造）とする。
【００４０】
図５は、本発明の検出器ホルダ例を示す。これは、既述したスピン偏極検出器１２を所定角度で複数、リング状に配置して固定する検出器ホルダ３１の例を示す。
【００４１】
図５の（ａ）は、検出器ホルダ３１をカーボン製あるいはカーボンを被覆し、不要２次電子の反射を防止する例を示す。
【００４２】
図５の（ｂ）は、検出器ホルダ３１のスピン偏極検出器１２を固定する側の部分の表面に凹凸を設け、不要２次電子の反射を防止する例を示す。表面の凹凸として、例えば約６０°以上の微細な切り込みを入れ、２次電子の反射を可及的に防止し、高Ｓ／Ｎ比で、既述した非対称性を検出できるようにする。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、簡単な構造、かつ試料の１次電子ビーム照射位置に対する見込み角を大きくして高Ｓ／Ｎ比で磁区を極めて高分解能で表示する電子線スピン検出器に関するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の１実施例構造図である。
【図２】本発明のスピン偏極検出器例である。
【図３】本発明の実験例である。
【図４】本発明のシールド板例である。
【図５】本発明の検出器ホルダ例である。
【図６】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１：ＳＥＭ鏡筒部
２：対物レンズ
３：１次電子ビーム
４：磁性材料
５：試料室
６：２次電子
１１：スピン検出器
１２：スピン偏極検出器
２１：検出器間シールド
３１：検出器ホルダ
【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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