放射光光電子顕微鏡を用いたナノ構造のイメージング
小野寛太
尾嶋正治
要

旨

高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所
東京大学大学院工学系研究科応用化学専攻〒3050801 茨城県つくば市大穂 1
1〒1138656 東京都文京区本郷 731

放射光光電子顕微鏡はナノ構造のイメージングを行う手法として，広く用いられている。本稿では，放射光光

電子顕微鏡の原理と特徴について解説を行い，ナノ磁性体の磁気構造観察と硬 X 線イメージングの 2 つの研究例について紹介する。ナノ磁性体の磁気構造観察では，放射光光電子顕微鏡を用いることにより，ナノ磁性体特有の vortex カイ
ラリティを直接観察することが可能となった。また，新たに設計したカイラリティ制御素子について，放射光光電子顕微
鏡を用いてカイラリティ制御を実証することに成功した。硬 X 線イメージングに関しては，硬 X 線領域での顕微分光の可能性を探るため空間分解能評価を行った後，磁気イメージング，nano-XAFS，埋もれた界面のイメージングなどの手法を開発した。

1. 放射光光電子顕微鏡の原理と特徴持つ輝度，円（直線）偏光性，エネルギー可変性を最大限に利用することによって，ナノ構造の電子状態磁気構造

近年の急速なナノテクノロジーナノサイエンスの進展を空間的に定量的に直接観察することが出来る手法であに伴い，ナノスケールでの観察技術，電子状態構造評価

り，ナノ材料の研究には非常に有力な評価技術である。そ技術が要求されている。例えば，ナノスケール磁性体を例

こで本稿では，我々が最近取り組んでいる放射光光電子顕に取ると磁区構造や磁化反転過程などの振る舞いは，いわ微鏡を用いたナノ構造の観察について簡単に解説する。

ゆるバルク磁性体とは全く異なっている。このようなナノ一般的なナノ構造観察の手段として，現在最もポピュ

スケール磁性体の磁区構造を直接観察することは，ナノスラーに用いられている手法は原子間力顕微鏡や走査型トンケールでの磁性という基礎物理学的な観点のみならず，超ネル顕微鏡などの走査型プローブ顕微鏡あるいは走査型電高密度磁気記録の更なる飛躍を目指している産業界に直接

子顕微鏡や透過型電子顕微鏡であろう。これらの顕微鏡は関連した応用上の観点からもきわめて重要である。このよ

オングストロームレベルの空間分解能を持ち，表面構造のうに，基礎科学のみならず産業応用も支えることが出来る

評価などに威力を発揮している。

ような，ナノ構造の観察評価技術の研究開発を行うことが必要であるとわれわれは考えている。

一方，放射光の持つ優れた特性を用いることにより，放射光光電子顕微鏡によるナノ構造の観察が最近盛んに行わ

ナノ材料の研究開発が盛んに行われる一方，放射光を用れるようになってきた。放射光光電子顕微鏡による観察のいた評価技術も近年めざましく進展している。放射光の強利点を簡単にまとめると以下のようなことがあげられる。

度，輝度，エネルギー可変性，偏光性などのユニークな特1.

元素選択的なイメージングが可能。例えば，光のエ

徴は，実験室光源ではなしえなかった高分解能高スルー

ネルギーを観察したい元素の吸収端に合わせることにプットの材料評価や非常に精密な材料分析などを可能にしより，元素選択したイメージングを行うことが出来ている。放射光を用いた材料評価技術の中でも，特に本稿る。

で解説する放射光光電子顕微鏡は，近年のナノテクノロ

2.

X 線顕微分光が可能。吸収端近傍で光のエネルギー

ジーの進展とも相まって，有望な微小領域観察手法としてを変えながら光電子像を得ることにより，微小領域か

注目を集めている1,2)。放射光光電子顕微鏡のような放射らの XANES スペクトル，EXAFS スペクトルを測定光を用いた顕微分析手法の大きな強みは，従来の顕微鏡とすることが出来る。

は異なり， X 線を用いた分析分光構造解析と実空間

3.

円偏光を用いることにより，元素選択的な磁気イでのイメージングという 2 つの全く異なる手法が融合さ

メージングを行うことが出来る。また，磁気光学総和

れ，顕微分光という新しい材料評価技術のパラダイムを提則を用いることにより，磁気モーメントにおけるスピ

供するところである。特に放射光光電子顕微鏡は放射光のン磁気モーメントと軌道磁気モーメントの寄与を分離

176 ● 放射光 May 2005 Vol.18 No.3
(C) 2005 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Researchナノテクノロジー特集 ■ 放射光光電子顕微鏡を用いたナノ構造のイメージング

4.

5.

し，定量的に求めることが出来る。さらに直線偏光をとが出来るのである。ただし，XMCD の大きさは通常の用いることにより，反強磁性体の磁区構造を観察する

光吸収に比べてあまり大きいものではない（数程度）たことができる。

めに，明瞭な磁気コントラストを得るには，装置固有の誤

リアルタイム（～ ms ）で観察することができる。

差（ MCP, CCD カメラの感度ムラなど）や試料の表面の放射光を用いたポンププローブ実験によりピコ秒の凹凸などの影響を取り除く必要がある。そこで左円偏光と時間分解能を持った観察も可能である。

右円偏光でそれぞれ光電子像を取り込み，その像の差分

非破壊測定が可能である。

や，割り算を行うなどの画像処理を行うことによって磁気

一方，デメリットとしては，絶縁体の測定が難しいこコントラストを得る。光電子顕微鏡を用いて磁区観察をすと，磁場印加中での測定が難しいことなどが挙げられる。

る場合，最も磁気円二色性でコントラストが強く出るのは

これは，絶縁体ではチャージアップを起こしてしまうため

軟 X 線領域（数 100 ～ 1,000 eV ）であるため，軟 X 線領である。また，磁場印加中では光電子の軌道が磁場によっ域の円偏光が一般的に用いられている。また，硬 X 線領て曲げられ，結像することが困難になるからである。その域の円偏光放射光を用いても磁区観察を行うことが出来ため通常の方法で磁場を印加することは出来ず，試料に磁る。軟 X 線領域の円偏光は放射光以外の光源で得ること

束を閉じこめ，磁束が外に漏れないような工夫をする必要は現状では不可能であり，このため軟 X 線領域の円偏光がある。

を使うには放射光を用いることが必要不可欠である。放射光電子顕微鏡（ PEEM ）では，試料に光を照射したと光の軟 X 線領域で円偏光を得るには，アンジュレータをき光電効果によって試料から放出される光電子（二次電子）用いるか，偏向電磁石から放射される放射光の一部を切りを対物レンズにより加速拡大した後，場合によってはエ出して用いる。磁気円二色性を測定する場合，測定の効率

ネルギー分析を行い，投影レンズを通して，マルチチャン

は Figure of merit という指標で表されるが，それは単位

ネルプレート（MCP）上へ結像させ，MCP で増幅して蛍面積あたりの光子数と，円偏光度の二乗の積によって決ま

光スクリーン上へ光電子像を映し出す。蛍光スクリーン上る。このため，高い円偏光度は重要であり，高い空間分解の光電子像は CCD カメラなどで取り込み，コンピュータ

能やコントラストをねらう場合には，アンジュレータの利へ転送して画像処理を行う。詳細については参考文献4)を用が必須である。

参照されたい。

XMCD においては磁気光学総和則と呼ばれる法則が知

ここで，放射光を光源として用いた場合を考える。放射られており，磁気光学総和則を適用することによって磁気光の持つ大きな特徴であるエネルギー可変性を利用するこモーメントを定量的に見積もることが出来るとともに，スとにより特定の元素の吸収端のエネルギーに光のエネル

ピン成分と軌道成分とに分離することが出来る。磁気光学

ギーを合わせることが出来る。一般に二次電子の放出強度総和則の詳細については他の文献を参照されたい7,8) 。光は光吸収の強度に比例することが知られているため，光電電子顕微鏡で得られた像に磁気光学総和則を適用するに子の像の強度は局所的な場所での光吸収強度に比例していは，吸収端近傍で光のエネルギーを変えながら，左右円偏る。このため，特定の元素の吸収端で観察を行うことによ光についてそれぞれ光電子像を取り込み，光電子像の各ピ

り，元素選択的な像（化学イメージ）を得ることが出来る。

クセルに対して，磁気光学総和則を適用する必要がある。

原理的にはこの手法を用いることにより，光電子顕微鏡の

このようにすることによってスピン磁気モーメント軌道持つ空間分解能でのイメージングを行うことができるた

磁気モーメントの空間マッピングが可能となる。軌道磁気

め，現状では数10 nm 程度の空間分解能で化学イメージン

モーメントの空間的なマッピングを直接行うことが出来る

グが可能である。また，光のエネルギーをスキャンするこ

手法は極めて限られているため，磁気異方性など軌道磁気とにより， X 線吸収スペクトルを上述の空間分解能で測モーメントが重要な役割を担う現象の理解には，放射光光定することが出来る。また，X 線吸収微細構造（EXAFS）

電子顕微鏡による観察が非常に有効となる。しかしながら測定により，物質のナノスケールでの局所構造解析を行う

この手法はまだ適用例が限られており，今後の発展が期待ことも出来る。この手法（ nano-XAFS ）は最近われわれされる。

が開発した手法であり，後述する。

この他に放射光光電子顕微鏡に非常に特徴的なこととし

また，円偏光を用いることにより， X 線磁気円二色性て，直線偏光を利用することによる反強磁性体の磁区観察（XMCD ）を利用して，化学イメージングと併せて，強磁があげられる。反強磁性体では隣りの副格子の磁性原子間性体の元素識別した磁気コントラストを得ることが出来で磁気モーメントがうち消し合ってしまうため，反強磁性

る5,6) 。このため強磁性体の磁区構造を観察することが可体の磁区構造観察は極めて困難であり，反強磁性体の磁区能となる。XMCD においては，円偏光を試料に照射した観察は反強磁性秩序に伴って起こる格子歪みなどの間接的ときの光の進行方向に対して磁化の向きが平行か反平行かな情報に頼っていた。このため現在でも反強磁性体に関し

で吸収強度が異なる。このため，円偏光 X 線を照射してては分かっていない問題も数多く残されている。近年，ス

光電子像を観察することによって試料の磁区構造を得るこ

ピンバルブなどに反強磁性体が用いられるようになり，一放射光 May 2005 Vol.18 No.3 ● 177

気に反強磁性体の有用性が認識され，反強磁性体の理解が上であり，他の不揮発性メモリと比較しても極めて高い性求められるようになってきた。しかしながら前述したよう能を持っている。しかしながら，現在開発が進められていに反強磁性体の磁区構造を観察することが出来る手法はきる MRAM は面内あるいは垂直磁化の方向により情報を記

わめて限られており，反強磁性体の磁区構造を直接観察す録するため，ビット間の磁気的な干渉が超高密度化に対することができる放射光光電子顕微鏡は今後の反強磁性体研る壁となっている。この問題を解決する方法として，われ究に欠かせないツールになるであろうと思われる。以下，

われは vortex カイラリティを利用した記録方法に注目し反強磁性体の磁区がなぜ観察出来るかを簡単に説明する。

た。この方法では，磁束が閉じた vortex を用い，カイラ

XMCD において二色性の大きさは磁気モーメント M の平

リティの時計回り反時計回りを記録に用いることでビッ

均〈M〉に比例する。このため強磁性体の磁区の中では磁ト間の干渉を低減することができるためである。しかしな性原子の磁気モーメントが揃っているので，磁区が明瞭にがら応用へ向けては，カイラリティの制御という困難な課観察される。しかしながら，反強磁性体では隣り合う磁性

題が残されている。

原子どうしで磁気モーメントは反平行であるため，磁化のまた一方でカイラリティは内部で磁束が閉じているた

平均〈M〉を考えると隣どうしで打ち消し合ってゼロになめ，磁気力顕微鏡などでは直接観察が困難である。 Vor-ってしまう。これに対し，直線偏光を用いた二色性である

tex 構造を利用したデバイスの開発にはこのようなカイラ

X 線磁気線二色性（ XMLD ）では二色性の大きさは磁気

リティを観察する手法が必要不可欠である。以上の背景をモーメント M の二乗平均〈 M 2〉に比例する9,10) 。このた vortex
もとに我々はカイラリティ制御を目的として，◯め強磁性体のみならず反強磁性体でも〈 M2〉は有限の値

 カイラリティ制御手法を考カイラリティの直接観察，◯を持つので磁区構造に対応するコントラストが得られるこ案，実証することを試みた。

とになる。反強磁性体の磁区観察については本稿では取り上げないので，文献を参照されたい11)。

カイラリティ観察は磁気力顕微鏡では難しく，磁気光学

Kerr 顕微鏡では磁気モーメントを観察することはできる

光電子顕微鏡の大きな特徴として空間分解能が高いこと

ものの，空間分解能は回折限界で制限され400 nm 程度でが挙げられる。現在，放射光光電子顕微鏡においては空間あるので， vortex 構造を形成するような微小な磁性体の分解能15 nm が得られている。光電子顕微鏡の分解能を制

磁区構造観察は難しい。そこでカイラリティ観察を可能に限しているのは，電子レンズ系の球面収差であり，現在球する手法として放射光光電子顕微鏡に着目した。本研究で面収差補正の試みが世界で精力的に行われている。今後さは高エネルギー加速器研究機構 PF AR に新たに開発したらにエネルギーフィルターの利用での色収差の減少，球面

mobilePEEM システムを設置し，カイラリティの直接観収差補正技術の進展などにより空間分解能はもう 1 桁ぐ察を行った。

らいよくなり，近い将来には数 nm に達することが期待される。

カイラリティ制御を行うには磁化反転過程を知る必要があるため，本研究ではまずマイクロ磁気シミュレーションを行った。マイクロ磁気シミュレーションは微小磁性体の2. ナノ磁性体の観察

磁区構造を Landau-Lifshitz-Gilbert ( LLG ) 方程式に基づいて計算する手法であり，ナノ磁性体における vortex の

磁気記録デバイスは超高密度化にともない微小化が進振る舞いやその磁化過程を考察する上で有効な手法であみ，1 ビットあたりの記録領域はナノメートルサイズに達る。 vortex を持つナノ磁性ディスクの磁化過程についてしている。ナノ磁性体ではバルクとは異なった磁区構造をは，解析的なモデル（ rigid vortex model ）が知られてお示し，その磁気物性は形状や大きさに強く依存する。そのり，単一 vortex の移動と消滅により説明されている。し顕著な例として，ナノ磁性ディスクに見られる磁化分布のかしながら，磁化反転過程において vortex が同時に 2 つ渦（ vortex ）構造が挙げられる。 Vortex 構造の状態を示生成する状態があり得ることが実験的に報告されており，すものとして，その時計回り反時計回りを示すカイラリ

単一 vortex だけのモデルでは説明できない。そこで磁化

ティ，および vortex 中心での上向き下向きの吹き出し

反転過程における vortex の振る舞いを解明することが，磁化を示すポラリゼーションの 2 つが存在する。我々はカイラリティ制御の実現への糸口となると考え，マイクロ

下記に述べる磁気ランダムアクセスメモリー（ MRAM ）磁気シミュレーションを行った。さらに得られた知見をも素子開発の観点から vortex のカイラリティに注目し，カとにカイラリティ制御手法の探索とデバイス設計を行っイラリティの制御手法の開発とカイラリティ制御の直接観た。さらにカイラリティ制御可能な素子を実際に作製し，察を目的として研究を行ってきた。

開発した放射光光電子顕微鏡を用いて実証を試みた。

ナノ磁性体は次世代メモリとして有望な MRAM への応本研究では Elmitec 社製の光電子顕微鏡 PEEMSPEC-

用が期待されている。MRAM は不揮発性であるため，消TOR を用いて小型で移動可能なシステム mobile-PEEM

費電力の点で従来の DRAM よりも極めて優れている。さを開発した。開発した mobile-PEEM の空間分解能についらにその書き込み速度や耐久性は DRAM と同等かそれ以て Hg ラ ン プ を 用 い て 評 価 し た 結 果 ， 27 nm で あ っ た

178 ● 放射光 May 2005 Vol.18 No.3

ナノテクノロジー特集 ■ 放射光光電子顕微鏡を用いたナノ構造のイメージング

Fig. 3Fig. 1PEEM image of a patterned silicon sample using newly developed mobile-PEEM system. The spatial resolution is estimated to be 27 nm.

PEEM image of a patterned Ni sample observed at PFAR.
The spatial resolution is estimated to be 130 nm.

ュレーションを行った。まず磁化反転過程での， vortexの振る舞いを明らかにすることを試みた。マイクロ磁気シ
ミュレーションは NIST で開発された 2 次元シミュレー
タ OOMMF を用いた。シミュレーションの結果，これまで報告されているようにゼロ磁場では単一 vortex 状態であり，磁場を印加すると vortex が移動することによってディスクの磁化分布が変化し最後は消滅して単磁区構造となった。一方，磁化反転過程において 2 種類の反転モー
ド が 存在 す るこ と が分 か っ た。 こ れは い ずれ も 2 つ のvortex が生成し，移動することによって起こる。これらの磁化反転モードは C-shape mode, S-shape mode と呼ばれている。C-shape mode では印加磁場を小さくしていくと互いに等しいカイラリティを持った 2 つの vortex が現れ，それらが結合しゼロ磁場では単一 vortex 構造を維持する。通常の磁化反転過程においてはこのモードが起こる
が，シミュレーションの結果，印加磁場が vortex が消滅
Fig. 2The mobile-PEEM system at NE1B of the PFAR.

する磁場より十分大きい場合に， S-shape mode と呼ばれるもうひとつの反転過程モードが存在することが分かった。このモードではカイラリティの異なる 2 つの vortex（Fig. 1）。測定は高エネルギー加速器研究機構 Photon Fac-が現れ，その移動の際にそれらが結合することなく，ゼロ

toryAdvanced Ring (PFAR) で行った（Fig. 2）。試料は磁場においても 2 つの vortex が存在することが分かった。

電子線リソグラフィーおよびフォトリソグラフィーで作製

2 種類の磁化反転モードについて，ディスク内での磁化分したものを用いた。パーマロイで作製したナノ磁性体（大布の変化について検討した結果，磁化分布の対称性がモー

きさ 2 mm ，厚さ50 nm ）の光電子像から PEEM システム

ドを決定していることが分かった。 Fig. 4 上段および中段の性能評価を行った結果，放射光を用いて 130 nm の空間に円形ディスクにおいて右方向（＋x 方向）に磁場を印加分解能を有していることが分かった（Fig. 3)12)。

したときの磁化分布の模式図を示す。ディスク左右のエッ次にカイラリティ制御を目的として，マイクロ磁気シミ

ジの部分で＋y/－y 方向に傾いていることが分かる。これ

放射光 May 2005 Vol.18 No.3 ● 179Fig. 4

Schematic diagram of magnetization distribution in a nanodisk (up and middle) and a chirality-controlled devices(down).

Fig. 5Micromagnetic simulation results for the chirality controlled
device. A vortex chirality can be controlled by the directionof an applied magnetic ˆeld.

Fig. 6The designed chirality controlled devices (up) and XMCDPEEM image of the chirality controlled devices. It is clearlyobserved that the vortex chirality is perfectly controlled.

証するために，カイラリティ制御素子を実際に作製し，

mobile-PEEM システムを用いてカイラリティ直接観察を試みた。試料はリソグラフィとリフトオフ法を用いて作製はエッジで反磁界エネルギーを下げることによって，静磁した，パーマロイ（ Ni80Fe20）素子である。 4 つのタグ付

エネルギーを安定化させるためである。このような傾きはきの円形ディスクの両端のディスクには下側にタグが，中図のような 4 種類の場合が考えられる。磁化反転過程で

央 2 つのディスクには上側にタグが付いた素子を作製しはこの 4 種類の磁化分布からそれぞれ 2 つの vortex が生た。試料は外部磁場を印加し，残留磁化状態での磁気イ成する。図のディスク内に示された丸印は局所的な交換エメージングを行った。実験は全て室温で行った。測定に用ネルギーが高い部 分であり，ここから vortex が生成すいた光のエネルギーは NiL3 吸収端に対応している。Fig. 6

る。上段の 2 つでは生成する 2 つの vortex のカイラリテ

上段は右円偏光と左円偏光を用いて得た 2 つの像の差分

ィ が 互 い に 等 し い た め に ， vortex が 結 合 し ， C-shapedをとった像である。各ドット内に明るい部分から暗い部分

mode となる。一方，中段の 2 つでは生成する 2 つの vor-

へと変化するコントラストが見られた。明るい部分は放射

tex のカイラリティが互いに異なるため結合せず，ゼロ磁光の入射方向と平行な成分を持った磁化が大きく，逆に暗場でも 2 つの vortex が共存する S-shaped mode となる。

い部分はその反平行の磁化成分が大きいことを意味する。

カイラリティの制御には常に同じ部分から vortex 生成

この結果から各ディスクはそれぞれ図に示すようなカイラ

することが重要である。我々はディスクにタグを付加する

リティを持っていることが分かる。さらにタグが同じ方向ことによって vortex を常に同じ場所から生成させることに付いているものは互いに等しいカイラリティを持っておが可能なデバイスを設計した（Fig. 4 下段右）。このデバイ

り，一方，タグが異なる方向に付いているものは互いに異スについてのマイクロ磁気シミュレーションの結なるカイラリティを持っていることからカイラリティを制果， Fig. 5 に示すように，左方向に磁場を印加した後，ゼ御出来ていることを示すことができた13)。

ロ磁場に戻すと反時計回りのカイラリティを持った vor-tex が現れ，反対に右方向に磁場を印加した場合は，時計回りの vortex がゼロ磁場で残った。このことからわれわ

3. 硬 X 線領域での光電子顕微鏡を用いた
X 線イメージングと顕微 X 線分光れが設計したデバイスによってカイラリティの制御が可能であることが示唆された。
そこで，われわれの考案したカイラリティ制御手法を実180 ● 放射光 May 2005 Vol.18 No.3

硬 X 線領域での顕微分光手法としてはフレネルゾーン
プレート（ FZP ）や KB ミラーなどの X 線光学系を用いナノテクノロジー特集 ■ 放射光光電子顕微鏡を用いたナノ構造のイメージング

た X 線集光型の顕微分光法が一般的である。これらの手のラインアンドスペースを用いて行った空間分解能評価の法では，空間分解能を向上させるために回折限界に迫る必結果を示す。図から200 nm のラインアンドスペースが明要があり，そのためには， X 線のコヒーレンスが要求さ

瞭に観察出来ていることが分かる。また，エッジの急峻される。また， FZP ではエネルギースキャンを行う際に色から空間分解能が40 nm であると見積もった。

収差が大きく，焦点位置を同時にスキャンする必要があ

次に硬 X 線領域において光電子顕微鏡を用いた磁気イ

る，また，集光する過程で光子フラックスが減少するなど

メージングを行った。本研究では，次世代の超高密度磁気の難しさがある。一方，光電子顕微鏡は光電子放出した光記録媒体に着目し，その開発において必要不可欠な元素選電子を電子レンズ系で結像する結像型の顕微鏡であるた

択的磁気イメージングを Pt の吸収端で行うことを目的とめ，集光技術を必要とせず比較的簡便にイメージングが可した。

能である。また，光子エネルギーを変化させて像を取り込むことで，測定後に取得した画像の任意の微小領域から

X 線吸収スペクトルを得ることができる。
このようなことから，われわれは光電子顕微鏡を硬 X線領域での顕微分光手法として用いる可能性の探索を主眼として研究を展開している。最近の研究で光電子顕微鏡を用いることにより，硬 X 線領域においても 40 nm という高い空間分解能を得ることが可能であることが分かった。
また各元素の吸収端近傍で光子エネルギーを変化させて像を 得る こ と に よ り ， 取 得画 像 か ら 微 小 領 域 の XANES,EXAFS を得ることができる事も分かった。そこで，本稿ではわれわれが開発を行っている，硬 X 線領域での光電子顕微鏡を用いた顕微分光の取り組みを紹介したい。
用いた光電子顕微鏡システムは，小型で移動可能なもの

Fig. 8A schematic diagram of the beamline and PEEM control system.

Fig. 9PEEM image of Co line and space samples taken at BL39XU
of SPring-8. The spatial resolution of hard x-ray imaging isestimated to be 40 nm.

であり（ Elmitec PEEM SPECTOR ），ナノテクノロジー
支 援 プ ロ ジェ ク ト に よ り 導 入 さ れ た 。 実 験 は SPring-8

BL39XU で行った（ Fig. 7 ）。 BL39XU ではダイヤモンド
移相子を用いた円偏光のスイッチングが可能である。本研
究ではビームライン（挿入光源ギャップ，分光器，移相子）の制御と光電子顕微鏡の制御をコンピュータで一括して行うシステムを構築した（Fig. 8）。本システムでは，円偏光切り換えと画像取り込みを速いサイクルで繰り返し行うことで， S / N 比を向上させることにより，明瞭な磁気イ
メージングを行う事が可能になった。

Fig. 9 に Si 上に電子ビームリソグラフィで作製した Co

Fig. 7

MobilePEEM system at BL39XU of SPring-8.

放射光 May 2005 Vol.18 No.3 ● 181

Fig. 10

Hard x-ray magnetic image of a CoCrPt thin ˆlms with perpendicular magnetic recordings.

磁気イメージングに用いた試料は，次世代の高密度磁気記録媒体として注目されている CoCrPt 薄膜に垂直および面内方向に磁気記録を行ったものを用いた。試料作製および磁気記録は東北大学電気通信研究所村岡研究室で行っFig. 11た。まず，垂直磁気記録した CoCrPt 薄膜の磁気イメージ

Hard x-ray magnetic image of a CoCrPt thin ˆlms with inplanemagnetic recordings. The spatial resolution of hard xray magnetic imaging is estimated to be 136 nm.

ングを行った。Fig. 10 に得られた磁気イメージを示す。Ptの L3 と L2 吸収端の両方で明瞭な記録パターンが観察された。また， L3 と L2 吸収端で XMCD の符号の違いに起晶の集まった材料が示す物性を明らかにすることが重要と因してコントラストが反転していることが分かる。この結なっている。硬 X 線 PEEM を用いた nano-XAFS が研究

果から光電子顕微鏡をもちいて硬 X 線領域においても磁開発の現場で今後ますます重要となっていくことを期待し気イメージングを行うことが可能であることが分かった。

たい。

次に面内方向に磁気記録を行った試料について磁気イ

次に PEEM を硬 X 線領域で用いることにより，電子のメージングを行った。本研究で用いた PEEM システムに

平均自由工程が長いことを利用して，薄膜の界面などに埋である。
おいては，入射光とサンプルとの間の角度は60°め込まれた微細な構造の観察分光が可能であると考えそのため面内の磁化成分に対しての磁気コントラストがよた。そこで，硬 X 線 PEEM による埋もれた界面ナノ構造

り明瞭に得られる。Pt L3 吸収端で得た面内磁気記録薄膜の可視化を目的として，薄膜中に埋め込んだ界面微細構造の磁気イメージを Fig. 11 に示す。面直磁気記録試料の場合の観察を試みた。さらに異なる深さのキャップ層で埋め込と同様に明瞭なパターンを見ることができた。また面内磁まれた試料の X 線吸収スペクトルから，硬 X 線 PEEM

化の方がより少ない積算時間でイメージングが可能であのプローブ深さについても見積もった。

り，試料のドリフトによる空間分解能の低下が避けられ試料は Si 基板上にリソグラフィーにより Au の微細構た。そのため600 nm ピッチで書き込まれたパターンも観造を作製した後， Co 薄膜でキャップすることで Au の微察することができた。このとき得られた磁気イメージに対細構造を埋め込んだ。Co キャップ層の膜厚がそれぞれ50

す る空 間 分 解 能 は ， Fig. 12 に 示 す よ う に 136 nm で あ っ

nm, 100 nm, 200 nm の 3 種類の試料を作製した。

た。本研究により，光電子顕微鏡を用いて高い空間分解能

Fig. 13 に作製した Au の微細構造の断面模式図を示す。

で硬 X 線領域の磁気イメージングを行うことが可能であCo キャップ層下に Au の微細構造が埋め込まれた構造にることが分かった。

なっている。Fig. 1(b )はキャップ層堆積前にレーザー顕微

Fig. 12 に鉄隕石における Fe および Ni の化学イメージ

鏡によって観察した Au のパターンである。本研究で用い

ングと nano-XAFS の結果を示す。鉄隕石は組成の異なるた試料のキャップ層厚は50 nm, 100 nm, 200 nm の 3 種類

FeNi 合金がミクロンスケールで集積したものであり，個である。 Fig. 14 に PEEM によって観察したキャップ層 50々の組成における化学状態結晶構造電子状態磁性をnm 試料を示す。測定は Au L 吸収端近傍の X 線を用いて測定することはこれまで困難であった。そこでわれわれは行った。図の明るい部分は埋め込まれた Au の微細構造で

硬 X 線 PEEM を用いて，これらの微小領域からの EX-ある。50 nm のキャップ層で埋め込まれていても，界面のAFS および XANES スペクトルを測定することにより，

Au の微細構造を明瞭に観察できていることが分かる。さ

微結晶粒の個々の化学状態および結晶構造を明らかにする

らに，Au 吸収端の上下で得られた像の差分をとることにことに成功した。自然界及び産業界に直結した材料開発のより，Au に由来するコントラストのみを抽出することが現場では，むしろ単結晶材料を用いることはまれで，微結できた。このときの空間分解能を見積もったところ，約182 ● 放射光 May 2005 Vol.18 No.3

ナノテクノロジー特集 ■ 放射光光電子顕微鏡を用いたナノ構造のイメージング

Fig. 12Fig. 13

Chemical imaging and nano-XAFS of Fe and Ni in iron meteorite.

Cross-sectional schematic diagram of buried Au nanostructures.

Fig. 15

Nano-XAFS spectrum from the buried Au nanostructure.

いるためと考えられる。また 100 nm, 200 nm の厚いキャップ層で埋め込んだ試料においても同様に Au の微細構造
Fig. 14

Hard x-ray PEEM image of a buried Au nanostructures
capped with a 50 nm Co layer.

を明瞭に観察することに成功した。また像の任意の微細な領域から X 線吸収スペクトルを得ることができた（ Fig.

15）。以上の結果から，硬 X 線領域で光電子顕微鏡を用いることにより，埋め込まれた界面微細構造の元素選択的な

270 nm 程 度 で あ る こ と が 分 か っ た 。 本 研 究 で 用 い た

イメージおよび X 線吸収スペクトルを得られることが分

PEEM シ ス テ ム の 空 間 分 解 能 が 約 40 nm で あ る こ と かかった。

ら，このような空間分解能の低下は界面構造から放出されNano-XAFS のプローブ深さの見積もりは Au の L3 吸

たオージェ電子が薄膜中を等方的に広がって表面に達して収端の前後のエネルギーでの強度からエッジジャンプを求放射光 May 2005 Vol.18 No.3 ● 183

め，バックグラウン ドで規格化した。 nano-XAFS のプ

学院生の谷内敏之氏によって行われた。また，本研究は高ローブ深さはおよそ25 nm と見積もられた。一方，化学コ

輝度光科学研究センターの脇田高徳，鈴木基寛，河村直

ントラストのプローブ深さについては，Au の存在する領巳，高垣昌史，小林啓介の各氏，広島大学の小嗣真人氏と域と存在しない領域のそれぞれのコントラストを選択し前の共同研究によるものである。装置開発および研究に際し者を後者で規格化することによって求めた。その結果，てアリゾナ州立大学の Ernst Bauer 教授との議論が大変役

nano-XAFS の プ ロ ー ブ 深 さ と は 異 な り ， 300 nm の プ

財 新世代研究所の助成およびに立った。本研究の一部は，

ローブ深さを有していることが分かった。以上の結果より

科学研究費補助金を受けて行った。また，本研究の一部は

硬 X 線領域で PEEM を用いることによりナノ領域の埋めナノテクノロジープログラムの一環として， NEDO の委

込まれた界面構造を可視化することが可能であり，さらに託により実施された。試料作製は，文部科学省のナノテク

その領域の nano-XAFS が得られることが分かった。

独 産業技
ノロジー総合支援プロジェクトの支援を受けて，

術総合研究所ナノプロセシング施設において秋永広幸氏と4. 今後の展望の 共 同 研 究 に よ り 実 施 さ れ た 。 SPring-8 に お け る 実 験は，文部科学省のナノテクノロジー総合支援プロジェクト

放射光光電子顕微鏡を用いた研究は国内外の放射光施設の支援を受けて行った。

で盛んに行われており，大別すると二つの方向に進んでい参考文献

る。一つの方向は，放射光光電子顕微鏡の最先端を目指す
方向であり，究極の空間分解能（＜数 nm ）時間分解能

1)（＜ps ）などを目指した研究開発が主に海外の放射光施設で進んでいる。このような研究開発の進展により，以前に比べて光電子顕微鏡は高性能で使いやすいものになってき2)ている。今後の進展により，数 nm の空間分解能を有する
光電子顕微鏡が身近なものになれば，対象となるナノ材料
もはるかに増えるであろう。もう一つの方向性としては，材料開発の基礎研究・応用研究に役立つ，使いやすい光電子顕微鏡技術の開発があり，国内で盛んに行われている。
光電子顕微鏡が真に有用な観察・分析技術になり，普及するためにはこの方向での研究開発が不可欠であると我々は考えている。
我々の今後の放射光光電子顕微鏡を用いた研究のターゲットとして，ナノ磁性体の時間分解イメージング（ダイナミクス），強相関酸化物などでの本質的な電子状態の不均一性の解明，表面での触媒反応のカイネティックス観察などを考えている。これまでは難しかった，ナノ領域での電

3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)

子状態の可視化やスペクトロスコピーにより，全く新しい知見が得られることを期待している。

11)

今後は，より多くの研究者が光電子顕微鏡に興味を持
ち，実際に光電子顕微鏡を用いた観察を通して研究に役立てることが出来るような，光電子顕微鏡を用いたイメージ

12)

ング技術の開発をしたいと思っている。
13)

謝辞
本研究の大部分の実験は東京大学大学院工学系研究科大184 ● 放射光 May 2005 Vol.18 No.3

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ナノテクノロジー特集 ■ 放射光光電子顕微鏡を用いたナノ構造のイメージング● 著者紹介 ●
小野寛太

尾嶋正治

高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所
E-mail: kanta.ono＠kek.jp
専門放射光を用いたナノ材料の研究［略歴］
1996 年東京大学大学院理学系研究科化学専 攻 博士 課程 修 了， 博 士（ 理学 ），1996 年東京大学大学院工学系研究科応用化学専攻助手， 2002 年高エネルギー
加速器研究機構助教授，現在に至る。

東京大学大学院 工学系研究科 応用化学専攻
E-mail: oshima＠sr.t.u-tokyo.ac.jp
専門表面物理化学，放射光利用表面物
性［略歴］
1974 年東京大学大学院工学系研究科合成化学専攻修士課程修了， '74 年，日本
電信電話公社武蔵野電気通信研究所（現
NTT 研究 所 ）入 社， '81 '82 スタ ンフ
ォード大学客員研究員， '84 年工学博士（東京大学）， '95 年東京大学大学院工学系研究科応用化学専攻教授，現在に至る。

Imaging of nanostructures using synchrotron
radiation photoelectron emission microscopy
Kanta ONO
Masaharu OSHIMA

Institute of Materials Structure Science, High Energy Accelerator Research
Organization (KEK) 11 Ono, Tsukuba 3050801, Japan
School of Engineering the University of Tokyo731 Hongo, Bunkyoku, Tokyo 1130033, Japan

Abstract Synchrotron radiation photoelectron emission microscopy (PEEM) is widely used as a tool for imaging of nanostructures. In this article, we brie‰y introduce the principle and the distinctive characteristics ofPEEM. We show the two examples of our PEEM study. One is observation of the vortex chirality in nanoscale
magnetic disk and development of the vortex chirality controlled devices. Another example is chemical imaging and nano-XAFS using PEEM with hard x-rays. We have developed a technique for chemical/magnetic imaging, nano-XAFS, and visualization of a buried interface with hard x-ray PEEM.

放射光 May 2005 Vol.18 No.3 ● 185