DE112018006418T5

DE112018006418T5 - Rasterelektronenmikroskop und Verfahren zur Analyse des Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads

Info

Publication number: DE112018006418T5
Application number: DE112018006418.2T
Authority: DE
Inventors: Teruo Kohashi; Hideo Morishita; Junichi Katane
Original assignee: Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2020-08-27
Also published as: JPWO2019186736A1; JP6836688B2; US11170972B2; CN111556963B; US20200402762A1; WO2019186736A1; CN111556963A

Abstract

Ein Rasterelektronenmikroskop umfasst einen Spin-Detektor zur Messung des Spinpolarisationsgrads der von einer Probe emittierten Sekundärelektronen und eine Analysevorrichtung zur Analyse der Messdaten des Spin-Detektors. Die Analysevorrichtung bestimmt in den Messdaten die Breite eines Bereichs, in welchem der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad sich lokal ändert. Die Analysevorrichtung bewertet auf der Basis der Breite dieses Bereichs eine Spannung in der Probe. Das derart konfigurierte Rasterelektronenmikroskop ermöglicht die Messung einer Spannung in einem magnetischen Material mit hoher Genauigkeit.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Rasterelektronenmikroskop und ein Verfahren zur Analyse des Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads.
Stand der Technik
Es gibt ein Verfahren, um in einem Rasterelektronenmikroskop den Spinpolarisationsgrad der Sekundärelektronen von einem magnetischen Material als Probe zu erkennen und eine Abbildung (Mapping) der Magnetisierung durchzuführen (siehe zum Beispiel PTL 1). Es ist bekannt, dass der Spinpolarisationsgrad der Elektronen im Inneren des Materials ein Ursprung der Magnetisierung ist und der Spinpolarisationsgrad größtenteils erhalten bleibt, selbst wenn Elektronen als Sekundärelektronen von der Probe emittiert werden.
Demnach ist es möglich, die Magnetisierung am Emissionspunkt der Sekundärelektronen zu bewerten, indem Sekundärelektronen einem Spin-Detektor zugeführt werden und deren Spinpolarisationsgrad gemessen wird. Wenn eine Probenoberfläche mit einem Primärelektronenstrahl abgetastet wird und der Spinpolarisationsgrad der Sekundärelektronen sequenziell gemessen wird, ist zudem eine Abbildung (Mapping) der Magnetisierung in einem Abtastbereich möglich. Dieses Verfahren ist als spinpolarisierte Rasterelektronenmikroskopie (Spin-SEM) bekannt und hat Vorteile wie eine hohe Auflösung bis zu 10 nm und eine dreidimensionale Erfassung aller Magnetisierungsrichtungen aufzuweisen. Bisher wurde das Verfahren auf dem Gebiet des Grundmagnetismus und zur Bewertung von magnetischen Geräten wie z.B. magnetischen Speichermaterialien und Permanentmagnetmaterialien verwendet.
Liste der Bezugsliteratur
Patentliteratur
PTL 1: JP-A-2011-059057
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Es ist bekannt, dass Spannungen, die in einem Material vorhanden sind, großen Einfluss auf die Eigenschaften von Stahlmaterialien und magnetischen Materialien haben. Spannungen bewirken zum Beispiel eine Verschlechterung des Strukturmaterials, die die Anisotropie der Magnetisierung und die magnetische Permeabilität im magnetischen Material verändert. Das heißt, sie stehen in direktem Zusammenhang mit der Lebensdauer des Strukturmaterials oder mit dem Stromverbrauch eines Elektromotors, weshalb die Kontrolle der Spannungen und deren Messung für die Entwicklung dieser Materialien sehr wichtig sind. Die quantitative Messung von Spannungen oder die Bewertung ihres Verteilungszustands ist jedoch nicht einfach.
Gegenwärtig gibt es ein Verfahren (KAM-Verfahren: Kernel Average Misorientation Method) zur Messung einer Änderung einer Gitterkonstante und einer Azimutdifferenz durch Elektronenrückstreuung (EBSD), die gegenwärtige Nachweisgrenze ist jedoch ein Spannungsbetrag von etwa 0,01 %. Ferner weisen viele Eisen- und Stahlmaterialien einen Magnetismus auf, da Eisen ihr Hauptbestandteil ist, und insbesondere wurden auch Versuche unternommen, um durch Beobachten einer magnetischen Domäne in einer elektromagnetischen Stahlplatte und dergleichen spannungsbezogene Information zu erhalten.
Da die Größe und Form einer magnetischen Domäne sich in Abhängigkeit von der Spannung ändern, wird die Spannung mit einem optischen Mikroskop bewertet, das zur Beobachtung von magnetischen Domänen den Kerr-Effekt nutzt. Doch bei diesem Verfahren ist die quantitative Bewertung der Spannung schwierig, und es ist lediglich möglich, eine Tendenz der Spannung in einem weiten Sichtfeld zu unterscheiden. Mit der Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Eisen- und Stahlmaterialien und magnetischen Materialien ist eine detailliertere Bewertung von Spannungen in den Materialien notwendig geworden, und es besteht ein Bedarf an einem Detektionsverfahren mit hoher Genauigkeit.
Daher ist ein Gerät erwünscht, das es ermöglicht, Spannungen in Eisen- und Stahlmaterialien und in magnetischen Materialien zu analysieren und deren Verteilung oder Spannungsbetrag anzuzeigen, oder ein Analyseverfahren dafür.
Lösung des Problems
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein Rasterelektronenmikroskop mit einem Spin-Detektor bereit, das dazu konfiguriert ist, den Spinpolarisationsgrad eines von einer Probe emittierten Sekundärelektrons zu messen, und eine Analysevorrichtung, die dazu konfiguriert ist, die Messdaten des Spin-Detektors zu analysieren, wobei die Analysevorrichtung in den Messdaten die Breite eines Bereichs bestimmt, in welchem der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad sich lokal ändert, und auf der Basis der Breite dieses Bereichs eine Spannung in der Probe bewertet.
Vorteilhafte Wirkung
Einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung gemäß ist es möglich, die Spannung in einem magnetischen Material mit hoher Genauigkeit zu analysieren.
Figurenliste

[1A] 1A ist eine schematische Darstellung eines Rasterelektronenmikroskops, das eine Funktion zur Detektion des Spinpolarisationsgrads von Sekundärelektronen aufweist.
[1B] 1B zeigt ein Konfigurationsbeispiel einer Rechen- und Anzeigeeinheit des Rasterelektronenmikroskops.
[2A] 2A zeigt ein Mapping-Bild des Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads eines verspannten Mu-Metalls (Permalloy) und ein Messergebnis der Domänenwandbreite.
[2B] 2B zeigt ein Mapping-Bild des Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads eines spannungsfreien Mu-Metalls und ein Messergebnis der Domänenwandbreite.
[3] 3 zeigt ein Beispiel eines Sekundärelektronenspinbilderfassungs- und -analysebildschirms in einer Steuereinheit eines Rasterelektronenmikroskops.
[4A] 4A zeigt einen Messwert der Magnetisierung in einer beispielhaften Domänenwandbreitenanalyse.
[4B] 4B zeigt eine Linie, die durch Anpassung des in 4A gezeigten Messwerts der Magnetisierung durch eine trigonometrische Funktion erhalten wurde.
[4C] 4C zeigt eine Linie, die durch Differenzierung des in 4A gezeigten Messwerte der Magnetisierung durch eine Approximationsfunktion erhalten wurde.
[5A] 5A zeigt, in der beispielhaften Domänenwandbreitenanalyse, ein Beispiel für eine Richtung, in der die Analyse an einer erkannten Domänenwandposition durchgeführt wird.
[5B] 5B zeigt ein Analyseergebnis in der in 5A gezeigten Richtung.
[6A] 6A zeigt ein Magnetisierungskomponentenbild in einer beispielhaften Spannungsverteilungsanalyse.
[6B] 6B zeigt ein Bild, das durch Verbinden von Stellen mit derselben Domänenwandbreite im Magnetisierungskomponentenbild von 6A erhalten wurde.
[6C] 6C zeigt ein Spannungsverteilungsbild, das aus dem Bild von 6B erzeugt wurde.
[7] 7 zeigt einen beispielhaften Sekundärelektronenspinbildanalysebildschirm in der Steuereinheit des Rasterelektronenmikroskops.
[8A] 8A zeigt ein Magnetisierungskomponentenbild in einer beispielhaften quantitativen Analyse einer Spannung in einer Probe.
[8B] 8B zeigt ein beispielhaftes Domänenwand-Analyseergebnis des Magnetisierungskomponentenbilds von 8A.
[9] 9 zeigt eine beispielhafte Analyse, die Änderungen im Materialtyp, in der Kristallinität und in der Kristallorientierung in einem Sichtfeld berücksichtigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
1A zeigt eine Grundkonfiguration eines Elektronenmikroskops der vorliegenden Offenbarung. Das Elektronenmikroskop ist ein Spannungsmessgerät, das die Messung der Spannung in einem magnetischen Körper durchführt. Das Elektronenmikroskop umfasst einen Tisch, der eine Probe 101 fixiert, ein elektronenoptisches System, das die Probe abtastet, indem es diese mit einem fokussierten Primärelektronenstrahl 104 bestrahlt, einen Spin-Detektor 103, der den Spinpolarisationsgrad von Sekundärelektronen 102 misst, die von der Probe emittiert werden, und eine Rechen- und Anzeigeeinheit 100.
1B zeigt ein Konfigurationsbeispiel der Rechen- und Anzeigeeinheit 100. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 ist eine Analysevorrichtung und kann einen herkömmlichen Computer und seine Peripheriegeräte umfassen. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 ist ein Computersystem, das ein Programm zur Analyse von Daten über den Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad ausführt. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 umfasst einen Prozessor 110, ein Hauptspeichergerät 120, ein Hilfsspeichergerät 130 und eine Schnittstelle (I/F) 140. Diese sind an einen internen Bus angeschlossen und können miteinander kommunizieren.
Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 umfasst zu dem ein Anzeigegerät 150 und ein Eingabegerät 162. Diese sind über die Schnittstelle (I/F) 140 an den internen Bus angeschlossen. Das Anzeigegerät 150 ist ein Ausgabegerät und ist zum Beispiel eine LCD-Anzeige oder ein Projektor. Das Eingabegerät ist zum Beispiel ein Touch-Eingabegerät, ein Stifteingabegerät, eine Maus oder eine Kombination aus allem oder einem Teil davon.
Der Prozessor 110 implementiert bestimmte Funktionen der Rechen- und Anzeigeeinheit 100, indem er ein im Hauptspeichergerät 120 gespeichertes Programm ausführt. Das Hauptspeichergerät 120 ist zum Beispiel ein flüchtiger Speicher und speichert das vom Prozessor 110 ausgeführte Programm und Referenzdaten. Zum Beispiel speichert das Hauptspeichergerät 120 neben einem Betriebssystem ein Analyseprogramm 121. Der Prozessor 110 analysiert die Magnetisierung und eine Spannung in der Probe dem Analyseprogramm 121 entsprechend, wie weiter unten beschrieben.
Das Hilfsspeichergerät 130 ist zum Beispiel ein nichtflüchtiger Speicher und speichert Daten, die in das Hauptspeichergerät 120 geladen werden. Im Beispiel von 1B speichert das Hilfsspeichergerät 130 eine Datenbank 131. Die Datenbank 131 zeigt eine Beziehung zwischen einer Domänenwandbreite und einem Spannungsbetrag auf, wie weiter unten beschrieben. Das Hauptspeichergerät 120, das Hilfsspeichergerät 130 und Kombinationen daraus sind Speichergeräte. Die in 1B gezeigte Konfiguration ist beispielhaft, und die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 kann Komponenten aufweisen, die über ein Netzwerk verbunden sind, und kann eine Vielzahl von Computern umfassen.
Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 analysiert die Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgraddaten und zeigt diese einem Abtastsignal des Primärelektronenstrahls entsprechend an. In 1A zeigt die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 ein Mapping-Bild 107 des Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads (Magnetisierung) an, das mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen wurde. Das Mapping-Bild 107 enthält eine magnetische Domäne 105 und eine Domänenwand 106.
In 1A sind nur eine magnetische Domäne und eine Domänenwand jeweils durch Bezugszeichen 105 und 106 bezeichnet. Die magnetische Domäne 105 ist ein Bereich, in welchem die Magnetisierung konstant ist. Die Domänenwand 106 ist ein Grenzbereich zwischen magnetischen Domänen, in welchem sich eine Magnetisierungsrichtung (Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad) lokal stark ändert. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 weist eine Funktion zur Ableitung der Domänenwandbreite einer Domänenwand auf, die aus dem Mapping-Bild 107 extrahiert wurde. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 führt auf der Basis der Domänenwandbreite eine Visualisierung der Spannungsverteilung in der Probe und/oder eine quantitative Bewertung der Spannung durch.
Der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad, der in der vorliegenden Offenbarung das Eingangssignal des Rasterelektronenmikroskops für das Mapping des Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads ist, ist eine physikalische Größe, die die Magnetisierung der Probe reflektiert. Ein Bereich, in welchem die Magnetisierung einheitlich ist, ist eine magnetische Domäne, und ein Bereich, in welchem die Magnetisierung sich zwischen magnetischen Domänen lokal dreht, ist eine Domänenwand. Es ist bekannt, dass zwischen der Breite der Domänenwand und der Größe (K) der magnetischen Anisotropie, die eine Vorzugsrichtung der Magnetisierung im Material bestimmt, die folgende Beziehung besteht:
$d \propto 1 / \sqrt K$
Wenn eine Spannung in der Probe auftritt und in atomaren Abständen eine Änderung auftritt, ändert sich die magnetische Anisotropie in diesem Abschnitt. Es ist bekannt, dass seine magnetische Anisotropie sich selbst bei einem Spannungsniveau von 10^-6 stark verändert. Wenn eine Spannung auftritt, ändern sich daher die magnetische Anisotropie und die Breite der Domänenwand im betreffenden Abschnitt. Im Falle eines Eisen- und Stahlmaterials liegt die Breite der Domänenwand im Bereich von einigen zehn nm bis zu einigen hundert nm, ein Bereich, der mit einem Rasterelektronenmikroskop messbar ist. Daher ist es möglich, in einem Mapping-Bild des Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads die Spannung in der Probe durch Anzeigen eines Bereichs (Domänenwand), in welchem der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad (Magnetisierung) sich lokal ändert, und Bewerten der Breite dieses Bereichs (Domänenwandbreite) zu bewerten.
2A und 2B zeigen eine beispielhafte Messung von Unterschieden in der Domänenwandbreite, die auf das Vorhandensein oder die Abwesenheit von Spannungen zurückzuführen sind. 2A zeigt ein Mapping-Bild 21A des Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads eines verspannten Mu-Metalls und eine positionsabhängige Magnetisierungsänderung 22A. 2B zeigt ein Mapping-Bild 21B des Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads eines spannungsfreien Mu-Metalls und eine positionsbedingte Magnetisierungsänderung 22B. Aus dem Vergleich von 2A und 2B ist zu ersehen, dass Differenzen in der Domänenwandbreite, die auf das Vorhandensein oder die Abwesenheit einer Spannung zurückzuführen sind, messbar sind.
Um die in 2A und 2B gezeigten Messungen durchzuführen, wurden zwei Proben aus einem Mu-Metall vorbereitet und spannungsfrei geglüht. Danach wurde an eine der Proben eine lokale Belastung angelegt, um eine Spannung zu erzeugen. Mit dem Rasterelektronenmikroskop wurden der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad der belasteten Probe (verspannt) und der unbelasteten Probe (spannungsfrei) gemessen und jeweilige Mapping-Bilder erstellt.
Die Mapping-Bilder (elektronenmikroskopische Aufnahmen) 21A und 21B des Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads in 2A und 2B stellen die Größe des Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads (Magnetisierung) in Grauabstufungen dar. Ein heller und ein dunkler Bereich mit einheitlichem Kontrast stellen magnetische Domänen dar, und ein Grenzbereich stellt eine Domänenwand dar. In 2A und 2B wird in Mapping-Bildern 21A und 21B und in Graphen 22A und 22B rechts davon jeweils ein Analyseergebnis der Änderung der Magnetisierung in einer Richtung senkrecht zur Domänenwand (durch eine weiße Linie angezeigt) dargestellt.
In den Graphen 22A und 22B zeigt die horizontale Achse eine Position auf der Probenoberfläche an, und die vertikale Achse zeigt die Größe der Magnetisierung an. Ein Abschnitt, in welchem sich die Magnetisierung abrupt ändert, entspricht einer Grenzabschnitt zwischen dem dunklen und dem hellen Bereich des Spinpolarisationsgrad-Mapping-Bilds und ist die Domänenwand. Die Breite dieser Domänenwand, das heißt, die Breite des Bereichs, in welchem die Magnetisierung sich ändert, beträgt in der verspannten Probe 260 nm und in der spannungsfreien Probe 480 nm. Daraus ist zu ersehen, dass die Breite der Domänenwand sich je nach Vorhandensein oder Abwesenheit einer Spannung ändert, und dass diese Änderung mit einem Rasterelektronenmikroskop, das den Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad detektiert, messbar ist.
Einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung gemäß wird durch den Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad zuerst die Magnetisierung der Probe abgebildet, und die Stellen (Domänenwand), an denen sich ihre Magnetisierung stark ändert, werden extrahiert. Diese Domänenwand kann über das Eingabegerät 162 von einem Benutzer ausgewählt werden oder durch den Prozessor 110, der das Analyseprogramm 121 ausführt, automatisch extrahiert werden. Die zu messende Domänenwand kann durch Benutzereingabe genau festgelegt werden. Die automatische Extraktion erfordert keine Benutzereingabe.
Der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad der Probe wird als Digitaldaten erfasst, die den Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad in jedem der zweidimensional angeordneten Pixel mit einer Vielzahl von Richtungskomponenten anzeigen. Zum Beispiel zeigen die Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgraddaten in jedem der matrixförmig angeordneten 512 x 512 Pixel Spinpolarisationsgradkomponenten (Magnetisierungskomponenten) in einer X-Richtung, Y-Richtung und Z-Richtung an, die orthogonal zueinander sind. Die Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgradkomponenten einer bestimmten Richtung zeigen eine Größe und eine Richtung an und weisen je nach Richtung einen positiven oder negativen Wert auf.
In einer Konfiguration, in welcher die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 die Domänenwand automatisch extrahiert, subtrahiert die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 von den erfassten Messdaten des Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads einen Hintergrund und identifiziert dann auf der Basis der Positionsänderung des Spinpolarisationsgrads die Domänenwand. Beispielsweise erkennt die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 einen Abschnitt, in welchem sich die Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgradkomponente einer spezifischen Richtung zwischen zwei Punkten in einem vorbestimmten Abstand um mehr als einen vorbestimmten Wert ändert, und bestimmt, dass im erkannten Abschnitt (zwischen den zwei Punkten) eine Domänenwand vorhanden ist. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 kann auch einen Mittelwert der Änderungen der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgradkomponenten in den drei Richtungen verwenden.
Die spezifische Richtung ist zum Beispiel eine Richtung, in der eine Differenz zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert des Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads in der X-Richtung, Y-Richtung und Z-Richtung maximal ist. Alternativ dazu kann eine aus den drei Richtungskomponenten bestimmte Magnetisierungsrichtung als spezifische Richtung verwendet werden. Der vorbestimmte Abstand ist zum Beispiel 1 µm, und der vorbestimmte Wert ist zum Beispiel ein Wert, der 50% der Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert des Spinpolarisationsgrads im Sichtfeld entspricht. Wie oben erwähnt, zeigt der Spinpolarisationsgrad die Richtung durch einen positiven oder negativen Wert an.
Der vorbestimmte Abstand ist auf einen Wert eingestellt, der größer ist als die Domänenwandbreite. Wie oben beschrieben, beträgt die Domänenwandbreite mehrere zehn nm bis mehrere hundert nm, und ein Abstand von 1 µm ermöglicht es, zwei Punkte der magnetischen Domänen zu identifizieren, zwischen denen eine Domänenwand liegt. Dieser vorbestimmte Wert ist unter Berücksichtigung eines Rauscheinflusses des Eingangssignals voreingestellt. Unabhängig von einer durch Rauschen verursachten Messwertschwankung wird ein Wert gewählt, der es ermöglicht, eine Änderung der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgradkomponente in der Domänenwand zu erkennen.
Die Domänenwand kann durch ein anderes Verfahren als das obige Verfahren erkannt werden. Beispielsweise bildet die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 einen Absolutwert der Richtungskomponente der Magnetisierung ab, indem sie den Wert jedes Pixels eines Magnetisierungskomponentenbilds quadriert und eine Quadratwurzel davon abbildet. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 identifiziert die Domänenwand auf der Basis einer Änderung (Differenz) des Absolutwerts in einem Absolutwert-Mapping-Bild.
Die Magnetisierung dreht sich in der Domänenwand, und die Magnetisierungsrichtung in der Domänenwand unterscheidet sich von der Magnetisierungsrichtung in der magnetischen Domäne. Daher unterscheidet sich der Absolutwert der Richtungskomponente der Magnetisierung in der magnetischen Domäne vom Absolutwert der Richtungskomponente der Magnetisierung in der Domänenwand. Zudem ist der Absolutwert der Richtungskomponente der Magnetisierung in der magnetischen Domäne konstant, und der Absolutwert der Richtungskomponente der Magnetisierung in der Domänenwand ändert sich.
Daher zeigt das Absolutwert-Mapping-Bild in der Domänenwand und in der magnetischen Domäne verschiedene Werte an. Ferner zeigt das Absolutwert-Mapping-Bild in der Domänenwand einen sich ändernden Absolutwert und zeigt in der magnetischen Domäne einen konstanten Absolutwert an. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 bestimmt zum Beispiel in einem Absolutwert-Mapping-Bild einen Bereich, in welchem der Absolutwert konstant ist, als magnetische Domäne, und bestimmt einen Bereich (eine Position) zwischen magnetischen Domänen, der einen anderen Absolutwert als die magnetischen Domänen aufweist, als (Position der) Domänenwand.
Nachdem die Position der Domänenwand wie oben beschrieben bestimmt wurde, bestimmt die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 die Breite der Domänenwand. Die Domänenwandbreite entspricht einer Breite eines Übergangsbereichs der Magnetisierung in einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in welche die Domänenwand sich erstreckt. Deshalb ist es erforderlich, die Richtung, in welche die Domänenwand sich erstreckt, zu identifizieren. In einem Beispiel verwendet der Benutzer das Eingabegerät 162, um die Richtung, in welche die Domänenwand sich erstreckt, einzugeben.
Der Benutzer kann die Richtung, in welche die Domänenwand sich erstreckt, angeben, indem er im Spinpolarisationsgrad-Mapping-Bild oder im Absolutwert-Mapping-Bild die Domänenwand mit einem Zeiger aufträgt. Die Richtung, in welche die Domänenwand sich erstreckt, kann konstant oder variabel sein. Alternativ dazu kann der Benutzer im Mapping-Bild eine Vielzahl von Punkten auf der Domänenwand auswählen und an jedem der gewählten Punkte die Richtung der Domänenwandbreite eingeben.
In einem anderen Beispiel kann der Prozessor 110, der das Analyseprogramm 121 ausführt, die Richtung der Domänenwand automatisch erkennen. Zum Beispiel wählt die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 abhängig von der Benutzereingabe oder automatisch einen Punkt auf der Domänenwand und misst an diesem Punkt, an welchem die Magnetisierung sich ändert, die Breite des Bereichs in einer Vielzahl von Richtungen. Wenn die vertikale Richtung des Mapping-Bilds zum Beispiel 0 Grad ist, misst die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 die Breite in 20 Richtungen in 18 Grad-Abständen. Die Richtung, die den Minimalwert unter den Messwerten aufweist, ist die Richtung der Domänenwandbreite, d.h., die Richtung senkrecht zu der Richtung, in welche die Domänenwand sich erstreckt.
Beim Identifizieren der Richtung der Domänenwandbreite misst die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 eine Länge der Magnetisierungsänderung in der betreffenden Richtung als die Domänenwandbreite. Das Verfahren zur Messung der Domänenwandbreite bestimmt als Domänenwandbreite zum Beispiel die Halbwertsbreite einer Spitzen-Wellenform, die aus einem Parameter abgeleitet wird, der durch Anpassung einer Arkustangensfunktion an die Messdaten der Magnetisierungsänderung erhalten wird, oder die durch Differenzieren des Magnetisierungwerts in der Messrichtung abgeleitet wird. Die Breite kann durch Anpassung der Funktion genau bestimmt werden.
Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 speichert Korrelationsdaten, die eine Beziehung zwischen der Domänenwandbreite und der Spannung oder Belastung in einer Standardprobe aufzeigen. Der Rechen- und Anzeigeeinheit 100 ist es möglich, die Spannung oder Belastung im Material quantitativ zu schätzen, indem sie die gemessene Domänenwandbreite mit den im Voraus erfassten Korrelationsdaten vergleicht. Es ist anzumerken, dass die Belastung der Spannung entspricht.
Bei einem Eisenmaterial zum Beispiel ist die sogenannte 180-Grad-Domänenwand, bei welcher die Magnetisierung in der magnetischen Domäne und die Domänenwand parallel sind, vorherrschend. In diesem Fall wird in der Domänenwand kein Magnetpol erzeugt, und die magnetische Domänenstruktur ist stabil. Durch die in der Probe erzeugte Spannung wird die Vorzugsrichtung der Magnetisierung jedoch lokal kompliziert, weshalb es vorkommt, dass die Domänenwand nicht parallel zur Magnetisierung in der magnetischen Domäne ist und an der Domänenwand ein Magnetpol entsteht.
In solch einem Fall bewertet die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 den Spannungsbetrag nicht nur unter Berücksichtigung der Domänenwandbreite, sondern auch eines relativen Winkels der Magnetisierung zur Domänenwand. Beispielsweise korrigiert die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 die Domänenwandbreite durch eine voreingestellte Gleichung auf der Basis des Winkels zwischen der Magnetisierungsrichtung und der Richtung, in welche die Domänenwand sich erstreckt. Der Winkel ist zum Beispiel ein Mittelwert der Winkel (richtungslos) von magnetischen Domänen, zwischen welchen eine Domänenwand liegt, oder nur ein Wert. Die Domänenwandbreite wird zum Beispiel durch eine Kosinusfunktion des relativen Winkels korrigiert.
Wenn bei einer polykristallinen Probe die Orientierung von Kristallkörnern unterschiedlich ist, ist der Einfluss der Spannung auf die Domänenwandbreite unterschiedlich. In diesem Fall ist es zur Bewertung der Spannungsverteilung im gesamten Sichtfeld notwendig, die Unstetigkeit der Domänenwandbreite an den Kristallkorngrenzen zu berücksichtigen. Daher identifiziert die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 die Position des Grenzabschnitts jedes Kristallkorns zum Beispiel durch EBSD (Elektronenrückstreubeugung) oder ein Sekundärelektronenbild.
Alternativ dazu gibt es ein Verfahren zum Schätzen der Position der Kristallkorngrenzen anhand der Magnetisierungsrichtung in magnetischen Domänen, das die Eigenschaft nutzt, dass eine Achse der Vorzugsrichtung der Magnetisierung bei vielen magnetischen Materialien parallel zu einer Kristallachse des Materials ist. Da zwischen verschiedenen benachbarten Körnern leichte Abweichungen in der Kristallachsenrichtung auftreten, weicht auch die Magnetisierungsrichtung dementsprechend ab.
Bei einem Eisenmaterial mit kubischem Kristallsystem sind die Achsen der Vorzugsrichtung der Magnetisierung drei Achsen (100), (010) und (001), die orthogonal zueinander sind. Wenn die Magnetisierungsrichtung in benachbarten magnetischen Domänen 180 Grad oder 90 Grad ist, liegen die magnetischen Domänen im gleichen Kristallkorn, und bei anderen Winkeln als diesen befinden sich die magnetischen Domänen auf separaten Kristallkörnern, zwischen denen eine Kristallkorngrenze liegt.
Daher ist es der Rechen- und Anzeigeeinheit 100 möglich, durch Analyse der Magnetisierungsrichtung die Position von Kristallkorngrenzen zu identifizieren. Dieses Verfahren zur Identifizierung des Kristallkorngrenzen anhand der Magnetisierungsrichtung gilt für Materialien, deren Magnetisierung in der Vorzugsrichtung ausgerichtet ist, und da es bei Materialien mit großer Spannung vorkommt, dass die Magnetisierung nicht der Vorzugsrichtung entspricht, führt die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 die Analyse unter Berücksichtigung dieses Punkts durch.
Nachdem die Position der Kristallkorngrenze mit einem Verfahren wie dem obigen erfasst wurde, misst die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 die Domänenwandbreite, bewertet die Spannungsverteilung in jedem Kristallkorn dem obigen Verfahren entsprechend und verknüpft dann den Spannungsbetrag zwischen Kristallkörnern. Da der Grenzbereich eine Stelle mit besonderer Zusammensetzung und Kristallinität ist, ist im Vergleich zu anderen Bereichen Sorgfalt geboten.
Die folgenden Ausführungsformen offenbaren ein Rasterelektronenmikroskop, das aus dem Ergebnis der Messung der Domänenwandbreite den Spannungsbetrag oder die Spannungsverteilung ableitet, oder ein Analyseverfahren dafür. Verschiedene Möglichkeiten sind denkbar, von denen im Folgenden einige beispielhaft aufgezeigt werden.
[Erste Ausführungsform]
3 zeigt ein Beispiel eines Analysebildschirms in einem Rasterelektronenmikroskop, das den Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad detektiert und mit den Funktionen der vorliegenden Offenbarung ausgestattet ist. Der Benutzer hat die Möglichkeit, mit dem Eingabegerät 162 aus einer Menüleiste 300 eine Verarbeitung anzugeben, die von der Rechen- und Anzeigeeinheit 100 durchgeführt werden soll. Wenn zum Beispiel „Datenanalyse“ gewählt wird, zeigt die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 ein Analysemenü 350 an. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 führt eine im Analysemenü 350 ausgewählte Analyseverarbeitung durch.
In einem Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad-Bilderfassungsmodus erzeugt die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 zum Beispiel ein Oberflächentopographiebild 310, indem es die Gesamtmenge der detektierten Sekundärelektronen aufträgt, und zeigt dieses an. Ferner erzeugt die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 auf der Basis der Spinpolarisationsgraddaten von einem Spin-Detektor 3 ein Magnetisierungskomponentenbild 320 und zeigt dieses an. Der Spinpolarisationsgrad von Sekundärelektronen weist bekanntlich eine Korrelation mit der Größe der Magnetisierung auf. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 ist in der Lage, Komponentenbilder in jeder Magnetisierungsrichtung zu erfassen, zum Beispiel Komponentenbilder in der X-, Y- und Z-Richtung. Im Beispiel von 3 zeigt die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 nur das Magnetisierungskomponentenbild 320 einer Magnetisierungskomponente (zum Beispiel der Komponente mit der größten Magnetisierungsänderung) an.
Wie oben beschrieben, identifiziert die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 im Magnetisierungskomponentenbild 320 die Position einer magnetischen Domäne 302, die ein Bereich ist, in welchem die Magnetisierung konstant ist, und einer Domänenwand 303, an welcher sich die Magnetisierung abrupt ändert. In 3 sind als Beispiel nur eine magnetische Domäne und nur eine Domänenwand jeweils durch Bezugszeichen 302 und 303 bezeichnet.
Wie oben beschrieben, prüft die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 in den erfassten zweidimensionalen Array-Daten eine Änderung der Daten in einer bestimmten Richtung (z.B. in der vertikalen oder horizontalen Richtung), erkennt zum Beispiel innerhalb eines Bereichs, der unter 1 Mikron liegt, automatisch eine Stelle, an der sich die Magnetisierung um mehr als einen vorbestimmten Wert ändert, und bestimmt diese Stelle als Domänenwand. Der vorbestimmte Änderungsbetrag ist zum Beispiel 50% einer Differenz zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert der Magnetisierung in einem Sichtfeld. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 kann bei Bedarf eine Verarbeitung wie z.B. eine Mittelwertbildung (Glättung) der Daten durchführen, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu gewährleisten.
Statt die Position der magnetischen Domäne 302 und die Position der Domänenwand 303 automatisch durch die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 identifizieren zu lassen, kann die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 die Position der magnetischen Domäne 302 und die Position der Domänenwand 303 auch der Benutzereingabe mit dem Eingabegerät 162 entsprechend identifizieren.
Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 quadriert die Daten des Magnetisierungskomponentenbilds 320 und bildet eine Quadratwurzel davon ab, um ein Absolutwert-Mapping-Bild 330 zu erzeugen und anzuzeigen. Im Magnetisierungskomponentenbild 320 weisen Bereiche (magnetische Domänen) der Magnetisierung (zum Beispiel die Magnetisierungen 304 und 305), die antiparallel zueinander sind, den gleichen Absolutwert der Magnetisierung auf. Daher sind die Werte dieser Bereiche im Absolutwert-Mapping-Bild 330 gleich.
Andererseits dreht sich die Magnetisierung in der Domänenwand, und die Magnetisierungsrichtung in der Domänenwand ist anders als die Magnetisierungsrichtung in den magnetischen Domänen. Deshalb weisen die Domänenwand und das Innere der magnetischen Domäne im Absolutwert-Mapping-Bild 330 unterschiedliche Werte auf. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 ist in der Lage, die Position der Domänenwand identifizieren, indem sie das Absolutwert-Mapping-Bild 330 analysiert. Nachdem die Position der Domänenwand identifiziert wurde, analysiert die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 deren Breite zeigt das Ergebnis in einem Domänenwandbreitenanalyse-Graph 340 an.
4A, 4B und 4C zeigen Beispiele eines Verfahrens zur Messung der Domänenwandbreite. Nachdem die Position der Domänenwand identifiziert wurde, schätzt die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 deren Breite. Wie in 4A gezeigt, erzeugt die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einem Messwert 400 der Magnetisierung in der Nachbarschaft der Domänenwand und einer Position anzeigt. Wie in 4B gezeigt, führt die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 zudem unter Verwendung einer Approximationsfunktion 401, zum Beispiel für Arkustangens, eine Kurvenanpassung an den Messwerten 400 durch.
Wenn die horizontale Achse (x) eine Position im Sichtfeld ist, die vertikale Achse (y) die Größe der Magnetisierung ist, der Ursprung von x die Position der Domänenwand ist und der Ursprung von y ein Bezugspunkt der Magnetisierung (ein Zwischenwert der Magnetisierungswerte in den magnetischen Domänen beiderseits der Domänenwand) ist, ist die folgende Gleichung gegeben:
$y = b * arctan (x / a)$
Wobei a ein Parameter ist, der sich auf die Domänenwandbreite bezieht, und ein Optimalwert von a zum Beispiel nach der Methode der kleinsten Quadrate durch einen Vergleich mit erfassten Daten erhalten werden kann.
In einem anderen Beispiel, wie in 4C gezeigt, kann die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 an einem Graphen, der eine Beziehung zwischen einem von der Position des Messwerts abhängigen Differenzwert der Magnetisierung und der Position aufzeigt, unter Verwendung einer Approximationsfunktion 402 eine Kurvenanpassung durchführen. In diesem Fall kann die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 die Domänenwandbreite bestimmen, indem sie die Breite einer Spitzenwellenform bewertet.
Die wie oben beschrieben erhaltene Domänenwandbreite kann je nach Messrichtung unterschiedlich sein. Das heißt, die erhaltenen Ergebnisse unterscheiden sich je nach dem, in welcher Richtung die in 4A, 4B und 4C gezeigte horizontale Achse (x) liegt.
5A zeigt vier Richtungen A bis D, in denen der Wert der Magnetisierung in einem Mapping-Bild des Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads gemessen wird, um nach der Identifizierung der Position einer Domänenwand 500 die Domänenwandbreite zu ermitteln. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 trägt die Werte der Magnetisierung in den vier Richtungen A bis D auf und vergleicht diese. Die Graphen 510A bis 510D in 5B zeigen jeweilige Änderungen der Magnetisierung in vier Richtungen A bis D.
Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 führt die Analyse in einer Vielzahl von Richtungen durch, wie Bezug nehmend auf die 4A, 4B und 4C beschrieben, und bestimmt den Minimalwert an dieser Position als die Domänenwandbreite. Die Genauigkeit kann weiter erhöht werden, indem die Anzahl der Messrichtungen zum Beispiel auf 20 oder 40 eingestellt wird. Prinzipiell ist die gemessene Domänenwandbreite die kleinste, wenn die Messung in einer Richtung senkrecht zu der Richtung erfolgt, in welche die Domänenwand sich erstreckt.
Anders als im obigen Beispiel kann der Benutzer auch mit dem Eingabegerät 162 die Richtung angeben, in welcher die Domänenwand sich erstreckt. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 kann die Richtung, in welche die Domänenwand sich erstreckt, durch sequentielle Erkennung der Domänenwandposition identifizieren und die Bezug nehmend auf die 4A, 4B und 4C beschriebene Domänenwandbreitenanalyse in der Richtung senkrecht zu dieser Richtung durchführen.
[Zweite Ausführungsform]
Ein weiteres Beispiel der Spannungsanalyse wird Bezug nehmend auf 6A bis 6C beschrieben. Hier wird ein Beispiel für die Ableitung der Spannungsverteilung nach dem Messen der Domänenwandbreite gezeigt. 6A ist eine schematische Darstellung eines Mapping-Bilds des Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads (Magnetisierungskomponenten-Bild) 60A in einem verspannten magnetischen Körper als Probe. Eine magnetische Domäne 600 und eine Domänenwand 601 sind dargestellt, wobei die Breite der Domänenwand der Größe der Spannung an jeder Stelle entsprechend unterschiedlich ist.
6B zeigt ein Bild 60B, welches erhalten wurde, indem Stellen mit derselben Domänenwandbreite im magnetischen Domänenbild 60A (gleiches Sichtfeld) von 6A verbunden wurden. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 misst die Domänenwandbreite an einer Vielzahl von Stellen, bildet eine Linie, die Stellen mit derselben Domänenwandbreite verbindet, und zeigt diese an. Eine Linie, die durch Verbinden von Punkten mit derselben Domänenwandbreite gebildet wird, ist eine Linie, die durch Verbinden von Punkten mit dem gleichen Spannungsbetrag erhalten wird. In 6B sind zwei Linien 603 und 604 dargestellt. Die Linie 603 ist eine Linie, die durch Verbinden von Stellen mit einer kleinen Domänenwandbreite erhalten wurde, und die Linie 603 ist eine Linie, die durch Verbinden von Stellen mit einer kleinen Domänenwandbreite erhalten wurde (sic). Die Spannung der Abschnitte, die durch die Linie 603 angezeigt werden, ist klein, und die Spannung der Abschnitte, die durch die Linie 604 angezeigt werden, ist groß.
6C zeigt ein Spannungsverteilungsbild 60C, das aus dem in 6B gezeigten Bild 60B erzeugt wurde. Das Spannungsverteilungsbild 60C stellt eine Tendenz der Größe des Spannungsbetrags im Sichtfeld dar. Im Beispiel von 6C ist der Bereich innerhalb des Sichtfelds in einen Bereich 605 mit einer großen Spannung, einen Bereich 606 mit einem mittleren Spannungsbetrag und einen Bereich 607 mit einer kleinen Spannung unterteilt.
Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 identifiziert die drei Bereiche 605, 606 und 607, die durch die Linien 603 und 604 im Bild von 6B unterteilt sind, und weist jedem Bereich ein anderes Muster zu, um ein Spannungsverteilungsbild 60C zu erzeugen.
7 zeigt ein Beispiel eines Sekundärelektronen-Spinbildanalysebildschirms der Rechen- und Anzeigeeinheit 100 eines Rasterelektronenmikroskops mit einer Funktion zur Visualisierung der Spannungsverteilung. Bei der Erkennung des Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads erzeugt die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 ein Topographiebild 710 der Probenoberfläche, indem es die Anzahl der in den Detektor 3 eintretenden Sekundärelektronen zählt. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 zeigt das Topographiebild 710 an.
Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 erzeugt auf der Basis der Spinpolarisationsgraddaten vom Spin-Detektor 3 ein Magnetisierungskomponentenbild 720 und zeigt dieses an. Obwohl maximal drei Magnetisierungskomponentenbilder erzeugt werden können (zwei Komponenten auf der Probenoberfläche und eine senkrechte Komponente), wird hier nur ein Magnetisierungskomponentenbild 720 angezeigt.
Hier wird ein Fall beschrieben, bei dem eine Delle 701 auf der Oberfläche der Probe eine Spannung verursacht und die Spannung in der Nachbarschaft der Delle groß ist. Im Magnetisierungskomponentenbild 720 werden die Position und die Form einer magnetischen Domäne 702 und die Position und die Form einer Domänenwand 703 visualisiert, und auch ein Magnetisierungsvektor 704 kann abgeleitet sein. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 misst die Domänenwandbreite und zeigt ein Bild 730 an, das durch Verbinden von Stellen mit derselben Domänenwandbreite erhalten wird. Es wird eine Kurve 705 angezeigt, die durch Verbinden von Stellen mit einer großen Domänenwandbreite erhalten wurde, und eine Kurve 706, die durch Verbinden von Stellen mit einer kleinen Domänenwandbreite erhalten wurde. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 wählt zum Beispiel Domänenwandbreiten, die eine voreingestellte Differenz aufweisen, und erzeugt Linien, die Stellen mit diesen Domänenwandbreiten verbinden.
Ferner erzeugt die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 auf der Basis des Bilds 730 ein Spannungsverteilungsbild 740 und zeigt dieses an. Das Spannungsverteilungsbild 740 stellt den Spannungsbetrag in Graustufen dar und zeigt einen Bereich 708 in der Nachbarschaft der Delle, in welchem die Spannung groß ist, und einen Bereich 707, der von der Delle entfernt ist und in welchem die Spannung klein ist. Um diese Bilder 710 bis 740 zu erzeugen, wählt ein Benutzer in der Menüleiste 700 zum Beispiel den Punkt „Datenanalyse“ und dann den Punkt „Domänenwandbreitenanalyse“. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 analysiert als Reaktion auf die Benutzereingabe die Domänenwandbreite dem obigen Verfahren entsprechend und zeigt das Ergebnis an.
[Dritte Ausführungsform]
8A und 8B zeigen ein weiteres Beispiel einer Spannungsanalyse. 8A zeigt ein Magnetisierungskomponentenbild. Wie in 8A gezeigt, identifiziert die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 im Magnetisierungskomponentenbild, in welchem der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad abgebildet ist, eine magnetische Domäne 800, eine Domänenwand 801 und einen Magnetisierungsvektor 802.
Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 nummeriert jeden Punkt entlang der Domänenwand, bewertet die Breite der Domänenwand an diesen Punkten und bewertet den Spannungsbetrag auf der Basis von Information über den Materialtyp und die Magnetisierungsrichtung. 8B zeigt eine Tabelle 820 der Domänenwandanalyseergebnisse. Im Beispiel von 8B werden die Domänenwandbreite, ein Winkel zwischen der Domänenwand und der Magnetisierung sowie der Spannungsbetrag an jedem Punkt gezeigt. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 zeigt die Tabelle 820 der Domänenwandanalyseergebnisse als Analyseergebnis an. Die Tabelle 820 zeigt Information über die Spannungsverteilung in einer Probe.
Die Domänenwandbreite und der Drehwinkel der Magnetisierung werden wie oben beschrieben durch Analyse des Magnetisierungskomponentenbildes bestimmt. Der Winkel zwischen der Domänenwand und der Magnetisierung ist ein Mittelwert des Winkels zwischen einer Magnetisierungsrichtung von zwei magnetischen Domänen, zwischen denen die Domänenwand liegt, und einer Richtung, in welche die Domänenwand sich erstreckt, oder eines Winkels zwischen einer Magnetisierungsrichtung und der Richtung, in welche die Domänenwand sich erstreckt. Für den Winkel zwischen der Magnetisierungsrichtung und der Domänenwand ist keine Richtung definiert.
Da die Domänenwandbreite durch die magnetische Anisotropie mit dem Spannungsbetrag in Beziehung steht, ist es der Rechen- und Anzeigeeinheit 100 möglich, die Spannung quantitativ abzuleiten, indem sie die Domänenwandbreite mit einer im Voraus erstellten Datenbank 131 vergleicht. Die Datenbank 131 zeigt für jedes Material die Beziehung zwischen der Domänenwandbreite und dem Spannungsbetrag (zum Beispiel durch eine Belastung ausgedrückt) auf. Zur Ableitung des Spannungsbetrags wird die Domänenwandbreite, wie oben beschrieben, durch den Winkel zwischen der Magnetisierungsrichtung und der Domänenwand korrigiert.
Proben aus einem weichmagnetischen Material wie Eisen weisen vorwiegend sogenannte 180-Grad-Domänenwände auf, bei denen die Magnetisierung beiderseits der Domänenwand umgekehrt ist. Die Magnetisierung ist parallel zur Domänenwand gerichtet, und ein Zustand, in welchem an der Domänenwand kein Magnetpol auftritt, ist stabil. Wenn aufgrund der Spannung eine magnetische Anisotropie auftritt, kann der obige Zustand jedoch nicht erhalten werden. Daneben analysiert die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 auch die Magnetisierungsrichtung beiderseits der Domänenwand, und Fälle mit spezieller Magnetisierung werden von einem normalen Analyseverfahren ausgenommen. Da zur Bewertung der Materialeigenschaften auch Information wie der Mittelwert und die Streuung der Domänenwandbreite wichtig ist, ist sie in den Analysepunkten eingeschlossen.
[Vierte Ausführungsform]
9 zeigt ein weiteres Beispiel einer Spannungsanalyse. Eine vergrößerte Ansicht 960 ist eine Vergrößerung eines Bereichs, der im Sichtfeld 950 von einem Rechteck umgeben ist. Wenn im Sichtfeld 950 Unterschiede im Materialtyp, in der Kristallinität und in der Kristallorientierung der Probe vorhanden sind, besteht die Möglichkeit, dass die Beziehung zwischen dem Spannungsbetrag und der Domänenwandbreite an einem Grenzabschnitt (Korngrenze) 903 unstetig wird. Dies entspricht einer polykristallinen Probe. In diesem Fall ist es erforderlich, den Grenzabschnitt im Voraus aus einem Rasterelektronenmikroskopbild abzuleiten und unter Berücksichtigung der Unstetigkeit in diesen Abschnitt zu analysieren.
Zum Beispiel sind in der vergrößerten Ansicht 960 die Domänenwände 906 und 907 unterbrochen, wobei die Korngrenze 903 zwischen einem oberen Kristallkorn 904 und einem unteren Kristallkorn 905 liegt. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 bewertet zuerst die Spannungsverteilung und den Spannungsbetrag in jedem Korn und verbindet dann Punkte in den Kristallkörnern, die den gleichen Spannungsbetrag aufweisen. Da die Korngrenze 903 selbst eine Stelle mit besonderer Zusammensetzung und Kristallinität ist, ist bei der Bewertung der Domänenwandbreite und der Spannungsanalyse an diesem Punkt im Vergleich zu anderen Bereichen Sorgfalt geboten.
Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 kann auch ein Spannungsverteilungsbild bilden, das sich von der Domänenwandbreite über verschiedene Kristallkörner erstreckt, ohne den Spannungsbetrag zu bestimmen. Die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 identifiziert zum Beispiel eine kontinuierliche Domänenwand, die sich über verschiedene Kristallkörner erstreckt, und bringt die Domänenwandbreite des einen Kristallkorns mit der Domänenwandbreite des anderen Kristallkorns in Übereinstimmung. Dieser Koeffizient wird auch auf andere Domänenwandbreiten des anderen Kristallkorns angewandt. Danach verbindet die Rechen- und Anzeigeeinheit 100 Positionen in diesen Kristallkörnern mit derselben Domänenwandbreite, um ein Spannungsverteilungsbild zu erzeugen.
Die Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt und schließt verschiedene Modifikationen ein. Zum Beispiel können die obigen Ausführungsformen zum leichteren Verständnis der Erfindung ausführlich beschrieben worden sein und sind nicht unbedingt auf jene beschränkt, die alle oben beschriebenen Konfigurationen aufweisen. Ferner kann ein Teil einer Konfiguration einer Ausführungsform durch eine Konfiguration einer anderen Ausführungsform ersetzt werden, und die Konfiguration einer anderen Ausführungsform kann zur Konfiguration einer Ausführungsform hinzugefügt werden. Ferner kann ein Teil der Konfiguration jeder Ausführungsform zu einer anderen Konfiguration hinzugefügt, gestrichen oder durch eine andere Konfiguration ersetzt werden.
Darüber hinaus kann jede der obigen Konfigurationen, Funktionen, Verarbeitungseinheiten und dergleichen teilweise oder ganz durch Hardware wie z.B. integrierte Schaltungen realisiert werden. Ferner können die obigen Konfigurationen, Funktionen und dergleichen durch Software realisiert werden, mit einem Prozessor, der ein Programm zur Implementierung der jeweiligen Funktionen interpretiert und ausführt. Die Programm-, Tabellen-, Dateiinformation und dergleichen zur Implementierung jeder Funktion kann auf einem Speichergerät wie z.B. einem Speicher, einer Festplatte, einem Halbleiterlaufwerk (SSD) oder einem Speichermedium wie z.B. einer IC-Karte oder einer SD-Karte gespeichert sein.
Ferner wurden Steuer- und Datenleitungen dargestellt, die für die Beschreibung als notwendig erachtet wurden, doch es wurden nicht unbedingt alle Steuer- und Datenleitungen dargestellt, die für ein Produkt erforderlich sind. In der Praxis können nahezu alle Konfigurationen als miteinander verbunden betrachtet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2011059057 A [0004]

Claims

Rasterelektronenmikroskop, umfassend: einem Spin-Detektor zur Messung des Spinpolarisationsgrads der von einer Probe emittierten Sekundärelektronen; und eine Analysevorrichtung zur Analyse der Messdaten des Spin-Detektors, wobei die Analysevorrichtung in den Messdaten die Breite eines Bereichs bestimmt, in welchem der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad sich lokal ändert, und auf der Basis der Breite dieses Bereichs eine Spannung in der Probe bewertet.
Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die Analysevorrichtung in den Messdaten eine Position erkennt, an der sich der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad lokal ändert.
Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die Analysevorrichtung die Breite eines von einem Benutzer angegebenen Bereichs bestimmt, in welchem der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad sich lokal ändert.
Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die Analysevorrichtung an einer Position, an der sich der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad lokal ändert, die Breite eines Bereichs, in welchem der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad sich lokal ändert, in einer Vielzahl von Richtungen bestimmt, und die Spannung in der Probe auf der Basis des Minimalwerts in der Breite bewertet.
Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die Analysevorrichtung die Breite des Bereichs, in welchem sich der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad ändert, durch Anpassung einer Approximationsfunktion bestimmt.
Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die Analysevorrichtung auf der Basis der Größe der Breite des Bereichs, in welchem der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad sich lokal ändert, die Größe der Spannung in der Probe bestimmt, und auf der Basis der Größe der Spannung die Spannungsverteilung in der Probe bestimmt und Information anzeigt, die diese Spannungsverteilung darstellt.
Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die Analysevorrichtung auf der Basis der Breite des Bereichs, in welchem der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad sich lokal ändert, und einer Richtung des Spinpolarisationsgrads in einem Bereich benachbart zu diesem Bereich die Spannung in der Probe bewertet.
Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die Analysevorrichtung eine Datenbank speichert, die die Breite des Bereichs, in welchem der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad sich lokal ändert, mit einem Spannungsbetrag korreliert, und den Spannungsbetrag bestimmt, indem sie die gemessene Breite in den Messdaten des Bereichs, in welchem der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad sich lokal ändert, mit der Datenbank vergleicht.
Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die Analysevorrichtung in der Probe eine Vielzahl von Kristallkörnern identifiziert, in jedem der Kristallkörner eine Spannung bewertet, und eine Spannungsverteilung in der Probe bestimmt, indem sie die Bewertungsergebnisse der Spannung in jedem der Kristallkörner verknüpft.
Verfahren zur Analyse, durch eine Analysevorrichtung, des in einem Rasterelektronenmikroskop gemessenen Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads einer Probe, umfassend: Bestimmen, in den Messdaten des Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrads, der Breite eines Bereichs, in welchem der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad sich lokal ändert, und Bewerten einer Spannung in der Probe auf der Basis der Breite dieses Bereichs.
Verfahren nach Anspruch 10, außerdem umfassend: Identifizieren einer Position in den Messdaten, an der sich der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad lokal ändert.
Verfahren nach Anspruch 10, außerdem umfassend: Bestimmen der Breite eines von einem Benutzer angegebenen Bereichs, in welchem der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad sich lokal ändert.
Verfahren nach Anspruch 10, außerdem umfassend: Bestimmen an einer Position, an der sich der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad lokal ändert, der Breite in einer Vielzahl von Richtungen eines Bereichs, in welchem sich der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad lokal ändert, und Bewerten der Spannung in der Probe auf der Basis des Minimalwerts in der Breite.
Verfahren nach Anspruch 10, außerdem umfassend: Bestimmen der Breite des Bereichs, in welchem sich der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad ändert, durch Anpassung einer Approximationsfunktion.
Verfahren nach Anspruch 10, außerdem umfassend: Bestimmen einer Größe der Spannung in der Probe auf der Basis der Größe der Breite des Bereichs, in welchem der Sekundärelektronen-Spinpolarisationsgrad sich lokal ändert, und Bestimmen einer Spannungsverteilung in der Probe auf der Basis der Größe der Spannung, und Anzeigen von Information, die die Spannungsverteilung darstellt.