DE3504720A1

DE3504720A1 - Abtastelektronenmikroskop

Info

Publication number: DE3504720A1
Application number: DE19853504720
Authority: DE
Inventors: Kazunobu Chofu Tokio/Tokyo Hayakawa; Kazuyuki Tokio/TOkyo Koike
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-02-24
Filing date: 1985-02-12
Publication date: 1985-09-05
Also published as: JPH0568059B2; JPS60177539A; FR2560433B1; US4658138A; FR2560433A1; DE3504720C2

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Abtastelektronenmikroskop, insbesondere ein Abtastelektronenmikroskop, das zur Beobachtung des Magnetisierungszustandes des Bereiches eines magnetischen Materials geeignet ist, der sich in der Nähe seiner Außenoberfläche befindet.

Es gibt zwei Arten von Verfahren zur Beobachtung von Magnetisierungsverteilungen unter Verwendung von Abtastelektronenmikroskopen; eine davon verwendet die Ablenkung von Sekundärelektronen in einem Magnetfeld in der Nähe der Außenoberfläche eines magnetischen Materials (D.C. Joy et al, Phil. Mag. 17 (1968) 61), und die andere verwendet die Ablenkung von reflektierten Elektronen in einem Magnetfeld in einem Probenmaterial (J. Philibert et al, Micron 1 (1969) 174). Bei beiden Verfahren können die relativen Differenzen zwischen den Magnetisierungsrichtungen in magnetischen Bereichen oder Bezirken beobachtet werden, aber es ist schwierig, die Magnetisierungsrichtungen und die Größe der Magnetisierung zu bestimmen, da das Auflösungsvermögen dieser Verfahren höchstens 1 pm beträgt. Diese Unzulänglichkeiten ergeben sich aus den nachstehenden Gründen.

Bei dem zuerst genannten Verfahren, das ein Streumagnetfeld verwendet, das durch die Magnetisierung einer Probe erzeugt wird, kann eine magnetische Bereichs- oder Bezirksstruktur, die keine Streumagnetfelder hat, in einem extremen 5 Falle nicht beobachtet werden. Auch wenn ein Streumagnetfeld in einer magnetischen Bereichsstruktur existiert, so verschieben die Magnetfelder, die von der Außenoberfläche der Probe entfernt sind und die durch verschiedene magnetische Bereiche erzeugt werden, einander dann, wenn die Magnetisierungsverteilung dicht ist, so daß das Magnetfeld abnimmt. Infolgedessen wird es schwierig, Sekundärelektronen abzulenken, indem man

ein Streumagnetfeld verwendet, und die Magnetisierungsverteilung kann nicht beobachtet werden. Es ist nicht so leicht, die Magnetisierungsrichtung zu bestimmen, indem man ein Streumagnetfeld verwendet. Es ist nahezu unmöglich, die Magnetisierungsrichtung zu bestimmen, indem man Sekundärelektronen verwendet, die von einem Streumagnetfeld abgelenkt werden.

Bei dem zweiten genannten Verfahren wird die Ablenkung der reflektierten Elektronen durch ein Magnetfeld im Inneren einer Probe verwendet, um die Intensität der in einer spezifischen Errichtung abgetasteten, reflektierten Elektronen in Videosignale umzuwandeln und dadurch die magnetischen Bereiche zu beobachten. Um jedoch ein klares Bild einer magnetischen Bereichsstruktur zu bilden, ist es erforderlich, die Energie der Primärelektronen zu erhöhen. Wenn diese Energie erhöht wird, dehnen sich die reflektierten Elektronen im Inneren einer Probe stark aus, so daß die Auflösung nicht zunimmt. Die Grenze des Auflösungsvermögens bei diesem Verfahren beträgt 1 ym.

Die Auflösung eines regulären Abtastelektronenmikroskops zur Beobachtung einer mikroskopischen Struktur mit Sekundärelektronen ist durch den Probendurchmesser eines Primarelektronenstrahles bestimmt. Wenn jedoch die Magnetisierungsverteilung mit den oben beschriebenen Verfahren beobachtet wird, ist die untere Grenze der Auflösung bestimmt durch die Intensität eines Streumagnetfeldes, die Intensität eines Magnetfeldes im Inneren einer Probe und den Grad der Ausdehnung der reflektierten Elektronen. Auch wenn der Durchmesser der Probe reduziert wird, kann dementsprechend die Auflösung nicht vergrößert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der oben geschilderten Unzulänglichkeiten ein Abtastelektronenmikroskop anzugeben, mit dem es möglich ist, mit hoher Auflösung die zweidimensionale Verteilung der Magnetisierungvektoren auf der Oberfläche eines magnetischen Probenmaterials zu beobachten.

Zur Erreichung dieses Zieles ist gemäß der Erfindung ein Ablas!elektronenmikroskop vorgesehen, das folgende Baugruppen aufweist: Eine Einrichtung zur Emission eines feinen Elektronenstrahls gegen die obere Oberfläche einer Probe, eine Einrichtung zur Abtastung der Oberfläche der Probe mit dem feinen Elektronenstrahl, eine Einrichtung zum Sammeln bzw. Auffangen der von der Probe emittierten Sekundärelektronen, während die Probe mit dem Elektronenstrahl bestrahlt wird, eine Einrichtung zur Abtastung bzw. Messung einer Komponente eines Spinpolarisationsvektors der aufgefangenen Sekundärelektronen, eine Einrichtung zur Umwandlung der abgetasteten Komponente des Spinpolarisationsvektors in ein Bildsignal, und eine Einrichtung zur Anzeige des Bildsignals.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Figur 1 das Grundprinzip der Erfindung; Figur 2 ein Beispiel des Spinpolarisations-Meßverfahrens unter Verwendung eines Mott-Detektors; und in

Figur 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abtastelektronenmikroskops.

Zunächst soll das Grundprinzip der Erfindung näher erläutert werden. Bei der Anordnung gemäß Figur 1 ist ein Spinpolarisationsvektor 3 von Sekundärelektronen 2, die dann auftreten, wenn ein Primärelektronenstrahl 1 ein magnetisches Material 4 beaufschlagt, antiparallel zu einem Magnetisierungsvektor an der Stelle, von der die Sekundärelektronen stammen.

Wenn die Oberfläche der Probe mit dem Primärelektronenstrahl abgetastet bzw. abgefahren wird, wird eine Komponente des Spinpolarisationsvektors der Sekundärelektronen mit einem Elektronendetektor abgetastet, und die Komponente wird in Form eines Videosignals auf einer Anzeige angezeigt, wobei die zweidimensionale Verteilung des magnetischen Vektors auf der Oberfläche des magnetischen Materials beobachtet werden

kann. Im allgemeinen hat ein Elektron die Eigenschaft eines Eigendrehimpulses oder Spins, dessen Wert + 1/2 oder -1/2 in Bezug auf jede Richtung ist. Wenn der Spin in Bezug auf die i-Richtung der einen Elektronenstrahl bildenden Elektronen gemessen wird, um zu bestimmen, daß Ni+ Elektronen mit einem Wert von +1/2 und Ni- Elektronen mit einem Wert von -1/2 vorhanden sind, kann die Spinpolarisation Pi in Bezug auf die i-Richtung in diesem Elektronenstrahl folgendermaßen ausgedrückt werden:

Pi = ^N ⁱ⁺ " ^Ni~ (1)

^Pl Ni+ +Ni- ^m ·

Seien Px, Py und Pz gleich der Spinpolarisation Pi, gemessen in Bezug auf die Richtungen der Achsen eines rechtwinkeligen Koordinatensystems mit den Achsen x, y und z. Der Spinpolarisationsvektor P kann ausgedrückt werden als:

P= (Px, Py, Pz) (2).

Ein Elektronenstrahl mit P^O wird als polarisierter Elektronenstrahl bezeichnet.

Es gibt mehrere Methoden zur Messung der Spinpolarisation, Ein Verfahren zur Messung der Spinpolarisation unter Verwendung eines Mott-Detektors wird als Beispiel für derartige Verfahren in der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf Figur 2 angegeben. Wenn ein hochenergetischer polarisierter Elektronenstrahl 16 von einem schweren Goldatom 11 gestreut wird, wobei das Bezugszeichen 17 in der Zeichnung die gestreuten Elektronen bezeichnet, tritt eine Intensitäts-Asymmetrie von gestreuten Elektronen um die Einfallsachse aufgrund der spinabhängigen Wechselwirkung auf. Seien Nsx+ und Nsx- gleich der Anzahl von gestreuten Elektronen, die von zwei Elektronendetektoren 12 und 13 abgetastet weden, die in symmetrischen Positionen in Bezug auf eine x-z-Ebene angeordnet sind. Eine x-Komponente Px eines Polarisationsvektors

— ο —

P kann dann ausgedrückt werden als

_{Pv =} 1 Nsx+ - Nsx-S Nsx+ + Nsx-

wobei S eine Konstante ist, die durch die Art des Targetatoms, die Energie eines einfallenden Elektrons und den Streuwinkel der Elektronen bestimmt ist. Wenn in gleicher Weise zwei Elektronendetektoren 14 und 15 in symmetrischen Positionen in Bezug auf eine y-z-Ebene angeordnet sind, kann Py bestimmt werden. Wenn beispielsweise eine x-y-Ebene die Oberfläche einer Probe enthält, kann eine Komponente ΡΘ in der Richtung unter einem Winkel Θ zur x-Achse in der x-y-Ebene unter Verwendung von Px und Py folgendermaßen ausgedrückt werden:

ΡΘ = Px COS0 + Py sine (4).

Pz kann in gleicher Weise bestimmt werden, indem man den Spinpolarisationsvektor P um 90° um die x-Achse oder die y-Achse mit einer Spindreheinrichtung dreht, beispielsweise einem Wien-Filter.

Wenn die Spinpolarisation Px, Py, Pz somit bestimmt worden ist, können die zweidimensionale Verteilung des magnetischen Vektors auf der Oberfläche einer Probe aus magnetischem Material und eine Komponente in einer beliebigen Richtung in der Oberfläche der Probe bestimmt werden.

Die Auflösung wird bei diesem Verfahren in gleicher Weise bestimmt wie bei einem ähnlichen Verfahren unter Verwendung eines typischen Abtastelektronenmikroskops zur Beobachtung von mikroskopischen Strukturen, d.h. durch den Probendurchmesser des Primärelektronenstrahls. Man kann erwarten, daß die Auflösung bei dem oben beschriebenen Verfahren gegenüber dem herkömmlichen Verfahren dieser Art erheblich verbessert wird.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Figur 3 näher erläutert. Nachdem die

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Oberfläche von beispielsweise Eisen (001), das eine Probe 33 bildet, mit einer Ionenkanone 32 gereinigt worden ist, wird ein Elektronenstrahl aus einer Feldemissionselektronenkanone 35 auf 10 kV beschleunigt und auf 50 nm auf der Oberfläche der Probe fokussiert, um deren Oberfläche damit abzutasten. Die Sekundärelektronen von der Probe 33 werden mit einer Abzugselektrode 30 gesammelt oder aufgefangen und beispielsweise in einen Mott-Detektor 27 eingeführt. Der Elektronenstrahl, der mit einem Beschleuni'gungsrohr 2 8 in dem Detektor 27 auf 100 keV beschleunigt wird, wird von einer dünnen Goldfolie 26 mit 50 nm Dicke gestreut. Von den gestreuten Elektronen werden die Elektronen, die einen Streuwinkel Φ von beispielsweise 120° haben und die in die Richtungen +x, -x, +y und -y gestreut werden, von Detektoren D1 , D2, D3 bzw. D4 abgetastet. Die Ausgangsimpulse von den Detektoren D3 und D4 dieser vier Detektoren werden in Analogsignale umgewandelt, beispielsweise mit einem Frequenz-Spannungs-Wandler 22. Diese Analogsignale werden einer Analogverarbeitungseinheit 23 eingegeben, von der ein Analogsignal, das der x-Richtungskomponente Px des Spinpolarisationsvektors entspricht, entsprechend der Gleichung (3) erhalten wird. Ein Analogsignal, das Py entspricht, wird in gleicher Weise von den Ausgängen der Detektoren D1 und D2 erhalten. Aus diesen beiden Signalen wird eine Komponente in der Richtung, die sich auf der Oberfläche der Probe befindet, und die unter einem Winkel von 45° zur x-Achse liegt, mit einem analogen Operationsverstärker 24 gemäß der Gleichung (4) erhalten. Wenn dieses Signal als Videosignal auf einer Anzeige 25 zur Anzeige gebracht wird, läßt sich die zweidimensionale Verteilung einer Komponente des Magnetisierungsvektors in der Richtung, die in der Oberfläche der Probe liegt und die einen Winkel von 45° zur x-Achse hat, beobachten. Wenn ein Polarisationsvektor von einem Wien-Filter 29 um 90 um die y-Achse gedreht wird, ist eine Komponente in der x-Richtung, die nach der Drehung

des Vektors erhalten wird, gleich der Kopmonente Pz in der z-Richtung, die erhalten wird, bevor der Vektor gedreht worden ist.

Ein Signal, das Pz entspricht, kann mit demselben Verfahren erhalten werden, wie es verwendet wird, um ein Signal entsprechend Px zu erhalten. Wenn das Pz entsprechende Signal als Videosignal auf der Anzeige zur Anzeige gebracht wird, kann die zweidimensionale Verteilung einer Komponente des magnetischen Vektors in der Normalenrichtung der Oberfläche der Probe beobachtet werden. Dieses Verfahren ermöglicht die Beobachtung der Magnetisierungsverteilung auf der Oberfläche von Eisen (001) mit einer Auflösung von 50 nm, die wesentlich höher ist als die bei einem herkömmlichen Verfahren dieser Art.

Wenn ein Absorptionsstrom in der Probe als Bildsignal verwendet wird, kann die geometrische Struktur auf der Probenoberfläche in genau demselben Bereich beobachtet werden, wie bei der Beobachtung der oben beschriebenen Magnetisierungsverteilung.

Wenn ein Sekundärelektronenstrom 31, der von der Sekundärelektronen-Abzugselektrode 30 erhalten wird, als Videosignal verwendet wird, kann die geometrische Struktur der Oberfläche einer Probe in genau demselben Bereich beobachtet werden wie die Beobachtung der oben beschriebenen Magnetisierungsverteilung erfolgt, und zwar mit einem höheren Rauschabstand als in dem Falle, wo ein Absorptionsstrom in einer Probe als Bildsignal verwendet wird.

Ein derartiges Abtastelektronenmikroskop kann auch so aufgebaut sein, daß drei Komponenten des Spinpolarisationsvektors der Sekundärelektronen von einem willkürlich bestimmten Punkt auf einem Magnetisierungsverteilungsbild oder einem Sekundärelektronenstrombild oder einem Absorptionsstrombild abgetastet und angezeigt werden.

Die drei Komponenten der Spinpolarisation der Sekundärelektronen wurden gemessen, während ein Primärelektronenstrahl

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in fixierter Weise an einen Punkt in einem hellen Bereich eines Magnetisierungsverteilungsbildes angelegt wurde. Die Ergebnisse waren Px = 16%, Py = 16% und Pz =0%.

Die Komponente ΡΘ des Spinpolarisationsvektors P_ in einer willkürlichen Richtung in der Oberfläche einer Probe kann auch direkt bestimmt werden, ohne die Px-und Py-Komponenten zu bestimmen. Wenn der Winkel Θ in Bezug auf die x-Achse variiert wird, wenn beispielsweise ein Paar von Elektronendetektoren eines Spinpolarisationsvektors P_ um die Achse eines polarisierten Elektronenstrahles gedreht werden, kann die zweidimensionale Verteilung der ΡΘ-Komponente bestimmt werden. Somit wird die Richtung einer Komponente in der Oberfläche einer Probe eines magnetischen Vektors in derselben Oberfläche bestimmt.

Wenn der Winkel θ von ΡΘ in der Richtung einer leichten Achse der Magnetisierung genommen wird, kann ein sehr klares magnetisches Bereichsbild erhalten werden.

Die oben erwähnte Komponente Pz in der Normalenrichtung zur Oberfläche einer Probe des Spinpolaristaionsvektors P wird in effektiver Weise zur Beobachtung eines magnetischen Bereiches, der einen senkrechten magnetischen Vektor in Bezug auf die Oberfläche der Probe hat, bei der Aufzeichnung eines vertikalen Magnetismus verwendet.

Wenn eine Signalverarbeitungseinrichtung, bestehend aus einem Impulszähler, einer digitalen Rechenschaltung und einem D-A-Wandler anstelle des Analogsignal-Verarbeitungssystems 21 verwendet wurde, das bei dem oben beschriebenen Vorgang verwendet wurde, um ein Magnetisierungsverteilungsbild zu erhalten, konnte ein Magnetisierungsverteilungsbild beobachtet werden, das überhaupt nicht durch die Schwankungen des Sekundärelektronenstromes von nicht weniger als 40 dB beeinflußt wird.

Wenn die Elektronenkanone 35 durch eine thermische Feldemissionskanone ersetzt wurde, konnte ein starker Strom in gleichmäßiger Weise für eine lange Zeit erhalten werden, und

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man erzielte eine Auflösung von 20 nm. Wenn die Elektronenkanone 35 durch eine thermionische Emissionskanone ersetzt

wurde, konnte das Elektronenmikroskop sogar in einem Vakuum

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von weniger als 10 Torr betrieben werden.

Wie oben erläutert, ermöglichst das erfindungsgemäße
Abtastelektronenmikroskop die Beobachtung der zweidimensionalen Verteilung eines magnetischen Vektors in der Oberfläche eines magnetischen Materials mit hoher Auflösung und besitzt somit einen extrem hohen industriellen Wert.

- Leerseite -

Claims

PATENTA N WÄ-bTli. ' |

STREHL SCHÜBEL-HOPF SCHULZ 3504720 ^H

WIDENMAYEKSTKASSE 17. D-HOOO MÜNCHEN 22

HITACHI, LTD. ₁₂. Februar 1985

DEA-27 029

Abtastelektronenmikroskop

PATENTANSPRÜCHE

/y. Abtastelektronenmikroskop, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (35) zur Emission eines feinen Elektronenstrahls zur oberen Oberfläche einer Probe (33), eine Einrichtung zum Abtasten oder Abfahren der Oberfläche der Probe (33) mit dem feinen Elektronenstrahl,

eine Einrichtung (27, 30) zum Auffangen von Sekundärelektronen von der Probe (33),

eine Einrichtung (D1 - D4) zum Abtasten eines Spinpolarisationsvektors der aufgefangenen Sekundärelektronen,

eine Einrichtung (21, 22, 23, 24) zur Umwandlung einer Komponente, die in einer willkürlichen Richtung in der Oberfläche der Probe liegt, und/oder einer Komponente, die in der Normalenrichtung der Oberfläche der Probe liegt, des abgetasteten Polarisationsvektors in ein Videosignal, das repräsentativ ist für ein Bild, das durch das Abtastelektronen-

mikroskop erhalten wird, und

eine Einrichtung (25) zur Sichtbarmachung des Videosignals auf einer Anzeige.
2. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (32) zur Reinigung der Oberfläche der Probe (33) vorgesehen ist.
3. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, gekenn zeichnet durch eine Einrichtung (31, 34) zur Anzeige eines Sekundärelektronenstromes von der Probe

(33) oder eines Absorptionsstromes in der Probe als Videosignal auf der Anzeige (25).
4. Abtastelektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Emission von Eletkronenstrahlen aus einer FeIdemissionskanone besteht.
5. Abtastelektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Abtastung des Spinpolarisationsvektors mit einer Spindreheinrichtung (29) versehen ist, mit der der Spinpolarisationsvektor um 90 um eine Achse drehbar ist, die parallel zur Oberfläche der Probe verläuft, und daß eine Viel zahl von Elektronendetektoren (Dl - D4) in symmetrischen

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Positionen um eine Einfallsachse des Strahles von aufgefangenen Sekundärelektronen angeordnet ist.
6. Abtastelektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Umwandlung eines Ausgangssignals von den Spinpolarisationsdetektoren (D1 - D4) in ein Videosignal eine Schaltung aufweist, die mit einem Analogaddierer, einem Analogsubtrahierer, einem Analogteiler und einem analogen Rechenelement für trigonometrische Funktionen ausgerüstet ist.
7. Abtastelektronenmikroskop nach einem der Ansprüche bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (32) zur Reinigung der Oberfläche der Probe

(33) eine Ionenkanone aufweist.