DE3504720C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Abtastelektronenmikroskop ge­ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, das sich zur Beobachtung des Magnetisierungszustandes eines Ober­ flächenbereichs einer magnetischen Probe eignet. Ein derarti­ ges Abtastelektronenmikroskop ist aus "phys. stat. sol." (a) Band 36 (1976) Seiten 647 bis 657 bekannt.

Es gibt zwei Arten von Verfahren zur Beobachtung von Magnetisierungsverteilungen unter Verwendung von Abtast­ elektronenmikroskopen; eine davon verwendet die Ablenkung von Sekundärelektronen in einem Magnetfeld in der Nähe der Außenoberfläche eines magnetischen Materials und die andere verwendet die Ab­ lenkung von reflektierten Elektronen in einem Magnetfeld in einem Probenmaterial (vergl. die oben genannte Literaturstelle). Bei beiden Verfahren können die relativen Differenzen zwischen den Magnetisierungsrichtungen in magnetischen Be­ reichen oder Bezirken beobachtet werden, aber es ist schwie­ rig, die Magnetisierungsrichtungen und die Größe der Magne­ tisierung zu bestimmen, da das Auflösungsvermögen dieser Verfahren höchstens 1 µm beträgt. Diese Unzulänglichkeiten ergeben sich aus den nachstehenden Gründen.

Bei dem zuerst genannten Verfahren, das ein Streumagnet­ feld verwendet, das durch die Magnetisierung einer Probe erzeugt wird, kann eine magnetische Bereichs- oder Bezirks­ struktur, die keine Streumagnetfelder hat, in einem extremen Falle nicht beobachtet werden. Auch wenn ein Streumagnetfeld in einer magnetischen Bereichsstruktur existiert, so verschie­ ben die Magnetfelder, die von der Außenoberfläche der Probe entfernt sind und die durch verschiedene magnetische Bereiche erzeugt werden, einander dann, wenn die Magnetisierungsver­ teilung dicht ist, so daß das Magnetfeld abnimmt. Infolgedessen wird es schwierig, Sekundärelektronen abzulenken, indem man ein Streumagnetfeld verwendet, und die Magnetisierungsver­ teilung kann nicht beobachtet werden. Ferner ist es nahezu unmöglich, die Magnetisierungsrichtung zu bestimmen, indem man Sekundär­ elektronen verwendet, die von einem Streumagnetfeld abge­ lenkt 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 spezi­ fischen Errichtung abgetasteten, reflektierten Elektronen in Videosignale umzuwandeln und dadurch die magnetischen Be­ reiche zu beobachten. Um jedoch ein klares Bild einer magne­ tischen 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 zu­ nimmt. Die Grenze des Auflösungsvermögens bei diesem Ver­ fahren beträgt 1 µm.

Die Auflösung eines regulären Abtastelektronenmikros­ kops zur Beobachtung einer mikroskopischen Struktur mit Sekundärelektronen ist durch den Probendurchmesser eines Primärelektronenstrahles bestimmt. Wenn jedoch die Magneti­ sierungsverteilung mit den oben beschriebenen Verfahren beob­ achtet 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 Durch­ messer der Probe reduziert wird, kann dementsprechend die Auflösung nicht vergrößert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der oben geschilderten Unzulänglichkeiten ein Abtastelektronenmikros­ kop der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem es möglich ist, mit hoher Auflösung die zweidimensionale Verteilung der Magnetisierungsvektoren auf der Oberfläche eines magnetischen Probenmaterials zu beobachten.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den im Kennzeichen­ teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Danach wird der Spinpolarisationsvektor der aufgefangenen Sekundärelektro­ nen ausgewertet, wodurch - wie nachstehend näher erläutert - eine höhere Auflösung erzielt wird. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 das Grundprinzip der Erfindung;

Fig. 2 ein Beispiel des Spinpolarisations-Meßverfahrens unter Verwendung eines Mott-Detektors und in

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abtastelektronenmikroskops.

Zunächst soll das Grundprinzip der Erfindung näher er­ läutert werden. Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 ist ein Spin­ polarisationsvektor 3 von Sekundärelektronen 2, die dann auf­ treten, wenn ein Primärelektronenstrahl 1 ein magnetisches Material 4 beaufschlagt, antiparallel zu einem Magnetisierungs­ vektor an der Stelle, von der die Sekundärelektronen stammen. Wenn die Oberfläche der Probe mit dem Primärelektronenstrahl abgetastet 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 beträgt der Wert des Eigendrehimpulses oder Spins eines Elektrons +1/2 oder -1/2 in Bezug auf jede Richtung. 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 vor­ handen sind, kann die Spinpolarisation Pi in Bezug auf die i-Richtung in diesem Elektronenstrahl folgendermaßen ausge­ drückt werden:

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

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

Ein Elektronenstrahl mit P ≠0 wird als polarisierter Elektronenstrahl bezeichnet.

Es gibt mehrere Methoden zur Messung der Spinpolarisation. Ein Verfahren zur Messung der Spinpolarisation unter Verwen­ dung eines Mott-Detektors wird als Beispiel für derartige Verfahren in der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf Fig. 2 angegeben. Wenn ein hochenergetischer polarisier­ ter Elektronenstrahl 16 von einem schweren Goldatom 11 ge­ streut 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 werden, die in symmetrischen Positionen in Bezug auf eine x-z-Ebene ange­ ordnet sind. Eine x-Komponente Px eines Polarisationsvektors P kann dann ausgedrückt werden als:

wobei S eine Konstante ist, die durch die Art des Target­ atoms, 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 P R in der Richtung unter einem Winkel R zur x-Achse in der x-y-Ebene unter Verwendung von Px und Py folgendermaßen ausgedrückt werden:

P R=Px cosR+Py sinR (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, beispiels­ weise einem Wien-Filter.

Wenn die Spinpolarisation Px, Py, Pz somit bestimmt worden ist, können die zweidimensionale Verteilung des magnetischen Vektors in der Oberfläche einer Probe aus magnetischem Material und eine Komponente in der zur Oberfläche der Probe senkrechten Richtung 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 Probendurch­ messer des Primärelektronenstrahls. Man kann erwarten, daß die Auflösung bei dem oben beschriebenen Verfahren gegenüber dem herkömmlichen Verfahren dieser Art erheblich verbessert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 3 näher erläutert. Nachdem die Oberfläche von beispielsweise Eisen (001), das eine Probe 33 bildet, mit einer Ionenkanone 32 gereinigt worden ist, wird ein Elektronenstrahl aus einer Feldemissions­ elektronenkanone 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 aufge­ fangen und beispielsweise in einen Mott-Detektor 27 einge­ führt. Der Elektronenstrahl, der mit einem Beschleunigungs­ rohr 28 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 D 1, D 2, D 3 bzw. D 4 abgetastet. Die Ausgangsimpulse der Detektoren D 3 und D 4 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 Glei­ chung (3) erhalten wird. Ein Analogsignal, das Py entspricht, wird in gleicher Weise von den Ausgängen der Detektoren D 1 und D 2 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 Ober­ fläche der Probe liegt und die einen Winkel von 45° zur x-Achse hat, beobachten. Wenn der 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 Komponente Pz in der z-Richtung, die erhalten wird, bevor der Vektor ge­ dreht 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 entsprechen­ de Signal als Videosignal auf der Anzeige zur Anzeige gebracht wird, kann die zweidimensionale Verteilung einer Komponente des magnetischen Vektors in der Normalenrichtung der Ober­ fläche der Probe beobachtet werden. Dieses Verfahren er­ möglicht 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 Proben­ oberfläche in genau demselben Bereich beobachtet werden, wie bei der Beobachtung der oben beschriebenen Magnetisierungs­ verteilung.

Wenn ein Sekundärelektronenstrom 31, der von der Sekun­ därelektronen-Abzugselektrode 30 erhalten wird, als Video­ signal verwendet wird, kann die geometrische Struktur der Oberfläche einer Probe in genau demselben Bereich beobach­ tet werden wie die Beobachtung der oben beschriebenen Magne­ tisierungsverteilung 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 Spinpolarisations­ vektors der Sekundärelektronen von einem willkürlich be­ stimmten Punkt auf einem Magnetisierungsverteilungsbild oder einem Sekundärelektronenstrombild oder einem Absorptions­ strombild abgetastet und angezeigt werden.

Die drei Komponenten der Spinpolarisation der Sekundär­ elektronen wurden gemessen, während ein Primärelektronenstrahl 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 P R 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 R 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 P R-Kompo­ nente bestimmt werden. Somit wird die Richtung einer Kompo­ nente in der Oberfläche einer Probe eines magnetischen Vek­ tors in derselben Oberfläche bestimmt.

Wenn der Winkel R von P R 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 Spinpolarisationsvektors P wird in effektiver Weise zur Beobachtung eines magnetischen Bereiches, der einen senkrechten magnetischen Vektor in Be­ zug auf die Oberfläche der Probe hat, 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 beobach­ tet werden, das überhaupt nicht durch die Schwankungen des Sekundärelektronenstromes von nicht weniger als 40 dB be­ einflußt wird.

Mit der thermischen Feldemissionskanone 35 konnte ein starker Strom in gleichmäßiger Weise für eine lange Zeit erhalten werden, und man erzielte eine Auflösung von 20 nm. Wenn die Elektronen­ kanone 35 durch eine thermionische Emissionskanone ersetzt wurde, konnte das Abtastelektronenmikroskop sogar in einem Vakuum von weniger als 10^-6 mbar betrieben werden.

Wie oben erläutert, ermöglicht das erfindungsgemäße Abtastelektronenmikroskop die Beobachtung der zweidimen­ sionalen Verteilung eines magnetischen Vektors in der Ober­ fläche eines magnetischen Materials mit hoher Auflösung und besitzt somit einen extrem hohen industriellen Wert.

Claims (7)

1. Abtastelektronenmikroskop mit
einer Einrichtung (35) zur Emission eines feinen Elektro­ nenstrahls auf die Oberfläche einer Probe (33),
einer Einrichtung zum Abtasten der Probenoberfläche mit dem Elektronenstrahl,
einer Einrichtung (27, 30) zum Auffangen von Sekundär­ elektronen von der Probe (33),
einer Einrichtung zur Gewinnung einer den Magnetisie­ rungszustand eines Bereichs magnetischen Materials in der Nähe der Probenoberfläche anzeigenden Signals aus den aufgefangenen Sekundärelektronen,
einer Einrichtung zur Umwandlung des den Magnetisierungs­ zustand anzeigenden Signals in ein Videosignal und
einer Einrichtung zur Sichtbarmachung des Videosignals auf einer Anzeige (25), dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zur Gewinnung des den Magnetisie­ rungszustand anzeigenden Signals eine Einrichtung (D 1 . . . D 4) zum Abtasten des Spinpolarisationsvektors der aufgefangenen Sekundärelektronen ist und
daß die Einrichtung zur Umwandlung des den Magnetisie­ rungszustand anzeigenden Signals in das Videosignal eine Ein­ richtung (21 . . . 24) zur Umwandlung einer in einer willkürlichen Richtung in der Probenoberfläche liegenden Komponente und/oder einer senkrecht zur Probenoberfläche liegenden Komponente des abgetasteten Spinpolarisationsvektors in das Videosignal ist.

2. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (31, 34) zur Sichtbarmachung des Sekundärelektronenstromes von der Probe (33) oder des Absorptionsstromes in der Probe als Videosignal auf der Anzeige (25).

3. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Emission des Elektronenstrahls aus einer Feldemissionskanone (35) besteht.

4. Abtastelektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Abtastung des Spinpolarisationsvektors eine Spindreheinrichtung (29), mit der der Spinpolarisationsvektor um 90° um eine zur Probenoberfläche parallele Achse drehbar ist, und eine Vielzahl von Elektronendetektoren (D 1 . . . D 4) umfaßt, die in symmetrischen Positionen um eine Streufolie (26) um die Einfallsachse eines Strahles von aufgefangenen Sekundärelektronen angeordnet sind.

5. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umwandlung des Ausgangssignals der Elektronendetektoren (D 1 . . . D 4) in ein Videosignal eine Schaltung (23) vorgesehen ist, die einen Analogaddierer, einen Analogsubtrahierer, einen Analogtei­ ler und ein analoges Rechenelement für trigonometrische Funktio­ nen aufweist.

6. Abtastelektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (32) zur Reinigung der Probenoberfläche vorgesehen ist.

7. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Reinigung der Probenoberfläche eine Ionenkanone (32) aufweist.