JP2000048760A

JP2000048760A - 走査干渉電子顕微鏡

Info

Publication number: JP2000048760A
Application number: JP10213724A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Yajima; 裕介矢島; Yoshio Takahashi; 由夫高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1998-07-29
Publication date: 2000-02-18

Abstract

(57)【要約】【課題】走査干渉電子顕微鏡観察において磁場（磁束
量）の変化の大きさと合わせて増減も決定できるように
する。【解決手段】２本のプローブビーム４に発生する相対的
位相変化と合わせて両プローブビーム４が被るローレン
ツ力による偏向を検出することで、位相変化より磁場
（磁束量）の変化の大きさを決定すると同時に、偏向か
らその増減を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁場分布観察のため
の電子顕微鏡技術の分野に属するものであり、特に、高
感度な磁場分布観察を定量的に行うことの可能な走査干
渉電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子顕微鏡による微小領域での磁
場分布観察において、特に高感度な観察が必要な場合に
は、干渉性の高い電子ビームを２本に分岐し、両電子ビ
ームが磁場の分布する領域を通過する際に誘起される位
相の相対的な変化を検出する方法が行われている。ここ
で、電子ビームを２本に分割するには、多くの場合、電
子ビームの径路中に導電性の細線を挿入し、これに電圧
を印加することで細線の両側を通過して行く電子ビーム
に逆向きの力を加える方法が用いられている。

【０００３】このように１本の電子ビームを複数に分割
する機構は、一般に電子線バイプリズムと称されてい
る。また、位相の相対変化は、両電子ビームを上記領域
通過後に重ね合わせ、そこに生じる干渉縞の縞と垂直方
向へのシフトとして検出する。

【０００４】干渉縞のシフトの検出には、図２に示した
ように、この干渉縞と等間隔に並んだ櫛状開口部を備え
たスリットを利用する。このスリットを干渉縞部分に設
置すれば、これを通過する電子ビーム強度は干渉縞のシ
フトに応じて周期的に変化する。したがって、両電子ビ
ームを走査しながらこの電子ビーム強度を検出すること
で、相対位相変化の等高線像が得られる。

【０００５】ここで、上記相対位相変化Δθは、数１と
なる。

【０００６】

【数１】

【０００７】ここで、ｅは電荷素量、ｈはプランク定
数、∫ｄＳ・Ｂは両電子ビームで囲まれる閉曲面におけ
る磁場（磁束密度）Ｂの面積分、すなわちこの閉曲面を
貫く磁束量Φである。

【０００８】数１において、ｈ／ｅは非常に小さな磁束
量（４フェムトウェーバー）であるため、両電子ビーム
を充分に収束して観察領域で走査しながら干渉縞のシフ
トを検出すれば、磁場分布の高感度な走査顕微像が得ら
れる。このような原理に基づく磁場分布観察のための電
子顕微鏡は走査干渉電子顕微鏡と呼ばれており、例えば
特開平4−206132 号に記載されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の走査干渉電子顕
微鏡によれば、上述したように磁場の変化の大きさ（絶
対値）は高感度にしかも正確に画像化できる。しかし、
その変化の方向（増減）に関する知見は得られないとい
う問題があった。そこで、本発明では、従来の走査干渉
電子顕微鏡における上記問題点の解決を課題とし、磁場
の変化の大きさと合わせて変化の方向（増減）も観測で
きるようにした。そこでまず、上記問題点につき更に詳
しく説明する。

【００１０】数１から明らかなように、位相変化Δθは
観察領域に分布する磁場Ｂのみでなく両電子ビームの径
路にも依存する。実際の走査電子顕微鏡の場合には、両
電子ビームは観察対象である磁場が分布する領域を事実
上平行な直線として通過するから、両電子ビームの径路
は分離の向きと幅で規定される。そこで次に、このよう
な場合に生じる位相変化Δθと磁場分布の関係を説明す
る。このため、互いに直交するｘ軸とｙ軸を磁場Ｂが分
布する領域に光軸と垂直に定義し、ｚ軸を光軸と平行に
定義する。また、両電子ビームは何れも光軸に平行で分
離幅はａとする。

【００１１】まず、両電子ビームの分離方向がｘ軸方向
であり、各ビームが磁場分布領域を、それぞれ（ｘ＋ａ
／２，ｙ）と（ｘ−ａ／２，ｙ）で通過する場合を考え
る（ｘ方向分割）。この時、数１は、数２のようにな
る。

【００１２】

【数２】

【００１３】ここで、Ｂ_y(ｘ，ｙ，ｚ）は磁場Ｂのｙ成
分である。

【００１４】同様に、両電子ビームの分離方向がｙ軸方
向であり、各ビームが磁場分布領域を、それぞれ（ｘ，
ｙ＋ａ／２）と（ｘ，ｙ−ａ／２）で通過する時（ｙ方
向分割）には、数１は数３となる（ここで、Ｂ_x(ｘ，
ｙ，ｚ）は磁場Ｂのｘ成分）。したがって位相変化Δθ
は両電子ビームの間を通過する磁束量、数４に比例す
る。

【００１５】

【数３】

【００１６】

【数４】

【００１７】ところが、この位相変化Δθを、前述した
ように磁場分布領域を通過した両電子ビームの重ね合わ
せで生じる干渉縞部分の電子ビーム強度として、櫛状開
口部を備えたスリットを介して検出すると、図２に示し
たように信号は位相変化Δθの大きさに応じて周期的に
変化することとなり、その変化が磁束量φの増加による
ものか減少によるものかはわからない。すなわち、従来
の走査干渉電子顕微鏡には、磁束量φの変化の大きさは
高感度にしかも正確に画像化できるものの、磁束量φの
増減に関する知見は得られないという問題があった。

【００１８】本発明の課題は、走査干渉電子顕微鏡によ
る磁場分布観察における上記問題点を解決し、磁場の変
化の大きさと合わせて変化の方向（増減）も観測できる
ようにすることである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明では、上述した従
来の走査干渉電子顕微鏡における問題を、櫛状開口部を
備えたスリットによる干渉縞のシフトの検出と同時に、
ローレンツ力による両電子ビームの偏向を検出すること
で解決している。

【００２０】これを説明するために、まずｘ方向分割に
おける磁束量φ（向きはｙ方向）のｘ方向の変化率とｙ
方向分割における磁束量φ（向きはｘ方向）のｙ方向の
変化率に着目する。数４より、これらはそれぞれ、数
５，数６となる。

【００２１】

【数５】

【００２２】

【数６】

【００２３】ここで、電子ビームに対する磁場の影響
を、ローレンツ力の観点から見直す。通常、走査電子顕
微鏡の動作条件では、ローレンツ力による電子ビームの
偏向は非常に僅かであるから、磁場分布領域の点（ｘ，
ｙ）を通過する電子ビームの偏向のｘ成分とｙ成分は、
それぞれ数７，数８と表すことができる。

【００２４】

【数７】

【００２５】

【数８】

【００２６】ここで、ｍは電子の質量，Ｖは電子線の加
速電圧である。

【００２７】したがって、距離Ｌだけ進行した電子ビー
ムは、ｘ軸方向，ｙ軸方向にそれぞれ数９，数１０で与
えられる量だけずれる。

【００２８】

【数９】

【００２９】

【数１０】

【００３０】これから、ｘ方向分割における磁束量φの
ｘ方向の変化率とｙ方向分割における磁束量φのｙ方向
の変化率（数５，数６）は、それぞれ、両電子ビームの
ｘ方向のずれ，ｙ方向のずれと、数１１および数１２に
より関係づけられることがわかる。

【００３１】

【数１１】

【００３２】

【数１２】

【００３３】すなわち、ｘ方向分割の場合には両電子ビ
ームのｘ方向のずれ、ｙ方向分割の場合には両電子ビー
ムのｙ方向のずれを検出することで、数１１と数１２に
より磁束量φの変化率をその符号（増減）も含めて抽出
することができる。走査干渉電子顕微鏡においては、上
述した通り干渉縞のシフトを周期的信号に変換すること
で磁束量φの変化の大きさについては高感度な検出が可
能であったから、変化の符号（増減）を数１１と数１２
を利用して決定する構成を従来の構成に加えれば上記課
題が解決できる。

【００３４】このために本発明では、磁場分布領域を通
過後の両電子ビームの一部を偏向検出アパーチャで遮断
し、この偏向検出アパーチャを通過したビームの電流量
を検出する。磁場分布領域を通過する際に電子ビームが
数７あるいは数８のように偏向すれば、磁場分布領域か
ら上記偏向検出アパーチャまでの実効的距離がＬである
場合、偏向検出アパーチャ上では電子ビームの位置は、
数９あるいは数１０のようにずれるから、偏向検出アパ
ーチャを通過する電子ビームの電流量は偏向量に応じて
変化する。

【００３５】なおここで、磁場分布領域と上記偏向検出
アパーチャとの間には通常は電子光学系が設けられてい
るので、上述した磁場分布領域から上記偏向検出アパー
チャまでの実効的距離Ｌは、この電子光学系の調整に応
じた分だけ実際の距離とは異なっているのが一般的であ
る（実際上ほとんどの場合には、Ｌは実際の距離より大
きい）。

【００３６】次に磁束量φの変化の符号（増減）を数１
１と数１２を利用して決定するのに、どのように電子ビ
ームの一部を遮断するのが好適であるかを説明する。こ
のために、両電子ビームの偏向が数１１と数１２の結果
に与える影響は大きさが同じで向きが逆であることに着
目する。すなわち、例えば一方のビームの偏向と等価な
効果は、他方のビームの量は同じだが逆向きの偏向でも
得られる。また、両電子ビームが同じ方向に同量だけ偏
向しても効果はない。偏向検出アパーチャによる両電子
ビームの部分的遮断は、偏向検出アパーチャ通過後のビ
ームの電流量の挙動が、このような電子ビームの偏向の
数１１，数１２への影響を正しく反映する条件で実施さ
れなければならない。

【００３７】そこで、このようなビーム遮断条件をｘ方
向分割の場合につき具体的に説明する。なお、以下の説
明は、ｙ方向分割についても全く同様に当てはまること
は言うまでもない。

【００３８】上記偏向検出アパーチャに到着する両電子
ビームの断面形状は、電子線バイプリズムとして用いる
細線（ｘ方向分割の場合にはｙ方向に向いている）と、
磁場分布領域に入射する電子ビームの開き角を規定する
ために磁場分布領域よりも電子源側に設置されたプロー
ブアパーチャ（通常開口部は円形である）の像から成る
概略半円形の形状である。細線に電圧を印加せずに接地
すれば、プローブアパーチャの円形な像の中央部に細線
の影が現れ、この影の両側に両電子ビームが分離して存
在することとなる。

【００３９】しかし、細線に電圧が印加されると、この
細線の影の縁の部分の間隔が変化し、縁の位置関係が細
線に電圧を印加しない場合と逆転した場合には、図３に
示したように、両電子ビームに重なる部分が生じ、この
重なった部分（干渉領域）に干渉縞が現れる。この干渉
領域が、図３のように偏向検出アパーチャの開口部の中
央部になり（磁場分布領域に偏向に寄与する磁場がない
場合）、しかもこの開口部にはプローブアパーチャの像
が入らないようにすれば、磁束量φの変化の符号（増
減）を数１１と数１２を利用して決定するのに好適な電
子ビームの一部遮断が実現できる。偏向検出アパーチャ
上に干渉領域が現れない場合でも、磁場分布領域に偏向
に寄与する磁場がない場合における細線の影の縁が偏向
検出アパーチャの開口部の対象な位置となり、しかもこ
の開口部にはプローブアパーチャの像が入らないように
することで、干渉領域がある場合と同様に数１１と数１
２に基づき、磁束量φの増減が決定できる。

【００４０】このような条件の電子ビーム遮断において
は、偏向検出アパーチャを通過する両電子ビームの電流
量と数１１に現れる両電子ビームずれ量とが、符号が逆
で大きさが実質的に同一の係数で比例することは明らか
である。したがって、例えば、偏向検出アパーチャを通
過する電流量（両電子ビームの電流量の和）が、磁場分
布領域に偏向に寄与する磁場がない場合の電流量（基準
電流量）と比べて多ければ、数１１よりｙ方向の磁束量
φは増加していることが分かり、逆にこの電流量が基準
電流量より少なければ磁束量φは減少していることが分
かる。

【００４１】なお、ｙ方向分割の場合には、偏向検出ア
パーチャを通過する電流量が基準電流量と比べて多けれ
ば、数１２よりｘ方向の磁束量φは減少していることが
分かり、逆にこの電流量が基準電流量より少なければ磁
束量φは増加していることが分かる。

【００４２】したがって本発明では、櫛状開口部を備え
たスリットにより干渉縞のシフトを検出すると同時に、
上述した条件において偏向検出アパーチャを通過する電
流量を検出することにより、従来の走査干渉電子顕微鏡
における前述の問題を解決する。

【００４３】

【発明の実施の形態】図１に、本発明の一実施例の装置
構成を示す。図１において、電界放出型電子源を備えた
電子銃１から出た電子線２は、電子線２の径路中に配し
た電圧の印加が可能な細線と図中では省略されている接
地電極から成るバイプリズム３により２本のプローブビ
ーム４に分割される。プローブビーム４は、照射電子光
学系５により実効上互いに平行な充分細いビーム状に成
形された状態で、磁場が分布する観察領域６を通過す
る。

【００４４】観察領域６に入射するプローブビーム４の
開き角は、プローブアパーチャ７で規定される。また、
プローブビーム４は、照射電子光学系７部分を進行中に
互いに重なる部分（ピボット面と称する）で走査偏向器
８により一括で走査偏向される。そして、投射電子光学
系９は、観察領域８を通過した両プローブビーム４を重
ね合わせ、ピボット面の拡大像をスリット１０に結像さ
せる。

【００４５】ここで、投射電子光学系９内に生じるピボ
ット面の結像面には偏向検出アパーチャ１１が設置され
ており、プローブビーム４の周辺部、すなわち、プロー
ブアパーチャ７の像（影）とその付近は遮断される。こ
れにより、スリット１０には、偏向検出アパーチャ１１
の開口部、バイプリズム３を構成する細線の影の縁の部
分、およびその縁の部分の間の両プローブビーム４が重
なった部分(干渉領域)が結像されることになる。

【００４６】この像はピボット面とその結像面を結像し
たものであるから、両プローブビーム４を走査偏向器８
により走査偏向しても動かない。また、上記スリット１
０には、干渉領域に発生している干渉縞と等間隔に並ん
だ櫛状の開口部が設けてある。また、このスリット１０
は、電子線２の検出機能も備えており、そこに照射され
る電子線２の強度に実効的に比例する信号（Ｉ₀ ）を出
力することができる。

【００４７】このスリット１０の開口部を通過するプロ
ーブビーム４の強度は検出器１２で検出する。その信号
（Ｉ₁ ）は干渉縞のシフトに応じて周期的に変化する。
したがって、走査制御装置１３により走査偏向器８を駆
動して両プローブビーム４を走査し、この信号（Ｉ₁ ）
を輝度信号とする走査像を画像生成装置１４にて生成す
ることで、両プローブビーム４の相対位相変化、すなわ
ちプローブビーム４の間を貫く磁束量の変化の等高線像
が得られる。

【００４８】ここで、画像生成装置１４では、検出器１
２からの信号Ｉ₁ だけでなく、スリット１０からの信号
Ｉ₀ とＩ₁ との演算の結果（Ｉ₂ ）を輝度信号とする走
査像も、上記等高線像と合わせて生成される。この演算
は、具体的には、数１３で定義される２値化演算であ
り、信号演算装置１５にて行われる。

【００４９】

【数１３】

【００５０】なお、ここで、Ｉ_t は両プローブビーム４
の偏向に寄与する磁場が観察領域６にない場合に検出さ
れるＩ₀ とＩ₁との和（Ｉ₀ ＋Ｉ₁）に実効上等しい。

【００５１】信号Ｉ₁ とＩ₂ を輝度信号とする像は、表
示装置１６に重ねて表示することが可能である。

【００５２】その例を図４に示す。図４では、プローブ
ビーム４の分割方向をｘ方向として得た磁束量φの等高
線像（Ｉ₁ ）と信号演算装置１５の演算結果（Ｉ₂ ）の
像を合わせて示してある。像中には８本の等高線が現れ
ており、これらには１から８までの数字が付してある。

【００５３】この等高線像は、従来の走査干渉電子顕微
鏡を用いて同じ観察領域６の観察を行っても得ることが
できる。しかし、これだけでは磁束量φが増加している
のか減少しているのか分からない。また、像中に現れて
いる等高線が互いにどのような関係になっているかも明
らかでない。

【００５４】ところが、図４のように、これをＩ₂ の像
と重ねることにより、これらの問題が解決できる。すな
わち、Ｉ₂ が１になる部分では磁束量φがｘの正方向に
向かうにつれて増加（∂φ／∂ｘ＞０）しており、Ｉ₂
が０になる部分では減少（∂φ／∂ｘ＜０）しているこ
とから、等高線１と８，２と７，３と６は、それぞれ像
の外でつながっており、等高線１＋８→２＋７→３＋６
→４→５の順番で磁束量φがｈ／ｅずつ増加していくこ
とが分かるのである。

【００５５】以上、本発明の一実施例の構成および動作
について述べたが、電子線２で２本のプローブビーム４
を生成し、これらを磁場が分布する観察領域６を通過さ
せて、両プローブビーム４に発生する相対的位相変化の
分布を等高線像として取得する機能に、更に両プローブ
ビーム４が観察領域６を通過する際に被るローレンツ力
による偏向を検出する機能と、その偏向量から両プロー
ブビーム４が移動していく際の検出磁束量の増減を決定
する機能とを有する走査干渉電子顕微鏡であれば、それ
が本実施例と異なる構成であっても本発明の本質を損な
うことなくこれを実施できることは言うまでもない。

【００５６】

【発明の効果】本発明により、走査干渉電子顕微鏡にお
いて、磁場（磁束量）の変化の大きさと合わせて変化の
方向（増減）も画像化できるようになった。このため、
従来の走査干渉電子顕微鏡において可能であった磁場変
動の高感度な観察に加えて、磁場強度分布の正確な決定
が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の走査干渉電子顕微鏡の構成
を示す説明図。

【図２】本発明の原理的構成を示す説明図。

【図３】本発明の原理を説明するための像の干渉領域を
示す説明図。

【図４】本発明の一実施例の機能の説明図。

【符号の説明】

１…電子銃、２…電子線、３…バイプリズム、４…プロ
ーブビーム、５…照射電子光学系、６…観察領域、７…
プローブアパーチャ、８…走査偏向器、９…投射電子光
学系、１０…スリット、１１…偏向検出アパーチャ、１
２…検出器、１３…走査制御装置、１４…画像生成装
置、１５…信号演算装置、１６…表示装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２本の電子線プローブを生成する機構，上
記電子線プローブが観察領域を通過する際に上記電子線
プローブに発生する相対的位相変化を検出する機構，上
記電子線プローブを互いの分離の方向と間隔が一定のま
ま上記観察領域で走査して上記相対的位相変化の等高線
像を走査像として生成する機構を備えた走査干渉電子顕
微鏡において、上記電子線プローブが上記観察領域を通
過する際に生じる偏向を検出する機構と上記偏向の上記
２本の電子線プローブ間での差（偏向差）を検出する機
構とを有することを特徴とする走査干渉電子顕微鏡。
【請求項２】請求項１に記載の走査干渉電子顕微鏡にお
いて、上記電子線プローブの偏向を検出する機構が、上
記観察領域通過後の上記電子線プローブの一部を遮断す
るアパーチャと上記アパーチャを通過する上記電子線プ
ローブの電流量を検出する検出器とを含むことを特徴と
する走査干渉電子顕微鏡。
【請求項３】請求項２に記載の走査干渉電子顕微鏡にお
いて、上記偏向差の走査像（偏向差像）を生成する機構
と上記偏向差像を単独であるいは上記等高線像と重ねて
表示する機構とを備えたことを特徴とする走査干渉電子
顕微鏡。