JP5322157B2 - スピン偏極イオンビーム発生装置及びそのスピン偏極イオンビームを用いた散乱分光装置及び方法並びに試料加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、スピン偏極イオンビーム発生装置と、この発生装置で発生したスピン偏極イオンビームを試料に照射し試料から散乱するイオンを分光して材料の表面及び界面の磁性特性を調べるための散乱分光装置と、上記スピン偏極イオンビームを用いて試料の改質等の加工を行なう装置に関する。

なお、本明細書において、以下の用語を以下の意味で使用する。

偏極率：
上向きと下向きのスピンを持つイオンの個数を、それぞれｎ↑とｎ↓とすれば、偏極率は（ｎ↑−ｎ↓）／（ｎ↑＋ｎ↓)で定義される。本明細書では、これに１００を乗じて、パーセント表示する。なお、イオンの種類を特定した場合には、上記のｎ↑を、Ｎ_Ｍ↑（ここで、Ｍはイオン名）と表記する。例えば、上向きスピンを有する偏極した一価のヘリウム陽イオンの個数を、Ｎ_Ｈｅ＋↑と表わす。本発明においては、「偏極」はスピンによる偏極、つまり、スピン偏極を意味している。

Ｄ_０線、Ｄ_１線、Ｄ_２線、２^３Ｓ_１などの記号：
準安定ヘリウム原子２^３Ｓ_１の光ポンピングに関与するエネルギー準位を、図１９を用いて説明する。光ポンピングによる準安定へリウム原子２^３Ｓ_１のスピン偏極では、２^３Ｓ_１と２^３Ｐの間の遷移を使う。この２^３Ｐ準位はスピン−軌道相互作用により微細構造を持ち、２^３Ｓ_１からこれらへの遷移のことを、遷移エネルギーが大きい方から、Ｄ_０線、Ｄ_１線、Ｄ_２線と呼んでいる。本文中で使用するＤ_０線、Ｄ_１線、Ｄ_２線の記号は、特に断りのない限り、この準安定ヘリウム原子２^３Ｓ_１の２^３Ｐへの遷移を示すこととする。

非特許文献１には、光ポンピングされた準安定ヘリウム原子（Ｈｅ^＊（２^３Ｓ^１））のペニングイオン化により、スピン偏極ヘリウムイオンが生起することが報告されている。
ペニングイオン化は下記反応式（１）で表わされる。
Ｈｅ^＊＋Ｈｅ^＊→Ｈｅ^＋＋Ｈｅ＋ｅ⁻ （１）
ここで、Ｈｅ^＊は準安定ヘリウム原子、Ｈｅ^＋は一価のヘリウム陽イオン、ｅ⁻は電子である。この反応では、ヘリウムのスピン角運動量の成分は保存されている。
したがって、準安定ヘリウム原子（Ｈｅ^＊）が光ポンピングされてスピン偏極した場合には、発生したヘリウムイオン（Ｈｅ^＋）の電子もスピン偏極している。このようなイオンを本発明では偏極イオン又はスピン偏極イオンと呼ぶ。

偏極イオンビームにより材料の表面及び界面の磁性を調べる検査方法においては、偏極イオンビームは表面に極めて敏感であることから、測定中の表面汚染を防ぐため測定時間は可能な限り短縮する必要がある。

従来は、非特許文献２に示されているように、準安定ヘリウム原子２^３Ｓ_１の２^３Ｐ_１への遷移に対応するＤ_１線の波長を持つ円偏光を用いた光ポンピングにより、ヘリウムイオンの偏極がなされてきた。直交した円偏光及び直線偏光したポンピング光により準安定ヘリウム原子からスピン偏極した電子を発生させる技術が非特許文献３及び４に報告されている。

この従来技術によるヘリウムイオンの偏極率は１８％であり、これ以上の偏極率を持つ偏極ヘリウムイオンの発生は不可能であった。このため、測定中の表面汚染を避けることが困難でその測定結果にもおのずから限界が生じていた。

また、偏極イオンビームを用いた表面改質などの加工においては、偏極イオンビームの偏極率が低いことで、加工精度に限界が生じていた。

中性子散乱(非特許文献５)や磁気円二色性分光(非特許文献６)などの従来技術では、元素を識別した磁気構造解析は可能であるが、分析試料の表面に対して敏感でないため、表面の数原子層に限定した磁気構造解析は不可能であった。

他方、スピン偏極光電子分光法(非特許文献７)やスピン偏極準安定原子脱励起分光法(非特許文献８)などの従来技術は表面敏感性を有するが、元素識別能力がないため、元素と原子層とを選別した磁気構造解析は不可能であった。
このように、従来技術では、表面数原子層の元素を選別した磁気構造解析は不可能であった。

また、従来のイオン散乱分光法(非特許文献９)では、表面・界面の組成分析や構造解析は可能であったが、試料表面・界面のスピン解析はできなかった。

要するに、表面や界面の磁気構造の解明は、新規デバイス開発等において重要な課題となっているが、従来の分析技術では、最表面２〜３原子層程度の、元素と原子層とを選別した磁気構造解析は不可能であった。

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本発明は、このような実情に鑑み、測定時間を短縮して従来にはない高精度の測定や加工が可能になるように、偏極率が１８％を超える高い偏極率をもったスピン偏極イオンビーム発生装置を提供することを第１の目的とする。

本発明は、最表面からの浅い層、例えば２〜３原子層における元素と原子層とを選別した磁気構造解析ができるスピン偏極イオン散乱分光装置を提供することを第２の目的とする。

さらに本発明は、試料にスピン偏極したイオンを照射して試料の加工を行うことができる、スピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置を提供することを第３の目的とする。

上記第１の目的を達成するために、本発明のスピン偏極イオンビーム発生装置は、イオン発生用の高周波放電管と、レーザー発振器と、レーザー発振器からのレーザーを二つに分岐し、一方を円偏光の第１のポンピング光とし、他方を直線偏光の第２のポンピング光として、相互に９０°の照射角度差をもって高周波放電管に照射するポンピング光発生部と、を備え、スピン偏極イオンを引き出すための引き出し電極を、高周波放電管の端部に設けている。

上記構成において、スピン偏極イオンビームの引き出し方向は、好ましくは、円偏光及び前記直線偏光の何れにも直交する方向である。高周波放電管は、好ましくは、引き出し電極に対向するリペラー電極を備えている。引き出し電極は、好ましくは、排気コンダクタンスが小さくなるように細孔状構造を有している。ポンピング光発生部は、好ましくは、第１のポンピング光の円偏光を右回り又は左回りに制御する円偏光制御部を備えている。レーザー発振器は、好ましくは、プローブレーザーの吸収計測から求められるイオンの基となる準安定原子の偏極率が最大となるように波長が調整されてレーザー光を出力する。好ましくは、イオンはヘリウムイオンであり、第１及び第２のポンピング光の波長はＤ₀線であり、プローブ光の波長はＤ₀線である。高周波放電管内のヘリウム圧力を、好ましくは、１５Ｐａ以上５０Ｐａ以下とする。

上記第２の目的を達成するために、本発明のスピン偏極イオン散乱分光装置は、スピン偏極イオンビーム発生部と、スピン偏極イオンビーム発生部から発生させたスピン偏極イオンビームを試料に照射するスピン偏極イオンビームラインと、試料とスピン偏極イオンビームとの相互作用により散乱するイオンのエネルギーを計測する計測部と、を備え、スピン偏極イオンビーム発生部は、イオン発生用の高周波放電管と、レーザー発振器と、レーザー発振器からのレーザーを二つに分岐し、一方を円偏光の第１のポンピング光とし、他方を直線偏光の第２のポンピング光として、相互に９０°の照射角度差をもって高周波放電管に照射するポンピング光発生部と、を有し、スピン偏極イオンを引き出すための引き出し電極を、高周波放電管の端部に設けている。

上記構成において、好ましくは、スピン偏極イオンビームの引き出し方向は、円偏光及び前記直線偏光の何れにも直交する方向である。前記高周波放電管は、好ましくは、引き出し電極に対向するリペラー電極を備えている。引き出し電極は、好ましくは、細孔状構造有している。ポンピング光発生部は、好ましくは、第１のポンピング光の円偏光を右回り又は左回りに制御する円偏光制御部を備えている。レーザー発振器は、好ましくは、プローブレーザーの吸収計測から求められるイオンの基となる準安定原子の偏極率が最大となるように波長が調整されてレーザー光を出力する。好ましくは、試料に入射するスピン偏極イオンに対する入射角が制御可能な試料台を備えている。好ましくは、イオンはヘリウムイオンであり、第１及び第２のポンピング光の波長はＤ₀線であり、プローブ光の波長はＤ₀線である。

本発明のスピン偏極イオン散乱分光法は、上記記載のスピン偏極イオン散乱分光装置を用い、スピン偏極イオンを試料に入射し、試料からの散乱イオンを計測し、入射イオン種のスピン別に散乱イオン強度を計測し、試料に入射するイオンの中性化確率のスピン依存性から試料表面の磁気構造を解析する。

上記構成において、好ましくは、散乱イオン強度を、静電アナライザで検出し、前記イオンのスピンの向きによる散乱イオン強度の違いから試料表面の磁気構造を解明する。好ましくは、散乱イオン強度の試料へのスピン偏極イオンの入射角度依存性を測定し、散乱イオン強度の測定から試料表面からの深さ方向の原子層と元素とを選別してスピンを解析する。好ましくは、イオンのスピンの向きを変える前後で、静電アナライザによる検出量から試料表面の磁気構造を解明する。

上記第３の目的を達成するために、本発明のスピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置は、スピン偏極イオンビーム発生部と、スピン偏極イオンビーム発生部から発生させたスピン偏極イオンビームを試料に照射するスピン偏極イオンビームラインと、スピン偏極イオンビームラインから整形されたスピン偏極イオンビームを試料に照射する超高真空槽と、を備え、スピン偏極イオンビーム発生部は、イオン発生用の高周波放電管と、レーザー発振器と、レーザー発振器からのレーザーを二つに分岐し、一方を円偏光の第１のポンピング光とし、他方を直線偏光の第２のポンピング光として、相互に９０°の照射角度差をもって高周波放電管に照射するポンピング光発生部と、を有し、スピン偏極イオンを引き出すための引き出し電極を、高周波放電管の端部に設けている。

上記構成において、スピン偏極イオンビームの引き出し方向は、好ましくは、円偏光及び前記直線偏光の何れにも直交する方向である。高周波放電管は、好ましくは、引き出し電極に対向するリペラー電極を備えている。引き出し電極は、好ましくは、細孔を備えている。ポンピング光発生部は、好ましくは、第１のポンピング光の円偏光を右回り又は左回りに制御する円偏光制御部を備えている。レーザー発振器は、好ましくは、プローブレーザーの吸収計測から求められるイオンの基となる準安定原子の偏極率が最大となるように波長が調整されてレーザー光を出力する。好ましくは、試料に入射するスピン偏極イオンに対する入射角が制御可能な試料台を備えている。スピン偏極イオンビームラインは、好ましくは、排気孔となる細孔部を設けた非磁性体からなるレンズを備える。イオンはヘリウムイオンであり、第１及び第２のポンピング光の波長はＤ₀線である。

本発明のスピン偏極イオンビーム発生装置によれば、従来と比較して１．５倍以上の偏極率を有するスピン偏極イオンビームが得られ、従来と同様な精度での測定では、その測定時間を２／３以下に減少することができた。

本発明のスピン偏極イオン散乱分光装置によれば、試料最表面の２〜３原子層において、元素と原子層とを選別して表面スピン解析を行うことができた。このため、最表面２〜３原子層程度の深さ領域における磁気構造解析が可能となった。
さらに、本発明のスピン偏極イオン散乱分光装置では、スピン偏極イオンを試料表面に入射し、散乱イオンのエネルギー分析を入射イオンのスピン別に計測、つまり、スピン偏極計測をすることができ、試料表面における入射イオン中性化確率のスピン依存を測定することが可能である。

本発明のスピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置によれば、試料最表面をスピン偏極したイオンビームにより加工できる。従来と同様な加工方法を用いても、イオンと被加工物との相互作用のスピン依存に基づく加工精度を１．５倍以上に上げることができる。本発明により可能となった高偏極イオンビームを用いることによって、試料の改質やスピン伝導を利用した素子の製造装置工程におけるスピンの制御等に利用でき、より高度な機能を備えた材料を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係るスピン偏極イオンビーム発生装置の構成を模式的に示す図である。 図１のスピン偏極イオンビーム発生装置において発生させた偏極イオンの偏極率を評価するシステムの模式図である。 高周波放電管の構成の一例を示す図で、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は左側面図、（Ｃ）は右側面図である。 引き出し電極の一例を示す拡大断面図である。 図４のオリフィスプレートの一例を示す図で、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は右側面図である。 偏極イオンビーム整形部の構成の一部を模式的に示す断面図である。 スピン偏極イオンビーム発生装置に用いるポンピング光波長調整部の構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係るスピン偏極イオン散乱分光装置の構成を模式的に示す図である。 第２の実施形態に係るスピン偏極イオン散乱分光装置の具体的な構成を示す模式図である。 超高真空槽の構成例を示す正面図である。 超高真空槽の構成例を示す上面図である。 イオン散乱分光を説明する図で、（Ａ）は模式図、（Ｂ）はイオン散乱分光で得られる分光スペクトルを示す図である。 スピン偏極イオン散乱分光イオン散乱分光を説明する図で、（Ａ）は模式図、（Ｂ）はスピン偏極イオン散乱分光で得られる分光スペクトルを示す図、（Ｃ）は（Ｂ）で求めたスピン別の分光スペクトルの差スペクトルを示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るスピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置の構成を示す模式図である。 実施例１の結果で、ヘリウム圧力の変化に伴う偏極率の変化を示すグラフである。 酸素が吸着した鉄（１００）表面において、（Ａ）はイオン散乱分光（ＩＳＳ）スペクトルを、（Ｂ）はスピン偏極イオン散乱分光（ＳＰ−ＩＳＳ）スペクトルとスピン非対称率を示す。 鉄（１００）表面におけるスピン偏極イオン散乱分光の入射角依存性を測調べたグラフ及び特定の入射角度に対するスピン非対称率を示す図である。 図１７のピーク（１）〜（４）に対応するフオーカシング効果におけるシャドーコーンと原子位置との幾何学的関係を示す構成図である。 準安定ヘリウム原子２^３Ｓ_１の光ポンピングに関与するエネルギー準位を説明する図である。

符号の説明

１：レーザー発振器
２：光ファイバー増幅器
３：光ファイバーコネクタ
４，８，６７：レンズ
５，１０：１／２波長板
６，５６：ハーフミラー
７，６５：１／４波長板
９，９Ａ，５８，５９，６４，６６：ミラー
１１：凹面鏡
１２，１５：高周波放電管
１５Ａ：本体部
１５Ｂ：フランジ部
１５Ｃ：Ｈｅガス導入口
１５Ｄ：Ｈｅガス排出口
１５Ｅ：配線用ポート
１５Ｆ：引き出し電極挿入部
１３：コイル
１４，８７：直流電源
１６：高周波電極
１７：引き出し電極
１７Ａ：オリフィスプレート保持部
１７Ｂ：オリフィスプレート
１７Ｂａ：円筒部
１７Ｂｂ：オリフィスプレート部
１７Ｂｃ：螺子部
１７Ｃ：円筒部
１７Ｄ：フランジ部
１８：マッチングユニット
１９：高周波電源
２０：リペラー電極
２１：コンデンサーレンズ
２２：フォーカシングレンズ
２３，２６：ディフレクター
２４：アインツェルレンズ
２５：減速器
２７，７３：試料（Ｏ／Ｆｅ／ＭｇＯ磁性体基板）
２８：スピン偏極イオンビーム
３０：偏極イオンビーム発生装置
３１：高周波放電部
３２：磁場印加部
３３：ポンピング光発生部
３４：第１のポンピング光（円偏光）
３５：第２のポンピング光（直線偏光）
３６，３６Ａ：偏極イオンビーム整形部
３８：グランレーザープリズム
３９：フランジ
４１，８１：静電アナライザ
４２：二次電子増倍管
４３：プリアンプ
４４：マルチチャンネルスケーラー
４５，８２：コンピュータ
５０：ポンピング光波長調整部
５１：プローブ光発振部
５２：透過光測定部
５３：プローブ光用レーザー発振器
５３Ａ：プローブ光用レーザー発振器用電源
５４，５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃ，５４Ｄ，５４Ｅ：プローブ光
５５：ビームスプリッタ
５７，６８：スリット
６０：プローブ用ヘリウム放電管
６１：光検出器
６２：ロックイン増幅器
６３：減衰器
６９：透過光検出器
７０：スピン偏極イオン散乱分光装置
７１：スピン偏極イオンビーム発生部
７２：スピン偏極イオンビームライン
７４，１０３：超高真空槽
７５：計測部
７６：光ポンピング照射光
７７：ヘリウムガス導入口
７８：高周波へリウムイオン源
７９，８０：差動排気ポート
８１Ａ：静電アナライザ用電源
８４：円偏光制御部
８４Ａ：モーター
８４Ｂ：モーター駆動部
８５：試料磁化部
８６：試料磁化用コイル
８８：コンデンサ
８９：スイッチ
９０：架台
９１：真空排気部
９３，９５，９７：ポート
９４：Stern-Gerlach分析器
９６：ＲＨＥＥＤ
９８：マニュピレータ
９９：試料搬入部
１００：スピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置
１０１：被加工物
１０２：試料載置部

（第１の実施形態）
以下、図面に示した実施形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
最初に、第１の実施の形態に係るスピン偏極イオンビーム発生装置について説明する。
図１は、第１の実施の形態に係るスピン偏極イオンビーム発生装置３０の構成を模式的に示す図である。スピン偏極イオンビーム発生装置３０は、高周波放電管１２等からなる高周波放電部３１と磁場印加部３２とポンピング光を発生するポンピング光発生部３３とから構成されている。

高周波放電管１２は、偏極イオンとなる原子からなるガスが導入され、高周波電源１９等の印加でプラズマが形成され、準安定状態の原子のイオン化を行う。さらに、高周波放電管１２には、磁場印加部３２から磁場（図１の↑Ｂ参照）が印加され、ポンピング光発生部３３から互いに直交した第１のポンピング光３４と第２のポンピング光３５が入射されることで高周波放電管１２内のイオンが偏極イオンビームとなり、紙面垂直方向（Ｚ方向）に出射する。

本発明においては、発生させるスピン偏極したイオンは、高周波放電に限らず放電により生成するイオンに対してポンピング光３４，３５を照射して偏極したイオンが発生できれば、イオンの種類は問わない。

ポンピング光発生部３３は、高周波放電管１２に光ポンピングを行うための照射装置であり、光ファイバーレーザー等の光ポンピングを行うためレーザー発振器１と光ファイバー増幅器２と光ファイバーコネクタ３とレンズ４と１／２波長板５とハーフミラー６と１／４波長板７とレンズ８とミラー９と１／２波長板１０と凹面鏡１１とを含んで構成されている。

光ファイバーレーザーからの出力光は、光ファイバー経由で光ファイバー増幅器２に入力される。この入力光が、光ファイバー増幅器２で増幅され、光ファイバーコネクタ３から空間に放出される。光ファイバーレーザー内に設置された偏光器を用いて、この放出光が直線偏光となるように予め調整されている。空間に放出された光を、１／２波長板５を用いて偏光方向を調整しその凡そ半分の強度の光の進路をハーフミラー６を用いて変えている。この進路を変えた光を、１／４波長板７を用いて円偏光（シグマ（σ）光とも呼ばれている）の第１のポンピング光３４とし、高周波放電管１２へ照射する。つまり、第１のポンピング光３４は、１／４波長板７により円偏光に調整される。さらに、円偏光された第１のポンピング光３４の照射方向が、磁場印加部３２で作られる磁場と平行となるように調整されている。したがって、ポンピング光発生部３３は、レーザー発振器１から円偏光した第１のポンピング光３４と直線偏光した第２のポンピング光３５を発生することができる。つまり、ポンピング光発生部３３は、第１のポンピング光３４と直線偏光した第２のポンピング光３５を発生する光偏光器の作用をする。
ここで、光ファイバーレーザーからの放出光を直線偏光にするには、空間に放出された光を、１／２波長板５と図示しないグランレーザープリズムを使用してもよい。グランレーザープリズムは、方解石などを用いた偏光プリズムである。

磁場印加部３２は、コイル１３と直流電源１４とからなる電磁石から構成することができる。コイル１３で作られる磁場は、１〜３ガウス程度となるように直流電源１４により調整される。高周波放電管１２に印加される磁場は、第１のポンピング光３４と平行である必要がある。地球磁場は０．５ガウス程度であり、その向きは、一般には伏角をもって地面と非平行であるので、地球磁場よりも大きな１〜３ガウス程度の磁場を印加して、高周波放電管１２における磁場を第１のポンピング光３４と平行にすることが出来る。コイル１３で作られる磁場は３ガウスを越えると、スピン偏極したイオンの軌道に影響を与えるので好ましくない。もちろん、高周波放電管１２における磁場が、第１のポンピング光３４と平行になっていればよいので、ヘルムホルツコイルなどを用いて、地球磁場をキャンセルする方式でもよい。

第１及び第２のポンピング光３４，３５の波長は、偏極イオンビームがヘリウムの場合には、準安定ヘリウム原子２^３Ｓ_１の２^３Ｐ_０への遷移に対応するＤ_０線とすることができる。また、第１及び第２のポンピング光３４，３５の線幅は２ＧＨｚ以下である。

一方、ハーフミラー６を通過した光が高周波放電管１２を照射するようにミラー９と凹面鏡１１が調整される。この直線偏光（パイ（π）光とも呼ばれている）とした第２のポンピング光３５の照射方向は、コイル１３で作られる磁場と垂直となるよう調整されている。さらに、直線偏光の偏光成分がコイル１３で作られる磁場と平行となるように、１／２波長板１０で偏光方向が調整される。

上記のポンピング光発生部３３は、レーザー発振器１から出射する直線偏光のレーザー光を二つに分岐し、一方を円偏光とし、他方を直線偏光として、相互に９０°の照射角度差、つまり、直交配置で高周波放電管１２に照射する機能を有している。

図２は、スピン偏極イオンビーム発生装置３０において発生させた偏極イオンの偏極率を評価するシステムの模式図である。このシステムは、試料２７に偏極イオンを照射するスピン偏極イオンビーム照射装置３０としても使用できる。本発明のスピン偏極イオンビーム発生装置３０は、試料２７にスピン偏極したイオンを照射して、試料２７の加工を行うことができる。

ここで、プラズマの発生を、高周波電力の印加で生起させる場合、高周波放電管１５に設ける高周波電極１６と高周波電源１９との電力伝送を効率良く行うためにインピーダンス整合用のマッチングユニット１８を挿入する。マッチングユニット１８は、トランス、コイル、コンデンサなどから構成することができる。高周波電極１６は、所謂容量結合などの電極構成とすることができる。高周波電源１９の周波数は、特に制限はないが１３．５６ＭＨｚなどを使用することができる。

スピン偏極イオンビーム発生装置３０により発生するスピン偏極イオンビーム２８は、偏極イオンビーム整形部３６を介して試料２７に照射される。図示の場合には、偏極イオンビーム整形部３６は、引き出し電極１７から出射する偏極イオンを、リペラー電極２０、レンズ２１，２２，２４、ディフレクター２３，２６、減速器２５を用いて、試料２７まで輸送する構成例を示している。

試料２７に到達した偏極イオンの大部分は、試料２７との間の相互作用において中性化し、基底状態の原子となる。この相互作用において、試料２７から電子が放出される。この電子の強度が、その運動エネルギーの関数として、偏極イオンのスピンの向き別に、静電アナライザ４１と二次電子倍増管４２とプリアンプ４３とマルチチャンネルスケーラー４４とパーソナルコンピュータ４５とを用いて計測される。

偏極イオンビーム整形部３６と、試料２７の載置部や静電アナライザ４１は、図示しない真空排気装置により１０^−８Ｐａ程度の超高真空に排気されている。また、上記の評価システムは、図示しないヘルムホルツコイルで囲まれ、これによりシステム全体にわたって１００ミリガウスオーダーの定義磁場が与えられている。以下の説明では、偏極イオンを、ヘリウムからなる偏極ヘリウムイオンとして説明する。

ヘリウムイオンの偏極の向き(上向き又は下向き)は、図１に示す１／４波長板７の向きを変えることで制御することができる。上向きと下向きのスピン成分を持つヘリウムイオンによる放出電子強度は、それぞれＮ_Ｈｅ＋↑とＮ_Ｈｅ＋↓に比例するので、スピン非対称率は下記（２）式で表わされる。
スピン非対称率＝（Ｎ_Ｈｅ＋↑−Ｎ_Ｈｅ＋↓）／{（Ｎ_Ｈｅ＋↑＋Ｎ_Ｈｅ＋↓）×Ｐ} （２）
ここで、Ｐは入射するスピン偏極したヘリウムイオンの偏極率である。
したがって、（２）式から次式が求まる。
Ｐ＝（Ｎ_Ｈｅ＋↑−Ｎ_Ｈｅ＋↓）／{（Ｎ_Ｈｅ＋↑＋Ｎ_Ｈｅ＋↓）×スピン非対称率}}
同じ試料２７での測定なので、スピン非対称率は一定として、Ｐの相対変化が求まる。要するに、測定量は(Ｎ_Ｈｅ＋↑−Ｎ_Ｈｅ＋↓)／（Ｎ_Ｈｅ＋↑＋Ｎ_Ｈｅ＋↓）であり、これはＰ×（スピン非対称率）に等しいことから偏極ヘリウムイオンの偏極率に比例するので、(Ｎ_Ｈｅ＋↑−Ｎ_Ｈｅ＋↓)／（Ｎ_Ｈｅ＋↑＋Ｎ_Ｈｅ＋↓）を図２に示された装置で測定することで、偏極ヘリウムイオンの偏極率の変化が求まる。このように、本手法ではヘリウムイオン偏極率はスピン非対称率の測定から評価される。試料２７は磁性体が望ましい。

図２に示すように、高周波放電管１５は、さらに引き出し電極１７と、リペラー電極２０と、を備えている。高周波放電管１５の外周には、高周波電極１６が配設されている。高周波電極１６には、マッチングユニット１８を介して高周波電源１９が接続される。この構成により、高周波放電管１５は、ヘリウムプラズマを発生させる。次いで、図１で示したポンピング光発生部３３による光ポンピングによって、このプラズマ中の準安定ヘリウム原子２^３Ｓ_１がスピン偏極される。この偏極ヘリウムイオンは、この偏極準安定ヘリウム原子（Ｈｅ^＊）のペニングイオン化反応を利用して発生させることができる。以下の説明においては、高周波放電管１２，１５がヘリウム放電管である場合には、適宜に高周波ヘリウム放電管と呼ぶ。

ヘリウムから偏極した電子を発生させる偏極電子源の場合にはＨｅ^＊とＣＯ_２ガスとのペニングイオン化を利用しているが、Ｈｅ^＊とＨｅ^＊とのペニングイオン化におけるペニングイオン化断面積は、Ｈｅ^＊とＣＯ_２ガスとのペニングイオン化の断面積に比べて小さい。このため、Ｈｅ^＊とＨｅ^＊とのペニングイオン化を生起させるために、十分な量のＨｅ^＊を発生させる必要がある。したがって、偏極電子源に比べて、より多量のＨｅガスを、高周波放電管１５へ導入する必要がある。後述するが、偏極率の高い偏極ヘリウムイオンを発生させるには約１０Ｐａ以上の圧力が必要となる。

図３は、高周波放電管１５の構成の一例を示す図で、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は左側面図、（Ｃ）は右側面図である。
図３（Ａ）に示すように、高周波放電管１５は、本体部１５Ａとフランジ部１５Ｂとから構成されている。本体部１５Ａはガラス等からなり、Ｚ方向の左端側に配設された引き出し電極１７と、Ｚ方向の右端側に配設されたリペラー電極２０と、Ｚ方向の右端側から垂直上方（Ｙ方向）に配設されたＨｅガス導入口１５Ｃと、Ｚ方向の左端側から垂直下方（−Ｙ方向）に配設されたＨｅガス排出口１５Ｄと、配線用ポート１５Ｅと、引き出し電極挿入部１５Ｆと、から構成されている。

図３（Ｃ）に示すように、本体部１５ＡのＸＹ平面における断面形状は、円弧とこの円弧の両端にその一端が接続される２つの直線とからなり、２つの直線の他端は所定の角度をなすように接続されている。一般に、屈折率の異なる媒質に入射して反射した光の偏光は、入射光の偏光とは異なる。つまり、第１のポンピング光（σ光）３４が完全な円偏光であっても、高周波放電管１５の底面からの反射光は完全な円偏光ではない。このように、円偏光度が低下すると、最終的に、偏極イオンビームの偏極率が低下する。これを防ぐために、高周波放電管１５の底面で反射した第１のポンピング光（σ光）３４がプラズマに再入射しないような構造として、高周波放電管１５の断面を、円弧とこの円弧の両端にその一端が接続される２つの直線とからなる構造としている。もちろん、これ以外でも、第１のポンピング光（σ光）３４が偏光度を失わないような構造であれば、どのような構造でもかまわない。

引き出し電極１７は、後述するように略円錐面形状の電極であり、底面側が図３（Ｃ）に示すフランジ部１５Ｂに対向しており、円錐面の頂点側の開口には、細孔を設けた電極１７が形成されている。

リペラー電極２０は、高周波へリウム放電管１５のＺ方向の中心軸に沿って配設される金属線からなる電極であり、Ｗ線などが使用される。

図３（Ｃ）に示すように、フランジ部１５Ｂは、偏極イオンビーム整形部３６に接続される。さらに、フランジの上端側から垂直上方には、引き出し電極１７に電位を与えるための配線を真空内に導入するためのポート１５Ｅが接続されている。

図４は、引き出し電極１７の一例を示す拡大断面図である。引き出し電極１７は高周波放電管１５の引き出し電極挿入部１５Ｆに挿入される。引き出し電極１７は、円錐面状のオリフィスプレート保持部１７Ａと、オリフィスプレート保持部１７Ａの頂部開口に挿入されるオリフィスプレート１７Ｂと、オリフィスプレート保持部１７Ａの左端に接続する円筒部１７Ｃと、円筒部１７Ｃの左端に接続するフランジ部１７Ｄと、から構成されている。オリフィスプレート保持部１７Ａ、円筒部１７Ｃ及びフランジ部１７Ｄは、ステンレスなどからなる金属製である。オリフィスプレート保持部１７Ａとオリフィスプレート１７Ｂとは溶接や螺合により一体接続され、電気抵抗が生じないようにされている。図示の場合には、オリフィスプレート１７Ｂは、オリフィスプレート保持部１７Ａに螺子込みされるように、オリフィスプレート保持部１７Ａの開口の軸側内面とオリフィスプレート１７Ｂの外周部の所定箇所には螺子が設けられている。フランジ部１７Ｄは、高周波放電管１５のフランジ部１５Ｂに接続される。引き出し電極挿入部１５Ｆにおいて、引き出し電極１７の先端に相当する部分は開口している。引き出し電極１７を図４に示すような円錐形状とすることで、プラズマ・シース近傍の準安定ヘリウム原子に、第１及び第２のポンピング光３４，３５を効率的に照射することが出来る。

一例として、各電極電圧を挙げれば、リペラー電極２０が１．４４ｋｅＶ、引き出し電極１７が１．２ｋｅＶで、この時、約１．４ｋｅＶの運動エネルギーを持ったＨｅ^＋イオンビームが発生する。もちろん、これらの電極電圧を適宜変えることにより、これ以外の所望のイオンの運動エネルギーを得ることが出来る。

図５は図４のオリフィスプレート１７Ｂの一例を示し、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は右側面図である。
オリフィスプレート１７Ｂは、円筒部１７Ｂａと円筒部１７Ｃの右端部に設けられたオリフィスプレート部１７Ｂｂとから構成されている。円筒部１７Ｂａの左側の所定箇所には螺子部１７Ｂｃが設けられている。オリフィスプレート部１７Ｂｂの中心には、直径ｄで長さがＬの細孔（オリフィス）が設けられている。細孔は、高周波放管の本体部１５Ａに対向している。オリフィスプレート１７Ｂの材料は、例えばモリブデンである。細孔の寸法は、例えば、直径が０．５ｍｍ、中心軸上の長さＬは０．８ｍｍである。細孔の直径は０．３〜１ｍｍが好適である。細孔の直径が０．３ｍｍ以下では、生成した偏極イオンが引き出し量が小さくなる。細孔の直径が１ｍｍ以上では、高周波放電管１５内部のヘリウムガスが、偏極イオンビーム整形部３６に多量に流入するので好ましくない。同様の理由から、細孔の長さは０．３〜２ｍｍが好ましい。

上記構成の高周波放電管１５によれば、高周波放電管１５内部のヘリウムガス圧力が高くなっても、引き出し電極１７に設けた細孔があるために高周波放電管１５からビームライン間のコンダクタンスを小さくすることができ、ヘリウムガスの偏極イオンビーム整形部３６への流入を効果的に抑圧することができる。
一方、偏極ヘリウムイオンは、リペラー電極２０に正電圧、例えば引き出し電極１７に対して５０Ｖ〜３００Ｖ程度の電圧を印加することで、偏極イオンビーム整形部３６へ効果的に輸送することができ、偏極ヘリウムイオンの偏極イオンビーム整形部３６への引き出し量を増大させることができる。

試料２７に到達する偏極イオンビーム電流は、偏極イオンビーム整形部３６中の真空度に大きく依存する。偏極イオンビーム整形部３６中の残留ガスの主成分は、偏極イオンビーム発生装置３０から流入するヘリウムガスである。このヘリウムガスの流入を防止するための偏極イオンビーム整形部３６の構造を説明する。
図６は、偏極イオンビーム整形部の構成の一部３６Ａを模式的に示す断面図である。図６に示す偏極イオンビーム整形部３６Ａにおいて、紙面水平左側がスピン偏極イオンビーム発生装置３０に接続される偏極イオンの入射側であり、紙面水平右側が出射側である。図示の場合には、入射側から、コンデンサーレンズ２１ａ，２１ｂ，２１ｃとフォーカシングレンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃとが順に配設されている。上記各レンズ２１，２２は真空槽の内部に配設され、その配設された領域は真空に排気されている。なお、フランジ３９は図示しない真空ポンプ３９Ａに接続されている。
真空ポンプ３９Ａにより排気されている。

偏極イオンビーム発生装置３０から流入するヘリウムガスを効果的に排気するために、上記の全てのレンズ２１，２２は、その外周部に複数の細孔部を備えている。この各細孔の直径は約１ｍｍである。偏極イオンビーム整形部３６Ａ中の図示しないアインツェルレンズ２４（図２参照）もコンデンサーレンズ２１及びフォーカシングレンズ２２と同様に細孔部を備えている。コンデンサーレンズ２１及びフォーカシングレンズ２２は、静電レンズである。偏極イオンビームの脱偏極を防ぐために、偏極イオンビーム整形部３６Ａ中のコンデンサーレンズ２１、フォーカシングレンズ２２、図示しないアインツェルレンズ２４及びディフレクター２３、２６は、全て、非磁性体材料からなる銅製である。

（スピン偏極ヘリウムイオンの発生方法）
次に、スピン偏極イオンビーム発生装置３０によりスピン偏極ヘリウムイオンを発生させる手順について説明する。
光ポンピングの照射光の波長が、準安定ヘリウム原子２^３Ｓ_１の２^３Ｐ_０への遷移に対応するＤ_０線となるように光ファイバーレーザーの波長を調整する。光ファイバーレーザー（Ｄ_０線）からの出力光を、光ファイバー経由で光ファイバー増幅器２に入力する。この入力光を光ファイバー増幅器２で増幅し、光ファイバーコネクタ３から空間に放出する。また、光ファイバーレーザー内に設置されたポンピング光発生部３３を用いて、この放出光が直線偏光となるように予め調整しておく。放出光を直線偏光とするために、グランレーザープリズムを用いてもよい。

空間に放出された光を、１／２波長板５を用いて偏光方向を調整し、その凡そ半分の強度の光の進路をハーフミラー６を用いて変える。この進路を変えた光を、次いで、１／４波長板７を用いて円偏光とし、放電した高周波ヘリウム放電管１２，１５へ照射する。この円偏光の照射方向を、コイル１３で作られる磁場と平行となるように調整する。ここで、コイル１３で作られる磁場が１ガウス程度となるように直流電源１４を調整する。
一方、ハーフミラー６を通過した光が高周波ヘリウム放電管１２，１５を照射するようにミラー９と凹面鏡１１を調整する。この直線偏光の照射方向は、コイル１３で作られる磁場と垂直となるよう調整する。この直線偏光の偏光成分がコイル１３で作られる磁場と平行となるように、１／２波長板１０で偏光方向を調整する。

その際、プラズマ中の準安定へリウム原子の偏極率を非特許文献２に記載の方法で観察しながら、その偏極率が最大となるように微調整することで、スピン偏極したヘリウムイオンを発生させることができる。準安定ヘリウム原子の偏極率を観察する方法としては、非特許文献２以外の方法以外にも、後述の方法を用いてもかまわない。

本発明のスピン偏極イオンビーム発生装置３０によれば、スピン偏極率の大きいスピン偏極したイオンビームを発生させることができる。スピン偏極したイオンはスピン偏極ヘリウムイオンに限らず、電子スピン偏極可能なすべてのイオン（例えばＣｄ^＋、Ｓｒ^＋、Ｚｎ^＋、Ｂａ^＋）を使用することができる。特に、イオンがヘリウムイオン（Ｈｅ^＋）の場合には、第１及び第２のポンピング光３４，３５をＤ_０線とすることができる。

スピン偏極イオンビーム発生装置３０の高周波ヘリウム放電管１５にオリフィスプレート１７Ｂを有する引き出し電極１７及びリペラー電極２０を備えることにより、高周波ヘリウム放電管１５内の圧力を１５〜５０Ｐａという圧力範囲とすることが可能である。これにより、約２５％という高スピン偏極率のスピン偏極したヘリウムイオンを発生させることができる。本発明により初めて、高スピン偏極率を有する偏極したヘリウムイオを生成することができる。

したがって、本発明のスピン偏極イオンビーム発生装置３０を用いて試料２７の改質や試料２７の表面の分析を行うことで、高スピン偏極率を有するイオンビームを試料２７に照射できるので、加工時間や測定時間を短縮でき、スループットが向上し、加工精度が向上し、試料２７の表面の汚染（コンタミネーション）を効果的に防止することができる。

（ポンピング光波長調整部）
第１の実施形態に係るスピン偏極イオンビーム発生装置３０に用いる光ポンピングの波長はＤ_０線であり、その波長は１０８２．９０９ｎｍである。一方、Ｄ_０線に近接しているＤ_１線、Ｄ_２線の波長は、それぞれ、１０８３．０２５ｎｍ、１０８３．０３４ｎｍである。Ｄ_０線とＤ_１線との周波数差は３０ＧＨｚであり、Ｄ_１線とＤ_２線との周波数差は２．３ＧＨｚである（図１９参照）。これから、Ｄ_０線は、Ｄ_１線及びＤ_２線に近接しているので、レーザー発振器１がＤ_０線の波長を発振するように正確に調整されていないと、Ｈｅ^＋偏極率が低下するので好ましくない。したがって、高い偏極率を有するＨｅ^＋発生には、第１及び第２のポンピング光３４，３５を発生するレーザー発振器１の波長をＤ_０線に正確に調整する技術が不可欠である。

スピン偏極イオンビーム発生装置３０に用いるレーザー発振器１の波長をＤ_０線に調整するポンピング光波長調整部について説明する。
図７は、スピン偏極イオンビーム発生装置３０に用いるポンピング光波長調整部５０の構成を示す模式図である。図７において点線で囲まれた領域が、スピン偏極イオンビーム発生装置３０に付加されるポンピング光波長調整部５０である。ポンピング光波長調整部５０は、正確なＤ_０線に波長が調整されるプローブ光発振部５１と、透過光測定部５２とから構成されている。

プローブ光発振部５１は、プローブ光用レーザー発振器５３とプローブ光用レーザー発振器用電源５３Ａと、ビームスプリッタ５５と、ハーフミラー５６と、スリット５７と、第１のミラー５８と第２のミラー５９と、第１及び第２のミラー５８，５９との間に挿入されるプローブ用ヘリウム放電管６０と、を含んで構成されている。

プローブ光用レーザー発振器５３から出射したプローブ用レーザー光５４は、ビームスプリッタ５５により紙面垂直下方に光路が曲げられ、ハーフミラー５６により紙面水平左方向に光路が曲げられ、スリット５７を通って第１のミラー５８を介してプローブ用ヘリウム放電管６０を通過し、第２のミラー５９で反射された後、再びハーフミラー５６を通過し、ビームスプリッタ５５を通過して光検出器６１に入射する。第２のミラー５９から光検出器６１までの光路５４Ａは図７において点線で示している。

ハーフミラー５６を紙面の垂直下方へ通過したプローブ用レーザー光５４Ｂは、第２のミラー５９で反射された後、プローブ用ヘリウム放電管６０を通過し、第１のミラー５８で反射されるが、スリット５７を通過しないようにしている。

プローブ光発振部５１のプローブ用ヘリウム放電管６０においては、上記したように二つのプローブ用レーザー光５４Ａ及び５４Ｂが互いに交差し、一方のプローブ用レーザー光５４Ａが光検出器６１に到達し、プローブ用ヘリウム放電管６０内の吸収が計測され、所謂飽和吸収分光が行われる。二つのプローブ用レーザー光５４Ａ及び５４Ｂを互いに交差させているので、吸収計測におけるドップラー効果の影響を排除することができる。

光検出器６１からの出力は、ロックイン増幅器６２へ入力される。ロックイン増幅器６２の出力によりプローブ光用のレーザー発振器用電源５３Ａがフィードバック制御されることで、プローブ光用レーザー発振器５３の波長が正確なＤ_０線に調整される。プローブ光用レーザー発振器５３として、電流で波長が制御できるレーザーダイオードなどを使用することができる。このような波長制御により、プローブ光の波長は５ＭＨｚ以下に安定化される。

次に、透過光測定部５２について説明する。
透過光測定部５２は、減衰器６３と第３のミラー６４と１／４波長板６５と第４のミラー６６とレンズ６７とスリット６８と透過光検出器６９とから構成されている。
プローブ光発振部５１から出射するＤ_０線を有するプローブ光５４は、ビームスプリッタ５５を通過し紙面の水平右方向へ出射する光５４Ｃとなり、ＮＤフィルタなどの減衰器６３と第３のミラー６４と１／４波長板６５を通過して左回り又は右回りの円偏光５４Ｄに変換される。減衰器６３を通過した後のプローブ光の強度は、通常１ｍＷ程度、又はそれ以下である。この円偏光プローブ光５４Ｄは、磁場Ｂの向きに平行となるようにして、高周波放電管１５に入射する。したがって、円偏光プローブ光５４Ｄの進行方向は、第１のポンピング光３４の進行方向と同じである。高周波放電管１５から出射するプローブ光５４Ｅは、第４のミラー６６とレンズ６７とスリット６８を通過した後、透過光検出器６９に入射する。

ここで、プローブ光５４は、高周波放電管１５中の光路の全てがポンプ光と重なるように入射する。また、プローブ光５４の光軸や、高周波放電管１５を出射した後のミラー６６，レンズ６７，スリット６８の形状や幾何学的位置関係を微調整することにより、高周波放電管１５の無放電時にパワーメータで計測される光強度を、ポンプ光に対して１０％以下に制御する。

高周波放電管１５内のヘリウムプラズマを通過したプローブ光５４Ｅの強度を、パワーメータなどの透過光検出器６９により測定する。このとき、プローブ光５４Ｅの透過強度をＩ、入射するプローブ光強度５４ＣをＩ_０、ｍ_ｊ＝＋１の準安定ヘリウム原子（Ｈｅ^＊）密度をｎ_＋、ｍ_ｊ＝−１の準安定ヘリウム原子（Ｈｅ^＊）密度をｎ₋とすれば、右回りの円偏光（ｒｈｃｐ）による透過強度Ｉ（ｒｈｃｐ）及び左回りの円偏光（ｌｈｃｐ）による透過強度Ｉ（ｌｈｃｐ）は、下記（３）及び（４）式で表わされる。
Ｉ（ｒｈｃｐ）＝Ｉ_０（ｒｈｃｐ）ｅｘｐ（ｎ₋σＬ） （３）
Ｉ（ｌｈｃｐ）＝Ｉ_０（ｌｈｃｐ）ｅｘｐ（ｎ_＋σＬ） （４）
ここで、ｒｈｃｐ、ｌｈｃｐは、それぞれ右回り、左回りの各円偏光を示し、σは光吸収断面積、Ｌは上記プローブ光のプラズマ中の伝搬長さである。

偏極率（（ｎ↑−ｎ↓）／（ｎ↑＋ｎ↓)）の定義により、ｎ_＋−ｎ₋の絶対値が大きくなれば、Ｈｅ^＊の偏極率が上がる。逆に、ｎ_＋−ｎ₋の絶対値が最大となるように、第１のポンピング光３４の波長がＤ_０線となるように調整すれば、最大のＨｅ^＊の偏極率が得られる。この方法を、「本発明の準安定ヘリウム原子の偏極率測定方法」と呼ぶ。

このｎ_＋−ｎ₋の絶対値が最大となるのは、上記（３）及び（４）式から、円偏光プローブ光５４Ｄの吸収が最大又は最小となるときである。この吸収が最大又は最小となるのは、単に、Ｈｅ^＊スピンが上向き又は下向きかによるので、１／４波長板６５を調整することにより左回り又は右回りの円偏光とすればよい。つまり、１／４波長板６５を調整することによりＨｅ^＊スピンの向きを、上向き、下向きの何れかに調整することができる。

ポンピング光波長調整部５０では、以下の手順により、第１及び第２のポンピング光３４，３５の波長を正確にＤ_０線に調整することができる。
最初に、第１のポンピング光３４を高周波放電管１５中のＨｅプラズマに入射し、その吸収をパワーメータで計測し、第１のポンピング光３４の波長を走査し、Ｄ_０線、Ｄ_１線、Ｄ_２線に対応する３つの吸収を観測することで、第１のポンピング光３４の波長が大凡１０８３ｎｍＤ_０線となるように粗調整する。この際、プローブ光発振部５１を停止状態にしておけば、透過光測定部５２の第４のミラー６６とレンズ６７とスリット６８と透過光検出器６９とにより第１のポンピング光３４の吸収を検出することができる。透過光検出器６９としては、パワーメータを用いることが出来る。

次に、ポンピング光波長調整部５０から正確なＤ_０線を飽和吸収分光により発生し、このプローブ光５４を透過光測定部５２を介して高周波放電管１５に入射し、透過光検出器６９の出力、つまり、プローブ光５４Ｅの吸収が最大又は最小となるようにポンピング光３４，３５を発生させるレーザー発振器１の波長を調整すればよい。

従来技術では、放電中のＨｅ^＊偏極率を求める方法は複数あるが、これらの方法によってＨｅ^＊偏極率を計測しながら、これが最大となるように第１及び第２のポンピング光３４，３５の波長を調整することで、第１及び第２のポンピング光３４，３５をＤ_０線に調整することは、原理的には可能である。しかしながら、これらの方法は何れかもプローブ光の波長を走査して吸収を計測するという操作を、それぞれの偏光（例えば、右回り、左回り、直線）に対して行う必要があった。このため、偏極率の計測には時間が掛かり、現実には、偏極率を計測しながら波長を正確に調整することは不可能であった。

上記の従来技術に対して、本発明のポンピング光波長調整部５０によれば、右回りか左回りの何れかの偏光による透過強度をパワーメータ６９で計測し、それが最大又は最小となるように調整すればよいので、波長調整を容易に行うことができる。

上記ポンピング光波長調整部５０によれば、さらに、短時間でスピン偏極したイオンビームを発生させることができる。これにより、ポンピング光波長調整部５０を付加した本発明のスピン偏極イオンビーム発生装置３０を用いて試料２７の改質や試料２７の表面の分析を行う場合に、さらに加工時間や測定時間の短縮でき、スループットが向上すると共に、加工精度が向上し、試料２７の表面の汚染（コンタミネーション）を効果的に防止することができる。ここで、レーザー発振器は、プローブレーザーの吸収計測から求められるイオンの基となる準安定原子の偏極率が最大となるように波長が調整されてレーザー光を出力すれば、上記の準安定ヘリウム原子の場合と同様にポンピング光の波長を正確に調整することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るスピン偏極イオン散乱分光装置について説明する。
図８は、第２の実施の形態に係るスピン偏極イオン散乱分光装置７０の構成を模式的に示す図である。図８のスピン偏極イオン散乱分光装置７０は、スピン偏極イオンを発生させるスピン偏極イオンビーム発生部７１と、スピン偏極イオンビーム発生部７１からのスピン偏極イオンを所望のエネルギーで試料表面に入射させるスピン偏極イオンビームライン７２と、試料７３を保持する超高真空槽７４と、超高真空槽７４内に位置して、試料７３に照射されて散乱したスピン偏極イオンを計測する計測部７５と、からなる。後述するように、計測部７５は、超高真空槽７４内に配設された静電アナライザ８１と、静電アナライザ用電源８１Ａと、静電アナライザ８１の検出信号を処理するコンピュータ８２等から構成されている。コンピュータ８２は、超高真空槽７４の外部にあり、パーソナルコンピュータ等を使用することができる。

スピン偏極イオンビーム発生部７１は、光ポンピング照射光７６を、ヘリウムガス導入口７７からヘリウムガスを導入した高周波へリウムイオン源７８へ照射し、スピン偏極ヘリウムイオンを発生させるようにしている。

発生させたスピン偏極ヘリウムイオンは、差動排気ポート７９，８０を備えた偏極ヘリウムイオンビームライン７２を用いて、超高真空槽７４内に設置された試料７３に所望のエネルギーで入射する。イオンのエネルギーは、スピン偏極ヘリウムイオンをスピン偏極イオンビーム発生部７１からスピン偏極イオンビームライン７２へ引き出す際に用いる電場によって制御する。

入射イオンの試料表面への入射角度は、試料７３を入射イオンビームと垂直な方向に回転することで制御する。入射イオンの一部は試料表面における中性化を免れて散乱し、この散乱イオンは、計測部７５内の静電アナライザ８１で検出される。その検出信号はコンピュータ８２で処理される。

図９は、第２の実施形態に係るスピン偏極イオン散乱分光装置７０の具体的な構成を示す模式図である。スピン偏極イオンビーム発生部７１は、本発明の第１の実施形態で説明した偏極イオンビーム発生装置３０及びその変形例を使用することができる。図示のスピン偏極イオンビーム発生部７１は、レンズ４とミラー９Ａとの間にグランレーザープリズム３８を挿入した点で、図１の偏極イオンビーム発生装置３０と異なる。この構成によれば、１／２波長板５とグランレーザープリズム３８との組み合わせにより、レーザー発振器１からの放出光の偏光方向を制御した直線偏光とすることができる。第２の相違点は、高周波放電管１５に入射させる第１のポンピング光３４の円偏光制御部８４を設けていることである。

円偏光制御部８４は、１／４波長板７を制御するためのモーター８４Ａと、モーター駆動部８４Ｂとからなる。モーター駆動部８４Ｂはコンピュータ８２で制御され、第１のポンピング光３４の円偏光を右回り及び左回りの何れかに制御することができる。さらに、第１及び第２のポンピング光３４，３５をＤ_０線に正確に調整するためのポンピング光波長調整部５０を備えてもよい。

スピン偏極イオンビームライン７２は、アインツェルレンズ２４，２４と、ディフレクター２３，２３，アインツェルレンズ２４，２５、ディフレクター２３，２３の順に配設して構成されている。

超高真空槽７４からなる分析チャンバーには、試料７３の位置を制御するための図示しない試料台を備えている。試料台は、超高真空槽７４の外部に設けるマニュピレータ９７によりその位置が制御されると共に、試料７３へのスピン偏極ヘリウムイオンの入射角度の制御を行う。

超高真空槽７４内には、試料７３に磁場を印加するための試料磁化部８５を設けてもよい。試料磁化部８５は、試料磁化用コイル８６と直流電源８７と、コンデンサ８８と、スイッチ８９を備えている。最初に、スイッチ８９が直流電源８７側に接続されコンデンサ８８が充電される。充電後、スイッチ８９が、図示するように試料磁化用コイル８６側に接続されると、試料磁化用コイル８６にパルス状電流が流れ、試料磁化用コイル８６からパルス磁場が発生する。このパルス磁場により試料７３の磁化方向を変えることができる。コンデンサ８８は電解コンデンサであり、その容量は３３０μＦ、耐圧は５００Ｖであり、直流電源８７の電圧は３６０Ｖである。

図１０及び図１１は、超高真空槽７４の構成例であり、それぞれ正面図及び上面図である。
超高真空槽７４は架台９０上に載置され、ターボ分子ポンプ等でなる真空排気部９１を備えており、本発明のスピン偏極ビームライン７２が接続されるポート９３を備え、図示しない静電アナライザ８１は超高真空槽７４の内部に配設されている。この超高真空槽７４は、後述する、準安定ヘリウム原子の偏極率を測定するためのStern-Gerlach分析器９４が接続されるポート９５の他にＲＨＥＥＤ９６等の分析機器が接続できるポート９７をさらに備えている。超高真空槽７４のStern-Gerlach分析器９４に対向する位置には、図示しない準安定ヘリウム原子の発生装置が取り付けられる。超高真空槽７４の上部には、試料台の位置を制御するマニュピレータ９８が配設され、試料７３は超高真空槽７４へ試料搬入部（ロードロック）９９から超高真空を破らずに挿入できる。

次に、スピン偏極イオン散乱分光装置７０による分析方法について説明する。
先ず、試料７３へ偏極しないイオンビームを照射した場合には、従来のイオン散乱分光（Ｉｏｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、以下ＩＳＳと呼ぶ）を行うことができる。
図１２は、イオン散乱分光を説明する図で、（Ａ）は模式図、（Ｂ）はイオン散乱分光で得られる分光スペクトルを示す。
図１２（Ａ）に示すように、試料７３へ１〜１０ｋｅＶ程度の運動エネルギーを有するヘリウムイオンが入射すると、ヘリウムイオンの大部分は、基板表面との間の相互作用において中性化し、基底状態のへリウム原子となる。この相互作用において、中性化を免れた散乱イオンの強度をその運動エネルギーの関数として、静電アナライザ８１等で分析することで、試料７３の表面の数原子又は数分子層に存在する原子の組成分析を行うことができる。

図１２（Ｂ）に示すＡやＢのピーク位置は、入射イオンと標的原子の古典的な２体衝突から計算されたエネルギーである。この計算式は、
Ｅ_１＝Ｅ_０（Ｍ_１／Ｍ_１＋Ｍ_２）^２[ｃｏｓθ±（Ｍ_２ ^２／Ｍ_１ ^２−ｓｉｎ^２θ）^１／２]^２
と表される(非特許文献１１参照)。
ただし、Ｅ_１、Ｅ_０は、入射エネルギーと散乱エネルギー、Ｍ_１とＭ_２は入射イオンと標的原子の質量、βは散乱角である。

スピン偏極イオン散乱分光装置７０は、試料７３へ偏極したイオンビームを照射して、スピン偏極イオン散乱分光（Ｓｐｉｎ Ｐｏｌａｒａｉｚｅｄ Ｉｏｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、以下ＳＰ−ＩＳＳと呼ぶ）を行うことができる。この方法は従来できなかった新しい分光方法である。

図１３は、スピン偏極イオン散乱分光を説明する図で、（Ａ）は模式図、（Ｂ）はスピン偏極イオン散乱分光で得られる分光スペクトルを示す図、（Ｃ）は（Ｂ）のスペクトルから求めた差スペクトルを示す。
図１３（Ａ）に示すように、試料７３に１〜１０ｋｅＶ程度の運動エネルギーを有するスピン偏極ヘリウムイオンが試料７３に入射すると、上記したようにヘリウムイオンの大部分は、基板表面との間の相互作用において中性化し、基底状態のへリウム原子となる。この相互作用で中性化を免れた散乱イオンをその運動エネルギーの関数として、静電アナライザ８１等で分析することで、試料７３の表面の数原子又は数分子層に存在する原子の組成分析を行うことができる。さらに、スピン偏極ヘリウムイオンのスピンの向きを変えることで、試料７３表面に存在する原子のスピンに応じて、スピンが平行か反平行かによる散乱強度変化を測定することができる。

図１３（Ｃ）は、図１３（Ｂ）で得たスペクトルから計算した差スペクトルであり、後述するが、この値により検出した元素の有しているスピンの正負をも判別することができる。

さらに、偏極したヘリウムイオンビームの試料７３への入射角度依存性を測定することにより、試料７３の最表面から数原子層程度の深さにある各原子層の元素及びスピン状態の分析を行うことができる。

具体的には、上記のスピン偏極イオン散乱分光スペクトルは、スピン偏極イオン散乱分光装置７０の静電アナライザ８１の検出値からコンピュータ８２を用いた解析により得ることができる。解析の手順は、下記の通りである。
（イ）試料７３を試料周囲の磁場の方向と平行にパルス磁化する。
（ロ）磁化と平行にスピン偏極したヘリウムイオンの散乱強度を、静電アナライザ８１を用いて、一定時間計測する。
（ハ）磁化と反平行にスピン偏極したヘリウムイオンの散乱強度を、静電アナライザ８１を用いて、（イ）と同じ時間計測する。
（ニ）時間変化の効果を除去するために、（イ）と（ロ）の計測を所定回数繰り返す。
（ホ）一連の測定後に、（イ）と（ロ）の繰り返し測定で求めた信号強度を、コンピュータ８２を用いてスピンの向き別に積算して、最終的に求めるスピン偏極散乱イオン強度を得ることができる。

また、入射イオン種の試料表面における中性化確率が表面の磁気構造に依存することにより上記のスピン偏極イオン散乱分光を行うことができる。このような現象を発現するものとして、入射イオン種はヘリウムイオンに限らず、電子スピン偏極可能なすべてのイオン（例えばＣｄ^＋、Ｓｒ^＋、Ｚｎ^＋、Ｂａ^＋）や原子（例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ（非特許文献９，１０参照））を使用することができる。

本発明のスピン偏極イオン散乱分光装置によれば、試料最表面の２〜３原子層において、元素と原子層とを選別して表面スピン解析を行うことができる。このため、最表面２〜３原子層程度の深さ領域における磁気構造解析ができる。さらに、スピン偏極イオンを試料表面に入射し、散乱イオンのエネルギー分析を入射イオンのスピン別に計測、つまり、スピン偏極計測をすることができ、試料表面における入射イオン中性化確率のスピン依存を測定することが可能である。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係るスピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置について説明する。
図１４は、第３の実施形態に係るスピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置１００の構成を示す模式図である。スピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置１００は、第１の実施形態で説明した偏極イオンビーム発生装置３０を用いたスピン偏極イオンビーム発生部７１と、このスピン偏極イオンビーム発生部７１に接続されるスピン偏極イオンビームライン７２と、被加工物となる試料１０１を載置する試料載置部１０２を備えた超高真空槽１０３などから構成されている。

ここで、スピン偏極イオンビーム発生部７１とスピン偏極イオンビームライン７２と超高真空槽１０３は、スピン偏極イオン散乱分光装置７０と同様の構成とすることができる。スピン偏極イオンビーム発生部７１から発生したスピン偏極イオンは、電界などによりスピン偏極イオンビームライン７２に輸送される。スピン偏極イオンビームライン７２は、試料の加工目的に応じて、ビームを細く絞る、ビーム径を広げる、スキャンするなどのビーム整形やビーム操作を行う。通常、イオンビーム電流は、スピン偏極イオンビームライン７２の真空度に大きく依存するので、十分な排気を行う。このように所望の形態を持つ偏極イオンビームを、最後に、被加工物である試料１０１に照射し、表面改質、イオン注入、表面加工などを施す。この被加工物１０１は、通常真空中に保持される。とくに、その表面の反応性が高い場合等には、被加工物１０１は超高真空中に保持する。

超高真空槽１０３は、スピン偏極イオンのビーム強度等を測定するために、スピン偏極イオン散乱分光装置７０と同様に静電アナライザ８１等の各種分析部を設けてもよい。

本発明の第３の実施形態に係るスピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置１００によれば、試料１０１の最表面をスピン偏極したイオンビームにより加工できる新規な試料加工装置を提供することができる。従来と同様な加工方法を用いても、イオンと被加工物との相互作用のスピン依存に基づく加工精度を１．５倍以上に上げることができる。本発明により可能となった高偏極イオンビームを用いることによって、試料の改質やスピン伝導を利用した素子の製造装置工程におけるスピンの制御等に利用でき、より高度な材料を得ることができる。

次に、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。
実施例１のスピン偏極イオンビーム発生装置３０は、図１〜図７に示した高周波ヘリウム放電管１５や偏極イオンビーム整形部３６を用いた。高周波ヘリウム放電管１５の本体部１５Ａと引き出し電極挿入部１５Ｆとは、パイレックス（登録商標）製ガラスから成り、フランジ部１５Ｂ、Ｈｅガス導入口１５Ｃ、Ｈｅガス排出口１５Ｄ、配線用ポート１５Ｅはステンレスから成るフランジや管材を用いた。本体部１５Ａのパイレックス（登録商標）製ガラスと上記のステンレス製のフランジや管材とは、コバールを用いて接合した。

引き出し電極１７におけるオリフィスプレート１７Ｂの細孔の直径ｄは、０．５ｍｍであり、長さＬは０．８ｍｍとした。引き出し電極１７とリペラー電極２０との距離は５０ｍｍとした。引き出し電極１７及びリペラー電極２０に印加した電圧は、それぞれ、１．２６ｋＶ，１．４４ｋＶとした。高周波放電は、１３，５６ＭＨｚ、出力５００Ｗの高周波電源１９を用いた。ただし、通常は５Ｗ以下で使用した。

実施例１のスピン偏極イオンビーム発生装置３０を用いて、以下の手順でスピン偏極ヘリウムイオンを発生させた。
光ファイバーレーザーの波長約１０８３ｎｍ（Ｄ_０線）出力光を、光ファイバー経由で光ファイバー増幅器２に入力した。この入力光を光ファイバー増幅器２で増幅し、光ファイバーコネクタ３から空間に放出した。光ファイバー増幅器２は、出力が３Ｗとなるように調整した。
また、光ファイバーレーザー内に設置された偏光器を用いて、この放出光が直線偏光となるように予め調整した。この場合、光ファイバーレーザーからの放出光をグランレーザープリズムと１／２波長板との組み合わせにより光学的に配置しても、上記放出光の偏光方向を直線偏光に調整することができた。
空間に放出された光を、１／２波長板５を用いて偏光方向を調整し、その凡そ半分の強度の光の進路をハーフミラー６を用いて変えた。この進路を変えた光を、次いで、１／４波長板７を用いて円偏光（σ光）とし、高周波ヘリウム放電管１２へ照射した。この円偏光の照射方向を、コイル１３で作られる磁場と平行となるように調整した。また、コイル１３で作られる磁場が１ガウス程度となるように直流電源１４を調整した。一方、ハーフミラー６を通過した光が放電管１２を照射するようにミラー９と凹面鏡１１を調整した。この直線偏光（π光）の照射方向は、コイル１３で作られる磁場と垂直となるよう調整した。また、直線偏光（π光）の偏光成分がコイル１３で作られる磁場と平行となるように、１／２波長板１０で偏光方向を調整した。光ポンピングの照射光の波長は、準安定ヘリウム原子２^３Ｓ_１の２^３Ｐ_０への遷移に対応するＤ_０線へ調整した。

上記の方法で発生したプラズマ中の準安定へリウム原子の偏極率を非特許文献２に記載されている方法で観察しながら、その偏極率が最大となるように微調整した。また、非特許文献２の方法ではなく、「本発明の準安定ヘリウム原子の偏極率測定方法」で説明した方法によっても準安定ヘリウム原子の偏極率が最大となるように微調整できることを確認した。

次に、偏極ヘリウムイオン源において発生したイオンの偏極率を、図２の偏極イオンの偏極率を評価するシステムを用いて評価した。
まず、高周波ヘリウム放電管１５において、高周波電源等１６〜１９を用いてヘリウムプラズマを発生させた。次いで、図１で示された光ポンピングによって、このプラズマ中の準安定ヘリウム原子２^３Ｓ_１をスピン偏極した。偏極ヘリウムイオンは、この偏極準安定ヘリウム原子のペニングイオン化反応を利用して発生させた。
この偏極ヘリウムイオンを、リペラー電極２０、引き出し電極１７、レンズ２１，２２，２４、ディフレクター２３，２６、減速器２５を用いて０／Ｆｅ／ＭｇＯ磁性体基板２７まで輸送した。

０／Ｆｅ／ＭｇＯ磁性体基板２７は、下記の作製方法により得た。
先ず、ＭｇＯ（００１）単結晶基板に体心立方構造のＦｅ単結晶薄膜５０ｎｍ程度を室温で成長させ、これを真空中で約６００℃で１０分間加熱し、この基板を１００ラングミュアーの酸素雰囲気に曝した後、基板を真空中で約５００℃で１０分間加熱し、真空中でパルス磁化した。

このＯ／Ｆｅ／ＭｇＯ基板２７に到達した偏極ヘリウムイオンの大部分は、基板表面との間の相互作用において中性化し、基底状態のへリウム原子となる。この相互作用において、Ｏ／Ｆｅ／ＭｇＯ基板２７から電子が放出される。この電子の強度をその運動エネルギーの関数として、偏極イオンのスピンの向き別に、静電アナライザ４１、二次電子倍増管４２、プリアンプ４３、マルチチャンネルスケーラー４４及びパーソナルコンピュータ４５を用いて計測した。ヘリウムイオンの偏極の向き(上向き又は下向き)は、図１の１／４波長板７の向きで制御した。

偏極イオンの絶対値は、準安定ヘリウム原子の偏極率を予めStern-Gerlach分析器９４で求めておいた上で、準安定ヘリウム原子の放出電子スペクトル(スピン偏極準安定原子脱励起分光)と、同一の表面における偏極イオンの放出電子スペクトル(スピン偏極イオン中性化分光)とを比較することで求めた。この方法により、ヘリウム圧力が２０Ｐａのときのへリウムイオンの偏極率は１６．６％であると予め求めておいた（詳しくは、非特許文献１２参照）。

実施例１及び従来技術におけるヘリウムイオンの偏極率を、放電管中のへリウムガス圧の関数として調べた。
図１５は、実施例１の結果で、ヘリウム圧力の変化に伴う偏極率の変化を示すグラフである。図１５の横軸は、放電管中のへリウムガス圧（Ｐａ）、縦軸はヘリウムイオン偏極率（％）である。高周波電源１８の電力を１Ｗに調整して測定した。へリウム圧力が１５Ｐａの時の偏極率が、上記の予め求めておいた２０Ｐａの時の偏極率１６．６％と等しいと仮定してプロットしてある。なお、図には従来のデータも比較のために示している。
スピン非対称率は、運動エネルギーが７．７ｅＶから９．４ｅＶの電子を測定して求めた。従来技術による光ポンピングは、図１のミラー９を傾けて直線偏光の照射光が高周波ヘリウム放電管１５を照射しない状態にした上で、照射光波長をＤ_１線に調整して行われた。

図１５から、実施例１による偏極の最大値は、従来技術のそれの１．５倍以上であることが示される。つまり、本発明のスピン偏極イオンビーム発生装置３０によれば、ヘリウム圧力が１５Ｐａでヘリウムイオン偏極率（図１５の黒四角（■）参照）は約１７．５％となり従来の値（図１５の白丸（○）参照）を上回り、１５Ｐａ以上〜約５０Ｐａの圧力でヘリウムイオン偏極率は２０〜２５％という大きな値が得られることが判明した。ヘリウム圧力の上限は約５０Ｐａ以下とすることが好ましい。これは、ヘリウム圧力を５０Ｐａ以上とすると、偏極イオンビーム整形部３６への流入が大きくなるからである。

実施例１のスピン偏極イオンビーム発生装置３０に、図７に示したポンピング光波長調整部５０を付加した実施例２のスピン偏極イオンビーム発生装置３０について説明する。
プローブ光用レーザー発振器５３は、レーザーダイオード（ＳＤＬ，Ｉｎｃ製、ＳＤＬ ６０７２）を用いた。吸収分光用の光検出器６１はフォトダイオードを用いた。フォトダイオード６１の信号はロックイン増幅器６２で増幅し、この出力によりレーザーダイオード用電源（ＳＤＬ，Ｉｎｃ社製、ＳＤＬ−８０３）にフィードバック制御を行った。ポンピング光波長調整部５０を用いることにより第１及び第２のポンピング光３４，３５の波長制御に要する時間が約１／１０以下に短縮された。

図８から図１３で説明したスピン偏極イオン散乱分光装置７０により試料７３の分析を行った。スピン偏極イオンビーム発生部７１は、実施例１のスピン偏極イオンビーム発生装置３０と同じ構成である。試料７３は、上記（イ）〜（ホ）の手順で測定した。平行及び反平行の測定は各１００回行った。

図１６は、酸素が吸着した鉄（１００）表面において、（Ａ）がイオン散乱分光（ＩＳＳ）スペクトルを示し、（Ｂ）がスピン偏極イオン散乱分光（ＳＰ−ＩＳＳ）スペクトルとスピン非対称率を示す図である。試料７３には、酸化マグネシウムＭｇＯの（１００）単結晶基板にＦｅ（１００）単結晶薄膜を成長させ、これを酸素に曝したものを用いた。
試料７３の製作は、先ず、ＭｇＯ（００１）単結晶基板に体心立方構造Ｆｅ単結晶薄膜５０ｎｍ程度を室温で成長させ、次に、これを真空中において約６００℃で１０分間加熱するという工程により製作した。また、測定の前に、この試料７３をＦｅ［１００］容易磁化方向へパルス磁化し、測定は残留磁化のもとで行った。入射ヘリウムイオンの運動エネルギーは、１．７ｋｅＶ、入射角(表面法線方向とビームのなす角)を０度(垂直入射)、散乱角を１４５度とした。

図１６（Ａ）の横軸は運動エネルギー（ｅＶ）であり、縦軸はイオン散乱強度（×１０^５カウント）である。図１６（Ａ）は、試料７３の表面が鉄と酸素の２元素から構成されていることを示している。これらのピーク位置は、上記の入射イオンと標的原子の古典的な２体衝突から計算されたエネルギー(図１６（Ａ）に破線で表示)に合致した。

磁化の方向に平行にスピン偏極したヘリウムイオンの散乱強度をＮ_Ｈｅ＋↑、反平行のそれをＮ_Ｈｅ＋↓とした場合に、スピン偏極イオン散乱分光スペクトル（ロ）を（Ｎ_Ｈｅ＋↑−Ｎ_Ｈｅ＋↓）と定義した。各点は実験値、実線は５点隣接平均である。図１６（Ｂ）のスペクトルの鉄と酸素のそれぞれのピーク位置に於いて、有意な信号強度が得られ、鉄と酸素が偏極していることが示される。

さらに、入射ビームの偏極率をＰ_Ｈｅ＋として、
（Ｎ_Ｈｅ＋↑−Ｎ_Ｈｅ＋↓）／{Ｐ_Ｈｅ＋＋（Ｎ_Ｈｅ＋↑＋Ｎ_Ｈｅ＋↓）}
と定義されるスピン非対称率が、鉄（１２７２から１２９０ｅＶ）と酸素（６３０〜６９０ｅＶ）に対して求められ、元素を選別したスピン解析が示された。

図１７は、鉄（１００）表面におけるスピン偏極イオン散乱分光の入射角依存性を測調したグラフ及び特定の入射角度に対するスピン非対称率を示す図である。図１７の横軸は入射角度α（度）、左縦軸はイオン散乱強度（×１０^３カウント）、右縦軸はスピン非対称率（×１０^−２）である。図１７のスペクトルは、表面法線方向の速度成分に依存する入射イオン中性化の角度依存成分を除去して示してある。入射角の走査はＦｅ［１００］方向に行い、散乱角は１４５度とした。

入射角度分解スペクトル（図１７中のbackground subtracted）は、測定から得られた生データ（図１７中のAR SP-ISS raw data）から、中性化の角度依存から計算されたバックグラウンド曲線（図１７中のbackground）を除去することで得た（この中性化における角度依存性については、非特許文献１３を参照されたい。）。

図１７に示すように、鉄の清浄表面における鉄からの散乱強度を、入射角の関数として調べた結果、角度分解スペクトル中のピーク（１）、（２）、（３）、（４）は、それぞれ、試料７３の表面側から内部に向う第１層(表面最外層)、第２層、第３層、第３層に位置する鉄原子へのフォーカシング効果による。

図１８は、図１７のピーク（１）〜（４）に対応するフオーカシング効果におけるシャドーコーンと原子位置との幾何学的関係を示す構成図である。図１８に示すように、鉄の清浄表面における鉄からの散乱強度を、入射角の関数として調べた結果によると、角度分解スペクトル中のピーク（１）、（２）、（３）、（４）は、それぞれ、第１層(表面最外層)、第２層、第３層、第３層に位置する鉄原子へのフォーカシング効果による。ピーク（１），（４）の入射角度に対応するスピン非対称率は、それぞれ、第１層と第１層〜第３層の鉄原子に対応しており、かつ、同じスピン配列を有していることが分かる。

上記で説明したスピン偏極イオン散乱分光法で検出したスピンの向きは、試料７３の表面のフェルミレベル付近の占有順位のスピン極性を主として反映したものである。

上記実施例から、本発明のＳＰ−ＩＳＳによれば、表１に示すように、スピン偏極ヘリウムイオンにより試料７３の表面における数原子層内の磁気構造が解析できることが判明した。

本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、上記実施の形態において、スピン偏極イオンビーム発生装置３０やスピン偏極イオンビームライン７２の構成や使用する各構成部品は、偏極ヘリウムイオンの加速電圧や電流に合わせて適宜変更できる。

電子産業などの分野で広く用いられている電子スピンを利用した巨大磁気抵抗効果素子やトンネル磁気抵抗効果素子などの磁気抵抗効果素子では、しばしば磁性体と非磁性体との界面の磁気的構造の解明が求められている。本発明による高偏極イオンビームを発生できるスピン偏極イオンビーム発生装置３０をプローブとして用いることによって、その詳細な解明が可能になると期待される。

他方、イオン注入技術に代表されるように、イオンビームを用いた材料の改質や整形は広く行われている。本発明により可能となった高偏極したスピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置１００によれば、試料１０１の改質やスピン伝導を利用した素子の製造装置工程におけるスピンの制御等に利用することができる。従って、より高度な機能材料の創成が可能になると期待される。

本技術では、準安定ヘリウム原子の高偏極化が可能となったので、偏極ヘリウム原子による磁気共鳴画像や原子線リソグラフィ等の偏極準安定ヘリウム原子利用分野における応用も期待される。

Claims (30)

1. スピン偏極イオンビーム発生装置であって、
   イオン発生用の高周波放電管と、レーザー発振器と、当該レーザー発振器からのレーザーを二つに分岐し、一方を円偏光の第１のポンピング光とし、他方を直線偏光の第２のポンピング光として、相互に９０°の照射角度差をもって上記高周波放電管に照射するポンピング光発生部と、を備え、
   上記スピン偏極イオンを引き出すための引き出し電極を、上記高周波放電管の端部に設けている、スピン偏極イオンビーム発生装置。
2. 前記スピン偏極イオンビームの引き出し方向は、前記円偏光及び前記直線偏光の何れにも直交する方向である、請求項１に記載のスピン偏極イオンビーム発生装置。
3. 前記高周波放電管は、引き出し電極に対向するリペラー電極を備えている、請求項１に記載のスピン偏極イオンビーム発生装置。
4. 前記引き出し電極は細孔を備えている、請求項３に記載のスピン偏極イオンビーム発生装置。
5. 前記ポンピング光発生部は、前記第１のポンピング光の円偏光を右回り又は左回りに制御する円偏光制御部を備えている、請求項１に記載のスピン偏極イオンビーム発生装置。
6. 前記レーザー発振器は、プローブレーザーの吸収計測から求められるイオンの基となる準安定原子の偏極率が最大となるように波長が調整されてレーザー光を出力する、請求項１に記載のスピン偏極イオンビーム発生装置。
7. 前記イオンはヘリウムイオンであり、第１及び第２のポンピング光の波長はＤ₀線であり、プローブ光は左回り又は右回りの円偏光であるＤ₀線の波長を持つ、請求項１又は６に記載のスピン偏極イオンビーム発生装置。
8. 前記高周波放電管内のヘリウム圧力を１５Ｐａ以上５０Ｐａ以下とする、請求項１又は３に記載のスピン偏極イオンビーム発生装置。
9. スピン偏極イオンビーム発生部と、
   該スピン偏極イオンビーム発生部から発生させたスピン偏極イオンビームを試料に照射するスピン偏極イオンビームラインと、
   上記試料とスピン偏極イオンビームとの相互作用により散乱するイオンのエネルギーを計測する計測部と、を備え、
   上記スピン偏極イオンビーム発生部は、イオン発生用の高周波放電管と、レーザー発振器と、当該レーザー発振器からのレーザーを二つに分岐し、一方を円偏光の第１のポンピング光とし、他方を直線偏光の第２のポンピング光として、相互に９０°の照射角度差をもって上記高周波放電管に照射するポンピング光発生部と、を有し、
   上記スピン偏極イオンを引き出すための引き出し電極を、上記高周波放電管の端部に設けている、スピン偏極イオン散乱分光装置。
10. 前記スピン偏極イオンビームの引き出し方向は、前記円偏光及び前記直線偏光の何れにも直交する方向である、請求項９に記載のスピン偏極イオン散乱分光装置。
11. 前記高周波放電管は、引き出し電極に対向するリペラー電極を備えている、請求項９に記載のスピン偏極イオン散乱分光装置。
12. 前記引き出し電極は細孔を備えている、請求項１１に記載のスピン偏極イオン散乱分光装置。
13. 前記ポンピング光発生部は、前記第１のポンピング光の円偏光を右回り又は左回りに制御する円偏光制御部を備えている、請求項９に記載のスピン偏極イオン散乱分光装置。
14. 前記レーザー発振器は、プローブレーザーの吸収計測から求められるイオンの基となる準安定原子の偏極率が最大となるように波長が調整されてレーザー光を出力する、請求項９に記載のスピン偏極イオン散乱分光装置。
15. 前記試料に入射するスピン偏極イオンに対する入射角が制御可能な試料台を備えている、請求項９に記載のスピン偏極イオン散乱分光装置。
16. 前記スピン偏極イオンビームラインは、排気孔となる細孔部を設けたレンズを備え、該レンズが非磁性体からなる、請求項９に記載のスピン偏極イオン散乱分光装置。
17. 前記イオンはヘリウムイオンであり、第１及び第２のポンピング光の波長はＤ₀線である、請求項９又は１４に記載のスピン偏極イオン散乱分光装置。
18. 請求項９〜１７の何れかに記載のスピン偏極イオン散乱分光装置を用いたスピン偏極イオン散乱分光法であって、
    スピン偏極イオンを試料に入射し、
    上記試料からの散乱イオンを計測し、
    入射イオン種のスピン別に散乱イオン強度を計測し、試料に入射するスピン偏極イオンの中性化確率のスピン依存性から試料表面の磁気構造を解析する、スピン偏極イオン散乱分光法。
19. 前記散乱イオン強度を、静電アナライザで検出し、前記スピン偏極イオンのスピンの向きによる散乱イオン強度の違いから試料表面の磁気構造を解明する、請求項１８に記載のスピン偏極イオン散乱分光法。
20. 前記散乱イオン強度の前記試料へのスピン偏極イオンの入射角度依存性を測定し、
    上記散乱イオン強度の測定から試料表面からの深さ方向の原子層と元素とを選別してスピンを解析する、請求項１８に記載のスピン偏極イオン散乱分光法。
21. 前記スピン偏極イオンのスピンの向きを変える前後で、上記静電アナライザによる検出量から試料表面の磁気構造を解明する、請求項１８に記載のスピン偏極イオン散乱分光法。
22. スピン偏極イオンビーム発生部と、
    該スピン偏極イオンビーム発生部から発生させたスピン偏極イオンビームを試料に照射するスピン偏極イオンビームラインと、
    上記スピン偏極イオンビームラインから整形されたスピン偏極イオンビームを試料に照射する超高真空槽と、を備え、
    上記スピン偏極イオンビーム発生部は、イオン発生用の高周波放電管と、レーザー発振器と、当該レーザー発振器からのレーザーを二つに分岐し、一方を円偏光の第１のポンピング光とし、他方を直線偏光の第２のポンピング光として、相互に９０°の照射角度差をもって上記高周波放電管に照射するポンピング光発生部と、を有し、
    上記スピン偏極イオンを引き出すための引き出し電極を、上記高周波放電管の端部に設けている、スピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置。
23. 前記スピン偏極イオンビームの引き出し方向は、前記円偏光及び前記直線偏光の何れにも直交する方向である、請求項２２に記載のスピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置。
24. 前記高周波放電管は、引き出し電極に対向するリペラー電極を備えている、請求項２２に記載のスピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置。
25. 前記引き出し電極は細孔を備えている、請求項２２に記載のスピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置。
26. 前記ポンピング光発生部は、前記第１のポンピング光の円偏光を右回り又は左回りに制御する円偏光制御部を備えている、請求項２２に記載のスピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置。
27. 前記レーザー発振器は、プローブレーザーの吸収計測から求められるイオンの基となる準安定原子の偏極率が最大となるように波長が調整されてレーザー光を出力する、請求項２２に記載のスピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置。
28. 前記試料に入射するスピン偏極イオンに対する入射角が制御可能な試料台を備えている、請求項２２に記載のスピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置。
29. 前記スピン偏極イオンビームラインは、排気孔となる細孔部を設けたレンズを備え、該レンズが非磁性体からなる、請求項２２に記載のスピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置。
30. 前記イオンはヘリウムイオンであり、第１及び第２のポンピング光の波長はＤ₀線である、請求項２２又は２６に記載のスピン偏極イオンビームを用いた試料加工装置。

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