JP5582469B2 - 電子光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、スピン偏極率の測定や磁性体試料の解析等を効率よく行うことができる電子光学機器に関する。

近年、スピン偏極をした状態の電子を用いた電子顕微鏡や分析装置等の電子光学機器が磁性体試料の解析などに用いられている。スピン偏極電子を用いた電子顕微鏡としては、フェルミ準位でのスピン偏極度が１００％であるハーフメタル強磁性体を陰極材料として用いた電界放出型スピン偏極電子源を搭載した電子顕微鏡が開発されており、<110>方向に伸びた単結晶マグネタイト（Fe₃O₄）ウィスカーからの電界放出電子のスピン偏極度が室温で15％程度であることが報告されている（非特許文献１参照）。

S. Nagai, K. Hata, M. Okada, H. Mimura, Appl. Surf. Sci., 256 1058 (2009).

しかしながら、上記報告されているスピン偏極度の値は下限値を与えているにすぎない。その理由は、スピン偏極度Pは、各方向成分をPx，Py，PzとしてP=（Px＋Py＋Pz）^1/2で与えられているにもかかわらず、陰極軸成分（スピン偏極電子の進行方向成分）の検出感度がないのでP=（Px＋Py）^1/2としてスピン偏極度を評価していることによるものである。従って、マグネタイトウィスカーの円柱形状に起因する陰極軸方向への磁気異方性を発現させることができるならば、各方向成分のスピン偏極度を測定できるため、15％よりさらに高い値のスピン偏極度を得ることができると期待される。
本発明は、陰極軸方向（スピン偏極電子の進行方向）への磁気異方性を発現することができ、もってスピン偏極率の測定や磁性体試料の解析・表面分析などを効率よく行うことが可能な電子光学機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る電子光学機器は、スピン偏極電子のスピンの方向を電子の進行方向を含む面内に回転させるスピン回転器と、前記スピン回転器を通過したスピン偏極電子のエネルギーを選別するスリットと、を備え、前記スピン回転器は、電場・磁場重畳型の９０°偏向器であり、前記スピン偏極電子のエネルギー分布を測定できることを特徴とする。

本発明に係る電子光学機器は、前記スリットにより選別した電子エネルギーのスピン偏極率を測定する測定器をさらに備えていてもよい。また、本発明に係る電子光学機器は、前記スピン回転器への電子ビームの入射角度を制限する絞りをさらに備えていてもよい。前記絞りは、例えば、該絞りの直径を変更できる可動絞りなどである。また、前記９０°偏向器は、電場と磁場とを同一場所に重畳するように、電場偏向器と一方向収束型磁場偏向器とを設けたものであって、電子ビームが通過する前記スリットの面に対して楕円形状の電子ビームを形成するものであることが好ましい。
また、本発明に係る電子光学機器は、前記スリットを通過した電子ビームの形状を円形状に戻す非点補正器をさらに備えていてもよい。さらに、本発明に係る電子光学機器は、前記スリットを通過した電子ビームを収束させる静電レンズをさらに備えていてもよい。

本発明に係る磁性体磁区構造観察電子顕微鏡は、上述の電子光学機器を備え、前記スリットを通過した電子ビームを試料に照射し、試料から反射した電子ビームを拡大投影することを特徴とする。
本発明に係る電子スピン偏極度評価装置は、スピン偏極をした電子を放出するスピン偏極電子源と、前記スピン偏極電子源から放出されたスピン偏極電子のスピンの方向を電子の進行方向を含む面内に回転させるスピン回転器と、前記スピン回転器を通過したスピン偏極電子のエネルギーを選別するスリットと、前記スリットにより選別した電子エネルギーのスピン偏極率を測定する測定器と、を備え、前記スピン回転器は、電場・磁場重畳型の９０°偏向器であり、前記スピン偏極電子のエネルギー分布を測定できることを特徴とする。

本発明によれば、陰極軸方向への磁気異方性を発現することができ、もってスピン偏極率の測定や磁性体試料の解析・表面分析などを効率よく行うことが可能な電子光学機器を提供することができる。

本発明の一実施形態として説明する電子光学機器１０００の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態において、スピン回転器１００の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態において、磁場発生用電磁石１０にはめ込まれるコイル３の一例を示す図である。 本発明の一実施形態において、スピン回転器１００に磁場又は電場を発生させて電子ビームを９０°偏向させた場合のスピンの方向を示す図である。図４（ａ）は磁場だけで電子ビームを９０°偏向させた場合のスピンの方向を示し、図４（ｂ）は電場だけで電子ビームを９０°偏向させた場合のスピンの方向を示す。 本発明の一実施形態において、静電レンズ５００，６００の概略構成の一例を示す図である。 本発明の一実施形態において、スピン回転器１００の前後に静電レンズ５００，６００を配置した場合の概略構成図の一例を示す図である。 本発明の一実施形態において、８極子スティグメータ７００の電圧印加方法の例を示す図である。 本発明の一実施形態において、８極子スティグメータ７００に電圧印加することにより、９０°偏向器の通過後の横に伸びた形状をした電子ビームを修正した結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態として説明する電子光学機器の概略構成を示す図である。電子光学機器１０００は、例えば、電子ビームの解析・性能評価装置や磁性体試料の解析・表面分析装置などである。電子ビームの解析・性能評価装置としては、例えば、スピン偏極電子源を備えた電子スピン偏極度評価装置などを挙げることができ、磁性体試料の解析・表面分析装置としては、例えば、電子ビームを試料に照射し、試料から反射した電子ビームを拡大投影する磁性体磁区構造観察電子顕微鏡、電界放出型顕微鏡、質量分析装置などを挙げることができる。
電子光学機器１０００は、スピン回転器１００、スリット２００、スピン偏極率測定器３００、絞り（アパチャー）４００、静電レンズ５００，６００などを備えている。

スピン回転器１００は、スピン偏極電子源（電子銃）から放出されたスピン偏極電子のスピンの方向を電子の進行方向を含む面（電子の進行方向とＺ方向との面）内に回転させる電場・磁場重畳型の９０°偏向器である。
図１中のａ−ａ’断面におけるスピン回転器１００の概略構成を図２に示す。スピン回転器１００は、磁場発生用電磁石１０と電極２０，３０を備えており、磁場発生用電磁石１０のギャップ中に電極２０と電極３０がはめ込まれている。図２中のポテンシャル線は電場の作るものである。なお、図２においては電磁石のコイルを示していないが、コイルは上下の磁極ポールピース１，２に設けられたポール部分にはめ込まれる。

図３に磁場発生用電磁石１０にはめ込まれるコイル３の一例を示す。上下の磁極ポールピース１，２のポール部分にそれぞれのコイルが１個ずつはめ込まれる。なお、スピン偏極電子源を超高真空または極高真空に設置しなければならない場合には、磁場発生用電磁石１０による真空度の低下を防止するためにコイル３を真空外に設置することが好ましい。

図４に上記スピン回転器１００に電場又は磁場を発生させて電子ビームを９０°偏向させた場合のスピンの向きを示す。図４（ａ）が電場だけで電子ビームを９０°偏向させた結果を示し、図４（ｂ）が磁場だけで電子ビームを９０°偏向させた結果を示す。図中、左から入射した電子ビームの方向をＸ軸とし、スピン回転器１００を通過した電子ビームの方向をＹ軸とする。電場だけで電子ビームを偏向させた場合には、スピンの方向は回転していない。これに対して、磁場だけで電子ビームを偏向させた場合には、スピンの方向は電子ビームの軌道軸に沿って回転し、９０°回転する。従って、電場と磁場を重畳させることによりスピン偏極電子のスピンの向きを任意の方向に制御することができるので、電場と磁場を重畳させて電子ビームを９０°偏向させるスピン回転器１００は、スピン偏極電子の進行方向への磁気異方性を発現することができるようになる。また、スピン回転器１００によりスピンの歳差運動が生じるため、スピン回転器１００をスピン偏極電子のエネルギー分布を測定するエネルギーアナライザとしても兼用することができる。このように、スピン回転器１００をスピン偏極電子のエネルギー分布を測定できるエネルギーアナライザとして兼用することにより、作業効率を向上させ、装置の簡略化を図ることが可能となる。また、磁場型スペクトロメーターを使用することが可能となるため、エネルギー分解能の面からも有利である。

図１中のスリット２００は、スピン回転器１００を通過したスピン偏極電子のエネルギーを選別するためのエネルギーフィルタである。このスリット２００をスピン回転器１００の後段に設けることにより、スピンの方向を電子の進行方向を含む面内に回転させたスピン偏極電子のエネルギーを選別することができるため、スピン偏極率の測定や磁性体試料の解析を効率よく行うことが可能となる。なお、上述の９０°偏向器は、電場と磁場とを同一場所に重畳するように、電場偏向器と一方向収束型磁場偏向器とを設けたものであることが好ましい。これにより、電子ビームを通過するスリット２００の面（電子ビームに対して垂直なＸＹ面）に対して楕円形状の電子ビームを形成させることができ、スリット２００でエネルギーを選択したり、ＣＣＤカメラなどで電子の強度を記録してエネルギースペクトルを記録したりすることが便利になる。上記電場偏向器は、例えば、二方向収束型電場偏向器などである。

スピン偏極率測定器３００は、スリット２００により選別した電子エネルギーのスピン偏極率を測定する装置である。スピン偏極率測定器３００は、例えば、モット検出器などを挙げることができる。このようにスピン偏極率測定器３００を電子光学機器１０００に備えることにより、スピン偏極率の測定を効率よく行うことが可能となる。

絞り４００は、スピン回転器１００への電子ビームの入射角度を調整（制限）するものである。この絞り４００を電子光学機器１０００に備えることにより、スピン偏極率測定器３００に入射させる電子ビームの量を調整することができ、電子ビームの照射時間をコントロールできるようになる。なお、絞り４００としては、電子ビームの量を調整するための孔の大きさを調整可能な可動絞りを用いることが好ましい。この可動絞りを電子光学機器１０００に備えることにより、エネルギーアナライザ（スピン回転器１００）の分解能とスピン偏極率測定器３００の電子ビーム検出効率を最適化することが可能となる。

静電レンズ５００は、静電界により電子ビームをフォーカスしてスピン回転器１００に入射させる作用を有するレンズである。この静電レンズ５００を電子光学機器１０００に備えて静電レンズ５００のフォーカス電圧を調整することにより、物面のフォーカス位置を調節でき、スリット２００位置での電子ビームを最大限に細く絞ってエネルギー分解能を高めることが可能となる。
静電レンズ６００は、スリット２００を通過した電子ビームを収束させる作用を有するレンズである。スピン回転器１００においてスピン回転角を調整すると電場と磁場の比率が変化する。この変化に伴って電子ビームのフォーカス位置がずれる。そうすると、スリット位置でのビームの横幅が変化して、エネルギー分解能がスピン回転角と共に変化し、エネルギー分解能を低下させる結果となる。このようなエネルギー分解能の低下は、スピン回転角にかかわらず常に電子ビームのフォーカスを維持できる静電レンズ６００を電子光学機器１０００に備えることにより、抑制することができる。

静電レンズ５００，６００としては、図５に示すように、３枚の電極５１０／６１０，５２０／６２０，５３０／６３０からなり、それぞれの電極の穴径を同じにした円筒静電レンズを用いてもよいが、後述するような二段の、静電偏向器と非点補正器との兼用器（以下、「二段の静電偏向・非点補正器」と称する。）を含む円筒静電レンズを用いてもよい。

図６に二段の静電偏向・非点補正器を含む円筒静電レンズ５００，６００をスピン回転器１００の前後に配置した場合の概略構成図の一例を示す。静電レンズ５００，６００の内部には、二段の静電偏向・非点補正器５４０／６４０，５５０／６５０が備えられている。二段の静電偏向・非点補正器５４０／６４０，５５０／６５０は、大きな穴径にした電極５１０／６１０の内部にはめ込まれている。このように、静電レンズ５００，６００に二段の静電偏向・非点補正器５４０／６４０，５５０／６５０を備えることにより、スペースの節約ができ、スリットを通過した電子ビームの形状を円形状に戻すと共に、電子ビームを任意の位置に照射することが可能となる。なお、電子ビームは左から入射して静電レンズ５００における３個目の電極５３０のすぐ後にフォーカスし、そこを物面としてスピン回転器１００に入射する。スピン回転器１００から出た電子ビームは、右下の静電レンズの手前にフォーカスするので、この位置にスリット２００を設け、電子ビームのエネルギー選択を行うことが好ましい。

スピン回転器１００をスピン偏極電子のエネルギー分布を測定できるエネルギーアナライザとしても兼用するために、電場と磁場とで電子ビームのフォーカス位置があまりずれないようにするため、電場と磁場とを同一場所に重畳するように、例えば、二方向収束型電場偏向器と一方向収束型磁場偏向器とを設けた９０°偏向器をスピン回転器として用い、電子ビームを一方向にフォーカスすることが好ましい。このようにして電子ビームを一方向にフォーカスするとその形状は、スリット２００の面において楕円形状となる。これは、上述したようにスリット２００でエネルギーを選択したり、ＣＣＤカメラなどで電子の強度を記録してエネルギースペクトルを記録したりするためには便利であるが、その後スピン偏極率測定器３００に電子ビームを入れて電子ビームを円滑に測定したり、試料に照射して電子顕微鏡で円滑に観察したりするためには、なるべく丸い形状の電子ビームに戻しておくことが有利である。このように電子ビームを丸い形状に戻すためには、４極子スティグメータ又は８極子スティグメータなどを備えた非点補正器を電子光学機器１０００、より具体的には９０°偏向器の前後に備えることにより達成することができる。なお、非点補正器は、上述のように静電レンズ５００，６００に設けることとしてもよいが、静電レンズ５００，６００とは別に設けることとしてもよい。

図７に非点補正器が８極子スティグメータ７００である場合の電圧印加方法の例を示す。図７においては、７１０，７２０，７５０，７６０が正極を示し、７３０，７４０，７７０，７８０が負極を示す。このように８極子スティグメータ７００に電圧印加することにより、縦長の電子ビームを丸くしたり、その電子ビームの長手方向が垂直から傾いていた場合にもそれを修正する成分を加えたりすることが可能となる。
図８に８極子スティグメータ７００に電圧印加することにより、９０°偏向器の通過後の横に伸びた形状をした電子ビームを修正した結果を示す。このように縦横比をほぼ等しくしてから後段のスピン偏極率測定器３００に入射させれば効率よくビームをカウントすることが可能となる。

１，２ 磁極ポールピース
３ コイル
１０ 磁場発生用電磁石
２０，３０ 電極
１００ スピン回転器
２００ スリット
３００ スピン偏極率測定器
４００ 絞り（アパチャー）
５００，６００ 静電レンズ
５１０，５２０，５３０，６１０，６２０，６３０ 電極
５４０，５５０，６４０，６５０ 静電偏向・非点補正器
７００ ８極子スティグメータ
１０００ 電子光学機器

Claims (15)

1. スピン偏極電子のスピンの方向を磁場により電子の進行方向を含む面内に回転させ、且つ前記スピン偏極電子の進行方向を電場、磁場により偏向させるスピン回転器と、
   前記スピン回転器を通過したスピン偏極電子の電子エネルギーを選別するスリットと、
   を備え、
   前記スピン回転器は、電場・磁場重畳型の９０°偏向器であり、前記スピン偏極電子のエネルギー分布を測定することを特徴とする電子光学機器。
2. 前記スピン回転器は、電場、磁場を制御し、前記スリットを通過する前記スピン偏極電子を測定することにより、前記スピン偏極電子のエネルギー分布を測定することを特徴とする請求項１記載の電子光学機器。
3. 前記スリットにより選別した電子エネルギーのスピン偏極率を測定する測定器を備えることを特徴とする請求項２に記載の電子光学機器。
4. 前記スピン回転器への電子ビームの入射角度を制限する絞りを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子光学機器。
5. 前記絞りが、該絞りの直径を変更できる可動絞りであることを特徴とする請求項４に記載の電子光学機器。
6. 前記スリットは、前記スピン回転器の出射側フォーカス位置に置かれることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電子光学機器。
7. 前記９０°偏向器は、電場と磁場とを同一場所に重畳するように、二方向収束型電場偏向器と一方向収束型磁場偏向器とを設けたものであって、電子ビームが通過する前記スリットの面に対して楕円形状の電子ビームを形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電子光学機器。
8. 前記スリットを通過した電子ビームの形状を円形状に戻す第１の非点補正器を備えることを特徴とする請求項７に記載の電子光学機器。
9. 前記スリットを通過した電子ビームを収束させる第１の静電レンズを備えることを特徴とする請求項８に記載の電子光学機器。
10. 前記第１の静電レンズは、第１の静電偏向器及び前記第１の非点補正器を内蔵することを特徴とする請求項９に記載の電子光学機器。
11. 前記スピン回転器の入射側に第２の非点補正器を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電子光学機器。
12. 前記スピン回転器の入射側に第２の静電レンズを備えることを特徴とする請求項１１に記載の電子光学機器。
13. 前記第２の静電レンズは、第２の静電偏向器及び前記第２の非点補正器を内蔵することを特徴とする請求項１２に記載の電子光学機器。
14. 前記スピン偏極電子の電子源を超高真空中に設置する場合、前記スピン回転器の磁場発生のコイルは前記超高真空外に設けることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電子光学機器。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の電子光学機器を備え、
    前記スリットを通過した電子ビームを試料に照射し、試料から反射した電子ビームを拡大投影することを特徴とする磁性体磁区構造観察電子顕微鏡。