JP6914438B2 - スピン分析装置 - Google Patents
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Description
本発明は、スピン分析装置に関する。
走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、以下ＳＥＭ）は、試料上に収束させた電子線を照射、走査した際に各照射位置で発生する信号電子を検出し、各点の信号強度を照射電子線の走査信号と同期して表示することで、試料表面の走査領域の二次元画像（ＳＥＭ像）を得る装置である。微小領域の観察及び分析手段として、ＳＥＭは幅広い分野のユーザに利用されている。
また、鉄鋼材料や磁石材料をはじめとする磁性体のバルク試料表面の磁壁及び磁区の観察装置として、ＳＥＭにスピン検出器を搭載したスピン偏極走査電子顕微鏡（Ｓｐｉｎ Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、以下スピンＳＥＭ）が知られている。磁壁や磁区の観察装置は、スピンＳＥＭ以外にも磁気光学カー効果を利用したカー顕微鏡や走査プローブ顕微鏡を応用した磁気力顕微鏡などがあるが、これらに対しスピンＳＥＭは試料表面を１０ｎｍ以下の分解能で３次元的に磁化計測できる点で優位な磁化計測装置である。
試料に電子線を照射した際に発しする電子のエネルギ分布を図１に示す。電子線照射によって試料上で生成された信号電子４は、０〜Ｅ０ｅＶの範囲で分布する。信号電子４は、低エネルギの二次電子５及び高エネルギの後方散乱電子６を含む。
スピンＳＥＭの主な検出対象は数ｅＶ以下の二次電子である。スピンＳＥＭは、二次電子をスピン検出器で検出することによって、電子線照射位置ごとにスピン偏極度を計測し、磁性体試料表面の局所的な磁化分布を取得できる。
スピンＳＥＭの装置構成の概略構成を図２及び図３に示す。図２に示す装置構成は、ＳＥＭ光軸２と対向するように配置された試料９より放出された二次電子５をデフレクタ１０１、１０３によって光軸外に偏向する。具体的には、図２に示す装置構成は、照射電子線３を生成する電子銃１及び試料室８を含む。試料室８は、真空排気系３０１で排気される。試料９を載せる試料台１０は、試料室８内に配置されている。デフレクタ１０１、１０３の間に、二次電子搬送電極１０２が配置されている。
スピン検出器２００は、真空排気系３０２により排気される。二次電子搬送電極１０４は、二次電子５をターゲット２０１に搬送する。電子検出器２０３は、ターゲット２０１上で散乱された信号電子２０２を検出する。
図３に示す装置構成は、ＳＥＭ光軸２に対し傾斜配置されたスピン検出器２００に対し試料９が対向するように配置される。
いずれの装置構成においても、二次電子搬送電極（図３において不図示）によってスピン検出器２００のターゲット２０１まで二次電子が導かれる。スピン検出器２００のターゲット２０１に導かれた二次電子５のうち、ターゲット２０１上で散乱された電子２０２を検出することによって検出信号が得られる。
公知のスピンＳＥＭの多くは、スピン検出器としてＭｏｔｔ検出器を搭載している。Ｍｏｔｔ検出器のターゲット近傍の検出器構成の概略図を、図４に示す。Ｍｏｔｔ検出器は、ターゲット２０１として例えば金（Ａｕ）などの重金属を使用し、エネルギ１００ｋｅＶ程度に加速した二次電子５をターゲット２０１に衝突させ、二次電子５のスピンを検出する。
この時、Ｍｏｔｔ検出器は、ターゲット２０１内でスピン−軌道相互作用を受けた電子の散乱方向が、電子の持つスピンの向きに依存して異なる性質を利用する。ターゲット２０１上で散乱された電子２０２を各方向に配置した検出器２０３Ａ〜２０３Ｄで検出し、演算処理を施すことでスピン偏極度をベクトル量として測定できる。
また、光電子分光装置の分野では、Ｍｏｔｔ検出器よりもスピン検出効率の良い検出器として、ＶＬＥＥＤ（Ｖｅｒｙ Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）検出器が利用されている。このスピン検出方法は、磁化された強磁性体内部のエネルギバンド構造がスピンの向きによって異なり、飛来した電子がターゲット内部に吸収される確率が、強磁性体で構成されるターゲットの磁化方向と電子のスピンの向きに依存して異なる性質を利用する。
ＶＬＥＥＤ検出器のターゲット近傍の検出器構成の概略を図５に示す。ＶＬＥＥＤ検出器ではターゲット２０１として例えば鉄（Ｆｅ）などの強磁性体の単結晶膜を設置し、エネルギ１０ｅＶ以下で二次電子５を照射させる。強磁性体のターゲット２０１周囲には、ターゲット２０１の磁化方向を制御するためのコイル２０５Ａ〜２０５Ｄと、ターゲット２０１上で散乱された電子２０２の検出器２０３が配置され、ターゲット２０１の磁化方向を変えてターゲット２０１上で散乱された電子２０２を検出することで、スピン偏極度を測定することができる。
スピン分析装置の一例において、試料はロードロックより試料準備室（Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｃｈａｍｂｅｒ）に導入され、アルゴン（Ａｒ）イオンビームを照射し表面処理を施した後、ＳＥＭ筐体が搭載されている観察室（Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｃｈａｍｂｅｒ）に搬送される。
スピン検出器はＭｏｔｔ検出器であり、電子線照射によって試料より放出されたエネルギ数ｅＶのＳＥが、エネルギ約１００ｋｅＶで金（Ａｕ）のターゲットに照射されるように構成されている。試料より放出されたＳＥは、試料とＳＥＭの対物レンズの間に配置されたデフレクタによって横方向に偏向され、Ｍｏｔｔ検出器が搭載されたスピン検出器チャンバ（Ｓｐｉｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｃｈａｍｂｅｒ）に搬送される。
このスピンＳＥＭの各チャンバは超高真空となっており、観察室及びスピン検出器チャンバを超高真空に維持するために、試料はロードロックより導入するように構成されている。このため、このスピンＳＥＭで分析できる試料はトランスファロッドを用いてロードロックから試料準備室及び試料室に搬送できるサイズに限定される。
また、スピンＳＥＭの他の例において、ＥＤＳ（エネルギ分散型Ｘ線分析装置）やＷＤＳ（波長分散型Ｘ線分析装置）などの元素分析装置や、ＥＢＳＤ（電子後方散乱回折）などの結晶方位解析装置は搭載されていない。このため、スピン分析した試料について元素分析や結晶方位分析を行う場合は、これらの分析装置を搭載した別の装置で分析する必要がある。また、別の装置で同じ試料の同一視野を分析するには、試料上に適切な目印を付ける必要があるほか、試料の配置や観察条件にも注意を払う必要があり、困難を伴うケースが多い。
また、上記に述べたスピンＳＥＭではなく、特許文献１には通常のＳＥＭが開示されている。特許文献１のＳＥＭ筐体の周囲に集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）や、ＥＤＳ、ＥＢＳＤなどの分析器が搭載された分析装置の構成が開示されている。近年、ＳＥＭを主体とする分析装置では、多数の分析器を搭載し、同一視野について多用な試料分析を実施できる機能が重視される傾向がある。このような装置では別装置への試料移動が不要のため、各分析器による試料分析の過程で同じ視野を同定しやすく、雰囲気遮断などの特別な対策を必要としない点がメリットとなる。
従来のスピンＳＥＭが上記のような課題を有していた理由として、電子スピン検出器は、ターゲット表面を清浄な状態に維持するために、検出器全体が超高真空の装置として構成されていることが挙げられる。この制約のために、例えば、従来のスピンＳＥＭは試料室が超高真空の装置となっており、多様な試料サイズへの対応や、複数の分析手法を適用することで１つの試料を多角的に分析することが、難しかった。また、通常のＳＥＭにおいて検出器周りを超高真空に維持する場合、検出器と接続された他の真空領域内においても超高真空に対応させなければならず、大幅な装置改造を伴う。したがって、通常のＳＥＭを用いて二次電子のスピンを検出することは発想し難く、また困難であった。
本開示の一態様のスピン分析装置は、試料に対するプローブである粒子線源又は光子線源と、前記試料を収容する試料室と、前記プローブからの粒子線又は光子線によって前記試料より生じる電子を照射されるターゲットと、前記ターゲットを収容するターゲットチャンバとを含み、前記ターゲット上で散乱された電子を検出することによって、前記試料のスピンを検出するスピン検出器と、前記試料室を排気する第１排気系と、前記ターゲットチャンバを排気する第２排気系と、前記ターゲットチャンバと前記試料室との間の差動排気絞りと、を含む。
本開示の一態様によれば、スピン分析装置の汎用性を高めることができる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。各図において共通の構成については同一の参照符号が付されている。
以下において、試料より放出される荷電粒子のスピンを検出するスピン検出器を搭載したスピン分析装置が開示される。スピン分析装置の一例として、スピン偏極走査電子顕微鏡（Ｓｐｉｎ Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、以下スピンＳＥＭ）が説明される。なお、本開示の差動排気構造は、ＳＥＭと異なる装置、例えば、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）や、集束イオンビーム（ＦＩＢ）のように電子線と異なる粒子線又は光子線（例えば、Ｘ線や紫外線）を試料に照射する装置に適用することができる。粒子線源及び光子源は試料に対するプローブである。
Ｍｏｔｔ検出器やＶＬＥＥＤ検出器等の電子スピン検出器は、ターゲット表面を清浄な状態に維持するために、検出器全体が超高真空の装置として構成されている。この制約のために、例えば、従来のスピンＳＥＭは試料室が超高真空の装置となっており、多様な試料サイズへの対応や、複数の分析手法を適用することで１つの試料を多角的に分析することが、難しかった。
異なる装置で一つの試料を分析することで、当該試料の多角的分析は可能である。しかし、鉄鋼材や磁石をはじめとする磁性体は大気暴露すると試料表面が酸化され、酸化膜によって試料最表面の分析ができなくなる場合がある。１つの分析装置から別の分析装置に移送する際に大気暴露されないようにするには、雰囲気遮断ができる専用の試料ホルダを用いるなどの対策が必要となる。
また、ある試料を別の分析装置に移送した際に同一視野を分析するには、分析領域近傍に適切な目印を付けておく必要があるが、異なる装置では目印の見え方が異なり、同一領域の分析が困難となる場合がある。
従って、試料室が超高真空ではない汎用型の分析ＳＥＭにスピン検出器を簡便に搭載することができれば、磁性試料の表面を従来以上に詳細に解析できると期待される。しかし、試料室真空が１０−４Ｐａ程度で使用されることが多い汎用型のＳＥＭに従来方式のスピン検出器をそのまま搭載することは不可能である。
以下に開示するスピン分析装置の構成は、差動排気構造を有する。試料を格納する真空チャンバとスピン検出器内部のターゲットを格納する真空チャンバとの間に、１つ以上の差動排気絞りを配置する。差動排気構造により、スピン検出器のターゲット周囲を超高真空（例えば、１０−６Ｐａ以下）、試料室は高真空の汎用走査電子顕微鏡の試料室で実用的に利用されている真空（例えば、１０−５Ｐａ以上）を維持できる。
本開示する構成により、汎用型の分析ＳＥＭにおいて観察中に１０−４Ｐａ程度の真空度に維持される試料室にスピン検出器を接続することができる。典型的には試料室真空が１０−４〜１０−３Ｐａ台の汎用型の分析ＳＥＭに、スピン検出器を搭載することが可能となる。分析途中で真空を破らずに、同一試料の同一視野について複数の分析手法を適用して多角的に分析を実施することができる。
また、装置間の試料の移送が不要となるため、試料サイズの制約低減と、分析時間の短縮（高スループット化）が期待される。また、実用的な真空環境で試料を分析できるため、超高真空装置をベースとする構成で課題となる大掛かりな機構が不要となり、装置の低コスト化を実現できる。
図６に実施例のスピン分析装置の全体構成の概念図を示す。図６に示すスピン分析装置は、大まかには走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、スピン検出器２００、表面清浄装置１１を含む。表面清浄装置１１としては、Ａｒイオン銃、Ａｒイオンミリング装置、ガリウム（Ｇａ）の金属液体イオン源を搭載したＦＩＢなど、試料表面を清浄化できる機能を備えた装置が搭載される。
なお、図６に示す構成例は表面清浄装置１１を試料室８に搭載しているが、表面清浄装置１１は試料室８とは別の真空チャンバに搭載され、試料９の表面清浄処理を行った後に試料９を試料室８に導入し分析する装置構成としてもよい。
ＳＥＭは、試料９に対し照射電子線３を照射するための機構を備えた電子銃（電子源）１、電子銃１より放出された照射電子線３を収束するためのコンデンサレンズや対物レンズ７を含む電子光学系、照射電子線３を試料９上で走査するための偏向器（図示せず）を含む。ＳＥＭは、さらに、試料９を所望の位置に移動し、ＳＥＭ光軸２に対して所望の角度に傾斜するための機構を含む試料台１０、ＳＥＭ像及び磁区像（スピンＳＥＭ像）の表示装置（図示せず）、ＳＥＭの電子光学系やスピン検出器２００を含むスピン分析装置全体を制御するコントローラ（図示せず）、真空排気設備（図示せず）などを含む。
図６には、スピン分析装置のシステムのうち、ＳＥＭの照射系と、試料９から放出された二次電子５がスピン検出器２００のターゲット２０１に到達し、ターゲット２０１上で散乱された電子２０２が検出器２０３によって検出されるまでの構成と、を示している。
電子銃１は、冷陰極電界放出型、ショットキ放出型、熱電子放出型など、既存のＳＥＭで利用されている各種電子銃のほか、レーザ照射によって電子放出されるフォトカソードなど、これらに類似し、電子顕微鏡に適用可能な任意の構成を有することができる。電子銃１として、所望とする観察性能に応じて適切な電子銃が選択される。本実施例の主目的となる磁性体試料のスピン偏極度の分析用途で利用される装置にとっては、長時間に渡り照射電子線のプローブ電流量が安定して放出される電子銃が好ましい。
スピン分析装置における主要な分析対象は磁性体試料であるため、試料９上に照射電子線３を収束するための対物レンズ７は、試料９に対するレンズ磁場漏洩少ない方式が好ましい。これは、漏洩磁場が大きい対物レンズ方式を利用した場合、漏洩磁場によって磁性体試料の磁化の状態が変わると、精度の良いスピン分析結果が得られなくなってしまうためである。
一般的に、電子顕微鏡における対物レンズは、試料に対し漏洩される磁場強度の大きい方式ほど焦点距離が短くなる。このため、非磁性体の試料や、充分に薄片化された試料で磁化による影響が少ない試料を観察する場合は、磁場漏洩方式の方が高分解能を得る上で望ましい。しかし実施例の主要構成がＳＥＭであり、バルクの磁性体試料のスピン分析が目的であるため、磁場を漏洩しない所謂アウトレンズ方式の対物レンズが望ましい。
なお、近年、試料極表面を観察する目的で約１ｋＶ以下の低照射電圧でのＳＥＭ観察性能が重要視されることが多い。このような低照射条件で高分解能を得るために、リターディング法やブースティング法といった、試料直前で照射電子線が減速するような、減速光学系を適用した対物レンズ方式が利用される。試料近傍に減速場が分布していると、二次電子はＳＥＭの対物レンズ内を進行し、詳細を後述するスピン検出器２００で二次電子を検出できなくなる場合がある。このため、減速場の形成により、スピン分析装置による二次電子の捕集が阻害されないように、装置全体を構成するように注意する必要がある。
以下、スピン検出器２００の構成について説明する。本実施例では図３と同様に、試料９をＳＥＭ光軸２に対して傾斜して配置し、かつ、スピン検出器２００に対し対向するように配置する構成例を説明する。しかし、スピン検出器２００及びターゲット２０１に二次電子５を導くための構成は、詳細を後述する差動排気絞り及び差動排気構造が適切に適用されていれば、既存スピンＳＥＭの構成概要の説明に用いた図２及び図３、又はこれに類似するいずれの構成であってもよい。
また、以下に説明する本実施例のスピン検出器２００は、強磁性体のターゲットを用いるＶＬＥＥＤ検出器であるが、スピン検出器２００は、Ｍｏｔｔ検出器であってもよい。スピン検出器２００がＶＬＥＥＤ検出器又はＭｏｔｔ検出器のいずれであっても、他の部分の本質的な構成は同様である。
試料９が置かれるＳＥＭの試料室８の典型的な真空度は、１０−３Ｐａ〜１０−４Ｐａである。ＳＥＭの試料室８の真空度は、試料室８の内部空間の大きさと試料室８に接続される真空排気系３０１の排気速度に依存する。試料室８に置かれる試料９によっては、電子線照射によってガス放出するものもある。このため、試料９が置かれていない状態で１０−４Ｐａ台の真空度となっている場合も、スピン分析中に真空度が劣化し得る。そのため、試料室８の真空度は、１０−３Ｐａ程度を想定する必要がある。
一方、スピン検出器２００のターゲット２０１が置かれるターゲットチャンバ２１０に必要とされる典型的な真空度は、１０−６Ｐａ〜１０−７Ｐａである。このため、試料室８とターゲットチャンバ２１０の間で、少なくとも２〜３桁の圧力差を維持できるように、差動排気構造を構成することが必要である。
特に、スピン分析している間は、差動排気構造においても、差動排気絞りを通じて圧力の低いターゲットチャンバ２１０にガス分子が流入する。圧力差が最も大きくなる状況を考慮すると、約４桁の圧力差を維持できるように差動排気構造を構成することが必要である。
図６は、スピン検出器内部のＳＥＭ試料室８に接続する接続チャンバ２１２とターゲットチャンバ２１０との間に、差動排気絞り４０１を搭載している構成を示している。２つの真空空間を仕切る差動排気絞り４０１はその両側のチャンバの圧力差に応じて、例えば、直径φ０．１ｍｍ〜φ１０ｍｍに設定される。より大きな圧力差を維持するためには、コンダクタンスを低減しガス分子の出入りを少なくするために、径の小さい差動排気絞り４０１を適用することが望ましい。差動排気絞り４０１を境として、ターゲットチャンバ２１０は、試料室の真空排気系３０１とは別の真空排気系４０２で排気される。
実際の構成においては、差動排気絞り１つの構成で約４桁の圧力差を維持するのは難しいことがある。このため、図７に示すように、スピン分析装置は、試料室８と接続する接続チャンバ２１２とターゲットチャンバ２１０との間に、２つの差動排気絞り４０１Ａ、４０１Ｂを搭載した構成を有してもよい。試料室８と接続する接続チャンバ２１２とターゲットチャンバ２１０との間に、２つの差動排気絞り４０１Ａ、４０１Ｂに挟まれた中間チャンバ２１１が構成される。
中間チャンバ２１１とターゲットチャンバ２１０は、各々別々の真空排気系４０２及び４０３に接続される。なお、チャンバをさらに接続し、３つ以上の差動排気絞りを搭載した構成とすれば、試料室８とターゲットチャンバ２１０との間でさらに大きな圧力差を維持しやすい構造が得られる。
試料９より放出された二次電子５は、スピン検出器内部の搬送電極（図７において不図示）によって捕集、搬送されて、２つの差動排気絞り４０１Ａ及び４０１Ｂを通過してターゲット２０１まで導かれる。ターゲット２０１の磁化方向は、コイル２０５によって制御される。ターゲット２０１上で散乱された電子２０２は、電子検出器２０３によって検出される。
図５を参照して説明したように、スピン検出器２００がＶＬＥＥＤ検出器である場合、スピン検出器２００は、ターゲット２０１の周囲に配置されたコイル２０５Ａ〜２０５Ｄによって磁化方向を制御し、ターゲット２０１となる強磁性体の各磁化方向に対して電子検出器２０３による検出信号を処理することでスピン偏極度を測定できる。
図４を参照して説明したように、スピン検出器２００がＭｏｔｔ検出器である場合、スピン検出器２００は、ターゲット２０１上で散乱された電子２０２を、ターゲット２０１周囲に配置された検出器２０３Ａ〜２０３Ｄによって検出し、検出信号を処理することでスピン偏極度を測定できる。
図８Ａに本実施例のスピン分析装置の全体構成の概念図を示す。以下においては、他の実施例との相違点を主に説明する。本実施例の実施例１との相違点の一つは、スピン検出器内部に搭載された差動排気絞り４０１Ａ及び４０１Ｂそれぞれに対し、試料より放出された二次電子５を収束するための二次電子収束レンズ５０１Ａ及び５０１Ｂに加えたことである。
相違点の他の一つは、意図しない磁気的な外乱によって二次電子５の軌道が偏向された場合に対応するために、二次電子５が差動排気絞り上に収束するように軌道を調整するためのアライメント機構５０２Ａ及び５０２Ｂを搭載している点である。
図１に示したように、二次電子５はエネルギ分布を持ち、試料から放出される際に角度分布があるために、収束レンズを通過させた二次電子５は、収差の影響で一点には収束しない。また、スピンＳＥＭは、ＳＥＭの照射電子線３の走査範囲を大きく設定することによって、倍率１００倍程度（観察視野の画角に換算して、一辺１００μｍ程度）の低倍率観察にも対応できる。
このため、試料上の広範囲で発生した二次電子５を、効率よくターゲット２０１に搬送することが重要である。スピン分析装置は、二次電子５に対する収束レンズ５０１Ａ及び５０１Ｂを搭載し、各差動排気絞り４０１Ａ及び４０１Ｂの開口近傍に収束点を持つように、スピン検出器の電子光学系を制御する。例えば、収束点は、差動排気絞りの開口から開口直径だけ手前の点と開口直径だけ奥の点との間に位置する。
特に、コンダクタンスを考慮して小さい差動排気絞りを用いた場合は、差動排気絞り４０１Ａ及び４０１Ｂによって二次電子５が部分的に遮断されると、ターゲット２０１への二次電子５の到達率が低下し、スピン検出器２００の信号検出効率が低下する。このような状況を回避し効率の良いスピン検出器を得るために、二次電子収束レンズ系を組み込んだ構成が有効である。
スピン検出器２００に搭載される二次電子５を収束するためのレンズ５０１Ａ及び５０１Ｂは、レンズ通過において二次電子５のスピンの方向が保存されるようにするために、電極に電圧印加してレンズ作用を得る静電レンズであることが望ましい。磁界レンズと比べて静電レンズはコンパクトに構成できるため、スピン検出器２００全体を小型に構成もできる。
また、試料９とスピン検出器２００内の試料９に最も近い位置に配置される差動排気絞りとの間に搭載される電極に印加される電圧は、当該電極の電位が試料よりも、例えば１ｋＶ以上大きい電位となるように印加する。これにより、スピン検出器２００のターゲット２０１まで二次電子５を高効率に搬送するために必要なレンズ場を形成できる。これは、上記電極の電位を試料電位よりも高くすることで、差動排気絞りを通過する際の二次電子のエネルギを大きくでき、試料９から広い角度範囲及び距離範囲で放出された二次電子を、収束性の良い状態で差動排気絞りを通過させることができるためである。
電子線のレンズ通過に伴い発生する収差の悪影響を無視した場合、検出器光軸となす電子の最大角θ、検出器光軸からの電子の最大離軸距離Ｒ、電子のエネルギＥとした場合に、各射出点または各収束点についてθ＊Ｒ＊Ｅ１／２は保存量となる。この保存量はヘルムホルツ−ラグランジュの不変量として知られ、電子光学では近軸軌道に対し成立することから近軸不変量と呼ばれることもある。この法則に従えば、電子のエネルギが大きいほど角度θと離軸距離Ｒの積（θ＊Ｒ）が小さくなり、二次電子の収束性の良い条件を実現できる。
高効率なスピン検出器を実現するためには、二次電子が差動排気絞りを通過する際に差動排気絞りによる二次電子の遮蔽量を低減することが重要である。そのためには、二次電子の収束性が良い条件を満たすことが望ましい。これを実現するために、差動排気絞りをレンズ電極の一部として組込み、その電極電位は試料電位よりも１ｋＶ以上大きくなるように電極に電圧を印加する構成は有効である。
上述のようにレンズ電極の一部を差動排気絞りとして構成する場合の装置構成例を、図８Ｂに示す。図８Ａの構成と同様に、当該構成は、試料９より発生した二次電子５を、収束レンズ５０１Ａを用いて差動排気絞り４０１Ｃの近傍に収束させる。差動排気絞り４０１Ｃはレンズ電極としても機能しており、レンズ電極（差動排気絞り）４０１Ｃの前後に収束レンズ５０１Ａ及び５０１Ｂが配置される。
レンズ電極（差動排気絞り）４０１Ｃには、接地電位の試料９に対し、例えば正電圧１ｋＶを印加することで、差動排気絞り４０１Ｃを通過する際の離軸量を絞り径よりも充分に小さくすることができる。これにより、差動排気絞り兼レンズ電極４０１Ｃに電圧印加しない場合に比べて、ターゲット２０１上への二次電子５の到達率を増大できる。
スピン検出器に差動排気絞りを２つ以上備える差動排気構造の場合、各差動排気絞りの直前にレンズ電極を構成し、差動排気絞り上及びターゲット上に二次電子を収束するようにすることによって、検出効率の高いスピン検出器が得られる。
２つ以上の差動排気絞りを備える場合、特に１つ目の差動排気絞りで二次電子の収束性を良くすることが重要となる。これは、レンズで二次電子を収束させた場合に、後段の収束点ほどレンズ収差の悪影響が積重なり収束性が劣化するためである。このため、上記のような差動排気構造と検出効率の高いスピン検出器を両立するには、収束性が最もよい条件でできるだけ小さい径の差動排気絞りを通過させることが有効となるためである。２つ以上の差動排気絞りを備える場合、絞り径は、後段に行くほど大きくなっていてもよい。
二次電子５の軌道を調整するためのアライメント機構５０２Ａ及び５０２Ｂは、偏向器の通過に伴い二次電子５のスピンの方向が保存されるように、電極に電圧印加し偏向作用を得る静電偏向器であることが望ましい。最も簡便な偏向器の構成は、円筒電極を検出器の軸について対称的に４分割または８分割した電極で構成される。
図９に本実施例のスピン分析装置の全体構成の概念図を示す。以下においては、他の実施例との相違点を主に説明する。本実施例の実施例１との相違点の一つは、試料室８とターゲットチャンバ２１０の間の任意の領域に、スピン回転器１０６を搭載している点である。
スピン回転器１０６の機能は、所謂Ｗｉｅｎフィルタ５０４を搭載することによって得られる。Ｗｉｅｎフィルタ５０４は、スピン検出器の光軸を横切る方向に偏向電界と偏向磁界が互いに直交する方向に印加する。
図６〜８に示す配置で、スピン検出器としてターゲット周囲に２対のコイルの軸が直交するように構成したＶＬＥＥＤ検出器を搭載した場合、試料面内の磁化は解析できるが、試料面に対し垂直な方向の磁化は解析できない。試料面に垂直な方向の磁化解析を行うには、試料９より放出された二次電子５がターゲット２０１に到達する前に、スピン回転器１０６を用いて、二次電子５のスピンの方向を９０度回転させる。このように、スピン回転器１０６を搭載することによって、試料の３次元磁化解析が可能となる。
なお、スピン回転器１０６を搭載することなく、図１０に示すように、スピン検出器２００のターゲット２０１及び電子検出器２０３を含むその周囲の構造物を２組用意して、一方は図６と同様に配置し、もう一方を９０度偏向した位置に配置してもよい。
本実施例において、より高効率なスピン検出器とするために、収束レンズとアライメント機構を搭載した構成が有効である。すなわち、試料９とターゲット２０１の間に、図８Ａや図８Ｂに示すような収束レンズを搭載したスピン検出器の後段部に、スピン回転器１０６を組み合わせた構成としてもよい。このような構成とした場合、高い差動排気性能と高効率なスピン検出性能を備え、３次元的な磁区構造解析が可能なスピンＳＥＭが得られる。
図１１及び図１２に本実施例のスピン分析装置の全体構成の概念図を示す。以下においては、他の実施例との相違点を主に説明する。本実施例の他の実施例との相違点の一つは、ターゲットチャンバ２１０の直前の領域にエネルギアナライザ５０５又は５０６を搭載している点である。
エネルギアナライザは、円筒電極を平行に配置した同心円筒鏡型アナライザ（Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ａｎａｌｙｚｅｒ、以下ＣＭＡ）と、同心球型アナライザ（Ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ Ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ａｎａｌｙｚｅｒ、以下ＣＨＡ）とに大別される。図１１に示す構成のエネルギアナライザ５０５はＣＭＡであり、図１２に示す構成のエネルギアナライザ５０６はＣＨＡである。一般的に、ＣＭＡ５０５よりもＣＨＡ５０６の方が高エネルギ分解能である。
エネルギアナライザ５０５又は５０６を搭載することで、ターゲット２０１に衝突させる二次電子５のエネルギ帯を限定することができるため、より精密な磁化測定が可能となる。
本実施例において、より高効率なスピン検出器とするために、収束レンズとアライメント機構を搭載する構成が有効である。すなわち、試料９とターゲット２０１の間に、図８Ａや図８Ｂに示すような収束レンズを搭載したスピン検出器の後段部に、エネルギアナライザを組み合わせてもよい。このような構成は、高い差動排気性能と高効率なスピン検出性能に加え、ターゲット２０１への照射エネルギが制限されるため、よりコントラストの強いスピンＳＥＭ像が得られる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、上記の各構成・機能・処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード等の記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆どすべての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
Claims (13)
- 試料に対するプローブである粒子線源又は光子線源と、
前記試料を収容する試料室と、
前記プローブからの粒子線又は光子線によって前記試料より生じる電子を照射されるターゲットと、前記ターゲットを収容するターゲットチャンバとを含み、前記ターゲット上で散乱された電子を検出することによって、前記試料のスピンを検出するスピン検出器と、
前記試料室を排気する第１排気系と、
前記ターゲットチャンバを排気する第２排気系と、
前記ターゲットチャンバと前記試料室との間の差動排気絞りと、を含むスピン分析装置。 - 請求項１に記載のスピン分析装置であって、
前記プローブは電子源であり、
前記試料室内に、前記電子源より放出された電子を前記試料上に収束し、さらに、前記電子源より放出された電子を前記試料上で走査するための電子光学系をさらに含む、スピン分析装置。 - 請求項１に記載のスピン分析装置であって、
試料分析中に、前記試料室は１０−５Ｐａ以上、前記ターゲットチャンバは１０−６Ｐａ以下の圧力に維持される、スピン分析装置。 - 請求項１に記載のスピン分析装置であって、
前記差動排気絞りの試料側に配置された、前記試料より生じた電子を収束するためのレンズをさらに含む、スピン分析装置。 - 請求項４に記載のスピン分析装置であって、
複数の差動排気絞りを含み、
前記複数の差動排気絞りそれぞれの試料側に配置された前記試料より生じた電子を収束するためのレンズをさらに含む、スピン分析装置。 - 請求項１に記載のスピン分析装置であって、
前記差動排気絞りがレンズ電極の一部として構成され、外部より電圧を印加される、スピン分析装置。 - 請求項６に記載のスピン分析装置であって、
複数の差動排気絞りを含み、
前記試料に最も近い位置に配置される差動排気絞りと前記試料との間に配置される少なくとも１つのレンズ電極の電位は、試料電位よりも１ｋＶ以上大きい、スピン分析装置。 - 請求項１に記載のスピン分析装置であって、
前記試料より生じる電子が前記差動排気絞りを通過するように、前記差動排気絞りよりも試料側に配置された、前記試料より生じる電子の軌道を調整できるアライメント機構をさらに含む、スピン分析装置。 - 請求項１に記載のスピン分析装置であって、
前記試料と前記ターゲットの間に配置されたスピン回転器をさらに含む、スピン分析装置。 - 請求項１に記載のスピン分析装置であって、
前記試料と前記ターゲットの間に配置されたエネルギアナライザをさらに含む、スピン分析装置。 - 請求項１に記載のスピン分析装置であって、
前記スピン検出器は、前記ターゲットとして重金属を用いる、Ｍｏｔｔ型のスピン検出器である、スピン分析装置。 - 請求項１に記載のスピン分析装置であって、
前記スピン検出器は、前記ターゲットとして強磁性体を用いる、ＶＬＥＥＤ（Ｖｅｒｙ Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）型のスピン検出器である、スピン分析装置。 - 請求項１２に記載のスピン分析装置であって、
前記スピン検出器は、前記ターゲットとして鉄の単結晶膜を用いる、スピン分析装置。
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