JPH04361144A - 表面磁性観察方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は磁性体表面の磁気的性質
を観察する方法および装置に係り、特に、偏極電子線を
照射して表面磁性を観察する方法および装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】磁性体の磁壁位置や磁区の磁化方向など
を観察する装置として、スピン偏極走査型電子顕微鏡（
スピンＳＥＭ）と称するものが提案されている。これは
、磁性体の表面に電子線を照射すると、その磁性体内部
で磁化の要因となっている電子がスピンの方向を保った
まま２次電子として放出されるため、その２次電子のス
ピン状態をモット検出器などのスピン検出器により検出
して磁区の磁化方向などを観察するもので、例えば「日
本応用磁気学会誌」（Ｖｏｌ．　１３，Ｎｏ．１，１９
８９　　社団法人　　日本応用磁気学会発行）などに記
載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
従来のスピン偏極走査型電子顕微鏡においては、スピン
検出器による検出効率が悪いため、高いＳ／Ｎ（信号対
雑音比）の像を得ようとすると、通常の走査型電子顕微
鏡に比べて約１万倍多い２次電子を必要とし、電子線を
照射する際のプローブ電流を２〜３桁大きくする必要が
あるとともに、１桁以上長い時間をかけて像を作る必要
があるなどの問題があった。

【０００４】本発明は以上の事情を背景として為された
もので、その目的とするところは、小さなプローブ電流
でＳ／Ｎの高い像が短時間で得られるようにすることに
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明は、スピン方向が偏極している電子群から
成る偏極電子線を磁性体の表面に照射することによりそ
の表面から反射，放出または回折された電子を検出して
その表面の磁気的性質を観察するようにしたことを特徴
とする。

【０００６】また、かかる表面磁性観察方法を好適に実
施できる表面磁性観察装置は、（ａ）格子歪みを有する
ＧａＡｓ半導体に円偏光レーザ光を照射して、スピン方
向が偏極している電子群から成る偏極電子線を発生させ
る偏極電子線発生装置と、（ｂ）その偏極電子線発生装
置によって発生させられた偏極電子線を磁性体の表面に
照射する偏極電子線照射装置と、（ｃ）前記偏極電子線
が照射されることにより前記磁性体の表面から反射，放
出または回折された電子を検出する検出器とを有するこ
とを特徴とする。

【０００７】

【作用および発明の効果】すなわち、従来はスピン方向
が異なる２種類の電子が略同じ割合で混在している電子
線を磁性体の表面に照射していたのに対し、本発明では
、スピン方向が２種類のうちの一方に偏在している電子
群から成る偏極電子線を磁性体の表面に照射するように
したのであり、このようにすれば、比較的小さなプロー
ブ電流で高いＳ／Ｎの像が短時間で得られるようになる
のである。また、電子線回折のパターンを観測すること
により、通常の電子線回折では観測できない反強磁性体
の観察も可能となる。

【０００８】一方、格子歪みを有するＧａＡｓ半導体に
円偏光レーザ光を照射して偏極電子線を発生させる偏極
電子線発生装置を備え、その偏極電子線発生装置によっ
て発生させられた偏極電子線を偏極電子線照射装置によ
り磁性体の表面に照射するとともに、偏極電子線が照射
されることにより磁性体の表面から反射，放出または回
折された電子を検出器によって検出する表面磁性観察装
置においては、偏極率の高い偏極電子線を安定して発生
させることができるため、上記効果が一層顕著になると
ともに偏極率のばらつきに起因する表面磁性の検出精度
の低下等が回避される。

【０００９】なお、上記検出器としては、例えばＭｏｔ
ｔ散乱に基づいて電子のスピン状態を検出するスピン検
出器が好適に採用されるが、電子線の強度または回折パ
ターンを検出するのみで、スピン状態を検出する機能を
備えていない検出器を採用することもできる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。

【００１１】図１は本発明の一実施例である表面磁性観
察装置の概要を示す図で、スピン方向が２種類のうちの
一方に偏在している電子群から成る偏極電子線を発生さ
せる偏極電子線発生装置（電子銃）２０と、その発生さ
せられた偏極電子線を案内して磁性体９６の表面に照射
する偏極電子線照射装置２４と、偏極電子線が照射され
ることにより磁性体９６の表面から反射または放出され
た電子のスピン状態を検出するスピン検出器２２とを備
えている。

【００１２】偏極電子線発生装置２０は、高真空室を形
成するための真空ハウジング３０と、真空ハウジング３
０を１０−９ｔｏｒｒ程度の高真空とするためのターボ
分子ポンプ３２およびイオンポンプ３４と、偏極電子線
発生素子１０を真空ハウジング３０内に保持し且つ液体
窒素により冷却するための容器状ホルダ３６およびその
容器状ホルダ３６を取り囲んで残留ガスを吸着させるた
めの液体窒素容器３８と、偏極電子線発生素子１０の表
面から電子を引き出すための複数の電極４０と、偏極電
子線発生素子１０の表面に向かってセシウムおよび酸素
を放出するセシウム放出器４２および酸素放出器４４と
、上記偏極電子線発生素子１０の表面にレーザ光を照射
するためのレーザ光照射装置４６とを備えている。レー
ザ光照射装置４６は、７００〜９００ｎｍの波長のレー
ザ光を選択的に出力するチューナブルレーザ光源５０と
、直線偏光だけを通過させる偏光子５２と、直線偏光を
円偏光に変換する１／４波長素子５４と、円偏光のレー
ザ光を前記偏極電子線発生素子１０の表面に向かって照
射するミラー５６とを備えている。

【００１３】上記偏極電子線発生素子１０は、図２に示
されているように、半導体基板１２の上においてよく知
られたＭＯＣＶＤ結晶成長法により順次成長させられた
第１化合物半導体層１４および第２化合物半導体層１６
を備えている。半導体基板１２は、３５０μｍ程度の厚
みであって、たとえば亜鉛Ｚｎが不純物としてドープさ
れることによりキャリア濃度が５×１０１８（ｃｍ−３
）程度とされたガリウム−砒素ｐ型半導体単結晶板（ｐ
−ＧａＡｓ）であり、表面は（１００）面である。また
、第１化合物半導体層１４は、２．０μｍ程度の厚みで
あって、たとえば亜鉛Ｚｎが不純物としてドープされる
ことによりキャリア濃度が５×１０１８（ｃｍ−３）程
度とされたガリウム−砒素−燐ｐ型半導体単結晶層（ｐ
−ＧａＡｓ０．８３Ｐ０．１７）である。また、第２化
合物半導体層１６は、０．０８μｍ程度の厚みであって
、たとえば亜鉛Ｚｎが不純物としてドープされることに
よりキャリア濃度が５×１０１８（ｃｍ−３）程度とさ
れたガリウム−砒素ｐ型半導体単結晶層（ｐ−ＧａＡｓ
）である。なお、上記第２化合物半導体層１６の表面に
は、酸化処理膜などは何等設けられていない。

【００１４】上記第２化合物半導体層１６の厚さは０．
０８μｍ程度でコヒーレント成長を行う臨界膜厚を超え
ているが、第１化合物半導体層１４および第２化合物半
導体層１６は、その格子定数が０．６％程度相違してい
るため、その第２化合物半導体層１６は格子歪を有する
状態で第１化合物半導体層１４上にヘテロ結合させられ
ることとなり、かかる格子歪により、第２化合物半導体
層１６の価電子帯におけるヘビーホールおよびライトホ
ールのサブバンドのエネルギー準位に差が生じる。この
エネルギー準位差は、偏極電子線発生素子１０を使用す
る際に生じる熱雑音によるエネルギーよりも大きい。熱
雑音によるエネルギーＥは次式（１）で与えられ、温度
によって相違するが、本実施例では上記エネルギー準位
差が約４０ｍｅＶで、常温（２５℃程度）における熱雑
音のエネルギーＥ≒２６ｍｅＶよりも充分に大きい。

【００１５】 Ｅ＝ｋＴ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　・・・（１）但し、ｋ：ボルツマン定数　　
Ｔ：絶対温度

【００１６】図１に戻って、前記スピン検
出器２２は、フロンガスが充填されたタンク６０内に配
置され且つ高圧碍子６２により支持されるとともにアノ
ード６３から１００ｋＶが印加される高圧槽（Ｍｏｔｔ
散乱槽）６４と、高圧槽６４に接続されてその中を１０
−９ｔｏｒｒ程度の高真空とするためのターボ分子ポン
プ６６と、磁性体９６から反射または放出された電子を
加速する加速電極６８と、図示しない円板により支持さ
れ且つ偏極電子線が衝突させられる金箔７０と、金箔７
０内の金原子核に衝突することによりθ＝１２０゜に散
乱された電子を検出する４個の表面障壁型検出器７２ａ
，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄと、図示しないプリアンプに
より信号増幅された表面障壁型検出器７２ａ，７２ｂ，
７２ｃ，７２ｄからの信号をそれぞれ光に変換するＬＥ
Ｄ７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄと、それ等のＬＥＤ
７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄの光出力を受けて電気
信号Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃ，Ｎｄを出力する受光器７６ａ，
７６ｂ，７６ｃ，７６ｄとを備えている。電気信号Ｎａ
，Ｎｂ，Ｎｃ，Ｎｄは、図３に示されている信号処理回
路７８に供給され、対称方向への散乱強度の非対称性か
らスピン偏極ベクトルの２成分Ｐｘ　，Ｐｙ　が求めら
れるとともに、それ等のＰｘ　，Ｐｙ　に基づいてＰ（
Φ）が演算され、表示器８０に磁化像が映し出されるよ
うになっている。

【００１７】前記偏極電子線照射装置２４は、前記真空
ハウジング３０と高圧層６４とを接続する管路に設けら
れたコンダクタンスの低い一対の細管９０と、その一対
の細管９０に挟まれた位置に設けられたイオンポンプ９
２と、偏極電子線発生素子１０から引き出された偏極電
子線を静電的に直角に曲げるための球形コンデンサ装置
９４とを備えている。また、かかる偏極電子線照射装置
２４は、偏極電子線の照射位置が磁性体９６の表面上を
移動するように走査する図示しない走査手段を備えてい
る。

【００１８】このような表面磁性観察装置において偏極
電子線を発生させる際には、偏極電子線発生素子１０の
第２化合物半導体層１６の表面には何等酸化処理膜が設
けられていないため、成長直後から真空デシケータに保
管した偏極電子線発生素子１０を用いる。そして、先ず
その偏極電子線発生素子１０を容器状ホルダ３６の下端
に固定した後に真空ハウジング３０内を１０−９ｔｏｒ
ｒ程度の高真空とし、図示しないヒータにより４２０℃
程度の温度に１５分程度加熱することにより、偏極電子
線発生素子１０の表面を清浄化する。次いで、セシウム
放出器４２および酸素放出器４４から偏極電子線発生素
子１０の表面に向かってセシウムおよび酸素を交互に放
出してセシウムおよび酸素を微量だけ吸着させる。これ
により、偏極電子線発生素子１０の表面において、エレ
クトロンアフィニティ（伝導帯の底にある電子のエネル
ギーレベルと真空レベルの差に相当するエネルギーギャ
ップ）を負とする。そして、液体窒素による偏極電子線
発生素子１０の冷却を行うことなく、常温においてレー
ザ光照射装置４６から円偏光レーザ光を照射する。この
円偏光レーザ光のエネルギーが注入されると、偏極電子
線発生素子１０の表面からスピン方向が一方に偏在して
いる電子群が発生させられ、この電子群が偏極電子線と
して電極４０により引き出される。この偏極電子線の偏
極率は、励起レーザの波長が８５５〜８７０ｎｍにおい
て約８５％以上となる。

【００１９】上記のようにして得られた偏極電子線が、
偏極電子線照射装置２４によって前記磁性体９６の表面
に照射されると、その表面から電子が反射または放出さ
れるととも、それ等の電子は加速電極６８により加速さ
れて高圧槽６４内の金箔７０に照射される。金箔７０に
照射された電子は、そのスピン方向により非対称に散乱
させられて検出器７２ａ〜７２ｄによって検出され、上
記偏極電子線照射装置２４によって偏極電子線の照射位
置が磁性体９６の表面上を走査されることにより、表示
器８０に磁化像が映し出される。上記磁性体９６の表面
は、予め図示しない表面浄化用イオン銃などにより浄化
されている。

【００２０】このような本実施例の表面磁性観察装置に
おいては、スピン方向が２種類のうちの一方に偏在して
いる電子群から成る偏極電子線を磁性体９６の表面に照
射するようになっているため、比較的小さなプローブ電
流（照射電子線電流）で高いＳ／Ｎの像が短時間で得ら
れる。

【００２１】また、格子歪みを有するＧａＡｓ半導体か
ら成る偏極電子線発生素子１０に円偏光レーザ光を照射
して偏極電子線を発生させる偏極電子線発生装置２０が
用いられているため、偏極率の高い偏極電子線を安定し
て発生させることができ、上記効果が一層顕著になると
ともに偏極率のばらつきに起因するスピン状態の検出精
度低下等が回避される。特に、本実施例の偏極電子線発
生素子１０は、ヘビーホールのサブバンドとライトホー
ルのサブバンドとのエネルギー準位差が熱雑音によるエ
ネルギーよりも大きくなるように格子歪みが設定されて
いるため、８５％以上の偏極率が安定して得られるので
ある。

【００２２】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて
詳細に説明したが、本発明は他の態様で実施することも
できる。

【００２３】例えば、偏極電子線を発生させるための偏
極電子線発生素子１０としては、本願出願人が先に出願
した特願平２−１８２９３９号や平成３年５月２日付の
整理番号Ｈ０３２１００の特許願に記載されているもの
など、他の種々の素子を採用できる。なお、他の原理に
よって偏極電子線を発生する偏極電子線発生装置を用い
ることも可能である。

【００２４】また、本発明の表面磁性観察方法や装置は
、磁壁位置や磁区の大きさ，磁区の磁化方向などを観察
する場合は勿論、原子配列或いは原子のオーダーの微視
的な磁気的性質を観察する場合にも適用され得る。

【００２５】また、前記実施例ではＭｏｔｔ散乱に基づ
いて電子のスピン状態を検出するスピン検出器２２が用
いられていたが、ミュラー散乱を利用したものなど他の
スピン検出器を採用することもできる。

【００２６】また、偏極電子線源を用いているため、必
ずしも電子のスピン状態まで検出できる必要はない。す
なわち、偏極電子線を発生させる際に、励起円偏光レー
ザの偏光の向きを反転させる事により、偏極電子線のス
ピンの向きを逆転させる事が可能であり、このように互
いに反転している２種類の偏極電子を切り換えて出力で
きる電子線源を用いる事により、スピン検出器を用いる
ことなく通常の電子線検出器のみでも好適に表面の磁気
的性質を観察することができるのである。

【００２７】また、磁性体９６の表面に照射される一次
電子すなわち偏極電子線は、その磁性体９６の結晶構造
によって定まる回折条件で回折させられるが、その回折
パターンは照射位置の磁気的性質によって影響を受ける
ため、回折電子線の強度から回折パターンを測定して磁
気的性質を観察することもできる。回折パターンを検出
する場合には、例えば磁性体９６の結晶構造などを考慮
して予め定められた位置に電子線検出器を設置し、その
位置における電子線の強度を検出するだけでも差し支え
ない。この場合も、互いに反転している２種類の偏極電
子を切り換えて出力できる電子線源を用いる事により、
より好適に磁気的性質を観察することが可能である。

【００２８】その他一々例示はしないが、本発明は当業
者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実
施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である表面磁性観察装置の概
要を説明する図である。

【図２】図１の表面磁性観察装置に備えられている偏極
電子線発生素子の構成を説明する図である。

【図３】図１の表面磁性観察装置に備えられている信号
処理回路を説明するブロック線図である。

【符号の説明】

２０：偏極電子線発生装置 ２２：スピン検出器（検出器） ２４：偏極電子線照射装置 ９６：磁性体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スピン方向が偏極している電子群から成る
   偏極電子線を磁性体の表面に照射することにより該表面
   から反射，放出または回折された電子を検出して該表面
   の磁気的性質を観察する表面磁性観察方法。
2. 【請求項２】格子歪みを有するＧａＡｓ半導体に円偏光
   レーザ光を照射して、スピン方向が偏極している電子群
   から成る偏極電子線を発生させる偏極電子線発生装置と
   、該偏極電子線発生装置によって発生させられた偏極電
   子線を磁性体の表面に照射する偏極電子線照射装置と、
   前記偏極電子線が照射されることにより前記磁性体の表
   面から反射，放出または回折された電子を検出する検出
   器とを有することを特徴とする表面磁性観察装置。