JPH08241690A - スピン偏極走査電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁区観察用スピン偏極走査電子顕微鏡におい
て、試料に磁場を印加したままの状態での磁区観察がで
きるようにすること。 【構成】 電子銃１、２次電子転送電子光学系２、球面
偏向器４、２次電子収集電極５、７、試料８、コア９お
よびコイル１０よりなる電磁石からなる。 【効果】 電磁石からの磁場は２次電子の通過経路に殆
ど侵入しない。したがって、試料に磁場を印加した状態
でも、試料から放出された２次電子の軌道やスピンが磁
場の影響を受ず、高分解能で磁区観察を行うことができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は磁区観察用走査電子顕微
鏡に関し、特に試料に磁場を印加したままの状態で磁区
観察が可能なスピン偏極走査電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】試料に磁場を印加したままの状態で磁化
分布を観察できる手法としては、光を用いたカーもしく
はファラデー顕微法が知られている。しかしこの方法で
は空間分解能が光の波長で決まる０．５μｍ程度に限ら
れる。スピン偏極走査電子顕微鏡は２０ｎｍの高い空間
分解能が得られる反面、試料から放出される２次電子の
軌道やスピンが磁場に大きく影響されるため、外部から
磁場を印加することはできなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、高分解能磁区観察が可能なスピン偏極走査
電子顕微鏡において、試料に磁場を印加したままの状態
で磁区観察を行える様にすることである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題は、スピン偏極
走査電子顕微鏡において、試料に印加した磁場が２次電
子の通過経路にまで及ばない様にすること、または、２
次電子の通過経路に磁場が及んでも、その向きを２次電
子の軌道や偏極ベクトル成分の検出方向と平行にするこ
とで解決できる。

【０００５】

【作用】２次電子の通過経路に磁場がなければ、２次電
子軌道が磁場によって大きく曲げられることはなく、試
料からの２次電子は容易にスピン検出器に到達すること
ができ、また２次電子のスピンも磁場によって回転せ
ず、スピン検出器に到達するまで、試料から出たときの
状態を保つことができる。また磁場中を運動する電子の
運動量や偏極ベクトルの磁場方向成分は磁場と無関係に
一定に保たれるため、２次電子の通過経路に磁場がある
場合でも、その向きが２次電子の軌道や偏極ベクトル成
分の検出方向と平行であれば、これら２次電子の軌道
や、偏極ベクトルの磁場方向成分は磁場の影響を受け
ず、２次電子はこれらを保ったまま試料からスピン検出
器に到達することができる。

【０００６】

【実施例】以下図を用いて、本発明によるスピン偏極走
査電子顕微鏡の構成を詳細に説明する。

【０００７】図１は本発明によるのスピン偏極走査電子
顕微鏡の２次電子収集転送および磁場印加部の実施例を
示したものである。

【０００８】図１の実施例では、２次電子収集転送部は
磁気シールドを兼ねた軸対称２次電子収集電極５、７、
球面偏向器４、及び２次電子転送電子光学系２より構成
され、これらは、電子銃の対物レンズ１と試料８の間に
配置されている。電極５は、図に示すように、円形の平
板の中心部に一方に中空の円柱が突出した形状をしてい
る。電極７は前記円柱を取り巻く形の底板付きの円柱形
状となっており、この底板の中心部には、直径１００μ
ｍの孔が開いており、ここに試料８が接している。球面
偏向器４の対物レンズ側電極には試料面と垂直方向に孔
が開けられており、電子銃１からのプローブ電子線３が
試料面に垂直入射することができるようになっている。
電極７は試料と同じ接地電位、電極５には＋５００Ｖの
電位が、それぞれ与えられている。試料８から放出され
た２次電子は収集電極５、７で収集され、球面偏向器４
によって軌道を９０度偏向された後、転送電子光学系２
を通してスピン検出器（図示しない）へと導かれる。

【０００９】試料８への磁場印加は強磁性コア９及びそ
れに巻かれたコイル１０より構成される電磁石９によっ
て行う。このとき、試料８が磁路の一部になっているた
め磁束は試料に集中し、また試料表面近傍の若干の漏れ
磁束は電極７を通過するため、２次電子が通過する空間
には磁場は殆ど現れない。したがって、２次電子はその
軌道やスピンが磁場に影響されることなくスピン検出器
に到達することができる。 ここで、電磁石は試料面法
線を軸として矢印で示すように、回転することができ、
試料面内の任意の方向に磁場を印加することができる。

【００１０】図２（ａ）および（ｂ）は本発明によるス
ピン偏極走査電子顕微鏡の第２の実施例の２次電子収集
電極７の平面図および断面図を、（ｃ）および（ｄ）は
同じく、２次電子収集電極５の構造の平面図および断面
図を、それぞれ示したものである。

【００１１】電極７に開けられた孔２１は印加磁場と直
交方向に長くなっており、第１の実施例より効果的に磁
場を印加することができる。しかしこの場合、２次電子
の収束特性はスティグマティックにならないため、電極
５を５−１から５−４に示すように、４分割してスティ
グマトールの機能を持たせ、収束がスティグマティック
になるようにしている。この実施例では、電磁石９を回
転する時、同時に２次電子収集電極５、７も回転する構
造として、試料面内の任意の方向に磁場を印加する。電
磁石９による磁場の方向と２次電子収集電極５、７との
関係を同じ状態に保持することが必要である。この構造
自体は単純な機械的な連動構造で実現できるから図示は
省略する。

【００１２】図３（ａ）および（ｂ）は本発明によるス
ピン偏極走査電子顕微鏡の第３の実施例の２次電子収集
電極７の平面図および断面図を、（ｃ）および（ｄ）は
同じく、２次電子収集電極５の構造の平面図および断面
図を、それぞれ示したものである。

【００１３】電極７は印加磁場と直交方向のスリット２
２を形成するように、７−１、７−２の二つに分割され
ており、第２の実施例よりさらに効果的に磁場を印加す
ることができる。この場合も第２の実施例と同様、電極
５にはスティグマトールの機能が必要となるので、５−
１から５−４のように分割した構造とする。この実施例
でも、第２の実施例と同様、電磁石を回転する時は２次
電子収集電極５、７を同時に回転し、試料面内の任意の
方向に磁場を印加する。

【００１４】図４は本発明によるスピン偏極走査電子顕
微鏡の第４の実施例の磁場印加部を試料の上方から見た
図である。第１の実施例の電磁石９が試料８の下方に位
置したのに対し、本実施例では電磁石９は試料８の側方
に位置するため、試料下部に大きな空間が取れて、試料
移動、試料に対する加熱、冷却等の様々な機構を容易に
取り付けられる利点がある。

【００１５】図５は本発明によるスピン偏極走査電子顕
微鏡の第５の実施例を示したものである。第１の実施例
と本質的には同じ構造であるが、第１の実施例では電磁
石９の磁極が試料８の両側に位置していたのに対し、本
実施例では試料の下面に接している。これにより試料８
の表面からの漏洩磁場を第１の実施例より更に小さくす
ることができる。またこの電磁石は第１の実施例と同様
試料面法線を軸として回転することができ、試料面内の
任意の方向に磁場を印加することができる。この実施例
でも、電磁石９の磁極部分の構造を工夫することで、試
料下面に空間を形成することが出来る。

【００１６】図６は本発明によるスピン偏極走査電子顕
微鏡の第６の実施例を示したものである。第５の実施例
では電磁石９の磁極間のギャップが１つであるのに対
し、本実施例では電磁石９が試料８に接する部分に複数
個の非磁性層１１を挿入することによって複数個のギャ
ップを設け、より均一な磁場が試料に印加される様にし
ている。またこの電磁石は第１、第５の実施例と同様試
料面法線を軸として回転することができ、試料面内の任
意の方向に磁場を印加することができる。

【００１７】図７は本発明によるスピン偏極走査電子顕
微鏡の第７の実施例を示したものである。磁場印加用ソ
レノイドコイル１２がその中心軸を試料面法線方向に向
くようにして、試料８を包む形で置かれており、試料面
法線方向の磁場を試料に印加することができる。このコ
イルによって生成された磁束がコイル外に大きく拡散す
るのを防ぐため、高透磁率磁性材料よりなる磁路１３を
設け、同じく高透磁率磁性材料で作られた電極５ととも
に閉磁気回路を形成して磁束を閉じ込めている。この実
施例の電極５は第１の実施例と同じ構成で良い。ソレノ
イドコイル１２による磁場が存在する空間では２次電子
軌道と磁場が平行であるため、軌道は磁場の影響を受け
ない。また偏極ベクトルの磁場方向成分は磁場中で保存
されるため、２次電子はその偏極ベクトルの試料面法線
方向成分を保存したままスピン検出器に到達することが
できる。

【００１８】図８は本発明によるスピン偏極走査電子顕
微鏡の第８の実施例を示したものである。磁場印加及び
磁気シールドの方法は第１の実施例と同じであるが、プ
ローブ電子線３が試料８に斜め入射するところが異なっ
ている。この場合、プローブ電子線３の入射方向の分解
能の低下が起こるが、複雑な加工を要する球面偏向器４
が不要になる利点がある。試料に対するこのような電子
線の入射方法は、本実施例の磁場印加及び磁気シールド
法に限らず、第２から第７の実施例に示した磁場印加及
び磁気シールド法にも適用できる。

【００１９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によればス
ピン偏極走査電子顕微鏡によって、試料に磁場を印加し
た状態で高分解能磁区観察ができ、高密度磁気記録の記
録状態の観察等その工業的価値は非常に高いものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるスピン偏極走査電子顕微鏡の２次
電子収集転送および磁場印加部の第１の実施例を示す
図。

【図２】本発明によるスピン偏極走査電子顕微鏡の第２
の実施例の２次電子収集電極の構造を示す図。

【図３】本発明によるスピン偏極走査電子顕微鏡の第３
の実施例の２次電子収集電極の構造を示す図。

【図４】本発明によるスピン偏極走査電子顕微鏡の第３
の実施例の磁場印加法を示す図。

【図５】本発明によるスピン偏極走査電子顕微鏡の２次
電子収集転送および磁場印加部の第５の実施例を示す
図。

【図６】本発明によるスピン偏極走査電子顕微鏡の２次
電子収集転送および磁場印加部の第６の実施例を示す
図。

【図７】本発明によるスピン偏極走査電子顕微鏡の２次
電子収集転送および磁場印加部の第７の実施例を示す
図。

【図８】本発明によるスピン偏極走査電子顕微鏡の２次
電子収集転送および磁場印加部の第８の実施例を示す
図。

【符号の説明】

１…電子銃の対物レンズ、２…２次電子転送電子光学
系、３…プローブ電子線、４…球面偏向器、５…２次電
子収集電極、６…２次電子、７…２次電子収集電極、８
…試料、９…コア、10…コイル、11…非磁性層、12…ヘ
ルムホルツコイル、13…磁路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松山 秀生 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料に磁場を印加する手段、試料面にプロ
   ーブ電子線を照射する手段、および、試料から放出され
   る２次電子を検出器に導く２次電子転送電子光学系を備
   えるスピン偏極走査電子顕微鏡において、前記試料面と
   平行な磁場を加える手段、および、試料から放出された
   ２次電子の２次電子転送電子光学系までの２次電子通過
   経路の磁場を遮断するための手段を配置して、試料に任
   意の大きさおよび方向の磁場を印加したまま磁区観察が
   できることを特徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。
2. 【請求項２】上記印加磁場遮断手段が高透磁率の磁気シ
   ールドであり、試料自身も磁気シールドの一部となる請
   求第１項記載のスピン偏極走査電子顕微鏡。
3. 【請求項３】上記印加磁場遮断手段が磁気シールドを兼
   ねた２次電子収集および転送電極である請求第１項記載
   のスピン偏極走査電子顕微鏡。
4. 【請求項４】上記印加磁場遮断手段が磁場印加手段とと
   もに空間的に回転し、試料に対して任意の方向から磁場
   を印加する請求第１項記載のスピン偏極走査電子顕微
   鏡。
5. 【請求項５】試料から放出される２次電子のスピン状態
   を検出して磁区像を得るスピン偏極走査電子顕微鏡にお
   いて、試料に印加する磁場が２次電子の運動方向と平行
   であり、２次電子の軌道や偏極ベクトルの磁場方向成分
   が該印加磁場によって実質的に影響を受けないことを特
   徴とするスピン偏極走査電子顕微鏡。