WO2008069110A1 - 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並びに試料加工装置 - Google Patents

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並びに試料加工装置 Download PDF

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polarized
ion beam
light
ions
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Taku Suzuki
Yasushi Yamauchi
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    • H01J2237/25—Tubes for localised analysis using electron or ion beams

Definitions

  • the present invention relates to a spin-polarized ion beam generator and a magnetic property of the surface and interface of a material by irradiating the sample with a spin-polarized ion beam generated by the generator and dispersing ions scattered from the sample.
  • the present invention relates to a scattering spectroscope for examination and an apparatus for performing processing such as sample modification using the spin-polarized ion beam.
  • the polarization rate is defined by (n ⁇ -n
  • N ⁇ the number of polarized monovalent helium cations with upward spin.
  • polarization means spin.
  • Means polarization that is, spin polarization.
  • the energy levels involved in optical bombardment of metastable helium atom 2 are explained using Fig. 19.
  • the spin polarization of metastable helium atom 2 by photobombing uses a transition between 2 3 S and 2 3 P.
  • This 2 3 P level has a fine structure due to spin-orbit interaction, and the transition to these two forces, such as D-line, D-line
  • Non-patent document 1 reports that spin-polarized helium ions are generated by penning ionization of photobombed metastable helium atoms (He * (2)).
  • He * is a metastable helium atom
  • He + is a monovalent helium cation
  • e is an electron.
  • the spin angular momentum component of helium is preserved.
  • He * metastable helium atoms
  • He + the electrons of the generated helium ions
  • Such ions are called polarized ions or spin-polarized ions in the present invention.
  • Non-Patent Document 2 helium ions are obtained by optical bombardment using circularly polarized light having a D-line wavelength corresponding to the transition of metastable helium atoms 2 to 2 3 P. The polarization has been made.
  • Non-Patent Documents 3 and 4 report a technique for generating spin-polarized electrons from a quasi-stable helium atom by orthogonally circularly polarized light and linearly polarized bombing light.
  • the polarization rate of helium ions according to this prior art is 18%, and generation of polarized helium ions having a polarization rate higher than this is impossible. For this reason, it is difficult to avoid surface contamination during the measurement, and the measurement results are naturally limited.
  • Non-patent Document 5 neutron scattering
  • Non-patent Document 6 magnetic circular dichroism spectroscopy
  • Non-patent Document 7 spin-polarized photoelectron spectroscopy
  • Non-patent Document 8 spin-polarized metastable atomic deexcitation spectroscopy
  • Non-patent Document 9 composition analysis and structure of the surface 'interface Force that analysis was possible Sample surface 'Spin force at interface could not be analyzed.
  • Non-Patent Document 1 Physical Review Letters 22 (1969) 629, D. Schearer
  • Non-Patent Document 2 Review of Scientific Instruments 70 (1999) 240, Bixler
  • Non-Patent Document 3 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A334 (1994) 3
  • Non-Patent Document 4 Physical Review A, Vol.42, N0.7 (l OCTOBER, 1990) 4028-4031, D. Schearer et al.
  • Non-Patent Document 5 Physical Review 50 (1951) 912, C. G. Shull
  • Non-Patent Document 6 Journal of the Physical Society of Japan 55 (2000) 20, Makoto Imada
  • Non-Patent Document 7 Journal of Physics: Condensed Matter 10 (1998) 95, P. D. Johnson
  • Non-Patent Document 8 Physical Review Letters 52 (1984) 380, M. Onellion
  • Non-Patent Document 9 Journal of Applied Physic s 38 (1967) 340, D. P. Smith
  • Non-Patent Document 10 Review of Modern Physic s 44 (1972) 169, W. Happer
  • Non-Patent Literature 11 Japanese Journal of Applied Physics 24 (1985) 1249
  • Non-Patent Document 12 Proceedings of the 53rd Joint Conference on Applied Physics, 2 (2006) 782, Taku Suzuki
  • Non-Patent Document 13 Surface Science 179 (1987) 199, R. Souda et al.
  • the present invention has a high polarization rate exceeding 18% so that measurement time can be shortened and high-precision measurement processing that has not been possible before is possible.
  • the first object is to provide a spin-polarized ion beam generator having the above.
  • the present invention provides a spin-polarized ion scattering spectrometer capable of performing a magnetic structure analysis in which an element and an atomic layer in a shallow layer from the outermost surface, for example, 2 to 3 atomic layers, are selected. Mejiro-an.
  • a third object of the present invention is to provide a sample processing apparatus using a spin-polarized ion beam that can process a sample by irradiating the sample with spin-polarized ions. To do.
  • a spin-polarized ion beam generator of the present invention includes a high-frequency discharge tube for generating ions, a laser oscillator, and a laser having a laser oscillator power split into two. And a bombing light generator for irradiating a high-frequency discharge tube with an irradiation angle difference of 90 ° from each other, with one being a circularly polarized first bombing light and the other being a linearly polarized second bombing light, An extraction electrode for extracting polarized ions is provided for the high-frequency discharge tube.
  • the polarized ion beam extraction direction is preferably a direction orthogonal to both the circularly polarized light and the linearly polarized light.
  • the high-frequency discharge tube preferably includes a repeller electrode facing the extraction electrode.
  • the extraction electrode preferably has a porous structure so that the exhaust conductance is reduced.
  • the bombing light generation unit preferably includes a circular polarization control unit that controls the circular polarization of the first bombing light clockwise or counterclockwise.
  • the laser oscillator preferably outputs laser light with the wavelength adjusted so that the polarization rate of the metastable atom that is the basis of the ions obtained from the probe laser absorption measurement is maximized.
  • the ions are helium ions
  • the wavelengths of the first and second probing lights are D lines
  • the wavelengths of the probe lights are D lines.
  • the helium pressure is preferably 15 Pa or more and 50 Pa or less.
  • a spin-polarized ion scattering spectrometer of the present invention includes a spin-polarized ion beam generator and a spin-polarized ion beam generated from the spin-polarized ion beam generator.
  • a spin-polarized ion beam generator that includes a spin-polarized ion beam line that irradiates the sample with a polar ion beam and a measurement unit that measures the energy of ions scattered by the interaction between the sample and the spin-polarized ion beam.
  • the extraction direction of the polarized ion beam is a direction orthogonal to both the circularly polarized light and the linearly polarized light.
  • the high-frequency discharge tube preferably includes a repeller electrode facing the extraction electrode.
  • the extraction electrode preferably has a microporous structure.
  • the bombing light generator preferably includes a circular polarization controller that controls the circular polarization of the first bombing light clockwise or counterclockwise.
  • the laser oscillator preferably outputs laser light with the wavelength adjusted so that the polarization rate of the metastable atom that is the basis of ions obtained from the absorption measurement of the probe laser is maximized.
  • a sample stage capable of controlling the incident angle with respect to spin-polarized ions incident on the sample.
  • the ion is helium ion
  • the wavelength of the first and second bombing lights is D spring
  • the wavelength of the probe light is D spring.
  • the spin-polarized ion scattering spectroscopy of the present invention uses the spin-polarized ion scattering spectrometer described above, makes spin-polarized ions incident on the sample, measures the scattered ions from the sample, and enters the incident ions.
  • the scattered ion intensity is measured for each type of spin, and the magnetic structure of the sample surface is analyzed from the spin dependence of the neutralization probability of ions incident on the sample.
  • the scattered ion intensity is detected by an electrostatic analyzer, and the magnetic structure of the sample surface is clarified from the difference in scattered ion intensity depending on the spin direction of the ions.
  • the dependence of the scattered ion intensity on the incident angle of spin-polarized ions to the sample is measured, and the spin is analyzed by selecting the atomic force and the element in the depth direction from the sample surface.
  • the magnetic structure of the sample surface is clarified from the amount detected by the electrostatic analyzer before and after changing the spin direction of the ions.
  • a sample processing apparatus using a spin-polarized ion beam is generated from a spin-polarized ion beam generator and a spin-polarized ion beam generator.
  • a spin-polarized ion beam line that irradiates the sample with a spin-polarized ion beam; and an ultra-high vacuum chamber that irradiates the sample with a spin-polarized ion beam shaped from the spin-polarized ion beam line.
  • the polar ion beam generator branches the high-frequency discharge tube for generating ions, the laser oscillator, and the laser from the laser oscillator into two, one of which is the circularly polarized first pumping light and the other is the linearly polarized light As the second pumping light
  • a bombing light generator for irradiating the high-frequency discharge tube with a 90 ° irradiation angle difference from each other, and an extraction electrode for extracting polarized ions is provided on the high-frequency discharge tube.
  • the polarized ion beam extraction direction is preferably a direction orthogonal to both the circularly polarized light and the linearly polarized light.
  • the high-frequency discharge tube preferably includes a repeller electrode facing the extraction electrode.
  • the extraction electrode preferably has pores.
  • the bombing light generation unit preferably includes a circular polarization control unit that controls the circular polarization of the first bombing light clockwise or counterclockwise.
  • the laser oscillator preferably outputs a laser beam with the wavelength adjusted so that the polarization rate of the metastable atom which is the basis of the ions obtained from the absorption measurement of the probe laser is maximized.
  • a sample stage is provided that can control the incident angle with respect to spin-polarized ions incident on the sample.
  • the spin-polarized ion beam line preferably includes a lens made of a non-magnetic material provided with a pore portion serving as an exhaust hole.
  • the ions are helium ions, and the wavelengths of the first and second bombing lights are D lines.
  • a spin-polarized ion beam having a polarization ratio of 1.5 times or more compared with the conventional one can be obtained, and measurement with the same accuracy as the conventional one.
  • the measurement time was reduced to less than 2/3.
  • surface spin analysis can be performed by selecting elements and atomic layers in the 2-3 atomic layers on the outermost surface of the sample. This enabled magnetic structure analysis in the depth region of the outermost surface of 2 to 3 atomic layers.
  • spin-polarized ions can be incident on the sample surface, and the energy analysis of the scattered ions can be measured for each spin of the incident ions, that is, the spin-polarized measurement can be performed. It is possible to measure the spin dependence of the incident ion neutralization probability on the sample surface.
  • the sample outermost surface can be processed with the spin-polarized ion beam. Even with the same machining method as before, the machining accuracy based on the spin dependence of the interaction between the ion and the workpiece is increased by 1.5 times or more. That power S.
  • the material can be used for spin control and the like in the device manufacturing apparatus process using spin conduction, which is a modification of the sample. Can be obtained.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a spin-polarized ion beam generator according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a system for evaluating the polarization rate of polarized ions generated in the spin-polarized ion beam generator of FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of a high-frequency discharge tube, in which (A) is a front sectional view, (B) is a left side view, and (C) is a right side view.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing an example of an extraction electrode.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the orifice plate of FIG. 4, where (A) is a front sectional view and (B) is a right side view.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a part of the configuration of the polarized ion beam shaping unit.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of a bombing light wavelength adjustment unit used in a spin-polarized ion beam generator.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a configuration of a spin-polarized ion scattering spectrometer according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a specific configuration of a spin-polarized ion scattering spectrometer according to a second embodiment.
  • FIG. 10 is a front view showing a configuration example of an ultra-high vacuum chamber.
  • FIG. 11 is a top view showing a configuration example of an ultra-high vacuum chamber.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining ion scattering spectroscopy, where (A) is a schematic diagram, and (B) is a diagram showing a spectrum obtained by ion scattering spectroscopy.
  • FIG. 13 Spin-polarized ion scattering spectroscopy Explaining ion scattering spectroscopy, (A) is a schematic diagram, (B) is a diagram showing a spectrum obtained by spin-polarized ion scattering spectroscopy, and (C) is ( FIG. 4 is a diagram showing a difference spectrum of spin-specific spectral spectra obtained in B).
  • FIG. 14 shows a sample processing apparatus using a spin-polarized ion beam according to the third embodiment of the present invention. It is a schematic diagram which shows the structure of a device.
  • FIG. 18 is a configuration diagram showing a geometrical relationship between a shadow cone and an atomic position in a focusing effect corresponding to peaks (1) to (4) in FIG.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating energy levels involved in optical bombardment of metastable helium atom 2.
  • Wiring port F Lead electrode insertion part
  • Second bombing light (linearly polarized light)
  • 36A Polarized ion beam shaping unit: Grand laser prism
  • A Power supply for laser oscillator for probe light
  • 54A, 54B, 54C, 54D, 54E Probe: Beam splitter
  • Helium gas inlet 78 Radio frequency helium ion source
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the spin-polarized ion beam generator 30 according to the first embodiment.
  • the spin-polarized ion beam generator 30 includes a high-frequency discharge tube 31 that has a high-frequency discharge tube 12 and a magnetic field application unit 32 that emits bombing light. Consists of 33 students!
  • a gas composed of atoms that become polarized ions is introduced, plasma is formed by applying a high-frequency power source 19 or the like, and ions in a metastable state are ionized. Further, a magnetic field (see FIG. 1) is applied to the high-frequency discharge tube 12 from the magnetic field application unit 32, and the first and second bombarding beams 34 and 2 are orthogonal to each other from the bonding light generation unit 33. When 35 is incident, the ions in the high-frequency discharge tube 12 become a polarized ion beam, which is emitted in the direction perpendicular to the paper surface (the ⁇ direction).
  • the spin-polarized ions to be generated are not limited to high-frequency discharges, but are generated by irradiating bombing light 34, 35 to the ions generated by the discharge. If possible, the type of ions is not limited.
  • the bombing light generation unit 33 is an irradiation device for performing optical bombing on the high-frequency discharge tube 12, and performs laser bombardment such as an optical fiber laser and a laser oscillator 1, an optical fiber amplifier 2, and an optical fiber unit.
  • a connector 3, a lens 4, a half-wave plate 5, a half mirror 6, a quarter-wave plate 7, a lens 8, a mirror 9, a half-wave plate 10 and a concave mirror 11 are included.
  • the output light from the optical fiber one laser is input to the optical fiber one amplifier 2 via the optical fiber one.
  • This input light is amplified by the optical fiber amplifier 2 and emitted from the optical fiber connector 3 to the space.
  • the emission light is adjusted in advance so as to be linearly polarized light.
  • the direction of polarization of the light emitted into the space is adjusted by using the half-wave plate 5 and the path of the light having about half the intensity is changed by using the noise mirror 6.
  • the light whose direction has been changed is used as the first bombarding light 34 of circularly polarized light (also called sigma light) using the quarter-wave plate 7 and irradiated to the high-frequency discharge tube 12.
  • the first bombing light 34 is adjusted to circularly polarized light by the quarter wave plate 7. Further, the irradiation direction of the circularly polarized first bombing light 34 is adjusted to be parallel to the magnetic field generated by the magnetic field application unit 32. Therefore, the bombing light generator 33 can generate the first bombarded light 34 that is circularly polarized and the second bombarded light 35 that is linearly polarized from the laser oscillator 1. In other words, the bombing light generator 33 functions as an optical polarizer that generates the second bombing light 35 linearly polarized with the first bombing light 34.
  • the half-wave plate 5 and a Glan laser prism may be used for the light emitted into the space.
  • the Dalan laser prism is a polarizing prism using calcite.
  • the magnetic field application unit 32 can be formed of an electromagnet including a coil 13 and a DC power supply 14.
  • the magnetic field generated by the coil 13 is adjusted by the DC power supply 14 so as to be about 1 to 3 Gauss.
  • the magnetic field applied to the high-frequency discharge tube 12 needs to be parallel to the first bombing light 34.
  • the geomagnetic field is about 0.5 gauss, and its orientation is generally non-parallel to the ground with a dip, so a high-frequency discharge tube 12 is applied by applying a magnetic field of about 1 to 3 gauss, which is larger than the geomagnetic field. Can be made parallel to the first bombing light 34.
  • the magnetic field generated by the coil 13 exceeds 3 Gauss, it will affect the trajectory of the spin-polarized ions, which is undesirable.
  • the magnetic field force in the high-frequency discharge tube 12 only needs to be parallel to the first pumping light 34, so a Helmholtz coil or the like can be used to cancel the geomagnetic field!
  • the wavelengths of the first and second pumping beams 34 and 35 are the D line corresponding to the transition of the metastable helium atom 2 to 2 3 P. S can.
  • the line widths of the first and second pumping lights 34 and 35 are 2 GHz or less.
  • the mirror 9 and the concave mirror 11 are adjusted so that the light passing through the half mirror 6 irradiates the high-frequency discharge tube 12.
  • the irradiation direction of the second bombarding light 35 that is linearly polarized light (also called pi ( ⁇ ) light) is adjusted to be perpendicular to the magnetic field generated by the coil 13. Further, the polarization direction is adjusted by the half-wave plate 10 so that the polarization component of the linearly polarized light is parallel to the magnetic field generated by the coil 13.
  • the bombing light generation unit 33 divides one linearly polarized laser beam emitted from the laser oscillator 1 into two, one is circularly polarized light, and the other is linearly polarized light. It has a function of irradiating the high-frequency discharge tube 12 with an angle difference, that is, an orthogonal arrangement.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a system for evaluating the polarization rate of polarized ions generated in the spin-polarized ion beam generator 30.
  • This system can also be used as a spin-polarized ion beam irradiation device 30 that irradiates the sample 27 with polarized ions.
  • the spin-polarized ion beam generator 30 of the present invention irradiates the sample 27 with spin-polarized ions, Processing can be performed.
  • the matching unit 18 can be composed of a transformer, a coil, a capacitor, and the like.
  • the high-frequency electrode 16 may have an electrode configuration such as so-called capacitive coupling.
  • the frequency of the high-frequency power source 19 is not particularly limited, and a force of 56 MHz can be used.
  • the spin-polarized ion beam 28 generated by the spin-polarized ion beam generator 30 is irradiated to the sample 27 via the polarized ion beam shaping unit 36.
  • the polarization ion beam shaping unit 36 converts the polarized ions emitted from the extraction electrode 17 using the repeller electrode 20, lenses 21, 22, 24, deflectors 23, 26, and speed reducer 25.
  • a configuration example for transporting to sample 27 is shown.
  • mounting portion Ya electrostatic analyzer 41 of the sample 27 is evacuated to ultra high vacuum of about 10- 8 Pa by illustrated such has evacuation device.
  • the above evaluation system is surrounded by a Helmholtz coil (not shown), and a defined magnetic field of the order of 100 milligauss is given throughout the system.
  • polarized ions are described as polarized helium ions made of helium.
  • the direction of polarization of helium ions (upward or downward) can be controlled by changing the direction of the quarter-wave plate 7 shown in FIG.
  • the emitted electron intensity due to helium ions with upward and downward spin components is N ⁇ and N
  • the change in the polarization rate of helium ions is obtained.
  • the helium ion polarization rate is evaluated by measuring the spin asymmetry rate.
  • Sample 27 should be magnetic! /
  • the high-frequency discharge tube 15 further includes a lead electrode 17 and a repeller electrode 20.
  • a high frequency electrode 16 is disposed on the outer periphery of the high frequency discharge tube 15.
  • a high frequency power source 19 is connected to the high frequency electrode 16 via a matching unit 18.
  • the high-frequency discharge tube 15 generates helium plasma.
  • the metastable helium atom 2 in the plasma is spin-polarized by optical bombing by the bombing light generator 33 shown in FIG. This polarized helium ion can be generated using the Penning ionization reaction of this polarized metastable helium atom (He *).
  • the high-frequency discharge tubes 12 and 15 are helium discharge tubes, they are appropriately called high-frequency helium discharge tubes.
  • the pening ionization cross-section for penning ionization of S, He * and He * using Peung ionization is smaller than the cross section of Peung ionization of He * and CO gas.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of the high-frequency discharge tube 15, (A) is a front sectional view, (B) is a left side view, and (C) is a right side view.
  • the high-frequency discharge tube 15 includes a main body portion 15A and a flange portion 15B.
  • the main body 15A is made of glass, etc., and is a drawer arranged on the left end side in the Z direction.
  • Electrode 17, repeller electrode 20 disposed on the right end side in the Z direction, He gas inlet 15C disposed vertically above the right end side in the Z direction (Y direction), and the left end in the Z direction He gas exhaust port 15D, wiring port 15E, and lead electrode insertion portion 15F arranged vertically downward (from the Y direction) from the side are configured.
  • the cross-sectional shape of the main body portion 15A in the XY plane is composed of an arc and two straight lines with one end connected to both ends of the arc. The ends are connected to form a predetermined angle.
  • the polarization of light that is incident on and reflected by a medium having a different refractive index is different from the polarization of incident light. That is, even if the first bombing light ( ⁇ light) 34 is completely circularly polarized light, the reflected light from the bottom surface of the high-frequency discharge tube 15 is not completely circularly polarized light.
  • the degree of circular polarization decreases, the polarization rate of the polarized ion beam eventually decreases.
  • the cross section of the high-frequency discharge tube 15 is designed so that the first bombing light ( ⁇ light) 34 reflected from the bottom surface of the high-frequency discharge tube 15 does not re-enter the plasma. It has a structure consisting of two straight lines connected at one end. Of course, any structure can be used as long as the first bombing light ( ⁇ light) 34 does not lose the degree of polarization.
  • the extraction electrode 17 is an electrode having a substantially conical surface shape.
  • the bottom surface is opposed to the flange portion 15B shown in FIG. 3C, and the opening on the apex side of the conical surface is narrow.
  • An electrode 17 having a hole is formed.
  • the repeller electrode 20 is an electrode made of a metal wire disposed along the central axis in the vertical direction of the high-frequency helium discharge tube 15, and a W line or the like is used.
  • the flange portion 15B is connected to the polarized ion beam shaping portion 36. Further, a port 15E for introducing a wiring for applying a potential to the extraction electrode 17 into the vacuum is connected vertically upward from the upper end side of the flange.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing an example of the extraction electrode 17.
  • the extraction electrode 17 is inserted into the extraction electrode insertion portion 15F of the high-frequency discharge tube 15.
  • the extraction electrode 17 includes an orifice plate holding portion 17A having a conical surface shape, an orifice plate 17 ⁇ inserted into the top opening of the orifice plate holding portion 17A, a cylindrical portion 17C connected to the left end of the orifice plate holding portion 17 ⁇ , The flange part 17D connected to the left end of the cylindrical part 17C and the force are also configured.
  • the orifice plate holding portion 17A, the cylindrical portion 17C, and the flange portion 17D are made of a metal having a strength such as stainless steel.
  • the orifice plate holding portion 17A and the orifice plate 17B are integrally connected by welding and screwing so that no electrical resistance is generated.
  • the orifice plate 17B is screwed into the orifice plate holding portion 17A so that screws are provided at predetermined positions on the inner surface of the opening of the orifice plate holding portion 17A and the outer peripheral portion of the orifice plate 17B. It has been.
  • the flange portion 17D is connected to the flange portion 15B of the high-frequency discharge tube 15.
  • the lead electrode insertion portion 15F a portion corresponding to the leading end of the lead electrode 17 is opened.
  • the repeller electrode 20 is 1.44 keV
  • FIG. 5 shows an example of the orifice plate 17B of FIG. 4, (A) is a front sectional view, and (B) is a right side view.
  • the orifice plate 17B includes a cylindrical portion 17Ba and an orifice plate portion 17Bb provided at the right end of the cylindrical portion 17C.
  • a screw portion 17Bc is provided at a predetermined position on the left side of the cylindrical portion 17Ba.
  • a pore (orifice) having a diameter d and a length L is provided at the center of the orifice plate portion 17Bb.
  • the pore faces the main body 15A of the high-frequency discharge tube.
  • the material of the orifice plate 17B is, for example, molybdenum.
  • the pore size is, for example, a diameter of 0.5 mm and a length L on the central axis of 0.8 mm.
  • the diameter of the pore is preferably 0.3 to 1 mm.
  • the pore diameter is 0.3 mm or less, the amount of generated polarized ions is reduced. If the diameter of the pore is 1 mm or more, a large amount flows into the helium gas polarized ion beam shaping unit 36 inside the high-frequency discharge tube 15, which is not preferable. For the same reason, the length of the pore is preferably 0.3 to 2 mm.
  • the high-frequency discharge tube 15 having the above configuration, even if the helium gas pressure inside the high-frequency discharge tube 15 is high, the high-frequency discharge tube 15 has a pore formed in the extraction electrode 17 so The conductance between each line can be reduced, and the flow of helium gas into the polarized ion beam shaping unit 36 can be effectively suppressed.
  • polarized helium ions are effectively transported to the polarized ion beam shaping unit 36 by applying a positive voltage to the repeller electrode 20, for example, a voltage of about 50 V to 300 V to the extraction electrode 17.
  • a positive voltage to the repeller electrode 20, for example, a voltage of about 50 V to 300 V to the extraction electrode 17.
  • the extraction amount of polarized helium ions to the polarized ion beam shaping unit 36 can be increased.
  • the polarized ion beam current that reaches the sample 27 greatly depends on the vacuum in the polarized ion beam shaping unit 36.
  • the main component of the residual gas in the polarized ion beam shaping unit 36 is helium gas flowing from the polarized ion beam generator 30.
  • the structure of the polarized ion beam shaping unit 36 for preventing the inflow of helium gas will be described.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a part 36A of the configuration of the polarized ion beam shaping unit.
  • the horizontal left side is the incident side of the polarized ions connected to the spin polarized ion beam generator 30, and the horizontal right side is the emission side.
  • condenser lenses 21a, 21b, and 21c and focusing lenses 22a, 22b, and 22c are arranged in this order from the incident side.
  • the lenses 21 and 22 are arranged inside a vacuum chamber, and the arranged areas are evacuated to a vacuum. Note that the flange 39 is not shown! /, And is connected to the vacuum pump 39A! /.
  • all the lenses 21 and 22 have a plurality of pores on the outer periphery thereof. Each pore has a diameter of about lmm.
  • the Einzel lens 24 in the polarized ion beam shaping unit 36A also has a pore.
  • the condenser lens 21 and the focusing lens 22 are electrostatic lenses.
  • the condenser lens 21, the focusing lens 22, the unillustrated Einzel lens 24, and the deflectors 23 and 26 in the polarized ion beam shaping unit 36A are all made of a non-magnetic material. Made of copper
  • the wavelength of irradiation light of optical bombing corresponds to the transition of metastable helium atom 2 3 S to 2 3 P
  • the output light from one (D line) is input to the optical fiber one amplifier 2 via the optical fiber one.
  • the input light is amplified by the optical fiber amplifier 2 and emitted from the optical fiber connector 3 into the space. Further, using a bombing light generation unit 33 installed in an optical fiber laser, the emission light is adjusted in advance so as to be linearly polarized light. In order to make the emitted light linearly polarized light, a Glan laser prism may be used.
  • the direction of polarization of the light emitted into the space is adjusted using the half-wave plate 5, and the path of the light having about half the intensity is changed using the half mirror 6.
  • the light whose path has been changed is then made circularly polarized light using the quarter-wave plate 7 and irradiated to the discharged high-frequency helium discharge tubes 12 and 15.
  • the direction of irradiation of this circularly polarized light is adjusted to be parallel to the magnetic field generated by the coil 13.
  • the DC power supply 14 is adjusted so that the magnetic field generated by the coil 13 is about 1 gauss, while the mirror 9 and the concave mirror 11 so that the light passing through the half mirror 6 irradiates the high frequency helium discharge tubes 12 and 15. Adjust.
  • the irradiation direction of this linearly polarized light is adjusted to be perpendicular to the magnetic field generated by the coil 13.
  • the polarization direction is adjusted by the half-wave plate 10 so that the polarization component of the linearly polarized light is parallel to the magnetic field generated by the coil 13.
  • a spin-polarized ion beam having a high spin polarization rate can be generated.
  • the spin-polarized ions are not limited to spin-polarized helium ions, and can use all ions that can be electron spin-polarized (for example, Cd + , Sr + , Zn + , Ba + ).
  • the ions are helium ions (He + )
  • the force S can be obtained by using the first and second bombing lights 34 and 35 as D-rays.
  • the pressure in the high-frequency helium discharge tube 15 is increased. Can be in the pressure range of 15-50 Pa. As a result, spin-polarized helium ions with a high spin polarization of about 25% can be generated.
  • the force S is used to generate polarized helium with high spin polarization.
  • an ion beam having a high spin polarization rate is applied to the sample 27 by modifying the sample 27 and analyzing the surface of the sample 27 using the spin-polarized ion beam generator 30 of the present invention. Since irradiation can be performed, processing time and measurement time can be shortened, throughput is improved, processing accuracy is improved, and contamination of the surface of the sample 27 (contamination) can be effectively prevented.
  • the wavelength of the optical bombing used in the spin-polarized ion beam generator 30 according to the first embodiment is D-line, and the wavelength is 1082/909 nm. On the other hand, close to D line
  • D spring and D spring are 1083. 025 nm and 1083. 034 nm, respectively.
  • the frequency difference with D line is 30GHz, and the frequency difference between D line and D line is 2.3GHz (
  • the wavelength of the laser oscillator 1 that generates the first and second bombing beams 34 and 35 is accurately adjusted to the D line.
  • the wavelength of the laser oscillator 1 used in the spin polarized ion beam generator 30 is adjusted to the D line.
  • the bombing light wavelength adjusting unit to be adjusted will be described.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of the bombing light wavelength adjusting unit 50 used in the spin-polarized ion beam generator 30.
  • 7 is a bombing light wavelength adjusting unit 50 added to the region force spin-polarized ion beam generator 30 surrounded by a dotted line in FIG.
  • the bombing light wavelength adjustment unit 50 includes a probe light oscillation unit 51 whose wavelength is adjusted to an accurate D-line, and a transmitted light measurement unit.
  • the probe light oscillating unit 51 includes a probe light laser oscillator 53, a probe light laser power source 53A, a beam splitter 55, a half mirror 56, a slit 57, a first mirror 58, and a second light source. , And a probe helium discharge tube 60 inserted between the first and second mirrors 58 and 59.
  • the probe laser beam 54 emitted from the probe beam laser oscillator 53 is bent in the optical path vertically downward by the beam splitter 55, and the optical path is bent in the horizontal left direction by the half mirror 56, and passes through the slit 57. Then, the light passes through the probe helium discharge tube 60 via the first mirror 58, is reflected by the second mirror 59, passes again through the nozzle mirror 56, passes through the beam splitter 55, and passes through the beam splitter 55. Incident on 61. An optical path 54A from the second mirror 59 to the light detector 61 is indicated by a dotted line in FIG.
  • the probe laser beam 54B that has passed through the half mirror 56 vertically below the paper surface is reflected by the second mirror 59, then passes through the probe helium discharge tube 60, and is reflected by the first mirror 58. Do not pass through slit 57!
  • the two probe laser beams 54A and 54B intersect each other, and one probe laser beam 54A is the photodetector. 61, the absorption in the probe helium discharge tube 60 is measured, and so-called saturated absorption spectroscopy is performed. Since the two probe laser beams 54A and 54B intersect each other! /, The force S eliminates the influence of the Doppler effect in the absorption measurement.
  • the output from the photodetector 61 is input to the lock-in amplifier 62.
  • the laser light source for probe light 53A force S is feedback controlled by the output of the lock-in amplifier 62, so that the wavelength of the probe light laser oscillator 53 is adjusted to an accurate D line. Professional
  • the laser oscillator 53 for laser light it is possible to use a laser diode whose wavelength can be controlled by current. Such wavelength control stabilizes the wavelength of the probe light to 5 MHz or less.
  • the transmitted light measurement unit 52 includes an attenuator 63, a third mirror 64, a quarter-wave plate 65, a fourth mirror 66, a lens 67, a slit 68, and a transmitted light detector 69.
  • the probe light 54 having the D line emitted from the probe light oscillation unit 51 is a beam splitter.
  • the intensity of the probe light after passing through the attenuator 63 is usually about lmW or less.
  • the circularly polarized probe light 54D is incident on the high-frequency discharge tube 15 so as to be parallel to the direction of the magnetic field B. Therefore, the traveling direction of the circularly polarized probe light 54D is the same as the traveling direction of the first bombing light 34.
  • the probe light 54E emitted from the high-frequency discharge tube 15 passes through the fourth mirror 66, the lens 67, and the slit 68, and then enters the transmitted light detector 69.
  • the probe light 54 is incident so that the entire optical path in the high-frequency discharge tube 15 overlaps with the pump light.
  • the high-frequency discharge tube 15 The light intensity measured by the power meter during discharge is controlled to 10% or less of the pump light.
  • the intensity of the probe light 54E that has passed through the helium plasma in the high-frequency discharge tube 15 is measured by a transmitted light detector 69 such as a parameter meter.
  • the transmission intensity of probe light 54E is I
  • the incident probe light intensity 54C is metastable helium atom (He *)
  • Transmission intensity I (rhcp) by (rhcp) and transmission intensity I (lhcp) by counterclockwise circularly polarized light (lhcp) are expressed by the following equations (3) and (4).
  • rhcp and lhcp indicate clockwise and counterclockwise circularly polarized light, respectively
  • ⁇ is a light absorption cutoff area
  • L is a propagation length of the probe light in the plasma.
  • n -n is maximized when the absorption of the circularly polarized probe light 54D is maximized or minimized from the above equations (3) and (4).
  • the maximum or minimum of this absorption depends on whether the He * spin is upward or downward. Therefore, it is only necessary to adjust the quarter-wave plate 65 to produce left-handed or right-handed circularly polarized light. That is, by adjusting the quarter-wave plate 65, the direction of He * spin can be adjusted to either upward or downward.
  • the pumping light wavelength adjusting unit 50 can accurately adjust the wavelengths of the first and second pumping lights 34 and 35 to the D-line by the following procedure.
  • the first bombing light 34 is incident on the He plasma in the high-frequency discharge tube 15, the absorption is measured with a power meter, the wavelength of the first bombing light 34 is scanned, and the D-line, D-line,
  • the wavelength of the first bombing light 34 is roughly 1
  • Coarse adjustment is performed to obtain 083 nm D line. At this time, the probe light oscillator 51 is stopped.
  • the absorption of the first bombing light 34 can be detected by the fourth mirror 66, the lens 67, the slit 68, and the transmitted light detector 69 of the transmitted light measurement unit 52.
  • a power meter can be used as the transmitted light detector 69.
  • the probe light 54 is incident on the high-frequency discharge tube 15 through the transmitted light measurement unit 52, and the output of the transmitted light detector 69, that is, the bonding light 34, so that the absorption of the probe light 54E is maximized or minimized.
  • the wavelength of the laser oscillator 1 that generates 35 may be adjusted.
  • the bombing light wavelength adjusting unit 50 measures the transmission intensity due to either clockwise or counterclockwise polarized light with the power meter 69, which is the maximum or Therefore, the wavelength can be easily adjusted.
  • the bombing light wavelength adjusting unit 50 can further generate a spin-polarized ion beam in a short time.
  • the processing time and the measurement time are further reduced. It can be shortened, throughput is improved, processing accuracy is improved, and contamination of the surface of the sample 27 (contamination) can be effectively prevented.
  • the laser oscillator can output the laser light when the wavelength is adjusted so that the polarization rate of the metastable atom that is the basis of the ions obtained from the absorption measurement of the probe laser is maximized.
  • the wavelength of the bombing light can be adjusted accurately.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a configuration of a spin-polarized ion scattering spectrometer 70 according to the second embodiment.
  • the spin-polarized ion scattering spectrometer 70 shown in FIG. 8 includes a spin-polarized ion beam generating unit 71 that generates spin-polarized ions, and a spin-polarized ion beam generating unit 71 that produces the desired energy.
  • the measuring unit 75 that measures ions, and power.
  • the measurement unit 75 includes an electrostatic analyzer 81, an electrostatic analyzer power supply 81A, a computer 82 for processing the detection signal of the electrostatic analyzer 81, etc. It is composed of The computer 82 is outside the ultra-high vacuum chamber 74, and a personal computer or the like can be used.
  • the spin-polarized ion beam generating unit 71 irradiates the high-frequency helium ion source 78 into which helium gas is introduced from the helium gas introduction port 77 with the light bombardment irradiation beam 76, and generates the lithium ions to the spin polarization. I have to.
  • the generated spin-polarized helium ions are transmitted to the sample 73 installed in the ultrahigh vacuum chamber 74 by using a polarized helium ion beam line 72 having differential exhaust ports 79 and 80. Incident with energy.
  • the energy of the ions causes spin-polarized helium ions to spin-polarize. It is controlled by the electric field used when extracting from the polar ion beam generator 71 to the spin-polarized ion beam line 72.
  • the incident angle of incident ions on the sample surface is controlled by rotating the sample 73 in a direction perpendicular to the incident ion beam. Some of the incident ions are scattered without being neutralized on the sample surface, and these scattered ions are detected by the electrostatic analyzer 81 in the measurement unit 75. The detection signal is processed by the computer 82.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a specific configuration of a spin-polarized ion scattering spectrometer 70 according to the second embodiment.
  • the spin-polarized ion beam generator 71 can use the polarized ion beam generator 30 described in the first embodiment of the present invention and its modifications.
  • the spin-polarized ion beam generator 71 shown in the drawing is different from the polarized ion beam generator 30 shown in FIG. 1 in that a dull laser beam prism 38 is inserted between the lens 4 and the mirror 9A.
  • the combination of the half-wave plate 5 and the Glan laser prism 38 can be linearly polarized light in which the polarization direction of the emitted light from the laser oscillator 1 is controlled.
  • the second difference is that a circular polarization controller 84 for the first bombing light 34 incident on the high-frequency discharge tube 15 is provided!
  • the circularly polarized light control unit 84 includes a motor 84A for controlling the quarter-wave plate 7 and a motor drive unit 84B.
  • the motor drive unit 84B is controlled by the computer 82, and can control the circularly polarized light of the first pumping light 34 either clockwise or counterclockwise. Furthermore, a bombing light wave for accurately adjusting the first and second bombing lights 34 and 35 to the D line.
  • the spin-polarized ion beam line 72 is configured by disposing the Weinzel lenses 24 and 24, the deflectors 23 and 23, the Weinzel lenses 24 and 25, and the deflectors 23 and 23 in this order.
  • the analysis chamber 1 including the ultra-high vacuum chamber 74 is provided with a sample stage (not shown) for controlling the position of the sample 73.
  • the position of the sample stage is controlled by a manipulator 97 provided outside the ultrahigh vacuum chamber 74, and the incident angle of spin-polarized helium ions to the sample 73 is controlled.
  • a sample magnetizing portion 85 for applying a magnetic field to the sample 73 may be provided.
  • the sample magnetizing unit 85 includes a sample magnetizing coil 86, a DC power source 87, a capacitor 88, and a switch 89.
  • the switch 89 is connected to the DC power supply 87 side, and the capacitor 88 is charged.
  • a pulsed current flows through the sample magnetization coil 86 and a sample magnetic field is generated from the sample magnetization coil 86.
  • the magnetization direction of the sample 73 can be changed by this magnetic field.
  • Capacitor 88 is an electrolytic capacitor, whose capacity is 330? The withstand voltage is 500V, and the voltage of the DC power supply 87 is 360V.
  • FIGS. 10 and 11 are configuration examples of the ultrahigh vacuum chamber 74, which are a front view and a top view, respectively.
  • the ultra-high vacuum chamber 74 is mounted on a pedestal 90 and includes a vacuum exhaust unit 91 made of a turbo molecular pump or the like, and includes a port 93 to which the spin-polarized beam line 72 of the present invention is connected, not shown.
  • the electrostatic analyzer 81 is disposed inside the ultrahigh vacuum chamber 74.
  • This ultra-high vacuum chamber 74 is a port to which an analytical instrument such as RHEED96 can be connected in addition to the port 95 to which the Stem-Gerlach analyzer 94 for measuring the polarization rate of metastable helium atoms, which will be described later, is connected. 97 is further provided.
  • a metastable helium atom generator (not shown) is attached at a position facing the Stern-Gerlach analyzer 94 in the ultrahigh vacuum chamber 74.
  • a manipulator 98 for controlling the position of the sample stage is arranged on the upper part of the ultra-high vacuum chamber 74, and the sample 73 enters the ultra-high vacuum chamber 74 without breaking the ultra-high vacuum from the sample loading part (load lock) 99. I can enter.
  • ISS conventional ion scattering spectroscopy
  • FIGS. 12A and 12B are diagrams for explaining ion scattering spectroscopy.
  • FIG. 12A is a schematic diagram
  • FIG. 12B shows a spectrum obtained by ion scattering spectroscopy.
  • helium ions having a kinetic energy of about 1 to 10 keV when incident on the sample 73, most of the helium ions are neutralized in the interaction with the substrate surface. It becomes a ground state helium atom.
  • the intensity of the scattered ions that have been neutralized is analyzed as a function of their kinetic energy with an electrostatic analyzer 81 or the like, so that the number of atoms present in the surface of the sample 73 or several molecular layers can be reduced.
  • Composition I can power the analysis.
  • Non-Patent Document 1 (See Non-Patent Document 1 1).
  • E and E are incident energy and scattering energy
  • M and M are incident ions and target
  • the spin-polarized ion scattering spectrometer 70 irradiates a sample 73 with a polarized ion beam and performs spin-polarized ion scattering spectroscopy (hereinafter referred to as SP-ISS). be able to.
  • SP-ISS spin-polarized ion scattering spectroscopy
  • FIG. 13 is a diagram for explaining spin-polarized ion scattering spectroscopy.
  • A is a schematic diagram
  • B is a diagram showing a spectrum obtained by spin-polarized ion scattering spectroscopy
  • C is ( The difference spectrum obtained from the spectrum of B) is shown.
  • FIG. 13 (C) is a difference spectrum calculated from the spectrum obtained in FIG. 13 (B).
  • the force S which will be described later, is also used to determine whether the detected element has a positive or negative spin. be able to.
  • the elements and spins of each atomic layer at a depth of several atomic layers from the outermost surface of the sample 73 are measured. State analysis can be performed.
  • the above-mentioned spin-polarized ion scattering spectrum is obtained by analyzing the spin-polarized ion scattering spectrum.
  • the force S obtained from the detection value of the electrostatic analyzer 81 of the turbulence spectrometer 70 by the analysis using the computer 82 can be obtained.
  • the analysis procedure is as follows.
  • the spin-polarized ion scattering spectroscopy can be performed because the neutralization probability of the incident ion species on the sample surface depends on the magnetic structure of the surface.
  • the incident ion species are not limited to helium ions, but all ions (eg Cd + , Sr + , Zn + , Ba + ) and atoms (eg Li , Na, K, Rb, and Cs (see Non-Patent Documents 9 and 10)).
  • spin-polarized ion scattering spectrometer of the present invention surface spin analysis can be performed by selecting elements and atomic layers in the 2-3 atomic layers on the outermost surface of the sample. Therefore, it is possible to analyze the magnetic structure in the depth region of about 2 to 3 atomic layers on the outermost surface.
  • spin-polarized ions can be incident on the sample surface, and the energy analysis of scattered ions can be measured separately for the spin of the incident ions, that is, spin-polarization can be measured. Can be measured.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing a configuration of a sample processing apparatus 100 using a spin-polarized ion beam according to the third embodiment.
  • the sample processing apparatus 100 using the spin-polarized ion beam includes a spin-polarized ion beam using the polarized ion beam generator 30 described in the first embodiment.
  • the spin-polarized ion beam generator 71, the spin-polarized ion beam line 72, and the ultrahigh vacuum chamber 103 can have the same configuration as that of the spin-polarized ion scattering spectrometer 70.
  • the spin-polarized ions generated from the spin-polarized ion beam generator 71 are transported to the spin-polarized ion beam line 72 by an electric field or the like.
  • the spin-polarized ion beam line 72 performs beam shaping and beam manipulation such as narrowing the beam, expanding the beam diameter, and scanning according to the processing purpose of the sample.
  • the ion beam current largely depends on the degree of vacuum of the spin-polarized ion beam line 72, sufficient evacuation is performed.
  • a polarized ion beam having a desired shape is irradiated onto the sample 101 which is a workpiece, and surface modification, ion implantation, surface processing, and the like are performed.
  • the workpiece 101 is normally held in a vacuum. In particular, when the surface has high reactivity, the workpiece 101 is held in an ultra-high vacuum.
  • Ultra high vacuum chamber 103 may be provided with various analyzers such as electrostatic analyzer 81 in the same manner as spin-polarized ion scattering spectrometer 70 in order to measure the beam intensity of spin-polarized ions. .
  • a novel sample processing apparatus capable of processing the outermost surface of the sample 101 with the spin-polarized ion beam can be provided. Even if the same processing method as before is used, the processing accuracy based on the spin dependence of the interaction between ions and the workpiece can be increased to 1.5 times or more.
  • the modification of the sample can be used for spin control in the device manufacturing apparatus process utilizing spin conduction, and the ability to obtain more advanced materials. it can.
  • the spin-polarized ion beam generator 30 of Example 1 uses the high-frequency helium discharge tube 15 and the polarized ion beam shaping unit 36 shown in FIGS.
  • High frequency helium discharge tube 15 The main body 15A and the lead-out electrode insertion 15F are made of glass made of Nyrex (registered trademark), the flange 15B, the He gas inlet 15C, the He gas outlet 15D, and the wiring port 15E are made of stainless steel flanges Nya tube material was used.
  • the Pyrex (registered trademark) glass of the main body part 15A and the above-mentioned stainless steel flange tube were joined using Kovar.
  • the diameter d of the pores of the orifice plate 17B in the extraction electrode 17 was 0.5 mm, and the length L was 0.8 mm.
  • the distance between the extraction electrode 17 and the repeller electrode 20 was 50 mm.
  • the voltages applied to the extraction electrode 17 and the repeller electrode 20 were 1.26 kV and 1.44 kV, respectively.
  • a high frequency power source 19 with 13, 56 MHz and an output of 500 W was used. However, it was normally used at 5W or less.
  • Optical fiber One laser wavelength of about 1083nm (D-line) output light, optical fiber
  • optical fiber amplifier 2 0 Input to optical fiber amplifier 2 via one. This input light was amplified by the optical fiber amplifier 2 and emitted from the optical fiber connector 3 into the space. The optical fiber amplifier 1 was adjusted so that the output was 3W.
  • the emission light was adjusted in advance so as to be linearly polarized.
  • the polarization direction of the emitted light could be adjusted to linearly polarized light even if the emitted light from the optical fiber laser was optically arranged by a combination of a Glan laser prism and a half-wave plate.
  • the direction of polarization of the light emitted into the space was adjusted using the half-wave plate 5, and the path of the light having about half the intensity was changed using the half mirror 6.
  • the light whose direction was changed was converted into circularly polarized light (high light) using the quarter wave plate 7 and irradiated to the high frequency helium discharge tube 12.
  • the direction of irradiation of this circularly polarized light was adjusted to be parallel to the magnetic field created by the coil 13.
  • the DC power supply 14 was adjusted so that the magnetic field force generated by the coil 13 was about Gauss.
  • the mirror 9 and the concave mirror 11 were adjusted so that the light passing through the half mirror 6 irradiates the discharge tube 12.
  • the irradiation direction of this linearly polarized light ( ⁇ light) was adjusted to be perpendicular to the magnetic field generated by the coil 13.
  • the polarization direction was adjusted by the half-wave plate 10 so that the polarization component of the linearly polarized light ( ⁇ light) was parallel to the magnetic field generated by the coil 13.
  • Wavelength of light irradiated by light bombing Adjusted to the D line corresponding to the transition of the metastable helium atom 2 3 S to 2 3 P.
  • helium plasma was generated using a high frequency power source 16-16;
  • the metastable helium atom 2 in this plasma was spin-polarized by the optical pumping shown in Fig. 1.
  • Polarized helium ions were generated using the Peung ionization reaction of this polarized metastable helium atom.
  • the polarized helium ions were transported to the 0 / Fe / MgO magnetic substrate 27 using the repeller electrode 20, the extraction electrode 17, the lenses 21, 22, 24, the deflectors 23, 26, and the speed reducer 25.
  • the 0 / Fe / MgO magnetic substrate 27 was obtained by the following production method.
  • a body-centered cubic Fe single crystal thin film of about 50 nm is grown on a MgO (OOl) single crystal substrate at room temperature, and this is heated in a vacuum at about 600 ° C. for 10 minutes. After being exposed to the oxygen atmosphere, the substrate was heated at about 500 ° C. for 10 minutes in a vacuum and then magnetized in the vacuum.
  • the absolute value of the polarized ion was determined by calculating the polarization rate of the metastable helium atom in advance using a Stern-Gerlach analyzer.
  • the emission electron spectrum of metastable helium atoms spin-polarized metastable atom deexcitation spectroscopy
  • the emission electron spectrum of polarized ions on the same surface in spin-polarized ions
  • the ratio was obtained by comparing with the characterization spectrum.
  • the polarization ratio of helium ions when the helium pressure is 2 OPa was previously determined to be 16.6% (for details, see Non-Patent Document 12).
  • FIG. 15 is a graph showing the change in the polarization rate with the change in the helium pressure as a result of Example 1.
  • the horizontal axis in FIG. 15 is the helium gas pressure (Pa) in the discharge tube, and the vertical axis is the helium ion polarization rate (%).
  • the power of the high frequency power supply 18 was adjusted to 1 W and measured. Plotting power when helium pressure is 15 Pa Plotted on the assumption that it is equal to the above-obtained polarizing power of 16.6% at 20 Pa. In the figure, conventional data is also shown for comparison.
  • the spin asymmetry was obtained by measuring electrons with kinetic energy of 7.7 eV force and 9.4 eV.
  • Optical bombing according to the prior art was performed by tilting the mirror 9 in FIG. 1 so that linearly polarized irradiation light did not irradiate the high-frequency helium discharge tube 15 and adjusting the irradiation light wavelength to the D-line.
  • FIG. 15 shows that the maximum value of polarization according to Example 1 is 1.5 times or more that of the prior art.
  • the helium ion polarization rate (see black square (country) in FIG. 15) is about 17.5% when the helium pressure is 15 Pa. It was found that the helium ion polarization rate was as high as 20-25% at a pressure of 15 Pa or more to about 50 Pa, exceeding the value (see the white circle ( ⁇ ) in Fig. 15).
  • the upper limit of helium pressure is preferably about 50 Pa or less. This is because when the helium pressure is 50 Pa or more, the flow into the polarized ion beam shaping unit 36 increases.
  • a spin-polarized ion beam generator 30 of Example 2 in which the bombing light wavelength adjusting unit 50 shown in FIG. 7 is added to the spin-polarized ion beam generator 30 of Example 1 will be described.
  • the laser oscillator 53 for probe light is a laser diode (SDL, Inc., SDL 60 72) was used.
  • the photodetector 61 for absorption spectroscopy used a photodiode.
  • the signal of the photodiode 61 was amplified by a lock-in amplifier 62, and feedback control was performed on the laser diode power source (SDL-803, manufactured by SDL, Inc.) based on this output.
  • the time required for the wavelength control of the first and second bombing lights 34 and 35 was reduced to about 1/10 or less by using the pumping light wavelength adjusting unit 50.
  • Sample 73 was analyzed using the spin-polarized ion scattering spectrometer 70 described with reference to Figs.
  • the spin-polarized ion beam generator 71 has the same configuration as the spin-polarized ion beam generator 30 of the first embodiment.
  • Sample 73 was measured by the procedures (i) to (e) above. Parallel and antiparallel measurements were made 100 times each.
  • Figure 16 shows (A) the ion scattering spectroscopy (ISS) spatter and (B) the spin-polarized ion scattering (SP—ISS) spectrum on the iron (100) surface on which oxygen is adsorbed. It is a figure which shows a spin asymmetric rate.
  • ISS ion scattering spectroscopy
  • SP—ISS spin-polarized ion scattering
  • Sample 73 is manufactured by first growing a body-centered cubic Fe single crystal thin film of about 50 nm on an MgO (001) single crystal substrate at room temperature, and then heating it at about 600 ° C. for 10 minutes in a vacuum. It was manufactured by the process. Prior to the measurement, this sample 73 was subjected to Norus magnetization in the direction of easy magnetization of Fe [100], and the measurement was performed under residual magnetization.
  • the kinetic energy of the incident helium ion was 1.7 keV
  • the incident angle the angle between the surface normal direction and the beam
  • the scattering angle was 145 degrees.
  • FIG. 16A shows that the horizontal axis represents kinetic energy (eV), and the vertical axis represents ion scattering intensity (X 10 5 force units).
  • FIG. 16 (A) shows that the surface of the sample 73 is composed of two elements of iron and oxygen. These peak positions coincided with the energy calculated from the classical two-body collision between the incident ion and the target atom (shown in broken lines in Fig. 16 (A)).
  • the scattering intensity of spin-polarized helium ions parallel to the magnetization direction is N ⁇ , antiparallel.
  • FIG. 17 is a graph showing the incident angle dependence of spin-polarized ion scattering spectroscopy on the iron (100) surface, and a diagram showing the spin asymmetry rate with respect to a specific incident angle.
  • the horizontal axis in Fig. 17 is the incident angle ⁇ (degrees)
  • the left vertical axis is the ion scattering intensity (X 10 3 counts)
  • the right vertical axis is the spin asymmetry rate ( ⁇ 10_ 2 ).
  • the spectrum in Fig. 17 shows the angle-dependent component of incident ion neutralization, which depends on the velocity component in the surface normal direction.
  • the incident angle was scanned in the direction of Fe [100] and the scattering angle was 145 degrees.
  • the incident angle-resolved spectrum (background subtracted in Fig. 17) is the background calculated from the angle dependence of neutralization from the raw data obtained from the measurement (AR SP-ISS raw data in Fig. 17). It was obtained by removing the curve (background in Fig. 17) (see Non-Patent Document 13 for the angle dependence in this neutralization).
  • FIG. 18 is a configuration diagram showing a geometric relationship between the shadow cone and the atomic position in the focusing effect corresponding to the peaks (1) to (4) in FIG.
  • the scattering intensity from iron on the clean surface of iron as a function of the incident angle shows that peaks (1), (2), (3), (4 ) Are due to the focusing effect on the iron atoms located in the first layer (surface outermost layer), the second layer, the third layer, and the third layer, respectively.
  • the spin asymmetry corresponding to the incident angles of the peaks (1) and (4) correspond to the iron atoms in the first layer and the first to third layers, respectively, and have the same spin arrangement. I understand that.
  • the spin direction detected by the spin-polarized ion scattering spectroscopy described above mainly reflects the spin polarity of the occupation order near the Fermi level on the surface of the sample 73. From the above examples, it was found that according to the SP-ISS of the present invention, as shown in Table 1, the magnetic structure in several atomic layers on the surface of the sample 73 can be analyzed by spin-polarized helium ions.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention. Absent.
  • the configuration of the spin-polarized ion beam generator 30 and the spin-polarized ion beam line 72 and each component used can be changed as appropriate according to the acceleration voltage and current of the polarized helium ion.
  • the modification of the sample 101 is performed in the device manufacturing process using spin conduction. It can be used for control and the like. Therefore, it is expected that more advanced functional materials can be created.

Abstract

　スピン偏極イオンビーム発生装置（３０）は、高周波放電管（１５）内のイオンへポンピング光発生部（３３）により準安定原子に対して円偏光と直線偏光とを互いに直角の照射方向から光ポンピング（３３，３４）を照射することで効率良くスピン偏極イオンを発生することができ、例えば、スピン偏極率が１８％を超え２５％に達する高い偏極率をもった偏極ヘリウムイオンビームを発生させることができる。スピン偏極イオンビーム発生装置（３０）は、試料へ偏極したイオンビームを照射することができる加工装置や分析装置にも適用することができる。スピン偏極イオン散乱分光装置によれば、試料の表面２～３原子層程度の深さ領域において、元素と原子層とを同時選別したスピン状態を、測定時間を短縮して従来にはない高精度の測定が可能になる。

Description

明 細 書
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 た散乱分光装置並びに試料加工装置
技術分野
[0001] 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。
[0002] 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。
[0003] 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 Iとすれば、偏極 率は（n† -n | ) / (n† + η | )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 †
Μ
(ここで、 Μ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 †と表わす。本発明においては、「偏極」はスピンに
He +
よる偏極、つまり、スピン偏極を意味している。
[0004] D線、 D線、 D線、 23Sなどの記号：
0 1 2 1
準安定ヘリウム原子 2 の光ボンビ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。光ボンビングによる準安定ヘリウム原子 2 のスピン偏極では、 23S と 23Pの間の遷移を使う。この 23P準位はスピン 軌道相互作用により微細構造を持 ち、 2 力、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線、 D線
1 0 1
、 D線と呼んでいる。本文中で使用する D線、 D線、 D線の記号は、特に断りのな
2 0 1 2
い限り、この準安定ヘリウム原子 2 の 23Pへの遷移を示すこととする。
背景技術
[0005] 非特許文献 1には、光ボンビングされた準安定ヘリウム原子（He* (2 ）のぺニン 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。
ぺユ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一は電子で 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*)が光ボンビ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。
[0006] 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。
[0007] 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 の 23Pへの 遷移に対応する D線の波長を持つ円偏光を用いた光ボンビングにより、ヘリウムィォ 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ボンビング光により準安 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。
[0008] 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。
[0009] 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!/、ては、偏極イオンビー ムの偏極率が低レ、ことで、加工精度に限界が生じて!/、た。
[0010] 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力 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。
[0011] 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。
[0012] 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力 試料表面 '界面のスピン解析はできな力、つた。
[0013] 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。
[0014] 非特許文献 1： Physical Review Letters 22 (1969) 629，し D. Schearer
非特許文献 2 : Review of Scientific Instruments 70 (1999) 240， Bixler
非特許文献 3 : Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A334 (1994) 3
15 - 318， S. Essabaa et al.
非特許文献 4 : Physical Review A, Vol.42, N0.7(l OCTOBER, 1990) 4028-4031，し D. Schearer et al.
非特許文献 5 : Physical Review 50 (1951) 912， C. G. Shull
非特許文献 6 :日本物理学会誌 55 (2000) 20、今田真
非特許文献 7 : Journal of Physics: Condensed Matter 10 (1998) 95， P. D. Johnson 非特許文献 8 : Physical Review Letters 52 (1984) 380， M. Onellion
非特許文献 9 : Journal of Applied Physic s 38 (1967) 340， D. P. Smith
非特許文献 10 : Review of Modern Physic s 44 (1972) 169， W. Happer
非特許文献 11 Japanese Journal of Applied Physics 24 (1985) 1249
非特許文献 12：第 53回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、 2 (2006) 782、 鈴木拓
非特許文献 13 : Surface Science 179 (1987) 199， R. Souda et al.
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0015] 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 定ゃ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。
[0016] 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 目白勺とする。 [0017] 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。
課題を解決するための手段
[0018] 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、レーザー発振器力 のレーザ 一を二つに分岐し、一方を円偏光の第 1のボンビング光とし、他方を直線偏光の第 2 のボンビング光として、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 ボンビング光発生部と、を備え、偏極イオンを引き出すための引き出し電極を、高周 波放電管に対して設けている。
[0019] 上記構成において、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一電極を備えている。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。ボンビング光発生部は、好 ましくは、第 1のボンビ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 ンビング光の波長は D線であり、プローブ光の波長は D線である。高周波放電管内
0 0
のヘリウム圧力を、好ましくは、 15Pa以上 50Pa以下とする。
[0020] 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のポンビング光とし、他方を直線偏光の第 2のポンビング光として、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ボンビング光発生部と、を有し、 偏極イオンを引き出すための弓 Iき出し電極を、高周波放電管に対して設けて!/、る。
[0021] 上記構成において、好ましくは、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一電極を備えている。引き出し電極は、好ましくは、細 孔状構造有している。ボンビング光発生部は、好ましくは、第 1のボンビング光の円偏 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!/、 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のボンビング光の波長は D 泉であり、プローブ光の波長は D 泉である。
0 0
[0022] 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。
[0023] 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力 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、静電ァ 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。
[0024] 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のポンビング光とし、他方を直線偏光の第 2のポンビング光とし 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ボンビング光発生 部と、を有し、偏極イオンを引き出すための引き出し電極を、高周波放電管に対して 設けている。
[0025] 上記構成において、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一電極を備えている。引き出し電極は、好ましくは、細孔を 備えている。ボンビング光発生部は、好ましくは、第 1のボンビ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!/、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のボンビング光の波 長は D線である。
0
発明の効果
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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、ィ 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 こと力 S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 料の改質ゃ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。
図面の簡単な説明
[図 1]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 2]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。
[図 3]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。
[図 4]引き出し電極の一例を示す拡大断面図である。
[図 5]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。
[図 6]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。
[図 7]スピン偏極イオンビーム発生装置に用いるボンビング光波長調整部の構成を示 す模式図である。
[図 8]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。
[図 9]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。
[図 10]超高真空槽の構成例を示す正面図である。
[図 11]超高真空槽の構成例を示す上面図である。
[図 12]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。
[図 13]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。
[図 14]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。
園 15]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 園 16]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)スぺタト 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。
園 17]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 18]図 17のピーク（1)〜（4)に対応するフォ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 19]準安定ヘリウム原子 2 の光ボンビ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:光ファイバ一増幅器
3:光ファイバ一コネクタ
4, 8, 67:レンズ
5, 10 :1/2波長板
6, 56:ノヽーフミラー
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 F:引き出し電極揷入部
:コイル
, 87:直流電源
:高周波電極
:引き出し電極
A：オリフィスプレート保持部
B:オリフィスプレート
Ba:円筒部
Bb：ォ！;フィスプレー卜部
Bc:螺子部
C:円筒部
D:フランジ部
:マッチングユニット
:高周波電源
:リペラ一電極
：コンデンサーレンズ
：フォーカシングレンズ
, 26:ディフレタター :減速器
, 73:試料（O/Fe/MgO磁性体基板) ：スピン偏極イオンビーム
：偏極イオンビーム発生装置
:高周波放電部
:磁場印加部
:ポンビング光発生部
：第 1のボンビング光（円偏光） ：第 2のポンビング光（直線偏光） , 36A:偏極イオンビーム整形部 ：グランレーザープリズム
:フランジ
, 81 :静電アナライザ
:二次電子増倍管
:プリアンプ , 82 :コンピュータ
：ボンビング光波長調整部
:プローブ光発振部
:透過光測定部
：プローブ光用レーザー発振器
A:プローブ光用レーザー発振器用電源, 54A, 54B, 54C, 54D, 54E :プローブ:ビームスプリッタ
, 68 :スリット
:プローブ用ヘリウム放電管
:光検出器
:ロックイン増幅器
:減衰器
:透過光検出器
：スピン偏極イオン散乱分光装置 ：スピン偏極イオンビーム発生部 ：スピン偏極ィ才ンビームライン
, 103 :超高真空槽
:計測部
:光ボンビング照射光
:ヘリウムガス導入口 78：高周波ヘリウムイオン源
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:スィッチ
90:架台
91:真空排気部
93, 95, 97:ポー卜
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
発明を実施するための最良の形態
(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 力もなる高周波放電部 31と磁場印加部 32とボンビング光を発生するボンビング光発 生部 33とから構成されて!/、る。
[0032] 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 1 9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† Β参照）が印加され、ボンピン グ光発生部 33から互いに直交した第 1のボンビング光 34と第 2のボンビング光 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（Ζ方向）に出射する。
[0033] 本発明にお!/、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ボンビング光 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。
[0034] ボンビング光発生部 33は、高周波放電管 12に光ボンビングを行うための照射装置 であり、光ファイバ一レーザー等の光ボンビングを行うためレーザー発振器 1と光ファ ィバー増幅器 2と光ファイバ一コネクタ 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。
[0035] 光ファイバ一レーザーからの出力光は、光ファイバ一経由で光ファイバ一増幅器 2 に入力される。この入力光が、光ファイバ一増幅器 2で増幅され、光ファイバ一コネク タ 3から空間に放出される。光ファイバ一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ノヽーフミ 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（ひ）光とも呼ばれている）の第 1のボンビング光 34とし、高周波放電管 12へ照 射する。つまり、第 1のボンビング光 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のボンビング光 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、ボンビング光発生部 33は、レ 一ザ一発振器 1から円偏光した第 1のボンビング光 34と直線偏光した第 2のボンピン グ光 35を発生することができる。つまり、ボンビング光発生部 33は、第 1のボンビング 光 34と直線偏光した第 2のボンビング光 35を発生する光偏光器の作用をする。 ここで、光ファイバ一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。ダラ 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。
[0036] 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のボンビング光 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、一般には伏角をもつ 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のボンビング光 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における磁場力 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!/、。
[0037] 第 1及び第 2のポンビング光 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 の 23Pへの遷移に対応する D線とすること力 Sできる。
1 0 0
また、第 1及び第 2のポンビング光 34, 35の線幅は 2GHz以下である。
[0038] 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のボン ビング光 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。
[0039] 上記のボンビング光発生部 33は、レーザー発振器 1から出射する直線偏光のレー ザ一光を二つに分岐し、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。
[0040] 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。
[0041] 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 1 5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 一ダンス整合用のマッチングユニット 18を揷入する。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 力 56MHzなどを使用することができる。
[0042] 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、偏極ィ 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、リペラ一電極 2 0、レンズ 21 , 22, 24、ディフレタター 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。
[0043] 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。
[0044] 偏極イオンビーム整形部 36と、試料 27の載置部ゃ静電アナライザ 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。
[0045] 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力 Sできる。上向きと下向きのスピン成分を持つヘリウムィ オンによる放出電子強度は、それぞれ N †と N
He+ He+ I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 † -N | ) /{ (N † + N | ) X P} (2)
He+ He+ He+ He +
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 † -N | ) /{ (N † +N 丄） Xスピン非対称率 }}
He+ He+ He+ He +
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 † -N | )/ (N † +N 丄）であり、これは P X (
He+ He+ He+ He +
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 | )/ (N † +N ）を図 2に示された装置で測定することで、偏極
+ He+ He+ He +
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!/、。
[0046] 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、リペラ一電極 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 したボンビング光発生部 33による光ボンビングによって、このプラズマ中の準安定へ リウム原子 2 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 ゥム原子（He*)のぺ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。
[0047] 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ガスとの
2
ぺユングイオン化を利用してレ、る力 S、 He *と He *とのぺニングイオン化におけるぺニ ングイオン化断面積は、 He*と COガスとのぺユングイオン化の断面積に比べて小さ
2
い。このため、 He*と He*とのぺユ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ィ オンを発生させるには約 lOPa以上の圧力が必要となる。
[0048] 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一電極 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、引き出し電極揷 入部 15Fと、力 構成されている。
[0049] 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のボンビング光（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のボンビング光（ 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のボンビング光（ 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。
[0050] 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。
[0051] リペラ一電極 20は、高周波ヘリウム放電管 15の Ζ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。
[0052] 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。
[0053] 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の引き出し電極揷入部 15Fに揷入される。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の頂部開口に揷 入されるオリフィスプレート 17Βと、オリフィスプレート保持部 17 Α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、力も構成されている 。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 力もなる金属製である。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 接ゃ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。引き出し電極揷入部 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のボンピン グ光 34, 35を効率的に照射することが出来る。
[0054] 一例として、各電極電圧を挙げれば、リペラ一電極 20が 1. 44keV、引き出し電極
17力 . 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。
[0055] 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 イスプレート部 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〜 lmm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 lmm以上では、高周波放電管 15内部のヘリウムガ スカ 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。
[0056] 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 が高くなつても、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 一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、リペラ一電極 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。
[0057] 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ィ 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 オーカシングレンズ 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!/、真空ポンプ 39Aに接続されて!/、る。
真空ポンプ 39Aにより排気されて!/、る。
[0058] 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 lmm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、図示しないアインッ エルレンズ 24及びディフレタター 23、 26は、全て、非磁性体材料からなる銅製である
〇
[0059] (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!/、て説明する。
光ボンビングの照射光の波長が、準安定ヘリウム原子 23Sの 23Pへの遷移に対応
1 0
する D線となるように光ファイバ一レーザーの波長を調整する。光ファイバ一レーザ
0
一（D線)からの出力光を、光ファイバ一経由で光ファイバ一増幅器 2に入力する。こ
0
の入力光を光ファイバ一増幅器 2で増幅し、光ファイバ一コネクタ 3から空間に放出 する。また、光ファイバ一レーザー内に設置されたボンビング光発生部 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。
[0060] 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 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。
[0061] その際、プラズマ中の準安定ヘ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、スピン偏極したへ リウムイオンを発生させること力 S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。
[0062] 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+)を使用すること力 S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のボンビング光 34, 35を D線とすること力 Sできる。 [0063] 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を有する弓 Iき出し電極 17及びリペラ一電極 20を備えることにより、高周波ヘリ ゥム放電管 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ィォを生成す ること力 Sでさる。
[0064] 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 2 7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（コンタミネーシヨン）を効果的に防止することが できる。
[0065] (ボンビング光波長調整部）
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に用いる光ボンビング の波長は D線であり、その波長は 1082· 909nmである。一方、 D線に近接してい
0 0
る D 泉、 D 泉の波長は、それぞれ、 1083. 025nm、 1083. 034nmである。 D 泉と
1 2 0
D線との周波数差は 30GHzであり、 D線と D線との周波数差は 2· 3GHzである（
1 1 2
図 19参照）。これから、 D線は、 D線及び D線に近接しているので、レーザー発振
0 1 2
器 1が D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
0
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 のボンビング光 34, 35を発生するレーザー発振器 1の波長を D線に正確に調整す
0
る技術が不可欠である。
[0066] 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線に調
0 整するボンビ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に用いるボンビング光波長調整部 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力 スピン偏極イオン ビーム発生装置 30に付加されるボンビング光波長調整部 50である。ボンビング光波 長調整部 50は、正確な D線に波長が調整されるプローブ光発振部 51と、透過光測
0
定部 52とから構成されて!/、る。 [0067] 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 一発振器用電源 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との間に挿人されるプロ ーブ用ヘリウム放電管 60と、を含んで構成されている。
[0068] 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 ゥム放電管 60を通過し、第 2のミラー 59で反射された後、再びノヽーフミラー 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。
[0069] 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 で反射される力 スリット 57を通過しな!/、ようにして!/、る。
[0070] 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 一ザ一光 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 54 Bを互いに交差させて!/、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 こと力 Sでさる。
[0071] 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力 S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線に調整される。プロ一
0
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 を使用すること力できる。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。
[0072] 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線を有するプローブ光 54は、ビームスプリツ
0
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 lmW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のボンビング光 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。
[0073] 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 1 0%以下に制御する。
[0074] 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、パヮ 一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 = + 1の準安定ヘリウム原子（He*)密
0、 m
j
度を n 、m =— 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
+ j
(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) =1 (rhcp) exp (η σ L) a)
o
I (lhcp) =1 (lhcp) exp (n σ L) (4)
o +
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。
[0075] 偏極率（（n† — n i )/(n† +η丄））の定義により、 η — η の絶対値が大きくなれ ば、 He*の偏極率が上がる。逆に、 η -η の絶対値が最大となるように、第 1のボン ビング光 34の波長が D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
0
。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。 [0076] 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。
[0077] ポンビング光波長調整部 50では、以下の手順により、第 1及び第 2のポンビング光 34, 35の波長を正確に D線に調整すること力 Sできる。
0
最初に、第 1のボンビング光 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のボンビング光 34の波長を走査し、 D線、 D線、
0 1
D線に対応する 3つの吸収を観測することで、第 1のボンビング光 34の波長が大凡 1
2
083nmD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
0
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のボンビング光 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。
[0078] 次に、ボンビング光波長調整部 50から正確な D線を飽和吸収分光により発生し、
0
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ボンピン 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。
[0079] 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のボンビング 光 34, 35の波長を調整することで、第 1及び第 2のボンビング光 34, 35を D線に調
0 整することは、原理的には可能である。し力、しながら、これらの方法は何れ力、もプロ一 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
[0080] 上記の従来技術に対して、本発明のボンビング光波長調整部 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ょレ、ので、波長調整を容易に行うことができる。
[0081] 上記ボンビング光波長調整部 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、ボンビング光波長調整部 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の改質ゃ試料 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（コンタミネーシヨン)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ボン ビング光の波長を正確に調整することができる。
[0082] (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 力、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ィ 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、力も 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 8 1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ビ ユータ 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 一ソナルコンピュータ等を使用することができる。
[0083] スピン偏極イオンビーム発生部 71は、光ボンビング照射光 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ヘリウムイオン源 78へ照射し、スピン偏極へ リウムイオンを発生させるようにしている。
[0084] 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 ゥ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。
[0085] 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。
[0086] 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との間にダランレ 一ザ一プリズム 38を揷入した点で、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のボンビング光 34の円偏光制 御部 84を設けて!/、ることである。
[0087] 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 ビング光 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のボンビング光 34, 35を D線に正確に調整するためのボンビング光波
0
長調整部 50を備えてもよ!/ヽ。
[0088] スピン偏極イオンビームライン 72は、ァインツェルレンズ 24, 24と、ディフレタター 2 3, 23,ァインツェルレンズ 24, 25、ディフレタター 23, 23の順に配設して構成され ている。
[0089] 超高真空槽 74からなる分析チャンバ一には、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の外部に設けるマ二ュピレ 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。
[0090] 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、スィッチ 89が直流電源 87側に接続されコンデンサ 8 8が充電される。充電後、スィッチ 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 ノ ルス磁場が発生する。このノ^レス磁場により試料 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 330 ？、耐圧は 500Vであり 、直流電源 87の電圧は 360Vである。
[0091] 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 Stem-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揷入できる。
[0092] 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 l〜10keV程度の運動エネルギーを有するヘリ ゥ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、基底状態のヘリウム原子となる。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 fiうこと力できる。
[0093] 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 = E (M /M M ) 2[cos Θ土（M 2 /M 2 - sin2 Θ ) 1/2]2
1 0 1 1 + 2 2 1
と表される (非特許文献 1 1参照)。
ただし、 E 、 Eは、入射エネルギーと散乱エネルギー、 Mと Mは入射イオンと標的
1 0 1 2 原子の質量、 /3は散乱角である。
[0094] 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 、スピン偏極イスン散 し分光 (Spin Polaraized Ion Scattering Spectroscop y、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力、つた新しい分 光方法である。
[0095] 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 l〜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、基底状態のヘリウム原子となる。 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。
[0096] 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 力 S、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。
[0097] 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。
[0098] 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 得ること力 Sできる。解析の手順は、下記の通りである。
(ィ)試料 73を試料周囲の磁場の方向と平行にノ^レス磁化する。
(口）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 8
1を用いて、（ィ）と同じ時間計測する。
(二）時間変化の効果を除去するために、（ィ)と（口）の計測を所定回数繰り返す。 (ホ）一連の測定後に、（ィ）と（口）の繰り返し測定で求めた信号強度を、コンビユー 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 度を得ること力 Sでさる。
[0099] 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。
[0100] 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。
[0101] (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 10 0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ィ 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。
[0102] 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。
[0103] 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。
[0104] 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 10 0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 の改質ゃ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力できる。
実施例 1
[0105] 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 ゥム放電管 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 15 Aと引き出し電極揷入部 15Fとは、ノ ィレックス（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ゃ管材を用いた。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ゃ管材とは、コバールを用いて接合した。
[0106] 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とリペラ一電極 20との距離は 50mmとした 。引き出し電極 17及びリペラ一電極 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。
[0107] 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。
光ファイバ一レーザーの波長約 1083nm (D線）出力光を、光ファイバ
0 一経由で光 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一増幅器 2で増幅し、光ファ ィバーコネクタ 3から空間に放出した。光ファイバ一増幅器 2は、出力が 3Wとなるよう に調整した。
また、光ファイバ一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、光ファイバ一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（ ひ光）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で作られる磁場力 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。光ボンビングの照射光の波長 は、準安定ヘリウム原子 23S の 23Pへの遷移に対応する D線へ調整した。
1 0 0
[0108] 上記の方法で発生したプラズマ中の準安定ヘ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の方法ではなぐ「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 整でさることを確言忍した。
[0109] 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で示された光ポンビングによって、このプラズマ 中の準安定ヘリウム原子 2 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ぺユ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、リペラ一電極 20、引き出し電極 17、レンズ 21 , 22, 24、 ディフレタター 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。
[0110] 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 (OOl)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°Cで 10分間加熱し、この基板を 100ラングミュ ァ一の酸素雰囲気に曝した後、基板を真空中で約 500°Cで 10分間加熱し、真空中 でノ ルス磁化した。
[0111] 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、基底状態のヘリウム原子となる。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。
[0112] 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で求めておレ、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 2 OPaのときのヘ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)。
[0113] 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、放電管中のヘリウムガ 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、放電管中のヘリウムガス圧（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。ヘリウム圧力が 15 Paの時の偏極率力 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力、ら 9. 4eVの電子を測定して求め た。従来技術による光ボンビングは、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線に調整して 行われた。
[0114] 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 ゥム圧力が 15Paでヘリウムイオン偏極率（図 15の黒四角（國）参照）は約 17· 5%と なり従来の値（図 15の白丸（〇）参照）を上回り、 15Pa以上〜約 50Paの圧力でヘリ ゥムイオン偏極率は 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 2
[0115] 実施例 1のスピン偏極イオンビーム発生装置 30に、図 7に示したボンビング光波長 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 60 72)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。フォトダイォ 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。ポンビング光波 長調整部 50を用いることにより第 1及び第 2のボンビング光 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。
実施例 3
[0116] 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 (ィ）〜（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。
[0117] 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 ベクトルを示し、 （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°C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 化方向へノ 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。
[0118] 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（ X 105力 ゥント）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。
[0119] 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 ΐ、反平行
He +
のそれを N 丄とした場合に、スピン偏極イオン散乱分光スペクトル（口）を (N †
He+ He+
-N I )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
He +
ベクトルの鉄と酸素のそれぞれのピーク位置に於!/、て、有意な信号強度が得られ、 鉄と酸素が偏極してレ、ること力 S示される。
[0120] さらに、入射ビームの偏極率を P として、
He +
(N † -N | ) /{P + (N † + N | ) }
He+ He+ He+ He+ He +
と定義されるスピン非対称率が、鉄（1272力、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。
[0121] 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（ X 103カウント）、右縦軸はスピ ン非対称率（Χ 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 F e [100]方向に行い、散乱角は 145度とした。
[0122] 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。）。
[0123] 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。
[0124] 図 18は、図 17のピーク（1)〜（4)に対応するフォ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。
[0125] 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 ゥ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。
[表 1]
Figure imgf000037_0001
[0127] 本発明は、上記実施例に限定されることなぐ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、偏極ヘリウムィ オンの加速電圧や電流に合わせて適宜変更できる。
産業上の利用可能性
[0128] 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。
[0129] 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ゃ整 形は広く行われてレ、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 ムを用レ、た試料加ェ装置 100によれば、試料 101の改質ゃ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。
[0130] 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

請求の範囲
[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のボンビング光とし、他方を直線偏光 の第 2のボンビング光として、相互に 90° の照射角度差をもって上記高周波放電管 に照射するボンビング光発生部と、を備え、
上記偏極イオンを引き出すための弓 Iき出し電極を、上記高周波放電管に対して設 けている、スピン偏極イオンビーム発生装置。
[2] 前記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、請求の範囲 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一電極を備えている、請求 の範囲 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、請求の範囲 3に記載のスピン偏極イオンビ ーム発生装置。
[5] 前記ボンビング光発生部は、前記第 1のボンビ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レ、る、請求の範囲 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、請求の範囲 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のボンビング光の波長は D線であ
0 り、プローブ光は左回り又は右回りの円偏光である D線の波長を持つ、請求の範囲
0
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、請求の範囲 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 一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力、らのレーザーを二つに分岐し、一方を円偏光の第 1のポンビング光とし、他方を直線偏光の第 2のポンビング光として、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ボンビング光発生部と、を有し、 上記偏極イオンを引き出すための弓 Iき出し電極を、上記高周波放電管に対して設 けている、スピン偏極イオン散乱分光装置。
[10] 前記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、請求の範囲 9に記載のスピン偏極イオンビーム発生装置。
[11] 前記高周波放電管は、引き出し電極に対向する引き出し電極を備えている、請求 の範囲 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、請求の範囲 11に記載のスピン偏極イオン 散乱分光装置。
[13] 前記ボンビング光発生部は、前記第 1のボンビ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レ、る、請求の範囲 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、請求の範囲 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、請求の範囲 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、請求の範囲 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のボンビング光の波長は D線であ
0 る、請求の範囲 9又は 14に記載のスピン偏極イオン散乱分光装置。
[18] 請求の範囲 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、請求の範囲 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力 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、請求の範囲 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、請求の範囲 18に記載のスピン偏極ィ 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力、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力、らのレーザーを二つに分岐し、一方を円偏光の第 1のポンビング光とし、他方を直線偏光の第 2のポンビング光として、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ボンビング光発生部と、を有し、 上記偏極イオンを引き出すための弓 Iき出し電極を、上記高周波放電管に対して設 けて!/、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、請求の範囲 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一電極を備えている、請求 の範囲 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、請求の範囲 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] 前記ボンビング光発生部は、前記第 1のボンビ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!/、る、請求の範囲 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、請求の範囲 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、請求の範囲 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、請求の範囲 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のポンビング光の波長は D線であ
0 る、請求の範囲 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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