WO2016013073A1 - 電子スピン検出器、分析装置および分析方法 - Google Patents

電子スピン検出器、分析装置および分析方法 Download PDF

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照生 孝橋
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株式会社日立製作所
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/244—Detectors; Associated components or circuits therefor

Definitions

  • the present invention relates to an electron spin detector that operates in a vacuum chamber and detects individual spins of electrons, and an analysis apparatus using the same.
  • Mott detectors are known as electron beam spin detectors used in spin-polarized scanning electron microscopes (spin SEM) and spin-resolved photoelectron spectrometers.
  • Non-Patent Document 1 the improvement is only a few times at most, and it is unlikely to see dramatic improvement in the future.
  • Another type of spin detector is a detector that uses a phenomenon in which a ferromagnetic material is irradiated with a spin-polarized electron beam and the current absorbed by the ferromagnetic material depends on the spin-polarization degree of the incident electron beam.
  • a VLEED (Very-Low-Energy-Electorn-Diffraction) detector for example, Non-Patent Document 2.
  • the electron reflectivity of the VLEED detector varies depending on the spin state of the incident electrons.
  • the principle is derived from the fact that the electron band structure of ferromagnets differs depending on the direction of electron spin, and the probability that irradiated electrons are taken into that band differs depending on the direction of spin of electrons.
  • there are only electron levels with spins in one direction so electrons with spins in that direction are absorbed by ferromagnets, but most electrons with opposite spins are absorbed. Is reflected.
  • a VLEED detector using the spin direction dependence of such an electronic band structure is about two orders of magnitude more efficient than a conventional Mott detector, and is small and inexpensive. It is often used especially in the field of spin-resolved photoelectron spectroscopy.
  • the VLEED detector has a very narrow energy width of about 1 eV due to its band structure in the region of high spin detection efficiency. In other words, in order to realize spin detection efficiency two orders of magnitude higher than that of the Mott detector, it is necessary to make the energy of the electron beam to be measured monochromatic up to 1 eV width.
  • FIG. 1 is a layout diagram of a VLEED detector in a spin detector that has been studied by the present inventors and that performs energy decomposition while linearly moving an electron to be measured.
  • a method is considered in which a plurality of VLEED detectors 104 are arranged along the linear traveling direction 100 of the electron beam 101 and led to the detectors in order from low energy electrons.
  • Reference numeral 102 denotes a transport optical system
  • 103 denotes an equipotential line
  • 105 denotes a deceleration lens
  • 106 denotes a traveling direction of the electron beam to be measured.
  • the method in which the VLEED detectors 104 are arranged in a straight line has low energy resolution, and it is difficult to separate energy with an accuracy of 1 eV level.
  • a method of applying an electric field to draw a circular orbit on an electron such as a well-known hemispherical or cylindrical energy analyzer, has high energy resolution.
  • FIG. 2 is a plan view for explaining a spin detector that the inventors of the present invention have studied to make energy decomposition by drawing a circular orbit of an electron to be measured by an electric field.
  • the relationship between the VLEED detector surface and the direction of electron spin in the spin detector is shown.
  • Reference numeral 201 denotes an electron to be measured
  • 202 denotes an electron spin direction
  • 203 denotes a VLEED detector
  • 204 denotes an electrode.
  • the object of the present invention is to apply a VLEED detector in a system that can efficiently analyze spin polarization and easily process data even for electron bundles with large energy dispersion such as secondary electrons. Is to do.
  • This provides a highly efficient electron spin detector that can decompose spins of electron bundles with large energy dispersion with high efficiency and that does not need to accelerate the electron beam to the 100 kV level unlike Mott detectors and can be manufactured at low cost. It becomes possible to do.
  • VLEED detector indicates an element solid such as an iron single crystal plate, and an assembly assembled as an assembly thereof is called a “spin detector”.
  • the measured electrons are circularly moved by the Lorentz force due to the magnetic field, a plurality of VLEED detectors are arranged along the circumference, and a plurality of energy-resolved measured electrons are arranged.
  • the spin polarization is measured by entering the VLEED detector.
  • the radius is proportional to the electron velocity. Therefore, the configuration is such that the higher the energy the electrons, the more the trajectory is shifted to the outside, and the VLEED detector captures it when it deviates from the reference circular motion radius to some extent.
  • the magnetic field rotates not only the electron trajectory but also the spin. Therefore, the electron trajectory and the electron spin maintain a predetermined relationship. Therefore, assuming that the electron trajectory and the detection surface of the VLEED detector have a predetermined relationship, the detection surface of the VLEED detector and the electron spin also maintain the predetermined relationship. This simplifies the processing of the signal after detection.
  • the mounting angle of the VLEED detector is such that the electrons are incident at the same angle on each VLEED detector arranged outside the circumference. Set. Then, the direction of the electron spin incident on each VLEED detector arranged outside the circumference is the same angle with respect to the surface of the VLEED detector. Therefore, unlike the case of FIG. 2 in which orbital rotation is caused by an electric field, the spin polarization detected by a plurality of VLEED detectors can be analyzed in the same manner. At this time, the angles do not have to be completely the same, and the angles may be different within the allowable error range.
  • the present invention is directed to the spin detector having the above-described configuration and various analytical instruments using the spin detector.
  • the analysis method is an analysis method for analyzing a spin state of an electron having a predetermined energy width using a VLEED detector that detects a signal corresponding to the spin state of an incident electron.
  • a magnetic field having a component perpendicular to the traveling direction of electrons is given.
  • the first electron with relatively high energy has a first orbit
  • the second electron with relatively low energy has a second orbit
  • a first VLEED detector arranged so that the first electrons are incident at a first incident angle
  • a second VLEED detector arranged so that the second electrons are incident at a second incident angle.
  • a VLEED detector shall be used.
  • the spin state of the first electron incident on the first VLEED detector and the second VLEED detection can be kept in a predetermined relationship.
  • the incident angle of electrons on the detection surface of the first VLEED detector and the incident angle of electrons on the detection surface of the second VLEED detector are made as similar as possible. Then, the angle formed between the detection surface of the first VLEED detector and the spin direction of the first electron and the angle formed between the detection surface of the second VLEED detector and the spin direction of the second electron are close values. Will have.
  • arc or “curvature” does not necessarily mean an arc having a constant radius or a constant curvature.
  • an electron spin detector that can decompose spins possessed by electrons with high efficiency and can easily perform data analysis.
  • FIG. 6 is a layout diagram of a VLEED detector in a spin detector that performs energy decomposition while linearly moving an electron to be measured for explaining the problem of the present invention.
  • the top view which shows the relationship between the direction of a VLEED detector surface and an electron spin in the spin detector which draws a circular orbit with an electric field and explains energy decomposition for demonstrating the subject of this invention.
  • the top view which shows the relationship between the VLEED detector surface and the direction of an electron spin in the spin detector which draws a circular orbit with a magnetic field and performs energy decomposition in one Example of this invention.
  • FIG. 4 is a two-side view showing the relationship between the surface of the VLEED detector and the magnetic field applying means in the spin detector in one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a two-side view showing the relationship between the surface of the VLEED detector and the magnetic field applying means in the spin detector in one embodiment of the present invention.
  • the block diagram which shows the example of a structure which applied the spin detector of this invention to the spin polarization scanning electron microscope.
  • the conceptual diagram which shows the example of the structure which applied the spin detector of this invention to the scanning ion electron microscope.
  • the block diagram which shows the example of the structure which applied the electron spin detector of this invention to the spin decomposition photoelectron spectroscopy apparatus.
  • the side view which shows the example of arrangement
  • FIGS. 3A to 3C show an embodiment of a multi-channel VLEED detector according to the present invention that performs energy decomposition using circular motion by a magnetic field.
  • Each figure shows a plan view of the electron trajectory as seen from above.
  • This spin detector has a magnetic field application unit that applies an arc-shaped curvature to the orbit by applying a magnetic field having a component perpendicular to the orbit of electrons.
  • the measured electron 301 enters from the direction of the lower arrow 300.
  • the electron spin 302 is directed to the right, for example.
  • a plurality of VLEED detectors 303 are arranged on the circumference.
  • the measured electron 301 makes a circular motion by the Lorentz force from the magnetic field 304.
  • the radius of circular motion by Lorentz force is proportional to the velocity of electrons. Accordingly, when electrons to be measured with energy dispersion are made incident, the electrons deviate from the circumference in descending order of energy and are sequentially captured by the VLEED detector 303. At this time, the electron spin 302 rotates at the same angular frequency as the electron orbit due to Larmor precession.
  • the orbit of the electron 301 to be measured and the direction of the electron spin 302 are always in a constant relationship, and even when captured by each VLEED detector 303, the relationship between the orbit 305 and the spin 302 can be made constant. it can. If the energy dispersion of the measured electron 301 is large, the number of VLEED detectors 303 may be increased.
  • the electron spin does not rotate, so that each VLEED detector detects spins in different directions, and the analysis becomes complicated.
  • the direction of the spin 302 detected by the VLEED detector 303 can be made constant, which facilitates signal analysis from a plurality of VLEED detectors, which is advantageous for system construction.
  • each VLEED detector has an electron energy to be measured. Spin polarization measurement can be performed efficiently.
  • Fig. 3B shows a top view and a side view of a specific example of a multi-channel VLEED detector.
  • permanent magnets 3000A and 3000B are used.
  • the permanent magnet 3000A is shown transparent in the top view.
  • the side view shows a state where the detector shown in the plan view is viewed from the direction of the arrow 3003.
  • a magnetic field 304 is generated between the permanent magnets 3000A and 3000B.
  • the electron beam 300 is configured to be incident between the permanent magnets 3000A and 3000B. It is desirable that the circular motion of electrons and the rotation of electron spin continue until the electron beam 300 reaches each VLEED detector 303. For this purpose, it is desirable to continue applying the magnetic field until the electron beam 300 reaches each VLEED detector 303. For this reason, as shown in the top view, each VLEED detector 303 is preferably covered with permanent magnets 3000A and 3000B.
  • FIG. 3C shows a top view and a side view of another specific example of the multi-channel VLEED detector.
  • electromagnets 3001A and 3001B are used.
  • the electromagnet 3001A is shown transparent in the top view.
  • the side view shows a state where the detector shown in the plan view is viewed from the direction of the arrow 3003.
  • a magnetic field 304 is generated between the electromagnets 3001A and 3001B.
  • the electron beam 300 is configured to be incident between the electromagnets 3001A and 3001B. It is desirable to continue applying the magnetic field until the electron beam 300 reaches each VLEED detector 303. For this reason, as shown in the top view, each VLEED detector 303 is preferably covered with the magnetic poles of the electromagnets 3001A and 3001B.
  • the sizes of the magnetic poles 3001A and 3001B are desirably large enough to cover all the VLEED detectors 303 with a margin.
  • Magnitude of the magnetic field and the arrangement and size of the VLEED detector can be variously designed by calculation based on known electromagnetic mechanics according to the energy of electrons to be detected and the size of the desired device. For example, if the electron energy is about 2 kV, the electron rotates about 10 to 20 cm in diameter by a magnetic field of about 40 Gauss. In this case, each VLEED detector can be covered if the magnetic pole of the permanent magnet or electromagnet is 10 to 20 cm square.
  • the electrons are incident on the detection surface of each VLEED detector 303 at the same incident angle.
  • the incident angle of the electron beam to the detection surface is the same, the direction of the electron spin and the angle of the detection surface are also the same.
  • the incident angle of the detector to the detector is preferably perpendicular to the detection surface of the detector from the viewpoint of sensitivity, but is not limited to this.
  • the diameter of the circular motion of the electrons by the magnetic field can be adjusted by controlling the strength of the magnetic field accordingly.
  • the interval between the permanent magnets may be mechanically changed. Or what is necessary is just to change the drive current of an electromagnet. If a mechanical drive system is arranged near the detector, the maintenance and management burden increases, so there is an advantage in the electromagnet system that can be adjusted electrically.
  • the mounting angle of the VLEED detector 303 is fixed, the incident angle of electrons to the detector can be adjusted by adjusting the strength of the magnetic field. If the mounting angle of the VLEED detector 303 is variable, the degree of freedom of measurement is improved, but mechanical adjustment becomes complicated.
  • FIG. 4 shows an embodiment of a spin-polarized scanning electron microscope equipped with the electron spin detector according to the present invention.
  • a spin-polarized scanning electron microscope is a device that obtains a magnetic domain image by mapping the spin-polarization degree of secondary electrons emitted from a magnetic material sample.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 60-177539
  • the configuration is disclosed.
  • the primary electron beam 402 emitted from the electron gun 401 is applied to the sample 404 set on the sample stage 403. Up to this point, it is the same as a normal SEM, but in a spin-polarized scanning electron microscope, a secondary electron collecting optical system 405 is arranged near the sample, transporting as many secondary electrons 406 as possible, and resolving those spins. There is a need. Therefore, a secondary electron transport optical system 407 for transporting the secondary electrons 406 must be arranged and transported to the spin detection system while adjusting the lens characteristics of these optical systems. An example of the voltage to be applied to each electron lens of the secondary electron collecting optical system 405 and the secondary electron transport optical system 407 is shown in the drawing.
  • the secondary electrons 406 then reach the spin rotator 408, rotate the component of the electron spin desired to be detected in a direction that can be detected by the electron spin rotator 408, and then are transported to the electron spin detector 409.
  • spins in any direction can be directed to a detectable direction.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-251525 also discloses the configuration thereof.
  • the signal from the spin detector 409 enters the signal processing system 410, and a magnetic domain image is created by the image processing system 411.
  • the image processing system 412 also controls the spin rotator 408 so that it can select which direction spins are imaged.
  • the image processing system 411 is also connected to an electron beam controller 412 that controls the electron gun 401, and fuses the position of the primary electron beam 402 on the sample and the signal from the signal processing system 410 to create a magnetic domain image.
  • the chamber is omitted in this figure.
  • the above-mentioned spin-polarized scanning electron microscope is a technique that has already been reported, but by installing the spin detector 409 according to the present invention, data with much better S / N than before can be obtained. A large amount of data can be acquired in a short time.
  • FIG. 5 shows an embodiment of an ion microscope equipped with the spin detector according to the present invention.
  • the basic configuration is the same as that of the spin-polarized scanning electron microscope of FIG. 4, and the different part is a mechanism for emitting electrons from the sample. Therefore, FIG. 5 shows only the configuration around the sample.
  • the ion microscope includes means for irradiating the sample 502 with ions 501. Since secondary electrons 503 from the sample 502 are generated by ion irradiation, a high secondary electron yield can be expected, and combined with the high efficiency of the spin detector 504, extremely high S / N imaging is possible.
  • FIG. 6 shows an embodiment of a photoelectron spectrometer equipped with a spin detector according to the present invention.
  • the electromagnetic wave 604 emitted from the light source 601 passes through the condensing optics 602 and then irradiates the sample 605 set in the ultrahigh vacuum chamber 603.
  • the photoelectrons excited thereby enter the spin detector 608 after passing through the electron lens 606.
  • a magnetic field is applied to the measured electrons in the direction perpendicular to the paper surface.
  • the spin detector 608 displays the VLEED detector 614 and a decelerating lens 613 just before it arranged on the outside of the arc drawn by the electrons.
  • the electron with higher energy takes an outer orbit.
  • the amount of electrons absorbed by each VLEED detector is stored as a signal in the data storage unit 612 via the signal processing system 609 and the system control computer 610.
  • the system control computer 610 also controls the light source control unit 611.
  • This method is a method known as spin-resolved photoelectron spectroscopy (Non-Patent Document 4), but a Mott detector is conventionally used as the spin detector 608, and its sensitivity is not sufficient. VLEED detectors are also used, but only one iron single crystal. With the spin detector 608 of this embodiment using a plurality of VLEED detectors, it is possible to acquire data with much better S / N or a large amount of data in a short time than before.
  • FIG. 7 shows another embodiment of the present invention.
  • the method described above can only detect spins that are pointing in one direction.
  • spins in other directions can also be detected.
  • two spin rotators 702 and 703 are provided for the incident electron beam 700.
  • 704 is a spin detector
  • 705 is a deceleration lens.
  • the spin rotators 702 and 703 there can be considered ones having a structure similar to that of an energy analyzer called a Wien filter in which an electric field and a magnetic field are orthogonal to each other in an electron orbit (Non-Patent Document 3), a solenoid coil, and the like.
  • a Wien filter in which an electric field and a magnetic field are orthogonal to each other in an electron orbit
  • a solenoid coil and the like.
  • any direction of electron spin can be directed in a direction that can be detected by the spin detector according to the present invention.
  • the spin detector 704 can detect spin components (Z direction, ie, parallel to the incident surface of the spin detector 704) 701a and 701b perpendicular to the paper surface.
  • the spin components 701c and 701d in the horizontal direction (X direction) of the drawing are rotated by the spin rotator 702 and detected in the direction perpendicular to the drawing.
  • the electron spin is rotated 90 degrees about the X axis as the rotation axis by the spin rotator 703
  • the spin component in the vertical direction (Y direction) of the paper surface can be detected.
  • FIG. 7 shows XYZ coordinate axes for reference.
  • the Z axis is perpendicular to the page.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications.
  • a part of the configuration of the embodiment shown in a certain figure can be replaced with a part of the configuration of the embodiment shown in another figure, and the configuration of a certain embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment.
  • Configurations can be added. Further, it is possible to add, delete, and replace the configurations of other embodiments with respect to a part of the configurations of the embodiments.
  • the present invention can provide an electron spin detector capable of efficiently decomposing spins possessed by electrons and allowing simple data analysis.
  • Electron beam 101 ... Electron beam, 102 ... Conveying optical system, 103 ... Equipotential line, 104 ... VLEED detector, 105 ... Deceleration lens, 106 ... Measurement electron beam traveling direction, 201 ... electron to be measured, 202 ... electron spin, 203 ... VLEED detector, 204 ... electrode, 301 ... electron to be measured, 302 ... electron spin, 303 ... VLEED detector, 304 ... magnetic field, 401 ... Electron gun, 402 ... Primary electron beam, 403 ... Sample stage 404 ... Sample, 405 ... Secondary electron collection optical system, 406 ... Secondary electron, 407 ... Secondary electron transport optical system, 408 ... Spin rotator, 409 ... Spin detector, 410 ... Signal processing system, 411 ... Image processing system, 412 ... Electron beam controller 501 ... Ion beam, 502 ... Sample, 503 ... Secondary electron, 504 ... Spin detector.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

　エネルギーアクセプタンスの狭いスピン検出器であるＶＬＥＥＤ検出器を用いて、エネルギー分散が０－１０Ｖ程度の二次電子が持つスピン偏極度の高効率で簡便なデータ解析が可能な手法を提供する。　磁場（３０４）により被測定電子（３０１）を円運動させながらエネルギー分解を行い、円周状に配置した複数のＶＬＥＥＤ検出器（３０３）に入射させる。複数のＶＬＥＥＤ検出器（３０３）を用いながら、電子スピン（３０２）の角度とＶＬＥＥＤ検出器（３０３）の表面を一定に保つことが可能なため、高効率で簡便なデータ解析が可能なスピン偏極度検出ができる。

Description

電子スピン検出器、分析装置および分析方法
　本発明は、真空チャンバ内で動作し、電子個々のスピンを検出する電子スピン検出器およびそれを用いた分析装置に関する。
　スピン偏極走査電子顕微鏡（スピンSEM）やスピン分解光電子分光装置に用いられている電子線のスピン検出器として、モット検出器が知られている。
　しかし、モット検出器は感度が電子検出器より４桁程度低い。そのため、その効率向上を目指してモット検出器の構造を工夫した研究が様々な研究所で進められている（例えば、非特許文献１）。しかし、現状ではせいぜい数倍程度の向上にとどまっており、今後も飛躍的な向上はのぞめそうもない。
　別のタイプのスピン検出器として、強磁性体にスピン偏極電子線を照射し、その際、強磁性体に吸収される電流が入射電子線のスピン偏極度に依存する現象を利用した検出器が提案されており、VLEED (Very-Low-Energy Electorn Diffraction)検出器と呼ばれている （例えば、非特許文献２）。
　VLEED検出器は、入射電子のスピンの状態によって、電子の反射率が変化する。その原理は、強磁性体のもつ電子バンド構造が電子スピンの向きによって違っており、照射された電子がそのバンドに取り込まれる確率が電子のスピンの向きで異なることに由来する。つまり、あるエネルギーのバンドに関しては、片方の向きのスピンを持つ電子準位だけが存在するので、その向きのスピンを持つ電子は強磁性体に吸収されるが、反対のスピンを持つ電子は殆どが反射される。このような電子バンド構造のスピン方向依存性を利用したVLEED検出器は、従来から使われているモット検出器よりも2桁程度効率がよく、しかも小型で安価に製作できる。特にスピン分解光電子分光の分野ではよく使われている。
特開昭60－177539号公報 S. Qiao, A. Kimura, A. Harasawa, M. Sawada, J. -G. Chung, and A. Kakizaki, Rev. Sci. Instrum. 68, 4390(1997). Taichi Okuda, Yasuo Takeichi, Yuuki Maeda, Ayumi Harasawa, Iwao Matsuda, Toyohiko Kinoshita and Akito Kakizaki Rev. Sci. Instrum.79, 123117(2008). T. Kohashi, M. Konoto and K. Koike, Rev. Sci. Instrum. 75, 2003(2004) ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス35号、6314頁（1996）
　図１及び図２で本発明の課題を説明する。
　VLEED検出器は、スピン検出効率が高い領域のエネルギー幅が、そのバンドの構造上、1eV程度と非常に狭い。つまり、モット検出器より２桁高いスピン検出効率を実現するためには、被測定電子線のエネルギーを1eV幅まで単色化する必要がある。
　光電子分光の分野では、元々エネルギー分解の過程を経た光電子をVLEED検出器に導いていたので、測定対象とする光電子は十分エネルギー幅が狭く問題はなかった。しかし他の手法、例えば２次電子のスピン検出により磁区像を描き出すスピン偏極走査電子顕微鏡（スピンSEM）にVLEED検出器を適用する場合には、約10eV程度ある２次電子のエネルギー分散が問題となる。そこで、被測定２次電子をエネルギー分解してからVLEED検出器に導くような体系が必要となる。
　図１は本発明者らが検討した、被測定電子を直線運動させながらエネルギー分解をさせるスピン検出器におけるVLEED検出器の配置図である。図１のように複数のVLEED検出器１０４を電子線１０１の直線的な進行方向１００に沿って並べて、低いエネルギーの電子から順に検出器へ導く方式が考えられる。１０２は搬送光学系、１０３は等電位線、１０５は減速レンズ、１０６は被測定電子線進行方向である。しかし、VLEED検出器１０４を直線状に並べる方式は、エネルギー分解能が低くなり、1eVレベルの精度でのエネルギー分別は難しい。一方、よく知られている半球型や円筒型のエネルギー分析器のように、電場をかけて電子に円軌道を描かせる方法は、エネルギー分解能は高い。
　図２は本発明者らが検討した、被測定電子を電場により円軌道を描かせエネルギー分解をさせるスピン検出器を説明する平面図である。スピン検出器におけるVLEED検出器表面と電子スピンの向きの関係を示している。２０１は被測定電子、２０２は電子スピンの向き、２０３はVLEED検出器、２０４は電極を示している。
　しかし、この円周上にVLEED検出器を順次配置していく方式では、図２に示すように、各検出器に入るスピンの向き２０２がばらばらになり、後のデータ処理において、スピン偏極度の向きや大きさの解析が煩雑になる欠点がある。それ故、まだモット検出器を置き換えるようなスピン検出器には至っていない。
　そこで、本願発明の目的は、2次電子のようなエネルギー分散の大きい電子束に対しても、効率よくスピン偏極度が解析でき、かつ簡便にデータ処理が可能な体系でVLEED検出器を適用可能にすることである。これにより、エネルギー分散が大きい電子束が持つスピンを高効率で分解でき、またモット検出器のように100kVレベルに電子線を加速する必要がない、小型で安価に製作できる電子スピン検出器を提供することが可能になる。
　なお、以下の本特許では、”VLEED検出器”は鉄単結晶板などの素子固体を示し、それの集合体として組みあがった集合体を”スピン検出器”と呼ぶことにする。
　本発明においては、上記の課題を解決するために、磁場によるローレンツ力により被測定電子を円運動させ、その円周に沿って複数のVLEED検出器を配置し、エネルギー分解した被測定電子を複数のVLEED検出器に入射させてスピン偏極度を測定する。
　磁場による円運動においては、その半径は電子速度に比例する。従って、エネルギーの高い電子ほど外側に軌道がずれていき、ある程度基準の円運動半径からそれた際に、VLEED検出器に捕獲されるような構成にする。
　この場合、磁場は電子の軌道だけでなく、スピンも回転させる。従って、電子の軌道と電子のスピンは所定の関係を維持する。このため、電子の軌道とVLEED検出器の検出面とが所定の関係を保っていると仮定すると、VLEED検出器の検出面と電子のスピンも所定の関係を維持する。このため、検出後の信号の処理が簡単になる。
　具体的な一例としては、所定のエネルギーの電子に所定の磁場を与えた時に、円周の外側に配置した各々のVLEED検出器に、同じ角度で電子が入射するようにVLEED検出器の取り付け角度を設定する。そうすると、円周の外側に配置した各々のVLEED検出器に入射する電子スピンの向きは、VLEED検出器の表面に対して同じ角度になる。従って、電場による軌道回転を起こしていた図２の場合と違い、複数のVLEED検出器で検出したスピン偏極度を同じように解析することができる。このとき、完全に同じ角度にする必要はなく、許容誤差の範囲で角度が異なっていてもよい。
　本発明は、上記の構成を有するスピン検出器、および、これを用いた種々の分析機器をその対象とする。
　また、本発明の一側面である分析方法は、所定のエネルギー幅を有する電子のスピンの状態を、入射する電子のスピンの状態に応じた信号を検出するVLEED検出器を用いて分析する分析方法であって、電子の進行方向に垂直な成分を持つ磁場を与えるものである。
　磁場により、相対的にエネルギーの大きな第１の電子は第１の軌道を持ち、相対的にエネルギーの小さな第２の電子は第２の軌道を持つように制御される。ここで、第１の電子が第１の入射角で入射するように配置された第１のVLEED検出器と、第２の電子が第２の入射角で入射するように配置された第２のVLEED検出器とを用いるものとする。
　このような構成において、第１の入射角と第２の入射角を所定の関係に保つことにより、第１のVLEED検出器に入射する第１の電子のスピンの状態と上記第２のVLEED検出器に入射する第２の電子のスピンの状態との関係を所定の関係に保つことができる。
　もっとも典型的な例では、第１のVLEED検出器の検出面への電子の入射角と、第２のVLEED検出器の検出面への電子の入射角を、できるだけ同じにする。そうすると、第１のVLEED検出器の検出面と第１の電子のスピンの方向のなす角と、第２のVLEED検出器の検出面と第２の電子のスピンの方向のなす角は、近い値を有するようになる。
　なお、本明細書で円弧、曲率といった場合には、必ずしも一定半径の円弧、一定の曲率を意味しない。
　本発明によれば、電子が持つスピンを高効率で分解でき、かつ簡便にデータ解析が可能な電子スピン検出器を提供することができる。
本発明の課題を説明するための、被測定電子を直線運動させながらエネルギー分解をさせるスピン検出器におけるVLEED検出器の配置図。 本発明の課題を説明するための、被測定電子を電場により円軌道を描かせエネルギー分解をさせるスピン検出器におけるVLEED検出器表面と電子スピンの向きの関係を示す平面図。 本発明の一実施例における、被測定電子を磁場により円軌道を描かせエネルギー分解をさせるスピン検出器におけるVLEED検出器表面と電子スピンの向きの関係を示す平面図。 本発明の一実施例におけるスピン検出器におけるVLEED検出器表面と磁場印加手段との関係を示す二面図。 本発明の一実施例におけるスピン検出器におけるVLEED検出器表面と磁場印加手段との関係を示す二面図。 本発明のスピン検出器をスピン偏極走査型電子顕微鏡に応用した構成の例を示す構成図。 本発明のスピン検出器を走査型イオン電子顕微鏡に応用した構成の例を示す概念図。 本発明の電子スピン検出器をスピン分解光電子分光装置に応用した構成の例を示す構成図。 本発明のスピン検出器におけるVLEED検出器と減速レンズの配置例を示す側面図。
　実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。
　図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
　本明細書で引用した刊行物、特許および特許出願は、そのまま本明細書の説明の一部を構成する。
　図３Ａ～図３Ｃに、本発明による、磁場による円運動を用いてエネルギー分解をするマルチチャネルVLEED検出器の実施例を示す。各図は電子の軌道を上から見た平面図を示している。このスピン検出器は、電子の軌道に垂直方向の成分を有する磁場を印加することにより、軌道に円弧状の曲率を持たせる磁場印加部を有している。
　図３Ａで下側矢印300の方向から被測定電子301が入射する。この際、電子スピン302は、例えば右を向いていたとする。複数のVLEED検出器303が円周上に配置されている。被測定電子301は磁場304からのローレンツ力により円運動をする。ここで、ローレンツ力による円運動の半径は、電子の速度に比例する。したがって、エネルギー分散のある被測定電子を入射させた場合、エネルギーの大きい順に、円周の外側に外れて行き、順次VLEED検出器303に捕獲される。この際、電子スピン302は、ラーモア歳差運動のために、電子軌道と同じ角周波数で回転する。従って、被測定電子301の軌道と電子スピン302の向きは、常に一定の関係になり、それぞれのVLEED検出器303に捕獲される際にも、軌道305とスピン302の関係を一定にすることができる。被測定電子301のエネルギー分散が大きい場合は、VLEED検出器303の数を増やしていけばよい。
　図２に示す電場からの円運動によるエネルギー分解の場合は、電子スピンは回転しないので、各VLEED検出器が異なる向きのスピンを検出することにより、解析が複雑になる。図３Ａの構成をとることにより、VLEED検出器303で検出するスピン302の向きを一定にできるため、複数のVLEED検出器からの信号解析が容易になり、システム構築上有利である。
　ここでは、磁場のみでの回転を示したが、図２で示したような電場による回転効果も併用すると、軌道と電子スピンの関係を調整することができ、より様々な体系に対応することができる。また、図３Ａで示すVLEED検出器303の個数を増やせば、検出の分解能が向上する。また、一つのVLEED検出器303を複数個の電子検出器に分割して、取り込み角度を調整することも可能である。また、VLEED検出器303を、磁性膜を含む多層膜に置き換えることも可能である。この場合、検出効率は低くなるが、検出器表面の汚れには強い検出器が製作可能である。
　なお、VLEED検出器303自体にも電位をかけて、入射する電子のエネルギーが、そのスピン検出効率が最大となる6eVになるように設定することにより、各々のVLEED検出器において、被測定電子のスピン偏極度測定が効率よくできる。
　図３ＢにマルチチャネルVLEED検出器の具体例の上面図と側面図を示す。磁場を印加するために、永久磁石3000Aと3000Bを用いる。説明のために、上面図では永久磁石3000Aを透明にして示した。側面図は、平面図に示す検出器を矢印3003方向から見た状態を示す。永久磁石3000Aと3000Bの間に、磁場304が発生する。電子線300は、永久磁石3000Aと3000Bの間に入射するように構成される。電子線300が各VLEED検出器303に到達するまで、電子の円運動と電子スピンの回転が継続することが望ましい。このためには、電子線300が各VLEED検出器303に到達するまで、磁場を印加し続けることが望ましい。このため、上面図に示すように、各VLEED検出器303は永久磁石3000Aと3000Bに覆われていることが望ましい。
　図３ＣにマルチチャネルVLEED検出器の他の具体例の上面図と側面図を示す。磁場を印加するために、電磁石3001Aと3001Bを用いる。説明のために、上面図では電磁石3001Aを透明にして示した。側面図は、平面図に示す検出器を矢印3003方向から見た状態を示す。電磁石3001Aと3001Bの間に、磁場304が発生する。電子線300は、電磁石3001Aと3001Bの間に入射するように構成される。電子線300が各VLEED検出器303に到達するまで、磁場を印加し続けることが望ましい。このため、上面図にしめすように、各VLEED検出器303は電磁石3001Aと3001Bの磁極に覆われていることが望ましい。
　理想的には、電子線300が各VLEED検出器303に到達するまで、同じ強度の磁場を印加することが望ましい。このため、磁極3001Aと3001Bの大きさは、すべてのVLEED検出器303を、余裕をもってカバーする大きさであることが望ましい。
　磁場の大きさやVLEED検出器の配置やサイズは、検出すべき電子のエネルギーや望まれる装置のサイズに応じて、既知の電磁力学に基づいた計算により、種々設計が可能である。一例を示せば、例えば電子のエネルギーが２ｋＶ程度であれば、４０ガウス程度の磁場により、電子は直径１０～２０ｃｍ程度で回転する。この場合、永久磁石や電磁石の磁極の大きさが、１０～２０ｃｍ四方の大きさであれば、各VLEED検出器をカバーすることができる。
　なお、VLEED検出器303への電子の検出条件を等しくするためには、電子が同じ入射角度で各VLEED検出器303の検出面に入射するように構成することが望ましい。本実施例では、電子線の検出面への入射角度が同じならば、電子スピンの向きと検出面の角度も同じになる。検出器の検出器への入射角度は、感度の見地からは検出器の検出面に垂直が望ましいが、これに限定されるものではない。
　入射する電子のエネルギーや速度が変化する場合、それに応じて磁場の強さを制御することにより、磁場による電子の円運動の径を調整することができる。磁場の強さを制御するためには、永久磁石の間隔を機械的に変化させればよい。あるいは、電磁石の駆動電流を変化させればよい。検出器の近くに機械的な駆動系を配置すると、維持や管理の負担が大きくなるので、電気的に調整可能な電磁石方式にメリットがある。
　VLEED検出器303の取り付け角度が固定であるとすると、電子の検出器への入射角度は、磁場の強さを調整することで調整することができる。VLEED検出器303の取り付け角度を可変とすれば、測定の自由度は向上するが、機械的な調整は煩雑となる。
　図４に本発明における電子スピン検出器を搭載した、スピン偏極走査電子顕微鏡の実施例を示す。スピン偏極走査電子顕微鏡とは、磁性体試料から放出された２次電子の持つスピン偏極度をマッピングすることにより磁区像を得る装置で、例えば特許文献１（特開昭60-177539）等でその構成が開示されている。
　電子銃401から放出された１次電子線402は試料ステージ403にセットされている試料404に照射される。ここまでは通常のSEMと同じであるが、スピン偏極走査電子顕微鏡では試料近辺に２次電子収集光学系405を配置し、極力多くの２次電子406を搬送し、それらのスピンを分解する必要がある。そのため、２次電子406を搬送する２次電子搬送光学系407を配置し、それら光学系のレンズ特性を調節しながらスピン検出系に搬送しなくてはいけない。２次電子収集光学系405並びに２次電子搬送光学系407の各電子レンズに印加するべき電圧の一例を図に示している。
　２次電子406はその後スピン回転器408に到達し、検出したい電子スピンの成分を電子スピン回転器408で検出可能な方向に回転させた後、電子スピン検出器409へ搬送される。スピン回転器408は図７で詳しく説明するように２つ搭載すると、どの方向のスピンも検出可能方向に向けることができる。スピン回転器を２つ並べて構成する点については、例えば特開2008-251525等でもその構成が開示されている。スピン検出器409からの信号は信号処理システム410に入って、画像処理システム411で磁区像が作成される。この画像処理システム412は、スピン回転器408も制御し、どの方向のスピンを画像化するかを選択できるようにしておく。
　またこの画像処理システム411は、電子銃401を制御する電子線コントローラー412にも繋がっており、１次電子線402の試料上の位置と信号処理システム410からの信号を融合させて磁区像を作り出している。尚、１次電子線402や試料ステージ403、試料404、2次電子406、2次電子収集光学系405、２次電子搬送光学系407、スピン回転器408、スピン検出器409を覆っている真空チャンバは本図では省略している。上記のスピン偏極走査電子顕微鏡は既に報告されている技術ではあるが、本発明によるスピン検出器409を搭載することにより、従来よりも格段にS/Nの良いデータを得ることができ、また短時間での大量のデータ取得が可能となる。
　図５には、本発明によるスピン検出器を搭載した、イオン顕微鏡の実施例を示す。イン顕微鏡の原理や構成については、例えば、B.W.Ward, John A.Notte and N.P.Economou; 
Helium Ion Microscope:A New Tool for Nanoscale Microscopy and Metrology:
J. Vac. Sci. Technol. B24 (6), 2006, P.2871等によって知られている。本実施例では、基本構成は図４のスピン偏極走査電子顕微鏡と同じであり、異なる部分は、試料から電子を放出させるメカニズムである。よって、図５は試料周辺の構成しか示していない。イオン顕微鏡では、試料502にイオン501を照射する手段を備えている。試料502からの２次電子503をイオン照射で作り出しているため、高い２次電子イールドが期待でき、スピン検出器504の高効率と合わさって、極めて高いS/Nの撮影が可能である。
　図６に本発明におけるスピン検出器を搭載した光電子分光装置の実施例を示す。光源601より放出された電磁波604は、集光光学602を経た後、超高真空チャンバ603内にセットされている試料605に照射される。それにより励起された光電子は電子レンズ606を経た後、スピン検出器608に入射する。ここでは被測定電子に磁場が紙面垂直方向に印加されている。ここでスピン検出器608は、電子が描く円弧の外側にVLEED検出器614とその直前の減速レンズ613の組を多数配列させたものとして表示している。電子を磁場により円弧運動させる際、エネルギーの大きい電子ほど外側の軌道をとる。そのような性質を利用し、様々なエネルギーを持つ光電子束において、エネルギーの大きな電子から順に、円弧軌道から外周方向に逸らし、充分それた状態で減速レンズを通し、エネルギーを例えば6Vに調節してからVLEED検出器614に入射させ、スピン偏極度を検出する。
　そして各VLEED検出器で吸収した電子量を、信号として信号処理システム609やシステム制御用コンピュータ610を経て、データ保存部612に保存される。またシステム制御用コンピュータ610は光源制御部611もコントロールしている。
　この方式はスピン分解光電子分光として知られている手法であるが（非特許文献4)、スピン検出器608として従来はモット検出器を使っており、その感度は充分ではなかった。VLEED検出器も使われているが、鉄の単結晶1枚だけである。VLEED検出器を複数枚用いる本実施例のスピン検出器608により、従来よりも格段にS/Nの良いデータ、あるいは短時間での大量のデータ取得が可能となる。
　図７は本発明の別の実施例である。前述した手法では、一方向を向いているスピンしか検出できない。本発明による電子スピン検出器で他の方向のスピンを検出するためには、入射する前に検出不可能方向のスピンを検出可能方向に回転させる必要がある。このような役目を果たすスピン回転器を１つ或いは２つ、本発明によるスピン検出器の前に配置することにより、他の方向のスピンも検出できる。図７では入射される電子線700に対して、スピン回転器702と703の２を備える。704はスピン検出器、705は減速レンズである。
　スピン回転器702,703としては、電場と磁場がお互いと電子軌道に直交したウィーンフィルタと呼ばれるエネルギー分析器と同様の構造をしたもの（非特許文献3）や、ソレノイドコイルなどが考えられる。ウィーンフィルタタイプのもの２つ、或いはウィーンフィルタタイプとソレノイドタイプとの組み合わせにより、どのような方向を向いている電子スピンでも、本発明によるスピン検出器で検出できる方向に向かせることができる。
　例えば図７で、スピン回転器を全く動作させない場合では、スピン検出器704は紙面に垂直のスピン成分（Ｚ方向。すなわちスピン検出器704の入射面に平行）701a,701bを検出できるとする。そのとき、図7に示す実施例では、紙面横方向（Ｘ方向）のスピン成分701c,701dを、スピン回転器702により回転させ、紙面に垂直な方向にして検出している。この他に、電子スピンをスピン回転器703によりＸ軸を回転軸に９０度回転させれば、紙面上下方向（Ｙ方向）のスピン成分を検出できる。以上の３方向のスピンを検出することにより、電子がもつスピンの向きが３次元のＸＹＺのどの方向かを決定することができる。図７に参考のためにＸＹＺ座標軸を示した。Ｚ軸は紙面に垂直方向である。
　本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数または順序を限定するものではない。
　本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ある図で示した実施例の構成の一部を、他の図で示した実施例の構成の一部に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　本発明は、電子が持つスピンを高効率で分解でき、かつ簡便にデータ解析が可能な電子スピン検出器を提供することができる。
101…電子線、102…搬送光学系、103…等電位線、104…VLEED検出器、105…減速レンズ、106…被測定電子線進行方向、
201…被測定電子、202…電子スピン、203…VLEED検出器、204…電極、
301…被測定電子、302…電子スピン、303…VLEED検出器、304…磁場、
401…電子銃、402…1次電子線、403…試料ステージ404…試料、405…2次電子収集光学系、406…2次電子、407…2次電子搬送光学系、408…スピン回転器、409…スピン検出器、410…信号処理システム、411…画像処理システム、412…電子線コントローラー
501…イオンビーム、502…試料、503…2次電子、504…スピン検出器。

Claims (15)

  1. 　入射される電子のスピンの状態を検出するスピン検出器であって、
    　前記電子の軌道に垂直方向の成分を有する磁場を印加することにより、前記軌道に円弧状の曲率を持たせる磁場印加部と、
    　前記円弧状の第１の曲率を持たせた軌道を有する電子が入射されるように配置された、被測定電子のスピンの状態に応じた信号を検出する第１の電子検出器と、
    　前記円弧状の第２の曲率を持たせた軌道を有する電子が入射されるように配置された、被測定電子のスピンの状態に応じた信号を検出する第２の電子検出器と、
    　を有する電子スピン検出器。
  2. 　前記電子の軌道に垂直方向の成分を有する磁場を印加することにより、相対的にエネルギーの大きな電子は大きな曲率半径を有する第１の軌道を有し、相対的にエネルギーの小さな電子は小さな曲率半径を有する第２の軌道を有し、
    　前記第１の電子検出器の検出面は、前記第１の軌道を有する電子が入射されるように配置され、
    　前記第２の電子検出器の検出面は、前記第２の軌道を有する電子が入射されるように配置された、請求項１記載の電子スピン検出器。
  3. 　前記第１、第２のそれぞれの電子検出器が鉄の単結晶である請求項１記載の電子スピン検出器。
  4. 　前記第１、第２のそれぞれの電子検出器が磁性体を含む多層膜より構成される請求項１記載の電子スピン検出器。
  5. 　前記磁場印加部に前記電子が入射する前に、前記電子の電子スピンの向きを回転させる電子スピン回転部を有する請求項１記載の電子スピン検出器。
  6. 　異なる方向に電子スピンを回転させる電子スピン回転部が複数直列に配置されている請求項５記載の電子スピン検出器。
  7. 　前記電子スピン回転部は、電場と磁場を直交させる機構を持つウィーンフィルタを含む請求項６記載の電子スピン検出器。
  8. 　前記磁場印加部は電磁石あるいは永久磁石から構成され、
    　前記電子は前記電磁石あるいは永久磁石の２つの磁極の間に入射され、
    　前記第１および第２の検出器は前記電磁石あるいは永久磁石の２つの磁極の間に配置される、請求項１記載の電子スピン検出器。
  9. 　電子を所定の方向に搬送する電子搬送光学系と、
    　前記電子搬送光学系を通過した電子のスピン回転に変化を与えるスピン回転器と、
    　前記スピン回転機を通過した電子に、電子の進行方向に垂直な成分を持つ磁場を与える磁石と、
    　前記磁石の２つの磁極の間に配置され、異なるエネルギーを有する前記電子が入射する位置に配置される、電子のスピンの状態を検出する複数の電子検出器と、
    　前記複数の電子検出器からの信号を処理する信号処理部と、
    　を有する分析装置。
  10. 　前記複数の電子検出器は、
    　異なるエネルギーを有する前記電子が、前記磁場の影響を受けて異なる曲率の軌道を有する場合、該異なる曲率の軌道上に配置される、請求項９記載の分析装置。
  11. 　前記複数の電子検出器は、
    　異なるエネルギーを有する前記電子が、同じ角度で入射するように、検出面が調整される、請求項９記載の分析装置。
  12. 　試料を搭載するための試料ステージと、
    　前記試料に１次電子を照射する電子銃と、を有し、
    　前記電子搬送光学系は、前記１次電子の照射により前記試料表面から放射される２次電子を加速し所定の方向に搬送する、請求項９記載の分析装置。
  13. 　試料を搭載するための試料ステージと、
    　前記試料にイオンビームを放射するイオン銃と、を有し、
    　前記電子搬送光学系は、前記イオンビームの照射により前記試料表面から放射される電子を加速し所定の方向に搬送する、請求項９記載の分析装置。
  14. 　試料を搭載するための試料ステージと、
    　前記試料に電磁波を放射する電磁波源と、を有し、
    　前記電子搬送光学系は、前記電磁波の照射により前記試料表面から放射される光電子を加速し所定の方向に搬送する、請求項９記載の分析装置。
  15. 　所定のエネルギー幅を有する電子のスピンの状態を、入射する電子のスピンの状態に応じた信号を検出するVLEED検出器を用いて分析する分析方法であって、
    　前記電子の進行方向に垂直な成分を持つ磁場を与えることにより、相対的にエネルギーの大きな第１の電子は第１の軌道を持ち、相対的にエネルギーの小さな第２の電子は第２の軌道を持つように制御し、
    　前記第１の電子が第１の入射角で入射するように配置された第１のVLEED検出器と、前記第２の電子が第２の入射角で入射するように配置された第２のVLEED検出器とを用い、
    　前記第１の入射角と第２の入射角を所定の関係に保つことにより、上記第１のVLEED検出器に入射する第１の電子のスピンの状態と上記第２のVLEED検出器に入射する第２の電子のスピンの状態との関係を所定の関係に保つ、
    　ことを特徴とする分析方法。
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