WO2016207961A1 - 荷電粒子装置、荷電粒子の照射方法、および分析装置 - Google Patents

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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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    • H01J2237/04—Means for controlling the discharge
    • H01J2237/041—Beam polarising means

Definitions

  • the present invention relates to a technique for handling charged particles having spin.
  • Electrons have a physical quantity called spin other than electric charge, which is the origin of magnetism.
  • spin other than electric charge which is the origin of magnetism.
  • spin distribution the distribution of charged particles having upward spins and charged particles having downward spins
  • spin polarization the fact that the spin distribution is biased (not uniform)
  • spin polarization degree the deviation of the ratio of the upper and lower spins contained in the charged particle bundle
  • a spin-polarized electron beam in which the proportion of spin contained in the electron beam is biased to one side is utilized as a means for microscopically examining the magnetism of a substance.
  • the spin polarization degree is 100% (completely polarized) when all the spins are upward (or downward), and 0% (not polarized at all) when the upward and downward numbers are the same.
  • spin-polarized electron beams using a GaAs / GaAsP superlattice as an electron source have attracted attention because their spin polarization exceeds 90% (previously about 50%). It is expected that new knowledge will be obtained by irradiating the sample with a spin-polarized electron beam having such a degree of spin polarization and observing and measuring the sample.
  • the transport optical system for the spin-polarized electron beam uses an electrostatic lens and a magnetic lens similar to a normal electron beam, and a spin rotator is also used for rotation in the spin-polarized direction.
  • the transport optical system refers to a system that transports particles generated from a particle beam source such as electrons to a sample to be measured or processed.
  • the degree of polarization of a spin-polarized electron beam becomes small because, for example, when a non-uniform magnetic field is passed, dispersion occurs in the Larmor rotation angle due to the magnetic field.
  • a non-uniform magnetic field is distributed at the entrance / exit of a magnetic lens often used in a carrier optical system, so that there is a high possibility that the spin polarization degree becomes small as described above.
  • Non-Patent Document 1 discloses SPLEEM (Spin-Polarized Low Energy Energy Electron Microscopy) that irradiates a magnetic material with a spin-polarized electron beam and measures the intensity of reflected electrons.
  • SPLEEM Spin-Polarized Low Energy Energy Electron Microscopy
  • An object of the present invention is to provide a technique capable of realizing adjustment of spin polarization and orbit adjustment depending on spin in an apparatus using charged particles such as electrons and ions as a probe.
  • One aspect of the present invention for solving the above problems is a charged particle source that generates charged particles, a sample stage on which a sample is placed, and a charged particle source that is disposed between the charged particle source and the sample stage.
  • This is a charged particle device having a transport optical system for transporting in the direction of the sample stage.
  • the carrier optical system includes a magnetic field generator that generates a magnetic field having a component perpendicular to the path of the charged particle bundle, an electric field generator that generates an electric field having a component perpendicular to the path of the charged particle bundle, and a magnetic field generator. And a shielding part that shields at least a part of the charged particle bundle that has passed through the electric field generating part.
  • the vertical component of the magnetic field has a magnetic field gradient, and the vertical component of the electric field gives an electrostatic force in the direction opposite to the Lorentz force that the charged particle bundle receives.
  • Another aspect of the present invention is a charged particle irradiation method for irradiating a sample with charged particles having spin.
  • an electric field and a magnetic field having components perpendicular to the charged particle trajectory and perpendicular to each other are generated, the magnetic field has a magnetic field gradient at the position of the charged particle trajectory, and the electric field is the Lorentz force applied by the charged particle.
  • the magnetic field gradient gives the charged particles a change in orbit according to their spin.
  • Still another aspect of the present invention is a charged particle source that generates charged particles, a sample stage on which a sample is placed, and a charged particle source and a sample stage that are arranged between the charged particle source and the sample stage.
  • It is an analyzer which has a conveyance optical system to convey.
  • the transport optical system includes a separation optical system, an aperture, and an objective lens.
  • the separation optical system has a component perpendicular to the path of the charged particle bundle, the magnetic field generator generating a magnetic field having a gradient in the vertical component, and a component perpendicular to the path of the charged particle bundle and the vertical component of the magnetic field.
  • An electric field generator for generating an electric field.
  • the aperture increases the spin polarization degree of the charged particle bundle by shielding a part of the charged particle bundle that has passed through the separation optical system.
  • the objective lens converges the charged particle bundle and irradiates the sample, and the particles reflected or generated from the sample by irradiation are observed by a detector.
  • FIG. 1 is a principle diagram showing Example 1 of an electron optical system of the present invention.
  • FIG. 3 is a principle diagram showing how the electron trajectory is changed in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a principle diagram showing an electron optical system of Example 2 of the present invention.
  • FIG. 6 is a principle diagram showing an electron optical system according to Example 3 of the present invention.
  • FIG. 6 is a principle diagram showing an electron optical system according to Example 4 of the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view showing an electron optical system of Example 5 of the present invention.
  • FIG. 9 is a plan view showing an electron optical system of Example 6 of the present invention.
  • FIG. 9 is a configuration diagram illustrating a transport optical system according to a seventh embodiment of the present invention.
  • An embodiment of the present invention provides an optical system that can realize orbital adjustment depending on electron spin in a transport optical system of an electron microscope using charged particles as a probe. Thereby, the spin polarization can be controlled. Using such a transport optical system, a charged particle beam having a desired spin polarization degree can be irradiated to a sample to be observed or processed.
  • a transport optical system Using such a transport optical system, a charged particle beam having a desired spin polarization degree can be irradiated to a sample to be observed or processed.
  • FIG. 1 shows the principle of the Stern-Gerlach method.
  • FIG. 1 (a) shows the positional relationship between magnetic poles, a magnetic field having a gradient created by them, and neutron beams.
  • FIG. 1 (b) shows the force received by the spin of the neutron beam due to the magnetic field gradient.
  • a magnetic field gradient is formed by magnetic lines 103 of a magnetic pole (N pole) 101 and a magnetic pole (S pole) 102.
  • N pole magnetic pole
  • S pole magnetic pole
  • the magnetic field on the N pole 101 side is strong (the magnetic field lines are dense), and the magnetic field on the S pole 102 side is weak (the magnetic field lines are coarse).
  • the neutron 104 is incident on the space with this magnetic field gradient from the front to the back of the page. Then, as shown in FIG. 1B, a force 106 is applied in the opposite direction depending on whether the spin direction of the neutron 104 is parallel or antiparallel to the direction of the magnetic field gradient. The force 106 changes the neutron orbit. At this time, even if the force received from the magnetic field gradient is very small, the neutron does not receive any other force from the magnetic field. For this reason, as shown in FIG. 1B, the orbits of neutrons having different spins are separated according to the force from the gradient.
  • spin can take two states, upward and downward, stochastically.
  • spin is thought to give the nature of a magnet (magnetic moment) to a neutron (particle).
  • FIG. 1B in the drawing of the present embodiment, the state of the magnetic moment of the particles due to the spin is represented by an arrow.
  • the direction indicated by the arrow corresponds to the N pole and the opposite side corresponds to the S pole.
  • the direction of the spin can also be represented by an arrow, but in a general notation, the direction of the arrow is opposite to the magnetic moment.
  • the magnetic moment is magnetized by the magnetic field.
  • the neutron 104a on the right side of FIG. 1B the neutron is strongly attracted to the N pole side and weakly attracted to the S pole side. For this reason, the force 106a finally attracted to the N pole side remains.
  • the neutron in the left neutron 104b the neutron is strongly repelled from the N pole side (strongly attracted to the S pole side) and weakly repelled from the S pole side (weakly attracted to the N pole side). For this reason, a force 106b that is finally attracted to the S pole side remains.
  • the solution adopted here is to apply an electric field having a component perpendicular to the magnetic field application direction and the particle trajectory direction.
  • Patent Document 1 a spin detector that separates and detects the magnetic moment of charged particles
  • spin can be biased depending on the position in the electron bundle (electron beam) such as left and right, up and down, or inside and outside.
  • the electron bundle electron beam
  • spin polarization can be generated in a part of the electron beam bundle. Therefore, by installing an optical system (shielding plate, aperture, etc.) that cuts a part of the electron beam bundle after these optical systems, only the spin-polarized part is conveyed to the subsequent optical system, The degree of polarization can be increased.
  • Non-Patent Document 1 SPLEEM (Spin-Polarized Low Energy Energy Electron Microscopy) (Non-Patent Document 1), which measures the intensity of reflected electrons by irradiating a magnetic material with a spin-polarized electron beam. Very useful in increasing / N.
  • notations such as “first”, “second”, and “third” are used to identify components, and do not necessarily limit the number or order.
  • a number for identifying a component is used for each context, and a number used in one context does not necessarily indicate the same configuration in another context. Further, it does not preclude that a component identified by a certain number also functions as a component identified by another number.
  • FIG. 2 shows the basic structure of the electron optical system of Example 1.
  • FIG. 2 (a) shows the relationship between magnetic poles and electrodes, and the magnetic field and electric field created by them.
  • FIG. 2 (b) shows electron spins and the force they receive from the magnetic field gradient.
  • the magnetic field generated by a magnetic pole having a curved surface such as a concave surface or a convex surface has a gradient. Since it is difficult to work on a magnetic pole having a curved surface with high accuracy, it is also effective to use a magnetic pole composed of a plurality of planes approximating a curved surface.
  • the N-pole magnetic pole 201 and the S-pole magnetic pole 202 have different shapes as in the Stern-Gerlach method, and form a magnetic field gradient.
  • the two electrodes 203 may have the same shape, but their surfaces are not inclined but are inclined.
  • the magnetic field lines 204 and the electric field lines 205 generated in such a state are different in direction and density depending on the location.
  • FIG. 2B in this state, electrons 206 are incident in the vertical direction of the drawing.
  • the electrons 206a and 206b receive forces 207a and 207b depending on the state of spin.
  • the basic difference between FIG. 1 and FIG. 2 is the presence or absence of charge on the particles and the presence or absence of a configuration that reduces the Lorentz force due to the charge.
  • a desired magnetic field gradient is generated by the magnetic field lines 204.
  • the electron 206 receives a Lorentz force due to the magnetic field lines 204 and the charge (elementary quantity of electricity) of the electron 206 and the velocity of the electron. In FIG. 2, an electrostatic force that cancels this is received from the electric field lines 205.
  • a rightward Lorentz force is applied to the electron 206 and the trajectory is shifted to the right.
  • a negative electrode is placed on the right side
  • a positive electrode is placed on the left side
  • a leftward force is applied to the negatively charged electron 206, The orbit will be shifted to the left.
  • the shape, magnetic force, and voltage of the magnetic poles 201 and 202 and the electrode 203 for obtaining the magnetic field lines 204 and electric field lines 205 that satisfy the conditions can be calculated by classical electromagnetics. For example, if the electron accelerated at 10 V travels 1 m in a magnetic field gradient of 1 T / m, the amount of deflection that is received can be calculated as 1.4 ⁇ m. This amount of deflection is proportional to the square of the traveling distance of electrons in the magnetic field.
  • the force received by the electron 206 is only the force 207 received from the magnetic field gradient, and the direction of the force 207 differs depending on the spin of the electron 206. It is possible to generate a difference in trajectory according to.
  • FIG. 3 shows a view of the embodiment of the present invention shown in FIG.
  • the electron 206 enters the magnetic poles 201 and 202 and the electrode 203 from the right side, and receives a force corresponding to the spin direction from the magnetic field gradient, and the trajectory changes while passing through the magnetic poles 201 and 302 and the electrode 203. To do. Thereby, a difference in trajectory according to the spin of the electron 206 can be generated.
  • the shift of the trajectory of the two electrons is greatly represented, and the electron flux appears to be separated.
  • the magnitude of the trajectory deviation can be controlled.
  • one electron bundle can be made into two electron bundles composed of electrons having different spins.
  • one electron bundle is made into two electron bundles composed of electrons having different spins, as shown in FIG. 3, one electron bundle is shielded by the shielding plate 301 and only the other electron bundle is applied to the sample 302. Can be irradiated. With this configuration, the sample 302 can be irradiated with an electron flux having a high spin polarization.
  • FIG. 4 shows an example of electron beam spin distribution control according to the second embodiment of the present invention.
  • the example of FIG. 4 shows a state in which electrons having spin (or magnetic moment) in the vertical direction on the paper are biased in the horizontal direction.
  • the generation of a magnetic field with a magnetic field gradient is also possible by passing an electric current through the conductor.
  • the concentric magnetic field generated at this time is strong in the vicinity of the conducting wire and becomes weaker as the distance from the conducting wire increases. In this case, a magnetic field having a gradient in the radial direction of the concentric circle is generated.
  • the plate-like electrode 401 and the current 402 from the back side to the front side of the paper surface generate a concentric magnetic field 403.
  • the traveling direction of the electrons incident on the magnetic field 403 is a direction perpendicular to the paper surface.
  • the electron bundle 406 before entering the optical system is circular as shown in FIG. There is no spin polarization (the upward spin and the downward spin are distributed in half and uniformly).
  • an electron 404 having an upward magnetic moment receives a force to the left
  • an electron 405 having a downward magnetic moment receives a force to the right.
  • this force is greater on the right side of the electron 405 having a downward magnetic moment.
  • the electron bundle 407 after passing through this optical system has a distorted shape with a narrower right side.
  • the electron 405 having a downward spin on the right side is biased to cause spin polarization.
  • the electron 405 receives Lorentz force by the magnetic field 403 as described in FIG.
  • the direction of the Lorentz force depends on the traveling direction of the electron 405 relative to the paper surface
  • the plate electrode 402 is given a positive or negative polarity that applies an electrostatic force to the electron 405 that cancels the Lorentz force.
  • the aperture 408 shown in FIG. 4C is applied to the electron bundle 407 causing the spin polarization shown in FIG. 4B to block a part of the electron bundle 407. Since the spin distribution in the electron flux 407 is biased, the spin polarization degree of the electron flux after passing through the opening 409 can be changed.
  • Example 3 is shown in FIG.
  • the basic configuration is the same as in FIG. FIG. 5 shows a state in which electrons having spin (or magnetic moment) in the horizontal direction of the paper are biased in the horizontal direction.
  • the electric field generated by the plate electrode 203 and the magnetic field generated by the magnetic pole 201 having a convex curved surface and the magnetic pole 202 having a concave curved surface are used.
  • the direction of electron travel is perpendicular to the page.
  • the electron flux 506 before entering the optical system is circular, and there is no spin polarization inside.
  • an electron 504 having a magnetic moment in the right direction is an electron 505 having a left and left magnetic moment in which the magnetic field of the S pole 202 is strong.
  • a strong magnetic field is applied to the right side.
  • the magnetic field lines on the N pole 201 side are dense, the force that the electron 505 having a leftward spin receives on the right side is larger.
  • the electron bundle 507 after passing through this optical system has a distorted shape with a narrower right side, and the electron 505 having a leftward spin is biased in that direction, causing spin polarization.
  • the electrons 504 and 505 are subjected to Lorentz force by the magnetic field.
  • the direction of the Lorentz force depends on the traveling direction of the electrons 504 and 505 with respect to the paper surface, the plate-like electrode 203 is given a positive or negative polarity that applies an electrostatic force to the electron to cancel the Lorentz force.
  • an electron bundle with a controlled spin polarization can be obtained.
  • FIG. 5B shows an example in which the electron bundle 507 is once enlarged before the electron bundle 507 is incident on the aperture 408.
  • FIG. 6 shows a fourth embodiment of the present invention using an electric field generated by four plate electrodes 601, 602, 603, and 604 and a magnetic field generated by magnetic poles 605 and 606 having two convex curved surfaces.
  • FIG. 6 shows a state in which electrons having spins in the left-right direction on the paper are left-right isotropic while the electrons are biased in the left-right direction. Also in this case, the traveling direction of the electrons 609 is a direction perpendicular to the paper surface, and passes through the central portion of FIG.
  • the electron flux 609 before entering the optical system in FIG. 6 (a) is circular and there is no spin polarization inside.
  • the electrodes 603 and 604 have a higher potential (relatively positive potential) than the electrodes 601 and 602, and the electrons receive the electrostatic force on the lower side, and receive upward from the magnetic poles 605 and 606. Cancel the Lorentz force.
  • this force is isotropic from side to side, so the electron bundle 610 after passing through this optical system can maintain a circular shape (elliptical shape), and an electron 607 having a rightward spin on the left side thereof.
  • the electron 608 having a leftward spin on the right side is polarized, causing spin polarization.
  • the right half or the left half of the electron bundle 610 is shielded by the shielding plate 611, whereby the spin polarization degree of the passing electrons can be changed. If the relative position of the shielding plate 611 and the electron flux 610 is variable, the spin polarization degree can be switched. Further, an aperture as shown in FIG. 4C may be applied.
  • FIG. 7 shows a fifth embodiment of the present invention.
  • a plurality of combinations of magnetic poles and electrodes shown in FIG. 5 are prepared and arranged in the electron trajectory direction.
  • it can also comprise using the structure of FIG. 4 or FIG.
  • this example by arranging several pairs of magnetic poles and electrodes (three in this example) in the electron trajectory direction, the change in the trajectory due to the spin is expanded.
  • FIG. 5A three configurations (units) of FIG. 5A are arranged in series, but the configurations of FIG. 4A and FIG. 6A may be arranged.
  • the electrons first enter the magnetic poles 701 and 702 and the electrode 703.
  • the Lorentz force is canceled by the electrostatic force generated by the electrode 703, as in the previous embodiment.
  • the magnetic poles 701 and 702, 704 and 705 generate a magnetic field in the opposite direction, and the shape of the magnetic pole is reversed, so the density distribution of the magnetic field lines is also reversed.
  • the direction of the magnetic field gradient is the same. Therefore, the force that the electron spin receives from the magnetic field gradient created by the magnetic poles 701 and 702 and 704 and 705 is in the same direction.
  • the Lorentz forces are in opposite directions and can be canceled with each other.
  • Lorentz force can be partially offset between units. Therefore, the scale of the electrode that applies electrostatic force can be reduced. Conversely, even if the Lorentz force cannot be completely canceled by electrostatic force, the Lorentz force can be canceled by adjusting the arrangement of the plurality of electrodes and magnetic poles.
  • the electrons then enter the magnetic poles 707 and 708 and the electrode 709.
  • the direction of the magnetic field generated by the magnetic poles 707 and 708 and the gradient of the magnetic field line density are opposite to those generated by the magnetic poles 704 and 705.
  • the force received from the magnetic field gradient can be increased, and the force received from others such as the Lorentz force can be reduced, thereby enhancing spin-dependent orbital deflection. be able to.
  • FIG. 8 shows a sixth embodiment of the present invention.
  • a plurality of sets of magnetic poles and electrodes are arranged on the circumference, and electrons are caused to move circularly therein, thereby enhancing the separation of orbits by spin.
  • a plurality of units 801 are arranged on the circumference, with the configuration for canceling the Lorentz force received by the magnetic poles and the electrons described in FIGS. 4 to 7 described above as one unit. However, it is necessary to leave a portion where the electrons 802 are incident.
  • the electron 802 is made incident on this circumference, and the electromagnetic field in the unit is controlled so that the electrons rotate on the circumference.
  • the magnetic field in the unit is oriented in the vertical direction of the drawing, and that spins in the vertical direction of the drawing are resolved. Even if the force that the spin of electrons in each unit receives is weak, it performs a circular motion many times and passes through multiple units arranged on the circumference many times, so the force that the spin receives from the magnetic field gradient Appropriate integration will result in large orbital differences.
  • the change in the trajectory becomes sufficiently large, it enters the aperture 803 at a position slightly away from the electron trajectory in the vertical direction of the drawing and cuts a desired portion of the electron flux, thereby improving the spin polarization degree. it can. Thereafter, it is transported in the direction 804 of the optical system that irradiates the observation sample.
  • the spin polarization state can be dynamically switched if the magnetic field or electric field is electrically controlled to reverse the polarity. .
  • This transport optical system can change the path (orbit) of charged particles (for example, electrons) depending on the spin. If the path change is sufficiently large, the electron flux is separated into two according to the spin. Further, if the change in the path is kept small, spin bias (spin polarization) can be generated in one electron flux. If a part of an electron flux having a spin bias is shielded, an electron flux having a high spin polarization can be formed.
  • path orbit
  • spin bias spin polarization
  • the spin is biased in one electron flux, and as shown in FIGS. 4 and 6, a part of the electron flux is shielded by an aperture or the like. As a result, the spin polarization degree of the electron flux can be controlled.
  • an electron flux with a large degree of polarization can be easily formed, but the apparatus may be increased in size.
  • An example of a transport optical system that irradiates a sample with an electron flux whose spin polarization degree is controlled using an aperture will be described below.
  • FIG. 9 is a basic configuration diagram showing an embodiment in which the configurations of Embodiments 1 to 6 are applied to a transport optical system.
  • the transport optical system is generally stored in a space with a high degree of vacuum or cleanliness, such as in a vacuum chamber.
  • Various electron sources can be used as the electron source 901. If the above-described GaAs / GaAsP superlattice is used as an electron source, an electron flux having a high spin polarization can be formed. Moreover, you may utilize well-known charged particle sources other than an electron.
  • the electron bundle 902 emitted from the electron source 901 can be efficiently extracted by the acceleration electrode 903 that accelerates electrons. Further, a condenser lens 904 for controlling the electron bundle (probe) diameter and the probe current may be arranged.
  • the optical system between the electron source 901 and the separation optical system 905 can use a configuration that controls the movement of electrons by a known electric or magnetic field. In the example of FIG. 9, an electric field type acceleration electrode 903 and a magnetic field type condenser lens 904 are used.
  • the separation optical system 905 is a portion that gives different orbits to the electrons of the electron bundle depending on the spin state.
  • the separation optical system 905 includes a magnetic field generator that generates a magnetic field having a component perpendicular to the path of the charged particle bundle, and an electric field generator that generates an electric field having a component perpendicular to the path of the charged particle bundle.
  • the path of the charged particle bundle can theoretically be represented by the orbit of the particle at the center of gravity of the cross section of the charged particle bundle.
  • the particle trajectory may be considered industrially equivalent to the optical axis of the optical system.
  • the separation optical system 905 can be configured by one or a combination of the configurations described in FIGS. In the charged particle bundle emitted from the separation optical system, the distribution of charged particles having upward spins and charged particles having downward spins (ie, “spin distribution”) is biased.
  • the aperture 907 is for controlling the degree of spin polarization of the electron bundle 902, but it may also serve as a normal objective lens aperture, and the objective lens aperture may be composed of another aperture. Also good.
  • the role of the control optical system 906 between the separation optical system 905 and the aperture 907 is to control the electron flux 902 incident on the aperture 907.
  • the aperture shown in FIG. 5 (b) As explained, it is desirable to adjust the electron bundle diameter to be larger than the diameter of the aperture 409 of the aperture. Therefore, it is desirable that the control optical system 906 includes a magnifying optical system 9061 that enlarges the diameter of the electron bundle.
  • the magnifying optical system 9061 only needs to substantially increase the diameter of the electron bundle.
  • the magnifying optical system 9061 intentionally increases the electron bundle diameter with an electron lens or the like, and even when only passing a predetermined distance electron bundle, the diameter of the electron bundle expands spontaneously by the action of its own charge.
  • a configuration that only allows electrons to pass through a predetermined distance without placing a lens or the like is also included.
  • the method of expanding the diameter of the electron bundle without placing an electron lens or the like has little effect on the spin distribution of the electron bundle emitted from the separation optical system 905 and has a simple configuration, but the optical path length of the electron is small. become longer.
  • the spin polarization degree can be changed by changing the transmitting portion of the electron bundle 610. That is, by changing the relative position of the electron flux 610 (corresponding to the electron flux 902 in FIG. 9) with respect to the shielding plate 611 (corresponding to the aperture 907 in FIG. 9), the spin polarization degree can be changed or controlled. .
  • the control optical system 906 includes a deflection optical system 9062. Although the same effect can be obtained even if the aperture is mechanically moved, there is an advantage in using a deflection optical system mechanically.
  • the degree of spin polarization can be controlled by controlling the relative positions of the aperture 907 and the electron flux 902.
  • an electric field type using an electric field and a magnetic field type using a magnetic field in lenses and deflectors constituting an optical system for transporting charged particles there are an electric field type using an electric field and a magnetic field type using a magnetic field in lenses and deflectors constituting an optical system for transporting charged particles.
  • a magnetic field type with good performance is mainly used in an electron microscope, but the optical system after the separation optical system 905 is advantageous in that it is configured as an electric field type. This is because particles with spin are affected by the trajectory due to a magnetic field having a gradient, so that the trajectory changes when a magnetic type optical system is used. For this reason, the spin distribution controlled by the separation optical system 905 is disturbed. Therefore, particularly when individual optical system elements are designed and controlled independently, control for obtaining a desired spin polarization degree may be complicated.
  • an electric field type or a magnetic field type optical system or deflector can be arbitrarily provided depending on performance.
  • an electrostatic lens is used for the magnifying optical system 9061 that constitutes the control optical system 906, and a deflection electrode is used for the deflection optical system 9062 so that a configuration for generating a magnetic field is not provided.
  • the electron bundle 902 that passes through the aperture 907 and whose spin polarization degree is controlled passes through the deflector 908 and the objective lens 909, and is irradiated onto the sample 910.
  • the sample 910 is generally placed on the sample holder 911.
  • the sample holder (or sample stage) 911 may include a rotation / movement mechanism.
  • the deflector 902 controls the irradiation position of the electron bundle 902 on the sample 910.
  • the objective lens 909 irradiates the sample 910 with the electron bundle 902 converged to a desired diameter. As the diameter of the electron bundle 902 is smaller, the resolution is improved.
  • the optical system disposed between the separation optical system 905 and the sample 910, such as the deflector 908 and the objective lens 909 depends on the spin when it is configured by an electric field type deflection electrode or electrostatic lens. The orbital deviation can be ignored.
  • this apparatus When this apparatus is used as an analysis apparatus, secondary electrons radiated from the sample 910 by irradiation of the electron bundle 902, reflected electrons and other obtained particles 912 are detected by the detector 913. The state can be analyzed.
  • FIG. 10 shows an eighth embodiment of an analyzer in which the transport optical system of the seventh embodiment is applied to SPLEEM.
  • the circularly polarized light from the laser 1001 is applied to the semiconductor 1002 such as GaAs, and a spin-polarized electron beam 1000 is generated.
  • the electron optical system shown in FIGS. 2 to 8 is installed in a part of the electron lens system 1003 on the irradiation side to improve the spin polarization degree of the spin-polarized electron beam 1000, and then the sample stage (sample The sample 1006 placed on 1007 may be irradiated.
  • the configuration described with reference to FIG. 9 is applied to the specific configuration of the electron lens system 1003 on the irradiation side.
  • the electrons 1008 reflected from the sample 1006 are imaged on the screen 1009.
  • Those having a high level of stability of the control devices 1004 and 1005 of these lens systems are preferable. If the spin polarization degree of the spin-polarized electron beam 1000 can be adjusted by the electron optical system according to the present embodiment, it is extremely effective for improving the S / N.
  • FIG. 11 shows an embodiment 9 of an analyzer in which a spin-polarized electron beam formed by the transport optical system of the embodiment 7 is applied to a scanning electron microscope.
  • Patent Document 2 discloses a configuration of a conventional scanning electron microscope.
  • the electron source is a spin-polarized electron source, and is controlled by the electron beam controller 1100.
  • the electron beam controller 1100 can control the wavelength of the excitation light and the direction of circularly polarized light.
  • circularly polarized light is emitted from the laser 1101 and applied to the semiconductor 1102, and a spin-polarized electron beam 1103 is emitted from the semiconductor 1102.
  • the spin-polarized electron beam 1103 After being accelerated by the electrostatic lens 1104, the spin-polarized electron beam 1103 passes through the electron optical system 1105 having the multi-stage configuration shown in FIG. 5 as shown in FIG. Adjusts the degree of spin polarization.
  • the electrostatic lens 1104 is not accelerated to about 1 kV or more, the control of the traveling direction of the emitted electron beam will not be successful, and there is a possibility that all the electrons cannot reach the sample.
  • the spin-polarized electron beam 1103 passes through the scanning deflection electrode 1106 and is deflected in accordance with the scanning signal.
  • the sample 1108 is irradiated.
  • the scanning deflection electrode 1106 and the electrostatic electrode 1107 after the aperture 907 do not use a magnetic field.
  • Part of the spin-polarized scanning electron beam irradiated on the sample 1108 is reflected to become reflected electrons 1109.
  • a part of the sample enters the sample and excites the internal electrons to generate secondary electrons. Since the amount of reflected electrons and secondary electrons at this time depends on the relationship between the spin polarization degree of incident electrons and the sample magnetization of the irradiated part, as shown in this example, the spin-polarized electron beam.
  • the configuration described in FIG. 9 may be applied to the details of the configuration of the transport optical system from the semiconductor 1102 which is an electron source to the sample 1108.
  • the electron flux has been described above as an example, but the principle is the same as long as it is a charged particle having a spin such as a positron or a proton.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.

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Abstract

本発明の荷電粒子線装置は、荷電粒子源と試料台の間に配置されて荷電粒子を荷電粒子束として試料台方向へ搬送する搬送光学系を備え、前記搬送光学系は、荷電粒子束（４０６）の進路と垂直成分を有する磁場（４０３）を発生する磁場発生部（４０２）と、荷電粒子束の進路と垂直成分を有する電場を発生する電場発生部（４０１）と、磁場発生部および電場発生部を通過した荷電粒子束の少なくとも一部を遮蔽する遮蔽部（４０８）とを有する。そして、磁場の垂直成分は磁場勾配を持ち、電場の垂直成分は荷電粒子束が受けるローレンツ力と逆方向に静電気力を与える。これにより、１次電子線のスピン偏極度を、増加させることも含めて調整可能な光学系を提供できるようになった。

Description

荷電粒子装置、荷電粒子の照射方法、および分析装置
　本発明は、スピンを有する荷電粒子を取り扱う技術に関する。
　電子は電荷以外にスピンという物理量を持つが、これは磁性の起源である。つまり物質内部の電子スピンがある方向に偏っていると、つまりスピン偏極していると、その物質は磁性を持つ。
　以下、上向きのスピンを有する荷電粒子と下向きのスピンを有する荷電粒子の分布を「スピンの分布」といい、スピンの分布が偏っている（均一でない）ことを「スピン偏極」しているという。また、荷電粒子束に含まれる上下のスピンの割合の偏りを「スピン偏極度」という。
　電子線においても、電子線に含まれるスピンの割合が片方に偏ったスピン偏極電子線は、物質の磁性を微視的に調べる手段として活用されている。スピン偏極度は、例えばスピンが全て上向き（または下向き）だと偏極度100％（完全に偏極している）、上向きと下向きが同数だと0％（全く偏極していない）となる。
　特に最近ではGaAs/GaAsPの超格子を電子源とするスピン偏極電子線は、そのスピン偏極度が90％を超える等から（従来は50％程度）、注目されている。このようなスピン偏極度を持つスピン偏極電子線を試料に照射して、試料を観察、測定することにより、新たな知見を得ることが期待される。
　このスピン偏極電子線の搬送光学系は、通常の電子線同様の静電レンズや磁界レンズが用いられており、またスピン偏極方向の回転用としてスピン回転器も使用されている。ここで、搬送光学系とは、電子等の粒子線源から発生した粒子を、測定あるいは加工対象である試料まで搬送する系をいうものとする。
　スピン偏極電子線の偏極度は、例えば一様でない磁場を通過すると、磁場によるラーモア回転角に分散が生じるために小さくなる。例えば搬送光学系でよく用いられる磁界レンズの出入り口などでは、一様でない磁場が分布しているため、上記のようにスピン偏極度が小さくなる可能性が高い。逆にスピン偏極度を意図的に調整したり、大きくしたりするような搬送光学系は、現状ではない。
　以上のように、スピン偏極度の大きさを調整するような搬送光学系や、スピンに依存して電子の軌道を調整するような搬送光学系は報告されていなかった。
　なお、荷電粒子が持つ磁気モーメントを高効率で分解できる検出器について特許文献１および特許文献２がある。また、スピン偏極電子線を磁性体へ照射してその反射電子の強度を計測するSPLEEM（Spin－Polarized Low Energy Electron Microscopy）について非特許文献１がある。
特開2008－251525号公報 特開2010－146968号公報
ジャーナル　オブ　フィジックス　ディー、アプライド　フィジックス　第３５巻、第２３２７頁から第２３３１頁（２００２）（Journal of Physics D: Applied Physics　35、p2327－2331(2002)
　本発明の課題は、電子やイオンなど荷電粒子をプローブとして用いる装置において、スピン偏極度の調整や、スピンに依存した軌道の調整を実現できる技術を提供することにある。
　上記課題を解決する本発明の一側面は、荷電粒子を発生する荷電粒子源と、試料を載置する試料台と、荷電粒子源と試料台の間に配置され、荷電粒子を荷電粒子束として試料台方向へ搬送する搬送光学系を有する荷電粒子装置である。
　この装置において、搬送光学系は、荷電粒子束の進路と垂直成分を有する磁場を発生する磁場発生部と、荷電粒子束の進路と垂直成分を有する電場を発生する電場発生部と、磁場発生部および電場発生部を通過した荷電粒子束の少なくとも一部を遮蔽する遮蔽部とを備える。また、上記磁場の垂直成分は磁場勾配を持ち、上記電場の垂直成分は荷電粒子束が受けるローレンツ力と逆方向に静電気力を与える。
　本発明の他の一側面は、スピンを持つ荷電粒子を試料に照射する荷電粒子の照射方法である。この方法では、荷電粒子の軌道と垂直、かつ、お互いが垂直になる成分を有する電場と磁場を発生させ、磁場は荷電粒子の軌道の位置において磁場勾配を持ち、電場は荷電粒子がうけるローレンツ力を弱めるように印加され、磁場勾配によって荷電粒子にそのスピンに応じた軌道の変化を与える。
　本発明のさらに他の一側面は、荷電粒子を発生する荷電粒子源と、試料を載置する試料台と、荷電粒子源と試料台の間に配置され、荷電粒子を荷電粒子束として試料まで搬送する搬送光学系を有する分析装置である。搬送光学系は、分離光学系と、アパーチャと、対物レンズを備える。分離光学系は、荷電粒子束の進路と垂直な成分を有し、該垂直成分が勾配を有する磁場を発生する磁場発生部と、荷電粒子束の進路および磁場の垂直成分と垂直な成分を有する電場を発生する電場発生部とを備える。また、アパーチャは、分離光学系を通過した荷電粒子束の一部を遮蔽することにより、荷電粒子束のスピン偏極度を増大させる。対物レンズは、荷電粒子束を収束して試料に照射し、照射により試料より反射もしくは発生する粒子を検出器で観測する。
　スピン偏極度の大きさを調整するような搬送光学系や、スピンに依存して電子の軌道を調整するような搬送光学系を提供することができる。
中性子にスピンに応じた力を与えるシュテルン・ゲルラッハ法を示す原理図。 本発明の電子光学系の実施例１を示す原理図。 本発明の実施例１において、電子の軌道が変更される様子を示す原理図。 本発明の実施例２の電子光学系を示す原理図。 本発明の実施例３の電子光学系を示す原理図。 本発明の実施例４の電子光学系を示す原理図。 本発明の実施例５の電子光学系を示す斜視図。 本発明の実施例６の電子光学系を示す平面図。 本発明の実施例７の搬送光学系を示す構成図。 本発明の実施例８のSPLEEMを示す構成図。 本発明の実施例９の走査型電子顕微鏡を示す構成図。
　本発明の実施例では、荷電粒子をプローブとして用いる電子顕微鏡の搬送光学系において、電子のスピンに依存した軌道の調整を実現できる光学系を提供する。これにより、スピン偏極度を制御することも可能となる。このような搬送光学系を用いて、観察や加工する試料に対して、所望のスピン偏極度を有する荷電粒子線を照射することができる。実施例を理解するために、まずスピンをもつ荷電粒子の振る舞いに関する原理を説明する。
　荷電粒子ではないが、スピンに依存した中性子の軌道の調整については、シュテルン・ゲルラッハ法（Stern Gerlach method）が知られている。
　図１にシュテルン・ゲルラッハ法の原理を示す。図１(a)は磁極とそれらが作り出す勾配を持つ磁場並びに中性子線の位置関係を示す。図１(b)は磁場勾配により中性子線のスピンが受ける力を示している。
　図１(a)に示すように、例えば、磁極（N極）101と磁極（S極）102による磁力線103で、磁場勾配を形成する。図１(a)の例では、N極101側の磁場が強く（磁力線が密）であり、S極102側の磁場が弱い（磁力線が粗）。
　この磁場勾配を持つ空間に中性子104を、紙面表から裏に向かって入射させる。すると、図１(b)に示すように、その磁場勾配の向きに対して中性子104のスピンの向きが平行か反平行かによって逆向きの力106を受ける。その力106により、中性子の軌道を変化させるものである。この際、磁場勾配から受ける力は微小であっても、中性子は磁場からそれ以外に力を受けない。このために、図１(b)に示すように、勾配からの力によって異なるスピンをもつ中性子の軌道が別れることになる。
　周知のように、スピンは上向きと下向きの２つの状態を確率的にとり得る。スピンは、概念的には中性子（粒子）に磁石の性質（磁気モーメント）を与えると考えられる。図１(b)に示すように、本実施例の図面では、スピンによる粒子の磁気モーメントの状態を矢印で表すことにする。説明上、矢印の指す方向がＮ極に、逆側がＳ極に相当するものとする。なお、スピンの向きも同じく矢印で表すことができるが、一般的な表記では、磁気モーメントとは逆向きの矢印となる。
　不均一な磁場中では、磁気モーメントは磁場により磁力を受ける。例えば、図１(b)の右側の中性子104aでは、中性子はN極側に強く引き寄せられ、S極側に弱く引き寄せられる。このため、最終的にはN極側へ引き寄せられる力106aが残る。左側の中性子104bでは、中性子はN極側から強く反発を受け（S極側に強く引き寄せられ）、S極側から弱く反発を受け（N極側に弱く引き寄せられ）る。このため、最終的にはS極側へ引き寄せられる力106bが残る。
　以上のように、シュテルン・ゲルラッハ法によれば、中性子のスピンに依存した軌道の調整を実現できる光学系を提供することができる。
　しかし、工業上は中性子を扱うシュテルン・ゲルラッハ法をそのまま電子やイオンなどの荷電粒子に適用することはできない。その理由は、電荷を持たない中性子とは異なり、電磁場中で運動する荷電粒子の場合、圧倒的に大きいローレンツ力を受けるために、電子のスピンに依存した軌道の調整が意味を持たないほど、荷電粒子の軌道が大きく曲がってしまうからである。従って、電子顕微鏡などの電子光学系に使用することはできない。
　そこで、ローレンツ力による軌道の変化の問題を解決する原理を検討する。ここで採用する解決法は、磁場印加方向と粒子軌道方向に垂直成分を持つ電場を印加するというものである。
　すなわち、静電気力でローレンツ力を小さくする（理想的にはキャンセルさせる）向きに電場を印加する。これにより粒子が受ける磁場勾配から受ける力の影響を支配的にして、荷電粒子の軌道を変化させるものである。この原理に基づいて、荷電粒子の磁気モーメントを分離して検出するスピン検出器が、発明者らによって既に報告されている（特許文献１）。
　この方式により、左右上下、あるいは内側外側等、電子束（電子ビーム）内の位置によってスピンを偏らせることができる。この場合、無偏極の電子線においても、電子線束内の一部にスピン偏極を生じさせることができる。従って、これらの光学系の後段に、電子線束の一部をカットする光学系（遮蔽板やアパーチャ等）を設置することにより、スピン偏極している部分だけを後段光学系に搬送し、スピン偏極度を増加させることができる。
　このスピン偏極度の調整や増加は、スピン偏極電子線を磁性体へ照射してその反射電子の強度を計測するSPLEEM（Spin－Polarized Low Energy Electron Microscopy）（非特許文献１）等において、S/Nを増加させる点で非常に有用である。
　以下、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。
　以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。
　本明細書や請求項における「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。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。
　図面や明細書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。
　本明細書において単数形で表される構成要素は、特段文脈で明らかに示されない限り、複数形を含むものとする。
　以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
　図２に、実施例１の電子光学系の基本構造を示す。図２(a)は、磁極、電極とそれらが作り出す磁場と電場の関係を示す。図２(b)は、電子のスピンとそれらが磁場勾配より受ける力を示している。
　図２のように凹面や凸面など、曲面を持つ磁極が生成する磁場は、勾配を持っている。曲面を持つ磁極を精度よく工作するのは難しいので、曲面を近似した複数の平面から構成される磁極を用いることも有効である。
　図２(a)に示すように、シュテルン・ゲルラッハ法と同様、N極の磁極201とS極の磁極202は異なる形状を持ち、磁場勾配を形成する。2つの電極203は同じ形状でよいが、その表面を平行ではなく傾けて配置している。
　このような状態で発生する磁力線204と電気力線205は、ともに場所によって向きや密度が異なるものとなる。
　図２(b)に示すように、その状態で、電子206を図面垂直方向に入射させる。図１で説明した原理により、電子206aと206bはスピンの状態により、力207aと207bを受ける。図１と図２の基本的な違いは、粒子の電荷の有無と、電荷によるローレンツ力を小さくする構成の有無である。ローレンツ力は理想的にはキャンセルすることが望ましいが、スピンに起因する軌道ずれへの影響を小さくするようにローレンツ力を弱めるだけでも所定の効果がある。
　電子206に所望の力207を加えて所望の量だけ軌道を変更するため、磁力線204で所望の磁場勾配を生成する。磁力線204と電子206の電荷（電気素量）および電子の運動速度により、電子206はローレンツ力を受ける。図２ではそれをキャンセルするような静電気力を電気力線205から受けるようにする。
　例えば、電子206が、図１と同様に紙面の表から裏の方向に入射しているとすると、電子206には右向きのローレンツ力が加わり、軌道は右側にずれる。この力をキャンセルするためには、図２(a)に示すように、右側にマイナスの電極を置き、左側にプラスの電極を置いて、マイナスの電荷を持つ電子206に左向きの力を加え、軌道を左側にずらすことになる。
　条件を満たす磁力線204と電気力線205を得るための、磁極201，202、電極203の形状と磁力、電圧は古典的電磁気学により計算することができる。例えば、仮に1T/mの磁場勾配中を、10Vで加速された電子が1m進む際に受ける偏向量は、1.4umと計算できる。この偏向量は、磁場中の電子の進行距離の2乗に比例する。
　条件を満たす磁力線204と電気力線205が得られた場合、電子206が受ける力は、磁場勾配から受ける力207のみになり、その力207は電子206のスピンによって向きが違うので、電子のスピンに応じた軌道の違いを生成することができる。
　図３に、図２で示した本発明の実施例を電界205の向きからみた図を示す。本図で電子206は右側から磁極201と202、電極203に向かって入射し、そこで磁場勾配よりスピンの向きに応じた力を受け、磁極201と302、電極203を通過する間に軌道が変化する。これにより電子206のスピンに応じた軌道の違いを生成することができる。
　なお、図３では２つの電子の軌道のずれを大きく表しており、電子束は分離されているように見える。ただし、軌道のずれ量の大きさは制御可能である。ずれ量を大きく調整することで、１つの電子束をスピンの異なる電子からなる２つの電子束にすることができる。また、ずれ量を小さく調整し、一つの電子束の内部で、スピンの分布を変更することができる。
　１つの電子束をスピンの異なる電子からなる２つの電子束にした場合には、図３に示すように、片方の電子束を遮蔽版301で遮蔽し、もう片方の電子束のみを試料302に照射することができる。この構成により、スピン偏極度の高い電子束を試料302に照射することができる。
　図４に、本発明の実施例２による、電子線のスピンの分布の制御の例を示す。図４の例では、紙面上下方向のスピン（あるいは磁気モーメント）を持つ電子が、左右方向に偏っていく状態を示す。
　磁場勾配を持つ磁場の生成は、導線に電流を流すことでも可能になる。この際に生じる同心円状の磁場は、導線近辺では強く、導線から離れるに従って弱くなる。この場合、同心円の径方向に勾配を持つ磁場が生成していることになる。
　図４(a)に示すように、板状電極401と、紙面裏側から表側に向かう電流402が同心円状磁場403を生成している。ここで、磁場403に入射する電子の進行方向は紙面垂直方向とする。
　一般的な電子源と搬送電子光学系で形成された電子束を用いた場合、図４(b)に示すように、この光学系に入射する前の電子束406は円形であり、その内部でのスピン偏極はない（上向きのスピンと下向きのスピンが半分ずつ、かつ均一に分布）。この状態で、電流402が作り出す同心円状磁場403を通過すると、上向き磁気モーメントを持つ電子404は左、下向き磁気モーメントを持つ電子405は右側に力を受ける。また磁場勾配により、この力は下向き磁気モーメントを持つ電子405が右側に受ける力の方が大きい。
　上記の作用が働くことにより、この光学系を通過した後の電子束407は右側が細くなったいびつな形になる。また、右側に下向きスピンを持つ電子405が偏った、スピン偏極を起こす。
　このとき、図２で説明したように電子405は磁場403によりローレンツ力を受ける。ローレンツ力の向きは電子405の紙面に対する進行方向に依存するが、板状電極402には、ローレンツ力を打ち消す静電気力を電子405に加えるような、正または負の極性を与える。
　図４(b)に示すスピン偏極を起こした電子束407に対し、図４(c)に示すアパーチャ408を適用し、電子束407の一部を遮蔽する。電子束407内のスピンの分布が偏っているため、開口409通過後の電子束のスピン偏極度を変更することができる。
　図５に実施例３を示す。基本構成は図２と同様である。図５では、紙面左右方向のスピン（あるいは磁気モーメント）を持つ電子が、左右方向に偏っていく状態を示す。板状電極203が作り出す電場と、凸状曲面を持つ磁極201と凹状曲面を持つ磁極202が作り出す磁場を利用している。
　ここでも、電子の進行方向は紙面垂直方向である。この光学系に入射する前の電子束506は円形であり、その内部でのスピン偏極はない。この状態で、図５(a)に示す上記の電磁場中を通過すると、右向きの磁気モーメントを持つ電子504は、S極202の磁界が強い左、左向きの磁気モーメントを持つ電子505はN極201の磁界が強い右側に力を受ける。またこの力は、N極201側の磁力線が密であるため、左向きスピンを持つ電子505が右側に受ける力の方が大きい。
　上記の作用が働くことにより、この光学系を通過した後の電子束507は右側が細くなったいびつな形になり、その方向に左向きスピンを持つ電子505が偏った、スピン偏極を起こす。
　このとき、図２で説明したように電子504，505は磁場によりローレンツ力を受ける。ローレンツ力の向きは電子504，505の紙面に対する進行方向に依存するが、板状電極203には、ローレンツ力を打ち消す静電気力を電子に加えるような、正または負の極性を与える。
　電子束507に対して、図４(c)と同様にアパーチャを適用することにより、スピン偏極度を制御した電子束を得ることができる。
　図５(b)では、アパーチャ408に電子束507を入射する前に、一度電子束507を拡大する例を示す。拡大された電子束508をアパーチャ408に照射して、電子束の一部を透過させることにより、同じアパーチャを使った場合、図４(c)の場合よりスピン偏極度の制御が容易となる。
　図６に4枚の板状電極601、602、603、604が作り出す電場と、２つの凸状曲面を持つ磁極605、606が作り出す磁場による、本発明の実施例４を示す。図６では、紙面左右方向のスピンを持つ電子が、左右方向に偏りながら、ビーム形状は左右等方的になっている状態を示す。ここでも、電子609の進行方向は紙面垂直方向で、図６(a)の中央部を紙面表側から裏側に向かって通過する。
　図６(a)の光学系に入射する前の電子束609は円形であり、その内部でのスピン偏極はない。図6(a)において、電極601と602より、電極603と604の電位を高く（相対的にプラス電位）し、電子は下側に静電気力を受けるようにして、磁極605と606から受ける上向きのローレンツ力をキャンセルするようにする。
　この図６(a)に示す電磁場中を通過すると、図６(b)に示すように、右向きの磁気モーメントを持つ電子607は左、左向きの磁気モーメントを持つ電子608は右側に力を受け、スピン偏極を生じる。
　図４や図５の例と違い、この力は左右等方的なのでこの光学系を通過した後の電子束610は円形（楕円形）を保つことができ、その左側に右向きスピンを持つ電子607、右側に左向きスピンを持つ電子608が偏った、スピン偏極を起こす。
　図６(c)に示すように、電子束610の右半分または左半分を遮蔽板611で遮蔽することにより、通過する電子のスピン偏極度を変更することができる。遮蔽板611と電子束610の相対位置を可変とすれば、スピン偏極度を切り替えることができる。また、図４(c)のようなアパーチャを適用してもよい。
　図７に、本発明の実施例５を示す。前述の図５に示した磁極と電極の組み合わせを複数個準備し、それを電子軌道方向に並べたものである。なお、図４や図６の構成を複数用いて構成することもできる。この例では、いくつかの磁極と電極の組（本例では３つ）を電子の軌道方向に並べることにより、スピンによる軌道の変化を拡大する。
　一組の磁極と電極のペアが持つ磁場勾配から電子のスピンが受ける力が充分ではない場合、それらの組み合わせを複数個準備し、磁場勾配から受ける力を足し合わせることによって、充分な軌道の変化を得ることができる。
　本実施例では、図５(a)の構成（ユニット）を３つ直列に並べているが、図４(a)や図６(a)の構成を並べてもよい。電子は最初に磁極701と702、電極703に入射する。ここでも前述の実施例同様、ローレンツ力は電極703による静電気力でキャンセルするものとする。
　その後電子は磁極704と705、電極706に入射する。ここで、磁極701と702、704と705では逆方向の磁場を作り出すようにして、また磁極の形も逆転させているので磁力線の密度分布も逆になる。その結果、磁場勾配の向きは同じになる。従って、電子のスピンが磁極701と702、704と705が作り出す磁場勾配から受ける力は同じ方向になる。但し、それぞれの磁極が作り出す磁場の向きが異なるので、ローレンツ力は逆方向になり、お互いにキャンセルするようにできる。
　この方式では、ローレンツ力をユニット同士で一部相殺することができる。よって、静電気力を与える電極の規模を小さくすることができる。また逆に、仮に静電気力でローレンツ力のキャンセルが完全にできなかった場合でも、複数個の電極、磁極の配置を調整すれば、ローレンツ力をキャンセルすることができる。
　本実施例においては、その後電子は磁極707と708、電極709に入射する。ここでも磁極707と708が作り出す磁場の方向、磁力線密度の勾配は磁極704と705が作り出すものと逆方向になっている。このように、磁極と電極の組み合わせを適当な個数配列することによって、磁場勾配から受ける力は増強し、ローレンツ力等他から受ける力は小さくすることができるので、スピン依存の軌道偏向を増強させることができる。すべての組み合わせにおいて、電子の光軸710は一致させておくことが望ましい。
　図８に、本発明の実施例６を示す。複数組の磁極と電極を円周上に配置し、その中を電子を円運動させることにより、スピンによる軌道の分離を増強する例である。
　前述の図４～７で説明した、磁界勾配を作り出す磁極と電子が受けるローレンツ力をキャンセルするための構成を1つのユニットとして、複数のユニット801を円周上に並べる。但し電子802が入射する部分を空けておく必要がある。
　このような状態で電子802をこの円周に入射させ、ユニット内の電磁場を制御して電子が円周上を回転運動させるようにする。本実施例では、ユニット内で磁場は図面垂直方向に向いており、図面垂直方向のスピンを分解することを想定している。個々のユニット内での電子のスピンが受ける力は弱くても、円運動を何周も行い、円周上に並べた複数のユニットを何回も通過するので、スピンが磁場勾配から受ける力を適切に積分してやれば、大きな軌道の違いとなって表れる。
　そして、その軌道の変化が充分大きくなると、電子軌道から少し図面垂直方向に離れた位置においているアパーチャ803に入射し、電子束の所望の部分をカットすることにより、スピン偏極度を向上させることができる。その後観察試料に照射する光学系の方向804へ搬送される。このような電子の円運動を利用すれば、微弱な力を積分して、スピンによる電子軌道の分解が可能になる。
　以上の図２～図７の構成から明らかなように、これらの実施例において、磁界や電界を電気的に制御して極性を反転すれば、スピン偏極の状態を動的に切り替えることができる。
　以上の実施例１～６の構成を搬送光学系に用いた例を示す。この搬送光学系は、スピンに依存して荷電粒子（例えば電子）の進路（軌道）を変更することができる。進路の変化が十分大きければ、電子束はスピンに応じて２つに分離される。また、進路の変化を小さく留めれば、１つの電子束の中で、スピンの偏り（スピン偏極）を生ぜしめることができる。スピンの偏りを持つ電子束の一部を遮蔽すれば、スピン偏極度の高い電子束を形成することができる。
　このような、スピンの状態を制御された荷電粒子線をプローブとして試料に照射し、種々の観測を行うことにより、特に磁性分野での新しい発見が期待される。
　試料に照射するプローブを形成する際に、スピンに応じた電子束の進路変化が大きく、電子束が２つに分離されている場合には、片方の電子束をダミーのターゲット等で遮蔽し、もう片方のみを試料に照射する構成とすることができる。
　スピンに応じた進路の変化を小さく留めれば、１つの電子束の中で、スピンの偏りを生じるので、図４や図６で示したように、アパーチャ等によって電子束の一部を遮蔽することにより、電子束のスピン偏極度を制御することができる。
　図３で説明したように、電子束をスピンに応じて２つに分離する方式では、偏極度の大きな電子束を容易に形成できるが、装置が大型化する可能性がある。以下にアパーチャを用いて、試料にスピン偏極度を制御した電子束を照射する搬送光学系の一例を示す。
　図９は、実施例１～６の構成を搬送光学系に適用した実施例を示す基本構成図である。搬送光学系は一般に真空チャンバ内等、真空度や清浄度の高い空間に格納される。電子源901としては、各種の電子源を使用できる。前述のGaAs/GaAsPの超格子を電子源とすれば、スピン偏極度の高い電子束を形成できる。また、電子以外の公知の荷電粒子源を利用してもよい。
　電子源901から放射された電子束902は、電子を加速する加速電極903で効率的に引き出すことができる。また、電子束（プローブ）径やプローブ電流を制御するためのコンデンサレンズ904等を配置してもよい。電子源901と分離光学系905の間の光学系は、公知の電界または磁界で電子の運動を制御する構成を用いることができる。図９の例では電界型の加速電極903と磁界型コンデンサレンズ904を用いている。
　分離光学系905はスピンの状態によって電子束の電子に異なる軌道を与える部分である。分離光学系905は、荷電粒子束の進路と垂直成分を有する磁場を発生する磁場発生部と、荷電粒子束の進路と垂直成分を有する電場を発生する電場発生部を備える。荷電粒子束の進路は、理論的には荷電粒子束の断面の重心位置における粒子の軌道に代表させることができる。粒子の軌道は工業的には光学系の光軸と等価と考えてよい。分離光学系905は、図２～図８で説明した構成の１つまたは複数の組合せで構成することができる。分離光学系を射出した荷電粒子束は、上向きのスピンを有する荷電粒子と下向きのスピンを有する荷電粒子の分布（すなわち「スピンの分布」）が偏っている。
　分離光学系905でスピンに応じた軌道の偏向を与えられた電子束902は、制御光学系906を経てアパーチャ907に入射する。ここで、アパーチャ907は電子束902のスピン偏極度を制御するためのものであるが、通常の対物レンズ用の絞りを兼ねてもよいし、対物レンズ用の絞りは別のアパーチャで構成してもよい。
　分離光学系905とアパーチャ907の間にある制御光学系906の役割は、アパーチャ907に入射する電子束902の制御である。例えば、図４(c)に示すように、特定のスピンを持つ電子が偏在した電子束407の中から、アパーチャ408で高精度に所望の部分を透過させるためには、図５(b)で説明したように、アパーチャの開口409の径に対して電子束径を大きく調整することが望ましい。従って、制御光学系906には電子束の径を拡大する拡大光学系9061を含むことが望ましい。
　なお、拡大光学系9061は実質的に電子束の径を大きくできればよい。拡大光学系9061は、電子レンズ等で意図的に電子束径を大きくする他、所定の距離電子束を通過させるだけでも、電子束の径は自らの電荷の作用で自発的に広がるため、電子レンズ等を置かずに所定距離電子を通過させるのみの構成も含む。
　電子レンズ等を置かずに電子束の径を広げる方式は、分離光学系905から射出される電子束のスピンの分布に影響を与えることが少なく、構成が簡単であるが、電子の光路長が長くなる。
　また、図６(c)に示すように、電子束610のうち透過させる部分を変更することにより、スピン偏極度を変更することができる。すなわち、遮蔽版611（図９のアパーチャ907に相当）に対する、電子束610（図９の電子束902に相当）の相対的位置を変更することにより、スピン偏極度の変更や制御が可能となる。このため、制御光学系906には、偏向光学系9062を含むことが望ましい。アパーチャを機械的に動かしても同様の効果が得られるが、機構的には偏向光学系を用いる利点がある。
　また、図４(c)や図５(b)のような場合でも、アパーチャ907と電子束902の相対位置を制御することにより、スピン偏極度を制御することができる。
　なお、荷電粒子を搬送する光学系を構成するレンズや偏向器には、電界を用いる電界型と磁界を用いる磁界型がある。一般に電子顕微鏡では性能の良い磁界型が主に用いられているが、分離光学系905以降の光学系は、電界型で構成することにメリットがある。なぜならば、スピンを持つ粒子は勾配を持つ磁界により軌道に影響を受けるため、磁界型の光学系を用いると軌道が変化する。このため、分離光学系905で制御したスピンの分布が乱れてしまう。よって、特に個々の光学系要素を独立に設計したり制御したりする場合には、所望のスピン偏極度を得るための制御が複雑になる可能性があるためである。
　逆に、電子源901と分離光学系905の間には、性能により電界型、磁界型のいずれの光学系や偏向器も任意におくことができる。
　特に、分離光学系905とアパーチャ907の間には、磁界を発生する要素を置かないことが望ましい。分離光学系905とアパーチャ907の間に傾斜磁場があると、アパーチャに入射する電子束のスピンの分布が乱れるからである。すなわち、例えば、図４(b)407に示すようなスピンの分布を保ったまま、図４(c)のようにアパーチャに入射させることが困難になる。よって、図９の構成例では、制御光学系906を構成する拡大光学系9061には静電レンズを、偏向光学系9062は偏向電極を用い、磁界を発生する構成を置かないようにしている。
　一方、アパーチャ907以降の光学系では、アパーチャによりスピン偏極度が100％近くになっている場合には、軌道のずれはあるものの、電子束中のスピンの分布が乱れるということがないので、軌道ずれを考慮したうえで磁場を用いてもかまわない。
　アパーチャ907を通過し、スピン偏極度の制御された電子束902は、偏向器908や対物レンズ909を経て、試料910に照射される。試料910は一般に試料ホルダ911上に配置される。試料ホルダ（または試料台）911は回転、移動機構を備えていてもよい。
　偏向器902は試料910上の電子束902の照射位置を制御する。また、対物レンズ909は電子束902を所望の径に収束させて試料910上に照射する。電子束902の径は小さいほど分解能が向上する。なお上述のように、偏向器908や対物レンズ909等、分離光学系905から試料910の間に配置される光学系は、電界型である偏向電極や静電レンズで構成すると、スピンに依存した軌道ずれを無視することができる。
　この装置を分析装置として利用する場合には、電子束902の照射により試料910から放射される２次電子や反射電子その他の得られる粒子912を、検出器913で検出することにより、試料910の状態を分析することができる。
　図１０に実施例７の搬送光学系を、SPLEEMに適用した分析装置の実施例８を示す。真空チャンバ内において、レーザー1001から円偏光した光がGaAs等の半導体1002に照射され、スピン偏極電子線1000が生成される。その後の照射側の電子レンズ系1003の一部に、例えば図２～８に示した電子光学系を設置して、スピン偏極電子線1000のスピン偏極度を向上させてから、試料ステージ（試料台あるいは試料ホルダでもよい）1007に載置される試料1006に照射する。照射側の電子レンズ系1003の具体的な構成は、図９で説明した構成を適用する。
　そして試料1006から反射した電子1008をスクリーン1009上に結像させる。それらのレンズ系の制御装置1004や1005の安定度も高いレベルのものが好ましい。本実施例による電子光学系によりスピン偏極電子線1000のスピン偏極度を調整することができれば、S/Nの向上には極めて有効である。
　図１１に実施例７の搬送光学系で形成したスピン偏極電子線を、走査電子顕微鏡に適用した分析装置の実施例９を示す。従来の走査電子顕微鏡の構成については、例えば特許文献２に開示がある。電子源はスピン偏極電子源であり、電子線制御装置1100によってコントロールされる。例えば円偏光でGaAs等の半導体1102を励起するタイプが考えられるが、電子線制御装置1100によって励起光の波長や円偏光の向きを制御できるようにする。
　本実施例では、円偏光した光がレーザー1101から出射して半導体1102に照射され、半導体1102からスピン偏極電子線1103が放出される。スピン偏極電子線1103は静電レンズ1104で加速された後、例えば図７に示したように図５の構成を多段にした（図１１では２段）電子光学系1105を通過し、アパーチャ907によってスピン偏極度が調整される。
　ここで、静電レンズ1104で約1kV以上に加速しないと、放出された電子線の進行方向の制御がうまくいかず広がってしまい、すべての電子を試料に到達させることができない可能性がある。
　その後、スピン偏極電子線1103は走査用偏向電極1106を通過し、走査信号に応じて偏向する。
　その後、静電電極1107で減速され、約100V以下の加速度になった後に試料1108に照射される。図１１の構成では、アパーチャ907以降の走査用偏向電極1106や静電電極1107では、磁界を用いていない。
　試料1108に照射されたスピン偏極走査電子線のうち、一部は反射されて反射電子1109となる。また一部は試料内部に入り込み、内部の電子を励起し、2次電子を発生させる。この際の反射電子や2次電子の量は、入射電子のスピン偏極度と照射されている部分の試料磁化との関係に依存するので、本実施例に示すように、スピン偏極電子線、磁性体試料、そして電子検出器をこのような配置にセットし、反射電子や2次電子の強度をマッピングすることにより、試料の磁化の向きを可視化して分析することができる。
　図１１の例においても、電子源である半導体1102から試料1108までの搬送光学系の構成の細部は、図９で説明した構成を適用すればよい。
　以上では、電子束を例に説明したが、陽電子や陽子など、スピンを有する荷電粒子であれば、原理的には同様である。
　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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。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。
101，201，301，701，705，707…磁極（N極）、102，202，302，702，704，708…磁極（S極）、103，204…磁力線、104…中性子、106…中性子が磁場勾配から受ける力の向き、203，303，703，706，709…電極、205…電気力線、206，304，802…電子、207…電子が磁場勾配から受ける力の向き、305…電子検出器、401，501…板状電極、402…電流、403…同心円状磁場、404…上向き磁気モーメントを持つ電子、405…下向き磁気モーメントを持つ電子、406，506，609…入射する前の電子束、407，507，610…通過した後の電子束、502，605，606…凸状曲面を持つ磁極、503…凹状曲面を持つ磁極、504，607…右向き磁気モーメントを持つ電子、505，608…左向き磁気モーメントを持つ電子、601，602，603，604…板状電極、710…電子の光軸、801…磁場勾配を作り出す磁極とローレンツ力をキャンセルする電極のユニット、408，803，907…アパーチャ、1000，1103…スピン偏極電子線、1003…本発明実施例による電子光学系を含む照射側の電子レンズ系、1004，1005…電子レンズ系の制御装置、910，1006，1108…試料、1104…静電レンズ、1105…本発明実施例による電子光学系

Claims (15)

  1. 　荷電粒子を発生する荷電粒子源と、
    　試料を載置する試料台と、
    　前記荷電粒子源と前記試料台の間に配置され、前記荷電粒子を荷電粒子束として前記試料台方向へ搬送する搬送光学系を有し、
    　前記搬送光学系は、
    　前記荷電粒子束の進路と垂直成分を有する磁場を発生する磁場発生部と、
    　前記荷電粒子束の進路と垂直成分を有する電場を発生する電場発生部と、
    　前記磁場発生部および前記電場発生部を通過した前記荷電粒子束の少なくとも一部を遮蔽する遮蔽部と、
    　を備え、
    　前記磁場の垂直成分は磁場勾配を持ち、
    　前記電場の垂直成分は前記荷電粒子束が受けるローレンツ力と逆方向に静電気力を与える、
    　ことを特徴とする荷電粒子装置。
  2. 　前記磁場発生部と前記電場発生部を備える分離光学系を備え、
    　前記分離光学系を射出した前記荷電粒子束は、上向きのスピンを有する荷電粒子と下向きのスピンを有する荷電粒子の分布が偏っており、
    　前記遮蔽部は、前記遮蔽により前記荷電粒子束のスピン偏極度を大きくする、
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子装置。
  3. 　前記分離光学系と前記遮蔽部との間に、
    　前記遮蔽部によって遮蔽される前記荷電粒子束の断面積を拡大する拡大光学系を有する、
    　ことを特徴とする請求項２記載の荷電粒子装置。
  4. 　前記分離光学系と前記遮蔽部との間に、
    　前記荷電粒子束と前記遮蔽部の相対的位置を変化させる偏向器を有する、
    　ことを特徴とする請求項２記載の荷電粒子装置。
  5. 　前記分離光学系と前記遮蔽部との間に、
    　前記遮蔽部に入射する前記荷電粒子束の条件を電場によって制御する制御光学系を有する、
    　ことを特徴とする請求項２記載の荷電粒子装置。
  6. 　前記分離光学系と前記遮蔽部の間に、
    　磁場によって構成される光学系または偏向器を有しない、
    　ことを特徴とする請求項５記載の荷電粒子装置。
  7. 　前記荷電粒子源と前記分離光学系の間には、磁場によって構成される光学系および偏向器の少なくとも一つを有する、
    　ことを特徴とする請求項６記載の荷電粒子装置。
  8. 　前記磁場発生部と前記電場発生部を備える分離光学系を備え、
    　前記分離光学系は、
    　第１の磁場発生部および第１の電場発生部の組からなる第１のユニットと、
    　第２の磁場発生部および第２の電場発生部の組からなる第２のユニットと、
    　を備え、
    　前記第１のユニットと前記第２のユニットは、前記荷電粒子束の進路に沿って配置され、互いに、前記磁場勾配の向き、前記磁場の垂直成分、前記電場の垂直成分が逆向きである、
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子装置。
  9. 　スピンを持つ荷電粒子を試料に照射する荷電粒子の照射方法であって、
    　前記荷電粒子の軌道と垂直、かつ、お互いが垂直になる成分を有する電場と磁場を発生させ、
    　前記磁場は前記荷電粒子の軌道の位置において磁場勾配を持ち、
    　前記電場は前記荷電粒子がうけるローレンツ力を弱めるように印加され、
    　前記磁場勾配によって前記荷電粒子にそのスピンに応じた軌道の変化を与える、
    　ことを特徴とする荷電粒子の照射方法。
  10. 　前記電場と磁場を発生させるために、第１の電極と磁極の組み合わせからなる第１のユニットと、第２の電極と磁極の組み合わせからなる第２のユニットを、前記荷電粒子の軌道方向に配列し、
    　前記第１のユニットと前記第２のユニットは、それらが形成する前記磁場勾配の向き、前記磁場、および、前記電場が、いずれも逆方向に向いている、
    　ことを特徴とする請求項９記載の荷電粒子の照射方法。
  11. 　前記第１のユニットと前記第２のユニットを円周上に配列し、前記荷電粒子を前記円周上で複数回回転させることにより、前記磁場勾配によるスピンに応じた軌道の変化を増強する、
    　ことを特徴とする請求項１０記載の荷電粒子の照射方法。
  12. 　前記スピンに応じた軌道の変化を与えた後、前記荷電粒子の一部を遮断することにより、前記試料に照射される前記荷電粒子のスピン偏極度を制御する、
    　ことを特徴とする請求項９記載の荷電粒子の照射方法。
  13. 　前記荷電粒子のスピン偏極度を制御した後、前記荷電粒子の一部を遮断するまでに用いる構成は、磁界を用いた光学系もしくは偏向器を用いない、
    　ことを特徴とする請求項１２記載の荷電粒子の照射方法。
  14. 　荷電粒子を発生する荷電粒子源と、
    　試料を載置する試料台と、
    　前記荷電粒子源と前記試料台の間に配置され、前記荷電粒子を荷電粒子束として前記試料まで搬送する搬送光学系を有し、
    　前記搬送光学系は、分離光学系と、アパーチャと、対物レンズを備え、
    　前記分離光学系は、
    　前記荷電粒子束の進路と垂直な成分を有し、該垂直成分が勾配を有する磁場を発生する磁場発生部と、
    　前記荷電粒子束の進路および前記磁場の垂直成分と垂直な成分を有する電場を発生する電場発生部と、
    　を備え、
    　前記アパーチャは、
    　前記分離光学系を通過した前記荷電粒子束の一部を遮蔽することにより、前記荷電粒子束のスピン偏極度を増大させ、
    　前記対物レンズは、前記荷電粒子束を収束して前記試料に照射し、
    　前記照射により前記試料より反射もしくは発生する粒子を観測する検出器を有する、
    　ことを特徴とする分析装置。
  15. 　前記分離光学系と前記アパーチャの間に、
    　電界レンズまたは前記荷電粒子の自発的な拡散により前記荷電粒子束の径を拡大する拡大光学系、および、偏向電極の少なくとも一つを備える制御光学系を有する、
    　ことを特徴とする請求項１４記載の分析装置。
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