JPH10106466A

JPH10106466A - 磁界形対物電子レンズ

Info

Publication number: JPH10106466A
Application number: JP8278974A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kikuni; 雅宏紀國; Hiroshi Sawaragi; 宏澤良木; Koichi Mukasa; 幸一武笠; Kazunobu Hayakawa; 和延早川; Kazuhisa Sueoka; 和久末岡; Yoshitaka Kuraoka; 義孝倉岡; Yasushi Kanai; 靖金井
Original assignee: EIKO ENG KK; Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
Current assignee: EIKO ENG KK; Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 1998-04-24

Abstract

(57)【要約】【課題】スピンＳＥＭにおいて、試料の観察面での漏
洩磁界の強さを抑え、具体的には地磁気以下の漏洩磁界
以下とし、磁性体試料への漏洩磁界の影響を無くす。【解決手段】磁界形対物電子レンズは、電子銃側の上
部磁極片２７と試料ｓ側の下部磁極片２８とからなる磁
極片２２と、この磁極片２２の上部磁極片２７と下部磁
極片２８の端部にあって、電子銃側と試料ｓ側とに離れ
て対極する電子光学軸２１を囲む一対の磁極２３、２４
と、前記磁極片２２を励磁し、前記磁極２３、２４の間
に磁界を形成するコイル２５とを備える。さらに、前記
磁極片２２の下部磁極片２８の試料ｓに面する側に、電
子光学軸２１上に電子線通過孔３０を有する磁性体から
なる磁気シールド２９が配置されている。この磁気シー
ルド２９はスペーサ２６を介して下部磁極片２８の固定
されており、スペーサ２６は非磁性体でも磁性体でもよ
い。磁気シールド２９の電子線通過孔３０の径ｄは、下
部磁極片２８の磁極２４の径Ｄより小さいことが望まし
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子顕微鏡等に使
用され、磁界により電子線を試料の表面上に集束する磁
界形対物電子レンズに関し、特に試料側の漏洩磁界が少
なく、そのためスピン偏極走査形電子顕微鏡、いわゆる
スピンＳＥＭに使用し、磁性体試料の磁化ベクトル等を
観察するのに好適な磁界形対物電子レンズに関する。

【０００２】走査形電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、電子銃と
試料との間に加速電圧を印加し、電子銃から試料の観察
面に一次電子を入射させる。このとき、この電子銃から
試料までの電子光学軸の途中に、幾つかの集束レンズを
配置し、さらに試料近くに対物レンズを配置し、試料の
観察表面に一次電子を集束させる。この集束させた一次
電子のスポットを偏向コイルにより走査しながら、その
試料表面から生じる二次電子を二次電子検出器で検出
し、これをＣＲＴのグリッドに与えてＣＲＴの画面に投
影する。このとき、試料上の一次電子の走査とＣＲＴの
画像面の走査とを同期させることにより、ＣＲＴの画像
面には、二次電子または反射電子の像が得られる。試料
の観察面から発生する二次電子または反射電子の電荷量
は、試料の観察面の凹凸や材質或いは試料の観察面の電
位の変化等により決定されるので、ＣＲＴの画像面に現
れる画像にでこれらの状態を観察することができる。

【０００３】図５は、ＳＥＭの主として電子光学系の構
成を示す。電子銃１が試料台２に保持した試料ｓに向け
て設置され、図示してない高圧電源により、電子銃１と
試料台２との間に加速電圧が印加される。試料台２は試
料微動機構３によって三次元方向に微動調整される。電
子銃１と試料ｓまでの電子光学軸を囲んで集束レンズ
４、スチグマコイル６、偏向コイル７、対物レンズ５等
からなる電子光学系が構成されている。これにより電子
銃１から発射された電子は、前記加速電圧で加速される
と共に、集束コイル４で集束され、スチグマコイル６で
非点補正され、偏向コイル７で偏向され、対物レンズ５
により、試料ｓの観察面上に集束される。この試料ｓの
観察面上に集束された電子線のスポットは、前記偏向コ
イル４による偏向によって二次元平面上を走査される。
また、前記対物レンズ５による焦点距離は、対物レンズ
可動絞り８により調整される。

【０００４】このようにして試料ｓの観察面上に電子線
のスポットが照射されると、試料ｓの観察面からは二次
電子が発生する。この二次電子は試料ｓに向けて設けら
れた二次電子検出器９により検出される。この検出され
た二次電子を、図示されてない増幅器で増幅し、やはり
図示されてないＣＲＴに投影する。これにより、前記の
ようにして試料ｓの観察面の走査二次元座標と二次電子
の検出電荷量とにより、その凹凸、材質及びその各位置
の電位の変化をＣＲＴの画像面に映し出し、その画像に
より観察する。

【０００５】最近、スピン偏極走査形電子顕微鏡、いわ
ゆるスピンＳＥＭを使用し、磁性体試料の各磁区の磁化
ベクトルを観察する手法が研究、開発されている。ＳＥ
Ｍにより、磁性体試料に一次電子のスポットを照射する
ことにより、試料面から二次電子が発生するが、この二
次電子の電荷は負であるため、二次電子のスピン偏極ベ
クトルは試料内部の各磁区の磁化ベクトルと平行にな
る。そこで、この二次電子の偏極度をＣＲＴの輝度変調
信号として使い、ＳＥＭの画像表示を行うことにより、
試料表面の磁化ベクトル等を観察することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとしている課題】前記のようなスピ
ンＳＥＭを使用して磁性体試料の磁化ベクトルを観察す
る場合に、高分解能を得るためには、対物レンズとして
磁界による電子線を集束する、磁界形電子レンズを使用
する必要がある。ところが、対物レンズとして磁界形電
子レンズを使用した場合、電子光学系から試料側に漏洩
する磁界が問題となる。特に、磁性体試料の磁区観察す
るのに供せられる対象物の多くは、磁気的に情報を記
録、再生する磁気記録媒体であるため、対物レンズの磁
極片から試料に漏れる磁界の影響が磁気記録媒体の記録
情報を変えてしまうおそれがある。また磁区観察結果に
影響を与えることもある。そのため、対物レンズとして
磁界形電子レンズを使用する場合、試料面付近の漏洩磁
界を所要の大きさに抑える必要がある。具体的には、地
磁気（約０．５ガウス）以下とする必要がある。

【０００７】本件発明者は、従来形ＳＥＭの対物レンズ
から試料面付近の漏洩磁界の強さを実測した結果、有限
要素法によってシュミレートした値に対し、実測値は大
幅に大きな値であることが確認された。この実測とシュ
ミレーションの結果の数値を具体的にあげると、試料面
でのシュミションによる漏洩磁界の計算値は、０．０２
１ガウスであったのに対し、実測値は１．６ガウスであ
った。での本発明は、従来の磁界形対物電子レンズにお
ける前記のような課題に鑑み、試料の観察面での漏洩磁
界の強さを抑え、具体的には地磁気以下の漏洩磁界以下
とすることを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では、前記の目的
を達成するため、電子線を所定の試料ｓの面上に集束す
る磁界形対物電子レンズの試料ｓに対面する磁極片２２
の下部磁極片２８を、磁気シールド２９で覆い、磁極片
２２の磁極２３、２４から試料側に磁界が漏洩しないよ
うにした。

【０００９】すなわち、本発明による磁界形対物電子レ
ンズは、電子銃側の上部磁極片２７と試料ｓ側の下部磁
極片２８とからなる磁極片２２と、この磁極片２２の上
部磁極片２７と下部磁極片２８の端部にあって、電子銃
側と試料ｓ側とに離れて対極する電子光学軸２１を囲む
一対の磁極２３、２４と、前記磁極片２２を励磁し、前
記磁極２３、２４の間に磁界を形成するコイル２５と、
前記磁極片２２の下部磁極片２８の試料ｓに面する側に
配置され、電子光学軸２１上に電子線通過孔３０を有す
る磁性体からなる磁気シールド２９とを備えることを特
徴とするものである。

【００１０】この磁気シールド２９はスペーサ２６を介
して下部磁極片２８の固定されており、スペーサ２６は
非磁性体でも磁性体でもよい。磁気シールド２９の電子
線通過孔３０の径ｄは、下部磁極片２８の磁極２４の径
Ｄより小さいことが望ましい。このような磁界形対物電
子レンズでは、後述するように、前記磁気シールド２９
により、それから試料側のワークディスタンスＷＤ側に
磁界が漏洩するのが防止できる。これにより、試料面で
の漏洩磁界の強度を、地磁気以下に抑えることが可能と
なる。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照しながら、本発
明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１に本発明による磁界形対物電子レンズが使用される
スピンＳＥＭの各要素の配置が示されている。この図１
に示すように、真空チェンバ５２の中に試料室が形成さ
れ、この真空チェンバ５２内は、ノーブルポンプ５５に
より排気され、所定の真空状態に維持される。この真空
チェンバ５２内の真空室には、試料台５３が配置され、
この傾斜した先端部の試料裁置面に試料ｓが保持され
る。この試料台５３の前記試料裁置面は、試料台微動機
構５４により三次元方向に微動調整される。

【００１２】真空チェンバ５２の前記試料台５３と対向
する側に設けたポートにフランジを介してロードロック
室５６が接続されており、このロードロック室５６内に
試料ホルダ６０が挿入できる。この試料ホルダ６０は、
ロードロック室５６が真空チェンバ５２側の空間と遮断
されているとき、ロードロック室５６内に出し入れされ
る。そして、ロードロック室５６が真空チェンバ５２内
の試料室側の空間と遮断され、この状態でロードロック
室５６内に前記試料ホルダ６０が導入され、ロードロッ
ク室５６内が大気に対して密閉されたとき、その内部空
間がターボ分子ポンプ５７とロータリーポンプ５８とに
より排気され、所定の真空状態に維持される。さらにこ
のロードロック室５６には、同室が真空状態のとき、試
料ホルダ６０内の試料を前記試料台５３の試料裁置面に
移動して搭載するマニュピレータ形式の試料移動機構５
９が設けられている。

【００１３】前記試料台５３の先端部分に搭載された試
料ｓに向けて、一次電子線ユニット５１が設置されてい
る。この一次電子線ユニット５１は、前述のような一次
電子線を発射する電子銃と、集束レンズ、非点補正コイ
ル、偏向コイル、対物レンズ等の一次電子線を試料ｓの
観察面上に集束すると共に走査する電子光学系を構成し
ている。この電子光学系では、図示してない加速電源に
より、電子銃と試料台との間に加速電圧が印加される。

【００１４】他方、前記試料台５３の先端部分に搭載さ
れた試料ｓに向けて、スピン検出器６１が設置されてい
る。このスピン検出器６１は、試料ｓから発生した二次
電子を検出すると共に、その所定の電位、具体的には１
０ｅＶ以下の成分のみを取り込み、そのスピン偏極度分
析を行うもので、電子光学系を備える。図１において、
符号６４は、スピン検出器６１の高圧電源、符号６５
は、その電子光学系用の光学系用電源、符号６８は、前
記電子光学系内を所定の真空空間とするイオンポンプで
ある。

【００１５】真空チェンバ５２の真空系の外部には、Ｃ
ＲＴを含むＳＥＭディスプレイシステム６３が備えられ
ている。このＳＥＭディスプレイシステム６３では、前
記スピン検出器６１で分析された二次電子のスピン偏極
度を信号処理してＣＲＴの輝度変調信号として使用す
る。このとき、一次電子線ユニット５１における試料ｓ
の観察面上の一次電子の走査と、ＣＲＴの画像面の走査
とを同期させることにより、ＣＲＴの画像面に二次電子
の各磁区の偏極状態を反映した画像が投影される。

【００１６】図１は、このようなスピンＳＥＭに適用さ
れる本発明による磁界形対物レンズの例を示す。符号
２１は一次電子の電子光学軸であり、磁界形対物レンズ
は、この電子光学軸２１に対して円対照となる回転体形
状を有している。磁極片２２は鉄系等の高透磁率を有す
る磁性体材料により形成され、上部磁極片２７と下部磁
極片２８とからなる。上部磁極片２７の電子光学軸２１
と面した部分は、下がやや細くなるテーパ状の円筒体か
らなる。また、下部磁極片２８の下部は、下が細いテー
パ状であり、その底面は平坦となっている。これら上部
磁極片２７と下部磁極片２８の前記電子光学軸２１を囲
む円形の端縁は、電子銃に側と試料ｓ側との離れて上下
に対向しており、それらが対極する一対の磁極２３、２
４となっている。このうち、図１において下部磁極片２
８の磁極２４の径は、Ｄで表されている。上部磁極片２
７と下部磁極片２８とは、ヨーク部３１で連結されてお
り、そのヨーク部３１の内部空間に磁極片２２を例示す
るコイル２５が収納されている。図１では、上部磁極片
２７、下部磁極片２８及びヨーク部３１が一体に示され
ているが、コイル２５を巻装する関係から、通常それら
はヨーク部３１で分離して形成され、コイル２５を巻装
した後、組み立てられる。

【００１７】さらに、前記磁極片２２の下部磁極片２８
の下面の全面を覆うように、スペーサを介して磁気シー
ルド２９が取り付けられている。この磁気シールド２９
は、鉄系等の高透磁率を有する磁性体からなり、前記下
部磁極片２８と同様に、下が細いテーパ状となってい
る。この磁気シールド２９の底面は平坦となっており、
底壁の中心は電子光学軸２１を囲む電子線通過孔３０と
なっている。この電子線通過孔３０の径はｄで表されて
おり、この径ｄは前記下部磁極片２８の磁極２４の径よ
り小さく設定されている。前記スペーサ２６は、所定の
角度毎に間隔をおいて下部磁極片２８と磁気シールド２
９とを所定の間隔をおいて連結するよう取り付けられて
いる。このスペーサ２６は、通常非磁性体のより作ら
れ、磁極片２２と磁気シールド２９とは、磁気的に絶縁
される。しかし場合によってスペーサ２６を磁性体で作
り、磁極片２２と磁気シールド２９とを磁気的に連結す
ることもある。

【００１８】磁界形対物レンズの下部の試料までの距
離、すなわち図１の例では、磁気シールド２９の底面と
試料ｓの観察面までの距離を、一般にワークディスタン
スＷＤと呼ぶ。スピンＳＥＭにおいて、このワークディ
スタンスＷＤは、通常４０ｍｍ程度である。このような
磁界形対物電子レンズの具体的寸法をあげると、磁気シ
ールド２９の底壁の厚さｔは１ｍｍ、この磁気シールド
２９の底壁と下部磁極片２９の底壁とのギャップｇは１
ｍｍ、下部磁極片２９の磁極２４の直径Ｄは４ｍｍφ、
磁気シールド２９の電子線通過孔３０の直径ｄは８ｍｍ
φである。

【００１９】図３は、前記スペーサ２６として非磁性体
である窒化珪素製のものを使用して前記のような磁気シ
ールド２９を設けた磁界形対物レンズと、磁気シールド
２９を設けない磁界形対物レンズとの試料ｓ側のへの漏
洩磁界の強度を比較したグラフである。横軸は磁界形対
物レンズの下部からの距離をとってあり、縦軸はその距
離における電子光学軸２１上の磁束密度である。実測値
と共に、有限要素法によるシュミレーションの計算値と
が示されている。

【００２０】このグラフから明らかな通り、実測値と計
算値とでは、相当の大きな開きがあることが分かる。そ
して、磁気シールド２９を設けない対物レンズを使用し
た場合、ＷＤ＝４０ｍｍとしたときの磁束密度の実測値
が１．６ガウスであるのに対し、磁気シールド２９を設
けた本発明による対物レンズの例を使用した場合、ＷＤ
＝４０ｍｍにおける磁束密度の実測値は０．１ガウスで
あった。前者は地磁気の目安とされる０．５ガウスの約
３倍の磁束密度であるが、後者は地磁気の目安とされる
０．５ガウスの１／５の磁束密度である。

【００２１】図４は、前記スペーサ２６として磁性体で
ある鉄製のものを使用して前記のような磁気シールド２
９を設けた磁界形対物レンズと、磁気シールド２９を設
けない磁界形対物レンズとの試料ｓ側のへの漏洩磁界の
強度を比較したグラフである。図３のグラフと同様に、
横軸は磁界形対物レンズの下部からの距離をとってあ
り、縦軸はその距離における電子光学軸２１上の磁束密
度である。実測値と共に、有限要素法によるシュミレー
ションの計算値とが示されている。

【００２２】このグラフから明らかな通り、前記の例と
同様に、実測値と計算値とでは、相当の大きな開きがあ
る。そして、磁気シールド２９を設けた本発明による対
物レンズの例を使用した場合、ＷＤ＝４０ｍｍにおける
磁束密度の実測値は０．４ガウスであった。これはは地
磁気の目安とされる０．５ガウスの８０％の磁束密度で
ある。但し、非磁性体のスペーサ２６を用いた前記の例
の４倍の磁束密度があった。従って、スペーサ２６は、
磁性体のものを使用するより、非磁性体のものを使用す
る方が効果的であることがわかる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、磁
界形対物電子レンズから試料側に漏洩する磁界が小さい
ので、スピンＳＥＭ等を使用して磁性体試料の各磁区の
磁化ベクトルを観察する場合に、磁性体試料に磁気的な
影響を与えるおそれがなくなる。このため、磁性体試料
として、磁気記録媒体の記録情報に影響を与えることが
なくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による磁場形対物レンズの例を示す要部
縦断側面図である。

【図２】同磁場形対物レンズが使用されすスピン偏極走
査電子顕微鏡の構成を示す要素配置図である。

【図３】スペーサとして非磁性体のものを使用して磁気
シールドを設けたた本発明の例の磁界形対物レンズと、
磁気シールドを設けない磁界形対物レンズとの試料側の
への漏洩磁界の強度を比較したグラフである。

【図４】スペーサとして磁性体のものを使用して磁気シ
ールドを設けたた本発明の例の磁界形対物レンズと、磁
気シールドを設けない磁界形対物レンズとの試料側のへ
の漏洩磁界の強度を比較したグラフである。

【図５】一般的な走査形電子顕微鏡の構成を示す概略要
部縦断側面図である。

【符号の説明】

２１電子光学軸２２磁極片２３上部磁極片の磁極２４下部磁極片の磁極２５コイル２６スペーサ２７上部磁極片２８下部磁極片２９磁気シールド３０電子線通過孔ｄ電子線通過孔の径Ｄ下部磁極片の磁極の径ｓ試料

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【手続補正書】

【提出日】平成８年１１月１５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

フロントページの続き (72)発明者紀國雅宏茨城県ひたちなか市山崎50番地株式会社エイコー・エンジニアリング内 (72)発明者澤良木宏茨城県ひたちなか市山崎50番地株式会社エイコー・エンジニアリング内 (72)発明者武笠幸一北海道札幌市北区北13条西８丁目北海道大学工学部内 (72)発明者早川和延北海道札幌市北区北13条西８丁目北海道大学工学部内 (72)発明者末岡和久北海道札幌市北区北13条西８丁目北海道大学工学部内 (72)発明者倉岡義孝北海道札幌市北区北13条西８丁目北海道大学工学部内 (72)発明者金井靖北海道札幌市北区北13条西８丁目北海道大学工学部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子線を所定の試料（ｓ）の面上に集束
する磁界形対物電子レンズであって、電子銃側の上部磁
極片（２７）と試料（ｓ）側の下部磁極片（２８）とか
らなる磁極片（２２）と、この磁極片（２２）の上部磁
極片（２７）と下部磁極片（２８）の端部にあって、電
子銃側と試料（ｓ）側とに離れて対極する電子光学軸
（２１）を囲む一対の磁極（２３）、（２４）と、前記
磁極片（２２）を励磁し、前記磁極（２３）、（２４）
の間に磁界を形成するコイル（２５）と、前記磁極片
（２２）の下部磁極片（２８）の試料（ｓ）に面する側
に配置され、電子光学軸（２１）上に電子線通過孔（３
０）を有する磁性体からなる磁気シールド（２９）とを
備えることを特徴とする磁界形対物電子レンズ。
【請求項２】磁気シールド（２９）はスペーサ（２
６）を介して下部磁極片（２８）の固定されていること
を特徴とする請求項１に記載の磁界形対物電子レンズ。
【請求項３】スペーサ（２６）は非磁性体であること
を特徴とする請求項２に記載の磁界形対物電子レンズ。
【請求項４】スペーサ（２６）は磁性体であることを
特徴とする請求項２に記載の磁界形対物電子レンズ。
【請求項５】磁気シールド（２９）の電子線通過孔
（３０）の径（ｄ）は、下部磁極片（２８）の磁極（２
４）の径（Ｄ）より小さいことを特徴とする請求項１〜
４の何れかに記載の磁界形対物電子レンズ。