JP3400541B2 - 走査電子線を用いた磁性顕微方法及び走査型透過電子顕微鏡 - Google Patents

走査電子線を用いた磁性顕微方法及び走査型透過電子顕微鏡

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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、磁性材料内外の微小領
域の磁気特性や磁化状態を評価する場合などに用いられ
る走査型透過電子顕微鏡に関するものである。 【0002】 【従来の技術】電子線を使って微小領域の磁気特性を評
価しようという試みは数多くなされている。その1つの
方法として、試料内外の電磁場により電子線が受ける偏
向を、4つ以上に分割され、各分割部分から独立に信号
が取り出せるように構成された検出器(位相差コントラ
スト検出器)により検出して画像表示する走査ローレン
ツ電子顕微鏡(走査型透過電子顕微鏡の位相差コントラ
ストモード)がある。この顕微鏡の電磁場計測原理は以
下のようである。まず、電子源より取りだした電子線を
レンズにより試料上で収束し、走査する。そして、電子
線が試料を透過しているときに被るローレンツ力による
偏向を、位相差コントラスト検出器により検出し、これ
を試料内の電磁場分布として表示するものである。この
計測法は、例えば、ウルトラマイクロスコピー、3、1
978年、第203頁(Ultramicroscop
y,3(1978)203)に記載されている。 【0003】また、他の方法として走査干渉電子顕微鏡
がある。この顕微鏡の電磁場計測原理は以下のようであ
る。電子源と電子線走査を行う偏向器との間にバイプリ
ズムを設け、このバイプリズムにより試料上に収束する
電子線を分割する。この分割された電子線は試料を透過
した後、重なりあって強度干渉縞を形成する。この干渉
縞の位置は、分割された電子線が被る電磁場によって変
化する。したがって、この干渉縞の位置変化を検出する
ことで、試料内外の電磁場を検出し、電磁場分布を画像
表示するようにしたものである。この顕微鏡は、特開平
3−81939号公報等に記載されている。 【0004】これらの顕微鏡は、いずれも収束した電子
線を使っている。このため空間分解能が高く、しかも、
磁性情報を直接計算機上に取り込むことができるので、
信号の取扱が容易であるという特徴を持つ。さらに、元
素分析などの他の計測機能との複合化ができるなどの特
徴も持っている。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】ところが、それぞれの
顕微鏡には以下のような問題点がある。 【0006】まず、走査ローレンツ電子顕微鏡は電磁場
の強度に対してコントラストが線形であるため、観察し
ている電磁場が空間的に緩やかに変化している場合に
は、これに応じてコントラストも緩やかな変化しか示さ
ず、明瞭な像が得にくいという問題がある。たとえば、
磁性体内部の磁化分布とそこから漏れる漏洩磁界の分布
を同時に観察しようとした場合、磁化のコントラストを
はっきりだした像を得ようとすると、漏洩磁界のコント
ラストはほとんど付かないという問題が起きる。 【0007】一方、走査干渉電子顕微鏡では、電磁場の
強度変化に対してコントラストが周期的になるので、緩
やかに変化する漏洩磁界を観察した場合でも、その変化
を明瞭なコントラストとして表示できる。しかし、激し
く変化する磁性体の磁化分布等の観察では、そのコント
ラストが複雑になりすぎ、かえって不明瞭な像になると
いう問題がある。 【0008】本発明の目的は、電磁場の空間分布の変化
が大きく異なる試料を観察する場合でも、明瞭な像を得
ることのできる顕微鏡を提供することである。 【0009】 【課題を解決するための手段】本発明の目的を達成する
ために、走査ローレンツ電子顕微鏡、および走査干渉電
子顕微鏡としての計測モードを1つの電子顕微鏡の中に
組み込み、これらを瞬時に切り替えられるようにした。 【0010】 【作用】上述した如く、走査ローレンツ電子顕微鏡は電
磁場の強度に対してコントラストが線形である。そのた
め、観察している電磁場が、磁性薄膜内部の磁化状態の
ように、空間的に激しく変化している場合には、これに
応じてコントラストも激しく変化する。したがって、得
られた像は、コントラストの明瞭な像となる。 【0011】一方、走査干渉電子顕微鏡では、電磁場の
強度変化に対してコントラストが周期的になる。そのた
め、磁性薄膜から漏れる漏洩磁界の分布のように、緩や
かに変化する電磁場を観察した場合でも、その変化は周
期的に変化し、明瞭なコントラストとして表示できる。 【0012】以上説明したように、本発明によれば、電
磁場の空間分布の変化が激しい部分を観察する場合に
は、走査ローレンツ電子顕微鏡を、変化が緩やかな部分
を観察する場合には走査干渉電子顕微鏡を用いて観察を
行い、これらを合わせて表示することにより、明瞭な像
を得ることができる。この観察モードの切り換えは同一
顕微鏡の中で行われるため観察領域がずれることはな
い。 【0013】 【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。 【0014】図1は、本発明による走査型透過電子顕微
鏡を走査ローレンツ電子顕微鏡モードで使用した場合の
概略説明図である。本実施例で示す電子顕微鏡は、通常
の走査型透過電子顕微鏡にバイプリズム、無磁界、無電
界の試料室、電子線偏向検出器、およびスリットを付加
して構成される。まず、計算機17に制御された、制御
回路15によりスイッチ16を切ることによって、バイ
プリズム2への電圧印加をやめ、スリット9は退避させ
ておく。この場合、電子源1から放出され200kVに
加速された電子線4は、照射レンズ5により試料を含む
試料面6上の一点に収束される。この収束点は、偏向コ
イル3により走査させられる。試料内を透過、もしくは
試料外を通過した電子線4は、試料の電磁場によりロー
レンツ力を受け偏向する。ちなみにこの偏向量は、試料
によっても異なるが、10マイクロラジアン程度であ
る。この偏向を検出器10により検出する。本実施例の
場合、検出器10として、陽極を5分割したマイクロチ
ャンネルプレートを使った。電子線4の偏向がない場合
には、外側の4つの分割部分に同じ強度が入射するよう
に調整しておく。電子線4の偏向が起きると、各部分に
入る電子線強度の信号バランスが崩れ、これらの差を信
号演算回路12により演算することで、偏向の大きさと
向きを求めることができる。真中の1つの陽極の信号
は、明視野像を得るために使う。また、検出器10は回
転可能であり、電子線4の偏向を検出する方向を任意に
変えることができる。 【0015】つぎに、本発明による走査型透過電子顕微
鏡を走査干渉電子顕微鏡モードで使った場合の実施例を
図2に示す。この場合には、制御回路15によりスイッ
チ16を入れることでバイプリズム2に電圧を印加し、
スリット9を挿入して使用する。電子源1から放出され
200kVに加速された電子線4は、まずバイプリズム
2により2本に分割させられる。2本の電子線4は、照
射レンズ5により試料面6上の2点に収束された状態
で、偏向コイル3により走査させられる。試料面6位置
を分離して通過した2本の電子線4は、再び重なりあ
い、干渉縞8を形成する。これら2本の電子線は、試料
面6通過時に電磁場により位相変化を受けるので、干渉
縞8は試料面6位置での電磁場の強さによりその位置が
変化する。これを回転可能なスリット9と検出器10
(マイクロチャンネルプレート)の組合せで検出する。
干渉縞8の方向と間隔を、拡大レンズ系(図示せず)の
倍率調整とスリットの回転により、スリット9の方向と
間隔を合わせておくと、干渉縞8の位置により透過する
強度が変化する。バイプリズム2により重なりあう干渉
縞8の方向とスリット9の方向を一度合わせておけば、
その後の観察時に再調整する必要はない。透過電子線の
強度変化は、マイクロチャンネルプレートの各陽極から
の信号の和を信号演算回路12で演算することにより求
めることができる。検出する電磁場の方向は、電子線分
離方向に直行する方向である。したがって、回転機構を
備えたバイプリズム2、およびスリット9を90度回転
させることによって、直行する成分も検出することがで
きる。 【0016】以上説明した2つの顕微鏡モードにより、
電磁場の空間分布が大きく異なる部分を観察するには、
以下のように行う。まず、スリット9を退避させ、かつ
バイプリズム2への電圧印加をせずに、走査ローレンツ
電子顕微鏡のモードにする。このモードで観察視野全体
の像を取り込み、これを計算機17上のメモリに蓄え
る。このとき信号演算回路12は差信号13を演算し、
電子線4の偏向を検出するようにする。次に、スリット
9を挿入し、かつバイプリズム2に電圧を印加して、走
査干渉電子顕微鏡モードにする。このモードにより、走
査ローレンツ電子顕微鏡で観察した場所と同一場所を観
察し、これも計算機17上のメモリに蓄える。このとき
の信号演算回路12は和信号14を演算し、スリット9
を透過した電子線4の強度を検出するようにする。2つ
の顕微鏡モードで観察した後、メモリ上に蓄えられた画
像を処理して2つの像を合成し、それぞれ明瞭な部分を
像として表示する。像を取る順序は、もちろん逆でも良
い。 【0017】このように、バイプリズム2の電圧印加、
スリット9の挿入、信号演算回路12の演算方法を変え
るだけで、瞬時に切り替えが可能である。したがって、
試料の同一場所を2つの顕微鏡で観察することができ
る。 【0018】以上の説明した画像の表示方法は、これに
限られるものではない。たとえば、計測する各画素ごと
に、2つの顕微鏡モードに切り替え、一度に2つの像を
取得し、その後に処理して表示しても良い。また、一
度、どちらかの顕微鏡モードで画像を取得した後、コン
トラストが明瞭とならない部分だけを他のモードで観察
しても良い。また、とくに試料の内外でコントラスト分
布が大きく異なる試料を観察する場合には、まず、透過
電子顕微鏡像を取得して、その信号強度から試料の内外
を判定し、これにしたがって計測モードを切り替えるよ
うにしても良い。このようにすると、試料境界部分が厳
密に決まり、顕微鏡モードを切り替える位置を精度良く
決めることができる。 【0019】図3に、本発明により観察した像の模式図
を、図4に、従来の走査ローレンツ電子顕微鏡だけで観
察した像の模式図を示す。これらはともに、磁性薄膜に
記録した記録ビットとそこから漏れる漏洩磁界の像であ
る。図3上部は、走査干渉電子顕微鏡により観察した漏
洩磁界の分布で、図3下部が、走査ローレンツ電子顕微
鏡により観察した膜内部の磁化分布像である。このよう
に、磁場分布の大きく異なる試料を観察した場合でも、
明瞭なコントラストで観察できている。一方、図4で
は、漏洩磁界の分布を十分なコントラストで観察できな
い。 【0020】以上、本発明を実施例に従って説明した
が、本発明で利用できる検出器としては、電子線の偏向
を検出することができ、かつスリットを透過する電子線
強度が検出できる検出器であれば、マイクロチャンネル
プレート以外のもの利用できることは言うまでもない。
たとえば、4つ以上に分割した半導体検出器を使っても
良い。この場合には、検出器の大きさを小さくすること
ができる、高電圧を印加する必要がない等の特徴があ
る。 【0021】また、上記実施例では、バイプリズムを働
かせるか否かの切り替えを、電圧の印加で制御したが、
これだけに限るものではない。たとえば、バイプリズム
を電子線経路から退避できる構造にしておいて、バイプ
リズムを抜き差しすることによって行っても良い。この
ようにするとバイプリズムを挿入した状態で電圧を印加
していない場合に現れるバイプリズムの影の影響を避け
ることができる。 【0022】 【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、1つの走査型透過電子顕微鏡を、走査ローレンツ電
子顕微鏡、および走査干渉電子顕微鏡として簡単な切り
替えにより使い分けることができるので、同一視野の中
で電磁場分布の空間変化が著しく異なる場合でも、各部
分を適したコントラストで観察できる。 【0023】また、異なる2つのモードで同一視野を観
察できるため、両モードでの観察結果を互いに比較する
ことにより計測結果の信頼性を向上させることもでき
る。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明による走査型透過電子顕微鏡の一実施例
を、走査ローレンツ電子顕微鏡として使った場合の電子
線経路の概略説明図である。 【図2】本発明による走査型透過電子顕微鏡の一実施例
を、走査干渉電子顕微鏡として使った場合の電子線経路
の概略説明図である。 【図3】本発明の走査型透過電子顕微鏡により観察し
た、磁気記録ビット磁場分布の模式図である。 【図4】従来の走査ローレンツ電子顕微鏡により観察し
た、磁気記録ビット磁場分布の模式図である。 【符号の説明】 1…電子源、2…バイプリズム、3…偏向コイル、4…
電子線、5…照射レンズ、6…試料面、7…結像レン
ズ、8…干渉縞、9…スリット、10…検出器、11…
電子線経路、12…信号演算回路、13…差信号、14
…和信号、15…制御回路、16…スイッチ、17…計
算機。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒田 勝廣 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平2−197050(JP,A) 特開 平4−206132(JP,A) 特開 平3−81939(JP,A) 特開 平2−197051(JP,A) 特開 平6−181045(JP,A) 特開 平1−93041(JP,A) 特開 平6−176733(JP,A) 特開 昭62−184752(JP,A) 特開 平6−36721(JP,A) 特開 昭56−165255(JP,A) 特開 平6−138196(JP,A) 特開 平5−203626(JP,A) 特開 平5−13033(JP,A) 実開 昭60−124852(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 37/26 H01J 37/04 H01J 37/09 H01J 37/244

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】走査型ローレンツ電子顕微鏡モードと走査
    型干渉電子顕微鏡モードでの切替が可能な走査型透過電
    子顕微鏡であって、 真空中で電子源から取り出した電子線を2つ以上に分割
    するためのバイプリズムと、前記分離した前記電子線を
    試料面上へ収束する手段、前記収束した前記電子線を
    走査する手段および試料面を通過した電子線を検出する
    検出器と、前記バイプリズムへの電圧印可を行うスイッ
    チと前記収束する手段と前記検出器との間に配置され
    スリットとを有し、 前記検出器は、前記電子線の位置と強度とを検出できる
    機能を有し、当該 顕微鏡を走査型ローレンツ電子顕微鏡モードで使用
    する場合には、前記スイッチを切ることにより前記バイ
    プリズムへの電圧印可をやめ前記スリットを電子線の
    経路上から後退させ 当該 顕微鏡を走査型干渉電子顕微鏡モードで使用する場
    合には、前記スイッチを入れることにより前記バイプリ
    ズムへ電圧を印可し、前記スリットを電子線の経路上に
    挿入することを特徴とする走査型透過電子顕微鏡。
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