JP5250879B2 - Kerr effect microscope, magnetization direction measuring method, and Kerr effect microscope calibration method - Google Patents
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Description
本発明は、カー効果顕微鏡、磁化方向測定方法、及びカー効果顕微鏡校正方法に関する。 The present invention relates to a Kerr effect microscope, a magnetization direction measuring method, and a Kerr effect microscope calibration method.
カー効果顕微鏡は、磁性材料が直線偏光の光を反射するときに、反射光の偏光面が磁性材料の磁化の大きさに応じて回転する現象(カー効果)を利用して磁性材料の磁区構造を観察し、又は、磁性材料の磁気的な特性を得る装置である(特許文献1参照)。カー効果顕微鏡は、典型的には、光源と、偏光子と、試料に対向する対物レンズと、検光子と、検出装置から構成される。検出装置としてはCCDカメラのような撮像装置や、フォトダイオードのような光電変換素子が使用される。 The Kerr effect microscope uses the phenomenon (Kerr effect) that the polarization plane of reflected light rotates according to the magnitude of magnetization of the magnetic material when the magnetic material reflects linearly polarized light. Is a device that obtains magnetic characteristics of a magnetic material (see Patent Document 1). A Kerr effect microscope typically includes a light source, a polarizer, an objective lens facing a sample, an analyzer, and a detection device. As the detection device, an imaging device such as a CCD camera or a photoelectric conversion element such as a photodiode is used.
カー効果顕微鏡の動作原理は、概略的には、以下のとおりである。光源によって発生された光を偏光子に入射することによって、直線偏光を有するプローブ光が発生され、そのプローブ光が対物レンズを介して試料に入射される。試料によってプローブ光が反射され、これにより、反射光が生成される。反射光の偏光面は、カー効果によってプローブ光の偏光面から回転される。偏光面の回転角、即ち、カー回転角は、試料の磁化のプローブ光方向成分の大きさと試料の磁気光学係数に依存している。試料によって反射された反射光は、対物レンズを介して検光子に入射され、検光子を通過した光は、検出装置に入射される。検光子を通過する光の強度分布は、試料の磁化のプローブ光方向成分の大きさの分布に対応しているから、検光子を通過した光から磁区構造の像を取得し、また、試料の磁化の大きさの分布を得ることができる。 The operation principle of the Kerr effect microscope is roughly as follows. By making the light generated by the light source enter the polarizer, probe light having linearly polarized light is generated, and the probe light is incident on the sample via the objective lens. The probe light is reflected by the sample, thereby generating reflected light. The polarization plane of the reflected light is rotated from the polarization plane of the probe light by the Kerr effect. The rotation angle of the polarization plane, that is, the Kerr rotation angle, depends on the magnitude of the probe light direction component of the magnetization of the sample and the magneto-optic coefficient of the sample. The reflected light reflected by the sample is incident on the analyzer via the objective lens, and the light that has passed through the analyzer is incident on the detection device. Since the intensity distribution of the light passing through the analyzer corresponds to the distribution of the magnitude of the probe light direction component of the magnetization of the sample, an image of the magnetic domain structure is obtained from the light passing through the analyzer, A distribution of the magnitude of magnetization can be obtained.
従来のカー効果顕微鏡の一つの問題は、磁化の、ある一方向の成分の大きさしか検出できない、即ち、磁化の方向を特定することができない点である。磁化の方向は、磁性材料の特性を知る上で重要な情報であり、従って、磁性材料の評価においては、試料の各位置の磁化の方向を特定できることが望ましい。しかしながら、発明者が知る限りにおいて、磁化の方向を特定する機能を有するカー効果顕微鏡は存在しない。
したがって、本発明の目的は、カー効果顕微鏡によって磁化の方向を特定するための技術を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a technique for specifying the direction of magnetization by the Kerr effect microscope.
上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段の記述には、[特許請求の範囲]の記載と[発明を実施するための最良の形態]の記載との対応関係を明らかにするために、[発明を実施するための最良の形態]で使用される番号・符号が付記されている。但し、付記された番号・符号は、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。 In order to achieve the above object, the present invention employs the means described below. In the description of the means, in order to clarify the correspondence between the description of [Claims] and the description of [Best Mode for Carrying Out the Invention], [Best Mode for Carrying Out the Invention] ] Are used for reference. However, the appended numbers and symbols should not be used to limit the technical scope of the invention described in [Claims].
本発明のカー効果顕微鏡は、第1プローブ光(6x)を試料に第1方向に入射し、第2プローブ光(6y)を前記第1方向と異なる第2方向に入射可能に構成されたプローブ光入射手段(1、2)と、第1プローブ光(6x)が前記試料によって反射されて生成される第1反射光(7x)と、第2プローブ光(6y)が前記試料によって反射されて生成される第2反射光(7y)から、前記試料の各位置における磁化の方向を特定する磁化方向特定手段(3、4)とを具備する。第1反射光(7x)、及び第2反射光(7y)は、前記試料の各位置における磁化の、異なる方向の成分に関する情報を含んでおり、従って、このようなカー効果顕微鏡では、前記試料の各位置における磁化の方向を特定することができる。 The Kerr effect microscope of the present invention is configured such that the first probe light (6x) is incident on the sample in the first direction and the second probe light (6y) is incident on the second direction different from the first direction. The light incident means (1, 2), the first reflected light (7x) generated by reflecting the first probe light (6x) by the sample, and the second probe light (6y) reflected by the sample. Magnetization direction specifying means (3, 4) for specifying the magnetization direction at each position of the sample from the generated second reflected light (7y). The first reflected light (7x) and the second reflected light (7y) contain information on the components in different directions of magnetization at each position of the sample. Therefore, in such a Kerr effect microscope, the sample It is possible to specify the magnetization direction at each of the positions.
好適には、前記第1方向は、前記試料の表面に垂直な第1平面の面内に、前記試料の表面に垂直な垂直方向に対して斜めに規定され、前記第2方向は、前記第1平面に垂直な第2平面の面内に、前記垂直方向に対して斜めに規定される。磁化方向特定手段(3、4)は、前記試料の前記磁化の、前記第1平面及び前記試料の表面の両方の面内にある方向についての方向余弦を前記第1反射光(7x)から特定し、前記試料の前記磁化の、前記第2平面及び前記試料の表面の両方の面内にある方向についての方向余弦を前記第2反射光(7y)から特定する。本明細書において、「方向余弦」を「特定」するとは、方向余弦そのものの値を算出するのみならず、方向余弦に対応する値(例えば、方向余弦に比例する値)を算出することをも含む意味で使用されていることに留意されたい。 Preferably, the first direction is defined obliquely with respect to a vertical direction perpendicular to the surface of the sample in a plane of a first plane perpendicular to the surface of the sample, and the second direction is the first direction. It is defined obliquely with respect to the vertical direction in the plane of the second plane perpendicular to the first plane. The magnetization direction specifying means (3, 4) specifies, from the first reflected light (7x), a direction cosine of the magnetization of the sample in a direction in both the first plane and the surface of the sample. Then, the direction cosine of the magnetization of the sample in a direction in both the second plane and the surface of the sample is specified from the second reflected light (7y). In this specification, “specifying” a “direction cosine” not only calculates the value of the direction cosine itself, but also calculates a value corresponding to the direction cosine (for example, a value proportional to the direction cosine). Note that it is used in the meaning of including.
前記プローブ光入射手段(1、2)は、前記第1プローブ光(6x)及び前記第2プローブ光(6y)を、時分割で前記試料に入射するように構成されることが好ましい。 The probe light incident means (1, 2) is preferably configured to make the first probe light (6x) and the second probe light (6y) incident on the sample in a time-sharing manner.
プローブ光を異なる方向に入射するためのプローブ光入射手段としては、前記第1プローブ光(6x)を生成するために使用される第1レーザ光(18x)を生成する第1半導体レーザ(11x)と、前記第2プローブ光(6y)を生成するために使用される第2レーザ光(18y)を生成する第2半導体レーザ(11y)とが使用され得る。この場合、プローブ光入射手段(1、2)は、更に、前記第1レーザ光(18x)を通過し、又は遮断する第1シャッター(19x)と、前記第2レーザ光(18y)を通過し、又は遮断する第2シャッター(19y)とを備えてもよい。この場合、前記第1シャッター(19x)と前記第2シャッター(19y)は、前記第1プローブ光(6x)及び前記第2プローブ光(6y)が時分割で前記試料に入射されるように、それぞれ前記第1レーザ光(18x)及び前記第2レーザ光(19x)を通過し、又は遮断することが好ましい。 As the probe light incident means for entering the probe light in different directions, the first semiconductor laser (11x) that generates the first laser light (18x) used for generating the first probe light (6x) is used. And a second semiconductor laser (11y) that generates a second laser beam (18y) that is used to generate the second probe beam (6y). In this case, the probe light incident means (1, 2) further passes the first shutter (19x) that passes or blocks the first laser light (18x) and the second laser light (18y). Or a second shutter (19y) for blocking. In this case, the first shutter (19x) and the second shutter (19y) are configured such that the first probe light (6x) and the second probe light (6y) are incident on the sample in a time-sharing manner. It is preferable that the first laser beam (18x) and the second laser beam (19x) respectively pass or be blocked.
また、前記第1プローブ光(6x)及び前記第2プローブ光(6y)のそれぞれは、2重変調されることが好ましい。 Each of the first probe light (6x) and the second probe light (6y) is preferably double-modulated.
前記試料の各位置における磁化の3次元的な方向を特定するためには、前記プローブ光入射手段(1、2)は、第3プローブ光(6z)を前記第1方向及び前記第2方向と異なる第3方向に入射可能に構成されることが好適である。この場合、前記磁化方向特定手段(3、4)は、前記試料の前記磁化の方向を、前記第3プローブ光(6z)が前記試料によって反射されて生成される第3反射光(7z)から特定する。 In order to specify the three-dimensional direction of magnetization at each position of the sample, the probe light incident means (1, 2) transmits the third probe light (6z) to the first direction and the second direction. It is preferable to be configured to be incident in different third directions. In this case, the magnetization direction specifying means (3, 4) determines the magnetization direction of the sample from the third reflected light (7z) generated by the third probe light (6z) being reflected by the sample. Identify.
この場合、前記第3方向は、前記試料の表面に垂直な垂直方向に規定され、前記磁化方向特定手段(3、4)は、前記第1反射光(7x)から、前記試料の磁化の前記第1平面と前記試料の表面の両方の面内の方向についての方向余弦を特定し、前記第2反射光(7y)から、前記試料の磁化の前記第2平面の面内の方向の成分を特定し、前記第3反射光(7z)から、前記試料の磁化の、前記垂直方向の成分を特定することが好ましい。 In this case, the third direction is defined as a vertical direction perpendicular to the surface of the sample, and the magnetization direction specifying means (3, 4) generates the magnetization of the sample from the first reflected light (7x). The direction cosine for the in-plane direction of both the first plane and the surface of the sample is specified, and the component in the in-plane direction of the second plane of the magnetization of the sample is determined from the second reflected light (7y). It is preferable to specify the vertical component of the magnetization of the sample from the third reflected light (7z).
本発明のカー効果顕微鏡が、更に、表示装置(5)を具備する場合には、前記磁化方向特定手段(3、4)は、前記試料の各位置における磁化の方向を示す表示画像を前記表示装置(5)に表示することが好ましい。 When the Kerr effect microscope of the present invention further includes a display device (5), the magnetization direction specifying means (3, 4) displays the display image indicating the direction of magnetization at each position of the sample. It is preferable to display on the device (5).
この場合、当該カー効果顕微鏡は、更に、前記試料に可変の外部磁界を印加する外部磁界印加装置を備え、且つ、磁化方向特定手段(3、4)は、前記外部磁界印加装置によって前記外部磁界が変化されている間に、逐次に、前記試料の各位置における磁化の方向を特定し、特定された前記磁化の方向を動画として前記表示装置(5)に表示することが好ましい。 In this case, the Kerr effect microscope further includes an external magnetic field applying device that applies a variable external magnetic field to the sample, and the magnetization direction specifying means (3, 4) is configured to transmit the external magnetic field by the external magnetic field applying device. It is preferable that the magnetization direction at each position of the sample is sequentially identified while the magnetization direction is changed, and the identified magnetization direction is displayed on the display device (5) as a moving image.
また、当該カー効果顕微鏡は、更に、前記試料に可変の外部磁界を印加する外部磁界印加装置と、前記第1反射光(7x)のカー回転角又は楕円率と前記外部磁界との対応関係から、前記試料の磁化の前記第1平面及び前記試料の表面の両方の面内にある方向についての磁化曲線を得る磁化曲線測定手段(3、4)を備えることが好ましい。 The Kerr effect microscope further includes an external magnetic field application device that applies a variable external magnetic field to the sample, and a correspondence relationship between the Kerr rotation angle or ellipticity of the first reflected light (7x) and the external magnetic field. It is preferable to provide magnetization curve measuring means (3, 4) for obtaining a magnetization curve in a direction in both the first plane and the surface of the sample.
他の実施形態では、プローブ光入射手段(1、2)は、単一の光源(11)と、前記光源(11)によって生成された光の光路を切り換えることによって前記第1プローブ光(6x)及び前記第2プローブ光(6y)を生成する偏向機構(47)とを備えることが好ましい。 In another embodiment, the probe light incident means (1, 2) has a single light source (11) and the first probe light (6x) by switching the optical path of the light generated by the light source (11). And a deflection mechanism (47) for generating the second probe light (6y).
一実施形態では、前記磁化方向特定手段(3、4)は、前記第1反射光(7x)及び前記第2反射光(7y)の撮像画像を取得する撮像装置(33)と、前記撮像画像から前記試料の各位置における磁化の方向を特定する演算装置(4)とを備えている。この場合、演算装置(4)は、前記撮像画像における各画素の輝度と前記試料の各位置における磁化の方向との対応関係を示す対応データを予め保存しており、前記撮像画像における各画素の輝度と前記対応データから、前記試料の各位置における磁化の方向を特定することが好ましい。 In one embodiment, the magnetization direction specifying means (3, 4) includes an imaging device (33) that acquires captured images of the first reflected light (7x) and the second reflected light (7y), and the captured image. To an arithmetic unit (4) for specifying the direction of magnetization at each position of the sample. In this case, the arithmetic unit (4) stores in advance correspondence data indicating a correspondence relationship between the luminance of each pixel in the captured image and the magnetization direction at each position of the sample, and It is preferable to specify the direction of magnetization at each position of the sample from the luminance and the corresponding data.
また、前記演算装置(4)が、前記撮像画像における各画素の輝度と前記第1反射光(7x)及び前記第2反射光(7y)のカー回転角との対応関係を示す対応データを予め保存しており、前記撮像画像における各画素の輝度と前記対応データから、前記第1反射光(7x)及び前記第2反射光(7y)のカー回転角を特定し、特定された前記カー回転角から前記試料の各位置における磁化の方向を特定することも好ましい。 In addition, the arithmetic device (4) previously stores correspondence data indicating a correspondence relationship between the luminance of each pixel in the captured image and the Kerr rotation angles of the first reflected light (7x) and the second reflected light (7y). The Kerr rotation angles of the first reflected light (7x) and the second reflected light (7y) are identified from the brightness of each pixel in the captured image and the corresponding data, and the identified Kerr rotation It is also preferable to specify the direction of magnetization at each position of the sample from the corner.
当該カー効果顕微鏡が、更に、前記試料に外部磁界を印加する外部磁界印加装置を備え、且つ、プローブ光入射手段(1、2)が、第1プローブ光(6x)及び第2プローブ光(6y)を前記試料に入射し、前記試料によって反射された前記第1反射光及び前記第2反射光(7y)を前記磁化方向特定手段に入射する対物レンズ(23)を備えている場合、当該カー効果顕微鏡は、前記外部磁界印加装置によって前記対物レンズに印加される漏れ磁界によるファラデー効果をキャンセルするためのファラデー効果補正装置(54、56)を備えていることが好ましい。 The Kerr effect microscope further includes an external magnetic field application device that applies an external magnetic field to the sample, and the probe light incident means (1, 2) includes a first probe light (6x) and a second probe light (6y). ) Is incident on the sample, and the objective lens (23) which enters the first reflected light and the second reflected light (7y) reflected by the sample into the magnetization direction specifying means is provided. The effect microscope preferably includes a Faraday effect correction device (54, 56) for canceling a Faraday effect caused by a leakage magnetic field applied to the objective lens by the external magnetic field application device.
一実施形態では、前記対物レンズ(23)は、前記試料に直接に対向し、前記第1プローブ光(6x)、前記第2プローブ光(6y)、前記第1反射光(7x)及び前記第2反射光(7y)が通過する第1レンズ(L1)と、前記第1プローブ光(6x)、前記第2プローブ光(6y)、前記第1反射光(7x)及び前記第2反射光(7y)が通過する第2レンズ(L2)とを含み、前記ファラデー効果補正装置(54、56)は、前記第2レンズ(L2)に補正用磁界を印加する補正電磁石(54)を含むことが好ましい。 In one embodiment, the objective lens (23) directly faces the sample, and the first probe light (6x), the second probe light (6y), the first reflected light (7x), and the first The first lens (L 1 ) through which the two reflected light (7y) passes, the first probe light (6x), the second probe light (6y), the first reflected light (7x), and the second reflected light. and a second lens (7y) passes (L 2), the Faraday effect correction apparatus (54, 56) is a correction electromagnet (54) for applying a correcting magnetic field to the second lens (L 2) It is preferable to include.
好適な一実施形態では、前記ファラデー効果補正装置(54、56)は、更に、前記補正電磁石に駆動電流を供給する駆動電流供給手段(56)を含み、前記駆動電流供給手段(56)は、前記外部磁界印加装置が発生する前記外部磁界に応じて、前記補正電磁石(54)に前記駆動電流を供給する。 In a preferred embodiment, the Faraday effect correction device (54, 56) further includes drive current supply means (56) for supplying a drive current to the correction electromagnet, and the drive current supply means (56) includes: The drive current is supplied to the correction electromagnet (54) in accordance with the external magnetic field generated by the external magnetic field application device.
本発明によれば、磁化の方向を特定可能なカー効果顕微鏡を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the Kerr effect microscope which can pinpoint the direction of magnetization can be provided.
(カー効果顕微鏡の構成)
図1は、本発明の一実施形態のカー効果顕微鏡の光学系の構成を示す図である。図1のカー効果顕微鏡は、試料Sの磁化の3次元的な方向を特定する、即ち、磁化のx方向、y方向、z方向それぞれについての方向余弦を特定するための構成を有している。本明細書において、「方向余弦」を「特定」するとは、方向余弦そのものの値を算出するのみならず、方向余弦に対応する値(例えば、方向余弦に比例する値)を算出することをも含む意味で使用されることに留意されたい、本実施形態の説明では、x軸は、試料Sの表面の面内の特定の方向に規定され、y軸は、試料Sの表面の面内であり、且つ、x軸に垂直な方向に規定され、z軸は、x軸、y軸の両方に垂直な方向、即ち、試料Sの表面に垂直な方向に規定されていることに留意されたい。
(Configuration of Kerr effect microscope)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical system of a Kerr effect microscope according to an embodiment of the present invention. The Kerr effect microscope of FIG. 1 has a configuration for specifying the three-dimensional direction of magnetization of the sample S, that is, for specifying the direction cosine for each of the x, y, and z directions of magnetization. . In this specification, “specifying” a “direction cosine” not only calculates the value of the direction cosine itself, but also calculates a value corresponding to the direction cosine (for example, a value proportional to the direction cosine). Note that in the description of this embodiment, the x axis is defined in a specific direction in the plane of the surface of the sample S, and the y axis is in the plane of the surface of the sample S. Note that and is defined in a direction perpendicular to the x-axis, and the z-axis is defined in a direction perpendicular to both the x-axis and the y-axis, ie, a direction perpendicular to the surface of the sample S. .
より具体的には、図1のカー効果顕微鏡は、概略的には、入射光学系1と、落射光学系2と、検出光学系3と、演算装置4と、表示装置5とで構成されている。 More specifically, the Kerr effect microscope shown in FIG. 1 is roughly composed of an incident optical system 1, an epi-illumination optical system 2, a detection optical system 3, an arithmetic device 4, and a display device 5. Yes.
入射光学系1は、プローブ光6x、6y、6zを生成する機能を有している。ここでプローブ光6x、6y、6zは、それぞれ、試料Sの磁化のx方向、y方向、z方向それぞれについての方向余弦を特定するために使用されるプローブ光である。詳細には、入射光学系1は、3つのレーザダイオード11x、11y、11zと、レンズ12x、12y、12zと、ミラー13、14と、ハーフミラー15、16と、偏光子17とを備えている。レーザダイオード11x、11y、11zは、それぞれ、レーザ光18x、18y、18zを生成する光源として使用される。レーザダイオード11xによって生成されたレーザ光18xは、レンズ12xに入射され、レンズ12xを通過したレーザ光18xは、ミラー13及びハーフミラー16によって反射されて偏光子17に入射される。偏光子17によってレーザ光18xから所望の向きの偏光面を有する直線偏光が取り出され、プローブ光6xとして出射される。一方、レーザダイオード11yによって生成された光18yはレンズ12yに入射され、レンズ12yを通過したレーザ光18yは、ミラー13及びハーフミラー15によって反射されて偏光子17に入射される。偏光子17によって光18yから所望の偏光面を有する直線偏光が取り出されてプローブ光6yとして出射される。同様に、レーザダイオード11zによって生成された光18zはレンズ12zに入射され、レンズ12xを通過したレーザ光18zは、更にハーフミラー15、16を通過して偏光子17に入射される。偏光子17によって光18zから所望の直線偏光の成分が取り出され、プローブ光6zとして放出される。プローブ光6x、6y、6zの光軸は、互いに平行であるが、その位置は一致しない。 The incident optical system 1 has a function of generating probe lights 6x, 6y, and 6z. Here, the probe lights 6x, 6y, and 6z are probe lights used for specifying direction cosines for the x direction, the y direction, and the z direction of the magnetization of the sample S, respectively. Specifically, the incident optical system 1 includes three laser diodes 11x, 11y, and 11z, lenses 12x, 12y, and 12z, mirrors 13 and 14, half mirrors 15 and 16, and a polarizer 17. . The laser diodes 11x, 11y, and 11z are used as light sources that generate laser beams 18x, 18y, and 18z, respectively. The laser light 18x generated by the laser diode 11x is incident on the lens 12x, and the laser light 18x that has passed through the lens 12x is reflected by the mirror 13 and the half mirror 16 and is incident on the polarizer 17. Linearly polarized light having a polarization plane in a desired direction is extracted from the laser light 18x by the polarizer 17, and is emitted as probe light 6x. On the other hand, the light 18 y generated by the laser diode 11 y is incident on the lens 12 y, and the laser light 18 y that has passed through the lens 12 y is reflected by the mirror 13 and the half mirror 15 and is incident on the polarizer 17. The linearly polarized light having a desired plane of polarization is extracted from the light 18y by the polarizer 17 and emitted as probe light 6y. Similarly, the light 18z generated by the laser diode 11z is incident on the lens 12z, and the laser light 18z that has passed through the lens 12x is further incident on the polarizer 17 through the half mirrors 15 and 16. A desired linearly polarized light component is extracted from the light 18z by the polarizer 17 and emitted as probe light 6z. The optical axes of the probe lights 6x, 6y, and 6z are parallel to each other, but their positions do not match.
落射光学系2は、プローブ光6x、6y、6zを試料Sに所望の方向に入射し、更に、試料Sからの反射光7x、7y、7zを検出光学系3に入射する機能を有している。本実施形態では、落射光学系2に、スミスミラー法が採用されている。これは、スミスミラー法は、光軸の位置が異なるプローブ光6x、6y、6zを試料Sに向かわせる上で好適な構成を有しているからである。より具体的には、落射光学系2は、スミスミラー21と、ハーフミラー22と、対物レンズ23とを備えている。入射光学系1から入射したプローブ光6x、6y、6zは、スミスミラー21及びハーフミラー22によって反射されて対物レンズ23に入射される。対物レンズ23は、プローブ光6x、6y、6zを試料Sに入射し、また、試料Sからの反射光7x、7y、7zを、ハーフミラー22を介して、検出光学系3に入射する。 The epi-illumination optical system 2 has a function of causing the probe lights 6x, 6y, and 6z to enter the sample S in a desired direction, and further causing the reflected lights 7x, 7y, and 7z from the sample S to enter the detection optical system 3. Yes. In the present embodiment, the Smith mirror method is employed for the incident light optical system 2. This is because the Smith mirror method has a suitable configuration for directing the probe lights 6x, 6y, and 6z having different optical axis positions to the sample S. More specifically, the incident optical system 2 includes a Smith mirror 21, a half mirror 22, and an objective lens 23. The probe lights 6x, 6y, and 6z incident from the incident optical system 1 are reflected by the Smith mirror 21 and the half mirror 22 and are incident on the objective lens 23. The objective lens 23 makes the probe lights 6x, 6y, and 6z enter the sample S, and the reflected lights 7x, 7y, and 7z from the sample S enter the detection optical system 3 through the half mirror 22.
検出光学系3は、検光子31と、結像レンズ32と、CCDカメラ33とを備えている。反射光7x、7y、7zは、検光子31及び結像レンズ32を介してCCDカメラ33に入射される。CCDカメラ33は、入射された反射光7x、7y、7zの撮像画像を撮像し、演算装置4に送る。撮像画像の各画素の輝度は、反射光7x、7y、7zのスポットの各位置における光強度を示している。CCDカメラ33は、シャッタ(図示されない)を備えており、所望の時間にのみ、反射光7x、7y、7zの撮像画像を撮像可能であるように構成されている。 The detection optical system 3 includes an analyzer 31, an imaging lens 32, and a CCD camera 33. The reflected lights 7x, 7y and 7z are incident on the CCD camera 33 via the analyzer 31 and the imaging lens 32. The CCD camera 33 captures captured images of the incident reflected light 7x, 7y, and 7z and sends the captured images to the arithmetic unit 4. The luminance of each pixel of the captured image indicates the light intensity at each position of the spot of the reflected light 7x, 7y, 7z. The CCD camera 33 includes a shutter (not shown), and is configured to be able to capture captured images of reflected light 7x, 7y, and 7z only at a desired time.
演算装置4は、CCDカメラ33によって撮像された反射光7x、7y、7zの撮像画像を処理する。詳細には、演算装置4は、反射光7x、7y、7zの撮像画像から、それぞれ、試料Sの各位置における磁化のx方向、y方向、z方向それぞれについての方向余弦を特定する。加えて、演算装置4は、反射光7x、7y、7zの撮像画像を処理して表示装置5に表示されるべき表示画像を生成する。表示装置5は、演算装置4から送られてきた表示画像を表示する。 The arithmetic device 4 processes captured images of the reflected lights 7x, 7y, and 7z captured by the CCD camera 33. Specifically, the arithmetic device 4 specifies direction cosines for the x direction, the y direction, and the z direction of the magnetization at each position of the sample S from the captured images of the reflected lights 7x, 7y, and 7z, respectively. In addition, the arithmetic device 4 processes captured images of the reflected lights 7x, 7y, and 7z to generate a display image to be displayed on the display device 5. The display device 5 displays the display image sent from the arithmetic device 4.
試料Sの磁化のx成分、y成分、z成分を特定可能にするために、本実施形態のカー効果顕微鏡の入射光学系1及び落射光学系2は、プローブ光6x、6y、6zを試料Sの同一の位置に、且つ、互いに異なる方向から試料Sに入射するように構成されている。図2は、プローブ光6x、6y、6zが入射される方向、及び反射光7x、7y、7zが反射される方向を示す図である。 In order to make it possible to specify the x component, the y component, and the z component of the magnetization of the sample S, the incident optical system 1 and the incident optical system 2 of the Kerr effect microscope of the present embodiment apply the probe lights 6x, 6y, and 6z to the sample S. Are made to enter the sample S from the same position and from different directions. FIG. 2 is a diagram illustrating a direction in which the probe lights 6x, 6y, and 6z are incident and a direction in which the reflected lights 7x, 7y, and 7z are reflected.
図2に示されているように、プローブ光6xは、z−x平面に平行で、且つ、z軸に対して斜めである方向に入射される。即ち、プローブ光6xの入射方向は、プローブ光6x及び反射光7xで規定される入射面が、z−x平面に平行であるように調整される。このような方向にプローブ光6xが入射されると、図3(a)に示されているように、試料Sの磁化Mによって発生される磁界のx成分Hxによる縦カー効果のために、反射光7xの偏光面が、プローブ光6xの偏光面から回転する。後述されるように、反射光7xの偏光面の回転角(即ち、反射光7xのカー回転角)から、試料Sの磁化Mの方向の、x方向についての方向余弦が特定される。 As shown in FIG. 2, the probe light 6x is incident in a direction parallel to the zx plane and oblique to the z axis. That is, the incident direction of the probe light 6x is adjusted so that the incident surface defined by the probe light 6x and the reflected light 7x is parallel to the zx plane. When the probe light 6x is incident in such a direction, reflection occurs due to the vertical Kerr effect due to the x component Hx of the magnetic field generated by the magnetization M of the sample S, as shown in FIG. The polarization plane of the light 7x rotates from the polarization plane of the probe light 6x. As will be described later, the direction cosine of the direction of the magnetization M of the sample S in the x direction is specified from the rotation angle of the polarization plane of the reflected light 7x (that is, the Kerr rotation angle of the reflected light 7x).
プローブ光6xをz−x平面に平行な方向に入射するために、図4(a)に示されているように、入射光学系1と落射光学系2の各光学素子は、プローブ光6xが、対物レンズ23の光軸からはずれ、且つ、対物レンズ23の胴付面(対物レンズ23の根元の当り面)のx’軸上に規定された所定位置に入射されるように調節される。ここで、x’−y’座標系は、対物レンズ23の胴付面に規定された、対物レンズ23の光軸の位置を原点とする座標系であり、x’軸は、実空間のx軸に対応する軸であり、y’軸は、実空間のy’軸に対応する軸である。 In order to make the probe light 6x incident in a direction parallel to the zx plane, as shown in FIG. 4A, each of the incident optical system 1 and the incident optical system 2 includes the probe light 6x. The optical axis of the objective lens 23 is adjusted so as to be incident on a predetermined position defined on the x ′ axis of the body surface of the objective lens 23 (the contact surface at the base of the objective lens 23). Here, the x′-y ′ coordinate system is a coordinate system defined on the body-mounted surface of the objective lens 23 with the position of the optical axis of the objective lens 23 as the origin, and the x ′ axis is x in the real space. The y ′ axis is an axis corresponding to the y ′ axis in real space.
図2を再度に参照して、プローブ光6yは、y−z平面に平行で、z軸に対して斜めである方向に入射される。このような方向にプローブ光6yが入射されると、図3(b)に示されているように、試料Sの磁化Mによって発生される磁界のy成分Hyによる縦カー効果のために、反射光7yの偏光面が、プローブ光6xの偏光面から回転する。後述されるように、反射光7xのカー回転角から、試料Sの磁化Mのy方向についての方向余弦が特定される。プローブ光6yをy−z平面に平行な方向に入射するために、図4(b)に示されているように、入射光学系1と落射光学系2の各光学素子は、プローブ光6yが、対物レンズ23の光軸からはずれ、且つ、対物レンズ23の胴付面のy’軸上に規定された所定位置に入射されるように調節される。 Referring to FIG. 2 again, the probe light 6y is incident in a direction parallel to the yz plane and oblique to the z axis. When the probe light 6y is incident in such a direction, reflection occurs due to the vertical Kerr effect due to the y component Hy of the magnetic field generated by the magnetization M of the sample S, as shown in FIG. The polarization plane of the light 7y rotates from the polarization plane of the probe light 6x. As will be described later, the direction cosine of the magnetization M of the sample S in the y direction is specified from the Kerr rotation angle of the reflected light 7x. In order to make the probe light 6y incident in a direction parallel to the yz plane, as shown in FIG. 4B, each of the optical elements of the incident optical system 1 and the incident optical system 2 has the probe light 6y The optical axis of the objective lens 23 is adjusted so as to be incident on a predetermined position defined on the y ′ axis of the body-mounted surface of the objective lens 23.
図2を再度に参照して、プローブ光6zは、z軸に平行な方向に入射される。このような方向にプローブ光6zが入射されると、図3(c)に示されているように、試料Sの磁化Mによって発生される磁界のz成分Hzによる極カー効果のために、反射光7zの偏光面が、プローブ光6zの偏光面から回転する。反射光7zの偏光面の回転は、反射光7x、7yとは異なり、極カー効果によって引き起こされることに留意されたい。後述されるように、反射光7zのカー回転角から試料Sの磁化Mのz方向についての方向余弦が特定される。プローブ光6zをz軸に平行な方向に入射するために、図4(c)に示されているように、入射光学系1と落射光学系2の各光学素子は、対物レンズ23の光軸が、プローブ光6zの光軸に一致するように調節される。 Referring to FIG. 2 again, the probe light 6z is incident in a direction parallel to the z axis. When the probe light 6z is incident in such a direction, reflection occurs due to the polar Kerr effect due to the z component Hz of the magnetic field generated by the magnetization M of the sample S, as shown in FIG. The polarization plane of the light 7z rotates from the polarization plane of the probe light 6z. Note that the rotation of the polarization plane of the reflected light 7z is caused by the polar Kerr effect, unlike the reflected lights 7x and 7y. As will be described later, the direction cosine of the magnetization M of the sample S in the z direction is specified from the Kerr rotation angle of the reflected light 7z. In order to make the probe light 6z incident in a direction parallel to the z-axis, the optical elements of the incident optical system 1 and the epi-illumination optical system 2 are optical axes of the objective lens 23 as shown in FIG. Is adjusted to coincide with the optical axis of the probe light 6z.
(カー効果顕微鏡の動作)
続いて、図1の実施形態のカー効果顕微鏡の動作、特に、試料Sの磁化Mの方向の、x方向、y方向、z方向についての方向余弦の特定方法について説明する。
試料Sの各位置の磁化Mのx方向についての方向余弦を得る場合、レーザダイオード11xに駆動電流が供給され、プローブ光6xが試料Sに入射される。既述のように、プローブ光6xは、z−x平面に平行で、且つ、z軸に対して斜めである方向に入射される。試料Sによってプローブ光6xが反射されて生成された反射光7xは検光子31に入射され、CCDカメラ33により、検光子31を通過した反射光7xの撮像画像が撮像される。反射光7xの撮像画像の各画素の輝度は、試料Sの各位置における磁化Mのx方向についての方向余弦に対応している。なぜなら、検光子31を通過した反射光7xの強度は、反射光7xのカー回転角(又は反射光7xの楕円率)によって決定され、反射光7xのカー回転角(又は反射光7xの楕円率)は、試料Sの磁化Mによって生成される磁界のx成分Hxによって決定され、磁界のx成分Hxは試料Sの磁化Mのx成分Mx、即ち、x方向についての方向余弦によって決定されるためである。反射光7xの撮像画像は演算装置4に送られ、演算装置4は、反射光7xの撮像画像の各画素の輝度から試料Sの各位置における磁化Mのx方向についての方向余弦を特定する。
(Operation of Kerr effect microscope)
Next, the operation of the Kerr effect microscope of the embodiment of FIG. 1, in particular, a method for specifying direction cosines in the x direction, y direction, and z direction in the direction of the magnetization M of the sample S will be described.
When obtaining a direction cosine of the magnetization M at each position of the sample S in the x direction, a drive current is supplied to the laser diode 11 x and the probe light 6 x is incident on the sample S. As described above, the probe light 6x is incident in a direction parallel to the zx plane and oblique to the z axis. The reflected light 7x generated by reflecting the probe light 6x by the sample S enters the analyzer 31, and the CCD camera 33 captures an image of the reflected light 7x that has passed through the analyzer 31. The luminance of each pixel of the captured image of the reflected light 7x corresponds to the direction cosine of the magnetization M in the x direction at each position of the sample S. This is because the intensity of the reflected light 7x that has passed through the analyzer 31 is determined by the Kerr rotation angle of the reflected light 7x (or the ellipticity of the reflected light 7x), and the Kerr rotation angle of the reflected light 7x (or the ellipticity of the reflected light 7x). ) Is determined by the x component Hx of the magnetic field generated by the magnetization M of the sample S, and the x component Hx of the magnetic field is determined by the x component Mx of the magnetization M of the sample S, that is, the direction cosine in the x direction. It is. The captured image of the reflected light 7x is sent to the arithmetic device 4, and the arithmetic device 4 specifies the direction cosine of the magnetization M in the x direction at each position of the sample S from the luminance of each pixel of the captured image of the reflected light 7x.
同様に、試料Sの各位置の磁化Mのy方向についての方向余弦を得る場合、レーザダイオード11yに駆動電流が供給され、プローブ光6yが試料Sに入射される。上述の通り、プローブ光6yは、y−z平面に平行で、且つ、z軸に対して斜めである方向に入射される。CCDカメラ33により、検光子31を通過した反射光7yの撮像画像が撮像され、反射光7yの撮像画像は、演算装置4に送られる。演算装置4は、反射光7yの撮像画像の各画素の輝度から試料Sの各位置における磁化Mのy方向についての方向余弦を決定する。 Similarly, when obtaining the direction cosine of the magnetization M at each position of the sample S in the y direction, a drive current is supplied to the laser diode 11 y and the probe light 6 y is incident on the sample S. As described above, the probe light 6y is incident in a direction parallel to the yz plane and oblique to the z axis. The captured image of the reflected light 7 y that has passed through the analyzer 31 is captured by the CCD camera 33, and the captured image of the reflected light 7 y is sent to the arithmetic device 4. The arithmetic device 4 determines the direction cosine of the magnetization M in the y direction at each position of the sample S from the luminance of each pixel of the captured image of the reflected light 7y.
同様に、試料Sの各位置の磁化Mのz方向についての方向余弦を得る場合、レーザダイオード11zに駆動電流が供給され、プローブ光6zが試料Sに入射される。CCDカメラ33により、検光子31を通過した反射光7zの撮像画像が撮像され、反射光7zの撮像画像は、演算装置4に送られる。演算装置4は、反射光7zの撮像画像の各画素の輝度から試料Sの各位置における磁化Mのz方向についての方向余弦を決定する。以上の方法により、試料Sの各位置の磁化Mのx方向、y方向、z方向の方向余弦、即ち、試料Sの各位置の磁化Mの方向が特定される。 Similarly, when obtaining the direction cosine of the magnetization M at each position of the sample S in the z direction, a drive current is supplied to the laser diode 11 z and the probe light 6 z is incident on the sample S. The captured image of the reflected light 7z that has passed through the analyzer 31 is captured by the CCD camera 33, and the captured image of the reflected light 7z is sent to the arithmetic unit 4. The arithmetic device 4 determines the direction cosine of the magnetization M in the z direction at each position of the sample S from the luminance of each pixel of the captured image of the reflected light 7z. By the above method, the direction cosine of the magnetization M at each position of the sample S in the x direction, the y direction, and the z direction, that is, the direction of the magnetization M at each position of the sample S is specified.
方向余弦の特定においては、方向余弦そのものの値を求めても良く、方向余弦に一対一に対応する値(例えば、方向余弦に比例する値)を求めてもよい。方向余弦に一対一に対応する値は、方向余弦と同様に磁化の方向を表すから、方向余弦そのものの値の代わりに方向余弦に一対一に対応する値を用いることは、技術的に等価である。 In specifying the direction cosine, the value of the direction cosine itself may be obtained, or a value corresponding to the direction cosine on a one-to-one basis (for example, a value proportional to the direction cosine) may be obtained. Since the value corresponding to the direction cosine on a one-to-one basis represents the direction of magnetization in the same way as the direction cosine, it is technically equivalent to use the value corresponding to the direction cosine on a one-to-one basis instead of the value of the direction cosine itself. is there.
プローブ光6x、6y、6zは、(同時ではなく)時分割で照射されることが好ましい。プローブ光6x、6y、6zを互いに干渉しないように発生すれば(例えば、プローブ光6x、6y、6zを互いに異なる波長になるように発生すれば)、原理的には、プローブ光6x、6y、6zを同時に照射しても、試料Sの各位置の磁化Mのx方向、y方向、z方向の方向余弦を特定可能である。しかしながら、x方向、y方向、z方向の方向余弦をより正確に特定するという観点では、プローブ光6x、6y、6zは別々に照射されることが好ましい。互いに異なる波長を有するプローブ光6x、6y、6zを同時に試料Sに照射した場合、カー効果によるカー回転角は、波長に対して依存性を有するため、x方向、y方向、z方向の方向余弦を正確に特定するためには、波長に応じた補正を行う必要がある。これは、x方向、y方向、z方向の方向余弦をより正確に特定する観点から好ましくない。 The probe lights 6x, 6y, and 6z are preferably irradiated in a time division manner (not simultaneously). If the probe lights 6x, 6y, and 6z are generated so as not to interfere with each other (for example, if the probe lights 6x, 6y, and 6z are generated so as to have different wavelengths), in principle, the probe lights 6x, 6y, Even if 6z is irradiated at the same time, it is possible to specify the direction cosines of the magnetization M in each position of the sample S in the x, y, and z directions. However, from the viewpoint of more accurately specifying the direction cosines in the x direction, the y direction, and the z direction, the probe lights 6x, 6y, and 6z are preferably irradiated separately. When the sample light S is simultaneously irradiated with probe lights 6x, 6y, and 6z having different wavelengths, the Kerr rotation angle due to the Kerr effect is dependent on the wavelength, and therefore the direction cosines in the x, y, and z directions. In order to specify accurately, it is necessary to perform correction according to the wavelength. This is not preferable from the viewpoint of more accurately specifying the direction cosine in the x direction, the y direction, and the z direction.
演算装置4は、試料Sの各位置の磁化Mの方向を示す表示画像を生成し、表示装置5に表示する。一実施形態では、演算装置4は、試料Sの各位置の磁化Mの方向を、色によって表す表示画像を表示装置5に表示する。このような表示画像は、最も簡単には、表示画像の各画素の3原色(赤、緑、青)それぞれの階調を、それぞれ、反射光7x、7y、7zの撮像画像の各画素の輝度に一致させることによって生成可能である。例えば、表示画像の各画素の赤の階調が反射光7xの撮像画像の各画素の輝度に一致するように決定され、緑の階調が反射光7yの撮像画像の各画素の輝度に一致するように決定され、青の階調が反射光7zの撮像画像の各画素の輝度に一致するように決定される。このようにして生成された表示画像は、試料Sに生成される磁区それぞれの磁化の方向が色によって図示され、したがって、各磁区の方向を直感的に把握しやすい。 The arithmetic device 4 generates a display image indicating the direction of the magnetization M at each position of the sample S and displays it on the display device 5. In one embodiment, the arithmetic device 4 displays on the display device 5 a display image that represents the direction of the magnetization M at each position of the sample S by color. Such a display image is most simply expressed by the gradations of the three primary colors (red, green, and blue) of each pixel of the display image, and the luminance of each pixel of the captured image of reflected light 7x, 7y, and 7z, respectively. Can be generated by matching. For example, the red gradation of each pixel of the display image is determined so as to match the luminance of each pixel of the captured image of the reflected light 7x, and the green gradation matches the luminance of each pixel of the captured image of the reflected light 7y. The blue gradation is determined so as to match the luminance of each pixel of the captured image of the reflected light 7z. In the display image generated in this way, the magnetization directions of the magnetic domains generated in the sample S are illustrated by colors, and therefore it is easy to intuitively grasp the direction of each magnetic domain.
試料Sの各位置の磁化Mの方向を、小さな矢印として表示することも可能である。この場合、演算装置4は、試料Sの3D画像を表示し、更に、3D画像の各位置に、当該位置の磁化Mの方向を表す小さな矢印を重ねて表示する。これにより、試料Sの各位置における磁化Mの方向を視覚的に把握することができる。試料Sの各位置の磁化Mの方向の図示は、各位置の色及び矢印の両方を用いて行うことも可能である。 The direction of the magnetization M at each position of the sample S can be displayed as a small arrow. In this case, the arithmetic unit 4 displays a 3D image of the sample S, and further displays a small arrow indicating the direction of the magnetization M at the position in an overlapping manner at each position of the 3D image. Thereby, the direction of the magnetization M at each position of the sample S can be visually grasped. The direction of the magnetization M at each position of the sample S can also be shown using both the color and the arrow at each position.
試料Sの磁化Mのz成分Mzは、必要がなければ測定しなくてもよい。即ち、試料Sの表面の面内における磁化Mの方向のみが測定されてもよい。測定対象が、膜厚の薄い膜である場合、試料Sの磁化Mの方向は、多くの場合、試料Sの表面の面内方向(即ち、x−y平面に平行な方向)にある。このような場合、磁化Mのz成分Mzは測定する必要はない。磁化Mのz成分Mzを測定しない場合には、プローブ光6zを発生するための光学素子(例えば、レーザダイオード11z及びレンズ12z)がカー効果顕微鏡から取り除かれてもよい。図5は、試料Sの磁化Mのx方向、y方向の方向余弦のみが特定される場合における、表示装置5に表示される表示画像の例を示す。図5の表示画像では、試料Sの各位置の磁化Mの方向が、色及び矢印によって図示されている(なお、特許庁のシステムの制約上、図5は、グレースケールで図示されていることに留意されたい)。 The z component Mz of the magnetization M of the sample S may not be measured if it is not necessary. That is, only the direction of the magnetization M in the plane of the surface of the sample S may be measured. When the measurement target is a thin film, the direction of the magnetization M of the sample S is often in the in-plane direction of the surface of the sample S (that is, the direction parallel to the xy plane). In such a case, it is not necessary to measure the z component Mz of the magnetization M. When the z component Mz of the magnetization M is not measured, optical elements (for example, the laser diode 11z and the lens 12z) for generating the probe light 6z may be removed from the Kerr effect microscope. FIG. 5 shows an example of a display image displayed on the display device 5 when only the cosines of the magnetization M of the sample S in the x direction and the y direction are specified. In the display image of FIG. 5, the direction of the magnetization M at each position of the sample S is illustrated by a color and an arrow (note that FIG. 5 is illustrated in gray scale due to the restrictions of the JPO system. Please note.)
外部磁界を、その大きさ及び/又は方向を変動させながら試料Sに印加する場合には、外部磁界による試料Sの各位置の磁化Mの方向の変化を動画として表示することも可能である。図6Aは、試料Sの各位置の磁化Mの方向の変化を動画として表示する場合のカー効果顕微鏡の動作タイミングの例を示すタイミングチャートである。図6Aの動作では、試料Sに印加される外部磁界は、階段状に増加され、外部磁界の増加と同期して、反射光7x、7y、7zの撮像画像が逐次に撮像される。 When an external magnetic field is applied to the sample S while changing its magnitude and / or direction, the change in the direction of the magnetization M at each position of the sample S due to the external magnetic field can be displayed as a moving image. FIG. 6A is a timing chart showing an example of operation timing of the Kerr effect microscope when the change in the direction of the magnetization M at each position of the sample S is displayed as a moving image. In the operation of FIG. 6A, the external magnetic field applied to the sample S is increased stepwise, and the captured images of the reflected lights 7x, 7y, and 7z are sequentially captured in synchronization with the increase of the external magnetic field.
詳細には、ある大きさの外部磁界H1が試料Sに印加され、この状態で、レーザダイオード11x、11y、11zに、順次に駆動電流が供給される。これにより、プローブ光6x、6y、6xが、順次に試料Sに入射される。レーザダイオード11x、11y、11zへの駆動電流の供給に同期して、CCDカメラ33のシャッタが開かれる。これにより、反射光7x、7y、7zの撮像画像が順次に撮像され、外部磁界H1が試料Sに印加された状態での、試料Sの各位置の磁化Mの方向が特定される。 In particular, applied external magnetic field H 1 of a certain magnitude to the sample S, in this state, the laser diode 11x, 11y, to 11z, the drive current is supplied sequentially. Accordingly, the probe lights 6x, 6y, and 6x are sequentially incident on the sample S. The shutter of the CCD camera 33 is opened in synchronization with the supply of drive current to the laser diodes 11x, 11y, and 11z. Thus, the reflected light 7x, 7y, captured image 7z are sequentially captured, the external magnetic field H 1 is in a state of being applied to the sample S, the direction of magnetization M of the position of the sample S is specified.
続いて、外部磁界H1よりも大きな外部磁界H2が試料Sに印加され、この状態で、レーザダイオード11x、11y、11zに、順次に駆動電流が供給される。更に、レーザダイオード11x、11y、11zへの駆動電流の供給に同期して、CCDカメラ33のシャッタが開かれる。これにより、反射光7x、7y、7zの撮像画像が順次に撮像され、外部磁界H2が試料Sに印加された状態での、試料Sの各位置の磁化Mの方向が特定される。以下同様の手順により、外部磁界の大きさを変化させながら、試料Sの各位置の磁化Mの方向が特定され、これにより、試料Sの各位置の磁化Mの方向の変化が動画として表示される。 Subsequently, a large external magnetic field H 2 than the external magnetic field H 1 is applied to the sample S, in this state, the laser diode 11x, 11y, to 11z, the drive current is supplied sequentially. Furthermore, the shutter of the CCD camera 33 is opened in synchronization with the supply of the drive current to the laser diodes 11x, 11y, and 11z. Thus, the reflected light 7x, 7y, captured image 7z are sequentially captured, the external magnetic field H 2 is in a state of being applied to the sample S, the direction of magnetization M of the position of the sample S is specified. Subsequently, the direction of the magnetization M at each position of the sample S is specified while changing the magnitude of the external magnetic field by the same procedure, and the change in the direction of the magnetization M at each position of the sample S is displayed as a moving image. The
試料Sの磁化Mのx方向、y方向の方向余弦のみが特定される場合(即ち、試料Sの表面の面内における磁化Mの方向のみが測定される場合)も、同様にして、外部磁界による試料Sの各位置の磁化Mの方向の変化を動画として表示することが可能である。図6Bは、試料Sの表面の面内における磁化Mの方向を動画として表示する場合のカー効果顕微鏡の動作タイミングを示すタイミングチャートである。試料Sに印加される外部磁界は、階段状に増加され、外部磁界の増加と同期して、レーザダイオード11x、11yに駆動電流が供給される。レーザダイオード11x、11yへの駆動電流の供給に同期して、CCDカメラ33のシャッタが開かれ、これにより、反射光7x、7yの撮像画像が逐次に撮像される。反射光7x、7yの撮像画像から、磁化Mの方向を示す表示画像が逐次に生成されて表示装置5に表示される。 Similarly, when only the direction cosines of the magnetization M of the sample S in the x direction and the y direction are specified (that is, when only the direction of the magnetization M in the plane of the surface of the sample S is measured), the external magnetic field is similarly measured. It is possible to display a change in the direction of the magnetization M at each position of the sample S as a moving image. FIG. 6B is a timing chart showing the operation timing of the Kerr effect microscope when the direction of the magnetization M in the surface of the sample S is displayed as a moving image. The external magnetic field applied to the sample S is increased stepwise, and driving current is supplied to the laser diodes 11x and 11y in synchronization with the increase of the external magnetic field. In synchronization with the supply of drive current to the laser diodes 11x and 11y, the shutter of the CCD camera 33 is opened, and the captured images of the reflected lights 7x and 7y are sequentially captured. From the captured images of the reflected lights 7x and 7y, a display image indicating the direction of the magnetization M is sequentially generated and displayed on the display device 5.
また、本実施形態のカー効果顕微鏡においては、外部磁界の大きさを変化させながら測定を行うことにより、試料Sの所望位置の磁化の所望方向についての磁化曲線を得ることができる。反射光7x、7y、7zのカー回転角θk(又は楕円率η)は、それぞれ、試料Sの磁化のx成分、y成分、z成分に一対一に対応しているから、反射光7x、7y、7zのカー回転角θk(又は楕円率η)の外部磁界に対する依存性を示す曲線は、磁化曲線と等価である。従って、外部磁界の大きさに対するカー回転角θk(又は楕円率η)の変化を測定することにより、磁化曲線を得ることができる。磁化曲線の算出は、演算装置4によって行われる。 In the Kerr effect microscope of the present embodiment, a magnetization curve with respect to a desired direction of magnetization at a desired position of the sample S can be obtained by performing measurement while changing the magnitude of the external magnetic field. Since the Kerr rotation angles θk (or ellipticity η) of the reflected lights 7x, 7y, and 7z correspond to the x component, the y component, and the z component of the magnetization of the sample S, respectively, the reflected lights 7x, 7y The curve indicating the dependence of the Kerr rotation angle θk (or ellipticity η) of 7z on the external magnetic field is equivalent to the magnetization curve. Therefore, the magnetization curve can be obtained by measuring the change in the Kerr rotation angle θk (or ellipticity η) with respect to the magnitude of the external magnetic field. The calculation of the magnetization curve is performed by the arithmetic device 4.
図7A、図7Bは、得られた磁化曲線の例を示す図である。詳細には、図7Aは、試料Sの磁化の、x方向についての磁化曲線を示しており、図7Bは、x方向についての磁化曲線を示している。図7A、図7Bの磁化曲線の取得において、外部磁界はx軸方向に印加されており、外部磁界の大きさを変化させながら反射光7x、7yのカー回転角θkが測定されている。図7A、図7Bの磁化曲線では、カー回転角θkは、外部磁界が充分に大きい場合のカー回転角θksatによって規格化されている。磁化曲線を取得することは、試料Sの特性評価において有用である。 7A and 7B are diagrams showing examples of the obtained magnetization curves. Specifically, FIG. 7A shows a magnetization curve in the x direction of the magnetization of the sample S, and FIG. 7B shows a magnetization curve in the x direction. 7A and 7B, the external magnetic field is applied in the x-axis direction, and the Kerr rotation angles θk of the reflected lights 7x and 7y are measured while changing the magnitude of the external magnetic field. 7A and 7B, the Kerr rotation angle θk is normalized by the Kerr rotation angle θk sat when the external magnetic field is sufficiently large. Obtaining a magnetization curve is useful in evaluating the characteristics of the sample S.
なお、試料Sへの外部磁界の印加は、例えば、図8に示されている磁界印加装置によって実現され得る。図7の磁界印加装置は、概略的には、x軸用電磁石51と、y軸用電磁石52とで構成される。x軸用電磁石51には電流Ixが供給されており、x軸用電磁石51は、x軸方向に外部磁界HxEを発生する。x軸用電磁石51を取り囲むようにy軸用電磁石52が設けられている。y軸用電磁石52には電流Iyが供給されており、y軸用電磁石52は、y軸方向に外部磁界HyEを発生する。試料S(図7には図示されていない)は、x軸用電磁石51の間に設置される。図7の磁界印加装置によれば、電流Ix、Iyを制御することにより、x−y平面に平行な任意の方向の外部磁界を試料Sに印加することができる。 The application of the external magnetic field to the sample S can be realized by, for example, a magnetic field application device shown in FIG. The magnetic field application apparatus in FIG. 7 is generally composed of an x-axis electromagnet 51 and a y-axis electromagnet 52. The x-axis electromagnet 51 is supplied with current Ix, x axis electromagnet 51 generates an external magnetic field Hx E in the x-axis direction. A y-axis electromagnet 52 is provided so as to surround the x-axis electromagnet 51. A current Iy is supplied to the y-axis electromagnet 52, and the y-axis electromagnet 52 generates an external magnetic field Hy E in the y-axis direction. The sample S (not shown in FIG. 7) is placed between the x-axis electromagnets 51. According to the magnetic field application apparatus of FIG. 7, an external magnetic field in an arbitrary direction parallel to the xy plane can be applied to the sample S by controlling the currents Ix and Iy.
測定に使用されるプローブ光6x、6y、6xは、2重変調されることが好ましい。これは、プローブ光6x、6y、6xそれぞれのコヒーレンスを低下させ、試料Sの磁化Mの方向の測定精度を向上させる。プローブ光6x、6y、6xのコヒーレンスが過剰に高いと、カー効果顕微鏡の光学素子で不所望に反射した光と、プローブ光6x、6y、6x及び/又は反射光7x、7y、7zとが干渉し、これにより、試料Sの磁化Mの方向の精度が低下してしまう。不所望な干渉による精度の低下を防ぐためには、プローブ光6x、6y、6xが2重変調され、プローブ光6x、6y、6xのコヒーレンスが低下されることが好ましい。図9は、プローブ光6x、6y、6xが2重変調されたときのプローブ光6x、6y、6xの強度の波形を示す図である。2重変調されたプローブ光6x、6y、6xの強度は、周波数f1を有する矩形波が、更に、周波数f2で変調された波形を有している。ここで、周波数f2は、周波数f1よりも極めて高い周波数である。典型的には、周波数f1は、100kHzオーダの周波数であり、周波数f2は、数十MHzオーダの周波数である。このような強度波形を有するプローブ光6x、6y、6xは、同様の波形の駆動電流を流すことによって生成可能である。 It is preferable that the probe lights 6x, 6y, and 6x used for measurement are doubly modulated. This reduces the coherence of each of the probe lights 6x, 6y, 6x, and improves the measurement accuracy in the direction of the magnetization M of the sample S. If the coherence of the probe lights 6x, 6y, 6x is excessively high, the light reflected undesirably by the optical element of the Kerr effect microscope interferes with the probe lights 6x, 6y, 6x and / or the reflected lights 7x, 7y, 7z. As a result, the accuracy of the direction of the magnetization M of the sample S decreases. In order to prevent a decrease in accuracy due to undesired interference, it is preferable that the probe lights 6x, 6y, and 6x are doubly modulated to reduce the coherence of the probe lights 6x, 6y, and 6x. FIG. 9 is a diagram illustrating waveforms of the intensity of the probe lights 6x, 6y, and 6x when the probe lights 6x, 6y, and 6x are doubly modulated. Double modulated probe light 6x, 6y, strength of 6x, the rectangular wave having a frequency f 1 further has a modulated waveform with a frequency f 2. Here, the frequency f 2 is extremely higher than the frequency f 1. Typically, the frequency f 1 is a frequency on the order of 100 kHz, and the frequency f 2 is a frequency on the order of several tens of MHz. The probe lights 6x, 6y and 6x having such an intensity waveform can be generated by flowing a drive current having a similar waveform.
(変形例)
図6A、図6Bの動作では、プローブ光の入射方向の切り換え(即ち、プローブ光6x、6y、6zの切り換え)は、レーザダイオード11x、11y、11zへの駆動電流の供給を制御することによって行われているが、図10Aに示されているように、プローブ光の入射方向の切り換えが、シャッター19x、19y、19zによって行われることも可能である。シャッター19x、19y、19zは、レーザ光18x、18y、18zを通過又は遮断し、これにより、プローブ光6x、6y、6zの照射を制御する機能を有している。プローブ光6xを試料Sに入射する場合、シャッター19xが開かれ、シャッター19y、19zが閉じられる。同様に、プローブ光6yを試料Sに入射する場合、シャッター19yが開かれ、シャッター19x、19zが閉じられる。更に、プローブ光6zを試料Sに入射する場合、シャッター19zが開かれ、シャッター19x、19yが閉じられる。シャッター19x、19y、19zとしては、メカニカルシャッターのみならず、液晶変調器や、電気光学効果(EO効果)を用いるEO変調器、音響光学効果(AO効果)を用いるAO変調器が使用可能である。
(Modification)
6A and 6B, switching of the incident direction of the probe light (that is, switching of the probe lights 6x, 6y, and 6z) is performed by controlling the supply of drive current to the laser diodes 11x, 11y, and 11z. However, as shown in FIG. 10A, the incident direction of the probe light can be switched by the shutters 19x, 19y, and 19z. The shutters 19x, 19y, and 19z have a function of passing or blocking the laser beams 18x, 18y, and 18z, thereby controlling the irradiation of the probe beams 6x, 6y, and 6z. When the probe light 6x is incident on the sample S, the shutter 19x is opened and the shutters 19y and 19z are closed. Similarly, when the probe light 6y is incident on the sample S, the shutter 19y is opened and the shutters 19x and 19z are closed. Further, when the probe light 6z is incident on the sample S, the shutter 19z is opened and the shutters 19x and 19y are closed. As the shutters 19x, 19y, and 19z, not only a mechanical shutter but also a liquid crystal modulator, an EO modulator that uses an electro-optic effect (EO effect), and an AO modulator that uses an acousto-optic effect (AO effect) can be used. .
また、図10Bに示されているように、3つのレーザダイオード11x、11y、11zの代わりに、プローブ光の光路を切り換える偏向機構が設けられ、これにより、プローブ光の入射方向が切り換えられることが可能である。詳細には、図10のカー効果顕微鏡の入射光学系1Aは、光源41と、コンデンサレンズ42と、開口絞り43と、視野絞り44と、コリメータレンズ45と、ミラー46と、可動ミラー47と、リレーレンズ48と、偏光子49とを備えている。光源41が発生した光は、コンデンサレンズ42と、開口絞り43と、視野絞り44と、コリメータレンズ45を介してミラー46に入射され、更に、ミラー46によって反射されて可動ミラー47に入射される。可動ミラー47は、x軸及びz軸を中心として回転可能に構成されている。可動ミラー47によって反射された光は、リレーレンズ48を介して偏光子49に入射され、偏光子49から出射された光が、プローブ光6x、6y、6zとして使用される。可動ミラー47及びリレーレンズ48の位置は、対物レンズ23の前側焦点からリレーレンズ48の主点までの光路長と、リレーレンズ48の主点から可動ミラー47までの光路長とが、いずれも、リレーレンズ48の焦点距離と一致するように定められている。図10のカー効果顕微鏡の落射光学系2、検出光学系3の構成は、図1のカー効果顕微鏡と同様である。 As shown in FIG. 10B, instead of the three laser diodes 11x, 11y, and 11z, a deflection mechanism that switches the optical path of the probe light is provided, so that the incident direction of the probe light can be switched. Is possible. In detail, the incident optical system 1A of the Kerr effect microscope of FIG. 10 includes a light source 41, a condenser lens 42, an aperture stop 43, a field stop 44, a collimator lens 45, a mirror 46, a movable mirror 47, A relay lens 48 and a polarizer 49 are provided. The light generated by the light source 41 is incident on the mirror 46 via the condenser lens 42, the aperture stop 43, the field stop 44, and the collimator lens 45, and further reflected by the mirror 46 and incident on the movable mirror 47. . The movable mirror 47 is configured to be rotatable about the x axis and the z axis. The light reflected by the movable mirror 47 enters the polarizer 49 via the relay lens 48, and the light emitted from the polarizer 49 is used as probe light 6x, 6y, 6z. The positions of the movable mirror 47 and the relay lens 48 are the optical path length from the front focal point of the objective lens 23 to the principal point of the relay lens 48 and the optical path length from the principal point of the relay lens 48 to the movable mirror 47, respectively. It is determined so as to coincide with the focal length of the relay lens 48. The configurations of the epi-illumination optical system 2 and the detection optical system 3 of the Kerr effect microscope of FIG. 10 are the same as those of the Kerr effect microscope of FIG.
入射光学系1Aは、可動ミラー47を回転させることによって、プローブ光の光路を切り換えるように構成されている。可動ミラー47が向く方向を適切に決定することにより、光源41によって発生された光は、その光軸が対物レンズ23の光軸に一致するように入射される。これにより、プローブ光6zがz軸に平行に入射される。既述のように、プローブ光6zをz軸に平行に入射することにより、試料Sの磁化Mのz成分Mzを特定可能である。以下では、プローブ光6zがz軸に平行に入射されるような可動ミラー47の向きを、基本方向と呼ぶこととする。 The incident optical system 1A is configured to switch the optical path of the probe light by rotating the movable mirror 47. By appropriately determining the direction in which the movable mirror 47 faces, the light generated by the light source 41 is incident so that the optical axis thereof coincides with the optical axis of the objective lens 23. Thereby, the probe light 6z is incident in parallel to the z axis. As described above, the z component Mz of the magnetization M of the sample S can be specified by making the probe light 6z incident in parallel to the z axis. Hereinafter, the direction of the movable mirror 47 where the probe light 6z is incident in parallel to the z-axis is referred to as a basic direction.
可動ミラー47を基本方向からz軸を中心に回転させることにより、光源41によって発生された光は、対物レンズ23の胴付面の、対物レンズ23の光軸からはずれ、且つ、x’軸上に規定された所定位置に入射される(図4(a)参照)。これにより、プローブ光6xが、z−x平面に平行で、且つ、z軸に対して斜めである方向に入射される。既述のように、プローブ光6xをz−x平面に平行で、且つ、z軸に対して斜めである方向に入射することにより、試料Sの磁化Mのx成分Mxを特定可能である。 By rotating the movable mirror 47 about the z-axis from the basic direction, the light generated by the light source 41 deviates from the optical axis of the objective lens 23 on the body surface of the objective lens 23 and is on the x′-axis. (See FIG. 4A). Thereby, the probe light 6x is incident in a direction parallel to the zx plane and oblique to the z axis. As described above, the x component Mx of the magnetization M of the sample S can be specified by making the probe light 6x incident in a direction parallel to the zx plane and oblique to the z axis.
また、可動ミラー47を基本方向からx軸を中心に回転させることにより、プ光源41によって発生された光は、対物レンズ23の胴付面の、対物レンズ23の光軸からはずれ、且つ、y’軸上に規定された所定位置に入射される(図4(b)参照)。これにより、プローブ光6yが、y−z平面に平行で、且つ、z軸に対して斜めである方向に入射される。既述のように、プローブ光6yをy−z平面に平行で、且つ、z軸に対して斜めである方向に入射することにより、試料Sの磁化Mのy成分Myを特定可能である。 Further, by rotating the movable mirror 47 about the x axis from the basic direction, the light generated by the light source 41 is shifted from the optical axis of the objective lens 23 on the body-fitted surface of the objective lens 23, and y 'The light is incident on a predetermined position defined on the axis (see FIG. 4B). Accordingly, the probe light 6y is incident in a direction parallel to the yz plane and oblique to the z axis. As described above, the y component My of the magnetization M of the sample S can be specified by making the probe light 6y incident in a direction parallel to the yz plane and oblique to the z axis.
このように、図10Bのカー効果顕微鏡の構成でも、試料Sの磁化の3次元的な方向、即ち、磁化Mのx方向、y方向、z方向の方向余弦を特定することができる。 As described above, even in the configuration of the Kerr effect microscope of FIG. 10B, the three-dimensional direction of magnetization of the sample S, that is, the direction cosine of the magnetization M in the x, y, and z directions can be specified.
(カー効果顕微鏡の校正)
図1、図10A、図10Bのカー効果顕微鏡では、理論的には、下記のようにして磁化Mのx方向、y方向、z方向についての方向余弦、即ち、磁化Mの方向を得ることができる。CCDカメラ33によって撮像された撮像画像の輝度と、反射光のカー回転角との関係は、下記の式(1)で表される:
In the Kerr effect microscope of FIGS. 1, 10A, and 10B, theoretically, the direction cosine of the magnetization M in the x direction, the y direction, and the z direction, that is, the direction of the magnetization M can be obtained as follows. it can. The relationship between the brightness of the captured image captured by the CCD camera 33 and the Kerr rotation angle of the reflected light is expressed by the following equation (1):
式(1)から、試料Sのカー効果によって生じる輝度変化ΔBは、
しかしながら、測定系の調整状況によっては、カー回転角θk(又は楕円率η)を、充分な精度で得ることができない場合がある。式(2’)には、多くのパラメータ、即ち、CCDカメラ33の感度a、プローブ光の光量E2、CCDカメラ33の露光時間t、及び、検光子31の消光位置からの角度θが含まれている。測定系の精度が充分でなく、このために、カー回転角θk(又は楕円率η)を算出するために使用されるパラメータの誤差が大きいと、カー回転角θk(又は楕円率η)、即ち、磁化Mの方向を、充分な精度で得ることができない。 However, depending on the adjustment status of the measurement system, the Kerr rotation angle θk (or ellipticity η) may not be obtained with sufficient accuracy. The expression (2 ′) includes many parameters, that is, the sensitivity a of the CCD camera 33, the light amount E 2 of the probe light, the exposure time t of the CCD camera 33, and the angle θ from the extinction position of the analyzer 31. It is. The accuracy of the measurement system is not sufficient. For this reason, if the error of the parameter used to calculate the Kerr rotation angle θk (or ellipticity η) is large, the Kerr rotation angle θk (or ellipticity η), that is, The direction of the magnetization M cannot be obtained with sufficient accuracy.
このような困難性を克服するための一つの方法は、適切な校正を行うことである。以下では、カー効果顕微鏡の校正方法について議論する。 One way to overcome this difficulty is to perform an appropriate calibration. In the following, we will discuss how to calibrate the Kerr effect microscope.
一の好適な方法は、磁化Mの方向と、CCDカメラ33の撮像画像の輝度との間の対応関係を予め取得し、当該対応関係を示す対応データを演算装置4に保存しておくことである。磁化Mの方向と輝度との間の対応関係は、校正用試料として磁性材料の薄膜を使用し、当該校正用試料に外部磁界を印加しながらCCDカメラ33によって撮像画像を撮像することによって得ることができる。校正用試料の磁化を飽和させるのに充分な大きさの外部磁界(即ち、当該磁性材料の抗磁界よりも大きい外部磁界)をx−y平面に平行に印加すれば、校正用試料の磁化Mを(x−y平面に平行な)所望の方向に向けることができる。外部磁界の方向を変化させながら、反射光7x、7yの撮像画像を取得すれば、磁化Mの方向と、CCDカメラ33の撮像画像の輝度との間の対応関係を得ることができる。実際に試料Sの磁化の方向の測定を行う場合には、CCDカメラ33の撮像画像の各画素の輝度と、演算装置4に保存された対応データから、試料Sの各位置における磁化Mの方向が特定される。 One preferred method is to acquire a correspondence relationship between the direction of the magnetization M and the brightness of the image captured by the CCD camera 33 in advance, and store correspondence data indicating the correspondence relationship in the arithmetic device 4. is there. The correspondence between the direction of the magnetization M and the luminance is obtained by using a thin film of magnetic material as a calibration sample and capturing a captured image with the CCD camera 33 while applying an external magnetic field to the calibration sample. Can do. If an external magnetic field large enough to saturate the magnetization of the calibration sample (ie, an external magnetic field larger than the coercive field of the magnetic material) is applied parallel to the xy plane, the magnetization M of the calibration sample. Can be oriented in a desired direction (parallel to the xy plane). If the captured images of the reflected lights 7x and 7y are acquired while changing the direction of the external magnetic field, the correspondence between the direction of the magnetization M and the brightness of the captured image of the CCD camera 33 can be obtained. When the magnetization direction of the sample S is actually measured, the direction of the magnetization M at each position of the sample S is calculated from the luminance of each pixel of the image captured by the CCD camera 33 and the corresponding data stored in the arithmetic unit 4. Is identified.
図11は、外部磁界を逐次に変化させることによって得られた、校正用試料の磁化の方向と、反射光7x、7yの撮像画像の特定画素の輝度との関係を示すグラフである。図11のグラフは、校正用試料の磁化の方向が+x方向と一致する場合に、θMが0であるとして描かれている。プローブ光6x、6yの光路の位置、及び、反射光7x、7yの光路の位置は異なっているので、光学系の調整状況によっては、反射光7x、7yの撮像画像の輝度の、磁化の角度θMに対する平均値Bx ave、By ave、及び、輝度の振幅Bx amp、By ampが相違する。 FIG. 11 is a graph showing the relationship between the direction of magnetization of the calibration sample and the brightness of specific pixels of the captured images of the reflected lights 7x and 7y obtained by sequentially changing the external magnetic field. Graph in Figure 11, when the direction of magnetization of the calibration sample coincides with the + x direction, theta M is depicted as being zero. Since the positions of the optical paths of the probe lights 6x and 6y and the optical paths of the reflected lights 7x and 7y are different, the angle of magnetization of the brightness of the captured images of the reflected lights 7x and 7y depends on the adjustment status of the optical system. The average values B x ave and B y ave for θ M and the luminance amplitudes B x amp and B y amp are different.
図11のグラフから、反射光7x、7yの撮像画像のそれぞれについて、輝度の(磁化Mの全方向に対する)平均値Bx ave、By aveと、輝度の振幅Bx amp、By ampを得ることができる。言い換えれば、反射光7xの撮像画像の特定画素の輝度Bx、及び反射光7yの撮像画像の当該特定画素の輝度Byは、下記式によって近似することができる:
Bx=Bx ampcosθM+Bx ave, ・・・(3a)
By=By ampsinθM+By ave, ・・・(3b)
ここで、θMは、外部磁界、即ち、校正用試料の磁化の方向を示している。
From the graph of FIG. 11, for each of the captured images of the reflected light 7x and 7y, average values B x ave and B y ave of luminance (in all directions of magnetization M) and luminance amplitudes B x amp and B y amp are obtained. Can be obtained. In other words, the luminance B x of the specific pixel of the captured image of the reflected light 7x and the luminance B y of the specific pixel of the captured image of the reflected light 7y can be approximated by the following equations:
B x = B x amp cos θ M + B x ave , (3a)
B y = B y amp sin θ M + B y ave , (3b)
Here, θ M indicates the external magnetic field, that is, the magnetization direction of the calibration sample.
輝度Bx、Byを、平均値Bx ave、By ave及び振幅Bx amp、By ampを用いて規格化すると、図12に示されているように、磁化Mのx方向の方向余弦αとy方向の方向余弦βは、下記の式によって表される:
α=cosθM
=(Bx−Bx ave)/Bx amp, ・・・(3a’)
β=sinθM
=(By−By ave)/By amp. ・・・(3b’)
When the luminances B x and B y are normalized using the average values B x ave and B y ave and the amplitudes B x amp and B y amp , the direction of the magnetization M in the x direction as shown in FIG. The cosine α and the direction cosine β in the y direction are represented by the following formula:
α = cos θ M
= (B x -B x ave) / B x amp, ··· (3a ')
β = sin θ M
= (B y -B y ave ) / B y amp . ... (3b ')
式(3a’)、(3b’)は、反射光7x、7yの撮像画像の輝度と、磁化Mのx方向の方向余弦αとy方向の方向余弦βとの間の関係を示している。即ち、試料Sを測定して、反射光7x、7yの撮像画像の特定画素の輝度がBx、Byであった場合、試料Sの当該特定画素に対応する位置における磁化Mの方向の磁化Mのx方向の方向余弦αとy方向の方向余弦βとは、式(3a’)、(3b’)によって得ることができる。言い換えれば、式(3a’)、(3b’)を用いれば、反射光7x、7yの撮像画像の各画素の輝度から、試料Sの各位置における磁化Mの方向を得ることができる。 Expressions (3a ′) and (3b ′) indicate the relationship between the luminance of the captured images of the reflected lights 7x and 7y and the direction cosine α in the x direction and the direction cosine β in the y direction of the magnetization M. That is, by measuring the sample S, the reflected light 7x, when the luminance of a specific pixel of the captured image 7y were B x, B y, the magnetization direction of the magnetization M at a position corresponding to the specific pixel of the sample S The direction cosine α in the x direction of M and the direction cosine β in the y direction can be obtained by equations (3a ′) and (3b ′). In other words, by using the expressions (3a ′) and (3b ′), the direction of the magnetization M at each position of the sample S can be obtained from the luminance of each pixel of the captured images of the reflected light 7x and 7y.
好適な他の校正方法は、図13に図示されているような反射型ファラデーガラスを校正用試料SCとして使用し、これにより、カー回転角θk(又は楕円率η)と撮像画像の輝度との対応関係を予め計測しておく方法である。本実施形態では、校正用試料SCは、ファラデーガラス板61とアルミニウム薄膜62とで構成されている。アルミニウム薄膜62は、ファラデーガラス板61に入射された光を反射するミラーとして機能する。プローブ光は、ファラデーガラス板61に入射され、更にアルミニウム薄膜62によって反射され、これにより、反射光が発生される。 Other suitable calibration method uses a reflective Faraday glass such as illustrated in FIG. 13 as a calibration sample S C, thereby, the Kerr rotation angle .theta.k (or ellipticity eta) and the luminance of the captured image This is a method of previously measuring the correspondence relationship. In this embodiment, the calibration sample S C is composed of a Faraday glass plate 61 and the aluminum thin film 62. The aluminum thin film 62 functions as a mirror that reflects light incident on the Faraday glass plate 61. The probe light is incident on the Faraday glass plate 61 and further reflected by the aluminum thin film 62, whereby reflected light is generated.
校正用試料SCで発現するファラデー効果による、反射光の偏向面の回転角(ファラデー回転角)は、下記式で表される:
このことを利用すれば、反射光のカー回転角θkと撮像画像の輝度との対応関係を予め計測することができる。即ち、反射光の偏向面を所望のファラデー回転角θFだけ回転させるような磁界Hを印加しながら校正用試料SCにプローブ光を入射し、このときの撮像画像の輝度を測定すれば、反射光の偏向面の回転角がθFであるときの撮像画像の輝度を知ることができる。磁界Hを変化させながら同様の測定を行えば、反射光の偏向面の回転角と撮像画像の輝度との対応関係を知ることができる。反射光の偏向面の回転角と撮像画像の輝度との対応関係は、即ち、反射光のカー回転角θkと撮像画像の輝度との対応関係であるから、上記の測定により、カー回転角θkと撮像画像の輝度との対応関係を示す対応データを得ることができる。この対応データを用いれば、撮像画像の輝度から、試料Sによるカー回転角θkを知ることができる。カー回転角θkと撮像画像の輝度との対応データを、反射光7x、7y、7zのそれぞれについて予め測定しておけば、反射光7x、7y、7zの撮像画像の輝度からカー回転角θkを精度良く特定し、更に、カー回転角θkから試料Sの磁化Mのx方向、y方向、z方向の方向余弦を特定することができる。 If this is utilized, the correspondence between the Kerr rotation angle θk of the reflected light and the brightness of the captured image can be measured in advance. That is, the deflecting surface of the reflected light incident probe light to a desired Faraday rotation angle theta F only calibrated while applying a magnetic field H such as to rotate sample S C, by measuring the luminance of the captured image in this case, rotation angle of the deflecting surface of the reflected light can know the brightness of the captured image when a theta F. By performing the same measurement while changing the magnetic field H, it is possible to know the correspondence between the rotation angle of the deflection surface of the reflected light and the brightness of the captured image. Since the correspondence relationship between the rotation angle of the deflecting surface of the reflected light and the brightness of the captured image is the correspondence relationship between the Kerr rotation angle θk of the reflected light and the brightness of the captured image, the Kerr rotation angle θk is determined by the above measurement. Correspondence data indicating the correspondence between the brightness of the captured image and the captured image can be obtained. By using this correspondence data, the Kerr rotation angle θk by the sample S can be known from the brightness of the captured image. If the correspondence data between the Kerr rotation angle θk and the brightness of the captured image is measured in advance for each of the reflected lights 7x, 7y, and 7z, the Kerr rotation angle θk is determined from the brightness of the captured images of the reflected lights 7x, 7y, and 7z. It is possible to specify with high accuracy and further specify the direction cosine of the magnetization M of the sample S in the x direction, the y direction, and the z direction from the Kerr rotation angle θk.
(対物レンズのファラデー効果への対応)
図1、図10A、図10Bのカー効果顕微鏡では、試料Sに外部磁界を印加したときに、対物レンズ23においてファラデー効果により、プローブ光と反射光の偏向面が回転することがある。より具体的には、図14を参照して、外部磁界印加電磁石53によって試料Sに外部磁界を印加すると、対物レンズ23の、特に試料Sに直接に対向する(即ち、最近接する)レンズL1には漏れ磁界HLが印加され得る。漏れ磁界HLは、多くの場合、プローブ光又は反射光の進行方向の成分Haを有しており、且つ、レンズL1は、多くの場合、小さいとはいえファラデー効果を発現するようなガラスでできている。従って、ファラデー効果により、プローブ光及び反射光の偏向面は回転し得る。レンズL1によるプローブ光及び反射光の偏向面の回転角(ファラデー回転角)θF1は、下記式で表される:
θF1= VL1・Ha・d1, ・・・(5)
ここで、VL1は、レンズL1のベルデ定数であり、Haは、漏れ磁束の、プローブ光又は反射光の進行方向の成分であり、d1は、プローブ光又は反射光が通過する位置におけるレンズL1の厚さである。検出光学系3では、レンズL1によるファラデー回転角θF1と、試料Sによるカー回転角θkとが重畳されて観測されるため、レンズL1によるファラデー回転角θF1の存在は、試料Sによるカー回転角θkの正確な測定の妨げになる。
(Corresponding to Faraday effect of objective lens)
In the Kerr effect microscopes of FIGS. 1, 10A, and 10B, when an external magnetic field is applied to the sample S, the deflection surfaces of the probe light and the reflected light may rotate in the objective lens 23 due to the Faraday effect. More specifically, referring to FIG. 14, when an external magnetic field is applied to the sample S by the external magnetic field applying electromagnet 53, the lens L 1 of the objective lens 23, in particular, directly facing (that is, closest to) the sample S. A leakage magnetic field HL can be applied to the. In many cases, the leakage magnetic field H L has a component Ha in the traveling direction of the probe light or reflected light, and the lens L 1 is often a glass that exhibits a Faraday effect although it is small. Made of. Therefore, the deflection surfaces of the probe light and the reflected light can rotate due to the Faraday effect. The rotation angle (Faraday rotation angle) θ F1 of the deflection surface of the probe light and the reflected light by the lens L 1 is expressed by the following equation:
θ F1 = V L1 · Ha · d 1 , (5)
Here, V L1 is the Verde constant of the lens L 1 , Ha is the component of the leakage magnetic flux in the traveling direction of the probe light or reflected light, and d 1 is a position at which the probe light or reflected light passes. lens L 1 is the thickness. In the detection optical system 3, and the Faraday rotation angle theta F1 by the lens L 1, because where the Kerr rotation angle θk by the sample S is observed are superimposed, the presence of the Faraday rotation angle theta F1 by a lens L 1, according to the sample S This hinders accurate measurement of the Kerr rotation angle θk.
このような問題に対処するためには、対物レンズ23の他のレンズL2の近傍に、レンズL1のファラデー効果による偏光面の回転をキャンセルする補正電磁石54を設けることが好適である。補正電磁石54を用いてレンズL2に磁界を印加してレンズL2にファラデー効果を発現させることにより、レンズL1のファラデー効果による偏光面の回転を、レンズL2のファラデー効果による偏光面の回転によって打ち消すことができる。これにより、試料Sによるカー回転角θkを正確に測定することが可能である。 In order to cope with such a problem, it is preferable to provide a correction electromagnet 54 that cancels the rotation of the polarization plane due to the Faraday effect of the lens L 1 in the vicinity of the other lens L 2 of the objective lens 23. By applying a magnetic field to the lens L 2 using the correction electromagnet 54 to cause the lens L 2 to exhibit a Faraday effect, the rotation of the polarization plane due to the Faraday effect of the lens L 1 is changed, and the polarization plane due to the Faraday effect of the lens L 2 is changed. Can be countered by rotation. Thereby, the Kerr rotation angle θk by the sample S can be accurately measured.
レンズL2におけるファラデー回転角を適切に制御するためには、補正電磁石54に供給される駆動電流を適切に制御する必要がある。図15は、漏れ磁界HLが、外部磁界印加電磁石53に供給される駆動電流に比例する場合における、補正電磁石54に供給される駆動電流の好適な制御系の一例を示している。図15の構成では、外部磁界印加電磁石53には、磁界印加電磁石用アンプ55によって駆動電流が供給され、補正電磁石54には、補正電磁石用アンプ56によって駆動電流が供給される。制御コンピュータ57は、磁界印加電磁石用アンプ55が供給すべき駆動電流に比例した電圧レベルを有する外部磁界制御信号58を、磁界印加電磁石用アンプ55に供給する。分圧器59は、外部磁界制御信号58を分圧して補正電磁石制御信号60を生成する。補正電磁石用アンプ56は、補正電磁石制御信号60の電圧レベルに応じた駆動電流を補正電磁石54に供給する。 To appropriately control the Faraday rotational angle of the lens L 2, it is necessary to appropriately control the drive current supplied to the correction electromagnet 54. FIG. 15 shows an example of a suitable control system for the drive current supplied to the correction electromagnet 54 when the leakage magnetic field HL is proportional to the drive current supplied to the external magnetic field application electromagnet 53. In the configuration of FIG. 15, a drive current is supplied to the external magnetic field application electromagnet 53 by the magnetic field application electromagnet amplifier 55, and a drive current is supplied to the correction electromagnet 54 by the correction electromagnet amplifier 56. The control computer 57 supplies an external magnetic field control signal 58 having a voltage level proportional to the drive current to be supplied by the magnetic field application electromagnet amplifier 55 to the magnetic field application electromagnet amplifier 55. The voltage divider 59 divides the external magnetic field control signal 58 to generate a corrected electromagnet control signal 60. The correction electromagnet amplifier 56 supplies a drive current corresponding to the voltage level of the correction electromagnet control signal 60 to the correction electromagnet 54.
このような構成によれば、補正電磁石54には、外部磁界印加電磁石53に供給される駆動電流に比例する駆動電流、即ち、漏れ磁界HLに比例する駆動電流が流され、これにより、レンズL2におけるファラデー回転角を適切に制御することができる。 According to such a configuration, a driving current proportional to the driving current supplied to the external magnetic field applying electromagnet 53, that is, a driving current proportional to the leakage magnetic field HL is caused to flow through the correction electromagnet 54. it is possible to properly control the Faraday rotational angle in L 2.
一方、図16は、漏れ磁界HLが、外部磁界印加電磁石53に供給される駆動電流に比例しない場合における、補正電磁石54に供給される電流の好適な制御系の一例を示している。試料Sに印加される外部磁界(即ち、外部磁界印加電磁石53に流される駆動電流)と、補正電磁石54に流すべき駆動電流との対応関係が予め計測され、その対応関係が、テーブルデータとして制御用コンピュータ57に保存される。制御用コンピュータ57は、試料Sに印加されるべき外部磁界と当該テーブルデータから、補正電磁石54に流すべき駆動電流を決定し、その駆動電流を指示する補正電磁石制御信号60を補正電磁石用アンプ56に供給する。補正電磁石用アンプ56は、補正電磁石制御信号60の電圧レベルに応じた駆動電流を補正電磁石54に供給する。 On the other hand, FIG. 16 shows an example of a suitable control system for the current supplied to the correction electromagnet 54 when the leakage magnetic field HL is not proportional to the drive current supplied to the external magnetic field application electromagnet 53. A correspondence relationship between an external magnetic field applied to the sample S (that is, a drive current that flows through the external magnetic field application electromagnet 53) and a drive current that should flow through the correction electromagnet 54 is measured in advance, and the correspondence relationship is controlled as table data. Stored in the computer 57. The control computer 57 determines a drive current to be supplied to the correction electromagnet 54 from the external magnetic field to be applied to the sample S and the table data, and outputs a correction electromagnet control signal 60 indicating the drive current to the correction electromagnet amplifier 56. To supply. The correction electromagnet amplifier 56 supplies a drive current corresponding to the voltage level of the correction electromagnet control signal 60 to the correction electromagnet 54.
このような構成によれば、試料Sに印加される外部磁界に応じた適切な駆動電流が補正電磁石54に供給され、これにより、レンズL2におけるファラデー回転角を適切に制御することができる。 According to such a configuration, an appropriate drive current corresponding to the external magnetic field applied to the sample S is supplied to the correction electromagnet 54, thereby, it is possible to appropriately control the Faraday rotational angle of the lens L 2.
発明者は、補正電磁石54に電流を流すことによってレンズL1におけるファラデー効果をキャンセルできることを、実験によって確かめた。図17は、試料Sとしてルテニウム薄膜を用いたときにおける、外部磁界とCCDカメラ33によって撮像された撮像画像の所定の画素の輝度との関係を示すグラフである。 The inventor has confirmed by experiments that the Faraday effect in the lens L 1 can be canceled by passing a current through the correction electromagnet 54. FIG. 17 is a graph showing the relationship between the external magnetic field and the luminance of a predetermined pixel of the captured image captured by the CCD camera 33 when a ruthenium thin film is used as the sample S.
ルテニウムは非磁性体であるため、試料Sは、カー効果を発現しない。したがって、本来的には、外部磁界を印加しても輝度は変化しないはずである。しかしながら、実際には、(補正電磁石54に駆動電流を流さない場合には)対物レンズ23のレンズL1におけるファラデー効果によって輝度が変化してしまう。 Since ruthenium is a nonmagnetic material, the sample S does not exhibit the Kerr effect. Therefore, the luminance should not change even when an external magnetic field is applied. However, in practice, (correction if not passed a driving current to the electromagnet 54) varies the brightness by the Faraday effect in the lens L 1 of the objective lens 23.
このような輝度の変化は、補正電磁石54に駆動電流を流すことによって抑制できた。発明者の実験系では、2000(Oe)の外部磁界を試料Sに印加した場合には、47mAの駆動電流を補正電磁石54に流すように制御系を調整することにより、外部磁界の印加による輝度が抑制された。これは、補正電磁石54に駆動電流を流してレンズL2においてファラデー効果を発現させることにより、レンズL1のファラデー効果による偏光面の回転をキャンセルすることができることを示している。 Such a change in luminance can be suppressed by passing a drive current through the correction electromagnet 54. In the inventor's experimental system, when an external magnetic field of 2000 (Oe) is applied to the sample S, the brightness due to the application of the external magnetic field is adjusted by adjusting the control system so that a drive current of 47 mA flows through the correction electromagnet 54. Was suppressed. This is by expressing the Faraday effect in the lens L 2 by flowing a drive current to the correction electromagnet 54 have shown that it is possible to cancel the rotation of the polarization plane by the Faraday effect of the lens L 1.
1、1A:入射光学系
2:落射光学系
3:検出光学系
4:演算装置
5:表示装置
6x、6y、6z:プローブ光
7x、7y、7z:反射光
11x、11y、11z、11:レーザダイオード
12x、12y、12z:レンズ
13、14:ミラー
15、16:ハーフミラー
17:偏光子
18x、18y、18z:レーザ光
19x、19y、19z:シャッター
21:スミスミラー
22:ハーフミラー
23:対物レンズ
31:検光子
32:結像レンズ
33:CCDカメラ
41:光源
42:コンデンサレンズ
43:開口絞り
44:視野絞り
45:コリメータレンズ
46:ミラー
47:可動ミラー
48:リレーレンズ
49:偏光子
51:x軸用電磁石
52:y軸用電磁石
53:外部磁界印加電磁石
54:補正電磁石
55:磁界印加電磁石用アンプ
56:補正電磁石用アンプ
57:制御用コンピュータ
58:外部磁界制御信号
59:分圧器
60:補正電磁石制御信号
S:試料
SC:校正用試料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1A: Incident optical system 2: Epi-illumination optical system 3: Detection optical system 4: Calculation apparatus 5: Display apparatus 6x, 6y, 6z: Probe light 7x, 7y, 7z: Reflected light 11x, 11y, 11z, 11: Laser Diode 12x, 12y, 12z: Lens 13, 14: Mirror 15, 16: Half mirror 17: Polarizer 18x, 18y, 18z: Laser light 19x, 19y, 19z: Shutter 21: Smith mirror 22: Half mirror 23: Objective lens 31: Analyzer 32: Imaging lens 33: CCD camera 41: Light source 42: Condenser lens 43: Aperture stop 44: Field stop 45: Collimator lens 46: Mirror 47: Movable mirror 48: Relay lens 49: Polarizer 51: x Shaft electromagnet 52: y-axis electromagnet 53: external magnetic field applying electromagnet 54: correction electromagnet 55: magnetic field Pressurized electromagnet amplifier 56: Correction electromagnet amplifier 57: the control computer 58: External magnetic field control signal 59: divider 60: Correction electromagnet control signal S: Sample S C: Calibration Sample
Claims (25)
前記第1プローブ光が前記試料によって反射されて生成される第1反射光と、第2プローブ光が前記試料によって反射されて生成される第2反射光から、前記試料の各位置における、前記試料の表面の面内における磁化の方向を特定する磁化方向特定手段
とを具備し、
前記第1方向は、前記試料の表面に垂直な第1平面の面内に、前記試料の表面に垂直な垂直方向に対して斜めに規定され、
前記第2方向は、前記第1平面に垂直な第2平面の面内に、前記垂直方向に対して斜めに規定された
カー効果顕微鏡。 Probe light incident means configured to allow the first probe light to be incident on the sample in the first direction and to allow the second probe light to be incident in a second direction different from the first direction;
The sample at each position of the sample from the first reflected light generated by reflecting the first probe light by the sample and the second reflected light generated by reflecting the second probe light by the sample. the direction of magnetization in the plane of the surface of the to and a magnetization direction specifying means for specifying,
The first direction is defined obliquely with respect to a vertical direction perpendicular to the surface of the sample, in a plane of a first plane perpendicular to the surface of the sample,
The Kerr effect microscope , wherein the second direction is defined obliquely with respect to the vertical direction in a plane of a second plane perpendicular to the first plane .
前記磁化方向特定手段は、前記試料の前記磁化の、前記第1平面及び前記試料の表面の両方の面内にある方向についての方向余弦を前記第1反射光から特定し、前記試料の前記磁化の、前記第2平面及び前記試料の表面の両方の面内にある方向についての方向余弦を前記第2反射光から特定する
カー効果顕微鏡。 The Kerr effect microscope according to claim 1,
Before SL magnetization direction specifying means, the magnetization of the sample, to identify the direction cosine of the direction in the first plane and the plane of both surfaces of the sample from the first reflected light, the said sample A Kerr effect microscope for identifying a direction cosine of magnetization in a direction in both the second plane and the surface of the sample from the second reflected light.
前記プローブ光入射手段は、第3プローブ光を前記垂直方向に入射可能に構成され、
前記磁化方向特定手段は、前記試料の前記磁化の3次元的な方向を、前記第1反射光及び前記第2反射光に加え、前記第3プローブ光が前記試料によって反射されて生成される第3反射光から特定する
カー効果顕微鏡。 The Kerr effect microscope according to claim 2 ,
The probe light incident means is configured to allow the third probe light to be incident in the vertical direction ,
The magnetization direction specifying means adds the three-dimensional direction of the magnetization of the sample to the first reflected light and the second reflected light, and the third probe light is generated by being reflected by the sample. 3 Kerr effect microscope specified from reflected light.
前記磁化方向特定手段は、前記第3反射光から、前記試料の磁化の、前記垂直方向についての方向余弦を特定する
カー効果顕微鏡。 The Kerr effect microscope according to claim 3 ,
Before SL magnetization direction specifying means before Symbol third reflected light, the magnetization of the sample, Kerr effect microscope to identify the direction cosines for the vertical direction.
前記プローブ光入射手段は、前記第1プローブ光及び前記第2プローブ光を、時分割で前記試料に入射するように構成された
カー効果顕微鏡。 The Kerr effect microscope according to claim 1,
The Kerr effect microscope, wherein the probe light incident means is configured to incident the first probe light and the second probe light on the sample in a time-sharing manner.
前記プローブ光入射手段は、
前記第1プローブ光を生成するために使用される第1レーザ光を生成する第1半導体レーザと、
前記第2プローブ光を生成するために使用される第2レーザ光を生成する第2半導体レーザ
とを備える
カー効果顕微鏡。 The Kerr effect microscope according to claim 1,
The probe light incident means includes
A first semiconductor laser for generating a first laser beam used for generating the first probe light;
A Kerr effect microscope comprising: a second semiconductor laser that generates a second laser beam used to generate the second probe beam.
前記プローブ光入射手段は、更に、
前記第1レーザ光を通過し、又は遮断する第1シャッターと、
前記第2レーザ光を通過し、又は遮断する第2シャッター
とを備え、
前記第1シャッターと前記第2シャッターは、前記第1プローブ光及び前記第2プローブ光が時分割で前記試料に入射されるように、それぞれ前記第1レーザ光及び前記第2レーザ光を通過し、又は遮断する
カー効果顕微鏡。 The Kerr effect microscope according to claim 6 ,
The probe light incident means further includes:
A first shutter that passes or blocks the first laser light;
A second shutter that passes or blocks the second laser light,
The first shutter and the second shutter pass through the first laser light and the second laser light, respectively, so that the first probe light and the second probe light are incident on the sample in a time division manner. , Or cut off the Kerr effect microscope.
前記第1プローブ光及び前記第2プローブ光のそれぞれが2重変調されている
カー効果顕微鏡。 The Kerr effect microscope according to claim 1,
A Kerr effect microscope in which each of the first probe light and the second probe light is doubly modulated.
更に、
表示装置
を具備し、
前記磁化方向特定手段は、前記試料の各位置における磁化の方向を示す表示画像を前記表示装置に表示する
カー効果顕微鏡。 The Kerr effect microscope according to claim 1,
Furthermore,
Comprising a display device;
The Kerr effect microscope, wherein the magnetization direction specifying means displays a display image indicating a magnetization direction at each position of the sample on the display device.
更に、
前記試料に可変の外部磁界を印加する外部磁界印加装置を備え、
前記磁化方向特定手段は、前記外部磁界印加装置によって前記外部磁界が変化されている間に逐次に前記試料の各位置における磁化の方向を特定し、特定された前記磁化の方向を動画として前記表示装置に表示する
カー効果顕微鏡。 The Kerr effect microscope according to claim 9,
Furthermore,
An external magnetic field application device for applying a variable external magnetic field to the sample;
The magnetization direction specifying means sequentially specifies the magnetization direction at each position of the sample while the external magnetic field is changed by the external magnetic field application device, and displays the specified magnetization direction as a moving image. Car effect microscope displayed on the device.
更に、
前記試料に可変の外部磁界を印加する外部磁界印加装置と、
前記第1反射光のカー回転角又は楕円率と前記外部磁界との対応関係から、前記試料の磁化の前記第1平面及び前記試料の表面の両方の面内にある方向についての磁化曲線を得る磁化曲線測定手段
とを具備する
カー効果顕微鏡。 The Kerr effect microscope according to claim 2,
Furthermore,
An external magnetic field application device for applying a variable external magnetic field to the sample;
From the correspondence relationship between the Kerr rotation angle or ellipticity of the first reflected light and the external magnetic field, a magnetization curve is obtained for directions in the planes of both the first plane and the surface of the sample. A Kerr effect microscope comprising a magnetization curve measuring means.
前記プローブ光入射手段は、
単一の光源と、
前記光源によって生成された光の光路を切り換えることによって前記第1プローブ光及び前記第2プローブ光を生成する偏向機構
とを備える
カー効果顕微鏡。 The Kerr effect microscope according to claim 1,
The probe light incident means includes
A single light source,
A Kerr effect microscope comprising: a deflection mechanism that generates the first probe light and the second probe light by switching an optical path of light generated by the light source.
前記磁化方向特定手段は、
前記第1反射光及び前記第2反射光の撮像画像を取得する撮像装置と、
前記撮像画像から前記試料の各位置における、前記試料の表面の面内における磁化の方向を特定する演算装置
とを備え、
前記演算装置は、前記撮像画像における各画素の輝度と前記試料の各位置における、前記試料の表面の面内における磁化の方向との対応関係を示す対応データを予め保存しており、前記撮像画像における各画素の輝度と前記対応データから、前記試料の各位置における、前記試料の表面の面内における磁化の方向を特定する
カー効果顕微鏡。 The Kerr effect microscope according to claim 1,
The magnetization direction specifying means includes
An imaging device for acquiring captured images of the first reflected light and the second reflected light;
An arithmetic unit that identifies the direction of magnetization in the surface of the sample at each position of the sample from the captured image;
The arithmetic unit stores in advance correspondence data indicating a correspondence relationship between the luminance of each pixel in the captured image and the direction of magnetization in the surface of the sample at each position of the sample, and the captured image A Kerr effect microscope that identifies the direction of magnetization in the surface of the sample at each position of the sample from the brightness of each pixel and the corresponding data.
前記磁化方向特定手段は、
前記第1反射光及び前記第2反射光の撮像画像を取得する撮像装置と、
前記撮像画像から前記試料の各位置における、前記試料の表面の面内における磁化の方向を特定する演算装置
とを備え、
前記演算装置は、前記撮像画像における各画素の輝度と前記第1反射光及び前記第2反射光のカー回転角又は楕円率との対応関係を示す対応データを予め保存しており、前記撮像画像における各画素の輝度と前記対応データから、前記第1反射光及び前記第2反射光のカー回転角又は楕円率を特定し、特定された前記カー回転角又は楕円率から前記試料の各位置における、前記試料の表面の面内における磁化の方向を特定する
カー効果顕微鏡。 The Kerr effect microscope according to claim 1,
The magnetization direction specifying means includes
An imaging device for acquiring captured images of the first reflected light and the second reflected light;
An arithmetic unit that identifies the direction of magnetization in the surface of the sample at each position of the sample from the captured image;
The arithmetic device stores in advance correspondence data indicating a correspondence relationship between the luminance of each pixel in the captured image and the Kerr rotation angle or ellipticity of the first reflected light and the second reflected light, and the captured image The Kerr rotation angle or ellipticity of the first reflected light and the second reflected light is specified from the luminance of each pixel and the corresponding data, and at each position of the sample from the specified Kerr rotation angle or ellipticity. A Kerr effect microscope for specifying the direction of magnetization in the plane of the surface of the sample .
更に、前記試料に外部磁界を印加する外部磁界印加装置を備え、
前記プローブ光入射手段は、
前記第1プローブ光及び前記第2プローブ光を前記試料に入射し、前記試料によって反射された前記第1反射光及び前記第2反射光を前記磁化方向特定手段に入射する対物レンズと、
前記外部磁界印加装置によって前記対物レンズに印加される漏れ磁界によるファラデー効果をキャンセルするためのファラデー効果補正装置
とを備えている
カー効果顕微鏡。 The Kerr effect microscope according to claim 1,
Furthermore, an external magnetic field application device for applying an external magnetic field to the sample is provided,
The probe light incident means includes
An objective lens that makes the first probe light and the second probe light incident on the sample, and makes the first reflected light and the second reflected light reflected by the sample incident on the magnetization direction specifying means;
A Kerr effect microscope comprising: a Faraday effect correction device for canceling a Faraday effect caused by a leakage magnetic field applied to the objective lens by the external magnetic field application device.
前記対物レンズは、
前記試料に直接に対向し、前記第1プローブ光、前記第2プローブ光、前記第1反射光及び前記第2反射光が通過する第1レンズと、
前記第1プローブ光、前記第2プローブ光、前記第1反射光及び前記第2反射光が通過する第2レンズ
とを含み、
前記ファラデー効果補正装置は、前記第2レンズに補正用磁界を印加する補正電磁石を含む
カー効果顕微鏡。 The Kerr effect microscope according to claim 15,
The objective lens is
A first lens that directly faces the sample and through which the first probe light, the second probe light, the first reflected light, and the second reflected light pass;
A second lens through which the first probe light, the second probe light, the first reflected light, and the second reflected light pass;
The Faraday effect correction device includes a correction electromagnet that applies a correction magnetic field to the second lens.
前記ファラデー効果補正装置は、更に、前記補正電磁石に駆動電流を供給する駆動電流供給手段を含み、
前記駆動電流供給手段は、前記外部磁界印加装置が発生する前記外部磁界に応じて、前記補正電磁石に前記駆動電流を供給する
カー効果顕微鏡。 The Kerr effect microscope according to claim 16,
The Faraday effect correction device further includes drive current supply means for supplying a drive current to the correction electromagnet,
The driving current supply means is a Kerr effect microscope that supplies the driving current to the correction electromagnet according to the external magnetic field generated by the external magnetic field application device.
第2プローブ光を前記第1方向と異なる第2方向に入射するステップと、
前記第1プローブ光が前記試料によって反射されて生成される第1反射光と、第2プローブ光が前記試料によって反射されて生成される第2反射光から、前記試料の各位置における、前記試料の表面の面内における磁化の方向を特定するステップ
とを具備し、
前記第1方向は、前記試料の表面に垂直な第1平面の面内に、前記試料の表面に垂直な垂直方向に対して斜めに規定され、
前記第2方向は、前記第1平面に垂直な第2平面の面内に、前記垂直方向に対して斜めに規定された
磁化方向測定方法。 Injecting the first probe light into the sample in the first direction;
Incident second probe light in a second direction different from the first direction;
The sample at each position of the sample from the first reflected light generated by reflecting the first probe light by the sample and the second reflected light generated by reflecting the second probe light by the sample. Identifying the direction of magnetization in the plane of the surface of
The first direction is defined obliquely with respect to a vertical direction perpendicular to the surface of the sample, in a plane of a first plane perpendicular to the surface of the sample,
The magnetization direction measuring method in which the second direction is defined obliquely with respect to the vertical direction in a plane of a second plane perpendicular to the first plane .
更に、
第3プローブ光を前記垂直方向に入射するステップ
を具備し、
前記試料の各位置における磁化の3次元的な方向が、前記第1反射光及び前記第2反射光に加え、前記第3プローブ光が前記試料によって反射されて生成される第3反射光から特定される
磁化方向測定方法。 The magnetization direction measuring method according to claim 18 ,
Furthermore,
Providing a third probe light in the vertical direction ;
3-dimensional direction of magnetization in each position of the sample, in addition to the first reflected light and the second reflected light, identified from the third reflected light and the third probe light is generated is reflected by the sample Magnetization direction measuring method.
前記試料の各位置における、前記試料の表面の面内における磁化の方向を特定するステップは、
前記第1反射光及び前記第2反射光の撮像画像を取得するステップと、
前記撮像画像から前記試料の各位置における、前記試料の表面の面内における磁化の方向を特定するステップ
とを備え、
当該磁化方向測定方法は、更に、前記撮像画像における各画素の輝度と前記試料の各位置における、前記試料の表面の面内における磁化の方向との対応関係を示す対応データを用意するステップを具備し、
前記試料の各位置における、前記試料の表面の面内における磁化の方向は、前記撮像画像における各画素の輝度と前記対応データから特定される
磁化方向測定方法。 The magnetization direction measuring method according to claim 18 ,
Specifying the direction of magnetization in the plane of the surface of the sample at each position of the sample ,
Obtaining captured images of the first reflected light and the second reflected light;
Identifying the direction of magnetization in the plane of the surface of the sample at each position of the sample from the captured image,
The magnetization direction measuring method further includes a step of preparing correspondence data indicating a correspondence relationship between the luminance of each pixel in the captured image and the direction of magnetization in the surface of the sample at each position of the sample. And
The direction of magnetization in the surface of the sample at each position of the sample is specified from the luminance of each pixel in the captured image and the corresponding data.
前記対応データを用意するステップは、
磁性材料の薄膜を含む校正用試料に前記磁性材料の抗磁界よりも大きい外部磁界を、
その方向を変化させながら印加することにより、前記磁性材料の磁化の方向を変化させるステップと、
前記磁性材料の磁化の方向が変化されている間に、前記校正用試料に第1校正用プローブ光及び第2校正用プローブ光を入射するステップと、
前記校正用試料によって前記第1校正用プローブ光及び前記第2校正用プローブ光が反射されて生成された第1校正用反射光及び第2校正用反射光の撮像画像を取得するステップと、
前記第1校正用反射光及び前記第2校正用反射光の前記撮像画像における輝度から前記対応データを生成するステップ
とを備える
磁化方向測定方法。 The magnetization direction measuring method according to claim 20 ,
The step of preparing the correspondence data includes:
An external magnetic field larger than the coercive field of the magnetic material is applied to the calibration sample including a thin film of the magnetic material.
Changing the direction of magnetization of the magnetic material by applying while changing the direction; and
Injecting the first calibration probe light and the second calibration probe light into the calibration sample while the magnetization direction of the magnetic material is changed;
Obtaining captured images of the first calibration reflected light and the second calibration reflected light generated by reflecting the first calibration probe light and the second calibration probe light by the calibration sample;
And generating the corresponding data from the luminance of the captured image of the first calibration reflected light and the second calibration reflected light.
前記試料の各位置における、前記試料の表面の面内における磁化の方向を特定するステップは、
前記第1反射光及び前記第2反射光の撮像画像を取得するステップと、
前記撮像画像から前記試料の各位置における、前記試料の表面の面内における磁化の方向を特定するステップ
とを備え、
当該磁化方向測定方法は、更に、前記撮像画像における各画素の輝度と前記第1反射光及び前記第2反射光のカー回転角又は楕円率との対応関係を示す対応データを用意するステップを具備し、
前記試料の各位置における、前記試料の表面の面内における磁化の方向は、前記撮像画像における各画素の輝度と前記対応データから特定される
磁化方向測定方法。 The magnetization direction measuring method according to claim 18 ,
Specifying the direction of magnetization in the plane of the surface of the sample at each position of the sample ,
Obtaining captured images of the first reflected light and the second reflected light;
Identifying the direction of magnetization in the plane of the surface of the sample at each position of the sample from the captured image,
The magnetization direction measurement method further includes a step of preparing correspondence data indicating a correspondence relationship between the luminance of each pixel in the captured image and the Kerr rotation angle or ellipticity of the first reflected light and the second reflected light. And
The direction of magnetization in the surface of the sample at each position of the sample is specified from the luminance of each pixel in the captured image and the corresponding data.
前記対応データを用意するステップは、
ファラデー効果を発現するファラデーガラス板を含む校正用試料に、磁界を、前記ファラデーガラス板に垂直な方向に、前記磁界の強度を変化させながら印加するステップと、
前記磁界が印加されている間に、前記校正用試料に第1校正用プローブ光及び第2校正用プローブ光を入射するステップと、
前記校正用試料によって前記第1校正用プローブ光及び前記第2校正用プローブ光が反射されて生成された第1校正用反射光及び第2校正用反射光の撮像画像を取得するステップと、
前記第1校正用反射光及び前記第2校正用反射光の撮像画像における輝度から前記対応データを生成するステップ
とを備える
磁化方向測定方法。 The magnetization direction measuring method according to claim 22 ,
The step of preparing the correspondence data includes:
Applying a magnetic field to a calibration sample including a Faraday glass plate expressing a Faraday effect while changing the strength of the magnetic field in a direction perpendicular to the Faraday glass plate;
Injecting the first calibration probe light and the second calibration probe light into the calibration sample while the magnetic field is applied;
Obtaining captured images of the first calibration reflected light and the second calibration reflected light generated by reflecting the first calibration probe light and the second calibration probe light by the calibration sample;
And a step of generating the correspondence data from luminances in captured images of the first calibration reflected light and the second calibration reflected light.
磁性材料の薄膜を含む校正用試料に前記磁性材料の抗磁界よりも大きい外部磁界を、その方向を変化させながら印加することにより、前記磁性材料の磁化の方向を変化させるステップと、
前記磁性材料の磁化の方向が変化されている間に、前記校正用試料に第1校正用プローブ光及び第2校正用プローブ光を入射するステップと、
前記校正用試料によって前記第1校正用プローブ光及び前記第2校正用プローブ光が反射されて生成された第1校正用反射光及び第2校正用反射光の撮像画像を取得するステップと、
前記第1校正用反射光及び前記第2校正用反射光の前記撮像画像における輝度から、前記撮像画像における各画素の輝度と前記磁化の方向の対応関係を示す前記対応データを生成するステップ
とを具備する
カー効果顕微鏡校正方法。 A calibration method for calibrating the Kerr effect microscope according to claim 13 or 14,
Changing the direction of magnetization of the magnetic material by applying an external magnetic field larger than the coercive field of the magnetic material to a calibration sample including a thin film of the magnetic material while changing the direction;
Injecting the first calibration probe light and the second calibration probe light into the calibration sample while the magnetization direction of the magnetic material is changed;
Obtaining captured images of the first calibration reflected light and the second calibration reflected light generated by reflecting the first calibration probe light and the second calibration probe light by the calibration sample;
From the brightness of the captured image of the first calibration reflected light and the second calibration reflected light, and generating the corresponding data indicating the direction of the correspondence between the magnetization intensity of each pixel in the captured image A Kerr effect microscope calibration method.
ファラデー効果を発現するファラデーガラス板を含む校正用試料に、磁界を、前記ファラデーガラス板に垂直な方向に、前記磁界の強度を変化させながら印加するステップと、
前記磁界が印加されている間に、前記校正用試料に校正用プローブ光を入射するステップと、
前記校正用試料によって前記校正用プローブ光が反射されて生成された校正用反射光の撮像画像を取得するステップと、
前記校正用反射光の撮像画像における輝度から、前記撮像画像における各画素の輝度と前記反射光のカー回転角との対応関係を示す前記対応データを生成するステップ
とを具備する
カー効果顕微鏡校正方法。 A calibration method for calibrating the Kerr effect microscope according to claim 13 or 14,
Applying a magnetic field to a calibration sample including a Faraday glass plate expressing a Faraday effect while changing the strength of the magnetic field in a direction perpendicular to the Faraday glass plate;
Injecting calibration probe light into the calibration sample while the magnetic field is applied;
Obtaining a captured image of the reflected light for calibration generated by reflecting the calibration probe light by the calibration sample;
From the luminance in the captured image of the calibration reflected light, the Kerr effect microscope calibration method comprising the step of generating the corresponding data indicating a correspondence relationship between the Kerr rotation angle of the luminance and the reflected light of each pixel in the captured image .
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