电子显微镜以及测定试样的观察方法与流程

本发明涉及电子显微镜以及测定试样的观察方法。

背景技术：

作为下一代存储器，电阻变化存储器受到关注(参照专利文献1)。在电阻变化存储器中使用的电阻变化元件具有将过渡金属氧化物等氧化物层夹在下部电极和上部电极之间的结构，在设定工序中，通过施加电压而在氧化物层内形成导电通路(丝极)，成为低电阻状态。另外，在复位工序中，通过施加调整后的电压而使电阻变化层内的导电通路断裂，成为高电阻状态。

可以认为，在设定工序中，由施加在氧化物层上的电压引起还原作用，金属氧化物变为金属。所变成的金属成为丝极，形成电流路径，使电阻值减小。而在复位工序中，可以认为，当电流进一步增大时被焦耳热还原的金属开始氧化，丝极消失，电阻再次增加。电阻变化元件例如使低电阻状态对应于0，使高电阻状态对应于1，可通过重复该周期反复存储0和1，从而可作为存储器使用。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本专利特开2011－096714号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

在电阻变化元件这样的多层结构的元件中，在要观察在上部电极的下部形成的氧化物层时，需要去除上部电极，或者切剖元件并利用透射型电子显微镜(tem)观察在切剖面露出的氧化物层等，因此存在不破坏元件就无法进行观察的问题。

因此，本发明的目的在于提供可进行非破坏性观察的电子显微镜以及测定试样的观察方法。

用于解决课题的手段

本发明的电子显微镜包括：激光光源，生成cw激光；辐照透镜系统，向测定试样照射所述cw激光；能量分析器，按能量对利用所述cw激光从所述测定试样释放的光电子进行分离；能量狭缝，使具有预定的所述能量的所述光电子通过；电子束检测器，对通过所述能量狭缝的所述光电子进行检测；第一电子透镜系统，使从所述测定试样释放的所述光电子会聚至所述能量分析器；以及第二电子透镜系统，使通过所述能量狭缝的所述光电子投射至所述电子束检测器。

本发明的测定试样的观察方法包括：照射步骤，向测定试样照射由激光光源生成的cw激光；会聚步骤，将利用所述cw激光从所述测定试样释放的光电子会聚至能量分析器；分离步骤，利用所述能量分析器按能量对所述光电子进行分离；选择步骤，向能量狭缝照射经分离的所述光电子，选择具有预定的所述能量的所述光电子；投射步骤，将通过所述能量狭缝的所述光电子投射至电子束检测器；以及检测步骤，对投射至所述电子束检测器的所述光电子进行检测。

发明效果

根据本发明，由于包括使具有预定能量的光电子通过的能量狭缝，并利用电子束检测器对通过能量狭缝的光电子进行检测，因此可对利用电子束检测器检测出的电子的能量进行选择，可选择性地观察特定物质，因而可在不破坏测定试样的前提下对存在于测定试样的最表层下部的特定物质进行观察，可实现非破坏性的观察。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式的电子显微镜的整体构成的示意图。

图2a是示出本发明的实施方式的测定试样的整体构成的示意图，图2b是示出区域(i)的剖面的示意图，图2c是示出区域(ii)的剖面的示意图，图2d是示出区域(iii)的剖面的示意图，图2e是示出区域(iv)的剖面的示意图。

图3a是stv为0.3v时的接合部的图像，图3b是stv为0v时的接合部的图像，图3c是stv为-0.3v时的接合部的图像。

图3d是stv为-0.5v时的接合部的图像，图3e是stv为-1.0v时的接合部的图像。

图4是示出本发明的其他实施方式的电子显微镜的整体构成的示意图。

具体实施方式

(1)本发明的实施方式的电子显微镜的整体构成

本实施方式的电子显微镜是对从测定试样释放的光电子进行检测、对测定试样进行观察的激光光电子显微镜。如图1所示，本实施方式的电子显微镜1包括：激光光源2、波片3、由聚光镜4及物镜6构成的辐照透镜系统、分束器5、腔室10、能量调整机构13、电源14、第一电子透镜系统21、能量分析器22、能量狭缝23、第二电子透镜系统24、电子束检测器25。

激光光源2是生成cw(continuouswave，连续波)激光7的激光振荡器。cw激光7的波长选定为使cw激光7的能量hv高于测定试样30的功函数以确保能利用cw激光7的照射从测定试样30释放光电子。更具体而言，使cw激光7的能量hv高于构成测定试样30的观察区域的最表层的物质的功函数本实施方式中，激光光源2生成波长为266nm(能量hv＝4.66ev)的cw激光7。波片3是用于将cw激光7的偏振光切换为线偏振光和左右圆偏振光的元件。通常会利用波片3将cw激光7设为线偏振光，但在利用磁圆二色性测定测定试样30的磁特性时，则会利用波片3将cw激光7设为左右圆偏振光。

辐照透镜系统利用聚光镜4将cw激光7会聚至物镜6上，利用物镜6将cw激光7会聚至测定试样30的表面上，并向测定试样30照射cw激光7。物镜6配置成焦点位置在测定试样30的表面附近。聚光镜4、物镜6是公知的透镜，可根据cw激光7的照射区域即测定试样30的观察区域的尺寸等而适当选定。

腔室10具有气密性较高的结构，连接有未图示的涡轮分子泵等真空泵。腔室10通过真空泵使内部空间达到预定真空度(1.0×10^-5～10^-8torr)。在腔室10内配置有用于载置测定试样30的载物台11和物镜6。另外，在本实施方式的情况下，腔室10和分束器5连接，物镜6固定在分束器5上，但在图1中为了方便起见，将分束器5和物镜6表示成分体的结构。未图示的驱动机构与载物台11连接，通过驱动机构可使载物台11在相互正交的3个轴方向上移动。在本实施方式的情况下，载物台11配置成使载置测定试样30的载置面11a与cw激光7的光轴正交。

测定试样30放置在腔室10中的载物台11的载置面11a上，cw激光7垂直于测定试样30的表面照射。在此，使用图2对本实施方式的测定试样30进行说明。如图2a所示，测定试样30是由在si基板31上形成的下部电极32、在下部电极32上形成的氧化物层34以及在氧化物层34上形成的上部电极33构成的电阻变化元件。测定试样30配置成使形成为矩形形状的上部电极33和下部电极32在长轴方向上正交，并且形成有四边形形状的接合部35。

如图2b所示，接合部35(图2a中所示的区域(i))在si基板31上具有下部电极32、氧化物层34以及上部电极33这3层结构。下部电极32由tin(氮化钛)构成，氧化物层34由ta2o5(五氧化二钽)构成，上部电极33由pt(白金)构成。在测定试样30中，当在上部电极33和下部电极32之间施加电压时，接合部35的氧化物层34的ta2o5被还原，形成由ta2ox构成的丝极。该丝极成为上部电极33和下部电极32之间的导电路径，测定试样30成为低电阻状态。在本实施方式的情况下，下部电极32、氧化物层34以及上部电极33的厚度分别为20nm、5nm、以及10nm，接合部35的面积大致为25μm²。

这种电阻变化元件例如可按照以下方法制造。首先，准备si基板31，并且使用通过光刻技术形成的掩模通过溅射在si基板31上对矩形形状的下部电极32进行成膜。接着，去除掩模，并且在形成有下部电极32的si基板31的整个表面上通过溅射对氧化物层34进行成膜。最后，通过光刻技术在氧化物层34上形成掩模，并通过溅射形成矩形形状的上部电极33，使得其长轴与下部电极32的长轴正交。

因此，在接合部35以外的上部电极33的区域(图2a中所示的区域(ii))中，如图2c所示，在si基板31上形成了氧化物层34和上部电极33这2层结构。在接合部35以外的下部电极32的区域(图2a中所示的区域(iii))中，如图2d所示，在si基板31上形成了下部电极32和氧化物层34这2层结构。另外，在图2a所示的区域(iii)中，为方便起见，未示出在下部电极32上形成的氧化物层34。si基板31上的没有形成电阻变化元件的区域(图2a中所示的区域(iv))如图2e所示成为氧化物层34在si基板31上成膜的结构。

cw激光7被照射到这样的测定试样30的表面上。在本实施方式的情况下，调整照射光学系统，使cw激光7照射到接合部35整体，可一次性地观察接合部35整体。如上所述，由于将cw激光7的波长选定为使得cw激光7的能量hv高于测定试样30的最表层(在本实施方式中为pt)的功函数所以如果向测定试样30照射cw激光7，则会产生光电效应，测定试样30即上部电极33、氧化物层34和下部电极32的电子会被激发，并从测定试样30释放光电子。从被cw激光7照射的区域释放大量光电子，光电子入射至分束器5。在本说明书中，将所释放的大量光电子统称为电子束27。

本文中，如上所述，cw激光7的波长可以根据测定试样30的最表层的功函数来选定，但优选为266nm以下，更优选地，期望为213nm以下。通过以这种方式选择波长，可测量功函数更大的试样，从而提高通用性。另外，若将cw激光7的能量hν与测定试样30的最表层的功函数的差异设为则优选将cw激光7的波长选定为使δe为0ev～0.5ev。这样，通过选定cw激光7的波长，即使对较深位置的物质(例如，存在于上部电极33之下的氧化物层34)也可以较高的分辨率进行观察。这是因为，光电子的能量越小，光电子从试样表面逸出时经受到的能量势垒的影响越大，由于这种影响，倾斜出射的光电子可容易在表面上全反射并且仅由接近垂直出射的光电子才能形成图像。例如，在观察形成在作为具有多层结构的测定试样30的最表层的上部电极33下层的氧化物层34上的丝极时，这样做是有利的。另外，δe使用激光光电子显微镜测定测定试样30内的所希望的测定位置并根据使用能量分析器得到的该测定位置的电子能量分布来测定。δe与电子能量分布内的能带结构的宽度(从后述的截止点到费米能级ef)相当。

此外，电子显微镜1设置有电源14，电源14的负极侧连接到载物台11，正极侧设置于地g，可将负电压施加至测定试样30。电源14是可输出高电压的一般电源。在本实施方式的情况下，通过电源14对测定试样30施加-20kv的电压。因此会在测定试样30和未被施加电压的分束器5之间产生电场，通过该电场容易从测定试样30释放光电子，并且释放的光电子朝向分束器5被加速，电子束27被引入至分束器5中。

电子显微镜1在电源14和载物台11之间具有能量调整机构13。能量调整机构13是输出预定电压stv的电源。能量调节机构13与电源14串联连接，并且可将stv和电源14的输出电压的总电压施加至测定试样30。能量调整机构13通过调整stv的值，可调整从测定试样30释放的光电子的能量ep。另外，在本实施方式的情况下，若光电子的动能为ek，则光电子的能量ep为ep＝20kv+ek-stv。光电子的动能ek是由测定试样30内的电子被cw激光7激发而产生的动能的值，根据物质中的电子的能量e而变化。因此，光电子的能量ep也依赖于物质中的电子的能量e。

当电子束27入射时，分束器5使电子束27偏转方向，使cw激光7的路径和电子束27的路径分离。分束器5使电子束27入射至与已偏转方向的电子束27的出射口连接的第一电子透镜系统21。第一电子透镜系统21由多个电子透镜构成，并会聚入射的电子束27。第一电子透镜系统21的一端连接到分束器5，另一端连接到能量分析器22，使电子束27会聚并入射至能量分析器22。

能量分析器22是公知的能量分析器，按光电子的能量ep来分离入射的电子束27，并出射按能量ep分离的电子束27。能量分析器22具有半球形状，并且光束的入射口和出射口设置在半球的平坦部分中。第一电子透镜系统21与能量分析器22的入射口连接，第二电子透镜系统24与能量分析器22的出射口连接，能量分析器22将从第一电子透镜系统21入射的电子束27按光电子的能量ep分离并且出射至第二电子透镜系统24。

在能量分析器22的出射口设置有能量狭缝23。能量狭缝23是在板状部件的表面上直线状地形成贯通的槽部的常规狭缝。能量狭缝23使照射到槽部的电子束27通过，遮挡照射在板状部件上的电子束27。另外，实际上，照射在板状部件上的电子束27并非被完全遮挡，这些电子束27中的一部分也会通过能量狭缝23。因此，照射到槽部的电子束27以外的其他电子束27的强度因能量狭缝23而降低。在本实施方式中，能量狭缝23的槽部的宽度为40μm。

由于这样的能量狭缝23配置在能量分析器22的出射口处，所以在由能量分析器22分离的电子束27中通过能量狭缝23的电子束27入射至第二电子透镜系统24。此时，由于电子束27被能量分析器22按光电子的能量ep进行了分离，所以电子束27在出射口内的通过位置也被按光电子的能量ep进行确定。因此，通过调整能量狭缝23的位置，可选择由电子束检测器25检测出的光电子的能量ep。由于光电子的能量ep依赖于物质中(测定试样30中)的电子的能量e，所以通过改变能量狭缝23的位置，可选择测定试样30中的能量e，可选择检测的测定试样30中的电子。

另一方面，由于光电子的能量ep＝20kv+ek-stv，所以通过改变stv的值，可改变光电子的能量ep。因此，通过改变stv的值，可选择由电子束检测器25检测出的光电子的能量ep，并且可选择检测的测定试样30中的电子。

第二电子透镜系统24由多个电子透镜构成，并将入射的电子束27投射至电子束检测器25上。电子束检测器25是二维光电子检测器，对所投射的电子束27的光电子进行检测，并根据所检测出的光电子的强度生成测定试样30的图像。由于电子束检测器25是根据所投射的电子束27生成图像，所以可连续生成图像，除了静止图像外，还能生成运动图像。电子束检测器25与未图示的pc连接，可将生成的图像发送到pc，可在pc的存储装置中保存图像或者可将图像显示在pc的监视器上供电子显微镜1的操作者确认。

利用这样的电子显微镜1观察测定试样30的示例在图3a至图3c、图3d至图3e中示出。另外，电阻变化元件处于预先在上部电极33和下部电极32之间施加预定电压而形成丝极的低电阻状态。图3a至图3c、图3d至图3e中的上侧的图像是用电子显微镜1拍摄接合部35的图像，该图像的下部的图是表示构成测定试样30的物质的状态密度的示意图，横轴表示测定试样30的电子的能量e，纵轴表示电子的强度(即状态的数量)。图3a至图3c、图3d至图3e中表示状态密度的图中的ef是费米能级，2条实线表示可作为光电子通过能量狭缝23的电子的能量e的频带eb。实际上，图3a至图3c、图3d至图3e所示的该频带eb意味着具有频带eb内的能量e的电子可更多地通过能量狭缝23，而具有频带eb外的能量e的电子的一部分也可通过能量狭缝23。另外，在频带eb外，具有接近频带eb的下限或上限的能量e的电子容易通过。另外，状态密度的曲线图的截止点(cutoff)是释放的光电子的动能为零的能量。

图3a是stv为0.3v时的接合部35的图像。在图3a的图像中，可观察到位于图像中的左上的由pt构成的上部电极33与接合部35的边界，并可确认在图像中的右下方存在某种结构。而且，整体上成为亮度值较低的图像。在这种情况下，如图3a下部的状态密度的曲线图所示，可作为光电子通过能量狭缝23的电子的能量e的频带eb处于比费米能级ef高的能量。在该频带eb中的能量e中，构成测定试样30的任何物质都不存在状态，具有频带eb中的能量e的电子不存在于测定试样30中。因此，没有容易通过能量狭缝23的光电子，由电子束检测器25检测出的光电子较少，成为整体亮度值较低的图像。

图3b是stv为0v时的接合部35的图像。当观察图3b的图像时，可在画面右下(图3b中箭头所指的位置)发现亮度值较高的部分。这可以认为stv为0.3v时观察到的结构的亮度值变高。这种情况下，频带eb位于费米能级ef附近，在频带eb内存在pt和ta2ox(丝极)的状态，在pt和ta2ox中存在具有频带eb内的能量e的电子。另一方面，在频带eb内没有ta2o5的状态，在ta2o5中没有具有频带eb内的能量e的电子。因此，由于从pt和ta2ox释放的光电子容易通过能量狭缝23，所以在电子束检测器25中，从pt和ta2ox释放的光电子的检出量多，从ta2o5释放的光电子的检出量少。结果，在图像中，pt和ta2ox的亮度值高，而ta2o5的亮度值低。而且，在费米能级ef附近，ta2ox比pt的状态密度大，所以释放的光电子的数量也多。因此，在电子束检测器25中，从ta2ox释放的光电子更多地被检测到，并且在图像中ta2ox的部分的亮度值最高。而且，由于在图3b中观察到的结构的亮度值最高，所以可以认为是由ta2ox形成的，可以认为是丝极。

这样，由于电子显微镜1具有能量狭缝23，所以可选择所检测出的电子的能量e，因而可从由ta2o5构成的氧化物层34中选择性地观察由ta2ox构成的丝极，进而可观察形成在上部电极33的下部的氧化物层34中的丝极，可选择性地、非破坏性地观察特定物质。

另外，与stv为0.3v时的图像相比，在图3b的图像中，图像整体的亮度值变高。可以认为，这是由于从pt释放的光电子容易通过能量狭缝23而使图像内的上部电极33的部分的亮度值变高的缘故。而且，在图像中的左上和右下，可确认上部电极33与接合部35的边界。另外，下部电极32本应存在于图像中的左下和右上，但由于通过能量狭缝23的电子较少，所以在图像中成为暗部，因而无法确认。由于接合部35和上部电极33更显明亮，所以可确认下部电极32与接合部35的边界。

图3c是stv为-0.3v时的接合部35的图像。当观察图3c的图像时，上部电极33的部分的亮度值变高。可更清楚地确认上部电极33与接合部35的边界部。另外，可确认丝极的亮度值变小。此外，可在接合部35中观察到多个颗粒状部分。在这种情况下，频带eb处于比stv为0v时更低的能量侧，在频带eb内存在pt和ta2ox的状态，在pt和ta2ox中存在具有频带eb内的能量e的电子。与stv为0v时相比，频带eb内的状态是pt占主导地位，与pt相比，ta2ox的状态较少。因此，具有频带eb内的能量e的电子多存在于pt一方，其结果是，由电子束检测器25检测出更多从pt释放的光电子，在图像中，由pt构成的上部电极33的部分的亮度值变高，而丝极的亮度值变低。另外，由于颗粒状部分是因为从pt释放的光电子增多而观察到的，所以可以认为可能是pt。

图3d是stv为-0.5v时的接合部35的图像。当观察图3d的图像时，可确认在图像内上部电极33(图像中的右侧)和下部电极32(图像中的上部)的亮度值变高。另外，没有观察到丝极。在这种情况下，频带eb处于比stv为-0.3v时更低的能量侧，在频带eb内存在pt和tin的状态，不存在ta2ox的状态。换言之，在pt和tin中存在具有频带eb内的能量e的电子，从pt和tin释放的光电子容易通过能量狭缝23。具有频带eb内的能量e的电子在pt和tin中大致相等。因此，可以认为在图像中上部电极33和下部电极32的亮度值变高。另外，可以认为，由于频带eb内不存在ta2ox的状态，所以从ta2ox释放的光电子的检出量变少，无法观察到丝极。

图3e是stv为-1.0v时的接合部35的图像。当观察图3e的图像时，可确认在图像内下部电极32(图像中的上部)的亮度值变高。在这种情况下，频带eb处于比stv为-0.5v时更低的能量侧，在频带eb内存在tin和si的状态。换言之，在tin和si中存在具有频带eb内的能量e的电子，从tin和si释放的光电子容易通过能量狭缝23。从能量密度看，在具有频带eb内的能量e的电子中，tin占主导。因此，可以认为在图像内下部电极32的亮度值变高。

这样，通过根据状态密度确定stv以使得可作为光电子通过能量狭缝23的电子的能量e的频带eb成为这样的能量频带，在该能量频带中，要检测的特定物质的状态密度高，来增加从特定物质释放的光电子的量，可容易地检测出所述光电子，可选择性地观察特定物质。

在以上的结构中，电子显微镜1配置成包括：激光光源2，生成cw激光7；辐照透镜系统(聚光镜4和物镜6)，向测定试样30照射cw激光7；能量分析器22，按能量ep对利用cw激光7从测定试样30释放的光电子进行分离；能量狭缝23，使具有预定能量ep的光电子通过；电子束检测器25，对通过能量狭缝23的光电子进行检测；第一电子透镜系统21，使从测定试样30释放的光电子会聚至能量分析器22；以及第二电子透镜系统24，使通过能量狭缝23的光电子投射至电子束检测器25。

因此，电子显微镜1包括使具有预定能量ep的光电子通过的能量狭缝23，由电子束检测器25对通过能量狭缝23的光电子进行检测，因此可选择由电子束检测器25检测出的电子的能量e，可选择性地观察特定物质。因此，电子显微镜1可在不破坏上部电极33的情况下观察存在于测定试样30的最外层的上部电极33下方的氧化物层34的丝极，可实现非破坏性的观察。

此外，由于电子显微镜1通过第二电子透镜系统24将通过能量狭缝23的光电子投射至电子束检测器25并进行检测，因此可在不扫描的情况下一次性地观察整个测定区域，可连续观察测定试样30。因此，当测定试样30是上述电阻变化元件时，对于没有形成丝极的电阻变化元件，通过在上部电极33和下部电极32之间施加电压的同时用电子显微镜1观察氧化物层34，可观察丝极形成的状况。

(2)其他实施方式。

在上述实施方式中，说明了对测定试样30垂直地照射cw激光7，利用分束器5将由从测定试样30释放的光电子形成的电子束27的通路与cw激光7的通路分离的情况，但本发明不限于此，电子显微镜1也可以不包括分束器5。例如，在使光电子垂直于测定试样30的方向上释放以检测光电子的情况中，将激光光源2配置成使得cw激光7的路径相对于测定试样30的垂直方向倾斜预定角度(例如45度)，并且向测定试样30照射cw激光7。

另外，在上述实施方式中，说明了将电源14连接至载物台11，对测定试样30施加负电压，在测定试样30和分束器5之间产生电场以使光电子容易释放的情况，但本发明并不限于此。例如，也可以如对与图1相同的结构赋予相同符号的图4所示的电子显微镜40那样，将电源14的正极侧连接至第一电子透镜系统21，使负极侧接地至地g，对第一电子透镜系统21施加正电压，使第一电子透镜系统21带电为正电压，在测定试样30和分束器5之间产生电场以使得光电子容易从测定试样30释放。在这种情况下，能量调节机构13也接地至地g。由于通过将电压施加至第一电子透镜系统21侧而非测定试样30而不再需要将电压施加至测定试样30，有利于工业化。另外，也可以将电源14连接至分束器5，对分束器5施加电压。

另外，在上述实施方式中，对能量狭缝23被固定的情况进行了说明，但本发明并不限于此。也可以如图4所示的电子显微镜40那样，将狭缝移动机构29设置在能量狭缝23，使能量狭缝23的位置移动，以改变通过能量狭缝23的电子的能量的频带eb。

(3)电子显微镜的用途。

在上文中说明了利用电子显微镜1观察作为测定试样30的电阻变化元件，可观察在上部电极33和下部电极32之间的氧化物层34形成的丝极，可使电阻变化元件的电阻状态可视化。这是因为，电子的能量在费米能级附近，与构成上部电极的pt、构成氧化物层34的ta2o5相比，构成在氧化物层34形成的丝极的ta2ox的状态密度更大，由电子束检测器25检测出的光电子的强度更高。因此，通过设置主要使具有费米能级附近的能量的电子通过的能量狭缝23，可选择性地检测出从ta2ox释放的光电子。这样，电子显微镜1可按照预定电子能量选择性地观察状态密度比其他物质大的物质，因此，利用该性质，也可用于其他用途。

例如，可使构成相变存储器(phasechangememory：pcm)的相变元件的电阻状态可视化。相变元件例如是利用硫族化物合金等相变材料在结晶状态(低电阻状态)和非结晶状态(高电阻状态)下电阻值不同的特性来存储信息的元件。相变元件中，用上部电极和下部电极夹持由相变材料制成的层，通过由电流在上部电极和下部电极之间流动所产生的焦耳热来改变电阻状态。相变材料中，在结晶状态和非结晶状态下，功函数和费米能级附近的状态密度不同，光电子的释放量不同。因此，能量狭缝23和stv设定成使得主要使具有费米能级附近的能量的电子通过，使用电子显微镜1观察电阻变化元件时，可选择性地观察结晶状态，可使结晶状态和非结晶状态的变化可视化。另外，也可在上部电极和下部电极之间施加电压，连续地观察结晶状态和非结晶状态之间的变化。

另外，电子显微镜1可用于评价构成磁随机存取存储器的磁阻元件。磁阻元件具有铁磁层、绝缘层和铁磁层这三层结构。磁阻元件形成为使得一个铁磁层作为固定层且磁化方向被固定，使得另一个铁磁层作为自由层且磁化方向会由于外部磁场和自旋扭矩等而变化。磁阻元件是利用固定层与自由层的磁化方向平行时电阻低而固定层与自由层的磁化方向反平行时电阻高的特性来存储信息的元件。

电子显微镜1可使这样的磁阻元件的自由层(例如fe外延膜)的磁畴结构可视化。在这种情况下，在电子显微镜1中，根据磁化方向，利用照射左圆偏振光的激光时释放的光电子的量与照射右圆偏振光的激光时释放的光电子的量不同的特性，使磁畴结构可视化。具体而言，利用波片3，将向作为测定试样30的磁阻元件照射的cw激光7切换为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光并分别进行观察，得到所获得的两个图像的强度差异，从而仅提取磁性信息，以实现磁畴结构的可视化。在这种情况下，由于电子显微镜1具有能量狭缝23，所以可降低电子透镜的色差并以高分辨率进行测定。在这种情况下，即使在自由层存在于固定层、绝缘层的下部的情况下，也可进行观察。

另外，电子显微镜1可检测出磁阻元件的绝缘层的缺陷。绝缘层的缺陷部分与绝缘层的其他部分相比，费米能级附近的状态密度较大，因此通过设定能量狭缝23和stv以主要使具有费米能级附近的能量的电子通过，可使从缺陷部分释放的光电子的检测强度超过从绝缘层释放的光电子的检测强度，可选择性地观察绝缘体中的金属部分。因此，电子显微镜1可检测出磁阻变化元件的绝缘层的缺陷。另外，通过在向磁阻元件的固定层和自由层施加电压的同时观察磁阻元件，还可观察由绝缘破坏引起的缺陷的形成。

此外，电子显微镜1可用于nand-flash的电容器层的缺陷检查。在nand-flash中，具有晶体缺陷的部分与其他部分相比，费米能级的状态密度较大。因此，通过设定能量狭缝23和stv以主要使具有费米能级附近的能量的电子通过，可使从晶体缺陷释放的光电子的检测强度超过从晶体缺陷以外的部分释放的光电子的检测强度，可选择性地观察电容器层中的晶体缺陷。因此，电子显微镜1可检测nand-flash的电容器层的晶体缺陷。另外，还可一边对nand-flash通电，一边观察nand-flash的电容器层，观察电容器层的晶体缺陷。

另外，电子显微镜1可用于检查形成在玻璃中的金属掩模的结构。玻璃中的金属掩模部分与玻璃部分相比，费米能级的状态密度较大。因此，通过设定能量狭缝23和stv以主要使费米能级附近的能量的电子通过，可使从金属掩模释放的光电子的检测强度超过从玻璃释放的光电子的检测强度，可选择性地观察玻璃中的金属掩模。因此，电子显微镜1可检查形成在玻璃中的金属掩模的结构。

此外，电子显微镜1可检查绝缘材料(例如，low-k)中的金属布线(例如cu)。绝缘材料中的金属布线与绝缘材料相比，费米能级的状态密度较大。因此，通过设定能量狭缝23和stv以主要使具有费米能级附近的能量的电子通过，可使从金属布线释放的光电子的检测强度超过从绝缘材料释放的光电子的检测强度，可选择性地观察绝缘材料中的金属布线。因此，电子显微镜1可检查绝缘材料中的金属布线。

符号的说明

1：电子显微镜

2：激光光源

7：cw激光

13：能量调整机构

14：电源

21：第一电子透镜系统

22：能量分析器

23：能量狭缝

24：第二电子透镜系统

25：电子束检测器

27：电子束