(57)【要約】　　　（修正有）【課題】プローブ交換を容易にするとともにプローブ交換後の偏向検出器の位置決めのための調節を不要にした走査型プローブ電子顕微鏡（ＳＦＭ）を提供する。【解決方法】走査型プローブ電子顕微鏡１００は運動学的取付け手法によりヘッド１０８内に取外し可能に取り付けたプローブ１０１を有する。モータ駆動の積重ねなし粗ｘ，ｙ軸移動ステージ１１６を基体１１４に対し配置する。モータ駆動の粗２軸移動ステージ１１２が基体に対してヘッドを位置決めし、プローブの高さ、横方向傾きおよび縦方向傾きの調節を可能にする。走査器１１８はｘ，ｙおよびｚ軸試料位置検出器を含み、これら位置検出器の出力は走査型プローブ電子顕微鏡の性能改善のために帰還ループを通じてコントローラ１１０にも接続される。光学像観察組立体１２４がカンチレバー１０２および試料１０４の同軸像および斜視像の組合せ像を提供する。【選択図】　　図１
2004028991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の斜視像および軸上像の両方を生ずる顕微鏡であって、
第１の軸に沿う光線を生ずる光源と、
前記試料を支持する支持体と、
前記支持体に前記試料を載置した状態で前記試料の軸上像を受けるように配置した像観察装置と、
前記支持体に隣接して配置され、前記試料の前記第１の軸に対する斜視像を前記像観察装置に生じさせる反射鏡と、
前記軸上像または前記反射鏡からの前記斜視像が前記像観察装置に到達するのを択一的に遮断するシャッタと
を含み、
前記軸上像を前記第１の軸沿いに可動な第１のレンズで収束および拡大して前記像観察装置に導き、前記斜視像を第２の軸沿いに可動な第２のレンズで収束および拡大して前記像観察装置に導き前記第２の軸沿いに生じさせる顕微鏡。
【請求項２】
表示装置を有する走査型プローブ電子顕微鏡と、
前記走査プローブによる画像を前記表示装置に表示させる手段と、
前記像観察手段からの画像を前記表示装置に表示させる手段と
をさらに含む請求項１記載の顕微鏡。
【請求項３】
試料の斜視像および軸上像の両方を生ずる顕微鏡であって、
第１の軸に沿う光線を生ずる光源と、
前記試料を支持する支持体と、
前記支持体に前記試料を載置した状態で前記試料の軸上像を受けるように配置した像観察装置と、
前記支持体に隣接して配置され、前記試料の前記第１の軸に対する斜視像を前記像観察装置に生じさせる反射鏡と、
前記軸上像または前記反射鏡からの前記斜視像が前記像観察装置に到達するのを択一的に遮断するシャッタと
を含み、
前記軸上像を前記第１の軸沿いに可動な第１のレンズで収束および拡大して前記像観察装置に導き、前記斜視像を第２の軸沿いに可動な第２のレンズで収束および拡大して前記像観察装置に導き前記第２の軸沿いに生じさせ、
前記第１および第２のレンズがモニタ制御によりそれぞれの軸沿いに可動である
顕微鏡。
【請求項４】
表示装置を有する走査型プローブ電子顕微鏡と、
前記走査プローブによる画像を前記表示装置に表示させる手段と、
前記像観察手段からの画像を前記表示装置に表示させる手段と
をさらに含む請求項３記載の顕微鏡。
【請求項５】
試料の斜視像および軸上像の両方を生ずる顕微鏡であって、
第１の軸に沿う光線を生ずる光源と、
前記試料を支持する支持体と、
前記支持体に前記試料を載置した状態で前記試料の軸上像を受けるように配置した像観察装置と、
前記支持体に隣接して配置され、前記試料の前記第１の軸に対する斜視像を前記像観察装置に生じさせる反射鏡と、
前記軸上像または前記反射鏡からの前記斜視像が前記像観察装置に到達するのを択一的に遮断するシャッタと、
前記軸上像および前記斜視像を前記像観察装置にそれぞれ結像させる第１および第２の可動レンズと、
前記第１および第２のレンズを動かすモータ制御手段と
を含む顕微鏡。
【請求項６】
表示装置を有する走査型プローブ電子顕微鏡と、
前記走査プローブによる画像を前記表示装置に表示させる手段と、
前記像観察手段からの画像を前記表示装置に表示させる手段と
をさらに含む請求項５記載の顕微鏡。
【請求項７】
試料の斜視像および軸上像の両方を生ずる顕微鏡であって、
第１の軸に沿う光線を生ずる光源と、
前記試料を支持する支持体と、
前記支持体に前記試料を載置した状態で前記試料の軸上像を受けるように配置した像観察装置と、
前記支持体に隣接して配置され、前記試料の前記第１の軸に対する斜視像を前記像観察装置に生じさせる反射鏡と、
前記軸上像または前記反射鏡からの前記斜視像が前記像観察装置に到達するのを択一的に遮断するシャッタと
を含み、
前記軸上像を前記第１の軸沿いに可動な第１のレンズで収束および拡大して前記像観察装置に導き、前記斜視像を第２の軸沿いに可動な第２のレンズで収束および拡大して前記像観察装置に導き前記第２の軸沿いに生じさせ、
前記第１および第２のレンズが連動になっており共通の焦点面を有する
顕微鏡。
【請求項８】
表示装置を有する走査型プローブ電子顕微鏡と、
前記走査プローブによる画像を前記表示装置に表示させる手段と、
前記像観察手段からの画像を前記表示装置に表示させる手段と
をさらに含む請求項７記載の顕微鏡。
【請求項９】
走査型プローブ電子顕微鏡であって、
支持体に保持した試料の表面を精査するように尖った先端部を有するプローブと、
前記プローブおよび前記支持体に結合された機構を含み、前記プローブおよび前記支持体の少なくとも一方を他方に対して移動させる走査器と、
前記プローブと前記支持体との間の動きの期間中に光学像、すなわち前記試料の軸上光学像および斜視光学像の一方を生ずるように配置してある光学像観察装置と
を含み、
（ｉ）　前記軸上光学像が前記試料の前記表面とほぼ垂直な第１の軸沿いのものであり、
（ｉｉ）前記斜視光学像が前記第１の軸に対して斜めの第２の軸沿いのものである走査型プローブ電子顕微鏡。
【請求項１０】
走査型プローブ電子顕微鏡であって、
支持体に保持した試料の表面を精査するように尖った先端部を有するプローブと、
前記プローブおよび前記支持体に結合された機構を含み、前記プローブおよび前記支持体の少なくとも一方を他方に対して移動させる走査器と、
前記試料の軸上光学像および斜視光学像の一方を受けて前記試料の少なくとも一部分の光学像を生ずるように配置してある光学像観察装置と
を含み、
（ｉ）　前記軸上光学像が前記試料の前記表面とほぼ垂直な第１の軸沿いのものであり、
（ｉｉ）前記斜視光学像が前記第１の軸に対して斜めの第２の軸沿いのものであり、
前記光学像観察装置と前記支持体との間に配置され前記軸上光学像および前記斜視光学像の一方が前記光学像観察装置に到達するのを交互に遮断するシャッタをさらに含む走査型プローブ電子顕微鏡。
【請求項１１】
走査型プローブ電子顕微鏡を操作する方法であって、
（ｉ）　走査型プローブ顕微鏡の中の支持体の上の試料を走査型プローブ電子顕微鏡、すなわち単一の像観察装置を通じて前記プローブおよび精査中の前記試料の軸上光学像および斜視光学像を生ずることのできる走査型プローブ電子顕微鏡のプローブで精査する過程と、
（ｉｉ）前記単一の像観察装置を通じて前記軸上光学像および前記斜視光学像を互いに独立に観察する過程と
を含む操作方法。
【請求項１２】
走査型プローブ電子顕微鏡を操作する方法であって、
（ｉ）　前記走査型プローブ電子顕微鏡の中の支持体の上に保持した試料の軸上光学像および斜視光学像を生ずる過程と、
（ｉｉ）前記軸上光学像および前記斜視光学像が前記像観察装置に到達するのを択一的に遮断することによって前記軸上光学像および前記斜視光学像の一方を前記像観察装置に生ずる過程と
を含む操作方法。
【請求項１３】
走査用プローブおよび精査対象の試料保持用の支持体とを有する走査型プローブ電子顕微鏡であって、
（ｉ）　前記試料の軸上光学像を生ずる手段と、
（ｉｉ）前記試料の斜視光学像を生ずる手段と、
（ｉｉｉ）前記軸上光学像および前記斜視光学像の一方を交互に選択する手段と、
（ｉｖ）前記軸上光学像を生ずる手段および前記斜視光学像を生ずる手段に結合され、前記選択する手段からの前記選択された光学像を受ける像観察装置と
を含む走査型プローブ電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
この発明は半導体デバイスやデータ蓄積媒体などの試料のトポグラフィーほかの特性の極めて精密な分析結果を得るのに用いられる走査型プローブ電子顕微鏡に関し、より詳しくは、走査型力電子顕微鏡または走査型トンネル電子顕微鏡の分類に入る走査型プローブ電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【発明の背景】
定義
「走査型プローブ電子顕微鏡」（ＳＰＭ）は物体表面のトポグラフィーの特徴ほかの特性の極微の分析結果をプローブでその表面を操作することによって提供する装置を意味する。すなわち、表面固有性の空間的分布の写像の作成をその固有性の効果を小さいプローブに局在させることによって行う技術を採用した一群の装置のことを言う。プローブは試料に対して相対的に移動して上記固有性の変化を測定し、またはその固有性の一定の輪郭を追跡する。ＳＰＭの形式に応じて、プローブは分析対象の表面に接触させるか、またはごく僅かに（数百オングストローム以下）その表面から浮かせてある。走査型プローブ電子顕微鏡には、走査型力電子顕微鏡（ＳＦＭ）、走査型トンネル電子顕微鏡（ＳＴＭ）、走査型音響電子顕微鏡、走査型静電容量電子顕微鏡、磁力電子顕微鏡、走査型熱電子顕微鏡、走査型光電子顕微鏡、走査型イオン電動電子顕微鏡などの装置が含まれる。
【０００３】
「プローブ」は試料表面に接触させまたはその表面から浮かせてあるＳＰＭの素子であって表面相互作用のための検出点として機能する素子を意味する。ＳＦＭにおいては、プローブは可撓性カンチレバーおよびそのカンチレバーの一端から突出した極微小先端部を含む。ＳＴＭにおいては、プローブは試料表面とともにトンネル電流を維持できる鋭い金属先端部を含む。このトンネル電流は高感度アクチュエータおよび増幅用電子回路によって測定でき維持できる。組合せＳＦＭ／ＳＴＭにおいては、プローブは導電性のカンチレバーおよび先端部を含み、カンチレバーの偏向とトンネル電流とが同時に測定される。
【０００４】
「カンチレバー」とはＳＦＭのプローブの部分であって、プローブ先端部にかかる力に応答してごくわずかに偏向し、プローブによる試料表面の走査に伴って偏向検出器による誤差信号の発生を可能にする部分のことをいう。
【０００５】
ＳＦＭの「先端部」とはカンチレバーの一端から突出した極微の突出部であって、試料表面に接触させるごくわずかに浮かせた突出部のことをいう。
【０００６】
「パッケージ」とはカンチレバーおよび先端部並びにカンチレバー突出の根元を成すチップを含み、チップ取付け用の平板を含む場合もある組立体を意味する。
【０００７】
「走査型力電子顕微鏡」ＳＦＭ（原子間力電子顕微鏡と呼ばれることもある）とは物体表面のトポグラフィーの検出を試料表面の走査に伴うカンチレバーの偏向の検出によって行うＳＰＭを意味する。ＳＦＭはプローブ先端部を試料表面に接触させた接触モードで、またはプローブ先端部を試料表面から約５０Å以上の間隙を保って保持した非接触モードで動作する。カンチレバーは上記先端部と表面との間の静電力、磁力、ファン・デル・ワールス力ほかの力に応答して偏向する。これらの場合において上記突出した先端部を有するカンチレバーの偏向を測定する。
【０００８】
「走査型トンネル電子顕微鏡」（ＳＴＭ）とは約１−１０Åだけ互いに隔てられたプローブと試料表面との間に流れるトンネル電流を有するＳＰＭを意味する。トンネル電流の大きさはプローブと試料との間の間隔の変化に応じて大幅に変動しやすい。ＳＴＭは通常は定電流モード、すなわちトンネル電流の変化を誤差信号として検出するモードで動作する。この信号を帰還回路が用いてトランスデューサ素子に補正信号を送り、プローブと試料との間の間隔を調整させて一定のトンネル電流を維持する。ＳＴＭは一定高さモード、すなわちプローブ・試料間間隔を無制御としトンネル電流の変動を検出するようにプローブを一定の高さに保持するモードでも動作できる。
【０００９】
「運動学的取付け」とは一つの剛体をもう一つの剛体に着脱可能に取り付ける手法であって両者間に正確で再現性ある位置関係を保つように行う取付け手法である。第１の剛体の位置を第２の剛体上の六つの接触点で定義する。これら六つの点による第１の剛体の位置の制約は過剰または不足であってはならない。運動学的取付けの普通の形態の一つにおいては、第１の剛体上の三つのボールは、第２の剛体上の円錐状凹み、溝穴（または溝）および平坦な接触域にそれぞれ接している。或いは、これら三つのボールは第２の剛体上に互いに１２０°の角度を成して形成した三つの溝穴の中にぴったり納まる。これらは単なる例にすぎず、他にも多数の運動学的取付け構成が可能である。機械工学の分野で周知の運動学的取付けの原理によると、二つの物体間で運動学的取付けを確立するには六つの接触点が必要である。例えば、上述の最初の例では、第１のボールは円錐状表面の三つの点で（表面にはもともと欠陥があるので円錐の周囲での連続的接触は生じない）、溝穴の中の二つの点で、平らな面上の一つの点でそれぞれ接触し、合計６個の点で接触している。上述の２番目の例では、ボールの各々はそのボールを保持する溝穴の両側の点で接触している。
従来技術
走査型プローブ電子顕微鏡（ＳＰＭ）は、物体表面のトポグラフィーほかの特徴の極めて精密な分析結果、すなわち個々の原子および分子の尺度に達する感度による分析結果を得るのに用いられる。いくつかの構成要素はほぼ全部の走査型プローブ電子顕微鏡に共通である。この電子顕微鏡に必須の構成要素は、試料表面のごく近傍に配置され、その表面のトポグラフィーまたは他の物理的パラメータの測定値を、先端部の形状および試料表面への近接度で主として定まる精度で発生する微小プローブである。走査型力電子顕微鏡（ＳＦＭ）では、このプローブはカンチレバーの端から突出する先端部を含む。この先端部は、力の相互作用をその先端部の端に限定することによって最大の横方向精度を得るために非常に鋭くしてある。偏向検出器はカンチレバーの偏向を検出して偏向信号を発生し、この偏向信号は所望のまたは基準の偏向信号と比較される。すなわちこの基準信号を偏向信号から差引いて誤差信号を生じコントローラに送る。偏向検出器にはいくつかの型がある。一つの型はレビュー　オブ　サイエンティフィック　インストルメンツ（Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）誌第５９巻第２３３７頁（１９８８年）所載のディー・ルーガー（Ｄ．　Ｒｕｇａｒ）ほか著の論文に記載のとおり光干渉計を用いる。しかし、市販のＳＦＭの多くはカンチレバー背面で反射されるレーザビームを採用しカンチレバーの偏向に伴うビームの角運動を検出するための光検出器を用いている。プローブ（カンチレバーおよび先端部）および偏向検出器はヘッドと呼ばれるユニットに通常収容され、このヘッドの中には偏向検出器の発生信号をコントローラに供給する前に前置増幅する回路も収容される。プローブに関して試料をラスタパターンに走査し、走査の相続く点におけるデータを記録し、そのデータを画像ディスプレイ装置に表示することによって画像を形成する。走査型（あるいは原子間）力電子顕微鏡の開発はユーロフィジックスレターズ（Ｅｕｒｏｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ．）第３巻第１２８１頁（１９８７年）所載のジー・ビニッヒ（Ｇ．　Ｂｉｎｎｉｇ）ほか著の論文およびジャーナル　オブ　バキューム　サイエンス　テクノロジー（Ｊ．　Ｖａｃ．　Ｓｃｉ．　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）Ａ６巻第２７１頁（１９８８年）所載のティー・アール・アルブレヒト（Ｔ．　Ｒ．　Ａｌｂｒｅｃｈｔ）ほか著の論文に説明されている。ＳＦＭ用のカンチレバーの開発はジャーナル　オブ　バキューム　サイエンス　テクノロジー（Ｊ．　Ｖａｃ．　Ｓｃｉ．　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）Ａ８巻第３３８６頁（１９９０年）所載のティー・アール・アルブレヒトほかの論文「原子間力顕微鏡用の微細加工カンチレバー触針」に説明されている。走査型静電容量電子顕微鏡または走査型磁力電子顕微鏡など他の型のＳＰＭも同様の偏向検出器を用いている。
【００１０】
走査型トンネル電子顕微鏡（ＳＴＭ）は構造全体としてＳＦＭに類似しているが、そのプローブはカンチレバーでなく導電性の尖った針状の先端部から成る。写像を作成すべき物体表面は一般に導電性または半導電性のものでなければならない。金属針は物体表面から通常数オングストローム浮かせて配置する。上記先端部と試料との間にバイアス電圧をかけると、同先端部と試料表面との間にトンネル電流が流れる。このトンネル電流は上記先端部と表面との間隔に対し指数関数的に高感度に変動し、したがってその間隔の代表値を生ずる。ＳＴＭにおけるトンネル電流の変動は、したがってＳＦＭにおけるカンチレバーの偏向に似ている。ヘッドには、試料に対して上記先端部にバイアスをかけトンネル電流を前置増幅してコントローラに供給する回路を含める。
【００１１】
ＳＦＭにおいて試料上の所望の領域を分析できるためには、この領域をプローブに対して正しく配置しなければならない。すなわち、試料の被分析領域の真上にプローブを位置づけてその試料に接触させるかその試料に非常に接近させなければならない。そのためには二つの型の動きを要する。すなわち、まず横（ｘ，ｙ軸）の動きであり、次に垂直（ｚ軸）の動きである。これに要する並進運動はｘ，ｙ，ｚ軸精細可動ステージの可動範囲を超える。この動きは手動または「粗」位置決めステージで達成できる。後者の場合は、試料またはヘッドを粗ｘ，ｙ軸ステージ、すなわち試料をプローブの真下に正しく位置決めするためにあらゆる方向に水平移動できる粗ｘ，ｙ軸ステージに搭載する。通常は粗ｘ，ｙステージは約２５ｍｍの並進運動範囲を有する。
【００１２】
粗ｚ軸ステージは試料に対してプローブを垂直方向に位置決めするのに用いる。粗ｚ軸ステージは最大の試料−プローブ離隔距離（できれば３０ｍｍ以上など）を許容するのが望ましい。この位置で必要に応じてプローブを交換したりＳＰＭ内に他の試料を装着したりすることができる。また、粗ｚ軸ステージは、プローブと試料との間の位置関係を付属光学顕微鏡で観察できる距離（例えば約１００μｍの）までプローブを動かすように調節できる。次に粗ｘ，ｙ軸ステージを用い、分析対象の試料表面の特徴または領域の上にプローブが位置づけられたことが光学顕微鏡による観察から判るまで試料をプローブに対して水平に動かす。次に、走査用精細ｘ，ｙ，ｚ軸ステージ（後述の走査器）およびその関連の帰還ループ（後述）が正しいプローブ−試料離隔距離の維持を引き継ぐまでプローブを試料に徐々に接近させるように粗ｚ軸ステージを入念に調節する。最終的寄せ操作は約１ミクロンの精度を要し、プローブを試料に衝突させることを避けるように細心の注意を払って行わなければならない。
【００１３】
粗および精細（走査）移動の全体を通して、必須の要素は試料に対するプローブの相対的位置および動きである。実際の動きはプローブ、試料またはこれらの両方が行う。
【００１４】
走査操作は精細ｘ，ｙ，ｚ軸ステージ、または走査器、すなわちｘおよびｙ軸方向に約１−３００μｍ、ｚ軸方向に約１−１５μｍの可動範囲をもつ走査器によって行う。この走査器はプローブが分析対象の表面の上方でラスター型の経路を辿るように通常は試料を水平に動かす。急速走査の方向にコンピュータは一連の点でデータ列を収集する。緩徐走査方向の動きで走査器を次のデータ採取点列に位置決めする。結果として得られる画像は個々の画素から形成される。通常、データはすべて急速走査方向で同じ向きに収集される、すなわちデータは逆向きの経路沿いには収集されない。
【００１５】
大多数のＳＰＭでは走査の動きは垂直方向に向けた圧電性の管で発生させる。その管の基底部は固定し、プローブまたは試料に接続した他端はその圧電性の管への入力電圧の印加に伴って横方向に動けるようにしてある。このような応用分野における圧電性の管の利用は周知であり、例えばレビューオブサイエンティフィックインストルメンツ誌第５７巻第１６８８頁（１９８６年８月）所載のビニッヒおよびスミス（Ｂｉｎｎｉｇ　ａｎｄ　Ｓｍｉｔｈ）共著の論文に記載されている。
【００１６】
ｚ軸方向の微細な動きも通常は圧電性デバイスを用いて発生している。ｚ軸方向の走査器の動きを制御するための従来技術の帰還ループを図１１Ａに示す。ＳＦＭまたは同様の型のカンチレバーを用いた装置の場合を想定すると、偏向検出器がプローブの偏向を測定し偏向信号と基準信号との差である誤差信号Ｅを生ずる。誤差信号Ｅはコントローラに送られこのコントローラがｚ軸帰還電圧ＺＶを印加し、それによって、試料の水平方向走査に伴い一定のカンチレバー偏向を維持するように走査器をｚ軸方向に駆動する。例えば、プローブが試料表面の隆起に遭遇した場合は、プローブ−試料間の離隔距離を大きくしそれによってカンチレバー偏向を一定に保つように帰還信号ＺＶが走査器を制御する。したがって、帰還信号ＺＶは試料のトポグラフィーを代表し、画像の形成に使える。試料の傾斜面などトポグラフィーの大きい特徴だけを補償するように帰還を調節してＳＦＭを操作し、誤差信号Ｅを試料表面の代表信号の発生に使うこともできる。このモードには欠点がある。例えば、プローブ偏向が最大限度を超えた場合に、試料表面またはプローブに損傷が生ずるのである。
【００１７】
従来技術においてはコントローラの機能は帰還ループの性能の最適化のために誤差信号を適宜処理するアナログ回路だけで達成できる。あるいは、誤差信号をディジタル化し、周知の市販コンピュータまたはディジタル信号処理デバイスを用いて、処理をディジタル的に行うこともできる。後者の場合は、ディジタル信号は走査器に供給される前にアナログの形に再変換される。
【００１８】
ＳＴＭにおける帰還ループもほとんど同じ動作を行い、主な相違点はコントローラへの誤差信号をカンチレバーの偏向でなくトンネル電流によって発生させることである。この電流の値と設定値との差、すなわちプローブ−試料表面間の間隔の関数であるこの差をコントローラが用いて走査器向けのｚ軸帰還信号を決定するのである。帰還信号はプローブと試料表面との間の間隔を一定に維持するように走査器位置を調節する。トンネル電流はプローブと試料表面との間の間隔の指数関数で決まるので高い垂直方向感度が得られる。プローブは当初から尖っているので横方向感度も高い。
試料のトポグラフィーはグレースケールとして知られるフォーマット、すなわち各画素点の画像輝度が試料表面のその点における表面高度の何らかの関数であるフォーマットで表示されることが多い。例えば、走査器に印加されるｚ軸帰還信号は試料を引き戻すように走査器を制御し（例えば、試料表面上の峰の高さを補償するように）、それに対応する表示装置上のデータ点は明るく表示する。逆に試料をプローブ向きに動かす場合は（例えば、谷の深さを補償するように）、データ点は暗く表示する。このようにして、表示装置上の各画素で試料上のｘ，ｙ平面位置を代表し、ｚ座標を輝度で代表する。ｚ軸位置は高精度で数値表示または図形表示することもできる。
【００１９】
上述のとおり、ＳＦＭのカンチレバーの偏向の測定を、カンチレバー背面の円滑な面にレーザビームを向け、カンチレバーの偏向に伴うレーザビーム反射位置の変化を検出することによって行うことは周知である。レーザビーム位置のシフトは通常２セル位置検出用光検出器（ＰＳＰＤ）によって検出する。通常ＳＦＭではこの検出回路は試料の上方に位置決めされたプローブの光学的視野を妨げる。ここに引用してこの明細書に組み入れる１９９１年３月１３日出願の米国特許出願第０７／６６８，８８６号には、カンチレバーの上方からの視野が妨げられないようにカンチレバーの片側に配置したミラーでレーザビームを反射させる偏向検出器が記載してある。その出願には、偏向検出器内のミラーの運動学的取付け系および基板へのヘッドの運動学的取付け機構も記載してある。
【００２０】
これらは従来技術に比べて著しい改良を表す。しかし、従来技術の走査型プローブ電子顕微鏡には下記の点を含む難しさが残っている。
【００２１】
１．ＳＦＭにおいては、プローブは消耗し数個の試料の走査後には交換を要する。さらに、一つ前の走査対象の試料表面からプローブ先端部に堆積した材料で次の試料の表面が汚染されることを防ぐために試料ごとにプローブを交換するのが多くの場合望ましい。上記の型の偏向検出器では、カンチレバーの背面の２０ミクロン程度の幅のごく小さい範囲にレーザビームを正確に向けなければならない。カンチレバーの交換の度ごとにレーザビームを同一位置に導くよう再調節しなければならない。例えば、試料の走査に３０分を要し、レーザビームスポットの再調節にさらに１５分を要する。すなわち、１個の試料に費やされる時間の少なからぬ部分を試料交換後の偏向検出器の再調節に割り当てなければならない。
【００２２】
２．ＳＦＭにおける偏向検出器からの信号またはＳＴＭにおけるプローブ先端部からのトンネル電流の増幅のために別々の前置増幅器回路を要する。これら前置増幅器は雑音の混入を減らすために各信号の発生源に近接するヘッド内に配置しなければならない。同様に、ＳＦＭおよびＳＴＭは通常ヘッド内に別々のプローブを要する。従来技術の構成では、ヘッドはＳＦＭ専用またはＳＴＭ専用である。したがって、ＳＦＭ動作モードとＳＴＭ動作モードの切換えにはヘッドを取り外して交換しなければならない。この手順には時間を要する。しかも、各ヘッドは値段の高い構成要素である。
【００２３】
３．ＳＦＭにおいてはカンチレバー偏向に伴う光点位置の変化の検出のために偏向検出器に通常２セルＰＳＰＤを用いる。光点位置の変化に対する２セルの感度は初期の光点位置に非直線的に左右される。光点がＰＳＰＤの中心を照射し初期信号零を生ずる場合に感度は最大になる。光点位置が中心から偏る（すなわち、初期信号偏りがある）に伴って感度は低下する。初期信号偏りが大きすぎる場合は、光点はセルの一つだけを照射するので２セルは機能しない。この非直線光点位置応答は光点の幅方向の照度の変化の悪影響をさらに受ける。これらの悪影響を最小にするためには、初期信号偏りを零にする時間のかかる調整が電子顕微鏡の作動前およびプローブ交換の度ごとに頻繁に必要になる。
【００２４】
４．ＳＰＭにおける粗ｘ，ｙ軸ステージは少なくとも三つのレベル、すなわち固定基体、ｙ軸ステージおよびｘ軸ステージを有する重ね合わせ構造であることが多い。この構成は相対的に大きい機械的ループを有する。すなわち、個々のステージにおける熱的変位および機械的変位が累積してプローブと試料との間隔に影響を与え得る。これら変位がデータ中の雑音の重大な原因となる。また、大きい機械的ループを備える構成は不安定である。
【００２５】
５．圧電性走査器は、本来、非直線的振舞い、すなわち、ヒステリシス応答（ある制御電圧値に対する走査器位置が過去の動きの経過の関数となる）、クリープ応答（走査器位置が印加電圧に応じて徐々にドリフトする）、および非直線応答（走査器位置が印加電圧の非直線性関数となる）などの非直線的振舞いを示す。また、圧電性管走査器の曲げには横方向の動きがもともと伴っており、そのために走査器が傾斜する。これらの非直線効果がデータ画像に悪影響を与え、走査補正が必要になる。米国特許第５，０５１，６４６号は非直線制御電圧を圧電性走査器に印加することによってこれらの非直線性を補正する方法を説明している。しかし、この方法は「開ループ」であり、すなわち帰還を用いず非直線性入力印加電圧による正確な実際の走査器の動きを決定し補正する手段を何ら備えない。ここに引用してこの明細書に組み入れる１９９１年９月２６日出願の米国特許出願第０７／７６６，６５６号には走査器のｘ，ｙ軸横運動における非直線性を補正する「閉ループ」の方法、すなわち帰還を用いた方法が記載されている。しかし、この方法は傾斜を生ずる圧電性管走査器の曲げを考慮に入れていない。
【００２６】
６．通常のＳＰＭではヒステリシスの問題のためにラスタ型走査の各データ列を同一の向きに収集しなければならない。逆向きに収集したデータにはヒステリシスの影響を含まれるからである。したがって、ラスタ走査の各線は２回の横断、すなわちデータ収集のために１回、同一経路に沿った戻りのために１回（またはその逆）の横断が必要になる。すなわち、画像発生に必要な時間の長さはヒステリシス効果なしの場合のそれよりも著しく大きい。さらに、このヒステリシス問題のために、一つの走査線の順方向走査で収集されたデータをその走査線の逆方向走査からの画像の発生前の走査パラメータ調節に使うことが妨げられる。
【００２７】
７．データ画像の誤差のもう一つの原因が試料の厚さによって生ずる。圧電性管走査器が湾曲してそれに取り付けた試料（またはプローブ）に横向きの動きを生ずると、その試料（またはプローブ）は弧状の経路を動く。したがって、試料の厚さ（垂直方向の寸法）が増加すると、圧電管走査器への一定の入力信号は試料表面により大きい水平方向の並進運動を生ずる。
【００２８】
８．試料をプローブに対して位置決めするには、光学顕微鏡を用いて同軸（軸上）像と斜視像の両方を同試料について得るのが有用である。これらの像はプローブに対する試料の精密な位置決めをモニタする手段を提供する。同軸像は測定対象の試料の特徴部の上方にプローブを位置決めする際の手助けとなる。斜視像は試料表面に対するプローブの向き（例えばカンチレバーの傾斜）の調節を可能にする。従来のＳＰＭはこれら特徴の両方を提供する。しかし、それら特徴の提供は二つの別々の手動顕微鏡によっており扱いにくい。すなわち、上記二つの像の形成は不便である。
【００２９】
９．従来技術のＳＰＭにおいては圧電性管走査器はその共振周波数よりも高い周波数で動作させることはできない。共振周波数を超えると、入力電圧信号に対する走査器の応答が大幅に減少して入力信号と位相が外れる。
【００３０】
１０．従来技術のＳＰＭでは走査周波数またはプローブ経路をプローブの遭遇するトポグラフィーの特徴に応答して調整することはできない。
【００３１】
【発明の概要】
この発明の走査型プローブ電子顕微鏡においては、プローブを含むパッケージをカートリッジに運動学的に取り付け、そのカートリッジをヘッドに運動学的に搭載する。プローブの交換にはカートリッジをヘッドから取り外し、新しいプローブを含む新しいパッケージをカートリッジに取り付け、それをヘッドに再搭載する。このようにカートリッジおよびパッケージは両方とも容易に取り外され交換される。運動学的取付け技術の利用によりプローブをヘッド内で約２０ミクロンの精度以内で位置決めすることを確実にしている。この構成によりＳＦＭプローブ、ＳＴＭプローブおよびその他の型のプローブの交換を容易にすることができる。ＳＦＭ内に偏向検出器を位置決めするための時間のかかる調節をプローブ交換のあと従来技術の場合のように行う必要はない。
【００３２】
ＳＦＭプローブは微細加工チップの一端から突出した可撓性カンチレバーで構成される。チップを板に付着させてパッケージを構成する。このパッケージにはカートリッジへの固定用の正確に位置合わせした運動学的取付け点が備えてある。チップを板に付着させるには、集積回路（ＩＣ）取付け技術、接着工程またはその他の方法を用いることができる。代わりに、板とチップとを組合せ一体化して微細加工で製作し、カートリッジへの運動学的取付け用の正確に位置合わせした運動学的取付け点を（例えば）リトグラフ手法により形成してパッケージを作ることもできる。チップまたはチップ内蔵パッケージはヘッドに直接に運動学的に取り付けてカートリッジを省略することもでき、チップをカートリッジに直接に運動学的に取り付けることもできる。
【００３３】
この発明の偏向検出器はカンチレバーの偏向に伴う光ビームの角運動の検出用に光ビーム偏向検出器を用いる。線状位置検出用光検出器（ＰＳＰＤ）、すなわち検出器の能動表面の光点の位置に関する連続的線型情報を供給できるアナログＰＳＰＤを上記運動の検出用に２セルＰＳＰＤの代わりに用いる。線状ＰＳＰＤは入射先ビームの位置に対して高度に直線性の連続的応答を示し、光点位置の初期偏りに対する許容度がずっと大きい。初期偏りを零にするためにＰＳＰＤを従来技術の場合のようにたびたび調節する必要はない。雑音を最小にするためにＰＳＰＤ上の光点を中心に合わせる調節はときどき必要になるので、この線状ＰＳＰＤには位置調節機構が備えてある。
【００３４】
この走査型プローブ電子顕微鏡はＳＦＭ信号およびＳＴＭ信号の両方を前置増幅できる回路を含んでおり、走査型力電子顕微鏡使用と走査型トンネル電子顕微鏡使用との間の切換えの際に必要となる二つの別々のヘッドの間の切換えを不要にしている。
【００３５】
単一の重ね合わせなしの粗ｘ，ｙ軸ステージに試料と走査器の両方を搭載する。この粗ｘ，ｙ軸ステージは基体に滑動可能な状態でクランプされ、三つの接触点で荷重をかけている。このステージは通常はクランプ面と基体との間の摩擦により静止している。この粗ｘ，ｙ軸ステージの位置の調節の際は、基体の円滑面、すなわち、好ましくはガラス滑動面である円滑面を横切って上記三つの接触点を滑動させる。粗ｘ，ｙ軸ステージの水平並進運動は互いに垂直向きの二つの調節部材により達成できる。好ましい実施例においては、各調整部材は固定ナットにねじ式にはめ合わされステップモータで駆動されるねじである。一方のねじの一端はボール付き端であり粗ｘ，ｙ軸ステージの一端と一つの接触点を形成する。他方のねじの一端は押し板と接触し、その押し板は粗ｘ，ｙ軸ステージのもう一つの端と二つの接触点を形成する。押し板は基体の下側に取り付けられたレールを滑動する。ｘ，ｙ軸ステージと押し板は負荷バネによりそれぞれの接触点に偏らせてある。粗ｘ，ｙ軸ステージの基体について位置を定義する六接触点（三つのクランプ点、二つの押し板点および一つのねじ端）の配置は安定した運動学的取付けを構成する。ｘおよびｙ軸ステップモータはねじの出し入れに伴って各レール沿いに滑動する。固定ナットは粗ｘ，ｙ軸ステージの位置決めに関わる機械的ループを最小にするように位置決めした基準点を代表する。単一の重ね合わせなしの粗ｘ，ｙ軸ステージをその配置の機械ループを最小化するように基体に運動学的に取り付けるには代替手法があるがそれらについては後述の説明から明らかになるであろう。
【００３６】
粗ｚ軸ステージは三角形状に配列され、ヘッドと粗ｘ，ｙ軸ステージとの離隔距離を調整する三つの調節部材を含む。好ましい実施例では、各調節部材は垂直向きで電子顕微鏡基体の固定ナットにねじ式にはめ合わされたねじを含む。各ねじは、そのねじの出し入れに伴ってレール沿いに滑動するステップモータで駆動する。各ねじはボール付き端部を有し、ヘッドを三つのねじに運動学的に取り付ける。この配置により調節対象の試料に対してプローブを持ち上げることおよび傾けることの両方が可能になる。
【００３７】
走査器（精密ｘ，ｙ，ｚ軸ステージともいう）は基底部を粗ｘ，ｙ軸ステージに固定し反対側端部を印加電圧に応答して可動自由にした圧電性管を含む。４セルＰＳＰＤを圧電性管の上端に軸方向に取り付け、管の基底部に取り付けた光源（例えば発光ダイオード（ＬＥＤ））に向けてある。圧電性管の上端が水平方向に動くに伴って、４セルＰＳＰＤを照射する光点の位置が移動する。したがって、４セルＰＳＰＤは圧電性管の自由端の、したがって、それに搭載された試料のｘ，ｙ軸方向の動きを検出する。これに加えて、二つの２セルＰＳＰＤを圧電性管の外側表面に二つの光源（例えばＬＥＤ）に面するように取り付けてある。これらＰＳＰＤからの出力は互いに加算され、試料傾斜（上述のとおり圧電性管の湾曲によって生ずる）に感応しないｚ軸位置信号を生ずる。軸方向取付けＰＳＰＤおよび二つの表面取付けＰＳＰＤからの信号は管状走査器の非直線性の振舞いを補正するように閉じた帰還ループで用いる。
【００３８】
粗ｚ軸ステージのステップモータの各々は最大垂直位置に達するとリミットスイッチを駆動する。これらリミットスイッチはそれら三つがすべて駆動されたときヘッドが基体に対して水平方向を向くように位置決めしてある。三つのリミットスイッチのすべてが駆動されると、すなわちプローブが試料の上方の最大の高さまで上がると、試料の厚さは、プローブが試料に接触するまでステップモータにねじを戻させ、移動距離を記録することによって測定できる。試料の高さの測定は試料の厚さの有限値に起因して生ずる水平方向走査誤差の補正に用いる。上述のとおり、この誤差は試料を保持する圧電性管走査器の自由端が入力電圧に応答して横方向に変位する際の圧電性管走査器の湾曲から生ずる。上記測定は圧電性走査器のｘ，ｙ軸方向感度、すなわち単位印加電圧あたりの単位走査器変位（例えばμｍ／Ｖ）で表される感度の調節に用いる。ステップモータは必須ではない。十分によく較正した再現性あるモータであればいかなるモータでも十分である。
【００３９】
試料の厚みはこのシステムの較正用試料（または基準表面）のそれと比較しなければならない。基準表面は管の横方向感度（μｍ／Ｖ）の値を発生するのに用いる。較正用資料の厚さ（または基準の高さ）はｚ軸接近用ねじがリミットスイッチから較正用試料または基準表面まで動く距離（またはステップモータのステップ数）として記録される。任意の試料の厚さをこの較正に関連して測定する。試料の厚さの変動は従来の単純な式を通じて走査器の較正値に影響を及ぼす。このようにして試料の厚さの測定を行い走査器の感度を更新する。
【００４０】
プローブに対して位置決めした試料の軸上光学像および傾斜光学像の組合せ像が生じる。これら光学的経路のいずれかをコンピュータ制御のモータ駆動シャッターを配置することにより選択する。モータ駆動シャッター、ミラーおよびレンズ、並びにこれらを切り換える手段を用いることにより得られた上記二つの光学像は、二つの個別の光学顕微鏡を設ける必要を除去する。また、二つの光の経路に配置した顕微鏡レンズ（例えば対物レンズか色消しレンズであり得る）を焦点面の上げ下げのためにモータ制御で動かし、コンピュータ制御の下での光学像の結像をこのようにして得ることができる。
【００４１】
このシステムは走査型プローブ電子顕微鏡図形ユーザインタフェース、すなわちユーザ参照用に光学像およびＳＰＭ像の同時画面表示を有するユーザインタフェースを含む。これら光学像は次の走査のための領域を定め図形的に画するためにも用いる。上記二つの光経路のいずれかからの光学像はコンピュータ制御モータ駆動ズームレンズにより慣用のＣＣＤカメラに結像する。モータ駆動ズームモータエンコーダは光学像拡大および光学像寸法の自動制御を可能にする。モータ駆動ズームレンズ組立体の較正は光学像およびＳＰＭ像の特徴の正確な相関把握を可能にする。それら像をビデオ表示画面上に表示することにより光学顕微鏡の接眼レンズが不要になる。さらに、この光学系は擬似焦点系であるので、像の拡大は対物レンズ（慣用のタレットに搭載）の切換えかまたはモータ駆動ズームレンズの調節かによって変動させることができ、像ははっきりした結像状態に留まる。
【００４２】
表示画面上の像（光学像およびＳＰＭ像の両方）はプローブに対する試料の動きに連結されている。コンピュータ制御を受けるモータ（ｘ，ｙおよびｚ軸方向）や上記走査器が図形手段で選んだ走査領域内に試料を自動的に位置決めする。試料上の所望の走査領域は光学像またはＳＰＭ像の一部を図形的に強調表示することによって選択できる。次に、ＳＰＭの自動的位置決めを、走査の幅を相次いで狭め試験対象の特徴部分にズーム・インするために用いることができる。したがって、次の走査のための位置決めの手動調節は従来技術の場合とちがって不要になる。このシステムは、ＳＰＭ走査位置を示すために光学像上に走査表示を表示し、それによって走査の記録を作ることができる。光学像の中の特徴部分とＳＰＭ像の中のそれらとの間には正確な相関が得られる。
【００４３】
この発明のＳＰＭは、対物レンズの焦点面をプローブ先端部の数ミクロン下に予め設定し次にその焦点面を試料と一致させることにより、プローブを試料表面から数ミクロンの範囲内に自動的に速く位置決めする光学的制御過程を用いる。三つのｚ軸ステージモータおよび光学レンズ組立体に結合したモータは一緒に降下し、プローブ先端部および対物レンズ焦点面を試料に向かって速く、試料表面像の結像をソフトウェアが判断するまで動かす。次にｚ軸ステージは最終段階の接近のために速度を下げる。これによって、プローブを試料表面の近傍または試料表面への接触位置まで、または精密ｘ，ｙ，ｚ軸ステージ（走査器）の作動範囲内まで動かすための時間を短縮する。
【００４４】
また、このシステムは試料搭載手段に固定された試料の領域を測定する光学制御のデータから試料表面の傾斜を決定することによって用いている。試料表面の傾斜のデータは、ヘッド（すなわちプローブ）の傾きをそのヘッドが試料表面と平行になるように自動的に調節するのに用いる。また、この試料表面の傾斜のデータは、試料表面の画像から全体としての傾斜を除去する走査パラメータまたは画像表示パラメータの調節にも使うことができる。このように、この光学的制御過程によって試料表面傾斜およびプローブ傾斜を測定することができる（試料表面傾斜は例えば湾曲した試料取付け部材に起因することがあり得る）。
【００４５】
このシステムのユーザインタフェースのデータ画像バッファは、データ捕捉モードと画像処理モードとの間でデータを自動的に転送し、それによってデータ蓄積のためのメモリ容量を節約するように用いられる。バッファは表示装置スクリーン上に参照用に表示され、画像処理用ウィンドウにも表示できる。バッファにはリアルタイムで収集したデータまたはデータベースから取り込んだデータを収容できる。バッファに収容した画像へのアクセスをデータ捕捉モードおよび画像処理モードで自動的に行うことにより、データのリアルタイム分析、量的情報の迅速な抽出、および永久保存の価値の有無の判断のための画像処理などを高度の柔軟性をもって行うことができる。
【００４６】
このシステムのユーザインタフェースは、画像の生の一走査線分のデータ（すなわちディジタルオッシロスコープ）に施される高速１次元ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を提供する。生の１次元ＦＦＴの提供によって、ユーザは画像を分析プログラムにかけることなく正確な量的情報を抽出できる。さらに、コントローラは走査線データにＦＦＴまたはその他の分析をリアルタイムで施す能力を備えているので、その分析結果をＳＰＭシステムの現在の走査パラメータおよび帰還パラメータの最適化のために用いることができる。より一般的にいうと、このシステムは走査データ中の機械的共振など不都合な出力を分析により検出して、その共振の励起を避けるように走査パラメータ（速度などの）を変えるのである。
【００４７】
１次元ＦＦＴをリアルタイムで行う機能の応用として、生の走査線データおよびそのデータの１次元ＦＦＴを表示でき、また誤差信号の対数も表示できる。後者はＳＴＭ、すなわち信号（トンネル電流）がプローブ先端部と試料表面との間の間隔に指数関数的に依存するＳＴＭにおいて有用な機能である。このユーザインタフェースは、データベースから検索された画像を含むデータ画像の任意の走査線に対する１次元ＦＦＴを、カーソルなど標準的な図形ユーザインタフェースにより走査線に図形的に適用した高域フィルタおよび低域フィルタを用いて行うことができる。その結果得られたフィルタずみの走査線はリアルタイムで表示される。
【００４８】
また、このシステムのインタフェースは２次元ＦＦＴを提供し、試料のより狭められた領域に高域および低域フィルタを適用してデータ画像全体へのＦＦＴ適用前の処理速度上昇に資する。例えば、フィルタパラメータおよび計算結果のリアルタイム表示の調節にカーソルを用いることは、可変帯域フィルタの利用を非常に直観的で容易にする。
【００４９】
このシステムのインタフェースはまたデータ画像の３次元化のためのパラメータの最適化を容易にする。この３次元化はモニタ画面上に深さ、傾斜、陰影などの錯覚を与える形で３次元データを表示する表示のしかたである。変化するパラメータの効果を３次元化用にリアルタイムで示すのに図形を用いる。最適化されたパラメータはデータ画像に加えられる。最適３次元化を得るのに必要な信号授受過程はこれによって著しく短縮される。この目的のためには、単純な形状配置を有する人工的構造物、または処理対象の画像データの一部からのデータなど削減されたデータセットなどあらゆる図形を使うことができる。
【００５０】
【好ましい実施の形態】
この発明による走査型力電子顕微鏡（ＳＦＭ）１００の総括的概略図を図１に示す。突出した先端部１０１を有するカンチレバー１０２が試料１０４の上方に位置決めされている。ヘッド１０８の中にある偏向検出器１０６は試料１０４の表面を走査しながらカンチレバー１０２の偏向を検出し誤差信号をコントローラ１１０に送る。カンチレバー１０２および先端部１０１、すなわちプローブもヘッド内に配置してある。カンチレバー１０２は、ヘッド１０８を基体１１４にリンクさせる粗ｚ軸ステージ１１２により試料１０４に接近する。基体１１４には粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６も載置されており、これによってカンチレバー１０２の下の適当な位置で試料を水平方向に位置決めする。走査器（精細ｘ，ｙ，ｚ軸ステージ）１１８を粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６に取り付け、それによって試料１０４を保持する。コントローラ１１０はｘ，ｙ軸走査信号を発生し、その走査信号によって、カンチレバー１０２の下で特定の走査パターンで試料１０４を動かすように走査器１１８を駆動する。コントローラ１１０は偏向検出器１０６からの誤差信号を用いてｚ軸帰還信号を発生し、この信号に応答して走査器１１８はカンチレバーが一定に偏向を維持するように試料１０４の垂直方向位置を変化させる。このｚ軸帰還信号は走査型力電子顕微鏡１００の出力であり、ＳＰＭ画像１２０の発生に使うこともできる。代わりに、この画像を偏向検出器１０６からの誤差信号を用いて発生することもできる。この発明の一つの側面によって画像を発生する他の方法を後述する。
【００５１】
走査型力電子顕微鏡１００においては、粗ｚ軸ステージ１１２および粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６を用いてカンチレバー１０２を試料１０４の選ばれた部位の上方に位置決めする。走査器１１８は走査機能を有し走査周期のあいだカンチレバーを所定の偏向値に維持する。粗ｚ軸ステージ１１２は垂直方向可動範囲約２５ｍｍ、粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６は水平方向可動範囲約２５ｍｍをそれぞれ有する一方、走査器１８は水平方向移動範囲約１００μｍ、垂直方向並進運動範囲約１０μｍをそれぞれ有する。
【００５２】
カンチレバー１０２および試料１０４のある部位の両方の光学像１２２は対物レンズ１２６を含む光学像観察組立体１２４で形成する。光学像観察組立体１２４はカンチレバー１０２および試料１０４の同軸拡大像および斜視拡大像の組合せ像を生ずる。
【００５３】
ＳＦＭ１００のユーザインタフェースほかの構成要素および動作モードをより詳しく次に述べる。ヘッド１０８内のカンチレバー１０２取付け機構から始めて、偏向検出器１０６、粗ｚ軸ステージ１１２、粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６、走査器１１６および光学像観察組立体１２４の構成を続けて述べる。
ヘッド構造
底面図である図２Ａに示すとおり、カンチレバー１０２はシリコンの微細加工で製作できるチップ２０２の一端から外側に突出している。チップ２０２は接着剤および標準的ＩＣ取付け技術またはその他の目合せ手法を用いてアルミナ板２０４に固定する。この板２０４は他の材料で構成することもできる。チップ２０２および板２０４はパッケージ２００を構成する。板２０４には三つの長方形の溝穴２０６，２０８および２１０をアルミナ板２０４への精密レーザ加工により互いに１２０°の角度を成して形成する。溝穴２０６，２０８および２１０はパッケージ２００用の運動学的取付け点を形成し、Ｕ字型カンチレバーカートリッジ２１８に付けたボール２１２，２１４および２１６に正確に位置合せされる。ボール２１２，２１４および２１６を溝穴２０６，２０８および２１０にそれぞれ位置合せした状態でパッケージ２００をカンチレバーカートリッジ２１８に強固に保持することをばねクリップ２２０によって確実にしている。また、ばねクリップ２２０はカンチレバーカートリッジ２１８へのパッケージ２００の簡便な装着および交換を可能にしている。
【００５４】
カンチレバーカートリッジ２１８には、ヘッド１０８内部への同カートリッジ取付け用の運動学的接触点を成す円錐状凹み２２２、溝穴２２５および平坦部２２６が形成してある。円錐状凹み２２２および溝穴２２４はＵ字型カンチレバーカートリッジ２１８の二つの腕にそれぞれ配置してあり、平坦部２２６はカンチレバーカートリッジ２１８の中心部近傍に配置してある。図３に示すとおり、円錐状凹み２２２、溝穴２２４および平坦部２２６はヘッド１０８内で三つのボール３００，３０２および３０４とそれぞれ一致するように位置決めしてある。すなわち、ボール３００は円錐状凹み２２２に、ボール３０２は溝穴２２４にそれぞれはめ合いになり、ボール３０４は平坦部２２６に接触し、それによってカンチレバーカートリッジ２１８とヘッド１０８との間に運動学的取付けを形成する。ばねクリップ３０６はカンチレバーカートリッジ２１８をヘッド１０８内の正規の位置に強固に保持する。カンチレバーカートリッジ２１８へのパッケージ２００の取付け、およびヘッド１０８内部でのカンチレバーカートリッジ２１８の取付けには、上述のとおり他のいろいろの運動学的取付け手法も用いることができる。
【００５５】
また、プローブ内蔵パッケージをヘッド内部に直接に取り付けるのに運動学的取付け手段を用い、着脱可能なカートリッジを省略することもできる。さらに、図２Ｂに示すとおり、運動学的目合せ深溝をチップそのものに機械加工またはリトグラフにより形成することもできる。そのような構成は、図２Ｂに示すとおり、ボール２４６，２４８および２５０のはめ合わせを受ける深溝２４０および２４２を設けたチップ２４４を有する。ボール２４６，２４８および２５０はカートリッジの中またはヘッドそのものの中に形成できる。ボール２４６，２４８および２５０が深溝２４０および２４２にはめ合わせになると、運動学的取付けが形成される。他の形式の運動学的取付けも使うことができる。
【００５６】
図４Ａは偏向検出器１０６に対するカンチレバーカートリッジ２１８の位置決めを示すヘッド１０８の斜視図である。レーザダイオード４００は集束直径すなわちスポットサイズ約２５μｍの集束レーザビーム４０２を発生し、そのレーザビームは目合せミラー４０４に導かれ、さらにカンチレバー１０２の背面の所定の領域に向けて反射される。レーザビーム４０２は次にカンチレバー１０２の背面で反射され、直線状位置感応性光検出器（ＰＳＰＤ）４０６を照射する。ＰＳＰＤ４０６は調整ねじ４１８によりレーザビーム４０２に対して調節される。ＰＳＰＤ４０６の出力は前置増幅器４２０に送られ、この増幅器で増幅されてコントローラ１１０（図１）に供給される。
【００５７】
図４Ｂはヘッド１０８内における目合せミラー４０４の運動学的取付けの拡大図である。目合せミラー４０４は、球４０８の中心に、レーザビーム４０２がミラー４０４（図４Ａ参照）で反射できるように球４０８の一部を切り欠いて、配置する。球４０８の上側表面はヘッド１０８に付着させたミラーブラケット４２４の円形孔と係合する。ミラー調整ねじ４１０および４１２はヘッド１０８の中の雌ねじ穴にねじ止めし、それらのねじ４１０および４１２の端は溝穴４１４および平坦部４１６、すなわち球４０８から延びる調節部材４２６に形成された溝穴４１４および平坦部４１６にそれぞれ接触している。ばね４２８が球４０８を穴４２２に押しつけ、ねじ４１０および４１２の先端を溝穴４１４および平坦部４１６に、それぞれ押しつける。目合せミラー４０４はこのようにしてヘッド１０８内に運動学的に取り付けられ、ミラー４０４の角度方向の向きはねじ４１０および４１２の回転により調節できる。
【００５８】
上述の構成は１９９１年３月１３日出願の米国特許出願第０７／６６８，８８６号記載のヘッド内目合せミラーの運動学的取付け構成の変形である。偏向検出器の構成要素の配列は、この発明では、対物レンズをより接近できるように変更してある。
【００５９】
図２を参照すると、溝穴２０６，２０８および２１０はパッケージ２００を１ミクロンに達する精度でカンチレバーカートリッジ２１８に位置決めすることを可能にし、同様に円錐状凹み２２２、溝穴２２８および平坦部２２６はカンチレバーカートリッジ２１８がヘッド１０８内に１ミクロンに達する精度でヘッド１０８内に位置決めされることを可能にする。チップ２０２を板２０４に取り付けるのにＩＣ技術を用いるので精度は約２０ミクロン以上が保証される。したがって、カンチレバーカートリッジ２１８のヘッド１０８からの取外し、パッケージ２００の交換、およびカンチレバーカートリッジ２１８のヘッド１０８への再挿入を、交換後のカンチレバーを交換前の位置から約２０ミクロン以内の範囲に位置決めするという保証の下に行うことができる。同一のパッケージを再挿入する場合は、この誤差範囲は約２ミクロンに抑えられる。レーザビーム４０２でカンチレバー１０２の端の幅約２０ミクロンの領域を照射する必要があるので、このカンチレバー交換方法は、走査操作の合間にカンチレバー交換を行うと目合せミラー４０４またはＰＳＰＤの調整の必要を最小限に抑える。従来の走査型力電子顕微鏡におけるレーザビームの目合せ再調整はプローブ交換の度ごとに通常は必要になるので多大の時間を要する。この発明の取付け構成は、上述のとおり、一連の走査を行うのに要する時間の３分の１もの時間の節約をもたらすことができる。
【００６０】
図５Ａおよび５ＢはＳＴＭプローブ用のカートリッジ５００および組合せＳＦＭ／ＳＴＭプローブ用のカートリッジ５０２をそれぞれ示す。カートリッジ５００および５０２はカンチレバーカートリッジ２１８内のものと同様の運動学的取付けを用いてヘッド１０８内に取り付ける。ＳＴＭプローブカートリッジ５００は円錐状凹み５０４、溝穴５０６および平坦部５０８を含む。ＳＦＭ／ＳＴＭプローブカートリッジ５０２は円錐状凹み５１０、溝穴５１２および平坦部５１４を含む。これらの構成要素はカンチレバーカートリッジ２１８の円錐状凹部２２２、溝穴２２４および平坦部２２６と全く同様に機能する。カートリッジ５００は金属先端部５１８を有するＳＴＭパッケージ５１６を保持する。ＳＴＭパッケージ５１６は金属先端部５１８におけるトンネル電流を代表する信号を生ずるので、ＳＴＭパッケージ５１６を前置増幅器４２０に接続する導電性経路５２０が形成される（ヘッド１０８における導電性経路５２０の位置は図４Ａに示す）。
【００６１】
カートリッジ５０２はＳＦＭ／ＳＴＭパッケージ５２２を保持し、このパッケージ５２２から導電性カンチレバー５２４が突出している。ＳＴＭ信号を前置増幅器４０６に送るための導電性経路５２６も設けてある。ＳＴＭパッケージ５１６からの出力信号が導電性経路５２０を通じて導かれ、レーザビームもＰＳＰＤも不要であることが理解されよう。しかし、組合せＳＦＭ／ＳＴＭパッケージ５２２の場合は導電性経路５２６経由とＰＳＰＤ（図５Ｂには示してない）からとの両方に出力信号が生じ、ＳＦＭおよびＳＴＭ同時読取りが行われる。このように、ＳＦＭ／ＳＴＭパッケージ５２２はカンチレバー偏向の測定を導電性カンチレバー５２４からのトンネル電流のモニタと並行して同時に行うのに使うことができる。
【００６２】
導電性経路５２０は導電性先端部とカートリッジ上の導電性パッド５２５に電気的に接続する導線５２１を含む。ヘッド内のばねクリップ５２３がパッド５２５との電気的接触を形成する。ばねクリップそのものは前置増幅器４２０に電気的に接続されている。導電性経路５２６はカートリッジ上の導電性パッド５２８に接着したばね導線５２７を含む。ヘッド内のばねクリップ５２９はパッド５２８にボンディング接続したばね導線５２７を含む。ヘッド内のばねクリップ５２９はパッド５２８と電気的接触を形成する。ＳＦＭ／ＳＴＭパッケージ５２２はヘッドから取外し可能でなければならないので、ばね導線５２７はＳＦＭ／ＳＴＭパッケージ５２２上のパッド５３０に軽く押し当てられている。ばねクリップ５２３および５２９もパッド５２５および５２８にそれぞれ軽く押し当てられてカートリッジの取外しを可能にしている。ばねクリップ５２３および５２９並びにばね導線５２７によってかけられる力は上記の運動学的取付け構成に悪影響を及ぼさないようにごく弱くしなければならない。この運動学的取付けを損なわなければ、代替のコネクタ類（プラグなど）を使うことができる。
【００６３】
図４を再び参照すると、スプリアス雑音の混入および増幅を防止するために前置増幅器４２０をカンチレバー１０２のごく近傍（またはその代わりに設けた他のプローブの近傍）に配置する。前置増幅器４２０は走査型力電子顕微鏡信号および走査型トンネル電子顕微鏡信号の両方を前置増幅するのに必要な電気回路を含み、したがってカンチレバーカートリッジ２１８、ＳＴＭプローブカートリッジ５００、またはＳＦＭ／ＳＴＭプローブカートリッジ５０２のいずれか、すなわちヘッド１０８内に運動学的に取り付けられた構成要素からの信号を増幅できる。
【００６４】
この発明の構成は、このように、ＳＦＭプローブカートリッジをＳＴＭプローブ（またはＳＦＭ／ＳＴＭプローブ）カートリッジに置換することにより、走査型力電子顕微鏡観察から走査型トンネル電子顕微鏡観察（または組合せＳＦＭ／ＳＴＭ観察）への簡便な切換えを可能にする。したがって、従来の走査型プローブ電子顕微鏡において必要であった互いに別個のＳＦＭヘッドおよびＳＴＭヘッドの使用は不要である。走査型力電子顕微鏡観察および走査型トンネル電子顕微鏡観察の両方を行うのに単一のヘッドを用いており、それによってＳＦＭとＳＴＭとの間の切換えに要する時間を大幅に節約し、所要費用を削減している。
粗試料移動ステージ
図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃは粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６および粗ｚ軸ステージ１１２の上面、側面および底面を概略的に示す。明確化のために座標軸を併せて図示してある。図６Ｂに示すとおり、粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６は基体１１４の開口６０２の中に配置してある。粗ステージ１１６は開口６０２にはめ合わせた金属片６０７を通じてボルト締めした上板６０４および下板６０６から成るサンドウィッチ状構造を備える。上板６０４全体が図６Ａに示してあり、下板６０６全体が図６Ｃに示してある。走査器１１８は粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６の開口に挿入してあり、取外しを容易にするために上板６０４だけに搭載してある。金属片６０７は、粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６を所要可動範囲全体にわたって可動にするように開口６０２の端６０８から十分に離隔した端６１０を有する（粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６のｙ軸方向可動範囲は試料の交換の便宜のためにヘッド１０８の下方で押し出せるようにｘ軸方向可動範囲よりもいくぶん大きい）。図６Ａおよび６Ｃは端６０８および内側端６１０を点線で示す。
【００６５】
上板６０４はそれに付けた三つのボール６１２を介して基体１１４に載置され、ボール６１２の反対側の位置で下板６０６に付けた三つのばね付きボール６１４がクランプ効果をもたらしている。図６Ａおよび図６Ｃにそれぞれ点線で示すとおり、ボール６１２およびばね付きボール６１４は三角形状に配置してある。この粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６が基体１１４状で円滑に動けるように、図６Ｂに示すように基体１１４の上面および下面につけたガラス片６１６にボール６１２および６１４は接触している。ガラス片６１６は通常の顕微鏡用ガラス製スライドで構成するのが好ましい。また、ボール６１２および６１４は黄銅製のものが好ましい。この組合せにより粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６を基体１１４に対して円滑に滑動させることができる。
【００６６】
図６Ｃは基体１１４の底面から見た粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６を示す。端６０８、開口６０２およびばね付きボール６１４の位置は点線で示してある。二つの水平方向ステップモータ組立体６１８および６２０並びにｙ軸方向押し板６５２も併せて示してある。押し板６５２は基体１１４の底面に二つの滑り機構６５３により付けてありｙ軸方向の動きを可能にしている。二つのボール６５５が押し板６５２の端に止めてあり、ばね６５７がこれらボール６５５を下板６０６の滑らかで真直な端６５９に押し付けている。
【００６７】
このステージを図示のとおりｘ軸方向に動かすステップモータ組立体６１８は、ステップモータ６２２、すなわち基体１１４に取り付けた固定ナット６２８を介してねじ止めしたねじ６２６に可撓性連結器６２４で連結した駆動軸を有するステップモータ６２２を備える。ステップモータ６２２は基体１１４に取り付けた滑りレール６３０上を、固定ナット６２８を通したねじ６２６の前進または後退に伴って滑動する。一対のばね６３２が下板６０６の端６３４をねじ６２６のボール端６３６に押し付けている。リミットスイッチ６２７が滑りレール６３０上のステップモータ６２２の動きを制限している。スイッチモータ組立体６１８は図６Ｂにも示してある。
【００６８】
同様に、このステージを図示のとおりｙ軸方向に動かすステップモータ組立体６２０は、ステップモータ６３８、すなわち基体１１４に取り付けた固定ナットを介してねじ止めしたねじ５４２に可撓性連結器６４０で連結した駆動軸を有するステップモータ６３８を備える。ステップモータ６３８は基体１１４に取り付けた滑りレール６４６上を、固定ナット６４４を通したねじ６４２の前進または後退に伴って滑動する。一対のばね６４８がｙ軸方向押し板６５２の滑らかで真直な端６５０をねじ６４２のボール端６５４に押し付けている。リミットスイッチ６４３が滑りレール６４６上のステップモータ６３８の動きを制限している。
【００６９】
粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６の動作を次に述べる。休止状態にあるときは、このステージ１１６はガラス片６１６に重力で押し付けられているボール６１２およびばね力で同様にガラス片６１６に押し付けられているばね付きボール６１４により支持されている。ｘ軸方向の動きを生じさせる場合はステップモータ６２２の駆動電源をオンにし固定ナット６２８内でねじ６２６を回転させる。ねじ６２６は、時計回りに回転した場合は、固定ナット６２８を介して前進し、ボール端６３６を端６３４に押し付け下板６０６を左向きに（図６Ｃで）押す。逆に反時計回りに回転した場合は、ねじ６２６の先端は端６３４から後退し、それに伴ってばね６３２が収縮し、下板６０６を右向きに引張る。いずれの場合も、ボール６５５は下板６０６の端６５９に沿って滑る。ｙ軸方向押し板６５２は滑り機構６８３によりｘ軸方向には動かないようにしてある。ｙ軸方向の動きを生じさせたい場合はステップモータ６３８の駆動電源をオンにし固定ナット６４４内でねじ６４２を回転させる。ねじ６４２は、時計回りに回転した場合は、固定ナット６４４を介して前進し、ボール端６５４をｙ軸方向押し板６５２の端６８０に押し付ける。ｙ軸方向押し板６５２は滑り機構６５３に案内されてｙ軸方向（図６Ｃで下向き）に滑動する。ばね６５７が下板６０６の端６５９をボール６５５に押し付けているので、下板６０６もｙ軸方向（図６Ｃで下向き）に引張られる。ねじ６４２が後退するときは、上述の過程は逆向きになる。すなわち、ばね６４８がｙ軸方向押し板をボール端６５４に向けて引張り、ｙ軸方向押し板を上記とは逆向き（図６Ｃで上向き）に引張る。ボール６５５は端６５９に押し付けられ下板６０６を押し上げる。端６３４はボール端６３６に対して滑る。
【００７０】
したがって、粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６の位置は運動学的に六つの接触点、すなわちボール６１２とガラス片６１６との間の三つの接触点、ボール６５５と下板６０６との間の二つの接触点、およびねじ６２６のボール端６３６と下板６０６との間の接触点で運動学的に定義される。これにより、ねじ６２６および６４２の設定の各々について粗ｘ，ｙ軸ステージの位置が一つだけ決まることを確実にする。
【００７１】
プローブに対する試料の位置決めが寸法の変動および振動から受ける影響をこの構成により著しく抑えることができる。これはＳＰＭにとっては重要な点である。すなわち、ＳＰＭでは寸法その他の変動が１ミクロン程度以下でも像の質が著しく劣化するからである。ステップモータ６２２および６３８は滑りレールに搭載され、ナット６２８および６４４を介して駆動されるねじ６２６および６４２にそれぞれ可撓性をもって連結されているので、モータと固定ナットとの間の熱膨張または振動の影響はモータを滑りレール沿いに動かす。固定ナット６２８および６４４の他方に生ずる変位だけがプローブに対する試料の位置に影響を及ぼす。しかし、この「浮いた」モータと単一の重ねなしのｘ，ｙ軸ステージとを用いたこの構成により、粗並進ステージの機械的ループは、とくに積重ね型ｘ，ｙ軸ステージ構成に比べて著しく抑えられる。これによって、機械的および熱的変動がプローブと試料との間の間隔に及ぼす影響を最小にできる。
【００７２】
この構成には多数の代替的実施例が可能である。例えばｙ軸ステップモータの位置はｙ軸方向押し板６５２に対して反対向きに（図６Ｃで上向きに）押し付けるように逆にすることもできる。しかし、その配置の欠点はｙ軸方向押し板６５２における寸法の変動や振動画素ｘ，ｙ軸ステージ１１６に伝達されることである。
【００７３】
もう一つの代わりの実施例を図６Ｄに示す。図６Ｄにおいて、図６Ｃに示したものと同一の構成要素には同一の参照数字が付けてある。この実施例では延長ｙ軸方向押し板６６１が用いてあり、ステップモータ６２２が図示のとおりこの押し板６６１に（基板でなく）取り付けてある。延長ねじ６６７がステップモータ６２２の駆動軸に連結されており、ｙ軸方向押し板６６１に図示のとおり取り付けた固定軸受にジャーナルされている。ボールを先端に有する親ねじ６７１が下板６０６の端６３４に圧接している。この構成においては滑りレールは用いていない。延長ねじ６６３はステップモータ６３８の駆動軸に連結され固定軸受６５５にジャーナルされている。ねじ６６３の端はｙ軸方向押し板６６１のねじ穴にねじ止めしてある。ｙ軸方向押し板６６１のｙ軸上の動きは、ステップモータ６３８が押し板６６１のねじ穴の中のねじ６６３を回転させることによって生ずる。同様にｘ軸上の動きは、ステップモータ６２２が親ねじ６７１の中のねじ６６７を、親ねじのボール先端の下板６０６への押付けまたはその下板６０６からの後退を生ずるように、回転させることで得られる。それ以外は図６Ｃについて述べたものと動作は同じである。ステップモータ６２２および６３８はこの実施例では滑り部材に搭載する必要はないが、必要に応じて搭載できる。この実施例は図６Ｃの実施例と等価であって等価の機械的ループを有するが、加工費用は幾分高いであろう。
【００７４】
これら以外の多数の実施例が当業者には明白であろう。例えば、ステップモータの代わりに符号化モータまたは較正モータを用いてもよい。ｙ軸方向押し板および粗ｘ，ｙ軸ステージはばねでない磁石ほかの偏倚手段により種々の接触点に偏らせることができる。粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６の支持はガラスまたは黄銅以外の円滑面も用いることができる。図６Ｃおよび図６Ｄに示した互いに相対するボール・真直端組合せは種々の構成で代替できる。例えば、互いに相対する二つの真直端および種々の形の曲面を用いることもできる。ただし、接触点の所要数をそれら面が形成することと、それら点における継続的接触を確保する手段が備えられていることとを条件とする。二つの接触点が端６３４により形成され、一つの接触点が下板６０６の端６５９により形成される。それら接触点の総数は３でなければならない。
【００７５】
粗ｚ軸ステージ１１２は主として図６Ｂに示す。三つのステップモータ６５６が示してある。ステップモータ６５８は基体１１４に付けた滑りレール６６０に垂直に搭載され、可撓性連結器６７２を介してｚ軸方向接近ねじ６６４に付けた駆動軸を有する。ｚ軸方向接近ねじ６６４は基体１１４の固定ナット６６６にねじではめ合わされ、ヘッド１０８の下面の運動学的取付け点６７０に接触するボール先端６６８を有する。ｚ軸方向接近ねじ６６４の相対的位置は図６Ａおよび図６Ｃに示してあり、これら図に示すとおり、下板６０６を囲むもののリミットスイッチ６２７および６４３の画する領域の範囲内でその下板をｘ軸およびｙ軸方向に可動にする三角形のパターンを形成する。ヘッド１１０の下面の運動学的接触点６７０もこれと同じ三角形のパターンを形成し、したがってヘッド１０８は強固に支持されるがｚ軸方向接近ねじ６６８のいずれか一つまたはそれ以上の個別的調節の際には縦方向にも横方向にも傾くことができる。運動学的接触点６７０は円錐状凹部、溝穴および平坦部でそれぞれ構成できる。ヘッド１０８はそれ自身の重量および偏倚ばね（図示してない）によりｚ軸方向接近ねじ６６４に負荷をかける。上記１９９１年３月１３日出願の米国特許出願第０７／６６８，８８６号はこの種の一般的運動学的取付け構成を記載している。
【００７６】
ステップモータ６５８が個別にまたは組合せで駆動されると固定ナット６６６を通じてｚ軸接近ねじ６６４を回転させボール端６６８を上げ下げする。同時にステップモータ６５８は滑りレール６６０に沿って滑る。滑りレール６６０の上端と下端にはリミットスイッチ６７４および６７６がそれぞれ設けてあり、レール６６０の上側および下側限界にステップモータ６５８が達するとステップモータ駆動電源をオフにする。
【００７７】
ステップモータ６５８はコンピュータ制御（図示してない）により互いに別々に駆動される。したがって、リミットスイッチ６７４および６７６の画する可動範囲内でステップモータ６５８はヘッド１０８の横方向または縦方向傾斜に変化を与えること、および試料１０４の上方におけるヘッドの上げ下げに使うことができる。すなわち、光学像観察用組立体（後述）を通じてカンチレバー１０２を観察しながら、このモータ駆動機構を、カンチレバー１０２の試料表面への接近が精密駆動機構の作動およびそれによる正しいカンチレバー偏向の達成まで徐々に進むように駆動できる。さらに、カンチレバーの横方向および縦方向の傾斜の調節を、上記チップの角が試料表面に接触しないように、また試料表面のプロフィルへの応答に最適に初期偏向値でカンチレバーが縦方向傾斜を与えられるように行うことができる。従来技術によるＳＦＭは一般にこの自動化した操作機能、すなわち試料に対してプローブを正しく位置決めする柔軟性と利便性をこの発明の構成にもたらしている機能を備えていない。
【００７８】
この明細書においてｚ軸方向とは、特に述べない限り、試料表面に垂直な軸の方向（垂直方向高さともいう）のことを意味する。同様にｘ軸およびｙ軸方向とは走査面の面内にある直交軸を意味する（ｘ軸およびｙ軸方向は、水平方向、横方向または走査方向ともいう）。また、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸方向とは、特に述べない限り、空間内の特定の向き（例えば重量に対する向きなど）の意味を含まない。
精細試料駆動ステージ
走査器１１８の構成および動作を図７および図８に示す。図７Ａおよび図７Ｂは圧電性管走査器７００を示す。圧電性管走査器７００は圧電性磁器材料製の中空円筒の形状を備え、四分割した外側電極７０２ａ，７０２ｂ，７０２ｃおよび７０２ｄを外側壁に付着させ、一つの連続した内側電極７０４で内側壁を覆って構成してある。その一端で基体に固定してある。互いに逆の極性の電圧を互いに相対する一対の外側電極（例えば７０２ａおよび７０２ｃ）に印加すると、走査器７００の自由端が互いに相対する四分円部分の伸張および収縮により図７に示すとおり横方向に駆動される。外側電極への印加電圧を一定に保った状態で内側電極７０４に電圧を印加すると管走査器７００は伸縮する。管走査器７００の一端は粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６（図６ｂ参照）に固定されているので、試料を搭載した走査器７００の自由端はこの伸縮によってｚ軸方向に駆動される。したがって、電極７０２ａ−７０２ｄおよび７０４への印加電圧に応じて、試料は粗ｘ，ｙ軸ステージおよびプローブに対しｘ，ｙまたはｚ軸方向に動く。上述のとおり、圧電性管走査器の動作はレビュー　オブ　サイエンティフィック　インストルメンツ誌第５７巻第１６８８頁（１９８６年８月）所載のビニッヒほか著の論文に記載されている。
【００７９】
図８Ａは粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６内の管走査器７００の取付けの様子を示す分解図である。管走査器７００の基底部には発光ダイオード（ＬＥＤ）８００が取り付けてあり、走査器７００の垂直方向軸に沿った上向きの光ビーム８０２を発生する。ＬＥＤ８００の代わりに他の光源を用いることもできる。管走査器７００の上側面には試料台８０５が取り付けてある。４セルＰＳＰＤ８０８は管走査器７００の軸と軸合せして取り付けてある。すなわち、走査器７００が正常位置にあるときは光ビーム８０２は４セルＰＳＰＤ８０８の中心を照射する。４セルＰＳＰＤ８０８と垂直に２セルＰＳＰＤ８１４および８１６が取り付けてあり、これらＰＳＰＤ８１４および８１６は走査器７００の外側表面に沿って下向きに延びている。管走査器７００はハウジング８１５に収容されている。２セルＰＳＰＤ８１４および８１６に互いにそれぞれ面する側でＬＥＤ８１８および８２０がハウジング８１５にそれぞれ取り付けてあり、光ビーム８２２および８２４を発生する。
【００８０】
図８Ａおよび図８Ｂは精細ステージ管に対するＰＳＰＤ８０８，８１４および８１６の配置のしかたを二つ示している。図８Ａでは４セルＰＳＰＤ８０８並びに２セルＰＳＰＤ８１４および８１６は位置検出素子取付具８３０に取り付けてある。試料台８０５も取付具８３０に取り付けてある。取付具８３０は、この取付具そのものまたは管７００に配置した何らかの機械的目合せ機構により、検出出力信号の結合の回避のために走査管に対して正確に位置決めしてある。例えば、４セルＰＳＰＤ８０８は、その４つの象眼が管走査器７００の外側電極７０２ａ−７０２ｄに正確に目合せされ、それによってＰＳＰＤ８０８の検出方向がｘ，ｙ軸走査方向とそれぞれ確実に平行になるように向きを調節しなければならない。さらに、二つの２セルＰＳＰＤ８１４および８１６は急速走査方向と垂直な軸の周りの傾きだけをそれぞれ検出できるように向きを調節しなければならない。それによって両者からの信号の加算出力において上記傾きの成分が相殺される。このようにして、取付具８３０が管走査器７００に正しく目合せされ、三つのＰＳＰＤ８０８，８１４および８１６からの電気信号が（図示してない導線または可撓性印刷配線板により）ハウジング８１５内の前置増幅器８１３に供給される。前置増幅器８１３は雑音の混入を最小に抑えるため取付具８３０の近傍に配置する。
【００８１】
図８Ｂは取付具８３０を剛性ＰＣＢ８０４、すなわちＰＳＰＤ８０８，８１４および８１６を取り付けたＰＣＢ８０４に置換した構成を示す。ＰＣＢ８０４が管走査器の切欠８０６に、ＰＳＰＤ８０８，８１４および８１６を管走査器７００の軸方向および走査方向に正確に向けるようにはめ合わされる。ＰＳＰＤ８０８，８１４および８１６はＰＣＢ８０４内の導線により所要の電気的接続を受ける。ＰＣＢ８０４は図８Ｂに示した形状に機械加工で形成でき、または互いに直角に結合した三つのＰＣＢでも構成できる。
【００８２】
ＬＥＤを走査器７００に取り付けることもでき、また２セルＰＳＰＤはＬＥＤに面した近傍の構造物に取り付けることもできる。
【００８３】
走査器ハウジングはボルトなどで粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６に取り付ける。
【００８４】
光ビーム８０２が４セルＰＳＰＤ８０８を照射する位置はｘ，ｙ軸方向の試料台８０５（したがって試料）の動きの正確な表示を提供する。同様に、光ビーム８２２および８２４が２セルＰＳＰＤ８１４および８１６をそれぞれ照射する位置は試料のｚ軸方向の位置の正確な表示を提供する。
【００８５】
図７Ｄは管走査器７００の上端の動きを電極７０２ａ−７０２ｄの互いに相対する一対（例えば７０２ａおよび７０２ｃ）に印加した電位差の関数として示したものである。この図に示される管走査器７００の振舞いから三つのことが認識される。まず、管走査器７００の動きは印加電位差の線形関数ではなく、例えば電位差を２倍にしても変位は２倍以下に留まる。次に、ヒステリシスが明白であり、ある印加電位差に対応する管走査器７００の変位はその電位差が上昇中であるか下降中であるかに左右される。さらに、図７Ｄからは明白でないものの、管走査器７００はクリープ、すなわち直前の動きの向きへのドリフトであるクリープを生ずる。これらの特性のために試料表面の画像表示に歪みを生じ、したがってその表面の真正の画像を得るには補正を要する。
【００８６】
図９は走査型プローブ電子顕微鏡により試料表面画像に歪みを生じさせる他の二つの原因を誇張した形で概略的に示す。上述のとおり、管走査器７００の下端は粗ｘ，ｙ軸ステージ１１６に固定してある。互いに相対する電極への電圧の印加に伴って図９に示すとおり管走査器７００は湾曲し、試料１０４を横方向に動かす。この湾曲は試料１０４の位置に二つの不都合な影響をもたらす。その一つは、試料１０４画素の横方向の動きに伴い、その動きの方向で下向きに傾くことである。試料１０４が傾きを生じない位置は管走査器７００の互いに相対する電極に電位差が印加されていないときの位置だけである。もう一つは、誤差が試料１０４の厚さからも生ずることである。図９に示すとおり、試料１０４の厚みがｔだけ増加するに伴い、点Ａは水平方向距離ｈだけずれて見えるのである。
【００８７】
上記４セルＰＳＰＤ８０８および２セルＰＳＰＤ８１４および８１６は次に述べるとおり試料のｘ，ｙおよびｚ軸方向位置を正確に表示するのに使うことができる。
【００８８】
図１０Ａは２セルＰＳＰＤ８１４および８１６の各々と関連した回路を示す。各ＰＳＰＤの２つのセルからの電流は電圧に変換され、ＰＳＰＤ上の光点の位置を代表する出力電圧（ＶＡ−ＶＢ）を生ずるように比較される。また、これらの電圧は互いに加算され、基準電圧と比較される。加算出力はＰＳＰＤへの入力光の強度の総和に比例し、その光の強度の変動を補正するように帰還回路を通じてＬＥＤ８１８または８１０に駆動用に供給される。
【００８９】
図１０Ｂは２セルＰＳＰＤ８１４および８１６の出力（それぞれＶＺ１およびＶＺ２）を試料の傾きの影響を除去した試料位置変動表示信号Ｖｔｏｐｏｇの発生に使う使い方を示す。これら出力は、図１０Ｂに示すとおり、走査の各点における試料の傾きの測定値だけを表す信号Ｖｔｉｌｔの発生に使うこともできる。上記管走査器７００がある値だけ湾曲すると、２セルＰＳＰＤの一方の出力（例えばＶＺ１）は走査器のそれと同一の側の上向きの傾きに伴いトポグラフィーとその傾きとの和に起因するｚ軸方向変動を表し、一方、２セルＰＳＰＤの他方の出力（ＶＺ２）は走査器のそれと同一の側の下向きの傾きに伴いトポグラフィーとその傾きとの差に起因するｚ軸方向変動を表す。したがって、これらの出力の和ＶＺ１＋ＶＺ２はトポグラフィーだけに応答するｚ軸方向変動を表す。一方、これら出力の差ＶＺ１−ＶＺ２は試料の傾きの度合いを表す。ＰＳＰＤ８１４および８１６からの出力は前置増幅器８１３（図８Ａ）に供給される。増幅出力をコントローラに供給する手段も設けてある。また、増幅器、ＬＥＤ、ＰＳＰＤ、および管走査器への電源供給用配線、およびｘ，ｙ軸位置信号のコントローラ（またはコントローラ部）への供給用配線が設けてある。これらの配線にはフラットケーブルを用いるが、個別の導線も用いることができる。
【００９０】
ＰＳＰＤ８１４および８１６など互いに相対して取り付けたＰＳＰＤを管状でない走査器と組み合わせて用い、試料の傾きに左右されないｚ軸方向位置信号を発生することもできる。
【００９１】
図１０Ｃは４セルＰＳＰＤ８０８に関連する回路を示す。上記２セルＰＳＰＤ８１４および８１６の場合と同様に、四つのセルからの出力は加算され、基準電圧と比較され、ＬＥＤ８００に帰還されて強度変動を補償する。また、セルＡおよびＢからの出力は加算され、セルＣおよびＤからの出力と比較されて試料のｙ軸方向位置を代表する試料Ｖｙを生ずる。セルＡおよびＣの出力は加算され、セルＢおよびＤからの出力と比較されて試料のｘ軸方向位置を代表する出力Ｖｘを生ずる。
【００９２】
画像の品質を改善するためのいくつかの手法を次に述べる。これらの手法の多くは試料のｘ，ｙ，ｚ軸方向の実際の位置を表す信号を利用したものである。
【００９３】
図１１Ａは試料のｚ軸方向位置を制御する慣用の帰還ループのブロックダイヤグラムを示す。プローブを試料に対して位置決めし、プローブ−試料間距離の変動を偏向検出器で測定する。偏向検出器は検出出力を基準信号（例えば所望の変位値）と比較し誤差信号Ｅを発生してｚ軸コントローラに供給する。このコントローラはこの誤差信号Ｅにアルゴリズムを適用し、ｚ軸帰還電圧ＺＶを発生する。この帰還電圧ＺＶが走査器を駆動し、プローブ−試料間距離を所望の値に戻す（すなわち誤差信号を零にする）。コントローラは、当業者には明らかなとおり、アナログ回路素子だけで構成でき、また、アナログおよびディジタル信号処理素子およびソフトウェアの組合せでも構成できる。
【００９４】
一般的に、画像は各画像点のｚ軸帰還信号を記録することによって形成できる。しかし、上述のとおり走査器は入力電圧に対して非直線的な垂直方向または水平方向応答を通常示すので、誤差信号零を維持するのに必要な電圧は試料の高さの直線性関数にはならない。出力画像は、したがって走査器の非直線応答で歪んだ試料表面トポグラフィーを表わす。これは従来のＳＰＭシステムの主な欠点である。
【００９５】
図１１Ａに示すとおり、画像は誤差信号Ｅからも発生できる。例えばプローブ−試料間距離を一定に維持するのに十分な速さで試料方面トポグラフィーの変化にコントローラおよび走査器が追従できないために誤差信号が零にならない場合などにこれが可能になる。すなわち、誤差信号が十分に大きい場合は、ｚ軸帰還信号により発生したが像は試料表面トポグラフィーを正確に表すことはできず、したがって従来技術ではこの誤差信号を代わりに用いたのである。しかし、これは完全な解決策ではない。すなわち、誤差信号そのものは、正確な画像の発生に必要なトポグラフィーの情報を全部含んでいるわけではないからである。
【００９６】
図１１Ｂに示した手法を用いて改善された画像を発生することができる。誤差信号を関数発生器を通過させ、複合画像記録のためにｚ軸帰還信号に加算する。誤差信号Ｅの小さい値に対しては、補正後の信号ＺＣは誤差信号の直線的関数であり、すなわちＺＣ＝ＺＶ＋αＥ、ただしαは定数と考えられる。一方、誤差信号Ｅの大きい値に対しては、補正後の信号はＥの上記以外の何らかの関数、すなわちＺＣ＝ＺＶ＋ｆ（Ｅ）となる。
【００９７】
ず１１Ｃ−１１Ｆは図１１Ａに示した従来技術の帰還回路に比べて著しい利点を有する帰還回路を示す。図１１Ｃにおいて、走査器のｚ軸位置の正確な測定のためのｚ軸位置検出器が用いてある。このｚ軸位置検出器は２セルＰＳＰＤ８１４および８１６（図８Ａ参照）で構成でき、その場合はｚ軸位置検出器の出力はＶＺ１＋ＶＺ２（図１０Ｂ）になる。上述のとおり、これら二つの信号の和は試料の傾きの影響を除去する。誤差信号Ｅを零にできた場合は、ｚ軸位置検出器の出力は走査器の非直線的な振舞いおよびヒステリシスの影響を除去した試料表面の正確な画像を提供する。この帰還ループは他の素子、すなわち補正画像を生ずるように（図１１Ｂに示すとおり）残りの誤差の何らかの関数を加える素子と組み合わせることができる。
【００９８】
図１１Ｄに示した帰還ループはｚ軸位置検出器からコントローラへの追加の帰還路を含む。この構成は、比例利得、積分利得、微分利得、帯域幅などの帰還パラメータをｚ軸位置検出器からの信号に応答して調節することを可能にする点でｚ軸帰還ループを改良している。プローブが非常に急峻な試料表面起伏部分にさしかかったとき走査器の応答が遅すぎてプローブ先端が損傷を受けることがあり得る。その場合コントローラがｚ軸位置検出器出力の変化率を基準信号と比較してｚ軸帰還電圧を発生し、それによって試料をプローブから引き離すように走査器を駆動する（上記起伏部分を画像上の非常に明るい点で表示し、その部分が例えば検討対象外の部分であれば、画像処理ソフトウェアによって消去できる）。図１１Ｄに示した帰還ループは、走査器がそれ自身の共振周波数と同等またはそれ以上の速さでｚ軸方向に動くことを可能にする。例えば、走査器とその共振周波数またはそれ以上の周波数で駆動しなければならないほどに急激にトポグラフィーが変化する場合は、増幅したｚ軸帰還電圧を印加して、走査器の制約された動きを補償する。この操作は帰還ループの帯域幅の拡大と等価である。
【００９９】
図１１Ｅは走査器に水平方向および垂直方向駆動電圧を供給するｘ，ｙ軸部およびｚ軸部に分けてコントローラを示す。この実施例ではｚ軸位置検出器出力（図１０ＢのＶＺ１＋ＶＺ２）をコントローラのｘ，ｙ軸部およびｚ軸部の両方に供給している。この構成によって、走査速度および走査経路の両方をｚ軸位置検出器の検出した実際の表面トポグラフィーに従って調節することが可能になる。例えば、表面トポグラフィーの変化が急峻であってある走査速度による走査では所要のｚ軸帰還信号が２軸コントローラの周波数帯域幅の外にはみ出してしまう場合は、走査速度を下げるようにコントローラのｘ，ｙ軸出力（ＸＶおよびＹＶ）を調節する。逆にプローブが試料表面上の大きい特徴部分に遭遇した場合は、コントローラは大きいｚ軸方向勾配（基準値を超える）を認識してその大きい特徴部分をプローブが通り抜けるように水平方向走査経路を調節する。コントローラのｚ軸部はｚ軸位置検出器の出力を用いてｚ軸方向勾配を計算しその計算値が基準値を超える場合は走査経路に所要の調節を行うようｘ，ｙ軸部に指示する。この操作は上記特徴部分の検出が続く限り続けられる。
【０１００】
図１１Ｆにおいて、ｘ，ｙ軸位置検出器の出力（図１０ＣのＶＸおよびＶＹ）がコントローラのｘ，ｙ軸部に供給されている。この構成によって、１９９１年９月２６日出願の米国特許出願第０７／７６６，６５６号記載のとおり、走査器の横方向の動きにもともと含まれている非直線性の補償を合わせて行うことができる。
【０１０１】
図１１Ｃ−１１Ｆに示した実施例において誤差信号が零でない場合はその信号は関数発生器を通過ののち図１１Ｂに関連して上述した方法でｚ軸位置検出器の出力に加えられる。
【０１０２】
走査器の非直線性およびヒステリシス（図１１Ｆ参照）の補正のためにコントローラのｘ，ｙ軸部にｘ，ｙ軸位置検出器出力を帰還する際に使えるいくつかの新しい操作手法を本発明の発明者らは発見した。ヒステリシスの影響を除去すると、あるｘ，ｙ軸入力電圧対応の走査器位置は走査が順方向でも逆方向でも同じになる。したがって、データ収集も画像形成も両走査方向に行うことができる。走査器は各走査のあと次の走査線に歩進させることができ、同じ走査線を逆戻りさせる必要はない。これによって、画像形成に要する時間を節約できる。
【０１０３】
各走査線の順方向走査を用いて試料のトポグラフィーに基づき走査パラメータを最適値に設定することができ、それら最適値をトポグラフィーの逆向き再走査の際に用いることができる。例えば、試料表面トポグラフィーの変化速度が走査器の最大応答速度よりも大きい場合は、その走査線について走査速度を低下させる。走査の向き、位置および範囲、ダイナミックレンジ、帰還フィルタパラメータ、プローブ先端接触圧力、トンネル電流または電圧値、走査速度ならびにデータ処理などの走査パラメータの変動は最初の順方向走査の期間中に記録したデータからすべて計算でき、逆方向走査の期間に出力することができる。圧電性管の型に応じてこれら以外の数値の変動を対象にする方が望ましい場合もある。また、試料表面分析の最適化のために異なる走査パラメータによる反復走査を要するか否かの判断に上記順方向走査の結果を用いることができる。
【０１０４】
ｘ，ｙ軸位置検出器を用いた帰還ループにより、走査器の共振周波数よりも高い周波数でｘ，ｙ軸方向走査が可能になる。通常の従来技術によるデバイスでは、入力信号に対する走査器の応答はその信号の周波数が走査器の共振周波数よりも高い場合は弱くなり位相外れになる。走査器のｘ，ｙ軸位置を反映する帰還は入力信号の調節によりこれらの影響を補償する。
【０１０５】
同様に、ｚ軸位置検出器（図１１Ｄ）を含む帰還ループの使用により、走査器の走査を、試料表面のトポグラフィーの起伏で決まる周波数で、すなわち走査器のｚ軸方向共振周波数よりも高い周波数で行うことが可能になる。
光学像観察組立体
図１２はプローブおよび試料の光学像および偏向検出器位置決めの光学像を得るための光学像観察システムを示す。この構成の一つの利点は試料表面に向けてプローブ先端部を下降させる際に主として用いる試料の斜視像を生ずることである。また、この構成は試料表面に対するカンチレバーの傾きの観察も可能にする。さらに、対物レンズをプローブのすぐ上方にプローブ、試料およびカンチレバー背面のレーザビーム光点の同軸像（軸上像）を生ずるように配置してある。軸上像および斜視像のこの組合せには利点が多い。
【０１０６】
図１２の構成のもう一つの利点は、慣用のモータ駆動ズームレンズと像の倍率および視野の大きさの自動制御のためのモータエンコーダとの利用によってもたらされる。このモータ駆動ズームレンズを較正すると、試料表面の光学像および走査型力電子顕微鏡画像の両方を形成し両者の特徴を正確に関連づけることができる。
【０１０７】
白熱電球１２２０（本システムにドリフトを生じさせ得る熱膨張の影響を最小限に抑えるために低消費電力のものとする）からの光を凸レンズ１２０２により集束し（対象の開口の所要照射に十分な大きさに）、慣用のビームスプリッタ１２０４で分割する。シャッタ１２０６が軸上対物レンズ２１６または斜視色消しレンズ１２１２を通した光の光路を遮るように位置合せしてある（レンズ１２１２は光学的歪みを除去する二素子レンズである）。レンズ１２１２も対物レンズとすることができる。シャッタ１２０６はいずれかの光路を遮るように慣用のリニアモータにより並進運動する。軸上観察に対しては、対物レンズ１２６からの透過光がカンチレバー１０２の背面や試料１０４で反射され、この反射光がビームスプリッタ１２０４からミラー１２１０への光路を辿り、慣用のカメラ用モータ駆動ズームレンズ１２３８（ミノルタ製）に入射する。プローブや試料の画像が慣用のＣＣＤカメラ１２４６により検出され、例えば、ビデオ表示装置（図示してない）用に出力される。斜視像観察に対しては、シャッタ１２０６が対物レンズ１２６からの光の光路を遮るように動かされる。光はビームスプリッタ１２０４およびミラー１２１４で反射され色消しレンズ１２１２に達する。次に、光はミラー１２１６で反射され、プローブや試料に導かれ、反射されて同じ経路を戻る。斜視像も軸上像と同様にして表示装置スクリーンに表示できる。
【０１０８】
この光学系は擬似焦点系であり、色消しレンズおよび対物レンズは同一の焦点面を共有し、その焦点面はズームレンズ倍率に左右されない。この構成の利点は倍率を変えることができ、しかも結像状態を維持できることである。対物レンズ１２６は、例えば軸上観察に対して×１０，×２０，×５０の倍率を提供でき、倍率の段階的調節のための２〜３個のターレット搭載レンズで構成できる。この光学像観察組立体は全体として基体１１４に強固に取り付けてある。ビームスプリッタ１２０４およびミラー１２１４用の慣用の運動学的取付け（図示してない）により、軸上観察像および斜視像の各々の位置をＣＣＤカメラ１４１６上でこれら両方の像の視野を正しく中心合わせするようにほぼ直角方向に互いに独立に調節することが可能になる。
【０１０９】
モータ組立体１２２０は対物レンズ組立体１２１８を上げ下げして試料１０４を両方のレンズの焦点面に動かす（これらレンズは同一の焦点面を有する）。慣用のステップモータ１２２２が垂直方向滑りレール１２３０に取り付けてある。モータ軸１２２４は基体１１４に付けた固定ナット１２２８を通るねじ１２２６に連結してある。ねじ１２２６のボール端は対物レンズ組立体１２１８の支点を形成する。モータ１２２２の回転に伴ってねじ１２２６は対物レンズ組立体１２１８を上げ下げする。モータ１２２２の上方および下方に位置するリミットスイッチ（図示してない）により垂直方向滑りレール１２３０に沿ったモータの駆動範囲を画する。対物レンズ組立体はトルク低減のために垂直方向滑りレール１２３４にも取り付けてある。対物レンズ組立体には対物レンズとともに色消しレンズ１２１２およびミラーも取り付けてあり、モータ１２２２により同様に上げ下げできる。また、斜視像および同軸像は同一の焦点面を共有する。
【０１１０】
モータ駆動ズームおよびＣＣＤカメラ組立体１２３６により同軸像および斜視像の両方の自動拡大が可能である。ＣＣＤカメラ１２４６は基体１１４に強固に取り付けてある。モータ駆動ズームレンズ１２３８の周囲にはカラー１２４０がはめ合わせてあり、基体１１４に固定した垂直方向滑りレールにクランプしてある。モータ駆動ズーム１２３８のＤＣサーボモータ（図示してない）が作動すると、ズーム組立体１２３８はレール１２４２を滑りながら伸縮する。モータ駆動ズームレンズ１２３８にはリニアポテンションメータ１２４４が付けてあり、正しい較正の下で像の倍率および視野の大きさのモニタができるように基体に対するレンズの位置を検出する。
ＳＰＭ用のユーザインタフェース
ここに開示した走査型プローブ電子顕微鏡（ＳＰＭ）はコンピュータ利用図形処理のユーザインタフェースを含む。通常のユーザはＳＰＭからのデータの捕捉および分析に二つの主要プログラムを用いる。第１のプログラム（ＰＳＩデータ捕捉（ＰＳＩ　ＤＡＴＡ　ＡＣＱＵＩＳＩＴＩＯＮ）と呼ばれる）は顕微鏡の制御とデータ収集のために用いる。第２のプログラム（ＰＳＩ画像処理および分析）（ＰＳＩ　ＩＭＡＧＥ　ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ　ＡＮＤ　ＡＮＡＬＹＳＩＳ）と呼ばれる）はデータ分析、画像処理およびプリントアウト用表示を行う。これらプログラムは両方とも市販のマイクロソフト社オペレーティング　システム　Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ｗｉｎｄｏｗｓで動作する。ユーザはマウスやキーボードなどの指示デバイスにより画面上のアイコンを操作して種々のパラメータを慣用技術のとおり調節する。
【０１１１】
ウィンドウ様のユーザインタフェース環境の下での操作はＳＰＭの分野で周知である。しかし、画面レイアウトおよびそれを支える制御過程を対象とするこの発明の新規な特徴を次に述べる。
ＰＳＩデータ捕捉画面
ユーザはＰＳＩデータ捕捉プログラムのいくつかのプログラムを制御し、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ｗｉｎｄｏｗｓオペレーティングシステムで作動する一画面（大部分につき）を通して上記プログラムとインタフェースをとる。画面アイコンの操作によりプログラム変数を変化させ、電子顕微鏡の動作条件を変化させる。画面（またはプログラム）はいくつかの副機能に分割される。
【０１１２】
図１３はユーザが最初に見る初期画面を示す。後述のとおり、画面そのものにいくつかのバージョンがある。画面上の主な領域には名称が記入してある。左端にはバッファ画像１３０２の縦方向コラムが示してある。そのすぐ右隣に作動ウィンドウ（ＡＷ）１３０１が配置してある。ＳＰＭで撮られた画像はまずＡＷ１３０１に現れる。その右隣には走査線跡をリアルタイムで示すディジタル表示１３０４がある。ディジタル表示１３０４の下隣には次の走査のための領域の位置の決定に用いられる画像１３０５が示される。画像１３０５の下側の走査パラメータボタン１３０３は走査パラメータの設定に用いられる。図１３には、ＡＷウィンドウ１３０１の下側に光制御ボタン１３０８も示してある。「電球」ボタン１３０８Ａは光学像観察組立体の光源の電球を点灯または消灯するのに用いる。「ズーム」ボタン１３０８Ｂは上述のモータ駆動ズーム組立体を用いて像の倍率と視野とを制御する。「焦点」ボタン１３０８Ｃは光学像観察組立体を上げ下げして対象物をレンズ組立体の焦点面に動かしてきたり焦点面から外したりするのに用いる。「画像」ボタン１３０８Ｄは同軸像と斜視像の切換え（すなわちモータ駆動シャッタの位置の制御）を行うのに用いる。画面の右上端には表示画面特徴の制御のためのいくつかの制御ボタン１３０７が配置してある。これら制御ボタン１３０７の下側には上述のモータ駆動ｘ，ｙ軸ステージおよびｚ軸ステージ駆動用のモータ制御ボタン１３０６がある。
【０１１３】
ＰＳＩデータ捕捉プログラム画面レイアウトの特徴はバッファ画像１３０２、作動ウィンドウ（ＡＷ）１３０１、ディジタル表示１３０４が提供する生の走査線跡、およびモータ制御ボタン１３０６および光制御ボタン１３０８で作動させるステージ駆動モータ制御過程にある。
【０１１４】
最大１６枚までのバッファ画像をコンピュータ内部メモリに一度に格納できる。バッファ画像４枚を同時に表示できる。バッファスクロールボタン１３０２Ａによりユーザは画像の列をスクロールし、互いに異なる画像を表示できる。また、これらバッファ画像の所望のものはどれでも、各画像の下の「保存」ボタンをマウスほかの指示デバイスによりクリックオンすることによって、永久記憶装置に保存できる。「保存」ボタンの横の「？」ボタンでクリックオンした場合は、その表示画像に関する種々のパラメータ（例えば実験用の形状および画像処理パラメータ）が表示される。これらバッファによって、リアルタイムで収集したデータを永久記憶装置の中でなくコンピュータ内部メモリの中に蓄積することができる。また、これらバッファによってデータ画像のオン・スクリーン記録が用意され参照が容易になる。バッファ１３０２には新しく発生した画像もデータベースからの入力画像も収容できる。一つの試料のある領域から数回の走査でデータを収集し、そのうちの所要部分だけを保存してディスク記録面をより効率的に利用することができる。
【０１１５】
バッファ画像の画面表示は周知である。しかし、従来は画像スタックをデータ捕捉および画像処理プログラム間で転送することはできなかった。データ捕捉モードにするとバッファ画像が消失したのである。ここに開示するソフトウェアは二つのプログラム間で画像スタックを自動的に転送する。この転送可能性により、ユーザは、バッファ内に蓄積されたデータを画像処理してその画像が永久記憶装置に保存するに値するか否かを判断することができる。画像処理は新しく捕捉した画像に対してその画像をハードディスクにまず保存する必要なしに行うことができる。これによって、データ捕捉時の隔通性が高まる。
【０１１６】
ＡＷウィンドウ１３０１および転送されてきた画像１３０２は、ユーザがデータ捕捉プログラムから画像処理プログラムに切り換える際の不変の基準点を提供する。コントラストバイアス制御１３０１ＡがＡＷ１３０１の左に表示され、画像のグレースケールの調節に用いられる（データ画像では試料表面トポグラフィーの変化は通常はグレースケールを用いて表示される）。ＡＷ１３０１は現時点のデータ画像、すなわち（上述の）光学的観察組立体により生じた光学像またはＳＰＭ走査を用いて得た光学像からなるデータ画像を自動的に表示する。ユーザは「バッファ」ボタン１３０１Ｂでクリックオンしてバッファ１３０２から画像をＡＷ１３０１に取り込むこともでき、「画像検索」ボタン１３０１Ｃを用いてデータベースから画像を取り込むこともできる。データベースから検索され取り込まれた画像はバッファに自動的に格納される。バッファ１６個が満杯になると、最初にバッファ蓄積された画像は消去される。
【０１１７】
図１３に示した画面の右上端の「分析」ボタン１３０７Ａをクリックオンすることにより、データ捕捉プログラムから画像処理プログラムにユーザは移行する。ＡＷ１３０１の画像、１６枚のバッファ画像１３０２全部、および画面上のそれら画像レイアウト全体が上記画像処理プログラムに転送される。両プログラムにおいて画面左側はユーザには同一に見えるので、システムの外見上の複雑さは軽減される。従来技術によるマルチタスク環境でもデータ捕捉および画面処理の同時遂行は可能であるが、バッファ蓄積画像および作動画像の両方を二つのプログラムの間で転送できることは、そのような従来技術に比較して利点になる。
【０１１８】
走査パラメータ領域１３０３内のボタンは走査速度、走査方向および走査の大きさなどの走査パラメータの値の変更に通常用いられる。
【０１１９】
ディジタル表示１３０４は急速走査方向の生の走査線跡を表示する（走査器はｘ軸およびｙ軸両方向にラスタ型走査を行う。コンピュータは急速走査方向に画像データを個々の画素からそれぞれ成る一連のデータとして連続的に収集する。緩徐走査方向の動きにより走査器は次の一連のデータの収集に向けて位置決めされる）。生の急速走査線跡を観察すること、例えば検出器出力（例えば帰還誤差信号）をモニタし、試料表面トポグラフィーまたは帰還誤差をリアルタイムで観察することは非常に有用である。従来技術による一つの製品はアナログオシロスコープを用いて（ディジタルシステムでなく）この生の走査線跡を表示する。また、従来技術により装置にはディジタル表示も用いられている。この発明のシステムにおいては、画面制御ボタン１３０７の「モニタ」ボタンをクリックオンしてディジタル表示を駆動する。
【０１２０】
このソフトウェアには従来技術のディジタル表示にはみられない機能、すなわちディジタル表示１３０４の上の「Ｌｏｇ」ボタンおよび「ＦＦＴ」ボタンを用いて駆動される機能が備えられている。これらボタンの作動により、帰還誤差信号の対数とデータの１次元ＦＦＴ（高速フーリエ変換）とがリアルタイムでそれぞれ表示できる。この特徴は、例えばＳＴＭにおいて、すなわちトンネル電流がプローブ先端−試料間間隔に指数関数的に左右されるＳＴＭにおいて有用である。信号の対数値をプロットすることは例えばＳＴＭにおいて有用な機能である。トンネル電流はプローブ先端を試料との間の間隔に指数関数的に左右されるので、ＳＴＭ帰還ループからの誤差信号の対数値はプローブ先端−試料間間隔のｚ軸方向変位と直線的関係になり、上記対数値のプロットから有用な高さの量的情報をユーザは容易に得ることができる。上記ＦＦＴボタンはデータの１次元ＦＦＴ表示をリアルタイムで駆動し、ＦＦＴ出力を時間または空間の関数として表示することを可能にする。この機能により、ユーザは試料表面の空間的周期性を容易に判断できる。すなわち、ＦＦＴの中の極大値はこの空間的周期性に対応する周波数で発生するからである。また、ＦＦＴ時間プロットでは周期性雑音は極大値として目視可能である。したがって、この表示はシステム内の雑音問題の診断のツールを提供し、例えば機械的共振を画像処理でフィルタにより除去することができる。これら特徴の上記以外の利点は、走査の信号に伴い量的測定値を取り込むことができ、それによってスループットを上げられることである。コンピュータが操作データをリアルタイムで分析できる機能は、そのデータをユーザに図形表示することとは別のもう一つの利点である。コンピュータは何らかの手段で（例えば、時間領域で対数をとったりＦＦＴ演算をしたり、試料表面の起伏の高さのピーク値を測ったりなどにより）走査データを分析し、その分析の結果を走査条件の最適化のためのシステムパラメータの変更に用いることができる。例えば、周波数領域におけるデータのＦＦＴは、システム内で機械的（または他の型の）共振が現存の走査条件で励起されている場合にそれを表示できる。コンピュータ（またはコントローラ）はこれをＦＦＴの極大値として測定し、このパラメータを変えて（例えば走査速度を下げて）その共振を低減することができる。データをこのように分析すること、およびその結果を解釈して走査条件を最適化することは新規であり有利である。
【０１２１】
画像１３０５は光学像またはＳＰＭ画像の取込みを行い、その像を電子顕微鏡の制御の補助手段として使う方法を提供する。画像１３０５は次の走査の自動的位置決めを、試料表面上の光学像またはＳＰＭ象の観察により位置決めした特定の領域内で容易に正確に行う方途をユーザに提供する。ユーザは画面制御ボタン１３０７の「画像」ボタンをクリックオンすることによりこの画像１３０５を駆動する。
【０１２２】
前もって撮影ずみのＳＰＭ画像をＡＷ１３０１から取り込むために、ユーザは画像１３０５の上の「走査器」ボタンをクリックオンし、それによってＡＷ１３０１の画像を画像１３０５ボックスに転送する。画像１３０５の上の「カメラ」ボタンをクリックすることによって、ユーザは光学像観察組立体（上述）のＣＣＤカメラを用いて光学的に撮った画像を画像１３０５に格納できる。次に、ユーザは画像内の検討対象の特徴または領域を選択して次の走査領域を位置決めする。この領域選択はカーソルボックス１３０５Ａをその領域の周囲に位置決めすることによって行う。カーソルボックス１３０５Ａの寸法は通常変えることができ、その位置は画像の中でマウスを引っ張ったり他の指示デバイスを動かしたりすることによって動かすことができる。また、スクロールボタンを用いて画像の特定の部分を探査したりズーム拡大したりすることも可能である。これらズームボタンやスクロールバーは、カーソルボックスだけを用いた従来技術のソフトウェアの一例に対して付加的な利点である。また、このズーム手法は光学像だけでなくＳＰＭ走査にも適用できる。さらに、パターン認識などのアルゴリズムをＡＷ１３０１または画像１３０５の中の画像、すなわち参照記号を特定したりその他の分析を画像に加えたりして次の走査領域の走査パラメータおよび走査位置の自動選択および自動調整ができるようにする画像に適用することができる。
【０１２３】
カーソルボックス１３０５Ａは次の走査について走査の幅および位置などの走査領域を画する。ＳＰＭ画像を用いて画像の領域を画した場合は、カーソルボックス１３０５Ａの指示する位置をコンピュータが読み取って、圧電性管走査器（上述した）をその領域に自動的に動かす。その選ばれた領域が圧電性管走査器の走査可能範囲の外にある場合（光学像観察組立体からの画像を用いて領域を画した場合に頻繁に起こる）は、コンピュータ画素ｘ，ｙ軸ステージおよびｚ軸ステージを自動的に駆動して走査のために試料を位置決めする。この「画像」の特徴をもたらすのは、ステップモータおよびリミットスイッチを用いたｘ，ｙ軸ステージおよびｚ軸ステージの構成である。管走査器を正確に位置決めする機能も重要であり、この機能はこの発明の走査検出器構成に直接に左右される。コンピュータはモータ駆動位置を継続的に追跡可能であり、それによって正確な位置較正を維持可能である。したがって、コンピュータは次の走査のためにステップモータを動かすのに必要なステップ数を計算できる。画像１３０５により、ユーザはまず広い視野の光学像から始めて観察対象の表面特徴にズームインする走査を行い、例えば所望の解像度が得られるまでそれを継続することができる。マウスやカーソルを用いて光学像の中で走査領域を図形的に定義し、この定義された領域にＳＰＭを自動的に位置決めすることを可能にするこの発明のシステムの機能は実質的な利点である。
【０１２４】
画面の右端に沿ってモータ駆動ｘ，ｙ軸ステージおよびｚ軸ステージ制御用ユーザインタフェースが配置してある。駆動モータはモータ制御ボタン１３０６の列を用いて制御する。これらステージの構成は上に詳細に述べたとおりである。三つのｚ軸方向接近ねじのモータ駆動によりこのＳＰＭシステムに独特の機能を与えているステージ駆動モータを制御する過程を次に述べる。上述のとおり、粗ｚ軸ステージのモータ駆動は周知である。しかし、次に述べる制御過程はモータ駆動採用の仕組みに関連するものである。
【０１２５】
「装着」ボタン１３０６Ａはプローブヘッドを上限まで上昇させ、試料装着のためにｘ，ｙ軸ステージをそのヘッドの下から押し出す。
【０１２６】
「中心合わせ」ボタン１３０６Ｂは試料装着ののちｘ，ｙ軸ステージをヘッドの下に引き戻す。
【０１２７】
「低速接近」ボタン１３０６Ｃはプローブ−試料表面間接触を偏向検出器が検出するまでｚ軸方向低速接近を行う。
【０１２８】
「高速接近」ボタン１３０６Ｄはプローブ−試料表面間接触が検出されるまでｚ軸方向高速接近を行う。
【０１２９】
モータ送りの個々のステップ数を制御するボタンは別々の画面にあり、右上端の「駆動」ボタンの押し下げにより駆動する。
【０１３０】
この発明によるステージ駆動モータの制御は、このシステムが試料の高さを決定することと、試料表面におけるプローブの高さを一定に保つ一方でカンチレバーの横方向および縦方向傾きを正確に調節することとを可能にしている。これらの制御モードは、ｚ軸方向駆動モータ全部について同一の固定零位置に対するモータ位置の追従をコンピュータができるようにするモータ制御方法を用いることによって可能になる。
【０１３１】
試料の高さ（フローチャートを示す図１４参照）は、ステップ１４１０で、ｚ軸方向ステップモータを限界点（零点）、すなわちプローブヘッドが試料表面と平行になる限界点まで駆動することによって決定される。製造上ほかの位置ずれを補償するために補正因子が各システムに適用される。次に、ステップ１４１２において、試料表面への接近および接触までのステップ数を計算しながら、モータは一斉に逆回転に入る。ステップ１４１４におけるソフトウェアは、走査器の上面に達するまでのステップ数マイナス試料の上面に達するためのステップ数を計算することによって、試料の高さを自動的に算出する。ステップ１４１６においては、既知の長さＬの走査器が零位置から走査器上面に達するまでのステップ数が既知であり、この値がステップ１４１４に供給される。次に、ステップ１４１４から試料の高さがステップ１４１８に供給され、このステップはこの情報を用いて圧電性管走査器のｘ，ｙ軸感度パラメータの新しい更新値を算出する。走査器のｘ，ｙ軸感度パラメータのその前の値はステップ１４２０から供給される（上述のとおり、ｘ，ｙ軸感度は、圧電性管走査器への単位印加バイアス電圧あたりの同走査器の横方向の動きの大きさを正確に決定するのに必要な重要較正パラメータであって、試料の高さに左右される）。
【０１３２】
別の過程において（図１３参照）カンチレバーヘッドは傾きボタン１３０６Ｆにより傾きを与えられ、それによってカンチレバーチップと試料表面との角度を調節する。この傾きはヘッドの両側に同一ステップ数だけ互いに反対向きに隔てて配置した二つのｚ軸方向接近ねじを駆動することによって調節する（これら二つの接近ねじはｘ，ｙ軸ステージの前面に向かって設けてある。図６Ｃ参照）。カンチレバーチップは試料表面と平行に向けておくのが一般にもっとも好ましい。そうすることによって、カンチレバーチップの一端と試料表面との接触を避けられる。コンピュータは上記傾きを調節してカンチレバーの高さを試料の上方に維持する。この機能は手動では不可能であり、モータのステップ上の動きを正確にモニタできるコンピュータ制御によってのみ可能である。ピッチボタン１３０６Ｇも同様にカンチレバー傾きを調節するが、これはボタンの上側に図形表示したとおり、上記と直角な方向の傾きの調節である。二つのｚ軸方向前方接近ねじは一つのｚ軸後方接近ねじに対して上下駆動されて、試料上方におけるカンチレバーの高さを一定値に保つようにする。
【０１３３】
「装着」ボタン１３０６Ａをクリックオンすると三つのｚ軸ステップモータは全部限界値まで戻り、ｙ軸ステップモータを前方限界まで駆動し、ヘッドを上昇させ粗ｘ，ｙ軸ステージをヘッドの下から外側に押し出す。したがって、試料装着が簡単な過程になる。試料の高さを測定し、試料に対するカンチレバーの横方向および縦方向の傾きを調節できるこのシステムの機能は、表示画面のこの部分で制御できる有利な特徴である。
【０１３４】
上記ステージを走査に備えて位置決めしたのち、ユーザは「制御」ボタン１３０７Ｃをクリックオンする。その際、モータ制御ボタン１３０６はフィードバックパラメータの制御を通常どおりに行う新しいアイコン（図示してない）およびボタンに置換される。
【０１３５】
二つの追加の利点は同軸光学像観察に関係している。光学的制御過程は、粗ｚ軸ステージを用いて試料表面から数ミクロン以内の位置にプローブを自動的に急速に位置決めする。この方法は、「高速接近」ボタンを作動することによりプローブが試料表面から数ミクロンの範囲内に達するまで粗ｚ軸ステージの高速駆動を可能にする。次に「低速接近」ボタンにより粗ｚ軸ステージの動きを低速化し、プローブを精密ｘ，ｙ，ｚ軸ステージの作動範囲内にさらに低速で下降させる。また光学的制御過程が、例えば試料がｘ，ｙ軸走査面に平行に装着されていない場合は試料表面の傾斜を自動的に測定する。試料表面の傾斜の情報はデータ画像の補正に使われる。
【０１３６】
上記同軸光学像のコンピュータ制御は従来技術に比べて著しい利点をもたらす。すなわち、従来は試料表面への接触でプローブが損傷を受けることがないように粗ｚ軸接近はモニタしながら手動で制御する必要があった。それに対して、この発明のシステムは完全に自動的であって、試料上方におけるプローブの位置決めの所要時間を大幅に短縮する。この機能を支えるこのシステムの制御過程を次に述べる。
【０１３７】
上述のとおり、電子顕微鏡に新しい試料を装着することを可能にするために、三つのｚ軸ステージモータを限界点まで同時に駆動し、ヘッドを試料からもっとも離れた点まで上げる。次に、試料走査の開始のために、プローブを試料表面から数ミクロンの範囲内、すなわち精密ｘ，ｙ，ｚ軸ステージ（例えば圧電性管走査器）の作動範囲まで降下させる。ある範囲の試料の厚さは許容されるので、プローブは試料への到達のためにある距離（零から約２５ｍｍの範囲）だけ移動しなければならない。試料スループットを上げるには、この距離の移動は急速にするのが有利である。しかし、２軸フィードバックコントローラおよび圧電性管走査器のｚ軸方向の動きは有限の応答時間を有する。試料表面へのプローブの接触がヘッド内の偏向検出器で検出されても、ｚ軸方向接近ねじの動きが速すぎて、ｚ軸フィードバックコントローラおよび走査器はこのプローブ−試料表面接触に応答できないことがあり得る。その場合、プローブは試料表面への「衝突」により損傷を受ける。したがって、プローブを試料表面の数ミクロン上で低速化し、２軸フィードバック制御ループの帯域幅の中に入る速度で最終接近させる方が有利である。
【０１３８】
同軸対物レンズの焦点面をコンピュータ制御により動かす機能を利用することによってこれが可能になる。この過程は画像が焦点の合った状態にあるかどうかを判断する周知のソフトウェア（従来技術）を用いる。
【０１３９】
上述のとおり、同軸画像および斜視画像の両方の焦点面を、コンピュータ制御の下に、滑りレールにより基体１１４に取り付けたモータにより調節する（図１５参照）。このモータが光学像観察組立体を上げ下げして、上記二つの画像に共通な焦点面に対象物を近づけたり遠ざけたりする。この光学的制御過程は対物レンズ１２６の焦点面をプローブ１０１の面の数ミクロン下に予め設定する（これは、プローブ１０１にまず焦点を合わせ、次に焦点面をプローブ面の既知の量だけ下の位置まで下げるようにモータを歩進させることによって達成できる）。次に、ｚ軸ステージおよび対物レンズ組立体１２４を並行して降下させる。したがって、プローブ１０１は試料１０４の表面に接近し、対物レンズ組立体１２４は、その焦点面がプローブ面から等距離だけ下方に留まるように、降下する。次に、この焦点面を試料１０４と一致させる。試料１０４の像が焦点の合った状態にあると慣用技術により制御された場合は、プローブは試料表面から数ミクロン（約２乃至３ミクロン）上にある。次に、粗ｚ軸ステージの速度を下げて、プローブを管走査器の走査可能範囲内に導いてくる。これによって、試料表面までの接近に要する時間が節減され、プローブの試料表面への「衝突」を回避できる。焦点を初めに試料に合わせておき、次にプローブを試料表面から数ミクロン以内まで急速に降下させることもできる。
【０１４０】
光学像のコンピュータ制御の二番目の利点は光学制御過程がｘ，ｙ軸走査面に対する試料表面の傾斜を自動的に測定する手段を提供することである。データ画像ではそのような傾斜は一様な傾きに見えて、有意なトポグラフィー上のデータとしては考慮されない。試料表面の傾斜に関する情報はデータ画像の補正に用いる。従来技術は試料表面傾斜を測定してその値をリアルタイムで、または後続の画像処理により、画像から減算する手段を提供している。光学像観察から得られる上記傾斜の情報のもう一つの用途はヘッドの傾き（上述のとおり）を自動的に計算してカンチレバーおよびチップの試料表面への接近をチップ−表面間の衝突を伴うことなく達成できるようにすることである。
【０１４１】
しかし、この発明によると試料の高さを互いに異なる三つの位置で測定するのに同軸光学像を用いる。すなわち、この制御過程は、試料面を三つの位置で焦点合致の状態に動かすに要するステップモータのステップ数を計数する。これらのデータは試料の傾斜の計算に用いられ、その傾斜がプリセットパラメータとしてｘ，ｙおよびｚ軸制御ループに入力され、それによってリアルタイムまたは画像形成後の傾斜補正を不要にしている。
ＰＳＩ画像処理および画像分析画面
図１３に示すＰＳＩデータ捕捉画面の中の「分析」ボタン１３０７Ａをクリックオンするとプログラム制御がＰＳＩ画像処理および分析画面に転送される。上述のとおり、ＡＷ１３０１およびすべてのバッファ１３０２もこのプログラムに転送される。図１６はユーザが最初に見たままのＰＳＩ画像処理および分析画面を示す。この画像処理および分析プログラムは、画像操作モードボタン１６０１Ａの一つをクリックオンして駆動する三つの画像操作モードを有する。ユーザは「分析」ボタンをクリックオンして「分析」モードに入る。「分析」モードは、例えば試料表面の粗さや起伏の周期性などの測定値などの有用な定量的情報をデータから発生するのに使われる。「処理」ボタンをクリックオンして入る処理モードは画像からの雑音の除去や画像のクロッピングなどの画像処理を可能にする。画像操作モードボタン１６０１Ａの「表示」ボタンをクリックオンすることによって入る「表示」モードは単一または複数の画像を所望のフォーマットで、例えば各画像に説明を添えたマルチ画像フォーマットまたは三次元表示フォーマットで出力する。
【０１４２】
ＰＳＩ画像処理および分析画面には、ユーザがどのサブプログラムに入ったかによって互いに異なるいくつかの画面がある。「分析」サブプログラム画面は、マウスにより調節可能な高域通過および低域通過フィルタを備える１次元ＦＦＴを提供し、また、処理速度を高めるために当初は削減データで動作する２次元ＦＦＴを提供する。「表示」サブプログラム画面は人工光源の位置など変動する３次元化パラメータの効果を示す図形アイコンを用いている。
【０１４３】
図１７は「分析」サブプログラムの「走査線分析」モードにユーザが入った直後の画面を示す。ＡＷ１７０１がそこに含まれる画像の走査線分析を表示した形で示してある。この図に示した１次元ＦＦＴとデータ捕捉プログラムの中のディジタル表示１３０４の１次元ＦＦＴとの間には二つの重要な相違点がある。ディジタル表示１７０４は生の走査線跡を示すので、ＦＦＴは高速走査方向だけで行われる。しかし、「走査線分析」モードでは、任意の走査線、すなわち１次元ＦＦＴを施す短い切片などをユーザは選択できる。これによって、データ分析の融通性が高まる。すなわち、例えば走査方向とは異なる方向での周期性をユーザが分析できるからである。二番目の相違点は可変帯域フィルタに関する。
【０１４４】
ユーザは分析用の一連のデータをいくつかの方法で選択できる。走査線の形式および端点の位置をＡＷ１７０１の右側にある走査線選択ボタンにより選択する。選択された走査線（本質的に、走査線に沿ってｚ軸方向強度をプロットしたもの）はＡＷ１７０１の下の未濾波走査線ボックス１７０３の中に示され、この走査線の１次元ＦＦＴは既濾波走査線ボックス１７０４に自動的に表示される。ユーザはこの走査線の特定の側面を計算し表１７０６に表の形で自動的に表示することを選択できる。これら定量的測定値には、例えば表面の粗さや高さのピーク値が含まれる。ユーザは同時に二つ以上の走査線を選択できる。
【０１４５】
ボックス１７０３の中の走査線表示は帯域フィルタにかけてそのフィルタの諸数値の調節により種々の周期性を現わさせたり消去したりすることができる。上記フィルタの諸数値はカーソル矢印１７０５の位置により指示され、それによって既濾波走査線ボックス１７０４内の既濾波走査線を指示する。左端の矢印１７０５は高域フィルタであり、右端の矢印１７０５は低域フィルタである。ユーザは、カーソル１７０５の位置を、その上でクリックオンすることにより、またマウスを用いて走査線沿いに引っ張ることにより調節する。カーソル１７０５の移動により既濾波走査線ボックス２３０４から種々の周波数成分を消去する。
【０１４６】
カーソル矢印１７０５で示したフィルタはＦＦＴのスペクトラムのピーク値の一つを消去するのに用いられる。カーソル矢印を動かすとコンピュータが逆ＦＦＴをリアルタイムで計算しその結果がウィンドウに表示される。したがって、ユーザはフィルタ操作の効果を直ちに見ることができる。このフィルタ操作はカーソル１７０５を用いてフィルタパラメータを調節し、計算の結果をリアルタイムで図形表示と表フォーマットの両方で表示し、走査線分析を直観的にし使いやすくしている。
【０１４７】
「フィルタ」モード（図１７参照）ではユーザは２次元ＦＦＴを用いて画像の２次元ＦＦＴを施すことができる。ｘ軸およびｙ軸の両方向への高域および低域フィルタの諸数値は、新しい数値をタイプ入力することにより、またはスクロールバーを用いることにより、変更できる。このソフトウェアは隣接画素の近傍などの削減データセットを用いて２次元ＦＦＴを計算する。画像の４分の１を用いることにより計算の進行を格段に速めている。フィルタパラメータの最適化のあと、上記処理をデータ画像全体に適用する。
【０１４８】
図１８は「３次元化」画面を示す。この図に示した主な特徴は人工光源の位置など変動する３次元化パラメータの影響を示す図形の利用である。この画面はバッファ画像１３０２およびＡＷ１３０１を示している。どの画像がＡＷ１３０１に取り込まれても、その画像は領域１８０３の中で３次元遠近法表示化される。この操作は人工光源の配置および諸可変数の中でも画像の観察角度の変化を含み、端部の斜視像を強調し試料表面の３次元遠近法表示の錯覚を与える。
【０１４９】
従来技術でもこれら３次元化パラメータをユーザに変更させているが、最良の３次元化を生ずるための従来技術によるパラメータの最適化は時間を要し直観的でない。すなわち、従来技術ではユーザがこれらパラメータの数値を選択しなければならない。その後でコンピュータが計算を行い、その結果の画像を描くので、数秒を要する処理になる。ユーザは次にもう一度反復する必要があるか否かを決定する。
【０１５０】
図１８はこれらパラメータを変更するこの発明の方法を示す。このソフトウェアは変動するこれら３次元化パラメータの効果をリアルタイムでユーザに示すのに専用図形表示１８０１を用い、ユーザにこれらパラメータをデータ画像への適用前に最適化させる。最終的な画像の生成に要する反復処理は大幅に短縮される。さらに、図形の斜視像はリアルタイムで変化するので、パラメータ変更の効果をユーザはすぐ見ることができる。したがって、この処理はより直観的であり、数値の取扱いを要しない。もとのデータ画像の一部を含む適当な図形ならばどんなものでもこの目的に使うことができる（例えばより少ない走査線または走査線方向画素数による低解像度の画像など）。
【０１５１】
図形１８０１は単純な構成の人工的構造物であり、計算と描画のための時間を大幅に短縮する。ユーザは３次元パラメータスクロールバー１８０２を用いて３次元化パラメータを変更する。図形１８０１の斜視図がパラメータ変化の各々を示すようにリアルタイムで更新される。この斜視図１８０１が満足すべきものであればユーザは終了ボタン１８０４をクリックオンして、これら最適化したパラメータをＡＷ１３０１に表示中の実際のデータ画像に適用する。３次元遠近法により３次元化した画像を３次元画像ボックス１８０３に示す。ユーザは最終画像の解像度およびカラー表示を画面上の右下の解像度／色ボタン１８０５をクリックオンして変更できる。
【０１５２】
上述の画面上の画像の形成および制御方法はコンピュータプログラムの組み方によりいろいろ異なった方法で実現でき、上述の説明に基づきそのようなコンピュータプログラムを組むことは当業者が容易にできる範囲内にあることは理解されよう。
【０１５３】
上述の説明は例示的であって制限的でなく、この明細書における開示事項および添付の特許請求の範囲の記載に基づく種々の変形が当業者には自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の好ましい実施例によりＳＦＭの総括的概略図。
【図２Ａ】ＳＦＭ内に取り付けるカンチレバーチップパッケージおよびカートリッジの斜視図。
【図２Ｂ】運動学的に取付けを行ったチップ。
【図３】ヘッド内のカートリッジの取付け方を示す斜視図。
【図４Ａ】ヘッドの斜視図であって、特に偏向検出器を示す図。
【図４Ｂ】偏向検出器内のレーザ目合わせミラー用の取付け機構の斜視図。
【図５Ａ】ＳＴＭ用カートリッジ。
【図５Ｂ】組合せＳＦＭ／ＳＴＭ用カートリッジ。
【図６Ａ】粗ｘ，ｙ，ｚ軸駆動ステージの上面図。
【図６Ｂ】粗ｘ，ｙ，ｚ軸駆動ステージの側面図。
【図６Ｃ】粗ｘ，ｙ，ｚ軸駆動ステージの底面図。
【図６Ｄ】粗ｘ，ｙ軸ステージの代替実施例の底面図。
【図７Ａ】圧電性管走査器の斜視図。
【図７Ｂ】圧電性管走査器の正面図。
【図７Ｃ】入力電圧印加に伴うこの圧電性管走査器の変形の概略図。
【図７Ｄ】圧電性管走査器に関連するヒステリシスを示すグラフ。
【図８Ａ】走査器およびｘ，ｙ，ｚ軸位置検出器の分解図。
【図８Ｂ】ｚ軸位置検出器の詳細な斜視図。
【図９】圧電性管走査器の横方向の動きを誇張して示した図。
【図１０Ａ】ｚ軸位置検出器の各々から出力信号を取り出す回路の回路図。
【図１０Ｂ】ｚ軸位置信号を両方のｚ軸位置検出器から取り出す取り出し方を示す図。
【図１０Ｃ】ｘ，ｙ軸位置検出器からｘ，ｙ軸位置信号を取り出す回路の回路図。
【図１１Ａ】ＳＰＭ用の従来の帰還ループおよびデータ経路を示す図。
【図１１Ｂ】この発明による改良帰還ループを示す図。
【図１１Ｃ】出力をｚ軸検出器から生ずる実施例を示す図。
【図１１Ｄ】ｚ軸位置検出器の出力をｚ軸コントローラに供給した実施例を示す図。
【図１１Ｅ】ｚ軸位置検出器の出力をｘ，ｙ軸コントローラに供給した実施例を示す図。
【図１１Ｆ】ｘ，ｙ軸位置検出器の出力をｘ，ｙ軸コントローラに供給した実施例を示す図。
【図１２】二つの光経路を示す図。
【図１３】データ捕捉ユーザインタフェースを示す図。
【図１４】ステージモータ制御過程を示す図。
【図１５】光学的結像面のプローブの下方への位置決めを示す図。
【図１６】データ分析ユーザインタフェースを示す図。
【図１７】データ分析ユーザインタフェースを示す図。
【図１８】データ分析ユーザインタフェースを示す図。
【符号の説明】
１００　　　走査型電子顕微鏡（ＳＦＭ）
１０２　　　カンチレバー
１０４　　　試料
１０６　　　偏向検出器
１０８　　　ヘッド
１１０　　　コントローラ
１１２　　　粗ｚ軸ステージ
１１４　　　基体
１１６　　　粗ｘ，ｙ軸ステージ
１１８　　　走査器（精細ｘ，ｙ，ｚ軸ステージ）
１２０　　　走査型プローブ電子顕微鏡（ＳＰＭ）画像
１２２　　　光学像
１２４　　　光学像観察組立体
１２６　　　対物レンズ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１１Ｆ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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