JPH07504749A - 走査型プローブ電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

走査型プローブ電子顕微鏡 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イ−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１２、より詳しくは、走査撃力電子顕微鏡または走査型ｌ・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。 発明の背景 定義 ［走査型プローブ電子顕微鏡Ｊ　（ＳＰＭ）は物体表面のＩ・ボブラフイーの特 徴はかの特性の極微の分析結果をプローブでその表面を走査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 群の装置のことをいう。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（７、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（数百オニ ／ゲストローム以下）その表面から浮かせである。走査型プローブ電子顕微鏡に は、走査撃力電子顕微鏡（ＳＦＭ）、走査型ｌ・二ノネル電子顕微鏡（ＳＴＭ） 、走査型磁力電子顕微鏡、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Ｗ、電子顕微鏡、走査型イオン伝導電子顕微鏡などの装置 が邑まれる。 「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であるＳＰＭの素 子てあって表面相互作用のための検出点とし５て機能する素子を意味する。ＳＦ Ｍにおいては、プローブは可撓性カンチレバーおにびそのカンチレバーの一端か ら突出］、ｔ、−極微小先端部を含む。ＳＴＭにおいては、プローブは試料表面 とど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　／　Ｓ　Ｔ　Ｍ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。 「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。 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かごくわずかに浮かせた突出部のことをいう。 「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、チップ取付り用の平板を含む場合もある組立体を意味する。 「走査撃力電子顕微鏡ＪＳＦＭ（原子間カミ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−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・ワールスカほかのカ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。 「走査型トンネル電子顕微鏡Ｊ　（ＳＴＭ）とは約１−１ｏ人だけ互いに隔てら 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ユ 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・試料量間 隙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。 「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は手法であ 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；１りの曹通の形態の−っに４、ｉい−Ｃは、第１の剛体」二の三一つの ボールは、第２の剛体−Ｆの円錐状凹み、溝穴（またはａ）および平坦な接触域 にそれぞオ］接している。あるいは、これら三つのボールは第２の剛体上に互い に１２０６の角度を成１．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は構成が可能である。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。っ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か必要である。例えば、上述の最初の例では 、第１のボールは円錐状表向の三つの点で（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て、平らな面ｌ−の 一つの点でそれぞれ接触し、合計６個の点て接触し、ている。士、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て接触ニーでいる 。 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イ−はかの特徴 の極めて精密な分析結４１、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オ］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Ｆｊ？？され、その表面のｌ・ボブラフイ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・＼の近接度で主と１．て 定まる精度で発生ずる微小ブｒｊ−ブである。走査撃力電子顕微鏡（ＳＦＭ）で は、このプローブはカンナｌツバ−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。−とによっで最大の横方向精度 を得るために非常に税＜１−τある。偏向検出器はカンチレバーの偏向を検出し て偏向４３号を発生し、、１″−の偏向信号は内望のまたは基準の偏向信号と比 較される。すなわちこの基層信号を偏向（ハ号から差引い−Ｖ誤差信号を生し５ コントローラに送る。偏向検出器にはい＜−）かの型がある。一つの型は１ノヒ コー　オブ　ザイエンティフィック　インストルメンツ（Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　 ５ｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）誌第５９巻第２３３７頁（１ ９８８年）所載のディー・ルーガー（Ｄ、　Ｒｕｇａｒ）ほか著の論文に記載の とおり電子ｌ″Ｆ３１を用いる。しか１７１、市販のＳＦＭの多くはカンチレバ ー背面で反射さｔｌＺ）Ｌ／−」町−一−＝１、を採用しカンナｌツバ−の偏向 に伴うビームの角運動を検出するだ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クパターンに走査し、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、　Ｖａｅ、　Ｓｃｉ、　 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　Ａ　６第２７１頁（１９８８年）所載のティー・アー ル・アルブレヒト（Ｔ、　Ｒ７＾１ｂｒｅｃｈｔ）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、　Ｖａｅ、　Ｓｅｉ、　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　Ａ８ 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。 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Ｉ、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２指数 関数的に高感度に変動し１．たか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。 ＳＦＭにおいて試料」二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」 二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 ）ｃ、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軸 ステージは約２５−の並進運動範囲を有する。 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２軸ステージは最大の試料−プローブ離隔距離（できれば３０ｍ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２軸ステージは、プローブ と試料との間の位置関係を附属の光学顕微鏡で観察できる距離（例えば約ｌＯＯ μｍ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２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れなければならない。 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。 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。 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 への入力端子の印加に伴って横方向に動けるようにしである。このような応用分 野におり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　３ｇ＋１ｔｈ）共著の論文に 記載されている。 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。ＳＦ Ｍ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２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２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−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−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。 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ノメイスを 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。 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２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−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か多い。例えば、走査器に印加される２軸帰還信 号は試料を引き戻すように走査器を制御しく例えば、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。 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（Ｐ　Ｓ　Ｐ　Ｄ）によって検出する。通常Ｓ ＦＭ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 願筒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 検出器が記載しである。その出願には、偏向検出器内のミラーの運動学的取付は 系および基板へのヘッドの運動学的取付は機構も記載しである。 これらは従来技術に比へて著しい改良を表わす。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か残っている。 １．５ＦＭにおいては、プローブは消耗し数個の試料の走査後には変換を要する 。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か 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に２０ミ クロン程度の幅のご（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。 ２．８ＦＭ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とり 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。 ３．５ＦＭ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変換の度ごとに頻繁に必要になる。 ４．３ＰＭ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。 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、圧電柱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 査器に印加オることにょ−〕てこれらの非直線性を補止する方法を説明しでいる 。しか（７、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９．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 。 しか腰この方法は傾斜を生ずる圧電柱管走査器の曲げを考慮に入れていない。 ６４通常のＳＰＭではヒステリシスの問題のためにラスク型走査の各データ列を 同＝−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 シスの影響が含まれるからである。］７たがって、ラスク走査の各線は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Ｉ７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 。 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。圧電柱管 走査器が湾曲（７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 の厚さく垂直方向の寸法）が増加Ｊると、圧電性走査器への一定の入力信号は試 料表面により大きい水゛■一方向の並進運動を生ずる。 ８、試料をプローブに対し２［位置決めするには、光学顕微鏡を用いて同軸（軸 −に）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」二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。１、かじ、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。 ９　従来技術のＳＰＭにおいては圧電柱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 る走査器の応答力吠幅に減少して入力信号と位相が外れる。 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−の特徴に応答して調整することはできない。 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。運動学的取付は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が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。 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は点が備えである。 チップを板に付着させるには、集積回路（ＩＣ）取付は技術、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は用の正確に位置合わせした 運動学的取付は点を（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 こともてきる。チーツブ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 に運動学的に取りイ」けることもできる。 この発明の偏向検出器はカンチレバーの偏向に伴−）光ビームの角運動の検出用 に尤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 は入射光ビームの位置に対して高度に直線性の連続的応答を示（７、光点位置の 初期偏りに対する許容度がオー）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には位置調節機構か備えである１、この走査型ブ［１−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 内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。 １１−の重ね合わせな（−２の粗ｘ、ｙ軸ステージに試料と走査器の両方を搭載 する。 、下の粗ｘ、ｙ軸スチーンは基体に滑動６■能な状態でクランプされ、三つの接 触点ｒ荷１

【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ｔｆ−１−，，でいる。、二の粗ｘ、ｖ軸ステージの位置の調節の際 は、基体の円滑面、Ａなわら、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−〕の接触点を滑１ノさ」↓る。粗ｘ、ｙ軸ステ〜−ジの４（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（７い実施例におい ては、各調整部材は固定ナツトにね；−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Ｃあり粗Ｘ、ｙ軸ステージ の一端と−っの接触点を形成する。 他方のねじの一端は押（、板と接触し１、その押し板は粗ｘ、ｙ軸ステージのも う一端）の端とニ一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 触点に偏らせである。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。固定ナツトは粗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 がら明らかになるであろう。 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 きて電子顕微鏡基体の固定ナツトにねじ式にはめ合わされたねじを色む。各ねじ は、そのねじの出し入れに伴って１ノ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。 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１２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Ｊ一端に軸方向に取り付け、管の基底部に取り付りた 光源（例えば発光ダイオード（■、ＥＤ））に向けである。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、（７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４＝ｊけである。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ＰＳＰ Ｄ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。 粗２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りミツ（・ス イッチを駆動する。こ沁）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［２て水平方向を向くように位置決めしである。三つのりミ 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）で表わ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。 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。較正用試料の厚さくまたは基準の高さ）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。 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。 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）の切換えが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 。 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） や上記走査器か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８２ Ｍ像の中のそれらとの間には正確な相関が得られる。 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２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がって速く、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２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。 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 過程を、試料表面上の三つの互いに相異なる点を相次いで焦点位置に駆動しその 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部材に起因することがあり得る）。 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。 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。 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。 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。 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。 図面の説明 図１はこの発明の好ましい実施例によるＳＦＭの総括的概略図である。 図２Ａは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 ジの斜視図である。図２Ｂは運動学的に取付けを行ったチップを示す。 図３はヘッド内のカートリッジの取付は方を示す斜視図である。 図４Ａはヘッドの斜視図であって、とくに偏向検出器を示す。 図４Ｂは偏向検出器内のレーザ回合せミラー用の取付は機構の斜視図である。 図５Ａおよび５ＢはＳＴＭ用カートリッジおよび組合せＳＦＭ／ＳＴＭ用カート リッジをそれぞれ示す。 図６Ａ、６ＢおよびＣは粗ｘ、ｙ、ｚ軸駆動ステージの上面図、側面図および底 面図をそれぞれ示す。図６Ｄは粗ｘ、ｙ軸ステージの代替実施例の底面図を示図 ７Ａおよび７Ｂは圧電性管走査器の斜視図および正面図をそれぞれ示す。図７Ｃ は入力電圧印加に伴うこの圧電性管走査器の変形を概略的に示す。図７Ｄは圧電 性管走査器に関連するヒステリシスを示すグラフである。 図８Ａは走査器およびＸＩ　Ｌ　Ｚ軸位置検出器の分解図である。図８Ｂは２軸 位置検出器の詳細な斜視図である。 図９は圧電性管走査器の横方向の動きを誇張して示す。 図１０Ａは２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である。 図１０Ｂは２軸位置信号を両方の２軸位置検出器から取り出す取出し方を示す。 図１０Ｃは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で ある。 図１１ＡはＳＰＭ用の従来の帰還ループおよびデータ経路を示す。図１１Ｂはこ の発明による改良帰還ループを示す。図１１０は、出力を２軸検出器から生ずる 実施例を示す。図１１ＤはＺ軸位置検出器の出力を２軸コントローラに供給した 実施例を示す。図１１Ｅは２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１１Ｆは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１２は二つの光経路を示す。 図１３はデータ捕捉ユーザインタフェースを示す。 図１４はステージモータ制御過程を示す。 図１５は光学的結像面のプローブの下方への位置決めを示す。 図１６−１８はデータ分析ユーザインタフェースを示す。 発明の説明 この発明による走査型力電子顕微鏡（Ｓ　ＦＭ）’　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１０ ４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である。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１−１ ４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、それによづて 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１０ ６からの誤差信号を用いて２軸帰還信号を発生し、この信号に応答して走査器１ １８はカンチレバーが一定の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２軸帰還信号は走査型力電子顕微鏡１００の出力であり、ＳＰ Ｍ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１０ ６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。 走査型力電子顕微鏡１００においては、粗２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２軸ステージ１１２は垂直方向可動範囲約２５− １粗ｘ、ｙ軸ステージ１１６は水平方向可動範囲約２５閣をそれぞれ有する一方 、走査器１１８は水平方向移動範囲約１００μｍ１垂直方向並進運動範囲約１０ μｍをそれぞれ有する。 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。 ＳＦＭｌｏｏのユーザインタフェースは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取付は機構から始めて、 偏向検出器１０６、粗２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取付は技術またはその他の目合せ手法を用いてアルミナ板２０ ４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用の運動学的取付は点を形成し、Ｕ字型カンチレバーカートリッジ ２１８に付けたホール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。 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 付は用の運動学的接触点を成す円錐状凹み２２２、溝穴２２４および平坦部２２ ６か形成しである。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である。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である。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２０ ０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は手法も用いることができ る。 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 付は手段を用い、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、運動学的目金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。 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は収束直径すなわ 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。ＰＳＰ Ｄ４０６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。ＰＳ ＰＤ４０６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。 図４Ｂはヘッド１０Ｂ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４ １６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１０ ８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。 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 号記載のヘッド内回合せミラーの運動学的取付は構成の変形である。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 である。 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１０ ８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２ ００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。この発明の取付は構成は、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 。 図５Ａおよび５Ｂは３７Ｍ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８７Ｍパッケージ５１６を保持する。８７Ｍ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 、８７Ｍ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）。 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も設けである。８７Ｍ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５２ ２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。 導電性経路５２０は導電性先端部を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・ンド５２ ８にボンディング接続したばね導線５２７を含む。ヘッド内のばねり１ルソブ５ ２９はパッド５２８ど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／Ｓ ＴＭパッケージ５２２上のパッド５３０に軽（押しあてられている。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あてられ 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は構成に悪影響 を及は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害なわ なければ、代替のコネクタ類（プラグなど）を使うことかできる。 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 。 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 刃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／Ｓ ＴＭ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。走査型刃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１１ ２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 しである。８６Ｂに示すとおり、粗ｘ、ｙ軸ステージ１１６は基体１１４の開口 ６０２の中に配置しである。粗ステージ１１６は開口６０２にはめ合わせた金属 片６０７を通し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に示しである。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だけに搭載しである。金属片６ ０７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Ｘ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。 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６０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である。こ の粗ｘ、ｙ軸ステージ１１６が基体１１４上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。 図６０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である。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 併せて示しである。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。 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ツト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、固定ナツト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。ステップモータ組立体６１８は 図６Ｂにも示しである。 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６ ２０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ツトを 介してねじ止めしたねじ６４２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、固定ナツト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。 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バネ付きボール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ツト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、固定ナツト６２８を介して前進し、ボール端６ ３６を端６３４に押し付は下板６０６を左向きに（図６０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６ ５５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６ ８３によりＸ軸方向には動かないようにしである。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ツト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、固定ナツト６ ４４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 つける。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６０ 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 しつけているので、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６４ ８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６０で上向き）に引張る。ボール６５５は端６５９に押しつけられ 下板６０６を押し上げる。端６３４はボール端６３６に対して滑る。 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６〜５５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６０ ６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６４ ２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。 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、ナツト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、モータと固定ナツトとの間の熱 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。固定ナツト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。 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）押しつける 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が粗ｘ、　ｙ軸ステージ１１６に伝達されることであ る。 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６０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である。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）取り付けである。延長ねじ６６７がステップモータ６ ２２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 じ止めしである。ｙ軸方向押し板６６１のｙ軸上の動きは、ステップモータ６３ ８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Ｃ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か、必要に応じて搭載できる。この実施例は図６ ０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、加工費用はいく分高 いであろう。 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は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の支持に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。 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 示しである。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の固定ナツト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は点６７０に接触するボー ル先端６６８を有する。Ｚ軸方向接近ねし６６４の相対的位置は図６Ａおよび図 ６０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６７ ０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゜８ ８６号はこの種の一般的運動学的取付は構成を記載している。 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ツト６６６を 通じて２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。 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「７６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 ルへの応答に最適の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。 この明細書においてｚ軸方向とは、とくに述べない限り、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、とくに 述べない限り、空間内の特定の向き（例えば重力に対する向きなど）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７Ｂは圧 電外管走査器７００を示す。圧電外管走査器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７０ ２ｄ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 しである。その一端で基体に固定しである。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７０２　ｃ）に印加すると、走査器 ７００の自由端か互いに相対する四分内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 橋７０４に電圧を印加すると前走査器７００は伸縮する。前走査器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、ｉ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 、圧電外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。 図８Ａは粗ｘ、ｙ軸ステージ１１６内の前走査器７００の取付けの様子を示す分 解図である。前走査器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。前走査器７０ ０の上側面には試料台８０５が取り付けである。４セルＰＳＰＤ８０８は前走査 器７００の軸と軸合せして取り付けである。すなわち、走査器７００が正常（１ ′Ｉ。 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。前走査器７００はハウジング８１５に収容されている。２セルＰ ＳＰＤ８１４および８１６に互いにそれぞれ面する側でＬＥＤ８１　Ｂおよび８ ２０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８２ ４を発生する。 図８Ａおよび８Ｂは精細ステージ管に対するＰＳＰＤ８０８，８１４および８１ ６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に取り付けである 。試料台８０５も取付具８３０に取り付けである。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百合せ機構により、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である。例えば、４ セルＰＳＰＤ８０８は、その４つの象眼が前走査器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 回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が前走査器７００に正しく目合せされ、三つのＰＳ ＰＤ８０８，８１４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。 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は前 走査器の切欠８０６に、ＰＳＰＤ８０８，８１４および８１６を前走査器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。 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。 走査器ハウジングはボルトなどて粗Ｘ、ｙ軸ステージ１１６に取り付ける。 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８ ２２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。 図７Ｄは前走査器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。この図に示される前走査器７００の振舞いから三つのことが認識さ れる。ます、前走査器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前走査器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、前走 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。 図９は走査型プローブ電子顕微鏡による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、前走査器７００の下端は 粗ｘ、ｙ軸ステージ１１６に固定しである。互いに相対する電極への電圧の印加 に伴って図９に示すとおり前走査器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がそ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前走査器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１ ０４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は水平方向距離りだけずれて見えるのである。 上記４セルＩ’５ＰＤ８０８および２セルＰｓＰＤ８１４および８１６は次に述 へるとおり試料の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。 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−ｖ、）を生ずるように比較される。また、これら電 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Ｌ ＥＤ８１８または８１０に駆動用に供給される。 図１０Ｂは２セルＰＳＰＤ８１４および８１６の出力（それぞれＶ□およびＶ２ ．）を試料の傾きの影響を除去した試料位置変動表示信号■１゜、。、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わす信号Ｖ　ｌ　ｌ　ｌ　１の発生に使うこともで きる。上記前走査器７００がある値だけ湾曲すると、２セルＰＳＰＤの一方の出 方（例えばＶ２１）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−とその傾きとの和に起因するＺ軸方向変動を表わし、一方、２セルＰＳＰＤ の他方の出力（Ｖ　ｚ　＊　）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−とその傾きとの差に起因するＺ軸方向変動を表わす。したがって 、これら出力の和Ｖｚｌ＋Ｖｚ＊は出力は前置増幅器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である。また、増幅器、Ｌ ＥＤ、ＰＳＰＤ、および前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である。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かできる。 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。 図１０Ｃは４セルＰＳＰＤ８０８に関連する回路を示す。上記２セルＰＳＰＤ８ １４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 ど比較され、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）ｒ 軸方向位置を代表する試料Ｖ、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からの出力ど比較されて試料のＸ軸方向位置を代表する出ツバｒ６ を生ずる。 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わす信号を利用したものである。 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、２軸帰還電圧Ｚｖを発生する。 この帰還電圧Ｚｖか走査器を駆動し、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、当業者には明らがなとおり、 アナＬ】グ回路素子たけて構成でき、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。 一般的に、画像は各画像点の２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−を表わす。これは従来のＳＰＭシステムの主な欠点であ る。 図１］、Ａに示すとおり、画像は誤差信号Ｅからも発生できる。例えばブローブ ー試市１間距離を一定に維持するのに十分な速さで試料表面トポグラフィ−の変 化にコントローラおよび走査器か追従てきないために誤差信号が零にならない場 合などにこれか可能になる。すなわち、誤差信号か十分に大きい場合は、２軸帰 還信号により発生した画像は試料表面トポグラフィ−を正確に表わすことはでき す、し、たか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−の情報を全邪念んでいるわけてはないからである。 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２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２．−２．十αＥまただし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。 図１］Ｃ−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１１０において、走査器のＺ軸位置の正確な測定のた めにＺ軸位置検出器か用いである。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２軸位置検出器の出力は■ 工１＋Ｖｚｔ（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、２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 合わけることができる。 図１１０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２ 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差し かかったとき走査器の応答か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１−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、その部分か例 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、走査器か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−が変化する場合は、増幅した２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。 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２軸位置検出器出力（図 １０８の■ｚ　＋　＋Ｖ　ｚ　！　）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−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−の変化が急峻であっである走査速度によ る走査では所要のＺ軸帰還信号か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軸出カ（ｘｖ およびＹｖ）を調節する。逆にプローブか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１−ローラの２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。 図］、ＩＦにおいて、ｘ、ｙ軸位置検出器の出力（図１０ＣのＶ、およびｖ、） かコントローラの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併せて行うことができ る。 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２軸位置検出器の出 力に加えられる。 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、データ収集ら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かでき、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。 各走査線の順方向走査を用いて試料のトポグラフィ−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−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−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、ｌ・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 タからすへて計算でき、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ほう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。 Ｘ、Ｖ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。 同様に、２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−の起伏で決まる周波数で、すなわち走査器の ２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直ぐ上方にプローブ、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である。軸上 像および斜視像のこの組合せには利点が多い。 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。 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１２ｏ２により 集束しく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１ ２０４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である（レンズ１２１ ２は光学的歪みを除去する三素子レンズである）。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り 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 ムスプリッタエ２０４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。 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１ ２６は、例えば軸上観察に対してｘｌＯ，ｘ２０．ｘ５０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に強固に取すイ」けである。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金ぜするよ・５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。 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に取り付けである。 モータ軸１２２４は基体１】４に付けた固定ナツト１２２８を通るねじ１２２６ に連結しである。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１２ １８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１２ ３４にも取り付けである。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。 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 り付けである。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である 。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Ｍｉ ｃｒｏｓｏｆｔ　ｌＩｉｎｄｏｗｓ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二ノ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。 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へる。 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、Ｍｉｃ ｒｏｓｏｆｔ　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・（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（またはブログラノ・）はいくつかの副機能に分割される。 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 くつかのベージョンかある。画面上の主な領域には名称が記入しである。左端に はバッファ画像１３０２の縦方向コラムが示しである。そのすぐ右隣に作動ウィ ンドウ（ＡＷ）　１３０１か配置しである。ＳＰＭで撮られた画像はまずＡＷＬ ３０１に現われる。その右隣には走査線跡をリアルタイムで示すディンタル表示 １　：３０４がある。ディンタル表示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＝タホタン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も示しである。「電球 」ボタン１３０８Ａは光学像観察組立体用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 を上げ下げして剌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が配置しである。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２ 軸ステージ駆動用のモータ制御ボタン１３０６がある。 ＰＳＩデータ捕捉捕捉プログラム画面ｌアイアウト徴はバッファ画像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。 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 ウスは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ｒ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たけを保存１．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。 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力じた。データ捕捉モー ドにするとバッファ画像か消失したのである。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かできる。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。 ＡＷウィンドウ１３０１および転送されてきた画像１３ｏ２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− 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）光学像観察組立体により生じた光学像またはＳ ＰＭ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１３ｏ２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。 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像処理の同 時遂行は可能であるか、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。 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。 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軸両方向にラスク型走査を行う。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−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、従来技術による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。 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ｒＬｏｇＪボタンおよび「ＦＦＴ」ボタンを用い て駆動される機能か備えられている。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−試料量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と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−試料量間隔の２軸方 白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、走査の進行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 が走査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かできる。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。 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像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１ ３０７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。 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ＡＷ１３０ １の画像を画像１３０５ボツクスに転送する。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かできる。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Ｓ ＰＭ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ＡＷ１３ ０１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。 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、コンピュータが粗Ｘ、ｙ軸ステージおよび２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２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。 画面の右端に沿ってモータ駆動ｘ、ｙ軸ステージおよび２軸ステージ制御用ユー ザインタフエースが配置しである。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 ２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。 「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。 「中心合せ」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。 「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。 「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２ 軸方向高速接近を行う。 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」ボタンの押下げにより駆動する。 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。 試料の高さく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数しながら、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までのステップ数を計 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、既知の長さし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１４１ ４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）。 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１−３０６　 Ｆ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である。図６０参照） 。 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、モータのステップ状の動きを正確に 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１３０６ Ｇ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２軸方向前方接近ねじは 一つの２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。 「装着」ボタン１３０６Ａをクリックオンすると三つの２軸ステツプモータは全 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。 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１３０ ７Ｃ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。 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２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２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２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。 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２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。 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２軸ステージモータを限界点まで同時に駆動し、ヘッドを試料がらもっとも 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２５閣の範囲）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軸フイードバツ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、２軸 フイードバツクコントローラおよび走査器はこのブローブー試料表面接触に応答 できないことかあり得る。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 フイードバツク制御ルー・プの帯域幅の中に入る速度で最終接近させるほうが有 利である。 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がを 判断する周知のソフトウェア（従来技術）を用いる。 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 、２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がら数ミクロン（約 ２乃至３ミクロン）上にある。次に、粗２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がら数ミクロン以内まで 急速に降下させることもできる。 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−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。 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じて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２８１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・ソトで、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３次元表示フォーマ・ ソトで出力する。 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ＦＦ Ｔ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。 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かそこに含まれる画像の走査線分析を表示した形で 示しである。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ＦＦ Ｔ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。 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ＡＷＬ７０１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ビ 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。 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１７０ ５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。 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。 「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。ｙ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人力することにより、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と 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。 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／く ッファ画像１３０２およびＡＷ１３０１を示している。どの画像か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。 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か、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（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。 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。したかって、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）。 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パー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／々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か満足すべきもので 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ｔＺ ラメータをＡＷＬ３０１に表示中の実際のデータ画像に適用する。３次元遠近法 （こより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７色ボタン１８０５をり １ルツクオンして変更できる。 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。 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。 ＦＩＧ、　４Ａ ＦＩＧ、　４Ｂ ＦＩＧ、　５Ａ ＦＩＧ、５Ｂ ＦＩＧ、６Ａ ＦＩＧ、７８ ＦＩＧ、７Ａ ＦＩＧ、７Ｃ −１０００＋１００ 印加電圧（Ｖ） ＦＩＧ、７Ｄ 特表千７−５０４７４９　（２１） ＦＩＧ、８Ｂ ＦＩＧ、　９ ＦＩＧ、１０Ｂ ＦＩＧ、１１Ａ ＦＩＧ、１１Ｂ ＦＩＧ、１１Ｃ ＦＩＧ、１１Ｄ ＦＩＧ、１１Ｅ ＦＩＧ、１１Ｆ ＦＩＧ、１４ ＦＩＧ、１５ 図１３訳文（対応訳リスト） Ｓａｖｅ　保　存　Ｙ　５ｃａｎ　Ｖ軸方向走査Ｂｕｆｆｅｒ　バッフｙ　５ｃ ａｎｎｅｒ　Ｃｏｏｄ　走査器調整Ｒｅｔｒｉｅｖｅ　Ｉｍａｇｅ　Ｗｉ像を検 索　Ｐｏｗｅｒ　ｔ　源Ｖｏｉｄ　ボイド　５ｃａｃ　Ａｒｅａ　走査領域Ｓｉ ｎｇｌｅ　５ｃａｎ　１回走査　Ａｎａｌｙｓｔｓ　分　析Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕ ｓ　５ｃａｎ　連続走査　Ｃｈａｎｇｅ　Ｔｉｐ　先端部変更Ｅｒｒｏｒ　誤　 差　Ｍｏｎ１ｔｏｒ　モニタ表示Ｓａｍｐｌｅ　Ｎａｍｅ　試料名称　Ｖｉｅｗ 　画像表示Ｃｏ＋ｕｅｎｔ　説明　Ｃｏｎｔｒｏｌ　制御Ｚｏｏｒｓ　ズーム　 Ｍｏｖｅ　移　動Ｌｏｇ　対　数　Ｓｌｏｗ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　低迷接近ＦＦ Ｔ　高速フーリエ変換　Ｐａ５ｔ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　高速接近Ｃａｍｅｒａ　 カメラ　Ｐｉｅｚｏ　圧電性素子 図１６訳文（対応訳リスト） Ｓａｖｅ　保存　ＡＮＡＬＹＺＥ　分析ｂｕｆ　バッフｙ　ＰＲＯＣＥＳＳ　処 理Ｄａｔａｂａｓｅ　Ｋｅｙ　データベースキー　ＰＲＢＳ［！ＮＴ　表　示Ｐ ｒ１ｎｔ　印　刷　ＤＡＴＡ＾ＣＱ　データ捕捉図１７訳文（対応訳リスト） ｂｕｒ　バッファ　５ａｖｅ　保　存 Ｄａｔａｂａｓｅ　Ｋｅｙ　データベースキー　Ｃ１ｅａｎ　消　去Ｐｒ１ｎＬ 　印刷　Ｐｒ１ｎｔ　印刷 Ｒｅａ　ｌ　実　部　Ｌｏａｄ　ｄｒ　データベース読込みｍ　高速フーリエ変 換　１ｉｎｅ　走査線Ｄｅｌ　消去　ｈｅｉｇｈｔ　高さ Ｌｉｎｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　走査線分析　ｓｐａｃｉｎｇ　間　隔Ｅｘｉｔ　 終了　ａｎｇｌｅ　角度 Ｐｒ１ｎｔ　印刷　ｄｉｓｔａｎｃｅ　距離Ｂｅａｒｉｎｇ　向　き　ａｒｃ　 ｌｅｎｇｔｈ　円弧長Ｒｅｖ　ビーフ　ｋ’−７７ＪＬ 図１８訳文（対応訳リスト） Ｓａｖｅ　保　存　０ｆｆｓｅｔ　オフセットｂｕｒ　バッフｙ　Ｌｉｇｈｔ　 光 Ｄａｔａｂａｓｅ　Ｋｅｙ　データベースキー　Ｄｉｓｔａｎｃｅ　距　離Ｐｒ １ｎｔ　印刷　５ｈａｄｅ　陰影 ３Ｄ　Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ　３次元化 フロントページの続き （３１）優先権主張番号　８５１，５６０（３２）優先臼　１９９２年３月１３ 日（３３）優先権主張国　米国（ＵＳ） （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。 ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＥ、ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、　ＰＴ、　Ｓ Ｅ）、ＧＡ（ＢＦ、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、　ＣＩ、　ＣＭ、　ＧＡ、　ＧＮ、　Ｍ Ｌ、　ＭＲ，ＳＮ、　ＴＤ。 ＴＧ）、　ＡＴ、　ＡＵ、　ＢＢ、　ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ、　ＣＨ。 ＣＺ、ＤＥ、ＤＫ、ＥＳ、ＦＩ、ＧＢ、ＨＵ、ＪＰ、ＫＰ、ＫＲ，ＬＫ、ＬＵ、 ＭＧ、ＭＮ、ＭＷ、ＮＬ、Ｎ。 、ＮＺ、ＰＬ、ＰＴ、Ｒ○、　ＲＵ、　ＳＤ、　ＳＥ、　ＳＫ。 Ａ （７２）発明者　カーク、マイケル　ディー。 アメリカ合衆国　カリフォルニア州 ９５１１２、サンホゼ、サウス　シクスティーンス　ストリート３５５ （７２）発明者　スウィフト、ピータ　アール。 アメリカ合衆国　マサチューセッツ州 ０１００２、アムハースト、ボンドヴユー　ドライブ　３６ （７２）発明者　アレグザンダー、ジョン　ディー。 アメリカ合衆国　カリフォルニア州 ９４０８６、サニーヴエイル、アリニス　ウェイ１６０、＃３ （７２）発明者　バク、サン−イル アメリカ合衆国　カリフォルニア州 ９４３０３、パロアルト、ロマ　ヴエルデ　アヴエニュ−８６５ （７２）発明者　バク、スンーイル アメリカ合衆国　カリフォルニア州 ９５１２９、サンホゼ、ウィルミントン　アヴエニュ−１０５５ （７２）発明者　スミス、イアン　アール。 アメリカ合衆国　カリフォルニア州 ９５０３２、ロスガトス、ドーヴアー　ストリート２２８ （７２）発明者　パリッシュ、ディピッド　エム。 アメリカ合衆国　ニューヨーク州　１４２２６、アムハースト、ウェストフィー ルドロード（７２）発明者　リー、ジョン　ホー アメリカ合衆国　カリフォルニア州 ９４３０３、パロアルト、ロマ　ヴエルデ　アヴエニュ−８３２ （７２）発明者　ハウランド、リベツカ　ニス。 アメリカ合衆国　カリフォルニア州 ９４０４３、マウンテンヴユー、ウェスト　ミドルフィールドロード２５１４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．走査型プローブ電子顕微鏡にプローブを取り付ける方法であって、前記プロ ーブがカンチレバーとチップとを含み、前記方法が前記走査型プローブ電子顕微 鏡のヘッドに前記プローブを運動学的に取り付ける過程を含む方法。 ２．前記プローブがパッケージに含まれ、前記方法が前記パッケージをカートリ ッジに取外し可能な状態で取り付ける過程と、前記カートリッジを前記走査型プ ローブ電子顕微鏡のヘッドに取外し可能な状態で取り付ける過程と を含む請求項１記載の方法。 ３．前記パッケージが前記カートリッジに連動学的に取り付けられ前記カートリ ッジが前記ヘッドに運動学的に取り付けられている請求項２記載の方法。 ４．前記パッケージがカンチレバーと、チップと、板とを含み前記カンチレバー が前記チップから突出している請求項３記載の方法。 ５．前記チップを前記板に付ける過程を含む請求項４記載の方法。 ６．前記チップを前記板に連動学的に取り付ける過程を含む請求項４記載の方法 。 ７．走査型プローブ電子顕微鏡におけるヘッドであって、ＳＦＭプローブまたは ＳＴＭプローブを保持するのに適合するとともにＳＦＭプローブの中のカンチレ バーの偏句を検出する偏向検出器を含み、前記偏向検出器からの信号を増幅する 第１の増幅手段とＳＴＭプローブからの信号を増幅する第２の増幅手段とをさら に含むヘッド。 ８．前記ヘッドがＳＦＭ／ＳＴＭプローブを保持するのに適合し、前記第１およ び第２の増幅手段が同時に動作できる請求項７記載のヘッド。 ９．走査型プローブ電子顕微鏡における、カンチレバーと先端部とを含むプロー ブおよび前記カンチレバーの偏向を検出する偏向検出器であって、前記偏向検出 器が前記カンチレバー上の反射性表面に光ビームを導く光源と前記光ビームの前 記反射性表面照射後の位置を検出する直線状位置感応性光検出器とを含み、前記 直線状位置感応性光検出器が光ビームの変位に応答して連続的で実質的に直線的 な出力信号を生ずる、前記プローブおよび前記偏向検出器。 １０．試料表面を走査型プローブ電子顕微鏡で走査する方法であって、前記電子 顕微鏡が表面に垂直な軸に沿ってプローブと試料との相対的位置を制御する帰還 ループを含み、前記帰還ループが一つまたはそれ以上のパラメータの変更により 調整可能である前記方法において、 前記試料を互いに隣接する一連の線に沿って、それら線の各々がまず順方向に走 査され次に逆方向に走査されるように、走査する過程と、前記線を前記順方向に 走査中に前記一つまたはそれ以上のパラメータの変更のためのデータを検出し蓄 積する過程と、前記線を前記逆方向に走査中に前記表面の表示を発生する過程と を含む方法。 １１．試料表面を走査型プローブ電子顕微鏡で走査する方法において、前記試料 を互いに隣接する一連の線に沿って、前記一連の線の各々がその線に先行および 後続する線とは逆方向に走査されるように、しかも前記線の各々が一つの方向に 一度だけ走査されるように、走査する過程と、前記走査の各々の期間中に前記表 面の表示の発生のための前記表面に関する情報を得る過程と を含む方法。 １２．試料表面に関する情報を検出するプローブと、前記プローブに前記試料表 面を走査させる第１の手段と、前記プローブから前記情報を受けるとともに、そ れに応答して、前記表面と垂直な軸に沿った前記プローブと前記試料との空間的 関係の所望の変化を表わす信号を発生する第２の手段と、 前記軸に沿った前記プローブと前記試料との空間的関係を調節する第３の手段と 、 前記軸に沿った前記プローブと前記表面との空間的関係を検出する第４の手段で あってその出力が前記表面の表示の発生に使われる第４の手段とを含む走査型プ ローブ電子顕微鏡。 １３．前記第４の手段の出力が前記第３の手段に入力として供給され、前記軸に 沿った前記プローブと前記試料との空間的関係の調節を変化させるように前記第 ４の手段の出力を前記第３の手段が用いる請求項１２記載の走査型プローブ電子 顕微鏡。 １４．前記第４の手段の出力が前記試料表面の前記プローブによる走査のしかた を変化させるように前記第１の手段に入力として供給される請求項１２記載の走 査型プローブ電子顕微鏡。 １５．前記第１および第３の手段が中心軸と二つの端とを有する圧電性管を含み 、それら二つの端の一方は固定され、前記圧電性管がＸ，ｙ軸コントローラから の信号に応答して前記試料表面の走査をプローブに行わせるように湾曲するとと もに、Ｚ軸コントローラからの信号に応答して前記試料表面に垂直な前記軸に沿 ったプローブと試料との空間的関係を調節するように前記中心軸に沿って伸縮す る請求項１２記載の走査型プローブ電子顕微鏡。 １６．前記第４の手段が前記試料の傾きに無関係の前記空間的関係を表わす出力 を生ずる請求項１２記載の走査型プローブ電子顕微鏡。 １７．前記第４の手段が前記圧電性管の直径方向に互いに相対して取り付けられ た少なくとも二つの位置感応性検出器を含む請求項１６記載の走査型プローブ電 子顕微鏡。 １８．前記第４の手段が前記圧電性管の直径方向に互いに相対する二つの位置に 取り付けられた二つの位置感応性検出器を含む請求項１６記載の走査型プローブ 電子顕微鏡。 １９．請求項１５記載の走査型プローブ電子顕微鏡を使う方法であって、前記圧 電性管が共振周波数を有し、前記方法が、前記試料表面の特徴により前記共振周 波数よりも大きい周波数の周期性信号が前記圧電性管に生ずるような速度で前記 走査型プローブ電子顕微鏡を動作させることを含む方法。 ２０．前記試料表面と平行な平面における前記プローブの位置を検出する手段で あってその出力が前記第１の手段に供給される第５の手段を含む請求項１５記載 の走査型プローブ電子顕微鏡。 ２１．請求項２０記載の走査型プローブ電子顕微鏡を使う方法であって、前記圧 電性管が共振周波数を有し、前記方法が、前記共振周波数よりも大きい周波数で ラスター式の走査パターンに前記走査型プローブ電子顕微鏡を動作させることを 含む方法。 ２２．試料表面に関する情報を検出するプローブと、前記情報を受けるとともに それに応答して誤差信号を発生する偏向検出器と、前記誤差信号を受けるととも にそれに応答して前記プローブと前記試料との空間的関係の所望の変化を表わす 制御信号を発生するコントローラと、前記制御信号を受けて前記プローブと前記 試料との空間的関係を調節する手段と、 修正誤差信号を生ずるように前記誤差信号に選ばれた関数を適用する手段と、前 記制御信号と前記修正誤差信号とを組み合わせて出力信号を生ずる手段と、前記 出力信号から前記試料表面の表示を発生する手段とを含む走査型プローブ電子顕 微鏡。 ２３．前記第２の手段が前記プローブからの前記情報を受ける偏向検出器を含み 、前記偏向検出器がその情報に応答して誤差信号を発生し、前記走査型プローブ 電子顕微鏡が修正誤差信号を生ずるように前記誤差信号に選ばれた関数を適用す る手段と前記修正誤差信号を前記第４の手段の前記出力と組み合わせて前記表面 の表示を発生する手段とをさらに含む請求項１２，１３または１４記載の走査型 プローブ電子顕微鏡。 ２４．プローブを含むヘッドと、 基体と、 試料を保持する台を含み、前記基体に三つの接触点で可動的に接触している粗Ｘ ，ｙ軸移動ステージと、 前記試料の表面と平行な第１の軸に沿って前記粗ｘ，ｙ軸移動ステージを動かす 第１のモータ付き駆動手段と、 前記試料の前記表面に平行で前記第１の軸と垂直な第２の軸に沿って前記粗ｘ， ｙ軸移動ステージを動かす第２のモータ付き駆動手段とを含み、前記第１のモー タ付き駆動手段と前記第２のモータ付き駆動手段とが合計三つの接触点で前記粗 Ｘ，ｙ軸移動ステージに可動的に接触している走査型プローブ電子顕微鏡。 ２５．前記第１のモータ付き駆動手段が押し手段と、第１のモータと、第１の駆 動部材と、前記基体に固定した第１の基準部材とを含み、前記第１の駆動部材が 前記第１のモータから前記第１の基準部材を経て前記押し部材に延びており、前 記第２のモータ付き駆動手段が第２のモータと、第２の駆動部材と、前記基体に 固定した第２の基準部材とを含み、前記第２の駆動部材が前記第２のモータから 前記第２の基準部材を経て前記粗ｘ，ｙ軸移動ステージに延びている請求項２４ 記載の走査型プローブ重子顕微鏡。 ２６．前記第１のモータ付き駆動手段が前記粗ｘ，ｙ軸移動ステージと二つの接 触点で接触し前記第２のモータ付き駆動手段が前記粗Ｘ，ｙ軸移動ステージと一 つの接触点で接触している請求項２４記載の走査型プローブ電子顕微鏡。 ２７．前記粗ｘ，ｙ軸移動ステージと前記第１のモータ付き駆動手段との間の前 記二つの接触点における接触を維持する第１の偏倚手段と、前記粗ｘ，ｙ軸移動 ステージと前記第２のモータ付き駆動手段との間の前記一つの接触点における接 触を維持する第２の偏倚手段とを含む請求項２６記載の走査型プローブ電子顕微 鏡。 ２９．前記第１および第２の基準部材が第１および第２の固定されたナットをそ れそれ含み、前記第１および第２の駆動部材が前記第１および第２の固定された ナットにそれぞれはめ合わされた第１および第２のねじをそれぞれ含み、前記第 １および第２のモータが前記基体に滑動できる状態でそれぞれ取り付けられ前記 第１および第２のねじにそれぞれ連結されている請求項２５記載の走査型プロー ブ電子顕微鏡。 ２９．前記粗Ｘ，ｙ軸移動ステージと前記基体との間の前記三つの接触点の各々 が前記粗ｘ，ｙ軸ステージに形成した突出表面と前記基体の平坦表面との間の接 触点である請求項２４記載の走査型プローブ電子顕微鏡。 ３０．走査型プローブ電子顕微鏡内でヘッドに収容されたプローブに対して試料 を位置決めする粗移動ステージであって、第１、第２および第３の接近手段を含 み、前記第１、第２および第３の接近手段が前記走査型プローブ電子顕微鏡のヘ ッド上の三角形を画する第１、第２および第３の接触点とそれぞれ接触し、前記 接近手段の各々がモータに連結され、前記モータの各々が前記接近手段の一つを その接近手段が上昇または下降して前記試料に対する前記ヘッドの位置を変化さ せるように駆動ずる粗移動ステージ。 ３１．前記第１、第２および第３の接触点が前記ヘッドに対する運動学的取付配 置を構成する請求項３０記載の粗移動ステージ。 ３２．前記第１、第２および第３の接近手段の各々が固定ナットにはめ合わせた ねじを含み、前記固定ナットの各々が前記走査型プローブ電子顕微鏡の基体に取 付けてある請求項３１記載の粗移動ステージ。 ３３．前記モータの各々が前記ねじの一つに連結され前記基体に滑動できる状態 で取り付けてある請求項３２記載の粗移動ステージ。 ３４．前記接近手段の各々の位置を検出する手段を含む請求項３３記載の粗移動 ステージ。 ３５．前記第１、第２および第３の接触点が、前記位置検出手段による検出位置 に前記モータの各々が達したとき、水平面にある請求項３４記載の粗移動ステー ジ。 ３６．前記プローブの横方向傾きおよび縦方同傾きを変化させるように前記モー タの各々を別々に制御する手段を含む請求項２５記載の粗移動ステージ。 ３７．モータ制御により三つの方向に移動可能なステージを有する試料検査用プ ローブ電子顕微鏡の操作方法であって、 前記試料を前記ステージに装着する過程と、前記ステージを前記プローブから第 １の向きに隔たった既知の位置に動かす過程と、 前記ステージを前記第１の向きと逆の向きに、前記試料の上側表面に前記プロー ブが接触するまで、測定可能な特定の距離だけ動かす過程と、前記試料の高さを 前記特定の距離から決定する過程と、決定された試料の高さに従って第２及び第 ３の向きにおける走査器の動巻の感度を調節する過程と を含むプローブ電子顕微鏡の操作方法。 ３８．前記装着する過程が前記ステージを前記第２の向きに傾ける過程を食む請 求項３７記載の方法。 ３９．前記調節する過程のあとに、前記電子顕微鏡のプローブ用の支持体をその 支持体が前記試料の上側表面と平行な面内で保持されるように傾ける過程をさら に含む請求項３７記載の方法。 ４０．関連の光学顕微鏡を備えるヘッドに取り付けられたプローブを有する走査 型プローブ電子顕微鏡の試料に対してプローブを位置決めする方法であって、前 記光学顕微鏡の焦点面を、その顕微鏡のレンズをモータ制御により動かして前記 プローブの先端部の下に位置づける過程と、前記レンズおよびプローブを前記試 料に対して第１の速度で、前記試料の画像が前記光学顕微鏡においてほぼ焦点の 合った状態になるまで、動かす過程と、前記プローブをそのプローブが前記表面 に対して所望の位置に達するまで動かす適程と を含む方法。 ４１．前記試料表面の傾きを決定する適程をさらに含む請求項４０記載の方法で あって、その傾き決定過程が 前記レンズをこのレンズが前記試料の表面上ゆ少なくとも三つの位置にあって焦 点を結ぶように動かす過程と、 それら三つの位置で画される領域で前記レンズの前記動きから前記試料の表面の 傾斜を決定する過程と、 前記ヘッドの傾きを適宜調節する過程とを含む方法。 ４２．走査型電子顕微鏡を操作する操作方法であって、特定のパラメータで定義 される速度で試料を走査する過程と、前記走査からデータを捕捉する過程と、捕 捉されたデータからリアルタイムで共振を决定する過程と、前記共振を減衰させ るように前記特定のパラメータにしたがって走査速度を変化させる過程と を含む操作方法。 ４３．試料の斜視像および軸上像の両方を像観察装置に生ずる顕微鏡であって、 軸に沿って光を供給する光源と、 前記軸に配置され前記試料を支持する支持体と、前記試料が前記支持体上にある とき前記試料の軸上像を受けるように配置ちれた像観察装置と、 前記支持体の近傍に配置され前記軸に対して斜めに前記試料の像を前記像観察装 置に供給する反射体と、 前記軸上像または前記反射体からの斜視像の前記像観察装置への到達を二者択一 的に遮断するシャッタと を含む顕微鏡。 ４４．前記像観察装置が ズームレンズと、 前記ズームレンズからの像を受けるカメラと、前記ズームレンズを動かすコント ローラとを含む請求項４３記載の装置。 ４５．前記軸上像が前記軸について移動可能な第１のレンズにより前記像観察装 置に結像されるとともに拡大され、前記斜視像が第２の可動レンズにより前記像 観察装置に結像される請求項４３記載の装置。 ４６．前記第１および第２のレンズがモータ制御により前記軸に沿って可動であ る請求項４３記載の装置。 ４７．表示装置を有する走査型プローブ電子顕微鏡と、前記表示装置に走査プロ ーブ発生画像を表示する手段と、前記像観察装置からの画像を前記表示装置に表 示する手段とをさらに含む請求項４３記載の装置。 ４８．試料の軸上像および斜視像の両方を像観察装置に供給する顕微鏡を操作す る方法であって、 前記試料の近傍で前記試料への入射光の軸に斜めに配置された反射鏡を用意する 過程と、 前記試料から前記軸に沿って反射鏡に戻ってくる入射光と前記試料から斜めに反 射鏡に入る入射光が前記像観察装置に到達することを二者択一的に遮断する過程 と を含む操作方法。 ４９．光学像を供給する光路と、 前記光学像を受けて結像する自動ズームレンズと、自動ズームレンズを動かして 前記像を結像させるコントローラと、前記結像した像を受けその結像した像を表 わす電気信号を生ずるＣＣＤカメラと を含む顕微鏡。 ５０．前記カメラがＣＣＤカメラである請求項４４記載の装置。 ５１．前記試料の走査用の前記支持体に動作できるように連結された走査型プロ ーブ電子顕微鏡をさらに含む請求項４３記載の装置。 ５２．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装置とをさらに含む請求項４３ 記載の装置。 ５３．前記第１および第２のレンズが一緒に動き同一の焦点面を有する請求項４ ５記載の装置。 ５４．画像の３次元表示を表示装置上に生ずる方法であって、前記画像の表示を 表示装置に生ずる過程と、前記表示装置に図形を生ずる過程と、 前記図形の３次元化を定義する一組のパラメータをユーザの制御により変化させ る過程と、 前記図形を前記変化させたパラメータに従って３次元化した形で表示する過程と 、 前記変化させたパラメータの組をユーザの制御により前記図形に適用する過程と を含む方法。 ５５．前記パラメータが拡大、オフセット、陰影かけ、光の向きを含む請求項５ ４記載の方法。 ５６．前記図形が前記画像の一部である請求項５４記載の方法。 ５７．前記図形が前記画像とは独立に発生した人工的な形である請求項５４記載 の方法。 ５８．前記表示装置に可動スクロールバーの表示を生ずる過程をさらに含み、前 記変化させる過程が前記パラメータの組の特定の一つに関連するスクロールバー を動かすステップを含む 請求項５４記載の方法。 ５９．表示装置にデータを表示する方法であって、走査型プローブ顕微鏡の撮っ た試料の画像を表示する過程と、前記試料の拡大光学画像を前記表示装置に表示 する過程とを含む方法。 ６０．前記画像の両方を同時に表示する請求項５９記載の方法。 ６１．走査型プローブ電子顕微鏡画像を表示する方法であって、全体画像のラス タ走査を表示する過程と、前記画像のラスタ走査の−走査線跡を表示装置にディ ジタル的に同時に表示する過程と、 前記表示された−走査線跡フーリエ変換値を決定する過程と、決定されたフーリ エ変換値を前記表示装置に表示する過程とを含む方法。 ６２．前記表示装置において前記表示されたフーリエ変換値の第１の部分を指し 示す過程と、 前記表示装置において前記表示されたフーリエ変換値の第２の部分を指し示す過 程と、 前記第１および第２の部分の間にあるフーリエ変換の逆数を表示する過程とをさ らに含む請求項６１記載の方法。 ６３．前記−走査線跡がリアルタイムで表示した走査の生の走査線である請求項 ６１記載の方法。 ６４．前記−走査線跡が前記画像を通じた任意の走査線である請求項６１記載の 方法。 ６５．走査型プローブ電子顕微鏡画像を表示する方法であって、全体画像のラス タ走査を表示する過程と、前記画像の少なくとも一部について２次元フーリエ変 換を行う過程と、前記フーリエ変換から生ずる値を前記全体面像の表示と同時に 表示する過程とを含む方法。 ６６．前記画像の前記部分を半分以下に選ぶ過程と、前記画像の前記部分のフー リエ変換を決定する過程と、前記全体画像のためのフィルタを決定するために前 記フーリエ変換を用いる過程と、 前記全体画像に前記フィルタをかけたのちに前記全体画像を表示する過程とをさ らに含む請求項６５記載の方法。 ６７．前記表示されたフーリエ変換がリアルタイムで表示される請求項６３記載 の方法。 ６８．前記表示する過程が 前記フィルタをかけたフーリエ変換値を前記全体画像に外挿する過程と、フィル タをかけた画像を表示するように前記外挿したフィルタずみの値をフーリエ変換 する過程と を含む請求項６５記載の方法。 ６９．走査型プローブ電子顕微鏡画像を表示する方法であって、試料のディジタ ル化した光学像を表示する過程と、前記光学像に示された前記試料の一部であっ て前記試料の上の特定の位置を占める一部を走査形プローブ電子顕微鏡を用いて 走査する過程と、前記試料の前記特定の位置の表示に関連する記憶装置に前記光 学像を蓄積する過程と を含む方法。 ７０．走査型プローブ電子顕微鏡を試料の表示用に制御する方法であって、前記 試料の光学像の表示を生ずる過程と、前記表示に可動カーソルを生ずる過程と、 前記表示の上の特定の領域に前記カーソルを動かす過程と、前記特定の領域から 精細および粗位置決めにより走査線を画する過程と、前記走査型プローブ量子顕 微鏡を用いて前記画された走査分野を走査する過程と を含む方法。 ７１．前記カーソルが前記特定の領域を画することができるように可変の幅およ び長さを有する長方形である請求項７０記載の方法。