射頻反射式掃描穿隧顯微鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種穿隧顯微鏡，特別是涉及一種射頻反射式掃描穿隧顯微鏡。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有穿隧顯微鏡在使用上具有以下幾項(xiàng)限制，一為該待測(cè)樣品需為可導(dǎo)電物質(zhì)； 二為該現(xiàn)有定電流模式的穿隧顯微鏡會(huì)受到多個(gè)外場(chǎng)電子（流）源的干擾，所述外場(chǎng)電子 (流）源包括電子槍產(chǎn)生的入射電子，二次電子，歐杰電子，以及受光激發(fā)的光電子等；三為 電流電壓轉(zhuǎn)換器的帶寬限于數(shù)十KHz之內(nèi)。若所述電子源入射或離開(kāi)一穿隧能障附近，則 該外部電（子）流與穿隧電流It即會(huì)一起經(jīng)由電流-電壓轉(zhuǎn)換器放大，進(jìn)而干擾既有的電 流回饋機(jī)制，造成無(wú)法掃描成像的問(wèn)題。
[0003] 因此，為解決上述穿隧顯微鏡工作帶寬受限問(wèn)題，現(xiàn)有一種射頻掃描式穿隧顯微 鏡被Keimiktarak等人發(fā)明，其主要電路如圖1所示，其中電路的右半邊仍采用現(xiàn)有穿隧顯 微鏡的電路架構(gòu)，也就是說(shuō)由探針10擷取到的直流穿隧電流It，經(jīng)由一端與探針10電耦接 的電感L，以及與電感L另一端電耦接的Bias-T電路13輸入電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器11放 大后，輸出至掃描控制電路12反饋控制探針10的高度，并據(jù)以描繪出樣品20的表面樣貌。 而左半邊電路則為一射頻掃描共振電路，其具有一端與電感L的一端電耦接的一接地電容 C，且一射頻來(lái)源14輸出的一射頻信號(hào)，經(jīng)由一方向耦合器15與對(duì)射頻雙向穿透的Bias-T 電路13及電感L輸入探針10。而當(dāng)探針10與待測(cè)樣品20間形成的穿隧電阻Rt與電容C 并聯(lián)再與電感L串聯(lián)，即形成一所謂的L-Ieg低通LCR共振電路，其等效電路如圖2所示。 且其共振頻率為
[0004] 當(dāng)選擇電感L與電容C而決定了共振頻率后，調(diào)整穿隧電阻Rt至Rt~IV(OZO)， 使共振電路的阻抗Zt =輸出阻抗ZO (50奧姆），可得到最佳的阻抗匹配，此時(shí)共振電路會(huì)近 乎完全吸收輸入的射頻信號(hào)能量。
[0005] 例如圖3所示，當(dāng)取穿隧電阻Rt = 0. 15Mohm時(shí)，可得到良好的阻抗匹配，此時(shí)返 回?fù)p失（return loss)為45dB。若探針10遠(yuǎn)離樣品20,穿隧電阻Rt增加，此時(shí)因?yàn)楣舱?電路的阻抗Zt與輸出阻抗ZO不匹配，射頻信號(hào)的反射能量就會(huì)增加，圖3即說(shuō)明了在不同 的穿隧電阻Rt值時(shí)，反射率迅速增加的現(xiàn)象。且由圖3可以看出當(dāng)穿隧電阻Rt由0. 15M ohm變至0. 4M ohm時(shí)，反射系數(shù)就由45dB變?yōu)?5dB，當(dāng)穿隧電阻Rt為IM ohm時(shí)反射系數(shù) 為12dB，而當(dāng)穿隧電阻Rt在IOM ohm到IG ohm間，因?yàn)榉瓷湎禂?shù)的變化實(shí)在太小，且皆在 IldB處幾乎分不出來(lái)，以致在實(shí)用上很難分辦出穿隧電阻IOMohm與100M ohm有何不同，而 且在實(shí)際應(yīng)用時(shí),穿隧電阻Rt常操作在10M ohm~IG ohm范圍，所以上述掃描方式很難得 到有用的訊號(hào)。
[0006] 此外，由圖4所示可知，上述掃描方式所獲得的射頻反射率強(qiáng)度與穿隧電阻Rt間 并非單對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就是說(shuō)同一反射率強(qiáng)度值會(huì)對(duì)應(yīng)到兩個(gè)穿隧電阻Rt值，此將造成掃描 控制電路對(duì)掃描結(jié)果的誤判，且若利用此反射率反饋控制探針10的高度，則會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定 的狀況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種射頻反射率強(qiáng)度與穿隧電阻呈單對(duì)應(yīng)關(guān)系，并能操作 在適當(dāng)穿隧電阻值與高帶寬，而不受外場(chǎng)電子（流）源的干擾的射頻反射式掃描穿隧顯微 鏡。
[0008] 本發(fā)明的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，具有一與一待測(cè)樣品間隔且相對(duì)設(shè)置的探 針，用于掃描該待測(cè)樣品的表面樣貌，并包含：一射頻掃描共振電路、一方向耦合器，及一射 頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)，該射頻掃描共振電路包括具有一第一端及一第二端的一電感，以及與該 電感的該第一端并聯(lián)的一電容、一電阻及一穿隧電阻，其中該穿隧電阻形成于該待測(cè)樣品 與該探針間；該方向耦合器與該射頻掃描共振電路的該電感的該第二端電耦接，且接收一 射頻信號(hào)，并將該射頻信號(hào)輸出至該射頻掃描共振電路，且接收一經(jīng)由該射頻掃描共振電 路反射傳回的一射頻反射信號(hào)；該射頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)電連接該方向耦合器以接收該射頻反 射信號(hào)，并根據(jù)該射頻反射信號(hào)反饋控制該探針，并產(chǎn)生一與該待測(cè)樣品的表面樣貌有關(guān) 的掃描結(jié)果。
[0009] 較佳地，該射頻掃描共振電路還包括一與該電感的該第二端并聯(lián)的輔助電容。
[0010] 較佳地，該射頻掃描共振電路還包括一與該電容串接并由一第一外加電壓控制， 以調(diào)整該射頻掃描共振電路的一共振頻率的第一壓控電容，以及一與該輔助電容串接并由 一第二外加電壓控制，以決定該射頻掃描共振電路的一最終阻抗的第二壓控電容。
[0011] 較佳地，該屏蔽殼體將該探針和該射頻掃描共振電路包覆于其中，以避免該射頻 反射信號(hào)受一外部電流（子）場(chǎng)干擾。
[0012] 較佳地，該屏蔽殼體包括一缺口，該缺口鄰近該探針，以供該探針的一前端裸露。
[0013] 較佳地，該射頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)利用該射頻反射信號(hào)反饋控制該探針，并使該射頻 反射信號(hào)的能量強(qiáng)度或相位維持一定值的一操作模式為一定射頻掃描模式。
[0014] 較佳地，該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡還包括一與該射頻信號(hào)產(chǎn)生器電耦接的1 對(duì)2功率分配器，其將該射頻信號(hào)一分為二，并經(jīng)由兩個(gè)輸出端分別輸出至該方向耦合器 及該射頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)，且該射頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)還包括一反射信號(hào)補(bǔ)償電路，其將該1對(duì) 2功率分配器輸出的該射頻信號(hào)適當(dāng)放大并調(diào)整其相位，并將該射頻反射信號(hào)適當(dāng)放大，使 該射頻信號(hào)與包含于該射頻反射信號(hào)中的部分該射頻信號(hào)的振幅相同且相位相差180度， 再將兩者相加，以消除該射頻反射信號(hào)中的該射頻信號(hào)成份。
[0015] 較佳地，該反射信號(hào)補(bǔ)償電路包括一放大該射頻信號(hào)的第一可控增益放大器、一 放大該射頻反射信號(hào)的第二可控增益放大器、一調(diào)整該射頻信號(hào)的相位，使與該射頻反射 信號(hào)中的部分該射頻信號(hào)具有180度相位差的可調(diào)移相器，以及一將該可調(diào)移相器輸出的 信號(hào)與該第二可控增益放大器輸出的信號(hào)相加的組合器。
[0016] 較佳地，該射頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)還包括一設(shè)在該射頻補(bǔ)償電路的該可調(diào)移相器與該 組合器的一輸入端間的第一方向耦合器、一電連接該反射信號(hào)補(bǔ)償電路的射頻偵測(cè)單元， 及一電連接于該射頻偵測(cè)單元和該待測(cè)樣品間的反饋控制單元，該射頻偵測(cè)單元接收由該 第一方向耦合器耦合該可調(diào)移相器所輸出的該射頻信號(hào)和該射頻反射信號(hào)，并偵測(cè)該射頻 信號(hào)和該射頻反射信號(hào)間的一相位差和該射頻反射信號(hào)的一功率強(qiáng)度，以得到一指示該功 率強(qiáng)度的輸出，而該反饋控制單元根據(jù)來(lái)自該射頻偵測(cè)單元的該指示該功率強(qiáng)度的輸出來(lái) 調(diào)整該探針的1?度。
[0017] 較佳地，該射頻偵測(cè)單元具有一射頻功率放大器、一第一帶通濾波器、一個(gè)1對(duì)2 功率分配器、一射頻功率偵測(cè)器、一第二帶通濾波器、一相位差偵測(cè)器，及一顯示回授電路， 該射頻功率放大器接收來(lái)自該反射信號(hào)補(bǔ)償電路的該組合器的輸出，并加以放大而成一補(bǔ) 償放大信號(hào)；該第一帶通濾波器電連接該射頻功率放大器以接收該補(bǔ)償放大信號(hào)，且將該 補(bǔ)償放大信號(hào)進(jìn)行濾波以得到一第一濾波信號(hào)；該1對(duì)2功率分配器電連接該第一帶通 濾波器以接收該第一濾波信號(hào)，并將該第一濾波信號(hào)分為一第一分岐信號(hào)和一第二分岐信 號(hào)，該第一分岐信號(hào)和該第二分岐信號(hào)相關(guān)于該射頻反射信號(hào)；射頻功率偵測(cè)器電連接該 1對(duì)2功率分配器以偵測(cè)該第一分岐信號(hào)的該功率強(qiáng)度，且提供一指示該功率強(qiáng)度的輸出； 第二帶通濾波器電連接該反射信號(hào)補(bǔ)償電路以接收該第一方向耦合器耦合該可調(diào)移相器 所輸出的該射頻信號(hào)，且將該射頻信號(hào)進(jìn)行濾波以得到該第二濾波信號(hào)；該相位差偵測(cè)器 電連接該1對(duì)2功率分配器和該第二帶通濾波器以分別接收該第二分岐信號(hào)和該第二濾波 信號(hào)，用于偵測(cè)該第二分岐信號(hào)和該第二濾波信號(hào)間的該相位差，且提供一指示該相位差 的輸出，該第二濾波信號(hào)相關(guān)于該射頻信號(hào)；該顯示回授電路電連接該射頻功率偵測(cè)器、該 相位差偵測(cè)器，以接收來(lái)自該射頻功率偵測(cè)器的輸出與接收來(lái)自該相位差偵測(cè)器的輸出， 并根據(jù)該指示該功率強(qiáng)度的輸出或相位值描繪該待測(cè)樣品的表面樣貌并顯示描繪結(jié)果。
[0018] 較佳地，該射頻偵測(cè)單元還具有一設(shè)置于該1對(duì)2功率分配器和該射頻功率偵測(cè) 器間的一調(diào)頻濾波電路，該調(diào)頻濾波電路具有一本地振蕩器一第一混波器，及一第三帶通 濾波器，該本地振蕩器產(chǎn)生一本地振蕩信號(hào)；該第一混波器電連接該1對(duì)2功率分配器和 該本地振蕩器以接收該第一分岐信號(hào)和該本地振蕩信號(hào)而進(jìn)行混波，并產(chǎn)生一第一混波信 號(hào)；該第三帶通濾波器電連接該第一混波器以接收該第一混波信號(hào)，且將該第一混波信號(hào) 進(jìn)行濾波以得到一第三混波信號(hào)，該第三混波信號(hào)相關(guān)于該第一分岐信號(hào)，并傳送至該射 頻功率偵測(cè)器。
[0019] 較佳地，該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡還包含一電連接于于該方向耦合器、該1 對(duì)2功率分配器和該射頻信號(hào)補(bǔ)償電路間的優(yōu)化單元，該優(yōu)化單元包括一本地振蕩器一第 二混波器、一第一帶通濾波器、一第三混波器，及一第二帶通濾波器，該本地振蕩器產(chǎn)生一 本地振蕩信號(hào)；該第二混波器電連接于該方向耦合器和該本地振蕩器以接收該射頻反射信 號(hào)和該本地振蕩信號(hào)而進(jìn)行混波，并產(chǎn)生一第二混波信號(hào)；該第一帶通濾波器電連接該第 二混波器以接收該第二混波信號(hào)，并將該第二混波信號(hào)進(jìn)行濾波而產(chǎn)生一第一混波濾波信 號(hào)，并將該第一混波濾波信號(hào)傳送至該第二可控增益放大器VGA ;該第三混波器電連接于 該1對(duì)2功率分配器和該本地振蕩器以接收該參考信號(hào)和該本地振蕩信號(hào)而進(jìn)行混波，并 產(chǎn)生一第三混波信號(hào)；該第二帶通濾波器電連接該第三混波器以接收該第三混波信號(hào)，并 將該第三混波信號(hào)進(jìn)行濾波而產(chǎn)生一第二混波濾波信號(hào)，并將該第二混波濾波信號(hào)傳送至 該第一可控增益放大器VGAR。而該射頻偵測(cè)單元具有一射頻功率放大器、一 1對(duì)2功率分 配器、一射頻功率偵測(cè)器、一相位差偵測(cè)器，及一顯示回授電路，該射頻功率放大器電連接 該組合器以接收該組合器輸出的信號(hào)，并加以放大而成一補(bǔ)償放大信號(hào)；該1對(duì)2功率分配 器電連接該射頻功率放大器以接收該補(bǔ)償放大信號(hào)，并將該補(bǔ)償放大信號(hào)分為一第一分岐 信號(hào)和一第二分岐信號(hào)，該第一分岐信號(hào)和該第二分岐信號(hào)相關(guān)于該射頻反射信號(hào)；該射 頻功率偵測(cè)器電連接該1對(duì)2功率分配器以偵測(cè)該第一分岐信號(hào)的該功率強(qiáng)度，且提供一 指示該功率強(qiáng)度的輸出；該相位差偵測(cè)器電連接該1對(duì)2功率分配器和該第一方向耦合器 以接收該第二分岐信號(hào)和該第一方向耦合器輸出的信號(hào)，用于偵測(cè)該第二分岐信號(hào)和該第 一方向耦合器輸出的信號(hào)間的該相位差，且提供一指示該相位差的輸出，該第一方向耦合 器輸出的信號(hào)相關(guān)于該射頻信號(hào)；該顯示回授電路接收來(lái)自該射頻功率偵測(cè)器的輸出與接 收來(lái)自該相位差偵測(cè)器的輸出，并根據(jù)該指示該功率強(qiáng)度或相位值的輸出描繪該待測(cè)樣品 的表面樣貌并顯示描繪結(jié)果。
[0020] 較佳地，該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡還包括一電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器，及一與 該方向耦合器和該射頻掃描共振電路電耦接的Bias-τ電路，該方向耦合器輸出的該射頻 信號(hào)經(jīng)由該Bias-T電路輸入該射頻掃描共振電路，且該射頻掃描共振電路產(chǎn)生的該射頻 反射信號(hào)經(jīng)由該Bias-T電路輸出至該方向耦合器，并且該射頻掃描共振電路產(chǎn)生的一穿 隧電流經(jīng)由該Bias-T電路輸出至該電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成一輸出電壓 后輸入該反饋控制單元，使該反饋控制單元根據(jù)該輸出電壓及該功率強(qiáng)度或相位值反饋控 制該探針。
[0021] 較佳地，該反饋控制單元包括一第二反饋控制器、一切換開(kāi)關(guān)，及一第一反饋控制 器，該第二反饋控制器接收該輸出電壓以產(chǎn)生一直流輸出；該切換開(kāi)關(guān)受控