物理量測(cè)。
[0072] 又本發(fā)明的射頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)4基本上就是根據(jù)由方向耦合器32傳來的射頻反 射信號(hào)，量測(cè)射頻掃描共振電路31的射頻反射率Γ (Sll)及其與穿隧電阻Rt相對(duì)應(yīng)的變 化。然而在現(xiàn)實(shí)情況中，方向耦合器32并不完美，因?yàn)樗姆较蛐允怯邢薜模ㄒ话慵s20~ 30dB左右），所以它由耦合路徑322傳送給射頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)4的信號(hào)中除了射頻反射信 號(hào)本身外（當(dāng)中還包含耦合的損失），還包括相當(dāng)成份的由輸入路徑321泄漏至耦合路徑 322的射頻信號(hào)。而且如果由方向耦合器32的輸入路徑321輸入的射頻信號(hào)強(qiáng)度較大時(shí)， 經(jīng)由方向耦合器32漏至耦合路徑322的射頻信號(hào)強(qiáng)度甚至?xí)哌^于射頻反射信號(hào)，則提供 給射頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)4的待測(cè)信號(hào)中除了原本的射頻反射信號(hào)外，又將加上相當(dāng)于背景信 號(hào)的射頻信號(hào)，使得所要量測(cè)的射頻反射信號(hào)的變化量，相對(duì)于待測(cè)信號(hào)本身又更是微乎 其微，而將使射頻反射信號(hào)的變化量的測(cè)量變得更加地困難。
[0073] 舉例來說，若典型由方向耦合器32輸出的背景信號(hào)（即射頻信號(hào)）強(qiáng)度為_40dbm 到-50dBm，而射頻掃描共振電路31掃描表面有原子起伏的樣品20時(shí)，其產(chǎn)生的射頻反射信 號(hào)的變化量可能僅在〇. OldB甚或更低。雖然這個(gè)信號(hào)可以用低雜音低失真的射頻放大器 放大至-IOdBm左右，但信號(hào)的變化量（起伏差距）仍然為同樣的O.OldB。以現(xiàn)今功率偵測(cè) 器的能力，若想直接量測(cè)-10.0 OOdBm與-10.0 ldBm或更低的差別是非常困難的，因?yàn)楣β?偵測(cè)器輸出的噪聲位準(zhǔn)可能就近似甚或超越這個(gè)數(shù)值。
[0074] 因此，為解決上述問題，參見圖10所示，本發(fā)明還包括一與射頻信號(hào)源33電耦接 的1對(duì)2功率分配器36,其可將輸入的射頻信號(hào)一分為二，并經(jīng)由兩個(gè)輸出端分別輸出至 方向耦合器32及射頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)4,且射頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)4還包括一反射信號(hào)補(bǔ)償電路 41，其中包含一與功率分配器36的一輸出端電耦接的第一可控增益放大器VGAR，一與第一 可控增益放大器VGAR電耦接的可調(diào)移相器VPhase，及一與方向耦合器32的耦合路徑322 電耦接的第二可控增益放大器VGA。
[0075] 且在穿隧電阻Rt很大，例如IOG或更大時(shí)，令射頻信號(hào)源33輸出射頻訊號(hào)，此時(shí)， 因射頻掃描共振電路31阻抗匹配，由方向耦合器32輸入射頻掃描共振電路31的射頻信號(hào) RF的反射變化量極低，所以可視由方向耦合器32輸出至第二可控增益放大器VGA的射頻 反射信號(hào)是由方向耦合器32的輸入路徑321漏至耦合路徑322的射頻信號(hào)，以下稱的背景 信號(hào)，所以輸入第一可控增益放大器VGAR的射頻信號(hào)，以下稱的參考信號(hào)Ref，可通過調(diào)整 第一可控增益放大器VGAR的增益及可調(diào)移相器VPhase的相位，使由可調(diào)移相器VPhase輸 出的參考信號(hào)Ref與背景信號(hào)的強(qiáng)度相同且相位相差180度，再將兩者送入一組合器44相 加，讓兩者因電壓相加且相位相反而彼此抵消，使得組合器44輸出為零或接近于零。借此， 可消除射頻反射信號(hào)RFr中由方向耦合器32的輸入路徑321漏至耦合路徑322的射頻信 號(hào)成份，使得組合器44輸出的信號(hào)強(qiáng)度變化能完全反應(yīng)射頻信號(hào)RF因穿隧電壓Rt的變化 而產(chǎn)生的變化量，且此微小的變化量經(jīng)過射頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)4的一射頻功率放大器45 (參 閱圖11)放大后，即可被射頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)4的一射頻功率偵測(cè)器46輕易的測(cè)得其功率強(qiáng) 度變化量。然后，射頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)4的一顯示回授電路70再根據(jù)該功率強(qiáng)度描繪該待測(cè) 樣品20的表面樣貌并顯示描繪結(jié)果。
[0076] 進(jìn)一步而言，如圖10所示，本發(fā)明的實(shí)施例還包含一與方向耦合器32的輸入路徑 321及射頻掃描共振電路31電耦接的Bias-T電路37,以及一電耦接Bias-T電路37的電 流-電壓轉(zhuǎn)換放大器39。且Bias-T電路37包含電耦接在射頻掃描共振電路31與方向耦合 器32的輸入路徑321間的一直流隔絕電容Cs,以及一電耦接在射頻掃描共振電路31與電 流-電壓轉(zhuǎn)換放大器39間的高頻扼流線圈RFC。本發(fā)明的實(shí)施例還包含一個(gè)電連接于該射 頻偵測(cè)單元8和該待測(cè)樣品間的反饋控制單元9，該反饋控制單9根據(jù)來自該射頻偵測(cè)單元 8的指示該功率強(qiáng)度的輸出或相位差來調(diào)整該探針10的高度，該反饋控制單元9包括一個(gè) 接收該電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器39的一輸出電壓以產(chǎn)生一個(gè)直流輸出的第二反饋控制器91、 一個(gè)切換開關(guān)92,受控制以選擇來自該第二反饋控制器的直流輸出或來自該射頻偵測(cè)單元 8的輸出，做為其輸出，該反饋控制單元9還包括一個(gè)第一反饋控制器90,接收該切換開關(guān) 92的輸出以調(diào)整該探針10的高度。而且本發(fā)明在對(duì)待測(cè)樣品20進(jìn)行掃描前，會(huì)先進(jìn)行一 初始編程，也就是說，先將探針10置于離待測(cè)樣品20足夠遠(yuǎn)處，并設(shè)定射頻信號(hào)RF的頻率 與振幅，然后調(diào)整反射信號(hào)補(bǔ)償電路41內(nèi)的第一可變?cè)鲆娣糯笃鱒GA的增益，使輸出信號(hào) 功率達(dá)到一個(gè)自定的正規(guī)操作功率范圍（例如-IOdBm~-30dBm)，再調(diào)整第二可變?cè)鲆娣?大器VGAR的增益及相位調(diào)整器Vphase的相位，以讓參考信號(hào)Ref與背景信號(hào)的強(qiáng)度一致 并反相（相差180度），再將兩者經(jīng)由組合器44相加后輸出至一頻譜分析儀（圖未示），使 顯示輸出信號(hào)的強(qiáng)度，則根據(jù)背景信號(hào)消去的程度，可觀測(cè)到反射信號(hào)補(bǔ)償電路41的輸出 信號(hào)變?nèi)酰缬傻谝豢勺冊(cè)鲆娣糯笃鱒GA正規(guī)化的射頻反射信號(hào)RFr的功率為-IOdBm,若 經(jīng)反射信號(hào)補(bǔ)償電路41補(bǔ)償調(diào)整后輸出信號(hào)為-70dBm，則背景消去量為60dB，因此完成初 始編程時(shí)，反射信號(hào)補(bǔ)償電路41的輸出信號(hào)應(yīng)趨近于零，若需微調(diào)初始編程，可進(jìn)一步以 粗調(diào)步進(jìn)動(dòng)作將探針10靠近待測(cè)樣品20,使產(chǎn)生穿隧電流It經(jīng)由射頻掃描共振電路31及 Bias-T電路37送至電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器39轉(zhuǎn)換并放大成電壓，再經(jīng)由該第二反饋控制 器91輸出至該第一反饋控制器90以反饋控制探針10高度，直到該第一反饋控制器90判 斷穿隧電流It已達(dá)到一設(shè)定值，再將探針10與待測(cè)樣品20的距離拉大后，再度進(jìn)行一次 如上述的初始編程，可消除因探針10接近待測(cè)樣品20表面產(chǎn)生的電容變化。
[0077] 且上述第一可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA)、第二可變?cè)鲆娣糯笃鱒GAR及可調(diào)移相器 VPhase基本上都可以由計(jì)算機(jī)70控制，也可以手動(dòng)操作。因?yàn)檠a(bǔ)償時(shí)參考用的射頻訊號(hào)與 反射頻訊號(hào)要很精確的同振幅及180度相差才能補(bǔ)償背景信號(hào)，所以該第二壓控增益放大 器VGA、該第一可控增益放大器VGAR和該可調(diào)移相器Vphase都要有很好的分辨率及穩(wěn)定度 才能將大部份的背景信號(hào)去除。
[0078] 另外，由于上述的補(bǔ)償操作只會(huì)對(duì)單一頻率有效，所以反射信號(hào)RFr中的高次諧 波等都會(huì)留下。且由于該射頻功率偵測(cè)器46是使用可操作在寬帶的功率偵測(cè)器，所以射頻 反射信號(hào)RFr中的高次諧波信號(hào)都會(huì)成為有效輸出而降低了射頻反射信號(hào)RFr的信噪比。
[0079] 因此，同時(shí)參閱圖11，本實(shí)施例的射頻信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)4還包含一電連接該反射信 號(hào)補(bǔ)償電路41的射頻偵測(cè)單元8,該射頻偵測(cè)單元8的第一態(tài)樣為具有一電連接該反射信 號(hào)補(bǔ)償電路41以接收由該組合器44輸出的信號(hào)，并加以放大而成一個(gè)補(bǔ)償放大信號(hào)的射 頻功率放大器45、一電連接該功率放大器45以接收該補(bǔ)償放大信號(hào)并進(jìn)行濾波，以得到一 個(gè)第一濾波信號(hào)的該第一帶通濾波器471、一電連接該第一帶通濾波器471以接收該第一 濾波信號(hào)的1對(duì)2功率分配器49而產(chǎn)生分別與該射頻反射信號(hào)相關(guān)的該第一分岐信號(hào)和 一第二分岐信號(hào)，且該射頻偵測(cè)單元8還具有一電連接該1對(duì)2功率分配器49以偵測(cè)一 第一分岐信號(hào)的該功率強(qiáng)度，且提供指示該功率強(qiáng)度輸出的射頻功率偵測(cè)器46、一電連接 該反射信號(hào)補(bǔ)償電路41以接收該第一方向f禹合器42 f禹合該可調(diào)移相器VPhase所輸出的 該射頻信號(hào)，且將該射頻信號(hào)進(jìn)行濾波以得到一個(gè)第二濾波信號(hào)的第二帶通濾波器472、一 接收該第二分岐信號(hào)及該第二濾波信號(hào)，并偵測(cè)該第二分岐信號(hào)及該第二濾波信號(hào)的相位 差，且提供一個(gè)指示該相位差的輸出的相位差偵測(cè)器72,及電連接該射頻功率偵測(cè)器46、 該相位差偵測(cè)器72和該反饋控制單元9間的該顯示回授電路70。而該第一帶通濾波器471 只通過對(duì)應(yīng)頻率（工作頻率），以減少射頻反射信號(hào)RFr中的高次諧波成份。且若信噪比 為重要的考慮，第一帶通濾波器471可選用Q值極高的晶體濾波器或表面聲波濾波器（SAW filter)，這是因?yàn)樗鰹V波器的頻寬窄，可以提高射頻反射信號(hào)RFr的信噪比。但目前市場(chǎng) 上的此類產(chǎn)品都設(shè)計(jì)為商業(yè)使用頻段，不一定符合本發(fā)明的設(shè)定頻率及帶寬。
[0080] 因此，如圖12所示，本實(shí)施例的射頻偵測(cè)單元8還具有一第二態(tài)樣，該第二態(tài)樣 與該第一態(tài)樣類似，不同處在于設(shè)置一電連接于該1對(duì)2功率分配器49和該射頻功率偵 測(cè)器46間的一調(diào)頻濾波電路81，該調(diào)頻濾波電路81可針對(duì)測(cè)量該射頻功率作一頻率及濾 波的優(yōu)化，因此該調(diào)頻濾波電路81還具有一可以產(chǎn)生一本地振蕩信號(hào)的本地振蕩器L0、一 電連接該1對(duì)2功率分配器49和該本地振蕩器LO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)生一個(gè)第一混波信號(hào)的一第一混波器50、一電連接該第一混波器50 以接收該第一混波信號(hào)以得到一第三混波信號(hào)的第三帶通濾波器48,該本地振蕩信號(hào)的頻 率為射頻信號(hào)RF的共振頻率與第三帶通濾波器48的工作頻率的和或差，例如以共振頻率 820MHz為例，若使用工作頻率為374MHz的商用第三帶通濾波器48,則本地振蕩頻率可設(shè)為 820 - 374 = 446MHz或820+374 = 1194MHz。然后再通過該第一混波器（Mixer) 50將該第 一分岐信號(hào)與本地振蕩信號(hào)混頻，使將射頻反射信號(hào)移至商用第三帶通濾波器48的工作 頻率，該第三混波信號(hào)相關(guān)于該第一分岐信號(hào)，再將第三帶通濾波器48濾出來的第三混波 信號(hào)送到射頻功率偵測(cè)器46,即可大幅提高射頻反射信號(hào)的信噪比。
[0081] 若想要補(bǔ)償器優(yōu)化在一特定商用高Q值濾波器的頻率，也可以如圖13為該射頻偵 測(cè)單元8的第三態(tài)樣，該第三態(tài)樣類似于該第一態(tài)樣，不同處在于將該第一態(tài)樣的該第一 帶通濾波器471和該第二帶通濾波器472移至該射頻信號(hào)補(bǔ)償電路41前，也就是說該射頻 信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)4還包括一電連接于該方向耦合器32、該1對(duì)2功率分配器36和該射頻信號(hào) 補(bǔ)償電路41間的優(yōu)化單元89,該優(yōu)化單元89包括一第二混波器473和一第三混波器47， 該第二混波器473和該第三混波器47各別接收來自該方向耦合器32的射頻反射信號(hào)和該 1對(duì)2功率分配器36的參考信號(hào)并分別與該本地振蕩信號(hào)進(jìn)行混波、該第二混波器473和 該第三混波器47分別將混波后的一第二混波信號(hào)和一第三混波信號(hào)傳送至該第一帶通濾 波器471和該第二帶通濾波器472進(jìn)行濾波，濾波后將一第一混波濾波信號(hào)及一第二混波 濾波信號(hào)供該射頻信號(hào)補(bǔ)償電路41接收，如此一來，可先一起將操作頻率移至高Q值的該 第一帶通濾波器471和該第二帶通濾波器472所在的工作頻率，并對(duì)該第二壓控增益放大 器VGA、該第一可控增益放大器VGAR和該可調(diào)移相器VPhase等的設(shè)計(jì)都針對(duì)此工作頻率優(yōu) 化，由此可以對(duì)功率與相位最好的信噪比。
[0082] 再者，本實(shí)施例射頻反射式掃描穿隧顯微鏡所產(chǎn)生的射頻反射信號(hào)RFr的強(qiáng)度只 與穿隧電阻Rt有關(guān)。也就是說，如圖14所示的射頻反射率Γ -穿隧電阻Rt-穿隧電流 It與偏壓Vb的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以清楚的看到在不同的穿隧電流It及偏壓Vb下， 若保持穿隧電阻Rt固定，則射頻反射率Γ (以灰階顏色代表）也保持固定。由于穿隧電阻 Rt決定于待測(cè)樣品20的表面與探針10的電子組態(tài)，