射频反射式扫描穿隧显微镜的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种穿隧显微镜，特别是涉及一种射频反射式扫描穿隧显微镜。
【背景技术】
[0002] 现有穿隧显微镜在使用上具有以下几项限制，一为该待测样品需为可导电物质； 二为该现有定电流模式的穿隧显微镜会受到多个外场电子（流）源的干扰，所述外场电子 (流）源包括电子枪产生的入射电子，二次电子，欧杰电子，以及受光激发的光电子等；三为 电流电压转换器的带宽限于数十KHz之内。若所述电子源入射或离开一穿隧能障附近，则 该外部电（子）流与穿隧电流It即会一起经由电流-电压转换器放大，进而干扰既有的电 流回馈机制，造成无法扫描成像的问题。
[0003] 因此，为解决上述穿隧显微镜工作带宽受限问题，现有一种射频扫描式穿隧显微 镜被Keimiktarak等人发明，其主要电路如图1所示，其中电路的右半边仍采用现有穿隧显 微镜的电路架构，也就是说由探针10擷取到的直流穿隧电流It，经由一端与探针10电耦接 的电感L，以及与电感L另一端电耦接的Bias-T电路13输入电流-电压转换放大器11放 大后，输出至扫描控制电路12反馈控制探针10的高度，并据以描绘出样品20的表面样貌。 而左半边电路则为一射频扫描共振电路，其具有一端与电感L的一端电耦接的一接地电容 C，且一射频来源14输出的一射频信号，经由一方向耦合器15与对射频双向穿透的Bias-T 电路13及电感L输入探针10。而当探针10与待测样品20间形成的穿隧电阻Rt与电容C 并联再与电感L串联，即形成一所谓的L-Ieg低通LCR共振电路，其等效电路如图2所示。 且其共振频率为
[0004] 当选择电感L与电容C而决定了共振频率后，调整穿隧电阻Rt至Rt~IV(OZO)， 使共振电路的阻抗Zt =输出阻抗ZO (50奥姆），可得到最佳的阻抗匹配，此时共振电路会近 乎完全吸收输入的射频信号能量。
[0005] 例如图3所示，当取穿隧电阻Rt = 0. 15Mohm时，可得到良好的阻抗匹配，此时返 回损失（return loss)为45dB。若探针10远离样品20,穿隧电阻Rt增加，此时因为共振 电路的阻抗Zt与输出阻抗ZO不匹配，射频信号的反射能量就会增加，图3即说明了在不同 的穿隧电阻Rt值时，反射率迅速增加的现象。且由图3可以看出当穿隧电阻Rt由0. 15M ohm变至0. 4M ohm时，反射系数就由45dB变为15dB，当穿隧电阻Rt为IM ohm时反射系数 为12dB，而当穿隧电阻Rt在IOM ohm到IG ohm间，因为反射系数的变化实在太小，且皆在 IldB处几乎分不出来，以致在实用上很难分办出穿隧电阻IOMohm与100M ohm有何不同，而 且在实际应用时,穿隧电阻Rt常操作在10M ohm~IG ohm范围，所以上述扫描方式很难得 到有用的讯号。
[0006] 此外，由图4所示可知，上述扫描方式所获得的射频反射率强度与穿隧电阻Rt间 并非单对应关系，也就是说同一反射率强度值会对应到两个穿隧电阻Rt值，此将造成扫描 控制电路对扫描结果的误判，且若利用此反射率反馈控制探针10的高度，则会产生不稳定 的状况。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种射频反射率强度与穿隧电阻呈单对应关系，并能操作 在适当穿隧电阻值与高带宽，而不受外场电子（流）源的干扰的射频反射式扫描穿隧显微 镜。
[0008] 本发明的射频反射式扫描穿隧显微镜，具有一与一待测样品间隔且相对设置的探 针，用于扫描该待测样品的表面样貌，并包含：一射频扫描共振电路、一方向耦合器，及一射 频信号测量系统，该射频扫描共振电路包括具有一第一端及一第二端的一电感，以及与该 电感的该第一端并联的一电容、一电阻及一穿隧电阻，其中该穿隧电阻形成于该待测样品 与该探针间；该方向耦合器与该射频扫描共振电路的该电感的该第二端电耦接，且接收一 射频信号，并将该射频信号输出至该射频扫描共振电路，且接收一经由该射频扫描共振电 路反射传回的一射频反射信号；该射频信号测量系统电连接该方向耦合器以接收该射频反 射信号，并根据该射频反射信号反馈控制该探针，并产生一与该待测样品的表面样貌有关 的扫描结果。
[0009] 较佳地，该射频扫描共振电路还包括一与该电感的该第二端并联的辅助电容。
[0010] 较佳地，该射频扫描共振电路还包括一与该电容串接并由一第一外加电压控制， 以调整该射频扫描共振电路的一共振频率的第一压控电容，以及一与该辅助电容串接并由 一第二外加电压控制，以决定该射频扫描共振电路的一最终阻抗的第二压控电容。
[0011] 较佳地，该屏蔽壳体将该探针和该射频扫描共振电路包覆于其中，以避免该射频 反射信号受一外部电流（子）场干扰。
[0012] 较佳地，该屏蔽壳体包括一缺口，该缺口邻近该探针，以供该探针的一前端裸露。
[0013] 较佳地，该射频信号测量系统利用该射频反射信号反馈控制该探针，并使该射频 反射信号的能量强度或相位维持一定值的一操作模式为一定射频扫描模式。
[0014] 较佳地，该射频反射式扫描穿隧显微镜还包括一与该射频信号产生器电耦接的1 对2功率分配器，其将该射频信号一分为二，并经由两个输出端分别输出至该方向耦合器 及该射频信号测量系统，且该射频信号测量系统还包括一反射信号补偿电路，其将该1对 2功率分配器输出的该射频信号适当放大并调整其相位，并将该射频反射信号适当放大，使 该射频信号与包含于该射频反射信号中的部分该射频信号的振幅相同且相位相差180度， 再将两者相加，以消除该射频反射信号中的该射频信号成份。
[0015] 较佳地，该反射信号补偿电路包括一放大该射频信号的第一可控增益放大器、一 放大该射频反射信号的第二可控增益放大器、一调整该射频信号的相位，使与该射频反射 信号中的部分该射频信号具有180度相位差的可调移相器，以及一将该可调移相器输出的 信号与该第二可控增益放大器输出的信号相加的组合器。
[0016] 较佳地，该射频信号测量系统还包括一设在该射频补偿电路的该可调移相器与该 组合器的一输入端间的第一方向耦合器、一电连接该反射信号补偿电路的射频侦测单元， 及一电连接于该射频侦测单元和该待测样品间的反馈控制单元，该射频侦测单元接收由该 第一方向耦合器耦合该可调移相器所输出的该射频信号和该射频反射信号，并侦测该射频 信号和该射频反射信号间的一相位差和该射频反射信号的一功率强度，以得到一指示该功 率强度的输出，而该反馈控制单元根据来自该射频侦测单元的该指示该功率强度的输出来 调整该探针的1?度。
[0017] 较佳地，该射频侦测单元具有一射频功率放大器、一第一带通滤波器、一个1对2 功率分配器、一射频功率侦测器、一第二带通滤波器、一相位差侦测器，及一显示回授电路， 该射频功率放大器接收来自该反射信号补偿电路的该组合器的输出，并加以放大而成一补 偿放大信号；该第一带通滤波器电连接该射频功率放大器以接收该补偿放大信号，且将该 补偿放大信号进行滤波以得到一第一滤波信号；该1对2功率分配器电连接该第一带通 滤波器以接收该第一滤波信号，并将该第一滤波信号分为一第一分岐信号和一第二分岐信 号，该第一分岐信号和该第二分岐信号相关于该射频反射信号；射频功率侦测器电连接该 1对2功率分配器以侦测该第一分岐信号的该功率强度，且提供一指示该功率强度的输出； 第二带通滤波器电连接该反射信号补偿电路以接收该第一方向耦合器耦合该可调移相器 所输出的该射频信号，且将该射频信号进行滤波以得到该第二滤波信号；该相位差侦测器 电连接该1对2功率分配器和该第二带通滤波器以分别接收该第二分岐信号和该第二滤波 信号，用于侦测该第二分岐信号和该第二滤波信号间的该相位差，且提供一指示该相位差 的输出，该第二滤波信号相关于该射频信号；该显示回授电路电连接该射频功率侦测器、该 相位差侦测器，以接收来自该射频功率侦测器的输出与接收来自该相位差侦测器的输出， 并根据该指示该功率强度的输出或相位值描绘该待测样品的表面样貌并显示描绘结果。
[0018] 较佳地，该射频侦测单元还具有一设置于该1对2功率分配器和该射频功率侦测 器间的一调频滤波电路，该调频滤波电路具有一本地振荡器一第一混波器，及一第三带通 滤波器，该本地振荡器产生一本地振荡信号；该第一混波器电连接该1对2功率分配器和 该本地振荡器以接收该第一分岐信号和该本地振荡信号而进行混波，并产生一第一混波信 号；该第三带通滤波器电连接该第一混波器以接收该第一混波信号，且将该第一混波信号 进行滤波以得到一第三混波信号，该第三混波信号相关于该第一分岐信号，并传送至该射 频功率侦测器。
[0019] 较佳地，该射频反射式扫描穿隧显微镜还包含一电连接于于该方向耦合器、该1 对2功率分配器和该射频信号补偿电路间的优化单元，该优化单元包括一本地振荡器一第 二混波器、一第一带通滤波器、一第三混波器，及一第二带通滤波器，该本地振荡器产生一 本地振荡信号；该第二混波器电连接于该方向耦合器和该本地振荡器以接收该射频反射信 号和该本地振荡信号而进行混波，并产生一第二混波信号；该第一带通滤波器电连接该第 二混波器以接收该第二混波信号，并将该第二混波信号进行滤波而产生一第一混波滤波信 号，并将该第一混波滤波信号传送至该第二可控增益放大器VGA ;该第三混波器电连接于 该1对2功率分配器和该本地振荡器以接收该参考信号和该本地振荡信号而进行混波，并 产生一第三混波信号；该第二带通滤波器电连接该第三混波器以接收该第三混波信号，并 将该第三混波信号进行滤波而产生一第二混波滤波信号，并将该第二混波滤波信号传送至 该第一可控增益放大器VGAR。而该射频侦测单元具有一射频功率放大器、一 1对2功率分 配器、一射频功率侦测器、一相位差侦测器，及一显示回授电路，该射频功率放大器电连接 该组合器以接收该组合器输出的信号，并加以放大而成一补偿放大信号；该1对2功率分配 器电连接该射频功率放大器以接收该补偿放大信号，并将该补偿放大信号分为一第一分岐 信号和一第二分岐信号，该第一分岐信号和该第二分岐信号相关于该射频反射信号；该射 频功率侦测器电连接该1对2功率分配器以侦测该第一分岐信号的该功率强度，且提供一 指示该功率强度的输出；该相位差侦测器电连接该1对2功率分配器和该第一方向耦合器 以接收该第二分岐信号和该第一方向耦合器输出的信号，用于侦测该第二分岐信号和该第 一方向耦合器输出的信号间的该相位差，且提供一指示该相位差的输出，该第一方向耦合 器输出的信号相关于该射频信号；该显示回授电路接收来自该射频功率侦测器的输出与接 收来自该相位差侦测器的输出，并根据该指示该功率强度或相位值的输出描绘该待测样品 的表面样貌并显示描绘结果。
[0020] 较佳地，该射频反射式扫描穿隧显微镜还包括一电流-电压转换放大器，及一与 该方向耦合器和该射频扫描共振电路电耦接的Bias-τ电路，该方向耦合器输出的该射频 信号经由该Bias-T电路输入该射频扫描共振电路，且该射频扫描共振电路产生的该射频 反射信号经由该Bias-T电路输出至该方向耦合器，并且该射频扫描共振电路产生的一穿 隧电流经由该Bias-T电路输出至该电流-电压转换放大器进行放大，并转换成一输出电压 后输入该反馈控制单元，使该反馈控制单元根据该输出电压及该功率强度或相位值反馈控 制该探针。
[0021] 较佳地，该反馈控制单元包括一第二反馈控制器、一切换开关，及一第一反馈控制 器，该第二反馈控制器接收该输出电压以产生一直流输出；该切换开关受控