納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統的製作方法
2023-12-11 15:50:22
專利名稱：納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種納米材料及器件的檢測裝置，特別是一種基於電子束曝光系統/電子束圖形發生系統的磁場施加，高頻電磁信號產生、引入、傳輸和測量以及大範圍下的納米定位的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統。
背景技術：
隨著納米加工和檢測技術的發展，納米材料與器件已經廣泛應用於包括諸如電子、磁學、化學、生物等多個領域。針對納米材料和器件的研究，已經成為凝聚態物理以及現代信息技術和工業生產中的核心問題之一。1988年以來，自旋電子學的飛速發展正在逐步將信息科學帶入一個包含納米磁性材料的極高密度磁存儲(T-bit/inch2)和納秒級快速讀寫的時代，這意味著對納米材料和器件的研究要進入一個包含納米微觀結構成像、納米圖形化以及GHz高頻操作、有磁場或電場參與的綜合測量與分析的完備過程。·
電子束曝光(electron beam lithography,EBL)系統是目前集成納米結構製備和觀測的重要設備之一，包含掃描電子顯微鏡(SEM)成像功能和電子束圖形發生器，即利用聚焦電子束直接在抗蝕劑層上寫出納米圖形。根據電子束束斑小和能量高的特點，利用電子束曝光系統可以製得5-10納米線寬的納米結構，是製作納米材料和器件的理想方法。目前，最小線寬小於5納米的納米結構製備的世界紀錄，是由德國Raith公司的EBL系統得以實現並保持至今。儘管部分EBL系統引入了電信號測量功能的探針臂，但是，目前EBL系統還無法實現對納米材料和器件的直接觀測與原位電、磁信號操控及測量上的相互兼容。其瓶頸問題主要是因為=EBL系統中用於曝光和成像的電子，會在原位測量樣品用的外加磁場或電場的作用下發生偏轉，因而會嚴重幹擾和影響電子束的聚焦與掃描。另外，由於探針結構未經過特殊設計，無法完成高頻信號在電子束真空系統內的傳輸和測量，因而無法實現原位納米器件的高頻信號傳輸和測量。國內外現階段，通常對於納米材料和器件的高頻磁、電輸運特性測試的方法是，先用EBL曝光結合多步微納米加工製備用於傳輸高頻信號的特殊電極結構，並進行初步直流或者低頻交流磁電特性測試，然後再放入專門的高頻測試系統進行磁電高頻響應信號的測量。由於納米尺度下的圖形化工藝難度大、製備周期長、加工和測量過程繁鎖等，不僅增加了製造成本，也極大延長了納米材料和器件的測試時間，成功率和成品率也受到顯著的影響。除此之外，目前的電子束曝光系統雖然集成了具有納米級定位功能的探針臂，但無法完成I英寸或以上大範圍內的精確納米定位，僅能在較小的(數個微米範圍)內完成探針與樣品的定位和連接。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種能夠實現陣列式納米材料和器件的圖形化和形貌觀測、以及原位條件下超寬頻磁電輸運特性的測試及分析的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統。為了實現上述目的，本發明提供了一種納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，包括電源、控制裝置和測量裝置，所述控制裝置與所述測量裝置連接，所述控制裝置和所述測量裝置分別與所述電源連接，其中，所述測量裝置包括具有SEM成像或EBL圖形化功能的成像裝置、真空腔、真空系統、樣品臺和磁場響應特性測試裝置，所述真空系統與所述真空腔連接，所述成像裝置、所述樣品臺及所述磁場響應特性測試裝置均設置在所述真空腔內，所述成像裝置及所述磁場響應特性測試裝置對應於所述樣品臺設置。上述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其中，所述磁場響應特性測試裝置包括支架及安裝在所述支架上的磁場發生裝置和磁場移動機構353，所述磁場發生裝置包括線圈和導磁磁極，所述導磁磁極與所述磁場移動機構353連接。上述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其中，所述導磁磁極為軟磁性材料錐形結構件，所述軟磁性材料為NiFe合金、矽鋼片或軟磁鐵氧體。上述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其中，所述線圈為亥姆霍茲線圈。
上述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其中，所述磁場響應特性測試裝置還包括磁場屏蔽機構，所述磁場屏蔽機構安裝在所述支架上並對應於所述樣品臺設置。上述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其中，所述磁場屏蔽機構為磁場屏蔽罩或磁場屏蔽板。上述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其中，還包括電場響應特性測試裝置，所述電場響應特性測試裝置設置在所述真空腔內並設置在所述樣品臺上方。上所述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其中，所述電場響應特性測試裝置包括垂直電場施加平板和/或水平電場施加平板以及平板移動機構，所述垂直電場施加平板和/或水平電場施加平板分別與所述平板移動機構連接。上述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其中，還包括光響應特性測試裝置，所述光響應特性測試裝置包括光源和光響應特性測試部件，所述光響應特性測試部件設置在所述真空腔內。上述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其中，所述光響應特性測試部件包括光纖、光纖探頭和可移動支架，所述光纖分別與所述光源及所述光纖探頭連接，所述光纖探頭安裝在所述可移動支架上，所述可移動支架對應於所述樣品臺設置在所述真空腔內。上述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其中，還包括寬頻信號測試分析裝置，所述寬頻信號測試分析裝置包括信號產生裝置、信號傳輸裝置和信號分析裝置，所述信號產生裝置及所述信號分析裝置分別與所述信號傳輸裝置連接，所述信號傳輸裝置與所述真空腔連接並對應於所述樣品臺設置。上述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其中，所述信號傳輸裝置包括高頻探針臂和/或低頻探針臂、探針臂移動機構和探針，所述高頻探針臂和/或低頻探針臂與所述探針臂移動機構連接，所述探針安裝在所述高頻探針臂和/或低頻探針臂的前端。上述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其中，所述探針臂移動機構包括三維機械移動部件和三維壓電移動部件。上述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其中，所述高頻探針臂包括第一探針臂和第二探針臂，所述三維機械移動部件通過波紋管與所述第一探針臂連接，所述第一探針臂與所述第二探針臂之間通過所述三維壓電移動部件連接。
上述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其中，所述信號傳輸裝置還包括探針定位機構，所述探針定位機構安裝在所述高頻探針臂和/或低頻探針臂的前端，所述探針定位機構與所述控制裝置連接。上述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其中，所述信號產生裝置包括高頻網絡分析儀、電壓源及電流源，所述高頻探針臂和/或低頻探針臂分別與所述高頻網絡分析儀、所述電壓源及所述電流源連接。上述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其中，所述信號分析裝置包括頻譜分析儀，所述頻譜分析儀分別與所述高頻探針臂和/或低頻探針臂及所述控制裝置連接。上述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其中，所述真空腔內還設置有樣品臺移動機構，所述樣品臺安裝在所述樣品臺移動機構上，所述樣品臺移動機構與所述控 制裝置連接。本發明的有益功效在於本發明的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，基於包含SEM高分辨成像功能的EBL系統，在微納米結構成像和圖形化的基礎上，將均勻磁場或電場有效地引導在樣品臺中心區域，並且將寬頻電磁信號以具有納米級定位功能的探針引入並施加在納米結構或器件上，同時包含寬頻電磁信號的引入、引出和測試分析。該系統能夠實現陣列式納米材料和器件的圖形化和形貌觀測、以及原位條件下超寬頻磁電輸運特性的測試及分析。和現有技術相比，本發明在EBL的功能基礎上，集成了可以在原位進行高頻磁、電、光特性測試與研究的多種功能或綜合測試的研究功能，可以快速高效地進行納米材料和器件及其陣列樣品的測試與研究，具有廣泛的應用領域和市場需求。以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
圖I為本發明的結構框圖；圖2為本發明一實施例測量裝置的結構框圖；圖3為本發明的成像裝置工作原理圖；圖4為本發明一實施例的結構示意圖；圖5A本發明一實施例的真空腔內部結構示意圖；圖5B為本發明一實施例的磁場響應特性測試裝置結構示意圖(磁場發生裝置及磁場屏蔽機構均處於關閉狀態)；圖5C為本發明一實施例的磁場響應特性測試裝置結構示意圖(磁場發生裝置及磁場屏蔽機構均處於開啟狀態)；圖6A為本發明一實施例的垂直電場響應特性測試裝置結構示意圖；圖6B為本發明一實施例的水平電場響應特性測試裝置結構示意圖；圖7為本發明一實施例的光響應特性測試裝置結構示意圖；圖8為本發明一實施例的聞頻探針臂結構不意圖；圖9為本發明一實施例的高頻探針臂使用導電傳感器時的結構示意圖。其中，附圖標記
I電源2控制裝置21控制面板22控制主機23通信接口3測量裝置31成像裝置311電子槍312二次電子探測器
32真空腔33真空系統34樣品臺341樣品臺移動機構342垂直升降小樣品臺35磁場響應特性測試裝置351支架352磁場發生裝置3521線圈3522導磁磁極353磁場移動機構354 磁場屏蔽機構36 電場響應特性測試裝置361 垂直電場施加平板362水平電場施加平板37 光響應特性測試裝置371 光源372 光響應特性測試部件3721 光纖3722光纖探頭3723可移動支架3724 接口38 寬頻信號測試分析裝置381 信號產生裝置3811高頻網絡分析儀3812 電壓源3813 電流源382 信號傳輸裝置3821高頻探針臂38211第一探針臂38212第二探針臂3822低頻探針臂3823探針臂移動機構38231三維機械移動部件
38232三維壓電移動部件38233 波紋管3824 探針3825探針定位機構383 信號分析裝置4 樣品
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作具體的描述本發明將測量磁場引入到具有SEM成像或EBL圖形化功能的的樣品臺上，實現對被測納米材料或器件的磁場響應特性測試。參見圖I、圖2及圖3，圖I為本發明的結構框圖，圖2為本發明一實施例測量裝置的結構框圖，圖3為本發明的成像裝置工作原理圖。本發明的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，包括電源I、控制裝置2和測量裝置3，所述控制裝置2與所述測量裝置3連接，所述控制裝置2和所述測量裝置3分別與所述電源I連接，所述測量裝置3包括具有SEM成像或EBL圖形化功能的成像裝置31、真空腔32、真空系統33、樣品臺34和磁場響應特性測試裝置35，所述真空系統33與所述真空腔32連接，所述成像裝置31、所述樣品臺34及所述磁場響應特性測試裝置35均設置在所述真空腔32內，所述成像裝置31及所述磁場響應特性測試裝置35對應於所述樣品臺34設置。其中，本發明的成像裝置31包括電子槍311和二次電子探測器312，其SEM成像或EBL圖形化功能的原理如圖3所示，因該成像裝置的結構及其原理均為較成熟的現有技術，在此不做贅述。上述的具有SEM成像或EBL圖形化功能的成像裝置31、真空腔32、真空系統33及樣品臺34，也可直接採用目前已經具有成熟技術的實驗或者工業級EBL設備。該EBL設備包括三個基本部分電子槍、電子透鏡和電子偏轉器等其它輔助部件(束流測量裝置，用來測量曝光的電子束流大小；反射電子測量裝置，用來觀察樣品表面的對準標記；工作平臺，用來放置和移動曝光樣品；真空系統；高壓電源；計算機圖形發生器，用來將圖形數據轉換為控制偏轉器的電信號)。電子束曝光系統按照電子束的形狀可以分為高斯束(或圓形束)和變形束(或矩形束)。其中高斯束因圓形束斑內的電流分布為高斯函數而得名。高斯束電子曝光系統是一種矢量掃描式曝光系統，具有較高的解析度，但其掃描速度比光柵掃描式低得多。其中具有代表性的是德國的Raith公司的Raithl50電子束曝光系統，它兼有掃描電鏡和電子束曝光兩種功能，最小束徑為4納米。其主要特徵是包含能量可調的電子槍，電子能量從5keV到300keV ;具有電子束聚焦功能的磁透鏡組和SEM成像功能的二次電子探測器；具有電子束聚焦和偏轉的用於電子束直寫功能的電子束控制電極以及相應的軟體；具有可在水平二維方向任意移動的範圍達到I英寸或者以上、定位精度為10納米的樣品臺，樣品臺大小為I至12英寸；電子束和樣品所在的腔體背底真空度優於10_5Pa。本發明中所有的設備通過GPIB線23相連，通過控制裝置2的控制主機22中的控制軟體控制，通過控制面板21進行操作。因其結構及功用均為較成熟的現有技術，在此不作贅述。參見圖4及圖5A，圖4為本發明一實施例的結構示意圖，圖5A本發明一實施例的真空腔內部結構示意圖。本實施例中，所述磁場響應特性測試裝置35包括支架351及安裝在所述支架351上的磁場發生裝置352和磁場移動機構353，所述磁場發生裝置352包括線圈3521和導磁磁極3522，所述導磁磁極3522與所述磁場移動機構353連接。其中，所述導磁磁極3522優選為軟磁性材料錐形結構件，因為其容易磁化和退磁，具有很高的磁導率，可以起到加強磁場強度和降低剩磁的作用。所述軟磁性材料優選為NiFe合金、矽鋼片或軟磁鐵氧體。所述線圈3521優選為一對亥姆霍茲線圈3521。本實施例中，該磁場由真空腔內的一對亥姆霍茲線圈3521產生，並通過具有錐形結構的軟磁性材料製作的導磁磁極3522，將磁場有效地傳遞到樣品臺34周圍。磁場的方向和大小是通過能夠改變方向和連續變化大小的直流電源控制，其範圍為可以根據需要設定，磁場最大幅值控制在500 Oe到5000 Oe0整體的亥姆霍茲線圈以及軟導磁磁極由磁場屏蔽罩覆蓋，屏蔽罩採用高磁導率的鐵磁材料做成屏蔽罩。另外，在磁場電流源關閉和導磁磁極不用的時候，在磁鐵屏蔽罩的前端設有的磁鐵屏蔽擋板處於關閉狀態，以達到最佳的磁場屏蔽效果，進而有效地避免導磁磁極剩磁及雜散磁場對電子束的影響，如圖5B。當測量使用外加磁場時，磁鐵屏蔽擋板打開，軟導磁磁極可以移動出來並靠近樣品臺34。採用步進電機裝置操控導磁磁極的移動，以實現連續和精確可調。所述亥姆霍茲線圈由高電導率的導電絲繞制，導線直徑為O. 2到2mm，線圈匝數和 直徑可以根據需要的磁場來確定。所述線圈外圍可以用循環水套包裹進行冷卻。所述磁極具有圓錐形結構，電極頂端設計成凹面型，使得在靠近樣品臺一端可以將磁力線密度提高並產生均勻的磁場。所述軟磁性材料為具有高磁導率、小剩磁特性的材料，優選純鐵和低碳鋼、鐵娃系合金、鐵招系合金、鐵娃招系合金、鎳鐵系合金、鐵鈷系合金、軟磁鐵氧體、非晶態軟磁合金、顆粒尺寸在50nm左右的超微晶軟磁合金。所述軟磁芯磁電極由步進電機控制的機械傳輸裝置操控，可以自由的伸進和退出，範圍為10至50cm，其移動由相應的軟體和程序來控制。本實施例中，導磁磁極3522可由機械裝置(例如步進電機或液壓泵)控制接近樣品或遠離樣品，在需要外加磁場時，其磁頭可以移動並靠近樣品臺34，同時亥姆霍茲線圈的電流源提供電流施加磁場；不需要磁場或者利用電子束進行直寫或者成像時，導磁磁極3522退到遠離樣品臺34的位置，同時關閉用於施加磁場的電流源，同時，還可以採取電磁屏蔽措施，以保證不影響電子束指寫或成像的操控。所述磁場響應特性測試裝置35還包括磁場屏蔽機構354,所述磁場屏蔽機構354安裝在所述支架351上並對應於所述樣品臺34設置(參見圖5B。圖5C)。本實施例中，所述磁場屏蔽機構354優選為磁場屏蔽罩或磁場屏蔽板。參見圖6A及圖6B，圖6A為本發明一實施例的垂直電場響應特性測試裝置結構示意圖，圖6B為本發明一實施例的水平電場響應特性測試裝置結構示意圖。本發明的測量裝置3還可包括電場響應特性測試裝置36，所述電場響應特性測試裝置36設置在所述真空腔32內並設置在所述樣品臺34上方。本實施例中，所述電場響應特性測試裝置36包括垂直電場施加平板361和/或水平電場施加平板362以及平板移動機構(圖未不)，所述垂直電場施加平板361和/或水平電場施加平板362分別與所述平板移動機構連接。所述水平電場施加平板362和/或垂直電場施加平板361，分別將平面或垂直方向的施加電場引入到樣品臺34上，實現對納米材料和器件的電場響應特性的測試。該水平電場施加平板362和/或垂直電場施加平板361可分別為在真空腔32內的一對可相對移動的金屬平板電極，或者與金屬導電樣品臺34相對應的上方設置一個相同形狀大小且可移動的金屬平板電極，通過施加電壓可分別產生水平電場或垂直電場，施加的電壓可在O至IIOV或220V之間，或者根據測試需要施加更高的電壓(產生更強電場)。電壓可以是直流電壓，也可以是交流電壓(產生的電場可以是穩恆電場，也可以是交變電場)。在不需要外加電場的情況下，移動和拉開該對水平電場施加平板362或提升上部的垂直電場施加平板361，使其退至真空腔32的腔壁邊緣，遠離樣品臺34和真空腔電子束工作的中心區域即可。為了減小金屬樣品臺對面內電場分布的影響，可以利用在樣品臺34中間升起的垂直升降小樣品臺342託起樣品4，置入兩個金屬電極之間，再利用兩金屬平板電極施加面內電場，如圖6B所不通過調節該對水平電場施加平板362的間距，或者通過調節頂端可移動的垂直電場施加平板361和樣品臺34之間的距離，也可進一步在恆電壓下調節對納米材料和器件所施加的電場值的大小。當然，也可以在選定兩個金屬平板電極之間的距離後，通過改變外加電壓值來調節所施加電場的大小。所述垂直電場是通過金屬樣品臺34及與其相對應的正上方一個相同形狀大小且可以移動的金屬平板電極垂直電場施加平板361之間施加電壓來實現的，兩者之間的間距
可調(< IOcm)。在不需要垂直電場的情況下，可以將上方的垂直電場施加平板361垂直提升再水平移出樣品臺34的測量範圍。垂直電場施加平板361的尺寸可以根據實際需要進行調整，通常和測試用樣品臺34的形狀及尺寸相同(1-12寸之間)，這樣可以形成最均勻的垂直電場。上述垂直電場施加平板361可以通過兩種方法施加電壓一種是在探針進行原位測試的時候，進行電壓(電場)的施加；另一種方法是，為了減小探針本身對電場分布的影響，可以先對樣品施加電場、再移走可移動的金屬平板電極，然後再進行納米材料或器件的磁電特性測試。但後一種方法僅限於對電磁場響應有記憶效應的納米材料或器件。參見圖7,圖7為本發明一實施例的光響應特性測試裝置結構示意圖。本發明的測量裝置3還可包括光響應特性測試裝置37，所述光響應特性測試裝置37設置在所述真空腔32內。本實施例中，所述光響應特性測試裝置37包括光源371和光響應特性測試部件372，所述光響應特性測試部件372設置在所述真空腔32內，可以將光束(包括雷射、紅外和紫外等頻段的光波/光場)引入真空腔32中並輻照在樣品4上，實現對被測納米材料和器件的光響應特性測試。其中，所述光響應特性測試部件372包括光纖3721、光纖探頭3722和可移動支架3723，所述光纖3721 —端與所述光源371連接，所述光纖3721通過接口 3724穿過真空腔32的腔壁進入真空腔32，所述光纖3721的另一端與所述光纖探頭3722連接，光束是通過導入到真空腔32內的光纖3721進行傳輸的，所述光纖探頭3722安裝在所述可移動支架3723上，所述可移動支架3723對應於所述樣品臺34設置在所述真空腔32內。雷射或其它光源產生的光束通過光纖3721導入到真空腔32內並引導至樣品4的表面。其中，引入光的波長、強度和單色性等可以根據待測樣品4的光輻射或光激發的不同需要，配置不同的光源或雷射器。在不需要研究光輻照和光激發的情況下，該光纖3721、光纖探頭3722可以通過可移動支架3723移開到真空腔32的腔壁附近，遠離電子束(EBL)指寫和SEM成像中心區域。參見圖4，本發明的測量裝置3還可包括寬頻信號測試分析裝置38，可將寬頻信號(O至10、20、40、60或IOOGHz範圍)引入真空腔32中，並且包含有信號的傳輸、導入導出、以及測試和分析等功能。其中，針對不同信號的需要，可以配置不同的頻率段的信號的輸入，例如低於300MHz的射頻信號或者高於300MHz直到IOOGHz的高頻信號。其中，高頻信號的導入和導出通過包含特殊設計的可移動高頻探針臂3821來實現，並可以通過高頻探針3824施加到納米結構或器件上，進而完成高頻信號的施加和探測。低頻信號的導入和導出通過可移動低頻探針臂3822來實現，並可以通過探針3824施加到納米結構和器件上，進而完成低頻以及直流信號的施加與探測。所述寬頻信號測試分析裝置38包括信號產生裝置381、信號傳輸裝置382和信號分析裝置383，所述信號產生裝置381及所述信號分析裝置383分別與所述信號傳輸裝置382連接，所述信號傳輸裝置382與所述真空腔32連接並對應於所述樣品臺34設置。本實施例中，所述信號傳輸裝置382包括高頻探針臂3821和/或低頻探針臂3822、探針臂移動機構3823和探針3824，所述高頻探針臂3821和/或低頻探針臂3822與所述探針臂移動機構3823連接，所述探針3824安裝在所述高頻探針臂3821和/或低頻探針臂3822的前端。所述探針臂移動機構3823包括三維機械移動部件38231和三維壓電移動部件38232，各高頻探針臂3821和/或低頻探針臂3822可以單獨移動，三維機械移動部件38231可以實現探針臂在一定範圍內的快速移動，結合腔內的SEM成像功能可以實現快速、大範圍的定位。然後通過三維壓電移動部件38232，結合腔內的SEM成像功能可以實現10納米級的精確定位。其中四根探針3824根據需要可以同時為高頻信號 輸入、輸出探針，也可以為兩個高頻探針和兩個普通探針。當不需要進行高頻測量時，探針3824也可以換為普通的探針。通過高頻探針，可以將高頻信號直接導出到納米級器件中，並且可以直接從納米級器件中獲得高頻信號。通過普通探針可以進行低頻或直流信號的測量。所述探針3824結構根據所測試的樣品4特性來具體設定。用於超寬頻率範圍電磁特性測量的探針，其針尖結構為基本的地-信號-地(GSG)結構，探針針角間距可以從50納米到100微米之間進行選擇。參見圖8，圖8為本發明一實施例的高頻探針臂結構示意圖。本實施例中，所述高頻探針臂3821包括第一探針臂38211和第二探針臂38212，所述三維機械移動部件38231通過波紋管38233與所述第一探針臂38211連接，所述第一探針臂38211與所述第二探針臂38212之間通過所述三維壓電移動部件38232連接。所述三維機械移動部件38231驅動可以實現樣品在I至12英寸範圍內快速的移動，而三維壓電移動部件38232驅動可以實現納米級的精確定位。所述信號傳輸裝置382還可包括探針定位機構3825，所述探針定位機構3825安裝在所述高頻探針臂3821和/或低頻探針臂3822上，所述探針定位機構3825與所述控制裝置2連接。本實施例中，該探針定位機構3825優選為壓力傳感器和/或導電傳感器，以控制探針3824和樣品4表面的接觸，壓力傳感器檢測針尖和樣品表面的接觸力，不會對針尖和樣品造成損壞。達到預定值以後通過控制裝置2控制探針臂移動機構停止下針，以保證樣品4不被損壞(參見圖8);導電傳感器用於測試導電樣品4的下針過程的控制(參見圖9)，對於導電的被測樣品及器件，並且在樣品不會因為通過微弱電流而損壞的情況下，可以採用導電傳感器。當樣品接觸表面時，導電傳感器產生的電流會由針尖進入樣品並構成迴路，並通過電壓探測出來，實現控制針尖與樣品的接觸力。通過在探針3824的針尖和樣品4之間預加一個微小電壓，當其之間導通即有電流顯示時就可以認為探針3824的針尖與樣品4已經有良好的歐姆接觸。所述信號產生裝置381包括高頻網絡分析儀3811、電壓源3812及電流源3813，所述高頻探針臂3821和/或低頻探針3824臂3822分別與所述高頻網絡分析儀3811、所述電壓源3812及所述電流源3813連接。所述信號分析裝置383包括頻譜儀，所述頻譜儀分別與所述高頻探針3824臂3821和/或低頻探針3824臂3822及所述控制裝置2連接。上述高寬頻信號產生、測量以及分析均可以由高頻網絡分析儀3811以及頻譜儀完成(頻率最高為100GHz，可以根據用戶的需求和不同頻段的信號來進行配置)。上述高頻信號可以使用商用的高頻信號源，通常由石英晶振產生或者半導體電容電感(RLC)振蕩器產生；也可以選擇使用基於納米環狀磁性隧道結的自旋振蕩器(例如申請號為「200810119751. X」和申請號為「200810222965. X」的中國發明專利申請所公開的微波振蕩器，其高頻範圍為500M—20GHZ。由於其器件尺寸小易於集成，頻率可以通過直流電信號或磁場調控等特點，不僅可以用於微波發生器和探測器、無線通信系統、機載雷達信號發生器、計算機CPU系統等各類高頻器件中，也可以用於本發明中的高頻信號發生源裝置之中)。上述低頻以及直流信號的產生、測量與分析，均可以採用高精度的鎖相放大器(如型號SR830)、納伏表(如吉時利2182A)以及電流源表(如吉時利2600)等完成。線可以選用·具有噪音抑制效果的同軸電纜導線。所述真空腔32內還設置有樣品臺移動機構341，以實現樣品的大範圍移動與精確定位。所述樣品臺34安裝在所述樣品臺移動機構341上，所述樣品臺移動機構341與所述控制裝置2連接。另外，樣品臺34也可以配置垂直升降小樣品臺342(參見圖6B)。樣品4較大範圍的移動通過可以通過樣品臺移動機構341來實現。同時,高頻探針臂3821也可以實現有限範圍的機械移動以及壓電陶瓷驅動的納米級精確移動。本發明具有微納米加工和成像、電場和磁場調控下的電輸運及磁電特性測試功能、以及高頻磁電信號的檢測能力，由於其功能集成度高，並且易於實現快速的器件批量測試，因此，可以廣泛應用於半導體、微電子、磁電子、自旋電子學的材料及其器件的測量和研究領域，也可以廣泛應用於信息產業中的相關電子產品的批量檢測和質量監督。本發明能很好地克服現有技術的不足，只需要對所需納米材料或器件進行簡單或較少步驟的納米加工，就可以在EBL成像的引導下，對探針進行定位，直接與被測納米結構或器件接觸。再利用步進電機操控測量磁場的磁芯電極或電場的平板電極，將磁場或電場均勻施加在觀測平臺上約一平方英寸(可根據需求決定均勻磁場或電場的範圍)的中心區域；然後自動關閉EBL成像電子束，切換到原位進行寬頻帶範圍內的磁電特性測試操控系統，包括直流和低頻磁電輸運測試，高頻(GHz)信號的產生、傳輸和測試等等。由於這種測量可以直接原位選擇被測試的樣品，並且探針臂和樣品臺都可以在大範圍內相對進行移動，因此可以高效地測試陣列式納米結構或納米器件，因此具有速度快、周期短、效率高、測試成功機率大等優點。這種原位測試同樣也適用於工業上高頻半導體器件或磁電子器件及產品的批量檢測和質量監控等方面。當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，包括電源、控制裝置和測量裝置，所述控制裝置與所述測量裝置連接，所述控制裝置和所述測量裝置分別與所述電源連接，其特徵在於，所述測量裝 置包括具有SEM成像或EBL圖形化功能的成像裝置、真空腔、真空系統、樣品臺和磁場響應特性測試裝置，所述真空系統與所述真空腔連接，所述成像裝置、所述樣品臺及所述磁場響應特性測試裝置均設置在所述真空腔內，所述成像裝置及所述磁場響應特性測試裝置對應於所述樣品臺設置。
2.如權利要求I所述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其特徵在於，所述磁場響應特性測試裝置包括支架及安裝在所述支架上的磁場發生裝置、磁場移動機構和磁場屏蔽機構，所述磁場發生裝置包括線圈和導磁磁極，所述導磁磁極與所述磁場移動機構連接，所述磁場屏蔽機構安裝在所述支架上並對應於所述樣品臺設置。
3.如權利要求I或2所述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其特徵在於，還包括電場響應特性測試裝置，所述電場響應特性測試裝置設置在所述真空腔內並設置在所述樣品臺上方。
4.如權利要求3所述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其特徵在於，所述電場響應特性測試裝置包括垂直電場施加平板和/或水平電場施加平板以及平板移動機構，所述垂直電場施加平板和/或水平電場施加平板分別與所述平板移動機構連接。
5.如權利要求1、2或4所述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其特徵在於，還包括光響應特性測試裝置，所述光響應特性測試裝置包括光源和光響應特性測試部件，所述光響應特性測試部件設置在所述真空腔內。
6.如權利要求1、2或4所述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其特徵在於，還包括寬頻信號測試分析裝置，所述寬頻信號測試分析裝置包括信號產生裝置、信號傳輸裝置和信號分析裝置，所述信號產生裝置及所述信號分析裝置分別與所述信號傳輸裝置連接，所述信號傳輸裝置與所述真空腔連接並對應於所述樣品臺設置。
7.如權利要求6所述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其特徵在於，所述信號傳輸裝置包括高頻探針臂和/或低頻探針臂、探針臂移動機構和探針，所述高頻探針臂和/或低頻探針臂與所述探針臂移動機構連接，所述探針安裝在所述高頻探針臂和/或低頻探針臂的前端。
8.如權利要求7所述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其特徵在於，所述信號傳輸裝置還包括探針定位機構，所述探針定位機構安裝在所述高頻探針臂和/或低頻探針臂的前端，所述探針定位機構與所述控制裝置連接。
9.如權利要求7所述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其特徵在於，所述信號產生裝置包括高頻網絡分析儀、電壓源及電流源，所述高頻探針臂和/或低頻探針臂分別與所述高頻網絡分析儀、所述電壓源及所述電流源連接。
10.如權利要求1、2、4、7、8或9所述的納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，其特徵在於，所述真空腔內還設置有樣品臺移動機構，所述樣品臺安裝在所述樣品臺移動機構上，所述樣品臺移動機構與所述控制裝置連接。
全文摘要
一種納米圖形化和超寬頻電磁特性測量系統，包括電源、控制裝置和測量裝置，所述控制裝置與所述測量裝置連接，所述控制裝置和所述測量裝置分別與所述電源連接，所述測量裝置包括具有SEM成像或EBL圖形化功能的成像裝置、真空腔、真空系統、樣品臺和磁場響應特性測試裝置，所述真空系統與所述真空腔連接，所述成像裝置、所述樣品臺及所述磁場響應特性測試裝置均設置在所述真空腔內，所述成像裝置及所述磁場響應特性測試裝置對應於所述樣品臺設置。本發明可以快速高效地進行納米材料和器件及其陣列樣品的測試與研究，具有廣泛的應用領域和市場需求。
文檔編號G01B15/04GK102901471SQ201110209908
公開日2013年1月30日 申請日期2011年7月26日 優先權日2011年7月26日
發明者韓秀峰, 馬勤禮, 於國強, 劉厚方, 餘天, 周向前, 艾金虎, 孫曉玉 申請人:中國科學院物理研究所, 北京匯德信科技有限公司