CN102901471B - 纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统 - Google Patents

纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统 Download PDF

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Abstract

一种纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，包括电源、控制装置和测量装置，所述控制装置与所述测量装置连接，所述控制装置和所述测量装置分别与所述电源连接，所述测量装置包括具有SEM成像或EBL图形化功能的成像装置、真空腔、真空系统、样品台和磁场响应特性测试装置，所述真空系统与所述真空腔连接，所述成像装置、所述样品台及所述磁场响应特性测试装置均设置在所述真空腔内，所述成像装置及所述磁场响应特性测试装置对应于所述样品台设置。本发明可以快速高效地进行纳米材料和器件及其阵列样品的测试与研究，具有广泛的应用领域和市场需求。

Description

纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统
技术领域
本发明涉及一种纳米材料及器件的检测装置，特别是一种基于电子束曝光系统/电子束图形发生系统的磁场施加，高频电磁信号产生、引入、传输和测量以及大范围下的纳米定位的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统。
背景技术
随着纳米加工和检测技术的发展，纳米材料与器件已经广泛应用于包括诸如电子、磁学、化学、生物等多个领域。针对纳米材料和器件的研究，已经成为凝聚态物理以及现代信息技术和工业生产中的核心问题之一。1988年以来，自旋电子学的飞速发展正在逐步将信息科学带入一个包含纳米磁性材料的极高密度磁存储(T-bit/inch2)和纳秒级快速读写的时代，这意味着对纳米材料和器件的研究要进入一个包含纳米微观结构成像、纳米图形化以及GHz高频操作、有磁场或电场参与的综合测量与分析的完备过程。
电子束曝光(electron beam lithography，EBL)系统是目前集成纳米结构制备和观测的重要设备之一，包含扫描电子显微镜(SEM)成像功能和电子束图形发生器，即利用聚焦电子束直接在抗蚀剂层上写出纳米图形。根据电子束束斑小和能量高的特点，利用电子束曝光系统可以制得5-10纳米线宽的纳米结构，是制作纳米材料和器件的理想方法。目前，最小线宽小于5纳米的纳米结构制备的世界纪录，是由德国Raith公司的EBL系统得以实现并保持至今。尽管部分EBL系统引入了电信号测量功能的探针臂，但是，目前EBL系统还无法实现对纳米材料和器件的直接观测与原位电、磁信号操控及测量上的相互兼容。其瓶颈问题主要是因为：EBL系统中用于曝光和成像的电子，会在原位测量样品用的外加磁场或电场的作用下发生偏转，因而会严重干扰和影响电子束的聚焦与扫描。另外，由于探针结构未经过特殊设计，无法完成高频信号在电子束真空系统内的传输和测量，因而无法实现原位纳米器件的高频信号传输和测量。国内外现阶段，通常对于纳米材料和器件的高频磁、电输运特性测试的方法是，先用EBL曝光结合多步微纳米加工制备用于传输高频信号的特殊电极结构，并进行初步直流或者低频交流磁电特性测试，然后再放入专门的高频测试系统进行磁电高频响应信号的测量。由于纳米尺度下的图形化工艺难度大、制备周期长、加工和测量过程繁锁等，不仅增加了制造成本，也极大延长了纳米材料和器件的测试时间，成功率和成品率也受到显著的影响。除此之外，目前的电子束曝光系统虽然集成了具有纳米级定位功能的探针臂，但无法完成1英寸或以上大范围内的精确纳米定位，仅能在较小的(数个微米范围)内完成探针与样品的定位和连接。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现阵列式纳米材料和器件的图形化和形貌观测、以及原位条件下超宽频磁电输运特性的测试及分析的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统。
为了实现上述目的，本发明提供了一种纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，包括电源、控制装置和测量装置，所述控制装置与所述测量装置连接，所述控制装置和所述测量装置分别与所述电源连接，其中，所述测量装置包括具有SEM成像或EBL图形化功能的成像装置、真空腔、真空系统、样品台和磁场响应特性测试装置，所述真空系统与所述真空腔连接，所述成像装置、所述样品台及所述磁场响应特性测试装置均设置在所述真空腔内，所述成像装置及所述磁场响应特性测试装置对应于所述样品台设置。
上述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其中，所述磁场响应特性测试装置包括支架及安装在所述支架上的磁场发生装置和磁场移动机构353，所述磁场发生装置包括线圈和导磁磁极，所述导磁磁极与所述磁场移动机构353连接。
上述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其中，所述导磁磁极为软磁性材料锥形结构件，所述软磁性材料为NiFe合金、硅钢片或软磁铁氧体。
上述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其中，所述线圈为亥姆霍兹线圈。
上述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其中，所述磁场响应特性测试装置还包括磁场屏蔽机构，所述磁场屏蔽机构安装在所述支架上并对应于所述样品台设置。
上述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其中，所述磁场屏蔽机构为磁场屏蔽罩或磁场屏蔽板。
上述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其中，还包括电场响应特性测试装置，所述电场响应特性测试装置设置在所述真空腔内并设置在所述样品台上方。
上所述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其中，所述电场响应特性测试装置包括垂直电场施加平板和/或水平电场施加平板以及平板移动机构，所述垂直电场施加平板和/或水平电场施加平板分别与所述平板移动机构连接。
上述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其中，还包括光响应特性测试装置，所述光响应特性测试装置包括光源和光响应特性测试部件，所述光响应特性测试部件设置在所述真空腔内。
上述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其中，所述光响应特性测试部件包括光纤、光纤探头和可移动支架，所述光纤分别与所述光源及所述光纤探头连接，所述光纤探头安装在所述可移动支架上，所述可移动支架对应于所述样品台设置在所述真空腔内。
上述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其中，还包括宽频信号测试分析装置，所述宽频信号测试分析装置包括信号产生装置、信号传输装置和信号分析装置，所述信号产生装置及所述信号分析装置分别与所述信号传输装置连接，所述信号传输装置与所述真空腔连接并对应于所述样品台设置。
上述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其中，所述信号传输装置包括高频探针臂和/或低频探针臂、探针臂移动机构和探针，所述高频探针臂和/或低频探针臂与所述探针臂移动机构连接，所述探针安装在所述高频探针臂和/或低频探针臂的前端。
上述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其中，所述探针臂移动机构包括三维机械移动部件和三维压电移动部件。
上述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其中，所述高频探针臂包括第一探针臂和第二探针臂，所述三维机械移动部件通过波纹管与所述第一探针臂连接，所述第一探针臂与所述第二探针臂之间通过所述三维压电移动部件连接。
上述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其中，所述信号传输装置还包括探针定位机构，所述探针定位机构安装在所述高频探针臂和/或低频探针臂的前端，所述探针定位机构与所述控制装置连接。
上述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其中，所述信号产生装置包括高频网络分析仪、电压源及电流源，所述高频探针臂和/或低频探针臂分别与所述高频网络分析仪、所述电压源及所述电流源连接。
上述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其中，所述信号分析装置包括频谱分析仪，所述频谱分析仪分别与所述高频探针臂和/或低频探针臂及所述控制装置连接。
上述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其中，所述真空腔内还设置有样品台移动机构，所述样品台安装在所述样品台移动机构上，所述样品台移动机构与所述控制装置连接。
本发明的有益功效在于：
本发明的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，基于包含SEM高分辨成像功能的EBL系统，在微纳米结构成像和图形化的基础上，将均匀磁场或电场有效地引导在样品台中心区域，并且将宽频电磁信号以具有纳米级定位功能的探针引入并施加在纳米结构或器件上，同时包含宽频电磁信号的引入、引出和测试分析。该系统能够实现阵列式纳米材料和器件的图形化和形貌观测、以及原位条件下超宽频磁电输运特性的测试及分析。
和现有技术相比，本发明在EBL的功能基础上，集成了可以在原位进行高频磁、电、光特性测试与研究的多种功能或综合测试的研究功能，可以快速高效地进行纳米材料和器件及其阵列样品的测试与研究，具有广泛的应用领域和市场需求。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明一实施例测量装置的结构框图；
图3为本发明的成像装置工作原理图；
图4为本发明一实施例的结构示意图；
图5A本发明一实施例的真空腔内部结构示意图；
图5B为本发明一实施例的磁场响应特性测试装置结构示意图(磁场发生装置及磁场屏蔽机构均处于关闭状态)；
图5C为本发明一实施例的磁场响应特性测试装置结构示意图(磁场发生装置及磁场屏蔽机构均处于开启状态)；
图6A为本发明一实施例的垂直电场响应特性测试装置结构示意图；
图6B为本发明一实施例的水平电场响应特性测试装置结构示意图；
图7为本发明一实施例的光响应特性测试装置结构示意图；
图8为本发明一实施例的高频探针臂结构示意图；
图9为本发明一实施例的高频探针臂使用导电传感器时的结构示意图。
其中，附图标记
1    电源                  2  控制装置
21   控制面板              22 控制主机
23   通信接口
3    测量装置
31   成像装置
311  电子枪
312  二次电子探测器
32   真空腔                33  真空系统
34   样品台
341  样品台移动机构
342  垂直升降小样品台
35   磁场响应特性测试装置
351  支架
352  磁场发生装置
3521 线圈
3522 导磁磁极
353  磁场移动机构
354   磁场屏蔽机构
36    电场响应特性测试装置
361   垂直电场施加平板              362  水平电场施加平板
37    光响应特性测试装置
371   光源
372   光响应特性测试部件
3721  光纤
3722  光纤探头
3723  可移动支架
3724  接口
38    宽频信号测试分析装置
381   信号产生装置
3811  高频网络分析仪
3812  电压源
3813  电流源
382   信号传输装置
3821  高频探针臂
38211 第一探针臂
38212 第二探针臂
3822  低频探针臂
3823  探针臂移动机构
38231 三维机械移动部件
38232 三维压电移动部件
38233 波纹管
3824  探针
3825  探针定位机构
383   信号分析装置
4     样品
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
本发明将测量磁场引入到具有SEM成像或EBL图形化功能的的样品台上，实现对被测纳米材料或器件的磁场响应特性测试。参见图1、图2及图3，图1为本发明的结构框图，图2为本发明一实施例测量装置的结构框图，图3为本发明的成像装置工作原理图。本发明的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，包括电源1、控制装置2和测量装置3，所述控制装置2与所述测量装置3连接，所述控制装置2和所述测量装置3分别与所述电源1连接，所述测量装置3包括具有SEM成像或EBL图形化功能的成像装置31、真空腔32、真空系统33、样品台34和磁场响应特性测试装置35，所述真空系统33与所述真空腔32连接，所述成像装置31、所述样品台34及所述磁场响应特性测试装置35均设置在所述真空腔32内，所述成像装置31及所述磁场响应特性测试装置35对应于所述样品台34设置。其中，本发明的成像装置31包括电子枪311和二次电子探测器312，其SEM成像或EBL图形化功能的原理如图3所示，因该成像装置的结构及其原理均为较成熟的现有技术，在此不做赘述。上述的具有SEM成像或EBL图形化功能的成像装置31、真空腔32、真空系统33及样品台34，也可直接采用目前已经具有成熟技术的实验或者工业级EBL设备。该EBL设备包括三个基本部分：电子枪、电子透镜和电子偏转器等其它辅助部件(束流测量装置，用来测量曝光的电子束流大小；反射电子测量装置，用来观察样品表面的对准标记；工作平台，用来放置和移动曝光样品；真空系统；高压电源；计算机图形发生器，用来将图形数据转换为控制偏转器的电信号)。电子束曝光系统按照电子束的形状可以分为高斯束(或圆形束)和变形束(或矩形束)。其中高斯束因圆形束斑内的电流分布为高斯函数而得名。高斯束电子曝光系统是一种矢量扫描式曝光系统，具有较高的分辨率，但其扫描速度比光栅扫描式低得多。其中具有代表性的是德国的Raith公司的Raith150电子束曝光系统，它兼有扫描电镜和电子束曝光两种功能，最小束径为4纳米。其主要特征是包含能量可调的电子枪，电子能量从5keV到300keV；具有电子束聚焦功能的磁透镜组和SEM成像功能的二次电子探测器；具有电子束聚焦和偏转的用于电子束直写功能的电子束控制电极以及相应的软件；具有可在水平二维方向任意移动的范围达到1英寸或者以上、定位精度为10纳米的样品台，样品台大小为1至12英寸；电子束和样品所在的腔体背底真空度优于10-5Pa。本发明中所有的设备通过GPIB线23相连，通过控制装置2的控制主机22中的控制软件控制，通过控制面板21进行操作。因其结构及功用均为较成熟的现有技术，在此不作赘述。
参见图4及图5A，图4为本发明一实施例的结构示意图，图5A本发明一实施例的真空腔内部结构示意图。本实施例中，所述磁场响应特性测试装置35包括支架351及安装在所述支架351上的磁场发生装置352和磁场移动机构353，所述磁场发生装置352包括线圈3521和导磁磁极3522，所述导磁磁极3522与所述磁场移动机构353连接。其中，所述导磁磁极3522优选为软磁性材料锥形结构件，因为其容易磁化和退磁，具有很高的磁导率，可以起到加强磁场强度和降低剩磁的作用。所述软磁性材料优选为NiFe合金、硅钢片或软磁铁氧体。所述线圈3521优选为一对亥姆霍兹线圈3521。本实施例中，该磁场由真空腔内的一对亥姆霍兹线圈3521产生，并通过具有锥形结构的软磁性材料制作的导磁磁极3522，将磁场有效地传递到样品台34周围。磁场的方向和大小是通过能够改变方向和连续变化大小的直流电源控制，其范围为可以根据需要设定，磁场最大幅值控制在500 Oe到5000 Oe。整体的亥姆霍兹线圈以及软导磁磁极由磁场屏蔽罩覆盖，屏蔽罩采用高磁导率的铁磁材料做成屏蔽罩。另外，在磁场电流源关闭和导磁磁极不用的时候，在磁铁屏蔽罩的前端设有的磁铁屏蔽挡板处于关闭状态，以达到最佳的磁场屏蔽效果，进而有效地避免导磁磁极剩磁及杂散磁场对电子束的影响，如图5B。当测量使用外加磁场时，磁铁屏蔽挡板打开，软导磁磁极可以移动出来并靠近样品台34。采用步进电机装置操控导磁磁极的移动，以实现连续和精确可调。
所述亥姆霍兹线圈由高电导率的导电丝绕制，导线直径为0.2到2mm，线圈匝数和直径可以根据需要的磁场来确定。所述线圈外围可以用循环水套包裹进行冷却。所述磁极具有圆锥形结构，电极顶端设计成凹面型，使得在靠近样品台一端可以将磁力线密度提高并产生均匀的磁场。所述软磁性材料为具有高磁导率、小剩磁特性的材料，优选纯铁和低碳钢、铁硅系合金、铁铝系合金、铁硅铝系合金、镍铁系合金、铁钴系合金、软磁铁氧体、非晶态软磁合金、颗粒尺寸在50nm左右的超微晶软磁合金。所述软磁芯磁电极由步进电机控制的机械传输装置操控，可以自由的伸进和退出，范围为10至50cm，其移动由相应的软件和程序来控制。
本实施例中，导磁磁极3522可由机械装置(例如步进电机或液压泵)控制接近样品或远离样品，在需要外加磁场时，其磁头可以移动并靠近样品台34，同时亥姆霍兹线圈的电流源提供电流施加磁场；不需要磁场或者利用电子束进行直写或者成像时，导磁磁极3522退到远离样品台34的位置，同时关闭用于施加磁场的电流源，同时，还可以采取电磁屏蔽措施，以保证不影响电子束指写或成像的操控。所述磁场响应特性测试装置35还包括磁场屏蔽机构354，所述磁场屏蔽机构354安装在所述支架351上并对应于所述样品台34设置(参见图5B。图5C)。本实施例中，所述磁场屏蔽机构354优选为磁场屏蔽罩或磁场屏蔽板。
参见图6A及图6B，图6A为本发明一实施例的垂直电场响应特性测试装置结构示意图，图6B为本发明一实施例的水平电场响应特性测试装置结构示意图。本发明的测量装置3还可包括电场响应特性测试装置36，所述电场响应特性测试装置36设置在所述真空腔32内并设置在所述样品台34上方。本实施例中，所述电场响应特性测试装置36包括垂直电场施加平板361和/或水平电场施加平板362以及平板移动机构(图未示)，所述垂直电场施加平板361和/或水平电场施加平板362分别与所述平板移动机构连接。所述水平电场施加平板362和/或垂直电场施加平板361，分别将平面或垂直方向的施加电场引入到样品台34上，实现对纳米材料和器件的电场响应特性的测试。该水平电场施加平板362和/或垂直电场施加平板361可分别为在真空腔32内的一对可相对移动的金属平板电极，或者与金属导电样品台34相对应的上方设置一个相同形状大小且可移动的金属平板电极，通过施加电压可分别产生水平电场或垂直电场，施加的电压可在0至110V或220V之间，或者根据测试需要施加更高的电压(产生更强电场)。电压可以是直流电压，也可以是交流电压(产生的电场可以是稳恒电场，也可以是交变电场)。在不需要外加电场的情况下，移动和拉开该对水平电场施加平板362或提升上部的垂直电场施加平板361，使其退至真空腔32的腔壁边缘，远离样品台34和真空腔电子束工作的中心区域即可。为了减小金属样品台对面内电场分布的影响，可以利用在样品台34中间升起的垂直升降小样品台342托起样品4，置入两个金属电极之间，再利用两金属平板电极施加面内电场，如图6B所示
通过调节该对水平电场施加平板362的间距，或者通过调节顶端可移动的垂直电场施加平板361和样品台34之间的距离，也可进一步在恒电压下调节对纳米材料和器件所施加的电场值的大小。当然，也可以在选定两个金属平板电极之间的距离后，通过改变外加电压值来调节所施加电场的大小。
所述垂直电场是通过金属样品台34及与其相对应的正上方一个相同形状大小且可以移动的金属平板电极垂直电场施加平板361之间施加电压来实现的，两者之间的间距可调(＜10cm)。在不需要垂直电场的情况下，可以将上方的垂直电场施加平板361垂直提升再水平移出样品台34的测量范围。垂直电场施加平板361的尺寸可以根据实际需要进行调整，通常和测试用样品台34的形状及尺寸相同(1-12寸之间)，这样可以形成最均匀的垂直电场。
上述垂直电场施加平板361可以通过两种方法施加电压：一种是在探针进行原位测试的时候，进行电压(电场)的施加；另一种方法是，为了减小探针本身对电场分布的影响，可以先对样品施加电场、再移走可移动的金属平板电极，然后再进行纳米材料或器件的磁电特性测试。但后一种方法仅限于对电磁场响应有记忆效应的纳米材料或器件。参见图7，图7为本发明一实施例的光响应特性测试装置结构示意图。本发明的测量装置3还可包括光响应特性测试装置37，所述光响应特性测试装置37设置在所述真空腔32内。本实施例中，所述光响应特性测试装置37包括光源371和光响应特性测试部件372，所述光响应特性测试部件372设置在所述真空腔32内，可以将光束(包括激光、红外和紫外等频段的光波/光场)引入真空腔32中并辐照在样品4上，实现对被测纳米材料和器件的光响应特性测试。其中，所述光响应特性测试部件372包括光纤3721、光纤探头3722和可移动支架3723，所述光纤3721一端与所述光源371连接，所述光纤3721通过接口3724穿过真空腔32的腔壁进入真空腔32，所述光纤3721的另一端与所述光纤探头3722连接，光束是通过导入到真空腔32内的光纤3721进行传输的，所述光纤探头3722安装在所述可移动支架3723上，所述可移动支架3723对应于所述样品台34设置在所述真空腔32内。激光或其它光源产生的光束通过光纤3721导入到真空腔32内并引导至样品4的表面。其中，引入光的波长、强度和单色性等可以根据待测样品4的光辐射或光激发的不同需要，配置不同的光源或激光器。在不需要研究光辐照和光激发的情况下，该光纤3721、光纤探头3722可以通过可移动支架3723移开到真空腔32的腔壁附近，远离电子束(EBL)指写和SEM成像中心区域。
参见图4，本发明的测量装置3还可包括宽频信号测试分析装置38，可将宽频信号(0至10、20、40、60或100GHz范围)引入真空腔32中，并且包含有信号的传输、导入导出、以及测试和分析等功能。其中，针对不同信号的需要，可以配置不同的频率段的信号的输入，例如低于300MHz的射频信号或者高于300MHz直到100GHz的高频信号。其中，高频信号的导入和导出通过包含特殊设计的可移动高频探针臂3821来实现，并可以通过高频探针3824施加到纳米结构或器件上，进而完成高频信号的施加和探测。低频信号的导入和导出通过可移动低频探针臂3822来实现，并可以通过探针3824施加到纳米结构和器件上，进而完成低频以及直流信号的施加与探测。所述宽频信号测试分析装置38包括信号产生装置381、信号传输装置382和信号分析装置383，所述信号产生装置381及所述信号分析装置383分别与所述信号传输装置382连接，所述信号传输装置382与所述真空腔32连接并对应于所述样品台34设置。本实施例中，所述信号传输装置382包括高频探针臂3821和/或低频探针臂3822、探针臂移动机构3823和探针3824，所述高频探针臂3821和/或低频探针臂3822与所述探针臂移动机构3823连接，所述探针3824安装在所述高频探针臂3821和/或低频探针臂3822的前端。所述探针臂移动机构3823包括三维机械移动部件38231和三维压电移动部件38232，各高频探针臂3821和/或低频探针臂3822可以单独移动，三维机械移动部件38231可以实现探针臂在一定范围内的快速移动，结合腔内的SEM成像功能可以实现快速、大范围的定位。然后通过三维压电移动部件38232，结合腔内的SEM成像功能可以实现10纳米级的精确定位。其中四根探针3824根据需要可以同时为高频信号输入、输出探针，也可以为两个高频探针和两个普通探针。当不需要进行高频测量时，探针3824也可以换为普通的探针。通过高频探针，可以将高频信号直接导出到纳米级器件中，并且可以直接从纳米级器件中获得高频信号。通过普通探针可以进行低频或直流信号的测量。所述探针3824结构根据所测试的样品4特性来具体设定。用于超宽频率范围电磁特性测量的探针，其针尖结构为基本的地-信号-地(GSG)结构，探针针角间距可以从50纳米到100微米之间进行选择。
参见图8，图8为本发明一实施例的高频探针臂结构示意图。本实施例中，所述高频探针臂3821包括第一探针臂38211和第二探针臂38212，所述三维机械移动部件38231通过波纹管38233与所述第一探针臂38211连接，所述第一探针臂38211与所述第二探针臂38212之间通过所述三维压电移动部件38232连接。所述三维机械移动部件38231驱动可以实现样品在1至12英寸范围内快速的移动，而三维压电移动部件38232驱动可以实现纳米级的精确定位。
所述信号传输装置382还可包括探针定位机构3825，所述探针定位机构3825安装在所述高频探针臂3821和/或低频探针臂3822上，所述探针定位机构3825与所述控制装置2连接。本实施例中，该探针定位机构3825优选为压力传感器和/或导电传感器，以控制探针3824和样品4表面的接触，压力传感器检测针尖和样品表面的接触力，不会对针尖和样品造成损坏。达到预定值以后通过控制装置2控制探针臂移动机构停止下针，以保证样品4不被损坏(参见图8)；导电传感器用于测试导电样品4的下针过程的控制(参见图9)，对于导电的被测样品及器件，并且在样品不会因为通过微弱电流而损坏的情况下，可以采用导电传感器。当样品接触表面时，导电传感器产生的电流会由针尖进入样品并构成回路，并通过电压探测出来，实现控制针尖与样品的接触力。通过在探针3824的针尖和样品4之间预加一个微小电压，当其之间导通即有电流显示时就可以认为探针3824的针尖与样品4已经有良好的欧姆接触。
所述信号产生装置381包括高频网络分析仪3811、电压源3812及电流源3813，所述高频探针臂3821和/或低频探针3824臂3822分别与所述高频网络分析仪3811、所述电压源3812及所述电流源3813连接。
所述信号分析装置383包括频谱仪，所述频谱仪分别与所述高频探针3824臂3821和/或低频探针3824臂3822及所述控制装置2连接。
上述高宽频信号产生、测量以及分析均可以由高频网络分析仪3811以及频谱仪完成(频率最高为100GHz，可以根据用户的需求和不同频段的信号来进行配置)。上述高频信号可以使用商用的高频信号源，通常由石英晶振产生或者半导体电容电感(RLC)振荡器产生；也可以选择使用基于纳米环状磁性隧道结的自旋振荡器(例如申请号为“200810119751.X”和申请号为“200810222965.X”的中国发明专利申请所公开的微波振荡器，其高频范围为500M--20GHz。由于其器件尺寸小易于集成，频率可以通过直流电信号或磁场调控等特点，不仅可以用于微波发生器和探测器、无线通信系统、机载雷达信号发生器、计算机CPU系统等各类高频器件中，也可以用于本发明中的高频信号发生源装置之中)。上述低频以及直流信号的产生、测量与分析，均可以采用高精度的锁相放大器(如型号SR830)、纳伏表(如吉时利2182A)以及电流源表(如吉时利2600)等完成。线可以选用具有噪音抑制效果的同轴电缆导线。
所述真空腔32内还设置有样品台移动机构341，以实现样品的大范围移动与精确定位。所述样品台34安装在所述样品台移动机构341上，所述样品台移动机构341与所述控制装置2连接。另外，样品台34也可以配置垂直升降小样品台342(参见图6B)。样品4较大范围的移动通过可以通过样品台移动机构341来实现。同时，高频探针臂3821也可以实现有限范围的机械移动以及压电陶瓷驱动的纳米级精确移动。
本发明具有微纳米加工和成像、电场和磁场调控下的电输运及磁电特性测试功能、以及高频磁电信号的检测能力，由于其功能集成度高，并且易于实现快速的器件批量测试，因此，可以广泛应用于半导体、微电子、磁电子、自旋电子学的材料及其器件的测量和研究领域，也可以广泛应用于信息产业中的相关电子产品的批量检测和质量监督。
本发明能很好地克服现有技术的不足，只需要对所需纳米材料或器件进行简单或较少步骤的纳米加工，就可以在EBL成像的引导下，对探针进行定位，直接与被测纳米结构或器件接触。再利用步进电机操控测量磁场的磁芯电极或电场的平板电极，将磁场或电场均匀施加在观测平台上约一平方英寸(可根据需求决定均匀磁场或电场的范围)的中心区域；然后自动关闭EBL成像电子束，切换到原位进行宽频带范围内的磁电特性测试操控系统，包括直流和低频磁电输运测试，高频(GHz)信号的产生、传输和测试等等。由于这种测量可以直接原位选择被测试的样品，并且探针臂和样品台都可以在大范围内相对进行移动，因此可以高效地测试阵列式纳米结构或纳米器件，因此具有速度快、周期短、效率高、测试成功几率大等优点。这种原位测试同样也适用于工业上高频半导体器件或磁电子器件及产品的批量检测和质量监控等方面。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，包括电源、控制装置和测量装置，所述控制装置与所述测量装置连接，所述控制装置和所述测量装置分别与所述电源连接，其特征在于，所述测量装置包括具有SEM成像或EBL图形化功能的成像装置、真空腔、真空系统、样品台和磁场响应特性测试装置，所述真空系统与所述真空腔连接，所述成像装置、所述样品台及所述磁场响应特性测试装置均设置在所述真空腔内，所述成像装置及所述磁场响应特性测试装置对应于所述样品台设置；
所述磁场响应特性测试装置包括支架及安装在所述支架上的磁场发生装置、磁场移动机构和磁场屏蔽机构，所述磁场发生装置包括线圈和导磁磁极，所述导磁磁极与所述磁场移动机构连接，所述磁场屏蔽机构安装在所述支架上并对应于所述样品台设置；
还包括电场响应特性测试装置，所述电场响应特性测试装置设置在所述真空腔内并设置在所述样品台上方，所述电场响应特性测试装置包括垂直电场施加平板和/或水平电场施加平板以及平板移动机构，所述垂直电场施加平板和/或水平电场施加平板分别与所述平板移动机构连接；
还包括宽频信号测试分析装置，所述宽频信号测试分析装置包括信号产生装置、信号传输装置和信号分析装置，所述信号产生装置及所述信号分析装置分别与所述信号传输装置连接，所述信号传输装置与所述真空腔连接并对应于所述样品台设置，所述信号传输装置包括高频探针臂和/或低频探针臂、探针臂移动机构和探针，所述高频探针臂和/或低频探针臂与所述探针臂移动机构连接，所述探针安装在所述高频探针臂和/或低频探针臂的前端；
还包括光响应特性测试装置，所述光响应特性测试装置包括光源和光响应特性测试部件，所述光响应特性测试部件设置在所述真空腔内。
2.如权利要求1所述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其特征在于，所述信号传输装置还包括探针定位机构，所述探针定位机构安装在所述高频探针臂和/或低频探针臂的前端，所述探针定位机构与所述控制装置连接。
3.如权利要求1所述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其特征在于，所述信号产生装置包括高频网络分析仪、电压源及电流源，所述高频探针臂和/或低频探针臂分别与所述高频网络分析仪、所述电压源及所述电流源连接。
4.如权利要求1、2或3所述的纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统，其特征在于，所述真空腔内还设置有样品台移动机构，所述样品台安装在所述样品台移动机构上，所述样品台移动机构与所述控制装置连接。
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