CN109270099A - 一种直流至微波频率的透射电镜原位高频电学测试芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子显微镜测试技术领域，具体为一种直流至微波频率的透射电镜原位高频电学测试芯片，包括硅基片和绝缘层，以及在硅基片正面绝缘层上的金属电路；所述金属电路至少包含两个金属电极，分别用于接地和信号输入；金属电极靠近样品一侧用50–75Ω的并联电阻相连，以实现与微波信号输入端的阻抗匹配；正面绝缘层总厚度1.5–5.0μm，使得电极与硅片的寄生电容小于1pF；金属电极延伸至用于放置样品的窗口上或窗口外0–20μm；信号输入电极近样品端引出有测量电极，用于信号的原位测量。采用本发明的透射电镜原位测试芯片，可以实现0–6GHz内的任意波形信号下的原位测试，拓展了原位电镜的应用范围。
Description
技术领域
本发明属于电子显微镜测试技术领域，具体涉及一种直流至微波频率的透射电镜原位高频电学测试芯片。
背景技术
透射电子显微镜作为一种多功能的分析设备，能够对材料的形貌、结构、组分、磁场和电场等性质进行研究。对材料科学的研究起到了巨大的推动作用。近年来，通过通过原位测试芯片及其配套的样品杆和控制系统，已经可以实现将样品置于气体、液体、电场、光照、高温、应力等环境下进行原位观察和测试。随着透射电镜原位测试技术的发展和推广，人们对材料在实际的复杂工作状况下的微观特性能够得到更深入的研究。
由于目前透射电镜的图像采集速率较低，最高只有数千帧每秒，对于电场或磁场造成的磁畴运动等快速变化过程难以捕捉，一个变通的方案是通过脉冲电流实现纳秒级别的时间分辨。另一方面，研究电磁波对材料的作用对微波吸收材料、自旋电子器件等领域有重大意义，对这类材料的原位透射电镜研究也亟需微波频率的原位测试平台，其中原位测试芯片是其中最重要的一环。
纳秒脉冲或微波信号都需要109Hz级的带宽，而现有的原位测试芯片通常针对直流或准直流的工作条件设计，例如用于电加热或原位电池的充放电测试，所需频率一般不超过100Hz。如果直接对这类芯片输入高频信号，其表面电路与硅衬底之间的寄生电容会使高频信号短路，信号无法到达样品；此外，还要考虑芯片与输入源之间的阻抗匹配，否则信号也会严重失真。考虑到这些因素，需要全新设计一款可工作于微波频率的透射电镜原位测试芯片。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种直流至微波频率的透射电镜原位高频电学测试芯片。
本发明提供的直流至微波频率的透射电镜原位高频电学测试芯片，包括硅基片和硅基片两面的绝缘层，以及在硅基片正面绝缘层上的金属电路；所述金属电路至少包含两个金属电极，分别用于接地和信号输入，并且金属电极在靠近电源一侧用50–75Ω的并联电阻（Rp）相连，以实现与微波信号输入端的阻抗匹配（这里考虑到一般用聚焦离子束技术连接的样品和电极电阻（Rs）大于1kΩ，Rs≪Rp，两者并联后的总电阻约为Rp，与50Ω或75Ω的信号输入阻抗匹配）；硅基片两面的绝缘层为二氧化硅，或者为二氧化硅表面再生长有氮化硅，正面绝缘层总厚度1.5–5.0μm，使得电极与硅片的寄生电容小于1pF；金属电极延伸至用于放置样品的窗口上或窗口外0–20μm。
更进一步地，所述的信号输入电极近样品端，还可以引出测量电极，用于信号的原位测量，测量电极的电阻（R2）为50–75Ω，此电阻的存在可以降低测量电路对信号的影响，但测量到的电压信号需要乘上校正系数，此系数需要根据实际测量的芯片电阻参数计算。
更进一步地，所述的接地电极通过绝缘层通孔与硅基片连接。
更进一步地，所述的硅基片厚度为100–300μm，所述金属电路的厚度为20–200nm。
采用本发明的原位测试芯片，可对样品施加0–6GHz内的微波、脉冲等任意波形信号，从而实现对金属、磁性材料、微波吸收材料、自旋电子纳米器件等多种样品透射电镜的高频原位测试。
本发明与已有的技术相比，具有如下效果：
（1）本发明的原位高频测试芯片带宽达6GHz，相较于普通芯片的带宽提升了1–2个数量级，可用于0–6GHz内的脉冲、微波信号等任意波形信号，实现对自旋材料的电、微波驱动过程进行透射电镜原位测试；
（2）本发明的原位高频测试芯片包含测量电极，在施加高频电信号时可以用示波器进行实时观察；
（3）本发明的原位高频测试芯片结构简单，适合采用半导体平面工艺进行批量生产，与现有原位测试芯片成本相比显著降低。
附图说明
图1为本发明的透射电镜原位高频电学测试芯片的等效电路图。
图2为本发明的透射电镜原位高频电学测试芯片正面结构示意图。
图3为本发明的原位测试芯片与常规设计芯片的性能对比。
图4为本发明原位高频电学测试芯片的另一实施例的正面结构示意图。
图5为图4的局部放大图。
图中标号：1–硅基片表面的绝缘层，2–样品窗口，3–样品固定处，4–左侧金属电极，5–右侧金属电极，6–左侧测量电极，7–右侧测量电极，8–样品并联电阻，9–硅基片接地电极，10–绝缘层过孔。U–信号源，M–示波器，Ro–信号源输出阻抗，Ri–示波器输入阻抗，T1–输入信号同轴线，T2–测量信号同轴线，L1/L2–金属电极的寄生电感，C1/C2–金属电极的寄生电容，Rp–并联电阻，Rs–样品电阻，R2–测量电极电阻。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作详细说明。
实施例1
如图1至图3所示，为本发明的原位高频电学测试芯片的一个实施例，包括硅基片和其表面绝缘层1和金属电路4–9，具体为：所述硅基片厚度为100μm；硅基片一边缘具有一倒梯形窗口2，窗口底端样品固定位3。在所述硅基片两面均有绝缘层，绝缘层为二氧化硅，厚度2.0μm。在所述硅基片正面绝缘层上设有厚度100nm的铬-金电路4–8，其中左侧电极4用于接地，右侧电极5用于信号输入，测量电极7通过细长走线实现50Ω的线路电阻（R2），U型电路8为50Ω的并联电阻（Rp），绝缘层过孔10用于联通电极4和硅基片。
图3为采用本发明的透射电镜原位芯片与常规设计芯片的性能对比。常规原位芯片绝缘层厚0.2μm，带宽只有0.3GHz，如果将常规芯片的绝缘层加厚到2.0μm，带宽可以达到3.4GHz，而采用本发明的电路，带宽可以进一步达到6.3GHz，相比常规芯片大幅提升。
实施例2
本实施例的透射电镜原位高频电学测试芯片如图4–5所示，基本原理同实施例1，不同之处在于采用了对称设计，扩展了使用范围。使用时可以电极4和9接地，电极5输入信号，电极7测量；也可以电极5和9接地，电极4输入信号，电极6测量。此外，电阻部分为铬层，只有电极是铬层上覆盖金。
本发明并不局限于前述的具体实施方式，实际的结构可以是权利要求书中所述特征的任意组合。本领域的普通技术人员从本发明公开的内容的启示下，不经创造性地设计出于与该技术方案相似的结构与实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种直流至微波频率的透射电镜原位高频电学测试芯片，其特征在于，硅基片和硅基片两面的绝缘层，以及在硅基片正面绝缘层上的金属电路；所述金属电路至少包含两个金属电极，分别用于接地和信号输入；并且金属电极在靠近样品一侧用50–75Ω的并联电阻相连，以实现与微波信号输入端的阻抗匹配；硅基片两面的绝缘层为二氧化硅，或者为二氧化硅表面再生长有氮化硅，正面绝缘层总厚度1.5–5.0μm，使得电极与硅片的寄生电容小于1pF；金属电极延伸至用于放置样品的窗口上或窗口外0–20μm。
2.根据权利要求1所述的透射电镜原位高频电学测试芯片，其特征在于，在所述的信号输入电极靠近样品端，还引出有测量电极，用于信号的原位测量，测量电极的电阻为50–75Ω。
3.根据权利要求1或2所述的透射电镜原位高频电学测试芯片，其特征在于，所述的接地电极通过绝缘层通孔与硅基片连接。
4.根据权利要求1或2所述的透射电镜原位高频电学测试芯片，其特征在于，所述的硅基片厚度为100–300μm，所述金属电路的厚度为20–200nm。
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