TWI504900B - 射頻反射式掃描穿隧顯微鏡 - Google Patents

Description

射頻反射式掃描穿隧顯微鏡

本發明是有關於一種穿隧顯微鏡，特別是指一種射頻反射式掃描穿隧顯微鏡。

參見圖1及圖2所示，是習知掃描式穿隧顯微鏡(以下簡稱穿隧顯微鏡)的動作示意圖。其操作原理主要藉由在探針10與一待測樣品20之間形成一偏壓(電壓差)，當探針10足夠接近待測樣品20的表面時，兩者之間會形成穿隧效應而產生一穿隧電流It，穿隧電流It越大，通常表示探針10越接近待測樣品20的表面，若探針10遠離待測樣品20表面，則穿隧電流It的強度會以指數形式下降，穿隧顯微鏡即根據此穿隧電流It信號，在掃描過程描繪出待測樣品20的表面樣貌，如圖1及圖2所示。

且習知穿隧顯微鏡的掃描方式又分為兩種：一為定高模式，即如圖1所示，根據穿隧電流It的強度來描繪出待測樣品20的地貌，且因為穿隧電流It與穿隧距離為指數關係，故定高模式一般只用在快速小區域的掃描以避免撞針。另一種方式為定電流模式，如圖2所示，其將掃 描過程中的穿隧電流It反饋至圖3所示的一掃描控制電路12，供據以調整探針10的Z軸高度，使穿隧電流It為一定值。而探針10走過的高度軌跡，再結合X-Y平面掃描後，就可以得出待測樣品20表面高解析度的地貌。

如圖3所示，是習知穿隧顯微鏡採用的一種電流-電壓轉換放大器11，其將穿隧電流It放大並轉換為電壓Vout後，再提供給掃描控制電路12反饋控制探針10的高度。其中電流-電壓的增益由反饋電阻R_FB 決定。且因為穿隧電流It很小(pA~nA等級)，故實做上反饋電阻R_FB 大約設定在100M歐姆左右或更大，而且其內稟電容C_FB 通常為pF級。因此由反饋電阻R_FB 與內稟電容C_FB 共同構成的時間常數R_FB ＊ C_FB ，將輸出電壓Vout的頻寬限制在數十KHz左右，使得電流-電壓轉換放大器11最多只能操作在數百KHz的頻寬。這種限制讓習知穿隧顯微鏡只能對靜態或一些變化不快的動態物理與化學現象進行觀察。

且習知穿隧顯微鏡在使用上具有以下幾項限制，一為該待測樣品20需為可導電物質；二為該習知定電流模式的穿隧顯微鏡會受到複數個外場電子(流)源的干擾，該等外場電子(流)源包括電子鎗產生的入射電子，二次電子，歐傑電子，以及受光激發的光電子等。若該等電子源入射或離開一穿隧能障附近，則該穿隧電流It即會經由電流-電壓轉換器放大，進而干擾既有的電流回饋機制，造成無法掃瞄成像的問題。

因此，為解決上述穿隧顯微鏡工作頻寬受限問 題，習知一種射頻掃描式穿隧顯微鏡被Keimiktarak等人發明，其主要電路如圖4所示，其中電路的右半邊仍採用習知穿隧顯微鏡的電路架構，亦即由探針10擷取到的直流穿隧電流It，經由一端與探針10電耦接的電感L，以及與電感L另一端電耦接的Bias-T電路13輸入電流-電壓轉換放大器11放大後，輸出至掃描控制電路12反饋控制探針10的高度，並據以描繪出待測樣品20的表面樣貌。而左半邊電路則為一射頻掃描電路，其具有一端與電感L的一端電耦接的一接地電容C，且一射頻來源14輸出的一射頻信號，經由一方向耦合器15與對射頻雙向穿透的Bias-T電路13及電感L輸入探針10。而當探針10與待測樣品20之間形成的穿隧電阻Rt與電容C並聯再與電感L串聯，即形成一所謂的L-leg低通LCR共振電路，其等效電路如圖5所示。且其共振頻率為。

當選擇電感L與電容C而決定了共振頻率之後，調整穿隧電阻Rt至Rt~L/(C*Z0)，使共振電路的阻抗Zt=輸出阻抗Z0(50歐姆)，可得到最佳的阻抗匹配，此時共振電路會近乎完全吸收輸入的射頻信號能量。

例如圖6所示，當取穿隧電阻Rt=0.15M時，可得到良好的阻抗匹配，此時返回損失(return loss)為45dB。若探針10遠離待測樣品20，穿隧電阻Rt增加，此時因為共振電路的阻抗Zt與輸出阻抗Z0不匹配，射頻信號的反射能量就會增加，圖6即說明了在不同的穿隧電阻Rt值時，反射率迅速增加的現象。且由圖6可以看出當穿隧 電阻Rt由0.15M變至0.4M時，反射係數就由45dB變為15dB，當穿隧電阻Rt為1M時反射係數為12dB，而當穿隧電阻Rt在10M到1G之間，因為反射係數的變化實在太小，且皆在11dB處幾乎分不出來，以致在實用上很難分辦出穿隧電阻10M與100M有何不同，而且在實際應用時，穿隧電阻Rt常操作在10M~1G範圍，所以上述掃描方式很難得到有用的訊號。

此外，由圖7所示可知，上述掃描方式所獲得的射頻反射率強度與穿隧電阻Rt之間並非單對應關係，亦即同一反射率強度值會對應到兩個穿隧電阻Rt值，此將造成掃描控制電路對掃描結果的誤判，且若利用此反射率反饋控制探針10的高度，則會產生不穩定的狀況。

因此，本發明的目的在於提供一種射頻反射率強度與穿隧電阻呈單對應關係，並能操作在適當穿隧電阻值與高頻寬，而不受外場電子(流)源之干擾的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡。

於是本發明一種射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，具有一與一待測樣品間隔且相對設置的探針，用以掃描該待測樣品的表面樣貌，並包含：一射頻共振電路、一方向耦合器、一射頻信號源及一射頻信號測量系統，該射頻共振電路包括具有一第一端及一第二端的一電感，以及與該電感的該第一端並聯的一電容、一電阻及一穿隧電阻，其 中該穿隧電阻形成於該待測樣品與該探針之間；該方向耦合器與該射頻共振電路的該電感的該第二端電耦接；該射頻信號源產生一射頻信號並經由該方向耦合器輸出至該射頻共振電路；該射頻信號測量系統接收該射頻共振電路經由該方向耦合器傳來的一射頻反射信號，以根據該射頻反射信號反饋控制該探針，並產生一與該待測樣品的表面樣貌有關的掃描結果。

較佳地，該射頻共振電路還包括一與該電感的該第二端並聯的輔助電容。

較佳地，該射頻共振電路還包括一與該電容串接並由一第一外加電壓控制，以調整該射頻共振電路的一共振頻率之第一壓控電容，以及一與該輔助電容串接並由一第二外加電壓控制，以決定該射頻共振電路的一最終阻抗之第二壓控電容。

較佳地，該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡還包括一與該射頻信號產生器電耦接的1對2功率分配器，其將該射頻信號一分為二，並經由兩個輸出端分別輸出至該方向耦合器及該射頻信號測量系統，且該射頻信號測量系統還包括一反射信號補償電路，其將該1對2功率分配器輸出的該射頻信號適當放大並調整其相位，並將該射頻反射信號適當放大，使該射頻信號與包含於該射頻反射信號中的部分該射頻信號的振幅相同且相位相差180度，再將兩者相加，以消除該射頻反射信號中的該射頻信號成份。

較佳地，該射頻信號測量系統還包括一第三帶 通濾波器，其對該反射信號補償電路輸出的該射頻反射信號進行帶通濾波再輸出。

較佳地，該第三帶通濾波器是一具有極高Q值的晶體濾波器或表面聲波濾波器，且該射頻信號測量系統還包括一第三混波器及一本地振盪器，其將該射頻反射信號與該本地振盪器產生的一本地振盪信號進行混波後再輸出，以將該射頻反射信號的頻率移至該第三帶通濾波器的一工作頻段內。

較佳地，該反射信號補償電路包括一放大該射頻反射信號的第一壓控增益放大器、一放大該射頻信號的第二壓控增益放大器、一調整該射頻信號的相位，使與該射頻反射信號中的部分該射頻信號具有180度相位差的移相器，以及一將該移相器輸出的信號與該第二壓控增益放大器輸出的信號相加的組合器。

較佳地，該射頻信號測量系統還包括一射頻功率偵測器、一掃描控制器及一電腦，該射頻功率偵測器偵測該射頻反射信號的一功率強度，該掃描控制器根據該功率強度反饋控制該探針，該電腦根據該功率強度描繪該待測樣品的表面樣貌並顯示描繪結果。

較佳地，該射頻信號測量系統還包含一設在該反射信號補償電路的該移相器與該組合器的一輸入端之間的第一方向耦合器，一設在該組合器的一輸出端與另一1對2功率分配器的一輸入端之間的第二方向耦合器，一與該第二方向耦合器的一耦合路徑電耦接的放大器，以及一 與該放大器及該第一方向耦合器的一耦合路徑電耦接的相位差偵測器；且該第一方向耦合器耦合該移相器輸出的該射頻信號並輸入該相位差偵測器中，該第二方向耦合器耦合該組合器輸出的經補償後的射頻反射信號，並經由該放大器適當放大後輸入該相位差偵測器，使偵測該射頻信號與該射頻反射信號之間的一相位差。

較佳地，該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡還包括一電流-電壓轉換放大器及一與該方向耦合器、該射頻共振電路以及該電流-電壓轉換放大器電耦接的Bias-T電路，該方向耦合器輸出的該射頻信號經由該Bias-T電路輸入該射頻共振電路，且該射頻共振電路產生的該射頻反射信號經由該Bias-T電路輸出至該方向耦合器，並且該射頻共振電路產生的一穿隧電流經由該Bias-T電路輸出至該電流-電壓轉換放大器進行放大並轉換成一輸出電壓後，輸入該掃描控制器，使該掃描控制器根據該輸出電壓及該功率強度反饋控制該探針。

較佳地，該掃描控制器各別對該輸出電壓及該功率強度進行信號處理後，再將兩者以若干比例相加並經由一高壓放大器放大，以產生一驅動信號驅動一帶動該探針上下振動的壓電陶瓷晶體。

較佳地，該掃描控制器對該輸出電壓進行信號處理並經由一高壓放大器放大後，輸出至一帶動該探針上下振動的壓電陶瓷晶體一端，且該掃描控制器對該功率強度進行信號處理後，直接輸出至該壓電陶瓷晶體的另一 端，以驅動該壓電陶瓷晶體；較佳地，該待測樣品被施加一偏壓，且該探針接地，使得該探針足夠接近該待測樣品的表面時，於兩者之間形成穿隧效應而產生該穿隧電阻；或者，該待測樣品被接地，且該射頻共振電路經由一高頻扼流線圈被施加一偏壓，以阻擋輸入該射頻共振電路的該高頻信號影響該偏壓，且該電阻還串聯一阻隔電容，以阻擋該射頻共振電路產生的一穿隧電流流經該電阻。

較佳地，該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡還包含一屏蔽殼體，將該探針和該射頻共振電路包覆於其中，以避免該射頻反射信號受一外部電子(流)場干擾。

較佳地，該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡的該屏蔽殼體包括一缺口，鄰近該探針，以供該探針的一前端裸露。

較佳地，該射頻信號測量系統利用該射頻反射信號反饋控制該探針，並使該射頻反射信號的能量強度或相位維持一定值的一操作模式為一定射頻掃描模式。

較佳地，該射頻信號測量系統還包括一本地振盪器、一第一混波器，及一第二混波器，該第一混波器接收該參考信號和該本地振盪器所產生的一本地振盪信號以進行混波，並產生一第一混波信號，且該第一混波信號具有一工作頻率子信號和一非工作頻率子信號；而該第二混波器，接收該射頻反射信號和該本地振盪信號以進行混波，並產生一第二混波信號，且該第二混波信號具有一工作 頻率子信號和一非工作頻率子信號。

較佳地，該射頻信號測量系統還包括一第一帶通濾波器及一第二帶通濾波器，該第一帶通濾波器電連接於該第一混波器以接收該第一混波信號，且濾除該第一混波信號的該非工作頻率子信號，並輸出至該反射信號補償電路；而該第二帶通濾波器電連接於該第二混波器以接收該第二混波信號，且濾除該第二混波信號的該非工作頻率子信號。

較佳地，該射頻信號測量系統還包括一反射信號補償電路、一射頻功率放大器、一第三帶通濾波器、一1對2功率分配器、一射頻功率偵測器，及一掃描控制器，該反射信號補償電路接收該第一混波信號和該第二混波信號，並將該第一及第二混波信號進行互補運算以輸出一補償信號；該射頻功率放大器電連接該反射信號補償電路以接收該補償信號，並加以放大而成一補償放大信號；該第三帶通濾波器電連接該射頻功率放大器以接收該補償放大信號，且將該補償放大信號進行濾波以得到一濾波信號；該1對2功率分配器電連接該第三帶通濾波器以接收該濾波信號，並將該濾波信號分為一第一分岐信號和一第二分岐信號；該射頻功率偵測器，電連接該1對2功率分配器以偵測該第一分岐信號的一功率強度；該掃描控制器，電連接該射頻功率偵測器以接收該功率強度，並根據該功率強度來控制該探針，且描繪該待測樣品表面樣貌以產生一描繪結果。

較佳地，該射頻信號測量系統還包括一第二方向耦合器、一放大器，及一相位差偵測器，該第二方向耦合器電連接於該第三帶通濾波器和該1對2功率分配器之間，用以耦合該濾波信號以產生一耦合信號；該放大器電連接於該第二方向耦合器以接收該耦合信號並放大該耦合信號而成一耦合放大信號；該相位差偵測器，電連接於該放大器與該反射信號補償電路之間，用以偵測該耦合放大信號和該射頻信號之間的一相位差。

較佳地，該射頻信號測量系統還包括一電腦，該電腦電連接該掃描控制器與該相位差偵測器，以接收該描繪結果並根據該描繪結果產生一顯示畫面。

本發明除了可利用射頻反射信號來量測探針與待測樣品之間的穿隧電阻效應，亦具有量測射頻反射信號之相位差以反應待測樣品表面的電抗效應之能力，且能不受該外部電子(流)場的影響而能有完整且不受干擾地掃描結果，確實達到本發明的功效。

3‧‧‧射頻反射式掃描穿隧顯微鏡

4‧‧‧射頻信號測量系統

10‧‧‧探針

100‧‧‧前端

20‧‧‧待測樣品

31‧‧‧射頻共振電路

32‧‧‧方向耦合器

33‧‧‧射頻信號源

34‧‧‧第一端

35‧‧‧第二端

36、49‧‧‧1對2功率分配器

37‧‧‧Bias-T電路

38‧‧‧掃描控制器

39‧‧‧電流-電壓轉換放大器

321‧‧‧輸入路徑

40‧‧‧頻譜分析儀

41‧‧‧反射信號補償電路

42‧‧‧第一方向耦合器

43‧‧‧第二方向耦合器

44‧‧‧組合器

45‧‧‧射頻功率放大器

46‧‧‧射頻功率偵測器

47‧‧‧第三混波器

471‧‧‧第一帶通濾波器

472‧‧‧第二帶通濾波器

48‧‧‧第三帶通濾波器

54‧‧‧第二混波器

5‧‧‧屏蔽殼體

50‧‧‧第一混波器

51‧‧‧Z軸

52‧‧‧壓電陶瓷晶體(PZT)

53‧‧‧PZT驅動電路

61、62、64‧‧‧信號處理電路

63‧‧‧放大器

70‧‧‧電腦

71‧‧‧放大器

72‧‧‧相位差偵測器

140‧‧‧20dB放大器

141‧‧‧數位步進衰減器

142、143‧‧‧20dB放大器

151‧‧‧數位步進衰減器

152、153‧‧‧20dB放大器

154‧‧‧壓控衰減器

155、162‧‧‧16位元數位/類比轉換器(5V)

156、163‧‧‧16位元數位/類比轉換器(01V)

160‧‧‧衰減器

161‧‧‧壓控移相器

164‧‧‧阻抗匹配放大器

322、421、431‧‧‧耦合路徑

L‧‧‧電感

Cp‧‧‧電容

Rp‧‧‧電阻

Rt‧‧‧穿隧電阻

It‧‧‧穿隧電流

I‧‧‧加總電流

Vb‧‧‧偏壓

Zt‧‧‧阻抗

Cpi‧‧‧輔助電容

RF‧‧‧射頻信號

Ref‧‧‧參考信號

RFr‧‧‧射頻反射信號

Vcpi、Vcp‧‧‧壓控電容

Bias1、Bias2‧‧‧電壓

RFC‧‧‧高頻扼流線圈

VGA‧‧‧第一壓控增益放大器

Vphase‧‧‧移相器

VGAR‧‧‧第二壓控增益放大器

LO‧‧‧本地振盪器

Ct‧‧‧穿隧能障電容

Cs‧‧‧直流隔絕電容

RFC‧‧‧高頻扼流線圈

Cb‧‧‧阻隔電容

Z‧‧‧高度

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明習知掃描式穿隧顯微鏡操作在定高模式；圖2是一示意圖，說明習知掃描式穿隧顯微鏡操作在定電流模式；圖3是一電路圖，說明習知穿隧顯微鏡採用的一種電流 -電壓轉換放大器；圖4是一電路圖，說明習知一種射頻掃描式穿隧顯微鏡；圖5是一等效電路圖，說明圖4習知射頻掃描式穿隧顯微鏡的LCR共振電路的等效電路；圖6是一曲線圖，說明不同的穿隧電阻值所對應的射頻反射率變化；圖7是一曲線圖，說明習知射頻掃描式穿隧顯微鏡獲得的射頻反射率強度與穿隧電阻之間並非單對應關係；圖8是一電路圖，主要說明本發明射頻反射式掃描穿隧顯微鏡的射頻共振電路；圖9是一等效電路圖，說明圖8射頻掃描式穿隧顯微鏡的射頻共振電路的等效電路；圖10是一雙對數座標圖，說明射頻反射率Γ的變化量與穿隧電阻呈現單對應關係；圖11是一等效電路圖，說明本發明還可在射頻共振電路的電感的第二端並聯一輔助電容；圖12是一等效電路圖，說明本發明可在電容及輔助電容上再分別串聯一壓控電容，並利用兩個外加電壓來分別控制該二壓控電容；圖13是一電路圖，說明本發明射頻反射式掃描穿隧顯微鏡的一第一實施例；圖14是一電路示意圖，說明本發明的該第一實施例的第一壓控增益放大器的電路組成； 圖15是一電路示意圖，說明本發明的該第一實施例的第二壓控增益放大器的電路組成；圖16是一電路示意圖，說明本發明的該第一實施例的移相器的電路組成；圖17是一統計圖，說明本發明的該第一實施例的射頻反射率Γ-穿隧電阻Rt-穿隧電流It與偏壓Vb的實測數據的統計結果；圖18是一曲線圖，說明本發明的該第一實施例的射頻反射信號差△Γ與穿隧電流It訊號具有很高的一致性；圖19是一影像圖，說明本發明的該第一實施例操作在定射頻掃描模式時產生的待測樣品表面掃描影像；圖20是一影像圖，說明本發明的該第一實施例操作在電流掃描模式時產生的待測樣品表面掃描影像；圖21是一照片，說明本發明的該第一實施例操作在定電流掃描模式時產生的待測樣品表面掃描照片；圖22是一照片，說明本發明的該第一實施例操作在定射頻信號強度掃描模式式時產生的待測樣品表面掃描照片；圖23是一示意圖，說明本發明的該第一實施例的探針移近至產生穿隧電流的高度時，將100MHz的驅動信號送入探針，射頻反射信號的強度就有100MHz的變化；圖24是一示意圖，說明本發明的該第一實施例的探針拉開至沒有穿隧電流的高度時，射頻反射信號的強度就固定； 圖25是一實測結果圖，說明本發明的該第一實施例的射頻信號具有極高的操作頻寬；圖26是一電路方塊圖，說明本發明的該第一實施例的掃描控制器的一種反饋控制探針的方式；圖27是一電路方塊圖，說明本發明的該第一實施例的掃描控制器的另一種反饋控制探針的方式；圖28是一等效電路圖，說明本發明的該第一實施例在待測樣品上施加一偏壓，並令探針接地的一種偏壓方式；圖29是一等效電路圖，說明本發明的該第一實施例在射頻共振電路上施加一偏壓，並令待測樣品接地的另一種偏壓方式；圖30是一電路圖，說明本發明射頻反射式掃描穿隧顯微鏡的一第二實施例；圖31是一示意圖，說明本發明射頻反射式掃描穿隧顯微鏡的該第二實施例的一屏蔽殼體示意圖；圖32是一等效電路圖，說明本發明的該第二實施例的該屏蔽殼體包覆該探針、該射頻共振電路、該Bias-T電路及該電流-電壓轉換放大器的一示意圖；圖33是一示意圖，說明本發明的該第二實施例的探針量測一置於一液相電化學反應槽的該待測樣品；圖34是一影像圖，說明本發明的該第二實施例之該外來電流與該射頻反射信號的變化圖；圖35(a)是一曲線圖，說明本發明的該第二實施例在該定射頻掃描模式時，該探針的高度不隨一加總電流之變化 而變化；圖35(b)是一曲線圖，說明本發明的該第二實施例在該定電流掃描模式時，該探針的高度明顯地正比於該加總電流方波的積分；圖36(a)是一影像圖，說明本發明的該第二實施例之一X光激發源開啟的一瞬間，該加總電流I的變化；圖36(b)是一影像圖，說明本發明的該第二實施例之該X光激發源以交互開與關做調變，該加總電流I的變化；圖37(a)是一照片，說明本發明的該第二實施例操作在定電流掃描模式下且無外來電流的待測樣品表面掃描影像；圖37(b)是一照片，說明本發明的該第二實施例操作在定射頻掃描模式下且有外來電流的待測樣品表面掃描影像；圖38(a)是一照片，說明本發明的該第二實施例操作在該定射頻掃描模式下且無外來電流的待測樣品表面掃描影像；圖38(b)是一照片，說明本發明的該第二實施例操作在該定射頻掃描模式下且有外來電流的待測樣品表面掃描影像圖39是一照片，說明本發明的該第二實施例操作在該定電流掃描模式下且有外來電流的待測樣品表面掃描影像；及圖40是一電路圖，說明本發明射頻反射式掃描穿隧顯 微鏡的一第三實施例。

參見圖8所示，本發明射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3的一第一實施例，具有一與一待測樣品20間隔且相對設置的探針10，用以掃描待測樣品20的表面樣貌，並包含一射頻共振電路31、一方向耦合器32、一射頻信號源33及一射頻信號測量系統4。其中射頻共振電路31包括具有一第一端34及一第二端35的一電感L，以及與電感L的第一端34並聯的一電容Cp、一電阻Rp及一穿隧電阻Rt，其中穿隧電阻Rt形成於待測樣品20與探針10之間；且穿隧電阻Rt是藉由在探針10與待測樣品20之間產生一偏壓，例如在待測樣品20施加一偏壓Vb，並讓探針10接地，則當探針10足夠接近待測樣品20的表面時，兩者之間會形成穿隧效應而產生穿隧電阻Rt，且射頻共振電路31與其前端電路的等效電路如圖9所示。

又預先將電感L、電容Cp與電阻Rp的值調至共振，其共振頻率可由下列公式決定：

其中R=Rt//Rp，且在實務中，穿隧電阻Rt的值是在MΩ至GΩ級，而電阻Rp約為KΩ級左右，因此，Rt>>Rp。故在穿隧電阻Rt為無限大時(即探針遠離待測樣品20時)，R=Rp，因此射頻信號的共振頻率，取決於使射頻共振電路31在R=Rp時具有最佳阻抗匹配，即射頻共振 線路31的阻抗Zt=輸出阻抗Z0(50歐姆)，此時射頻反射率Γ最小。則當探針10與待測樣品20的距離接近而使穿隧電阻Rt變小至有限值時，則R小於並近似於Rp，射頻共振電路31的阻抗匹配會變差，導致射頻反射率Γ增加，藉此，使得射頻反射率Γ的變化量由射頻共振電路31的阻抗Zt決定，即Zt=L/(Cp*R)，亦即當R微量改變，將微量改變Zt，進而微量改變射頻反射率Γ。因此，藉由電阻Rp，使得穿隧電阻Rt與射頻反射率Γ產生了關係，而此關係在圖10的雙對數坐標圖中顯示射頻反射率Γ(S11)的變化量隨穿隧電阻Rt而變化，且穿隧電阻Rt在一個大的變化範圍內與射頻反射率Γ的變化量呈現單對應且線性的態樣，解決了習知射頻反射式掃描穿隧顯微鏡因穿隧電阻Rt與射頻反射率Γ呈雙對應且非線性關係所造成的掃描結果誤判及反饋控制不穩定的問題。

再參見圖8所示，上述射頻信號是由射頻信號源33產生，且方向耦合器32電耦接在射頻信號源33與射頻共振電路31的共振電感L的第二端35之間，用以將射頻信號源33輸出的射頻信號經由一輸入路徑321輸入至射頻共振電路31。同時方向耦合器32亦會將由射頻共振電路31反射回來的射頻反射信號經由一耦合路徑322輸入至射頻信號測量系統4。因此，射頻信號測量系統4接收射頻共振電路31經由方向耦合器32傳來的射頻反射信號，以根據射頻反射信號反饋控制探針10的高度，並據以產生一與待測樣品20的表面樣貌有關的掃描結果。

此外，若要讓射頻共振電路31的反射損失(return loss)維持在20dB以上，並操作在比較高的頻率(數百MHz以上)，則電感L及電容Cp的值要小(參見上面公式)，且電阻Rp要夠大，因為射頻共振電路31的射頻反射率Γ的變化量，取決於Rp與Rp//Rt的差量，所以電阻Rp的值越大，射頻反射率Γ的變化量就越大。但由於電阻Rp相當於L/(C*Zo)，因此電阻Rp很難設定為較大的值，即便電容Cp是僅用印刷電路板上的雜散電容(<1.0pF)，電阻Rp要調到數K以上都非常困難。

因此，為達到上述目的，如圖11所示，本發明還可在射頻共振電路31的電感L的第二端35並聯一輔助電容Cpi，使射頻共振電路31構成一Π型電路結構，且輔助電容Cpi可以使用較大的電容值，使電阻Rp可以調到較大的值。且因為共振頻率主要仍由電感L與電容Cp決定，所以在設定好電阻Rp與共振頻率後，就可以決定輔助電容Cpi的值(一般在數pF至數十pF之間)。且因為穿隧電阻Rt的操作範圍約在數十MΩ到1GΩ之間，因此電阻Rp的上限可設定在約1MΩ左右，藉此使射頻反射率Γ的變化量相對於同樣的穿隧電阻Rt，會有較大的響應。

再者，這種Π型的共振電路結構，也提供了在線上即時調整共振頻率的可行性。如上所述，共振頻率決定於內部所用的零件數值，一旦設定，就產生一個特定的共振頻率，其值主要由電感L及電容Cp決定。且因為電阻Rp不予變動，因此變動共振頻率則需靠電容Cp及輔助 電容Cpi的調整，因此如圖12所示，本發明可在電容Cp及輔助電容Cpi上再分別串聯一壓控電容VCp及VCpi，並利用兩個外加電壓Bias1及Bias2來控制想要產生的等效的電容Cp及輔助電容Cpi值。其中電壓Bias1主要控制共振頻率，而電壓Bias2則控制最終阻抗值。藉此，射頻共振電路31可以在一定的操作頻率範圍內選擇所要偵測的射頻信號的頻率，以嘗試不同型態的物理量測。

又本發明的射頻信號測量系統4基本上就是根據由方向耦合器32傳來的射頻反射信號，量測射頻共振電路31的射頻反射率Γ(S11)及其與穿隧電阻Rt相對應的變化。然而在現實情況中，方向耦合器32並不完美，因為它的方向性是有限的(一般約20~30dB左右)，所以它由耦合路徑322傳送給射頻信號測量系統4的信號中除了射頻反射信號本身外(當中還包含耦合的損失)，還包括相當成份之由輸入路徑321洩漏至耦合路徑322的射頻信號。而且如果由方向耦合器32的輸入路徑321輸入的射頻信號強度較大時，經由方向耦合器32漏至耦合路徑322的射頻信號強度甚至會高過於射頻反射信號，則提供給射頻信號測量系統4的待測信號中除了原本的射頻反射信號外，又將加上相當於背景信號的射頻信號，使得所要量測的射頻反射信號的變化量，相對於待測信號本身又更是微乎其微，而將使射頻反射信號的變化量之測量變得更加地困難。

舉例來說，若典型由方向耦合器32輸出的背景信號(即射頻信號)強度為-40dbm到-50dBm，而射頻共振 電路31掃描表面有原子起伏的待測樣品20時，其產生的射頻反射信號的變化量可能僅在0.01dB甚或更低。雖然這個信號可以用低雜音低失真的射頻放大器放大至-10dBm左右，但信號的變化量(起伏差距)仍然為同樣的0.01dB。以現今功率偵測器的能力，若想直接量測-10.000dBm與-10.01dBm或更低的差別是非常困難的，因為功率偵測器輸出的雜訊位準可能就近似甚或超越這個數值。

因此，為解決上述問題，參見圖13所示，本發明還包括一與射頻信號源33電耦接的1對2功率分配器36，其可將輸入的射頻信號一分為二，並經由兩個輸出端分別輸出至方向耦合器32及射頻信號測量系統4，且射頻信號測量系統4還包括一反射信號補償電路41，其中包含一與功率分配器36的一輸出端電耦接的第一壓控增益放大器VGAR，一與第一壓控增益放大器VGAR電耦接的移相器VPhase，及一與方向耦合器32的耦合路徑322電耦接的第二壓控增益放大器VGA。

且在穿隧電阻Rt很大，例如10G或更大時，令射頻信號源33輸出射頻訊號，此時，因射頻共振電路31阻抗匹配，由方向耦合器32輸入射頻共振電路31的射頻信號RF之反射變化量極低，故可視由方向耦合器32輸出至第二壓控增益放大器VGA的射頻反射信號是由方向耦合器32的輸入路徑321漏至耦合路徑322的射頻信號，以下稱之背景信號，故輸入第一壓控增益放大器VGAR的射頻信號，以下稱之參考信號Ref，可藉由調整第一壓控增 益放大器VGAR的增益及移相器VPhase的相位，使由移相器VPhase輸出的參考信號Ref與背景信號的強度相同且相位相差180度，再將兩者送入一組合器44相加，讓兩者因電壓相疊且相位相反而彼此抵消，使得組合器44輸出為零或接近於零。藉此，可消除射頻反射信號RFr中由方向耦合器32的輸入路徑321漏至耦合路徑322的射頻信號成份，使得組合器44輸出的信號強度變化能完全反應射頻信號RF因穿隧電阻Rt的變化而產生的變化量，且此微小的變化量經過射頻信號測量系統4的一射頻功率放大器45放大後，即可被射頻信號測量系統4的一射頻功率偵測器46輕易的測得其功率強度。然後，射頻信號測量系統4的一電腦70再根據該功率強度描繪該待測樣品20的表面樣貌並顯示描繪結果。

進一步而言，如圖13所示，本發明之實施例還包含一與方向耦合器32的輸入路徑321及射頻共振電路31電耦接的Bias-T電路37，以及一電耦接在Bias-T電路37與射頻信號測量系統4的一掃描控制器38之間的電流-電壓轉換放大器39。且Bias-T電路37包含電耦接在射頻共振電路31與方向耦合器32的輸入路徑321之間的一直流隔絕電容Cs，以及一電耦接在射頻共振電路31與電流-電壓轉換放大器39之間的高頻扼流線圈RFC。而且本發明在對待測樣品20進行掃描之前，會先進行一初始程序，亦即，先將探針10置於離待測樣品20足夠遠處，並設定射頻信號RF的頻率與振幅，然後調整反射信號補償電路41 內的第一壓控增益放大器VGA的增益，使輸出信號功率達到一個自定的正規操作功率範圍(例如-10dBm~-30dBm)，再調整第二壓控增益放大器VGAR的增益及移相器VPhase的相位，以讓參考信號Ref與背景信號的強度一致並反相(相差180度)，再將兩者經由組合器44相加後輸出至一頻譜分析儀40，使顯示輸出信號的強度，則根據背景信號消去的程度，可觀測到反射信號補償電路41的輸出信號變弱，例如由第一壓控增益放大器VGA正規化的射頻反射信號RFr的功率為-10dBm，若經反射信號補償電路41補償調整後輸出信號為-70dBm，則背景消去量為60dB，因此完成初始程序時，反射信號補償電路41的輸出信號應趨近於零，若需微調初始程序，可進一步以粗調步進動作將探針10靠近待測樣品20，使產生穿隧電流It經由射頻共振電路31及Bias-T電路37送至電流-電壓轉換放大器39轉換並放大成電壓，再輸出至掃描控制器38以反饋控制探針10高度，直到掃描控制器38判斷穿隧電流It已達到一設定值，再將探針10與待測樣品20的距離拉大後，再度進行一次如上述之初始程序，可消除因探針10接近待測樣品20表面產生的電容變化。

且上述第一壓控增益放大器VGA、第二壓控增益放大器VGAR及移相器VPhase基本上都可以由電腦70控制，也可以手動操作。如圖14所示的第一壓控增益放大器VGA的電路示意圖，其將輸入信號先經由一20dB放大器140放大20dB，再輸入一最小解析度為1dB的數位步進 衰減器141，然後將信號輸出至後端串接的兩個選擇性20dB放大器142、143，以將信號強度放大至一設定值(放大範圍從-10dB~+60dB)。再如圖15所示的第二壓控增益放大器VGAR的電路示意圖，其增益不需要很大，因為輸入其中的參考信號Ref(射頻信號)強度本就大於由方向耦合器32的輸入路徑321漏至耦合路徑322的背景信號(射頻信號)，但因為在補償時參考信號Ref的強度要完全等於背景信號強度，所以需要有很好的解析度。若第二壓控增益放大器VGAR內的放大值解析度到達0.0001dB，補償量約可達到40dB，而解析度到達0.000001dB時，補償量就可以達到60dB，所以在第二壓控增益放大器VGAR中，前端除了採用與第一壓控增益放大器VGA相同的一數位步進衰減器151及其後串接的兩個選擇性20dB放大器153、152外，還使用一類比的壓控衰減器154，以及轉換電壓範圍分別為5V及0.1V的兩個16位元數位/類比轉換器155、156的輸出電壓來控制壓控衰減器154，以達到這個精度的要求。

再者，為了讓移相器VPhase精確產生180度相差，移相器VPhase的範圍要超過180度，但精確度要在度級以下，因為若參考信號Ref與背景信號皆為-10dBm時，1度的相位誤差將導致-45dBm的殘留信號強度，0.1度的相位誤差則導致-65dBm。所以如圖16所示，本實施例的移相器VPhase在實作時是以選擇不同長度的信號傳輸路徑來調整信號的傳輸路徑長度以做大角度相移，並以一衰減 器160將信號衰減，例如-6dB後，再使用由壓控電容配合電感做成CLC型或LC型的壓控移相器161來對信號做精細的相位微調，而控制電壓的部分則由轉換電壓範圍分別為5V及0.1V的兩個16位元數位/類比轉換器162、163的輸出電壓來控制壓控移相器161。藉此，可讓移相器VPhase的解析度達到0.001度以下，然後移相器VPhase輸出的信號會經過一阻抗匹配放大器164適當放大後再輸出。

另外，由於上述的補償操作只會對單一頻率有效，所以射頻反射信號RFr中的高次諧波等都會留下。且由於射頻功率偵測器46是使用可操作在寬頻的功率偵測器，所以射頻反射信號RFr中的高次諧波信號都會成為有效輸出而降低了射頻反射信號RFr的信噪比，因此，本實施例還可在組合器44的輸出端設置一個只通過對應頻率(工作頻率)的第三帶通濾波器(BPF)，以減少射頻反射信號RFr中的高次諧波成份。且若信噪比為重要的考慮，第三帶通濾波器可選用Q值極高的晶體濾波器或表面聲波濾波器(SAW filter)，這是因為該等濾波器的頻寬窄，可以提高射頻反射信號RFr的信噪比。但目前市場上的此類產品都設計為商業使用頻段，不一定符合本發明的設定頻率及頻寬。

因此，如圖13所示，本實施例可以使用一個本地振盪器LO產生一本地振盪信號，其頻率為射頻信號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，則本地振盪頻率可設為820-374=446MHz或820+374=1194MHz。然後再透過一第三混波器(Mixer)47將反射信號補償電路41的組合器44輸出的射頻反射信號與本地振盪信號混頻，使將射頻反射信號移至商用第三帶通濾波器48的工作頻率，再將第三帶通濾波器48濾出來的射頻反射信號經過射頻功率放大器45放大後送到射頻功率偵測器46，即可大幅提高射頻反射信號的信噪比。

再者，本實施例射頻反射式掃描穿隧顯微鏡所產生的射頻反射信號RFr的強度只與穿隧電阻Rt有關。亦即，如圖17所示之射頻反射率□-穿隧電阻Rt-穿隧電流It與偏壓Vb的實測數據的統計結果，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□(以顏色代表)亦保持固定。由於穿隧電阻Rt決定於待測樣品20之表面與探針10的電子組態，所以我們量測到的射頻反射率□變化，是實在的近場(即奈米距離)之內的效應。

而且，為了證明本發明的射頻反射率□變化會與穿隧電流It一致，本實施例以石墨表面做待測樣品20，同時取得一條掃瞄線的射頻反射訊號變化量與穿隧電流It，得到如圖18的結果。圖18中曲線的每一個起伏代表一個碳原子的信號，從中可以看出射頻反射信號差△Γ與穿隧電流It訊號的一致性很高，而當探針10稍微遠離，穿隧 電流It消失，同時射頻反射信號也不再有變化，這就表示主導射頻反射訊號RFr的變化為近場效應。

且當把掃描的範圍由線擴展至面，可得到掃描結果以3D方式顯現如圖19的射頻掃描影像及圖20的電流掃描影像。從兩圖中可以看見兩者呈現明顯的高度相關性，而且獨立的一顆顆原子可以清楚的辨別，且相較之下，圖19的射頻掃描影像的信噪比甚至比圖20的電流掃描影像還要好。因此，由於射頻反射信號差△Γ與穿隧電流It有很高的一致性，所以前者可取代後者做為反饋機制，讓探針10可以隨著地貌起伏。如同定電流模式，若將射頻反射信號RFr強度固定，即固定穿隧電阻Rt，則探針10的高度也會固定。例如本實施例在待測樣品20的同一區域分別使用定電流模式及定射頻信號強度模式進行掃描，可分別測量出兩者照片如圖21及圖22。此測試是在大氣及常溫下進行，且從圖21與圖22中可以看出兩種回饋模式取得了非常一致的表面地貌。

又因為本實施例要與傳統穿隧顯微鏡的穿隧電流It信號相比，故以上的測試是在相對低的掃描速度下進行，但本實施例使用射頻信號RF的一個主要原因仍是因為其可以操作在高頻寬，所以如圖23所示，本實施例採用一設於探針10的Z軸51以控制探針10的高度的壓電陶瓷晶體(PZT)52，並在設定好探針10的一穿隧距離後，利用一高耐壓電容(圖未示)將一微小之調制信號(驅動電壓，~mV級)送進設於Z軸51的PZT驅動電路53內，因為 PZT52移動的距離很小，故探針10在Z軸51上可以大約1Å的幅度快速的上下振動，足以使直流穿隧電流It信號及射頻反射信號RFr的強度產生變化，同時也進一步驗證射頻反射信號RFr的變化是近場效應。例如圖23所示，將探針10移近至產生穿隧電流It的高度時，將100MHz的驅動信號送入探針10，射頻反射信號RFr的強度就有100MHz的變化，而若如圖24所示，將探針10拉開至沒有穿隧電流It的高度時，射頻反射信號RFr的強度就固定了，此現象即可驗證即便探針10在100MHz的高速運動下，本實施例仍可有效測量近場的射頻反射信號強度變化。

因此，本實施例可以用上面的方法來比較以直流掃描及射頻掃描的頻寬，亦即將驅動信號的頻率逐漸增高，同時量測穿隧電流It與射頻反射信號RFr的功率變化的振幅，以兩者在低頻端的起始的振幅為參考值，再昇高頻率並比較低頻與高頻的振盪波幅的比例，並定出振幅縮小3dB的頻寬值，則由圖25的實測結果發現，驅動信號由100Hz增加到500MHz時，直流穿隧電流It的振幅在10KHz處開始下降，到100KHz時相對強度為-7dB(約為原來強度的1/6)。而射頻反射信號的振幅一直到500MHz(測試示波器的極限)都是平坦且無顯著的下降，且這樣的偵測頻寬遠遠超過現有的任何掃描探針式顯微鏡的操作頻寬。

再者，本實施例的掃描控制器38可以同時根據直流穿隧電流It的誤差量與射頻反射信號RFr的誤差量△ □兩個部份來產生控制探針10作動的反饋信號，且在實做上可以有好幾種組合，例如單獨採用穿隧電流It的誤差量、單獨採用射頻反射信號的誤差量△Γ或者兩者兼用。且由於射頻信號RF的頻寬較高，所以在反饋控制上有其優勢。例如圖26所示，其中掃描控制器38的一種反饋控制方式為將直流穿隧電流It的誤差量與射頻反射信號RFr的誤差量△Γ兩者各自經過不同的信號處理電路61、62處理後以若干比例相加，再輸出至一放大器63使產生驅動信號驅動探針10上的PZT 52。而掃描控制器38的另外一種反饋控制方式則如圖27所示，將射頻反射信號RFr的誤差量經一信號處理電路64處理並適當放大後直接接到PZT52的另一端以低壓的方式操作，此方式可避免射頻反射信號RFr受到高壓放大器63的頻寬限制。

此外，值得一提的是，如圖28所示，當探針10與待測樣品20之間產生穿隧效應時，除了在探針10與待測樣品20之間具有一個等效的穿隧電阻Rt之外，實際上在探針10與待測樣品20之間亦存在一個穿隧能障電容Ct。而且為了讓穿隧電阻Rt得以形成，射頻共振電路31的探針10與待測樣品20之間必需足夠接近，本實施例可藉由在待測樣品20上施加一偏壓Vb，並令探針10接地以偵測穿隧電流It來達成。且在射頻共振電路31上產生的穿隧電流It將經由Bias-T電路37的高頻扼流線圈RFC輸出至電流-電壓轉換放大器39。因此，若待測樣品20是一導電性很好的材料，則穿隧電阻Rt會是影響射頻反射信號強 度的主要變量，此時穿隧能障電容Ct的值一般在af(10^-18 F)以下等級，對射頻共振電路31幾乎沒有影響。而上述實施例即是在這樣的一個條件下對待測樣品20進行掃描。

反之，若待測樣品20是一偏介電質材料，絕緣性佳，則即使探針10很接近待測樣品20表面，兩者之間的穿隧電阻Rt仍然很大，使得穿隧電阻Rt對射頻反射信號強度的影響小，此時，穿隧能障電容Ct將隨著探針10與待測樣品20表面距離的變化而變化。因此，如圖13所示，本實施例的射頻信號測量系統4中還可包含一設在反射信號補償電路41之移相器VPhase與組合器44的一輸入端之間的第一方向耦合器42，一設在組合器44的輸出端與另一1對2功率分配器49的輸入端之間的第二方向耦合器43，一與第二方向耦合器43的一耦合路徑431電耦接的放大器71，以及一與放大器71及第一方向耦合器42的一耦合路徑421電耦接的相位差偵測器72。第一方向耦合器42耦合移相器VPhase輸出的參考信號Ref並輸入相位差偵測器72中，第二方向耦合器43耦合組合器44輸出的經補償後的射頻反射信號RFr，並經由放大器71適當放大後輸入相位差偵測器72中，使相位差偵測器72偵測參考信號Ref與射頻反射信號RFr之間的相位差，且該相位差反應了穿隧能障的電抗效應，亦即待測樣品20的介電性質，所以電腦70亦可根據相位差偵測器72測得的相位差變化，對應描繪出待測樣品20的表面樣貌。因此，本實施例亦可藉由偵測射頻反射信號RFr的相位差變化而測得待測樣品 20表面的電抗效應，並且可以得到更高的空間與時間解析度。

而且，如圖29所示，是另一種在探針10與待測樣品20之間產生偏壓的方式，亦即讓待測樣品20接地，並由電流-電壓轉換放大器39提供一偏壓Vb經由Bias-T電路37的高頻扼流線圈RFC加在射頻共振電路31上，以讓整個射頻共振電路31浮在偏壓Vb上。且若是採用這種偏壓方式，因為要量測流經穿隧電阻Rt的穿隧電流It的量，為避免流過電阻Rp(Rp<<Rt)的電流遠大於流過穿隧電阻Rt的電流，所以必需讓電阻Rp串聯一個阻隔電容Cb來阻擋電流流經電阻Rp。因為若阻隔電容Cb的電容值很大(數十nF級以上)，對於數百MHz操作頻率的射頻信號而言相當於短路，但對於直流電流則相當於斷路，藉此，讓穿隧電流It能夠完全流經穿隧電阻Rt。

參閱圖30，本發明射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3的一第二實施例與該第一實施例的不同處在於該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3還包含一屏蔽殼體5，該屏蔽殼體5將該探針10和該射頻共振電路31包覆於其中，並包括一供該探針10的一前端100裸露(如圖31所示)的缺口，以保護該射頻共振電路31不受一外部相對低頻的電子(流)場，所產生的一外來電流干擾，其中，該外部電子(流)場可為一電子鎗產生的複數個入射電子，二次電子，歐傑電子，或為受光激發的複數個光電子，或是一電化學反應所產生的一法拉第電流。更佳地，同時參閱圖32，該屏蔽殼體5還 可包覆該Bias-T電路37及該電流-電壓轉換放大器39，使該探針10、該射頻共振電路31、該Bias-T電路37及該電流-電壓轉換放大器39能得到一良好的屏蔽。

本實施例的該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3除了新增該定射頻掃描模式外，亦有保留習知的穿隧顯微鏡的該定電流掃描模式。當該探針10與該待測樣品20的一量測環境處於該外部電子(流)場內(亦或是該探針10在一如圖33的液相環境下所產生的該法拉第電流場)，伴隨該外部電子(流)場來的該外來電流(圖未示)皆會加進該穿隧電流It而成一加總電流I，並藉由該電流-電壓轉換放大器39放大，而干擾既有的電流回饋機制，造成無法掃瞄成像的問題。

而若將本實施例的該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3操作於該射頻掃描模式下，由於該屏蔽殼體5的遮蔽，使該射頻反射信號RFr不會受該外部電子(流)場的干擾，如圖34所示，可看出當有該外來電流加入時，偵測到的該加總電流I由40nA增加到80nA，此時的射頻反射信號RFr沒有變化，因此該探針10的高度Z亦不會有所變化，故，若使用該射頻反射信號RFr來控制該探針10的高度Z，即能達到該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3不受該外來電流的干擾之功效。

在此更進一步地將本實施例該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3分別以該定電流掃描模式和該定射頻掃描模式下的回饋方法來探討該外來電流與該探針10高度Z之關 係。

參閱圖35(a)及圖35(b)，將該外部電子(流)場所產生的外來電流調變為方波，進而影響該加總電流I之電流波形如圖所示，可看出圖35(a)的該定射頻掃描模式回饋方式下的探針10的高度Z僅有因為熱漂移而有些微地改變，而與該外來電流並無顯著地相關；而圖35(b)的該定電流掃描模式回饋方式下的探針10的高度Z明顯地正比於該加總電流I方波的積分，由此而知該定電流掃描模式回饋方式下的探針10的高度Z受該外來電流的影響遠比該定射頻掃描模式回饋方式下的探針10的高度Z來的大。

進而將該外來電子(流)場所產生的外來電流改為一X光激發源所激發之光電流，以實驗於該定射頻掃描模式回饋方式下的該加總電流I與該探針10之關係，當該X光激發源開啟的一瞬間，該加總電流I即呈一階梯式的變化，如圖36(a)所示，但該射頻反射信號RFr和該探針10的高度Z並無相對應的改變；相同地，當該X光激發源以交互開與關做調變，如圖36(b)所示，則該加總電流I則隨該X光激發源的開與關調變有明顯地變化，但該射頻反射信號RFr和該探針10的高度Z亦無相對應的改變，也就是說，在該定射頻掃描模式回饋方式下的該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3的該射頻反射信號RFr和該探針10的高度Z並不會隨該外來電流而有所改變。

為證明本發明該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3的有效性，從圖37(a)和圖37(b)可清楚地比較出不論是將 該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3操作於一無外來電流且為該定電流掃描模式或一有外來電流且為該定射頻掃描模式，觀察到的待測樣品20(於一呈階梯狀的金雲母片)的表面形貌皆有一致的對應關係。

更進一步地將本發明該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3操作在該定射頻掃描模式，並分別將該探針10與該待測樣品20處於一無外來電流或有一12Hz調變的外來電流的量測環境，以比較該待測樣品20於該等量測環境下的表面掃描影像，可清楚地看到無該外來電流的表面掃描影像(圖38(a))和有該外來電流的表面掃描影像(圖38(b))兩者的影像呈現效果是相同的。再將本發明該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3改操作於該定電流掃描模式並進行表面掃描影像的掃描，如圖39，待掃描到三分之一位置時，即加入一外來電流，可觀察出該待測樣品20的一表面掃瞄影像於加入該外來電流時即受到嚴重的影響。也就是說，若將該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3操作在定電流掃描模式，則該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3易受該外來電流的影響，也就是說，只要將該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3操作在定射頻掃描模式不論是否有該外來電流的干擾，都不會影響本發明該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3的作業。

因此，本發明該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3能在預期有外來電流的情況下，直接使用該射頻掃描模式的一射頻反射能量強度來使該探針10靠近該待測樣品20至該穿隧效應發生的區域而能使該射頻反射式掃描穿隧顯 微鏡3在有外來電流的情況下亦能將該待測樣品20的表面樣貌清楚地描繪；但本發明該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3的操作亦可先在沒有外來電流的情況下先以該定電流掃描模式讓該探針10靠近該待測樣品20至一穿隧效應發生的區域，再將該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3更改為以該定射頻掃描模式來運作，此時的探針10的高度Z就不會因為該外來電流而有所影響，且能將該待測樣品20的表面樣貌清楚地描繪。

參閱圖40，本發明射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3的一第三實施例與該第二實施例的差異在於將該第三混波器47移除，並將二混波器及該本地震盪器LO移置該反射信號補償電路41和該1對2功率分配器36之間，在此更進一步說明，該第三實施例的該射頻信號測量系統4是包括一第一混波器50、一第二混波器54、一第一帶通濾波器471、一第二帶通濾波器472、一反射信號補償電路41、一射頻功率放大器45、一第三帶通濾波器48、一1對2功率分配器49、一射頻功率偵測器46、一掃描控制器38、一第二方向耦合器43、一放大器71、一相位差偵測器72，及一電腦70。

該第一混波器50接收該參考信號Ref和該本地振盪信號以進行混波，並產生一第一混波信號，且該第一混波信號具有一工作頻率子信號和一非工作頻率子信號。而該第二混波器54接收該射頻反射信號RFr和該本地振盪信號以進行混波，並產生一第二混波信號，且該第二混波 信號具有一工作頻率子信號和一非工作頻率子信號。

該第一帶通濾波器471接收該第一混波信號，並濾除該第一混波信號的該非工作頻率子信號，而輸出至該反射信號補償電路41，且該第二帶通濾波器472接收該第二混波信號，並濾除該第二混波信號的該非工作頻率子信號，而輸出至該反射信號補償電路41。

該反射信號補償電路41接收該第一混波信號和該第二混波信號，並將該第一及第二混波信號進行互補運算以輸出一補償信號。而該射頻功率放大器45電連接該反射信號補償電路41以接收該補償信號，並加以放大而成一補償放大信號。且該第三帶通濾波器48電連接該射頻功率放大器45以接收該補償放大信號，且將該補償放大信號進行濾波以得到一濾波信號。該1對2功率分配器49電連接該第三帶通濾波器48以接收該濾波信號，並將該濾波信號分為一第一分岐信號和一第二分岐信號。及該射頻功率偵測器46電連接該1對2功率分配器49以偵測該第一分岐信號的一功率強度。而該掃描控制器38電連接該射頻功率偵測器46以接收該功率強度，並根據該功率強度來控制該探針10，且描繪該待測樣品20表面樣貌以產生一描繪結果。

該第二方向耦合器43電連接於該第三帶通濾波器48和該1對2功率分配器49之間，以耦合該濾波信號而產生一耦合信號；該放大器71電連接於該第二方向耦合器43以接收該耦合信號並放大該耦合信號而成一耦合放大 信號；該相位差偵測器72電連接於該放大器71與該反射信號補償電路41之間，用以偵測該耦合放大信號和該射頻信號之間的一相位差；該電腦70電連接該掃描控制器38與該相位差偵測器72，以接收該描繪結果並根據該描繪結果產生一顯示畫面。

該第三實施例將該第一混波器50、該第二混波器54、該第一帶通濾波器471和該第二帶通濾波器472放置於該反射信號補償電路41之前，主要是為了使該參考信號Ref和該射頻反射信號RFr在進入該反射信號補償電路41之前先做混頻降頻及濾波之動作，以得到頻率最佳化的該第一混波信號的工作頻率子信號及該第二混波信號的工作頻率子信號，而使該反射信號補償電路41不須再處理該第一混波信號的非工作頻率子信號及該第二混波信號的非工作頻率子信號，使該反射信號補償電路41能僅單純化地進行該第一混波信號的工作頻率子信號及該第二混波信號的工作頻率子信號間的互補運算而輸出該補償信號，並將該補償信號傳送至該射頻功率放大器45做後續的動作，其動作原理同該第二實施例，故不再贅述，因此，如此可增加該第三實施例的信噪比。

綜上說明可知，本發明具有以下優點：

1.本發明除了利用射頻反射信號來量測探針10與待測樣品20之間的穿隧電阻Rt效應，亦具有量測射頻反射信號之相位差以反應待測樣品20表面的電抗效應之能力。

2.藉由該屏蔽殼體5的保護，使操作在該射頻掃描模式 下的該射頻反射式掃描穿隧顯微鏡3能不受該外部電子(流)場的外來電流影響，而能達到與該定電流掃描模式下且無外部電子(流)場的干擾所取得的待測樣品20表面形貌的同等之效果。

3.將該第一混波器50、第二混波器54、該第一帶通濾波器471，及該第二帶通濾波器472置於該反射信號補償電路41之前，如此可提升其信噪比，故，確實達到本發明的目的及功效。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

3‧‧‧射頻反射式掃描穿隧顯微鏡

4‧‧‧射頻信號測量系統

10‧‧‧探針

20‧‧‧待測樣品

31‧‧‧射頻共振電路

32‧‧‧方向耦合器

321‧‧‧輸入路徑

322‧‧‧耦合路徑

33‧‧‧射頻信號源

34‧‧‧第一端

35‧‧‧第二端

36、49‧‧‧1對2功率分配器

37‧‧‧Bias-T電路

38‧‧‧掃描控制器

39‧‧‧電流-電壓轉換放大器

40‧‧‧頻譜分析儀

41‧‧‧反射信號補償電路

42、43‧‧‧第一、第二方向耦合器

421、431‧‧‧耦合路徑

44‧‧‧組合器

45‧‧‧射頻功率放大器

46‧‧‧射頻功率偵測器

47‧‧‧第三混波器

48‧‧‧第三帶通濾波器

70‧‧‧電腦

71‧‧‧放大器

72‧‧‧相位差偵測器

L‧‧‧電感

Cp‧‧‧電容

Rp‧‧‧電阻

Rt‧‧‧穿隧電阻

It‧‧‧穿隧電流

Vb‧‧‧偏壓

Cpi‧‧‧輔助電容

RF‧‧‧射頻信號

RFr‧‧‧射頻反射信號

VGA‧‧‧第一壓控增益放大器

VPhase‧‧‧移相器

VGAR‧‧‧第二壓控增益放大器

LO‧‧‧本地振盪器

Cs‧‧‧直流隔絕電容

RFC‧‧‧高頻扼流線圈

Claims (22)

1. 一種射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，具有一與一待測樣品間隔且相對設置的探針，用以掃描該待測樣品的表面樣貌，並包含：一射頻共振電路，包括具有一第一端及一第二端的一電感，以及與該電感的該第一端並聯的一電容、一電阻及一穿隧電阻，其中該穿隧電阻形成於該待測樣品與該探針之間；一方向耦合器，與該射頻共振電路的該電感的該第二端電耦接，且接收一射頻信號，並將該射頻信號輸出至該射頻共振電路，且接收一經由該射頻共振電路反射傳回的一射頻反射信號；及一射頻信號測量系統，電連接該方向耦合器以接收該射頻反射信號，並根據該射頻反射信號反饋控制該探針，以產生一與該待測樣品的表面樣貌有關的掃描結果。
2. 如請求項1所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，其中該射頻共振電路還包括一與該電感的該第二端並聯的輔助電容。
3. 如請求項2所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，該射頻共振電路還包括一與該電容串接並由一第一外加電壓控制，以調整該射頻共振電路的一共振頻率之第一壓控電容，以及一與該輔助電容串接並由一第二外加電壓控制，以決定該射頻共振電路的一最終阻抗之第二 壓控電容。
4. 如請求項1至3其中任一所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，還包括一與該射頻信號產生器電耦接的1對2功率分配器，其將該射頻信號一分為二，並經由兩個輸出端分別輸出至該方向耦合器及該射頻信號測量系統，且該射頻信號測量系統還包括一反射信號補償電路，其將該1對2功率分配器輸出的該射頻信號適當放大並調整其相位，並將該射頻反射信號適當放大，使該射頻信號與包含於該射頻反射信號中的部分該射頻信號的振幅相同且相位相差180度，再將兩者相加，以消除該射頻反射信號中的該射頻信號成份。
5. 如請求項4所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，其中該射頻信號測量系統還包括一第三帶通濾波器，其對該反射信號補償電路輸出的該射頻反射信號進行帶通濾波再輸出。
6. 如請求項5所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，其中該第三帶通濾波器是一具有極高Q值的晶體濾波器或表面聲波濾波器，且該射頻信號測量系統還包括一第三混波器及一本地振盪器，其將該射頻反射信號與該本地振盪器產生的一本地振盪信號進行混波後再輸出，以將該射頻反射信號的頻率移至該第三帶通濾波器的一工作頻段內。
7. 如請求項4所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，其中該反射信號補償電路包括一放大該射頻反射信號的第一 壓控增益放大器、一放大該射頻信號的第二壓控增益放大器、一調整該射頻信號的相位，使與該射頻反射信號中的部分該射頻信號具有180度相位差的移相器，以及一將該移相器輸出的信號與該第二壓控增益放大器輸出的信號相加的組合器。
8. 如請求項4所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，其中該射頻信號測量系統還包括一射頻功率偵測器、一掃描控制器及一電腦，該射頻功率偵測器偵測該射頻反射信號的一功率強度，該掃描控制器根據該功率強度反饋控制該探針，該電腦根據該功率強度描繪該待測樣品的表面樣貌並顯示描繪結果。
9. 如請求項7所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，其中該射頻信號測量系統還包含一設在該反射信號補償電路的該移相器與該組合器的一輸入端之間的第一方向耦合器，一設在該組合器的一輸出端與另一1對2功率分配器的一輸入端之間的第二方向耦合器，一與該第二方向耦合器的一耦合路徑電耦接的放大器，以及一與該放大器及該第一方向耦合器的一耦合路徑電耦接的相位差偵測器；且該第一方向耦合器耦合該移相器輸出的該射頻信號並輸入該相位差偵測器中，該第二方向耦合器耦合該組合器輸出的經補償後的射頻反射信號，並經由該放大器適當放大後輸入該相位差偵測器，使偵測該射頻信號與該射頻反射信號之間的一相位差。
10. 如請求項8所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，還包括一電流-電壓轉換放大器及一與該方向耦合器、該射頻共振電路以及該電流-電壓轉換放大器電耦接的Bias-T電路，該方向耦合器輸出的該射頻信號經由該Bias-T電路輸入該射頻共振電路，且該射頻共振電路產生的該射頻反射信號經由該Bias-T電路輸出至該方向耦合器，並且該射頻共振電路產生的一穿隧電流經由該Bias-T電路輸出至該電流-電壓轉換放大器進行放大並轉換成一輸出電壓後，輸入該掃描控制器，使該掃描控制器根據該輸出電壓及該功率強度反饋控制該探針。
11. 如請求項10所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，其中該掃描控制器各別對該輸出電壓及該功率強度進行信號處理後，再將兩者以若干比例相加並經由一高壓放大器放大，以產生一驅動信號驅動一帶動該探針上下振動的壓電陶瓷晶體。
12. 如請求項10所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，其中該掃描控制器對該輸出電壓進行信號處理並經由一高壓放大器放大後，輸出至一帶動該探針上下振動的壓電陶瓷晶體一端，且該掃描控制器對該功率強度進行信號處理後，直接輸出至該壓電陶瓷晶體的另一端，以驅動該壓電陶瓷晶體。
13. 如請求項1所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，其中該待測樣品被施加一偏壓，且該探針接地，使得該探針足夠接近該待測樣品的表面時，於兩者之間形成穿隧 效應而產生該穿隧電阻。
14. 如請求項1所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，其中，該待測樣品被接地，且該射頻共振電路經由一高頻扼流線圈被施加一偏壓，以阻擋輸入該射頻共振電路的該高頻信號影響該偏壓，且該電阻還串聯一阻隔直流的阻隔電容，以阻擋該射頻共振電路產生的一經過該射頻共振電路的電阻的一直流電流。
15. 如請求項1所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，還包含：一屏蔽殼體，將該探針和該射頻共振電路包覆於其中，以避免該射頻反射信號受一外部電流(子)場干擾。
16. 如請求項15所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，其中，該屏蔽殼體包括：一缺口，鄰近該探針，以供該探針的一前端裸露。
17. 如請求項1所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，其中，該射頻信號測量系統利用該射頻反射信號反饋控制該探針，並使該射頻反射信號的能量強度或相位維持一定值的一操作模式為一定射頻掃描模式。
18. 如請求項1所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，其中，該射頻信號測量系統還包括：一本地振盪器，產生一本地振盪信號；一第一混波器，接收該參考信號和該本地振盪信號以進行混波，並產生一第一混波信號，且該第一混波信號具有一工作頻率子信號和一非工作頻率子信號；及 一第二混波器，接收該射頻反射信號和該本地振盪信號以進行混波，並產生一第二混波信號，且該第二混波信號具有一工作頻率子信號和一非工作頻率子信號。
19. 如請求項18所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，其中，該射頻信號測量系統還包括：一第一帶通濾波器，電連接該第一混波器以接收該第一混波信號，且濾除該第一混波信號的該非工作頻率子信號；及一第二帶通濾波器，電連接該第二混波器以接收該第二混波信號，且濾除該第二混波信號的該非工作頻率子信號。
20. 如請求項19所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，其中，該射頻信號測量系統還包括：一反射信號補償電路，接收該第一混波信號和該第二混波信號，並將該第一及第二混波信號進行互補運算以輸出一補償信號；一射頻功率放大器，電連接該反射信號補償電路以接收該補償信號，並加以放大而成一補償放大信號；一第三帶通濾波器，電連接該射頻功率放大器以接收該補償放大信號，且將該補償放大信號進行濾波以得到一濾波信號；一1對2功率分配器，電連接該第三帶通濾波器以接收該濾波信號，並將該濾波信號分為一第一分岐信號和一第二分岐信號； 一射頻功率偵測器，電連接該1對2功率分配器以偵測該第一分岐信號的一功率強度；及一掃描控制器，電連接該射頻功率偵測器以接收該功率強度，並根據該功率強度來控制該探針，且描繪該待測樣品表面樣貌以產生一描繪結果。
21. 如請求項20所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，其中，該射頻信號測量系統還包括：一第二方向耦合器，電連接於該第三帶通濾波器和該1對2功率分配器之間，用以耦合該濾波信號而產生一耦合信號；一放大器，電連接於該第二方向耦合器以接收該耦合信號並放大該耦合信號而成一耦合放大信號；及一相位差偵測器，電連接於該放大器與該反射信號補償電路之間，用以偵測該耦合放大信號和該射頻信號之間的一相位差。
22. 如請求項21所述的射頻反射式掃描穿隧顯微鏡，其中，該射頻信號測量系統還包括：一電腦，電連接該掃描控制器與該相位差偵測器，以接收該描繪結果並根據該描繪結果產生一顯示畫面。