[发明专利]一种直流至微波频率的透射电镜原位高频电学测试芯片

说明书

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。

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：