针尖-样品距离对近场扫描微波显微镜空间分辨率的影响

鞠 量，彭 斌，黄 和，曾慧中，张万里

(电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川 成都 611731)

0 引 言

近场扫描微波显微镜(Near-Field Scanning Microwave Microscopy，NSMM)是微波测量技术与扫描探针测量技术的结合体[1].其工作方式是将待测样品放置于微波探针的近场范围内，使微波探针尖端汇集的微波场与样品产生相互作用，通过测量得到的回波信号来表征样品的表面形貌、介电性能等性质[2].

1928年，Synge[3]首次提出了近场测试的概念，他提出用点场源(微波探针)来辐射物体，随着点场源到物体的距离减小(近场)，物体被辐射的区域也随之变小，空间分辨率能力变高[4].在针尖-样品距离控制问题得到了有效解决后，近场扫描测量技术取得了长足的进步.近年来，近场扫描测量技术被广泛应用于微米、纳米[5-7]结构材料样品的表征测试，以及生物细胞扫描[8,9]等微观研究领域中.

本文根据近场微波测试原理，设计了一套近场扫描微波成像测试系统，并通过其对NiFe金属薄膜的扫描测试结果，探索了其空间分辨率随针尖-样品距离的变化关系，并提出了一种计算扫描图像真实线宽的方法.

1 系统构成及实验方法

NSMM的核心结构是谐振频率为2.15 GHz的1/4波长同轴谐振腔[10]，工作于TEM模式且品质因数Q较高，钨探针固定在中心导体下端，并从谐振腔底部开孔处伸出.NSMM系统的实物图与示意图如图1 所示，主要包括机械连接结构：XY轴扫描台、Z轴位移台、矢量网络分析仪等，各部件通过计算机软件控制，实现自动化测试.

图1 NSMM系统实物图Fig.1 Photograph of the NSMM system

本文在SiO2基片上制作了两条NiFe金属薄膜，薄膜厚度为20 nm，宽度分别为260 μm和470 μm.沿图2 中所示扫描方向，分别对两条NiFe薄膜样品进行了线扫描测试，扫描步长为5 μm，并采用矢量网络分析仪(安捷伦N5234A)测量每一测量点处谐振腔的谐振频率f以及品质因数Q.通过Z轴位移台控制针尖-薄膜样品间距，在不同针尖-样品距离下进行了上述线扫描.

图2 线扫描轨迹示意图Fig.2 Schematic diagram of line scanning trajectory

2 实验结果与讨论

图3 是探针和NiFe薄膜表面高度h从2 μm到18 μm时，在薄膜面内沿着垂直于NiFe薄膜线条方向扫描得到的谐振频率随着扫描位置的变化曲线图.

图3 线扫描谐振频率分布图Fig.3 The resonant frequency distribution diagram of line scanning trajectory

从图3 可以发现，不同针尖-样品距离下的扫描曲线均由A,B,C 3部分组成，其中A区域是NiFe薄膜区，这一部分主要是针尖在薄膜表面的探测区域完全位于NiFe金属薄膜范围内部，此处谐振频率几乎不变.B区域是空白基片与NiFe薄膜的过渡区，这一部分针尖电场的探测范围逐渐过渡到空白基片区域，随着探测范围与NiFe薄膜相交部分面积的减小，谐振频率随之升高.C区域是空白基片区，这一部分针尖探测范围全部位于空白基片区域，此处谐振频率也几乎不变.随着针尖与样品表面距离的增加，A区与C区对应的谐振频率差值减小，A区与C区的区分度降低，B区愈加模糊，这表明空间分辨能力逐渐减弱.

图4 线扫描谐振频率导数分布图(h=2 μm)Fig.4 The resonant frequency derivative distribution of line scanning trajectory(h=2 μm)

为了从图3 的结果中获得NiFe薄膜宽度，对图3 曲线求导，其导函数变化曲线如图4所示(以测量高度2 μm为例).从图4 可以看出，曲线中有两个峰，它对应着频率随扫描位置变化最剧烈的地方.当针尖与样品距离趋近于零时，这两个峰分别对应着NiFe金属薄膜宽度方向的两个边界，两个峰之间的距离即为实际线宽，两个峰之间的水平部分对应于图3中的A区，且极值点围绕A区中点坐标对称.对于图4 中导函数的曲线可采用两个Lorentz函数的线性叠加进行拟合

(1)

式中：A1,A2分别为表征左右两个峰的峰值大小系数；W1，W2分别为左右两个峰的半高宽；Xc1，Xc2分别为左右两个峰的峰值对应坐标.

利用式(1)对图4 所示的曲线进行拟合可以发现，拟合曲线和实验测试结果吻合得很好.分别对不同针尖-样品距离下测试的曲线进行拟合，可以得到左右两个峰的半高宽以及峰的位置随高度h的变化.图5 是两个NiFe薄膜样品左右两个峰的半高宽随着高度h的变化曲线，可以看出，不同测试高度下，左右两个峰半高宽W1，W2近似相等，半高宽的宽度随高度h的增加线性增大.

图5 拟合曲线峰值半高宽随针尖-样品距离的变化曲线Fig.5 Curve of the half-maximum width of the fitting curve variation with tip-sample distance

图6 峰位置随针尖-样品距离的偏移曲线Fig.6 Curve of the peak position variation with tip-sample distance

图6 是两个NiFe薄膜样品左右两个峰的位置随高度h的变化曲线.可以看出，随着测试高度h的增加，Xc1逐渐减小，而Xc2逐渐增大，这表明左右两个峰的位置随着h的增加而远离.

图7 是左右两个峰之间距离(Xc2-Xc1)随着h的变化曲线.可以看出，左右两个峰之间的距离都随着h的增大而线性增加.对图7 中两条曲线进行线性拟合，拟合的结果如表1 所示.

表1 两峰间距拟合直线的斜率与截距Tab.1 Slope and interception of spacing xbetween two peaks Fitting Line

根据近场微波理论以及图3的测试曲线可以得出，在探针针尖逐渐靠近样品表面的过程中，针尖电场与样品的相互作用增强，针尖电场在样品表面的探测区域逐渐减小，空间分辨能力提高，扫描图像线宽越接近真实值，从而可以认为两条拟合直线的截距(h=0时)即为两组NiFe金属薄膜样品的实际线宽.从拟合结果可以发现，通过上述方法得到的NiFe薄膜线宽分别为277 μm和484 μm，这非常接近NiFe薄膜的260 μm和470 μm 的实际线宽，表明通过线性拟合来获得薄膜线宽的方法是可行的.本文这种方法和真实线宽之间仍有一定差别，其可能的原因是：在上述方法中没有考虑探针针尖尺寸和线扫描步长的影响，同时，在线扫描过程中，扫描方向可能没有和线条方向严格垂直，从而增加了扫描长度.

3 结束语

本文根据近场微波测试原理搭建了一套近场扫描微波显微镜系统，并利用其对宽度分别为 260 μm 和470 μm 的NiFe薄膜样品进行扫描测试以确定其空间分辨率大小，并探索了针尖-样品距离对其空间分辨率的影响.研究结果表明，随着针尖和样品距离h的增加，系统的空间分辨率降低，通过对测试结果进行数据分析，发现测试得到的两个峰之间的距离随针尖-样品距离h的升高呈线性变化.结合近场微波领域的基本理论，本文提出了一种测量扫描图像线宽的方法，利用极值间距拟合直线的截距来表征线宽，测试结果表明，该方法得到的结果与实际结果较为吻合.本文的工作也为后续对近场扫描微波显微镜的进一步研究奠定了基础.