РЕЗОНАНСНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЛИЖНЕПОЛЕВОГО СВЧ-КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ
RESONANT DEVICE FOR NEAR-FIELD MICROWAVE INSPECTION OF PARAMETERS OF MATERIALS

зобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано как самостоятельно для измерения электрофизических параметров материалов (совместно с генератором СВЧ и измерителем КСВН), так и в составе более сложных функциональных устройств: комплексных измерительных систем, комплексных систем по производству и контролю параметров материалов, автоматизированных измерительных, производственных и производственно-измерительных комплексов и т.д.
Известно устройство на основе коаксиального зонда, представляющее собой разомкнутый на конце, коаксиальный кабель с выступающим за пределы коаксиала внутренним проводником (Устройство для измерения диэлектрической проницаемости материалов / Д.А. Усанов, А.Ю. Вагарин, А.А. Безменов // А.С. 1114979, СССР. Заявлено 22.06.82. Опубл. 07.08.84. Бюл. №35).
Однако данное устройство обладает недостаточно высокой чувствительностью для использования в микро- и наноэлектронике.
Известно близкое по принципу действия устройство на основе коаксиальной линии, представляющее собой резонансный, разомкнутый на конце, коаксиальный кабель с выступающим за пределы коаксиала внутренним проводником, подключенный через разделительный конденсатор и ответвитель к СВЧ-генератору. Измерения производятся при поднесении к разомкнутому концу коаксиального кабеля образца в широком диапазоне значений диэлектрической проницаемости (1-230) (S.M. Anlage, D.E. Steinhauer, B.J. Feenstra, C.P. Vlahacos, V.C. Welstood. Near-Field Microwave Microscopy of Material properties // Microwave Superconductivity. - Amsterdam. - 2001. - P.239-269). Контролируемый прижим внутреннего проводника обеспечивал пространственное разрешение порядка 1 мкм.
Однако данное устройство в бесконтактном режиме обеспечивает пространственное разрешение не более 30 мкм, что также ограничивает сферу его применения.
Известно близкое по принципу действия к предлагаемому решению устройство на основе коаксиальной линии, совмещенное с туннельным микроскопом. Оно представляет собой резонансный, разомкнутый на конце, коаксиальный кабель с выступающим за пределы коаксиала внутренним проводником, подключенный через разделительный конденсатор и ответвитель к СВЧ-генератору, совмещенный с туннельным микроскопом, позволяющим точно контролировать расстояние между зондом и исследуемым материалом, обеспечивающее разрешение по высоте 2,5 нм. Такое разрешение достигнуто при работе генератора на частоте из диапазона 7-11 ГГц (A. Imtiaz, S. Anlage. A novel Microwave Frequeny Scanning Capacitance Microscope // Ultramicroscopy. - 2003. - V.94 - Issues 3-4. - P.209-216).
Однако данное устройство не позволяет осуществлять контроль в широком диапазоне значений проводимости образцов полупроводниковых материалов вследствие низкой добротности резонансной системы и требует контроля расстояния между зондом и исследуемым материалом с точностью до 2.5 нм.
а
Известно близкое по конструктивному исполнению к предлагаемому решению устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных материалов на СВЧ. В ближнеполевом СВЧ-микроскопе, предложенном авторами (M. Golosovsky, D. Davidov. Novel millimeter-wave neareld resistivity microscope. - Appl. Phys. Lett.1996.- т.68, v.11 - p.p.1579-1581), роль резонатора выполняла резонансная диафрагма, устанавливаемая на конце прямоугольного волновода и перекрывающее его поперечное сечение. Отверстие в диафрагме представляло собой узкую щель шириной b и длиной , вырезанную в тонкой проводящей пластине вдоль ее широкой стороны. Следует отметить, что нагруженная добротность такой резонансной диафрагмы может быть существенно меньше 100.
Однако данное устройство вследствие низкой локальности неспособно различать участки исследуемого образца с размерами менее 30 микрометров, что недостаточно для использования в микро- и наноэлектронике.
Известно близкое по принципу действия к предлагаемому решению устройство для измерения параметров материала, предложенное авторами (Устройство для измерения параметров материалов / Д.А. Усанов, С.С. Горбатов, А.Н. Сорокин, В.Ю. Кваско // Пат. РФ №2373545, - №2009122332/19; Заявлено 03.06.09. Опубл. 20.11.09. Бюл. №32). Устройство представляет собой прямоугольный волновод с введенным штырем, установленным в центральной части на одной из широких стенок волновода параллельно короткозамыкателю с зазором между ним и другой широкой стенкой. Короткозамыкатель имеет на поверхности, обращенной внутрь волновода, полукруглую выемку, по всей его ширине параллельную штырю, и отверстие, расположенное в выемке, в котором коаксиально расположен зонд в виде иглы, с помощью петли связи гальванически соединенный с короткозамыкателем, выступающим за пределы волновода.
Однако данная система вследствие недостаточной добротности резонатора обладает невысокой чувствительностью измерений в широком диапазоне значений диэлектрической проницаемости и проводимости.
Наиболее близким по конструктивному исполнению к заявляемому решению является устройство для измерения электрофизических параметров материалов на СВЧ в ближнеполевом СВЧ-микроскопе, предложенном авторами (Резонансное ближнеполевое устройство для СВЧ-микроскопа/Д.А. Усанов, С.С. Горбатов//Пат.РФ №2417379,  №2009142478/28; Заявлено 19.11.09. Опубл. 27.04.11. Бюл. №12.). Резонансное ближнеполевое устройство СВЧ-микроскопа содержит СВЧ-генератор с подключенным к нему прямоугольным волноводом, имеющим измерительное устройство, отличающееся тем, что в него введена в качестве оконечного устройства волноводная резонансная система, содержащая входную индуктивную и выходную емкостную диафрагмы, и два прямоугольных выступа между диафрагмами, гальванически соединенных с выходной емкостной диафрагмой, установленных в центральной части на широких стенках волновода параллельно поперечному сечению волновода, при этом расстояние между диафрагмами выбрано из условия возникновения резонанса и составляет величину, много меньшую длины волны.
Однако данное устройство обладает недостаточно высокой чувствительностью, не позволяющей разрешать объекты с локальностью менее 10 мкм.
-2
-1
-1
7
-1
-1
Задача настоящего изобретения заключается в получении информации о топологии структур с локальностью порядка 1 микрометра и менее, с одновременным измерением параметров материала (диэлектрической проницаемости в диапазоне 1.5÷400, проводимости в диапазоне 2·10 Oм·м÷10 Ом·м).
-2
-1
-1
7
-1
-1
Технический результат заключается в повышении разрешающей способности до порядка 1 микрометра, а также повышении чувствительности до уровня, достаточного для определения параметров материалов с диэлектрической проницаемостью в диапазоне 1.5÷400 и проводимостью в диапазоне 2·10 Oм·м÷10 Ом·м.
<mrow><mi>t</mi><msqrt><mi>ε</mi></msqrt><mo>〈</mo><mo>〈</mo><msub><mi>λ</mi><mi>в</mi></msub></mrow>
в
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для ближнеполевого СВЧ-контроля параметров материалов содержит СВЧ-генератор с подключенным к нему прямоугольным волноводом, имеющим измерительное устройство с волноводной резонансной системой в качестве оконечного устройства, причем оконечное устройство содержит емкостную металлическую диафрагму, согласно решению на емкостную металлическую диафрагму наложен плоскопараллельный образец диэлектрика с площадью, равной площади фланца волновода, а на образец диэлектрика наложен зонд в виде металлической проволоки с длиной от 12 до 20 мм и диаметром от 0,1 до 0,5 мм с заостренным концом, изогнутым под прямым углом, отрезок зонда большей длины расположен на диэлектрической пластине перпендикулярно щели в диафрагме, отрезок зонда с заостренным концом меньшей длины перпендикулярен плоскости образца диэлектрика, при этом толщина плоскопараллельного образца диэлектрика t выбрана из условия
, где λ - длина волны основного типа в волноводе, ε - диэлектрическая проницаемость пластины.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 приведено изображение предлагаемого устройства для измерения параметров материалов, на фиг.3 приведена зависимость отраженного сигнала от исследуемой встречно-штыревой периодической структуры в предлагаемом решении. Позициями на чертежах обозначены:
1 - волновод;
2 - металлическая диафрагма;
3 - плоскопараллельный образец диэлектрика;
4 - зонд;
5 - щель;
а - размер широкой стенки волновода;
b - размер узкой стенки волновода;
m - толщина диафрагмы 2;
t - толщина диэлектрика 3;
f - длина щели,
g - ширина щели 5.
в
<mrow><mi>t</mi><msqrt><mi>ε</mi></msqrt><mo>〈</mo><mo>〈</mo><msub><mi>λ</mi><mi>в</mi></msub></mrow>
Заявляемое устройство представляет собой прямоугольный волновод 1 с подключенным к нему СВЧ-генератором (не показано), измерительное устройство (не показано). Устройство содержит металлическую диафрагму 2, установленную на конце прямоугольного волновода и перекрывающую его поперечное сечение. Отверстие в диафрагме представляет собой узкую щель шириной g и длиной f, вырезанную в проводящей пластине вдоль ее широкой стороны. С внешней стороны на диафрагму наложен плоскопараллельный образец диэлектрика 3 с площадью, равной площади фланца волновода, и толщиной t, значительно меньшей длины волны. Толщина образца диэлектрика может изменяться в пределах от 10 мкм до 500 мкм. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика 2-9.8. Электрическая длина диэлектрика должна быть намного меньше длины волны основного типа λ, чтобы обеспечить эффективное возбуждение зонда полем излучения диафрагмы, что соответствует выполнению условия
. На поверхности диэлектрической пластины закреплен металлический зонд 4, расположенный напротив середины щели 5 в диафрагме, перпендикулярно ей. Зонд представляет собой отрезок проволоки диаметром от 0.1 до 1.5 мм, состоящий из двух участков разной длины, изогнутых под прямым углом друг к другу. Общая длина отрезка проволоки составляет от 12 мм до 20 мм. Длинная часть отрезка проволоки расположена в плоскости диэлектрика перпендикулярно щели в диафрагме. Короткая часть отрезка изогнутой проволоки перпендикулярна плоскости диафрагмы и имеет заостренный конец. Зонд не имеет гальванического контакта с диафрагмой. В такой системе можно ожидать более высокой степени локальности, чем в прототипе, поскольку она определяется заостренным концом проволоки. Размер острия составляет 100 нм и менее. Экспериментально установлено, что наилучшая локальность составляет ≈2 нм.
Резонансные свойства проявляются за счет взаимодействия емкостной щели и зонда, причем вследствие высокой концентрации СВЧ поля, создаваемой металлической диафрагмой, плоскопараллельным образцом диэлектрика и зондом, достигается высокая добротность такой системы, а следовательно, высокая чувствительность к изменению характеристик близко расположенного к зонду образца.
Устройство работает следующим образом. СВЧ сигнал от генератора поступает в волновод 1. Происходит взаимодействие в волноводе 1 СВЧ сигнала с металлической диафрагмой 2. В результате возникает ближнее поле, приводящее к возникновению резонанса. Ближнее поле через отверстие в металлической диафрагме и диэлектрик 3 взаимодействует с зондом 4. Ближнее поле, локализованное вблизи зонда, взаимодействует с образцом, который располагается вблизи зонда. В измерительное устройство поступает отраженный сигнал, и проводятся измерения частоты резонанса, добротности и коэффициента отражения. В данном измерительном устройстве, благодаря взаимодействию ближнего поля вблизи зонда с измеряемым образцом при незначительном расстоянии между образцом и зондом (несколько десятков мкм или контакт без усилия) возникает перестройка резонансной картины, выражающаяся в изменении частоты резонанса, его добротности и величины коэффициента отражения на частоте резонанса в зависимости от величины диэлектрической проницаемости, проводимости исследуемого слоя. Данные измерений сравниваются с калибровочными кривыми, в результате чего делается вывод обо всех вышеперечисленных величинах.
На фиг.3 приведены данные о топологии фрагмента встречно-штыревой структуры (фоновое изображение) с локальностью порядка менее 1 микрометра. В этом случае зонд устанавливался на расстоянии 2 мкм от исследуемой структуры. Установка зонда и контроль его положения при движении осуществлялось при помощи длиннофокусного оптического микрометрического объектива. На фиг.3 поверх фотоизображения тестовой структуры приведена экспериментальная зависимость частоты резонанса системы от смещения измерительного зонда вдоль оси х. Образец перемещался относительно зонда с помощью микрометрического винта. Видно, что при изменении местоположения зонда происходит изменение резонансной частоты, что позволяет судить о разрешении металлических элементов исследуемой структуры с шириной менее 1 мкм. Значения резонансной частоты при прохождении зонда над неметаллизированной частью встречно-штыревой структуры были различными в зависимости от наличия или отсутствия на ней следов не удаленного фоторезиста.
Пример практической реализации устройства.
Разрабатывалось устройство в трехсантиметровом диапазоне длин волн со следующими параметрами:
Рабочий диапазон генератора, ГГц
8-12
Резонансная частота, ГГц
8,488
Коэффициент отражения при отсутствии образцов
0,012
Добротность системы при отсутствии образцов
9500
Добротность системы при измерении образцов
(нагруженная добротность)
9500
-2
-1
-1
7
-1
-1
Таким образом, использование системы из плоскопараллельного образца диэлектрика и металлической диафрагмы позволяет получить разрешение менее 1 мкм и обеспечить измерение диэлектрической проницаемости в диапазоне 1.5÷400 и проводимости в диапазоне 2·10 Oм·м÷10 Ом·м, что значительно превышает разрешение устройства-прототипа.
Чувствительность системы при изменении размеров длинной части зонда от 17 мм до 9 мм при постоянной короткой части, равной 3 мм, толщина диэлектрика 500 мкм, угол наклона зонда 90°.
Размер длинной части зонда, мм
Диэлектрическая проницаемость
Чувствительность по частоте, кГц/(ε+Δε)
17
4.8
470
16
4.7
620
15
4.6
810
14
4.5
1120
13
4.4
970
12
4.3
1030
11
4.2
1090
Чувствительность системы при изменении размеров короткой части зонда от 9 мм до 3 мм при постоянной длинной части, равной 14 мм, толщина диэлектрика 500 мкм, угол наклона зонда 90°.
Размер короткой части зонда, мм
Диэлектрическая проницаемость
Чувствительность по частоте, кГц/(ε+Δε)
9
4.8
410
8
4.7
530
7
4.6
340
6
4.5
1160
5
4.4
370
4
4.3
290
3
4.2
1120
Чувствительность системы при изменении угла наклона зонда от 0 до 90, размер короткой части зонда 3 мм, длинной части - 14 мм, толщина диэлектрика 500 мкм.
Угол наклона зонда, градусы
Диэлектрическая проницаемость
Чувствительность по частоте, кГц/(ε+Δε)
0
4.8
100
15
4.7
220
30
4.6
150
45
4.5
1010
60
4.4
510
75
4.3
1370
90
4.2
1120
Чувствительность системы при изменении толщины диэлектрика, размер короткой части зонда 3 мм, длинной части - 14 мм, угол наклона зонда 90°.
Толщина диэлектрика, мкм
Диэлектрическая проницаемость
Чувствительность по частоте, кГц/(ε+Δε)
15
4.8
150
30
4.7
190
45
4.6
650
60
4.5
780
75
4.4
1070
90
4.3
1100
105
4.2
1060
500
4.8
1120
1500
4.7
140
Чувствительность системы при изменении диэлектрической проницаемости диэлектрика, размер короткой части зонда 3 мм, длинной части - 14 мм, угол наклона зонда 90°, толщина плоскопараллельного образца диэлектрика между зондом и металлической диафрагмой 90 мкм.
Диэлектрическая проницаемость
Чувствительность по частоте, кГц
2.1
150
9.8
190
16
650
60
780
70
700
90
600
400
1060
-2
-1
-1
7
-1
-1
Чувствительность системы при изменении проводимости в диапазоне 2·10 Oм·м÷10 Ом·м, размер короткой части зонда 3 мм, длинной части - 14 мм, угол наклона зонда 90°, толщина плоскопараллельного образца диэлектрика между зондом и металлической диафрагмой 90 мкм.
Проводимость, Ом<sup>-1</sup>·м<sup>-1</sup>
Чувствительность по частоте, кГц
2·10<sup>2</sup>
150
10<sup>4</sup>
190
10<sup>5</sup>
650
10<sup>7</sup>
180
Приведенные таблицы позволяют оценить чувствительность системы при различных параметрах плоскопараллельного диэлектрического образца, металлической диафрагмы и зонда с длиной от 12 до 20 мм в виде металлической проволоки с диаметром от 0,1 до 0,5 мм с заостренным концом, изогнутой под прямым углом. Отрезок зонда большей длины расположен на диэлектрической пластине перпендикулярно щели в диафрагме, отрезок зонда с заостренным концом меньшей длины перпендикулярен плоскости широкой стенки волновода.