РЕЗОНАНСНОЕ БЛИЖНЕПОЛЕВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЧ МИКРОСКОПА
RESONANCE NEAR-FIELD DEVICE FOR MICROWAVE MICROSCOPE

Изобретение 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 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 проводятся при поднесении к разомкнутому концу коаксиального кабеля образца в широком диапазоне значений диэлектрической проницаемости (1-230). Сдвиг резонансной частоты при работе устройства составляет порядка 100 МГц. Чувствительность по сопротивлению ΔR/R 0,0064 при сопротивлении R=100 Ом·см на частоте 7,5 ГГц. (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.)
Однако данное устройство не позволяет проводить одновременное измерение нескольких параметров, так как для этого требуется проводить перестройку резонансной системы.
Известно устройство, близкое по принципу действия 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 сложно в эксплуатации и не позволяет проводить многопараметровые измерения. Кроме того, при зондировании шероховатых поверхностей, вследствие необходимости выдерживания малых расстояний зонд-поверхность, возможно подтверждение зонда.
Наиболее близким по конструктивному исполнению к предлагаемому решению является 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.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 a, вырезанную в тонкой проводящей пластине вдоль ее широкой стороны. Добротность резонансной системы, использованной авторами, не превышала 100. Следует отметить, что нагруженная добротность резонансной диафрагмы может быть существенно меньше 100.
Однако данное устройство вследствие низкой добротности не способно различать участки исследуемого образца с разными проводимостями и диэлектрическими проницаемостями с размерами менее 30 микрометров, что недостаточно для использования в СВЧ микроэлектронике.
Задача настоящего устройства заключается в обеспечении возможности измерений параметров структур, например встречно-штыревых гребенчатых структур с периодом порядка 20 микрометров и менее.
2
-1
-1
7
-1
-1
Технический результат заключается в получении информации о топологии встречно-штыревых гребенчатых структур с периодом порядка 20 микрометров и менее, с одновременным измерением параметров материала (диэлектрической проницаемости в диапазоне 1.5 400, проводимости в диапазоне 2·10 Ом·м 10 Ом·м).
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для измерения параметров материалов, содержащее СВЧ генератор с подключенным к нему прямоугольным волноводом, имеющим измерительное устройство, согласно решению введена система из близко расположенных индуктивной и емкостной диафрагм. Отметим, что в такой системе можно ожидать более высокой степени локальности, чем в прототипе.
Для обеспечения повышенной величины добротности резонанса в указанную систему дополнительно введены два прямоугольных выступа, гальванически соединенных с выходной емкостной диафрагмой.
Естественно предположить также, что в такой системе возможно проявление резонансных свойств, причем вследствие высокой концентрации СВЧ поля, создаваемой близко расположенными диафрагмами, можно ожидать существенные увеличения добротности такой системы, а следовательно, высокой чувствительности к изменению характеристик близко расположенного к емкостной диафрагме образца, при этом расстояние между диафрагмами выбрано из условия возникновения резонанса.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 приведено изображение предлагаемого устройства для измерения параметров материалов, на фиг.2 приведена зависимость отраженного сигнала от периодической структуры в прототипе, а на фиг.3 - зависимость отраженного сигнала от исследуемой встречно-штыревой периодической структуры в предлагаемом решении, где 1 - волновод; 2 индуктивная диафрагма; 3 - емкостная диафрагма; 4, 5 - прямоугольные металлические выступы; а - размер широкой стенки волновода; b - размер узкой стенки волновода, h - размер отверстия в диафрагме 2; d - размер отверстия в диафрагме 3; k - расстояние между диафрагмами; s - высота выступов 4, 5; w - глубина выступов.
Разработанное устройство представляет собой прямоугольный волновод 1 с подключенным к нему СВЧ генератором (не показано), измерительное устройство (не показано). Устройство содержит индуктивную диафрагму 2, установленную в волноводе 1 перпендикулярно широкой стенке волновода. На расстоянии Λ/10, где Λ - длина волны основного типа, установлена емкостная диафрагма 3, плоскость включения которой параллельна плоскости включения индуктивной диафрагмы. В пространстве между диафрагмами установлены в одной плоскости, перпендикулярно широкой стенке волновода и параллельно узкой стенке, два прямоугольных металлических выступа 4, 5, один из которых закреплен на верхней половине емкостной диафрагмы, второй на нижней половине емкостной диафрагмы. Выступ 4 имеет гальванический контакт с верхней половиной емкостной диафрагмы 5. Расстояние между краями выступов и плоскостью индуктивной диафрагмы составляет ~Λ/100. Расстояние между краями выступов и плоскостью индуктивной диафрагмы выбрано из условия возникновения резонанса с малым коэффициентом отражения.
Устройство работает следующим образом. СВЧ сигнал от генератора поступает в волновод 1. Происходит взаимодействие в волноводе 1 СВЧ сигнала с системой «индуктивная диафрагма 2, емкостная диафрагма 3, выступы 4, 5». В результате возникает ближнее поле, приводящее к возникновению резонанса. Изменением расстояния между диафрагмами 2 и 3 добиваются возникновения резонанса с малым коэффициентом отражения, после чего это расстояние фиксируется (данная операция выполняется однократно). Ближнее поле взаимодействует с отверстием в емкостной диафрагме, а через него с исследуемым образцом, который располагается вблизи или касается диафрагмы 3. В измерительное устройство поступает отраженный сигнал, и проводятся измерения частоты резонанса, добротности и коэффициента отражения. В данном измерительном устройстве благодаря взаимодействию ближнего поля в отверстии диафрагмы 3 с измеряемым образцом при незначительном расстоянии между образцом и диафрагмой 3 (несколько десятков мкм или контакт без усилия) возникает перекройка 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.
Пример практической реализации способа.
Разрабатывалось устройство в трехсантиметровом диапазоне длин волн со следующими параметрами:
Рабочий диапазон генератора, ГГц
8-12
Резонансная частота, ГГц
10,251
Коэффициент отражения при отсутствии образцов
0,032814
Добротность системы при отсутствии образцов
5126
Таким образом, использование системы из близко расположенных индуктивной и емкостной диафрагм и двух прямоугольных выступов, гальванически соединенных с выходной емкостной диафрагмой, позволяет получить разрешение порядка 10 мкм, что значительно превышает разрешение устройства-прототипа.