Пристрій для нвч-контролю електрофізичних параметрів твердотільних структур

Реферат: Пристрій для НВЧ-контролю електрофізичних параметрів твердотільних структур містить НВЧгенератор, резонаторний зонд, керований за допомогою комп'ютера предметний столик, генератор модульованої частоти, з'єднаний з пов'язаними зі спрямованим відгалужувачем двома синхронними детекторами. До виходів НВЧ-генератора та спрямованого відгалужувача приєднано два змішувача. Перший змішувач з'єднаний з першим і другим синхронними детекторами. Другий змішувач, на вході якого встановлено чвертьхвильовий фазообертач, з'єднано з третім синхронним детектором, пов'язаним з комп'ютером та генератором модульованої частоти F, вихід якого з'єднано з вібратором, встановленим на предметному столику. UA 93890 U (12) UA 93890 U UA 93890 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі вимірювальної техніки, а більш конкретно, до засобів НВЧ-контролю електрофізичних параметрів твердотільних матеріалів. Відомі аналоги є пристрої близькопольової НВЧ-діагностики з використанням загострених НВЧ-зондів різної конструкції (див. патенти США №№ 5821410, 7285963, 6376836, 6856140). Відомі пристрої містять НВЧ-генератор, резонаторний зонд, детектор НВЧ-випромінювання, генератор модульованої частоти керований предметний столик для досліджуваного зразка, електронні блоки зворотного зв'язку і формування інформативних сигналів з використанням синхронних детекторів. Недоліками аналогів-пристроїв є недостатня точність вимірювання параметрів досліджуваних зразків. Крім того, в описаних пристроях шукані параметри зразка визначаються шляхом реєстрації змін частоти і добротності резонансної системи зонд-зразок. Однак, в залежності від діапазону значень вимірюваних характеристик зразка (провідності, діелектричної проникності, тангенса кута діелектричних втрат), у ряді випадків доцільно мати можливість формувати інформативні сигнали також шляхом вимірювання змін амплітуди і фази НВЧсигналу, відбитого від зонда, пов'язаного зі зразком (тобто, визначення комплексного коефіцієнта відбиття НВЧ-випромінювання). Найбільш близьким аналогом до корисної моделі є пристрій для НВЧ-контролю електрофізичних параметрів твердотільних структур (див. патент США № 5900618). Даний пристрій містить НВЧ-генератор, резонаторний зонд на основі коаксіального кабелю із загостреним на кінці центральним провідником, спрямований відгалужувач, детектор НВЧвипромінювання, підсилювач, генератор модульованої частоти, два синхронних детектора, рухомий предметний столик з контролером точного переміщення, комп'ютер, за допомогою якого здійснюється керування столиком та обробляються інформативні сигнали. Недоліком найближчого аналога, як і інших вказаних аналогів, є порівняно низька точність вимірювання електрофізичних параметрів досліджуваних зразків, що пов'язано з відносно невисоким відношенням сигнал/шум на вході детектора НВЧ-випромінювання. Крім того, пристрій дозволяє використовувати тільки один метод НВЧ-контролю, що базується на аналізі змін частоти і добротності резонансної системи зонд-зразок. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення точності вимірювання характеристик досліджуваних матеріалів і приладових структур, а також розширення функціональних можливостей пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої НВЧ-контролю електрофізичних параметрів твердотільних структур, що містить НВЧ-генератор, резонаторний зонд, керований за допомогою комп'ютера предметний столик, генератор модульованої частоти F, з'єднаний з пов'язаними зі спрямованим відгалужувачем двома синхронними детекторами, перший з яких, що працює на частоті F, пов'язано з комп'ютером та НВЧ-генератором, а вихід другого, що працює на частоті 2F, з'єднано з комп'ютером, згідно корисної моделі, до виходів НВЧгенератора та спрямованого відгалужувача приєднано два змішувача, перший змішувач з'єднано з першим і другим синхронними детекторами, а другий змішувач, на вході якого встановлено чвертьхвильовий фазообертач, з'єднано з третім синхронним детектором, що працює на частоті F, пов'язаним з комп'ютером та генератором модульованої частоти, вихід якого з'єднано також з вібратором, встановленим на предметному столику. При цьому резонаторний зонд виконано у вигляді коаксіального об'ємного резонатору із загостреним центральним провідником. А вібратор, встановлений на предметному столику, виконаний у вигляді пакету п'єзоелектричних пластин. Підвищення відношення сигнал/шум в інформативному сигналі і точності пристрою в цілому досягається завдяки тому, що зворотній НВЧ-сигнал, поділений на дві частини після спрямованого відгалужувача, змішується з двома опорними сигналами (частинами вихідного сигналу НВЧ-генератора) за допомогою двох змішувачів. До складу змішувачів входять НВЧдетектори у вигляді напівпровідникових діодів, за допомогою яких на виході змішувачів формуються електричні сигнали з напругою, пропорційною потужності результуючого потоку НВЧ-випромінювання, що створюється у змішувачі. Амплітуду А опорного НВЧ-сигналу можна обрати набагато більшою в порівнянні з амплітудою зворотного сигналу r, тобто, буде виконуватися умова r 2  Ar . Можна вважати, як буде показано нижче, що напруга сигналів на виходах двох синхронних детекторів, що працюють на частоті F, пропорційна величинам Ar cos  і Ar sin  , де  - різниця фаз зворотного та опорного сигналів. Сукупність цих двох сигналів після комп'ютерної обробки дозволяє визначити зміни амплітуди і фази зворотного НВЧ-сигналу, що відбивається від резонансної системи зонд-зразок. 1 UA 93890 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Для порівняння відмітимо, що в аналогу, описаному в патенті США № 5900618, на виходах двох синхронних детекторів з такими же параметрами напруги сигналів на частотах 2 детектування F і 2F пропорційні величині r , тобто мають меншу величину, ніж у запропонованої корисної моделі при cos   1 та, відповідно, менше відношення сигнал/шум і точність вимірювання пристрою в цілому. На відміну від найближчого аналога, в корисній моделі інформацію про параметри зразка можна отримувати як з використанням реєстрації змін частоти і добротності резонансної системи зонд-зразок, так і шляхом вимірювання змін амплітуди і фази НВЧ-сигналу, відбитого від зонда, пов'язаного зі зразком (тобто, визначення зміни комплексного коефіцієнта відбиття НВЧ-випромінювання від зонда). Корисна модель характеризується кресленнями, де на фіг. 1. показана схема корисної моделі-пристрою для НВЧ-контролю електрофізичних параметрів твердотільних структур; на фіг. 2 проілюстровано створення амплітудної модуляції зворотного НВЧ-сигналу, відбитого від зонда, при модуляції відстані між зондом і зразком h за допомогою вібратора. Корисна модель містить (див. фіг. 1) НВЧ-генератор 1, з'єднаний через спрямований відгалужувач 2 з резонаторним зондом 3 у вигляді відрізку коаксіального кабелю із загостреним центральним провідником. Виступаючий загострений кінець зонда розміщений поблизу досліджуваного зразка, закріпленого на вібраторі 4, встановленого на рухомому предметному столику 5. Повідня столика керується за допомогою комп'ютера 6, а вібратор 4 з'єднано з виходом генератора 7 модульованої частоти F. З НВЧ-генератором 1 і спрямованим відгалужувачем 2 пов'язані другий змішувач 8 та перший змішувач 9, перед змішувачем 8 встановлений чвертьхвильовий фазообертач 10. Виходи змішувачів 8, 9 з'єднані відповідно зі входами синхронних детекторів третього 11 та першого 12, що працюють на частоті F. Вихід змішувача 9, крім того, з'єднано зі входом синхронного детектора другого 13, що працює на частоті 2F. Виходи синхронних детекторів 11, 13 пов'язані з комп'ютером 6, а вихід синхронного детектора першого 12 за допомогою керованого комп'ютером контролера 14 пов'язано як з комп'ютером 6, так і з НВЧ-генератором 1. Всі синхронні детектори 11, 12, 13 з'єднано з виходом генератора 7 модульованої частоти F. Корисна модель працює наступним чином. За допомогою НВЧ-генератора 1 в резонаторному зонді 3 збуджуються НВЧ-коливання. Через загострений кінець зонда НВЧвипромінювання поширюється до досліджуваного зразка, встановленого на вібраторі 4 предметного столика 5, і частково відбивається в зворотному напрямку до зонду. Резонаторний зонд із виступаючим загостреним центральним провідником і зразок створюють складну коливальну систему. Повідня предметного столика 5 керується за допомогою комп'ютера 6. При скануванні зондом різних ділянок зразка з відмінними параметрами змінюється добротність і резонансна частота вказаної системи, амплітуда і фаза НВЧ-сигналу, відбитого у зворотному напрямку від зонда, пов'язаного зі зразком. Завдяки спрямованому відгалужувачу зворотний сигнал не поширюється до виходу НВЧ-генератора 1 і не впливає на його сигнал, а надходить після ділення на дві частини до змішувачів 8, 9, де змішується з опорними сигналами, отриманими шляхом відгалуження частини вихідного сигналу НВЧ-генератора 1. До складу змішувачів входять діодні НВЧ-детектори, за допомогою яких на виході змішувачів формуються електричні сигнали, пропорційні потужності результуючого потоку НВЧвипромінювання, що створюється у змішувачі. Комплексні амплітуди опорного та зворотного сигналів запишемо, відповідно, у вигляді S  A expit  A  , s  r expit  r  , де A , r - амплітуди, A , r - фази електромагнітних коливань,   2f - кругова частота. Якщо напруга сигналу на виході змішувача лінійно залежить від потужності результуючого потоку НВЧ-випромінювання, то напруга сигналу для першого змішувача (змішувач 9) пропорційна величині U1  S  s S  s    A expit   A   r expit  r A expit   A   r expit  r    A 2  r 2  2Ar cos  , де   r  A . 55 Перед другим змішувачем (змішувач 8) встановлено чвертьхвильовий фазообертач 10, що вносить додатковий фазовий зсув  / 2 . На виході змішувача 8 напруга сигналу пропорційна 2 2 2 2 величині U2  A  r  2Ar cos   / 2  A  r  2Ar sin  . 2 UA 93890 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Відмітимо, що різницю фаз   r  A опорного і зворотного сигналів можна формувати різними методами, наприклад, підбором довжини відповідних ділянок НВЧ-тракту, або з використанням додаткового фазового зсуву усередині змішувачів. Тобто, використання чвертьхвильового фазообертача, як окремого вузла, не є обов'язковим. Пристрій налагоджують таким чином, щоб у змішувачі 9 відносний фазовий зсув опорного і зворотного сигналів був близьким до нуля, а в змішувачі 8 був рівним приблизно  / 2 . Амплітуду А опорного НВЧ-сигналу обирають набагато більшою в порівнянні з амплітудою зворотного сигналу r, тобто, виконується умова r 2  Ar . Можна вважати, що напруга сигналів на виходах синхронних детекторів 11, 12, що працюють на частоті F, пропорційна, відповідно, величинам Ar sin  і Ar cos  , напруга сигналу на виході синхронного детектора 13, що працює на частоті 2F, пропорційна величині Ar cos  . З виходу генератора 7 модульованої частоти F надходять сигнали на всі синхронні детектори і вібратор 4. Досліджуваний зразок, закріплений на вібраторі 4, коливається з частотою F, що призводить до періодичної зміни відстані між зондом і зразком, пов'язаними з цим періодичними змінами резонансної частоти і добротності коливальної системи зонд-зразок, а також комплексної амплітуди зворотного сигналу, відбитого від зонда. Амплітудна модуляція зворотного НВЧ-сигналу допомагає підвищити відношення сигнал/шум і, відповідно, точність безконтактного вимірювання електрофізичних параметрів твердотільних зразків (наприклад, поверхневого опору, тангенсу кута діелектричних потер, питомої електропровідності) завдяки можливості використання методу синхронного детектування при обробці інформативних НВЧсигналів. Для пояснення механізму створення амплітудної модуляції зворотного НВЧ-сигналу, відбитого від зонда, на фіг. 2 зображено залежність потужності зворотного сигналу Р від частоти сигналу НВЧ-генератора f для двох значень резонансної частоти системи зонд - зразок fp1 і fp2. На входи синхронних детекторів після змішувачів надходять сигнали, що мають амплітудну модуляцію та містять складові з частотою F і більш високі частотні гармоніки. Сигнали з виходів синхронних детекторів 11, 13 надходять до комп'ютера, а з виходу синхронного детектора 12 сигнал за допомогою керованого комп'ютером контролера 14 надходить, крім комп'ютера, також і до НВЧ-генератора 1. В першому режимі роботи пристрою для отримання інформації про параметри досліджуваного зразка використовуються дані про зміну частоти і добротності резонансної системи зонд-зразок в процесі сканування зразка. Для підстроювання частоти НВЧ-генератора та визначення змін частоти і добротності використовуються сигнали синхронних детекторів 12, 13, що працюють на частоті амплітудної модуляції зворотного НВЧ-сигналу F та на подвоєної частоті модуляції 2F. В даному варіанті роботи пристрою реалізується схема зворотного зв'язку, в якої сигнал синхронного детектора 12 після інтегрування в контролері 14 надходить до НВЧгенератора 1, керованого напругою. Сигнал цього синхронного детектора використовується для керування частотою генератора 1 таким чином, щоб вона дорівнювала резонансної частоті системи зонд-зразок. Амплітудна модуляція зворотного НВЧ-сигналу надає можливість формування на виході синхронного детектора 13, що працює на частоті 2F, сигналу з напругою, пропорційною кривизні кривої залежності добротності від частоти. Це дозволяє після обробки даного сигналу за допомогою комп'ютера 6 отримати інформацію про зміни добротності резонансної системи зонд-зразок. Подальша обробка сигналів з врахуванням вихідних параметрів досліджуваних матеріалів дозволяє зв'язати зміни частоти і добротності системи зонд - зразок зі змінами електрофізичних характеристик зразка в процесі сканування його різних ділянок. Подібний режим роботи схем НВЧ-діагностики описано, рядом дослідників. Див., наприклад, Anlage S.M. Principles of near-field microwave microscopy/ S.M. Anlage, V.V. Talanov, A.R. Schwartz // Scanning probe microscopy: electrical and electromechanical phenomena at the nanoscale / edited by S.V. Kalinin, A. Gruverman. - New York: Springer-Verlag, 2007. V. 1. P. 215-253. Основна відміна у принципі роботи запропонованого та інших засобів НВЧ-діагностики у такому режимі полягає в механізмі отримання амплітудно модульованого сигналу на входах синхронних детекторів: в запропонованому пристрої використовуються механічні коливання зразка відносно зонда за допомогою вібратора, а в згаданої публікації - частотна модуляція вихідного сигналу НВЧгенератора. У другому режимі роботи пристрою для отримання інформації про параметри досліджуваного матеріалу використовуються дані про зміну в процесі сканування зразка амплітуди і фази НВЧ-сигналу, відбитого від зонда, пов'язаного зі зразком (тобто, для 3 UA 93890 U 5 10 15 20 25 30 35 40 отримання потрібної інформації аналізується зміна комплексного коефіцієнта відбиття НВЧвипромінювання від зонда в процесі вимірювань). Для цього використовуються сигнали синхронних детекторів 11, 12, що працюють на частоті F. Напруга сигналів на їх виходах пропорційна, відповідно, величинам Ar sin  і Ar cos  . Ці сигнали надходять до комп'ютера 6. Сукупність цих двох сигналів після комп'ютерної обробки дозволяє визначити зміни амплітуди і фази зворотного НВЧ-сигналу, що відбивається від резонансної системи "зонд-зразок". Результати попередньої калібрування пристрою по еталонних зразках з врахуванням вихідних параметрів досліджуваних матеріалів дозволяє зв'язати зміни комплексного коефіцієнта відбиття НВЧ-випромінювання від зонда в процесі вимірювань зі змінами параметрів досліджуваного зразка в процесі його сканування НВЧ-зондом. Загальне керування роботою пристрою здійснюється за допомогою комп'ютера, що відповідно з керуючою програмою синхронізує роботу всіх вузлів пристрою та дозволяє обирати потрібні режими вимірювань та сканування зразка шляхом переміщень предметного столика по трьох координатах, У складі запропонованого пристрою крім зондів на основі коаксіального кабелю доцільно використовувати також резонаторні зонди на основі коаксіальних об'ємних резонаторів із загостреним центральним провідником. Такі зонди, як показує досвід використання різних схем близькопольової НВЧ-діагностики, мають найкращу чутливість до змін електрофізичних параметрів Досліджуваних зразків. У якості вібратора, закріпленого на предметному столику, може бути використано п'єзоелектричний модуль, виготовлений у вигляді пакета п'єзоелектричних пластин, до яких подається керуючий електричний сигнал з потрібною напругою. Матеріалом п'єзопакету можна обрати, наприклад, цирконат титанату свинцю, який досить широко використовується в різноманітних п'єзоелектричних пристроях для точного переміщення малогабаритних об'єктів. Практична реалізація корисної моделі можлива на основі комерційно доступних НВЧкомпонентів з використанням відомих методів і технологічного обладнання НВЧ-техніки. Запропонована корисна модель може бути реалізована з використанням відомих НВЧелементів (відгалужувачів, фазообертачів, змішувачів). Схеми синхронного детектування також досить широко використовуються для підвищення відношення сигнал/шум. У складі запропонованого пристрою в якості генератора 1 може бути використано стандартні джерела НВЧ-сигналів, наприклад, генератори НР83620А або НР83623А (Hewlett Packard), що дозволяють одержати сигнали з частотою до 20 ГГц з можливістю електричного керування частотою, модулювання амплітуди та частоти. НВЧ-генератори з потрібним керуванням від комп'ютера можна, також, виготовити на основі спеціалізованих НВЧ-схем, наприклад, НВЧмікросхеми HMC769LP6CE з відповідною налагоджувальною платою. Корисна модель дозволяє контролювати електрофізичні характеристики діелектричних, металевих, напівпровідникових зразків, епітаксійних плівок. Найбільш ефективно корисна модель може використовуватися для вимірювання електрофізичних параметрів напівпровідникових приладових структур мікроелектроніки, наприклад, надвеликих інтегральних схем тощо. Корисна модель, може знайти широке використання в галузі вимірювальної техніки, зокрема для контролю електрофізичних параметрів твердотільних структур. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 60 1. Пристрій для НВЧ-контролю електрофізичних параметрів твердотільних структур, що містить НВЧ-генератор, резонаторний зонд, керований за допомогою комп'ютера предметний столик, генератор модульованої частоти F, з'єднаний з пов'язаними зі спрямованим відгалужувачем двома синхронними детекторами, вихід першого з яких, що працює на частоті F, пов'язано з комп'ютером та НВЧ-генератором, а вихід другого, що працює на частоті 2F, з'єднано з комп'ютером, який відрізняється тим, що до виходів НВЧ-генератора та спрямованого відгалужувача приєднано два змішувача, перший змішувач з'єднаний з першим і другим синхронними детекторами, а другий змішувач, на вході якого встановлено чвертьхвильовий фазообертач, з'єднано з третім синхронним детектором, що працює на частоті F, пов'язаним з комп'ютером та генератором модульованої частоти F, вихід якого з'єднано з вібратором, встановленим на предметному столику. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що резонаторний зонд виконано у вигляді коаксіального об'ємного резонатора із загостреним центральним провідником. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що вібратор, встановлений на предметному столику, виконано у вигляді пакету п'єзоелектричних пластин. 4 UA 93890 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5