RU2534728C1 - Устройство для определения параметров металлодиэлектрических структур - Google Patents
Устройство для определения параметров металлодиэлектрических структур Download PDFInfo
- Publication number
- RU2534728C1 RU2534728C1 RU2013125177/28A RU2013125177A RU2534728C1 RU 2534728 C1 RU2534728 C1 RU 2534728C1 RU 2013125177/28 A RU2013125177/28 A RU 2013125177/28A RU 2013125177 A RU2013125177 A RU 2013125177A RU 2534728 C1 RU2534728 C1 RU 2534728C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layers
- type
- wave
- thickness
- cylindrical resonator
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для измерения диэлектрической проницаемости и толщин нанометровых проводящих пленок, нанесенных на подложку из диэлектрического материала. Технический результат заключается в повышении чувствительности и расширении функциональных возможностей. Устройство для определения параметров металлодиэлектрических структур, содержащее волноведущую систему, соединенную с цилиндрическим резонатором, в отверстии корпуса которого размещен элемент связи, отличающееся тем, что элемент связи является измерительным и изготовлен в виде регулируемой четвертьволновой рамки, один конец которой соединен с корпусом цилиндрического резонатора, а другой - выполнен в виде острия, помещенного в диэлектрическую вставку, размещенную в отверстии корпуса цилиндрического резонатора, и выступающего за внешние границы резонатора на величину, много меньшую длины стоячей электромагнитной волны основного типа цилиндрического резонатора; устройство содержит дополнительный элемент связи, предназначенный для ввода/вывода электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, выполненный в виде двух соединенных между собой одним концом металлических четвертьволновых рамок, помещенных в диэлектрическую вставку, расположенную в отверстии между волноведущей системой и корпусом цилиндрического резонатора, причем первая рамка выполнена с возможностью поворота ее плоскости и находится во внутренней полости цилиндрического резонатора, а вторая - в волноведущей системе, другие концы рамок соединены с корпусом цилиндрического резонатора и волноведущей системой соответственно; в волноведущей системе размещен одномерный волноводный СВЧ фотонный кристалл, представляющий собой периодически чередующиеся слои двух типов, слои первого типа имеют постоянное значение величины относительной диэлектрической проницаемости намного большее единицы, слои второго типа - близкое к единице, общее число слоев и число слоев второго типа - нечетное, крайними в структуре фотонного кристалла являются слои первого типа, толщина слоев первого типа намного меньше толщины слоев второго типа, при этом сумма электрических длин слоев первого и второго типа равна половине длины электромагнитной волны, соответствующей середине используемого частотного диапазона, толщина центрального слоя фотонного кристалла составляет одну четвертую толщины слоя второго типа. 4 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и служит для измерения диэлектрической проницаемости и толщин нанометровых проводящих пленок, нанесенных на подложку из диэлектрического материала.
Известно устройство, реализующее способ измерения электрофизических параметров структуры «нанометровая металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка» (см. патент РФ №2349904, МПК G01N 22/00), заключающийся в облучении структуры излучением СВЧ-диапазона с помощью волноведущей системы, измерении частотной зависимости коэффициента отражения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона от измеряемой структуры. Перед структурой размещают одномерный фотонный кристалл, изменяют толщину или диэлектрическую проницаемость одного из слоев для нарушения периодичности структуры. Электропроводность или толщину металлической пленки определяют по частотной зависимости коэффициента отражения структуры «фотонный кристалл - металлическая пленка - подложка» при известных параметрах подложки.
Однако недостатками устройства являются отсутствие возможности проведения локальных измерений вследствие усреднения результатов измерений по поперечному сечению волноведущей системы, а также отсутствие регулирующего элемента, обеспечивающего повышение чувствительности к измеряемым параметрам исследуемых структур.
Известно 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), в качестве зонда использовался отрезок волновода с установленной на его конце резонансной диафрагмой, перекрывающей его поперечное сечение. Отверстие в диафрагме, выполненной из тонкой металлической пластины, представляло собой узкую щель шириной 0.1 мм и длиной 1.5 мм.
Однако данное устройство не позволяет проводить измерения параметров диэлектрических и проводящих образцов с высокой степенью локальности, усредняя результаты измерений по всей площади отверстия диафрагмы, а также отсутствует регулирующий элемент, обеспечивающий повышение чувствительности к измеряемым параметрам исследуемых структур.
Наиболее близким по конструктивному исполнению к предлагаемому решению является датчик для измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов (см. авторское свидетельство СССР №1821712, G01N 27/02, H01L 21/66), содержащий цилиндрический резонатор с первым и вторым элементами связи для ввода и вывода энергии из резонатора и измерительное отверстие. Датчик дополнительно содержит регулируемый рамочный элемент связи, вывод которого расположен в измерительном отверстии в боковой стенке резонатора, являющейся площадкой, на которую помещается исследуемый образец.
Однако недостатками прототипа являются наличие контакта между площадкой с измерительным отверстием и исследуемым образцом, усреднение результатов измерений по всей площади измерительного отверстия, невозможность проведения измерений параметров диэлектрических образцов.
Задачей заявляемого изобретения является обеспечение возможности определения диэлектрической проницаемости исследуемых образцов и толщин проводящих нанометровых пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку с высокой чувствительностью к изменению измеряемых параметров исследуемых образцов, обеспечение бесконтактности измерений и повышение локальности измерений.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей, связанных с решением задачи определения диэлектрической проницаемости образцов и толщин проводящих нанометровых пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку, обеспечение высокой чувствительности устройства к изменению измеряемых параметров исследуемых образцов, обеспечение бесконтактности и повышение локальности измерений.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для определения параметров металлодиэлектрических структур, содержащем волноведущую систему, соединенную с цилиндрическим резонатором, в отверстии корпуса которого размещен элемент связи, согласно решению элемент связи является измерительным и изготовлен в виде регулируемой четвертьволновой рамки, один конец которой соединен с корпусом цилиндрического резонатора, а другой - выполнен в виде острия, помещенного в диэлектрическую вставку, размещенную в отверстии корпуса цилиндрического резонатора, и выступающего за внешние границы резонатора на величину, много меньшую длины стоячей электромагнитной волны основного типа цилиндрического резонатора; устройство содержит дополнительный элемент связи, предназначенный для ввода/вывода электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, выполненный в виде двух соединенных между собой одним концом металлических четвертьволновых рамок, помещенных в диэлектрическую вставку, расположенную в отверстии между волноведущей системой и корпусом цилиндрического резонатора, причем первая рамка выполнена с возможностью поворота ее плоскости и находится во внутренней полости цилиндрического резонатора, а вторая - в волноведущей системе, другие концы рамок соединены с корпусом цилиндрического резонатора и волноведущей системой соответственно; в волноведущей системе размещен одномерный волноводный СВЧ фотонный кристалл, представляющий собой периодически чередующиеся слои двух типов, слои первого типа имеют постоянное значение величины относительной диэлектрической проницаемости намного большее единицы, слои второго типа - близкое к единице, общее число слоев и число слоев второго типа - нечетное, крайними в структуре фотонного кристалла являются слои первого типа, толщина слоев первого типа намного меньше толщины слоев второго типа, при этом сумма электрических длин слоев первого и второго типа равна половине длины электромагнитной волны, соответствующей середине используемого частотного диапазона, толщина центрального слоя фотонного кристалла составляет одну четвертую толщины слоя второго типа.
1. Высокая чувствительность устройства к изменению измеряемых параметров исследуемых образцов обеспечивается использованием перестраиваемого резонатора в виде одномерного волноводного фотонного кристалла, размещенного в волноводной секции. Параметры волноводного фотонного кристалла и угол поворота «регулируемого» элемента связи α подбираются таким образом, чтобы резонанс частотной зависимости коэффициента отражения СВЧ-излучения от поверхности исследуемого образца для отдельно взятой волноводной системы, содержащей одномерный волноводный фотонный кристалл с нарушенным центральным слоем, и резонанс частотной зависимости коэффициента отражения СВЧ-излучения от поверхности исследуемого образца для устройства без волноводного фотонного кристалла находились на одной частоте (совпадали по частотам).
2. Исследуемые образцы располагаются на фиксированном расстоянии от острия зонда.
3. Отсутствие контакта между острием зонда и поверхностью исследуемого образца позволяет изготовить острие зонда с радиусом закругления менее 0,5 мкм, и, следовательно, повысить локальность измерений.
Оригинальность данного изобретения заключается в следующем
1. В волноведущую систему помещают одномерный волноводный СВЧ фотонный кристалл, представляющий собой периодически чередующиеся слои двух типов, слои первого типа имеют постоянное значение величины относительной диэлектрической проницаемости намного большее единицы, слои второго типа - близкое к единице, общее число слоев и число слоев второго типа - нечетное, крайними в структуре фотонного кристалла являются слои первого типа, толщина слоев первого типа намного меньше толщины слоев второго типа, при этом сумма электрических длин слоев первого и второго типа должна быть равна половине длины электромагнитной волны, соответствующей середине используемого частотного диапазона, толщина центрального слоя фотонного кристалла уменьшена до одной четвертой части толщины слоя второго типа.
2. Использование дополнительного перестраиваемого резонатора в виде волноводной секции с одномерным фотонным кристаллом с нарушенным центральным слоем и регулируемого элемента связи позволяет добиться «совмещения» «резонансных особенностей», что приводит к увеличению чувствительности системы к изменению измеряемых параметров исследуемых образцов.
3. Наличие фиксированного расстояния (зазора) между острием зонда и исследуемым образцом.
Устройство поясняется чертежами. На фиг.1 представлен зонд ближнеполевого СВЧ-микроскопа на основе цилиндрического СВЧ-резонатора с рамочным элементом связи и одномерным фотонным кристаллом; вставка А - рамочный элемент связи; вставка В - цилиндрический СВЧ-резонатор с рамочным элементом связи и измеряемым образцом 10. На фиг.2 приведены частотные зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцами с различной диэлектрической проницаемостью. На фиг.3 приведены частотные зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемыми образцами с различной толщиной нанометрового металлического слоя Cr. На фиг.4 представлены частотные зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемыми образцами с различной толщиной нанометрового металлического слоя Cr. Позициями на чертежах обозначены:
1 - корпус цилиндрического резонатора
2 - отрезок волновода сечением 23×10 мм
3 - мембрана толщиной 0,5 мм
4 - рамочный элемент, выполненный из медной проволоки диаметром в сечении 0,6 мм и предназначенный для связи цилиндрического резонатора и волновода
5 - пластина пенопласта
6 - второй рамочный элемент, который проходит сквозь отверстие в резонаторе, и его конечная часть выступает в роли иглы зонда, и расположенный под углом 120° к первому рамочному элементу 4
7 - цилиндрическая фторопластовая втулка
8 - крышки
9 - отрезок волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности
10 - измеряемый образец
11 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи, соединенного с отрезком волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности
12 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи, соединенного с рамочным элементом связи без фотонного кристалла
13 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты от отдельно взятого волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности
14 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом «воздух», т.е. соответствует отсутствию измеряемого образца (ε=1)
15 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом фторопласта (ε=2,0)
16 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом гетинакса (ε=2,5)
17 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом текстолита (ε=3,4)
18 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом поликора (ε=9,6)
19 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и образцом кремния (ε=11,7)
20 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте ƒ=10,2411 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от величины диэлектрической проницаемости образцов, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда
21 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте ƒ=10,2398 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от величины диэлектрической проницаемости образцов, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда
22 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте ƒ=10,2384 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от величины диэлектрической проницаемости образцов, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда
23 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (диэлектрическая пластина без металлизации)
24 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки d=3 нм)
25 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки d=7 нм)
26 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки d=9 нм)
27 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки d=13 нм)
28 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки d=30 нм)
29 - частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом (с толщиной металлической пленки d=180 нм)
30 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте ƒ=10,77908 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от толщины нанометрового металлического слоя на поликоровых пластинах, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда
31 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте ƒ=10,77895 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от толщины нанометрового металлического слоя на поликоровых пластинах, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда
32 - зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренная на фиксированной частоте ƒ=10,77850 ГГц в окрестности минимума коэффициента отражения, от толщины нанометрового металлического слоя на поликоровых пластинах, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда
Пример технической реализации устройства для определения параметров металлодиэлектрических структур
В устройстве использовался цилиндрический резонатор 1, в котором в качестве элемента, возбуждающего электромагнитные колебания, использовался рамочный элемент связи 2 (см. фиг.1).
Общий вид зонда ближнеполевого СВЧ-микроскопа на основе цилиндрического СВЧ-резонатора с рамочным элементом связи и одномерным фотонным кристаллом представлен на фиг.1. В корпус цилиндрического резонатора 1 впаян отрезок волновода 2 сечением 23×10 мм таким образом, чтобы между полостью волновода и внутренней стенкой корпуса резонатора оставалась мембрана 3 толщиной 0,5 мм. В мембране 3 изготовлено отверстие диаметром 6 мм, через которое проходит рамочный элемент 4, выполненный из медной проволоки диаметром в сечении 0,6 мм и предназначенный для связи цилиндрического резонатора и волновода. Со стороны волновода рамка закреплена в пластине пенопласта 5. Размеры рамки выбраны для оптимальной передачи электромагнитных волн в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц. Под углом 120° к первому рамочному элементу 4 относительно центра окружности цилиндрического резонатора расположен второй рамочный элемент 6, который проходит сквозь отверстие в резонаторе, и его конечная часть выступает в роли иглы зонда. Конец зонда выполнялся заостренным с постепенно уменьшающимся диаметром до величины 1,0 мкм. Второй рамочный элемент 6 также изготовлен из медной проволоки диаметром в сечении 0,6 мм. Закрепляется он в цилиндрической фторопластовой втулке 7, которая позволяет изменять положение рамочного элемента путем изменения угла α, плоскости рамки вокруг оси иглы зонда. Корпус цилиндрического резонатора (диаметр цилиндра 65,1 мм, высота - 18.3 мм) с двух сторон закрывается крышками 8.
Зонд на основе цилиндрического резонатора с рамочным элементом связи был соединен с отрезком волноводного фотонного кристалла 9 с нарушением периодичности (см. фиг.1). Использовался одномерный волноводный фотонный кристалл, состоящий из одиннадцати слоев. Нечетные слои были выполнены из поликора (Al2O3, ε=9,6), четные - из фторопласта (ε=2,1). Длина нечетных отрезков - 1 мм, - четных отрезков варьировалась в диапазоне от 7 мм до 14 мм. Нарушение периодичности создавалось посредством изменения длины шестого, центрального, слоя, длина нарушенного шестого слоя (фторопласт) варьировалась в диапазоне от 3 мм до 4 мм.
Высокочастотные характеристики исследуемого зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи, соединенного с отрезком волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности, исследовались с помощью векторного анализатора цепей Agilent PNA-L Network Analyzer N523OA, который подключался через отрезок волновода.
На фиг.2 представлены результаты измерений частотной зависимости коэффициента отражения (S11) СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи, соединенного с отрезком волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности (кривая 11). На этом же чертеже представлены частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи без фотонного кристалла (кривая 12) и частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-волны фотонного кристалла вблизи его окна прозрачности (кривая 13).
При приближении к острию зонда исследуемого образца происходит резкое изменение входного импеданса зонда, и изменяется коэффициент отражения СВЧ-волны от измерительного зонда. Величина его изменения зависит от параметров исследуемого образца, таких как электропроводность, диэлектрическая проницаемость, толщина.
Вращением рамочного элемента связи измерительного зонда, изменяющим эффективную площадь сечения рамки, пронизываемую магнитными силовыми линиями поля электромагнитных колебаний в резонаторе, и приводящим к изменению входного импеданса зонда, можно добиться максимальной чувствительности коэффициента отражения СВЧ-волны к изменению электрофизических характеристик исследуемого образца.
На фиг.3 представлены результаты измерений частотных зависимостей коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемыми образцами с различной диэлектрической проницаемостью при угле поворота рамки измерительного зонда α=178°.
Как следует из представленных результатов, увеличение относительной диэлектрической проницаемости образцов от 1 до 11,7 приводит к частотному сдвигу резонансной кривой на -3,0 МГц, при этом величина коэффициента отражения в минимуме резонансной кривой изменяется от -60,8 дБ до -31,1 дБ.
На вставке фиг.3 представлены зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренные на различных фиксированных частотах в окрестности минимума коэффициента отражения, от величины диэлектрической проницаемости образцов, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда.
Как следует из представленных результатов, выбором частоты зондирующего излучения могут быть получены как монотонно возрастающая (кривая 20 на вставке фиг.3) или монотонно убывающая (кривая 22) зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны от величины диэлектрической проницаемости исследуемых образцов, так и немонотонная зависимость (кривая 21).
При выборе частоты измерений, соответствующей минимуму коэффициента отражения в отсутствии измеряемого образца, диапазон изменений коэффициента отражения при изменении величины диэлектрической проницаемости максимален и составляет ~39,6 дБ. Измеренная чувствительность ∂S11/∂ε монотонно убывает с ростом величины ε в диапазоне значений от 1 до 11,7. В диапазоне значений ε=1÷2 величина ∂S11/∂ε составляет '29,7дБ/ε, а разрешающая способность Δε/ε достигает значения ~10-4.
Установленные закономерности позволяют реализовать возможность определения диэлектрической проницаемости образца с высоким пространственным разрешением с использованием ближнеполевого зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи, соединенного с отрезком волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности, по измеренной величине отраженного сигнала при размещении исследуемого диэлектрического образца на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда.
Исследуемая резонансная система также может быть использована для измерения образцов в виде диэлектрических (поликоровых) пластин с нанесенными нанометровыми металлическими слоями различной толщины.
Как было отмечено выше, изменение коэффициента отражения СВЧ-волны от измерительного зонда при приближении к острию зонда исследуемого образца происходит вследствие изменения входного импеданса зонда, величина которого определяется электрофизическими характеристиками исследуемых образцов, существенно разнящимися для диэлектриков с различными значениями диэлектрической проницаемости и структур с тонкими металлическими слоями. Однако возможна ситуация, при которой для выбранных параметров резонансной системы увеличение одного контролируемого параметра, например диэлектрической проницаемости образцов без проводящих включений, приводит к монотонному изменению в выбранном диапазоне частот коэффициента отражения СВЧ-волны от измерительного зонда, а изменение толщины проводящего слоя в структурах металл-диэлектрик приводит к немонотонному изменению коэффициента отражения СВЧ-волны от измерительного зонда.
Для обеспечения монотонного изменения и повышения чувствительности коэффициента отражения СВЧ-волны к изменению толщины нанометрового металлического слоя в структуре металл-диэлектрик была проведена настройка резонансной системы выбором угла поворота α рамки измерительного зонда и соответствующим изменением параметров фотонного кристалла.
В качестве угла поворота рамки измерительного зонда был выбран угол α=104°, при котором для фиксированного зазора, равного 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом в виде поликоровой пластины без металлического слоя достигалась минимальная величина коэффициента отражения, равная -46,6 дБ. При этом резонансная частота, соответствующая минимуму коэффициента отражения, составляла 10,779 ГГц.
На фиг.4 представлены результаты измерений частотных зависимостей коэффициента отражения СВЧ-волны в окрестности резонансной частоты при фиксированном зазоре, равном 18 мкм, между зондом и исследуемыми образцами с различной толщиной нанометрового металлического слоя (Cr) в структуре металл-диэлектрик при угле поворота рамки измерительного зонда α=104°.
Толщины нанесенных нанометровых металлических слоев были измерены на атомно-силовом микроскопе AFM5600 Agilent Technologies.
Как следует из представленных результатов, увеличение толщины нанометрового металлического слоя (Cr) от 1 нм до 180 нм приводит к изменению величины коэффициента отражения в минимуме резонансной кривой от -46,6 дБ до -39,1 дБ.
На вставке фиг.4 представлены зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны, измеренные на различных фиксированных частотах в окрестности минимума коэффициента отражения, от толщины нанометрового металлического слоя на поликоровых пластинах, размещаемых на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда.
Как следует из представленных результатов, выбором частоты зондирующего излучения могут быть получены как монотонно возрастающая (кривая 30 на вставке фиг.4) или монотонно убывающая (кривая 32) зависимости коэффициента отражения СВЧ-волны от толщины нанометрового металлического слоя, нанесенного на поликоровую пластинку, так и немонотонная зависимость (кривая 31).
При выборе частоты измерений, соответствующей минимуму коэффициента отражения для фиксированного зазора, равного 18 мкм, между зондом и исследуемым образцом в виде поликоровой пластины без металлического слоя, диапазон изменений коэффициента отражения максимален и составляет ~16,5 дБ. Измеренная чувствительность ∂S11/∂d монотонно убывает с ростом толщины металлического слоя (Cr) d в диапазоне значений от 1 нм до 180 нм. При этом в диапазоне значений d от 1 нм до 3 нм величина ∂S11/∂d составляет '4,0 дБ/нм, а разрешающая способность Δd/d достигает значения ~10-3. При измерении пленок TaAlN, нанесенных на поликоровую подложку, чувствительность ∂S11/∂d составляет 1,35 дБ/нм в диапазоне значений d от 1 нм до 20 нм.
Установленные закономерности позволяют реализовать возможность контроля толщин нанометровых металлических слоев, нанесенных на диэлектрические пластины, с высоким пространственным разрешением с использованием ближнеполевого зонда в виде резонатора с рамочным элементом связи, соединенного с отрезком волноводного фотонного кристалла с нарушением периодичности, по измеренной величине отраженного сигнала при размещении исследуемой структуры металл-диэлектрик на фиксированном расстоянии вблизи острия зонда.
Claims (1)
- Устройство для определения параметров металлодиэлектрических структур, содержащее волноведущую систему, соединенную с цилиндрическим резонатором, в отверстии корпуса которого размещен элемент связи, отличающееся тем, что элемент связи является измерительным и изготовлен в виде регулируемой четвертьволновой рамки, один конец которой соединен с корпусом цилиндрического резонатора, а другой - выполнен в виде острия, помещенного в диэлектрическую вставку, размещенную в отверстии корпуса цилиндрического резонатора, и выступающего за внешние границы резонатора на величину, много меньшую длины стоячей электромагнитной волны основного типа цилиндрического резонатора; устройство содержит дополнительный элемент связи, предназначенный для ввода/вывода электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, выполненный в виде двух соединенных между собой одним концом металлических четвертьволновых рамок, помещенных в диэлектрическую вставку, расположенную в отверстии между волноведущей системой и корпусом цилиндрического резонатора, причем первая рамка выполнена с возможностью поворота ее плоскости и находится во внутренней полости цилиндрического резонатора, а вторая - в волноведущей системе, другие концы рамок соединены с корпусом цилиндрического резонатора и волноведущей системой соответственно; в волноведущей системе размещен одномерный волноводный СВЧ фотонный кристалл, представляющий собой периодически чередующиеся слои двух типов, слои первого типа имеют постоянное значение величины относительной диэлектрической проницаемости, намного большее единицы, слои второго типа - близкое к единице, общее число слоев и число слоев второго типа - нечетное, крайними в структуре фотонного кристалла являются слои первого типа, толщина слоев первого типа намного меньше толщины слоев второго типа, при этом сумма электрических длин слоев первого и второго типа равна половине длины электромагнитной волны, соответствующей середине используемого частотного диапазона, толщина центрального слоя фотонного кристалла составляет одну четвертую толщины слоя второго типа.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013125177/28A RU2534728C1 (ru) | 2013-05-30 | 2013-05-30 | Устройство для определения параметров металлодиэлектрических структур |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013125177/28A RU2534728C1 (ru) | 2013-05-30 | 2013-05-30 | Устройство для определения параметров металлодиэлектрических структур |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2013125177A RU2013125177A (ru) | 2014-12-10 |
| RU2534728C1 true RU2534728C1 (ru) | 2014-12-10 |
Family
ID=53285615
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013125177/28A RU2534728C1 (ru) | 2013-05-30 | 2013-05-30 | Устройство для определения параметров металлодиэлектрических структур |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2534728C1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2622600C2 (ru) * | 2015-11-25 | 2017-06-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | Способ измерения параметров полупроводниковых структур |
| RU2658113C1 (ru) * | 2017-07-10 | 2018-06-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | СВЧ фотонный кристалл |
| RU182626U1 (ru) * | 2017-10-30 | 2018-08-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) | Устройство резонансного фотонного кристалла для управления распространением электромагнитного излучения |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2349904C1 (ru) * | 2007-09-13 | 2009-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" | Способ измерения электрофизических параметров структуры "нанометровая металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка" |
| RU2420749C1 (ru) * | 2010-04-06 | 2011-06-10 | Закрытое Акционерное Общество "ТЕЛЕКОМ-СТВ" | Устройство для бесконтактного измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов |
| RU2421742C1 (ru) * | 2010-01-27 | 2011-06-20 | Закрытое Акционерное Общество "ТЕЛЕКОМ-СТВ" | Устройство для бесконтактного измерения удельного сопротивления кремниевого сырья |
-
2013
- 2013-05-30 RU RU2013125177/28A patent/RU2534728C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2349904C1 (ru) * | 2007-09-13 | 2009-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" | Способ измерения электрофизических параметров структуры "нанометровая металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка" |
| RU2421742C1 (ru) * | 2010-01-27 | 2011-06-20 | Закрытое Акционерное Общество "ТЕЛЕКОМ-СТВ" | Устройство для бесконтактного измерения удельного сопротивления кремниевого сырья |
| RU2420749C1 (ru) * | 2010-04-06 | 2011-06-10 | Закрытое Акционерное Общество "ТЕЛЕКОМ-СТВ" | Устройство для бесконтактного измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Novel millimeter-wave nearfield resistivity microscope//Golosovsky M. et al.//Appl. Phys. Lett., 1996, t.68, v.11, pp.1579-1581. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2622600C2 (ru) * | 2015-11-25 | 2017-06-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | Способ измерения параметров полупроводниковых структур |
| RU2658113C1 (ru) * | 2017-07-10 | 2018-06-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | СВЧ фотонный кристалл |
| RU182626U1 (ru) * | 2017-10-30 | 2018-08-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) | Устройство резонансного фотонного кристалла для управления распространением электромагнитного излучения |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2013125177A (ru) | 2014-12-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3198263B1 (en) | A biosensor with integrated antenna and measurement method for biosensing applications | |
| US11079339B2 (en) | Biosensor with integrated antenna and measurement method for biosensing applications | |
| RU2534728C1 (ru) | Устройство для определения параметров металлодиэлектрических структур | |
| You et al. | Dielectric measurements for low-loss materials using transmission phase-shift method | |
| Abd Rahman et al. | Planar microwave sensors for accurate measurement of material characterization: A review | |
| Tümkaya et al. | Sensitive metamaterial sensor for distinction of authentic and inauthentic fuel samples | |
| Bakır et al. | Multifunctional metamaterial sensor applications based on chiral nihility | |
| Abd Rahman et al. | High quality factor using nested complementary split ring resonator for dielectric properties of solids sample | |
| RU144869U1 (ru) | Устройство для определения диэлектрической проницаемости пластин и толщин нанометровых проводящих пленок | |
| M'Pemba et al. | Probes in transmission with material variable thicknesses to extract the material complex relative permittivity in 1.7–3 GHz | |
| RU2349904C1 (ru) | Способ измерения электрофизических параметров структуры "нанометровая металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка" | |
| Abd Rahman et al. | Dual Band Planar Microwave Sensor for Dielectric Characterization using Solid and Liquid Sample | |
| Kanade et al. | Study of thick film Ni (1− x) CoxMn2O4,(0⩽ x⩽ 1) using overlay technique on thick film microstrip ring resonator | |
| RU2407114C1 (ru) | Свч-фильтр с регулируемыми положением частотной области пропускания и величиной пропускания в этой области | |
| Sharma et al. | Measurement of complex permittivity of polystyrene composite at 11.64 GHz using cavity perturbation technique | |
| Pandit et al. | Real‐time non‐intrusive RF biochemical sensor | |
| Hasar | Microwave method for thickness-independent permittivity extraction of low-loss dielectric materials from transmission measurements | |
| Hanif et al. | Compact maze-shaped meta resonator for high-sensitive S-band low permittivity characterization | |
| Jha et al. | Planar microwave bragg reflector resonant dielectric sensor | |
| Zubair et al. | A Novel Cesaro Fractal EBG-based Sensing Platform for Dielectric Characterization of Liquids | |
| RU2321010C1 (ru) | Устройство для измерения больших значений комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов на свч | |
| RU2330267C1 (ru) | Чувствительный элемент для определения влагосодержания жидкой среды | |
| RU2529417C1 (ru) | Резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров материалов | |
| Usanov et al. | Microwave near-field microscope based on a photonic crystal with a cavity and a controlled coupling element as a probe | |
| Tiwari et al. | Quad band metamaterial inspired planar sensor for dispersive material testing |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170531 |