Ближнеполевой СВЧ-микроскоп

Внедрение: 2010 г.

Группой учёных Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского разработана низкоразмерная волноводная резонансная система близкорасположенных индуктивной и емкостной диафрагм. Эта резонансная система применена в качестве зонда ближнеполевого СВЧ‑микроскопа, на котором была достигнута разрешающая способность на уровне 0.5 мкм. В схеме измерения КСВН волноводов был применён модуль Е14‑140 [1]. 

Внешний вид предложенного микроскопа приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Ближнеполевой СВЧ-микроскоп: 1 – панорамный измеритель КСВН и ослабления; 2 – ответвитель отраженной волны; 3 – ответвитель падающей волны; 4 – механизм вертикального перемещения зонда; 5 – источник питания пьезоэлектрического двигателя; 6 – микроскоп с длиннофокусным объективом; 7 – микрометрический столик; 8 – исследуемый объект; 9 – пьезоэлектрический двигатель; 10 – измерительная электродинамическая система.

Схематическое изображение измерительной электродинамической системы-резонатора типа "индуктивная диафрагма – емкостная диафрагма" показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Измерительная электродинамическая система-резонатор типа "индуктивная диафрагма – емкостная диафрагма": 1 – волновод; 2 – индуктивная диафрагма; 3 – емкостная диафрагма; 4 – иглы-зонды, изготовленные из медной проволоки. Размеры измерительной системы: a=23 мм – размер широкой стенки волновода; b=10 мм – размер узкой стенки первого волновода; h=0...7 мм – расстояние от индуктивной диафрагмы до емкостной диафрагмы; d1=2 мм – ширина щели в емкостной диафрагме; d2 =1 мм – ширина щели в индуктивной диафрагме. Индуктивная и емкостная диафрагмы состояли из двух одинаковых бронзовых пластин толщиной 0,25 мм.

В резонансной системе (см. рисунок 2) металлические иглы-зонды сводились друг к другу на расстоянии 1…2 мкм, и между ними возбуждались высшие типы волн, обусловливающие резонансы. Изменением расстояния между емкостной диафрагмой 3 и индуктивной диафрагмой 2 добивались возникновения резонанса с малым коэффициентом отражения, после чего это расстояние фиксировалось. Часть электромагнитного поля, возникшего в резонансной структуре, локализовалась в зазоре между двумя иглами-зондами 4 в виде квазистационарного (ближнего) поля и взаимодействовала с исследуемым объектом, поднесенным к этому зазору на расстоянии 0.5…1.5 мкм. Источником СВЧ‑сигнала служил генератор качающейся частоты типа ГКЧ‑61. Сигнал от генератора поступал в измерительный волноводный тракт СВЧ (см. рисунок 1б, 10; рисунок 2), состоящий из двух плеч – опорного и измерительного, которые были включены по схеме измерения КСВН. Отраженный от исследуемой резонансной системы сигнал регистрировался панорамным индикатором КСВН и ослабления типа Я2Р-67 (см. рисунок 1а, 1), в котором фиксировались значения частоты резонанса f_р и коэффициента отражения R_отр. Полученный низкочастотный сигнал, несущий информацию о величине КСВН, через АЦП Е14‑140 поступал в компьютер для последующей обработки с использованием программной среды MathCAD.

Авторами настоящей статьи для иллюстрации возможностей описанного микроскопа выбрана использующаяся в акустических линиях задержки и фильтрах на поверхностных акустических волнах структура из ниобата лития с нанесенной на него металлизацией в виде встречно-штыревой алюминиевой системы с периодом 0.5 мкм, фотоизображение которой приведено на рисунке 3а. На рисунке 3б приведена экспериментальная зависимость потерь L, соответствующих пику резонанса, от смещения измерительного зонда вдоль оси x. При смещении зонда глубина резонанса изменялась, что позволило судить о разрешении металлических элементов исследуемой структуры шириной около 0.5 мкм.

Таким образом, описанный ближнеполевой СВЧ‑микроскоп устойчиво разрешает металлические полоски шириной до 0.5 мкм, нанесенные на диэлектрическое основание.

Рисунок 3. Структура из ниобата лития с нанесенной на него металлизацией в виде встречно-штыревой алюминиевой системы с периодом 0.5 мкм – а; экспериментальная зависимость потерь L, соответствующих пику резонанса, от смещения измерительного зонда вдоль оси x – б.

Полученные результаты могут быть использованы при создании устройств для неразрушающего контроля изделий микроэлектроники, что и было показано во второй работе [2] этих же авторов. Целью работы являлось экспериментальное исследование динамики изменения характера распределения поля в диоде Ганна с помощью ближнеполевого сканирующего СВЧ‑микроскопа и сопоставление результатов измерений с результатами численного моделирования.

Рисунок 4. а – ближнеполевой СВЧ-микроскоп; б – измерительная электродинамическая система; в – диод АА735А‑6, установленный в специальную оправку: АЦП – Е14‑140.

В работе показано, что с увеличением тока через диод Ганна происходит изменение пространственных распределений поля и концентрации носителей заряда от характерного для одиночного стационарного домена к многодоменной структуре. Учет многодоменной структуры распределения электрического поля и концентрации носителей заряда в диоде Ганна открывает возможность более точного расчета характеристик СВЧ‑устройств, в которых эти диоды используются в качестве активных элементов. 

Источники:

1. Усанов Д.А., Горбатов С.С., Кваско В.Ю. Ближнеполевой СВЧ‑микроскоп с низкоразмерным резонатором типа "индуктивная диафрагма – емкостная диафрагма" // Известия вузов России. Радиоэлектроника. – 2010. – Вып. 6. – С. 66‑69.
2. Усанов Д.А., Горбатов С.С., Кваско В.Ю. Формирование многодоменной пространственной структуры в арсенид-галлиевом диоде Ганна как нелинейный феномен // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. – 2013. – Том 21, № 5. – С. 51‑59.

Разработчик: Усанов Д.А., Горбатов С.С., Кваско В.Ю. (Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского)