CC BY
15Т
Электроника СВЧ
УДК 621.372
Д. А. Усанов, С. С. Горбатов, В. Ю. Кваско
Саратовский государственный университет
им. Н. Г. Чернышевского
Ближнеполевой СВЧ-микроскоп с низкоразмерным резонатором типа "индуктивная диафрагма - емкостная диафрагма"
Разработана низкоразмерная волноводная резонансная система типа "индуктивная диафрагма - близкорасположенная емкостная диафрагма". Резонансная система применена в качестве зонда ближнеполевого СВЧ-микроскопа. Достигнута разрешающая способность на уровне 0.5 мкм.
ближнеполевая микроскопия СВЧ, микро- и наноэлектроника СВЧ
В процессе создания структур твердотельной микро- и наноэлектроники немаловажную роль играют операции контроля. Одним из способов такого контроля является ближнеполевая СВЧ-сканирующая микроскопия. Этот вид микроскопии имеет ряд преимуществ, среди которых - отсутствие квантовых эффектов поглощения излучения веществом исследуемого объекта, прозрачность в СВЧ-диапазоне многих оптически непрозрачных веществ. Данный вид микроскопии особенно предпочтителен при отладке технологии производства микроэлектронных устройств, предназначенных для использования именно в СВЧ-диапазоне, так как параметры материалов и структур измеряются на тех же частотах, на которых они будут использованы [1]. Таким образом, если ближнеполевая микроскопия СВЧ даже и не заменяет других видов контроля и исследования, то, как минимум, гармонично их дополняет. Этот вид микроскопии может быть с успехом применен и для исследования различного рода биологических объектов, в частности тканей человеческого организма, для определения и локализации патологических образований.
Эффекты, связанные с явлением "ближнего поля", обусловлены возникновением квазистационарных полей, которые локализуются в малой (в сравнении с длиной волны основного типа, распространяющейся в электродинамической системе) окрестности излучающей апертуры. Если исследуемый объект находится в области существования этого квазистационарного поля, то существует возможность исследовать распределение его электрофизических свойств с разрешением, намного меньшим, чем длина волны используемого излучения. В этом смысле микроскопия ближнего поля позволяет обойти дифракционный предел [2], [3].
Основным элементом ближнеполевого СВЧ-микроскопа, обеспечивающим в большей мере его высокую чувствительность и разрешающую способность, авторы [1] назвали связанный с зондом СВЧ-резонатор. По изменению характеристик резонатора (резонансной частоты и добротности) в процессе сканирования исследуемого образца можно судить
66 © Усанов Д. А., Горбатов С. С., Кваско В. Ю., 2010
0 его топологии и об изменении свойств материала подложки от точки к точке. Ясно, что с увеличением чувствительности резонатора к вносимому в него через зонд возмущению повышается чувствительность и разрешающая способность СВЧ-микроскопа в целом.
В работах [4]-[6] показана возможность создания СВЧ-резонаторов на основе так называемых низкоразмерных резонансных систем и указана их высокая чувствительность к возмущающим воздействиям. Резонансы в таких системах объяснены возбуждением в них высших типов колебаний. Поскольку один из размеров такого рода резонаторов намного меньше длины волны основного типа, они были названы "низкоразмерными" [5]. Вносимое в низкоразмерный резонатор малое возмущение, изменяющее его электрическую длину, приводит к значительному изменению его характеристик, что и отмечалось в [4]-[6].
В конструкции, рассмотренной авторами настоящей статьи, резонатором являлась система близкорасположенных индуктивной и емкостной диафрагм. Результаты исследования возможности использования данного типа резонатора для ближнеполевого СВЧ-микроскопа представлены в настоящей статье.
Внешний вид предложенного микроскопа приведен на рис. 1, где 1 - панорамный измеритель КСВН и ослабления; 2 - ответви-тель 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.
На схематическом изображении измерительной электродинамической системы - резонатора типа "индуктивная диафрагма -емкостная диафрагма" (рис. 2) обозначено:
1 - волновод; 2 - индуктивная диафрагма; 3 - емкостная диафрагма; 4 - иглы-зонды, изготовленные из медной проволоки диаметром 0.25 мм с химически заточенными до радиуса закругления кончика 0.5 мкм свободными концами и закрепленные с обеспечением гальванической связи на тыльной стороне емкостной диафрагмы. Размеры измерительной системы: а = 23 мм - размер широкой стенки волновода; Ь = 10 мм - размер узкой стенки первого волновода; h = 0...7 мм - расстоя-
d^
2
А
б
Рис. 1
- 4
Рис. 2
а
б
ние от индуктивной диафрагмы до емкостной диафрагмы; dl = 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.
Проведены измерения зависимости коэффициента отражения R от частоты f для низкоразмерной системы при указанных конструктивных параметрах резонатора.
В резонансной системе (см. рис. 2) металлические иглы-зонды сводились друг к другу на расстояние 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 расстояние 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. рис. 1, б, 10; рис. 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. рис. 1, а, 1), в котором фиксировались значения частоты резонанса /р и коэффициента отражения RоXр. Полученный низкочастотный сигнал, несущий информацию о величине КСВН, через аналогово-цифровой преобразователь типа L-Card Е14-140 поступал в компьютер для последующей обработки с использованием программной среды МаШСАО.
Для демонстрации возможностей ближнеполевых СВЧ-микроскопов авторы [7] приводили изображение букв в виде металлических полосок шириной 2 мм. Авторы [8] использовали для демонстрации изображение восьми щелей (с шириной щели 3 мкм), выполненных в алюминиевой фольге, на расстоянии 1 мм. 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 рис. 3, а. Зонд устанавливался на расстоянии 2 мкм от исследуемой структуры. Установка зонда и контроль его положения при движении осуществлялись при помощи длиннофокусного оптического
Ь, дБ
13.5
13
12.5
12 11.5
0
0.5
х, мкм
б
Рис. 3
микрометрического объектива, не показанного на схеме установки. Образец перемещался относительно измерительного устройства с помощью пьезодвигателя, управляемого постоянным напряжением таким образом, что металлические полоски встречно-штыревой структуры располагались в плоскости, содержащей обе иглы-зонда. На рис. 3, б приведена экспериментальная зависимость потерь L, соответствующих пику резонанса, от смещения измерительного зонда вдоль оси х. 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. Полученные результаты могут быть использованы при создании устройств для неразру-шающего контроля изделий микроэлектроники.
Список литературы
1. Near-field microwave microscopy of materials properties / S. M. Anlage, D. E. Steinhauer, B. J. Feenstra et al. // Microwave superconductivity / ed. by H. Weinstock and M. Nisenoff. Amsterdam: Kluwer, 2001. P. 239-269.
2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. 720 с.
3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля: в 10 т. Т. 8. М.: Физматлит, 2006. 533 с.
4. Резонансы в полубесконечном волноводе с диафрагмой, связанные с возбуждением волн высших типов / Д. А. Усанов, С. С. Горбатов, С. Б. Вениг, В. Е. Орлов // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26, № 18. С.47-49.
5. Усанов Д. А., Горбатов С. С. Резонансы в волноводной системе "штырь с зазором - близкорасположенный поршень // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 2006. Т. 49, № 2. С.27-33.
6. Усанов Д. А., Горбатов С. С. Управляемый магнитным полем СВЧ-выключатель на p-i-n диодах // Приборы и техника эксперимента. 2003. № 1. С. 72-73.
7. Ash E. A., Nickolls G. Super-resolution aperture scanning microscope // Nature. 1972. Vol. 237, № 6. P. 510-512.
8. Golosovsky M., Davidov D. Novel millimetre- wave near-field resistivity microscope // Appl. phys. lett. 1996. № 11. P. 1579-1581.
D. A. Usanov, S. S.Gorbatov, V. U.Kvasko Saratov state university n. a. N. G. Chernyshevsky
Near-field microwave microscope with low-dimension resonator of inductive diaphragm-capacitor diaphragm type
The low-dimension waveguide resonant system of inductive diaphragm-close located capacitor diaphragm type has been developed. The given resonant system is applied as a probe of near-field microwave microscope. Resolution of 0.5 microns has been achieved.
Microwave near-field microscopy, microwave micro- and nanoelectronics
Статья поступила в редакцию 23 марта 2010 г.
