РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ЗАЗОРЕ КОАКСИАЛЬНОГО РЕЗОНАТОРА МИКРОВОЛНОВОГО МИКРОСКОПА

February 3, 2013 by admin Комментировать »

Полетаев Д. А., Таран Е. П., Шадрин А. А. Таврический национальный университет им. В. И. Вернадского пр. Вернадского, 4, г. Симферополь, 95007, Украина тел.: (80652) 23-03-60 E-mail: taran@tnu.crimea.ua

Аннотация – В статье приводится численная модель микроволнового микроскопа. На основании данной модели произведен расчет электрических полей в сечении коаксиального резонатора, входящего в состав микроволнового микроскопа.

I.                                      Введение

Современные технологии производства интегральных микросхем (ИМС) и полупроводниковых приборов (ППП) позволяют получать сложные многослойные структуры микро- и наноразмеров. Актуальным является вопрос контроля параметров и характеристик слоистых пленочных структур и материалов, составляющих основу ИМС и ППП.

Одним из наиболее перспективных бесконтактных методов контроля параметров пленочных структур является метод микроволновой микроскопии. Первые микроволновые измерения на сверхпроводниках были осуществлены Пиппардом при использовании четвертьволнового резонатора [1]. Измерение осуществлялось за счёт оценки стоячей волны на резонансной частоте, а свойства материала усреднялись по образцу. Эш разработал микроволновый микроскоп, в котором в качестве апертуры применялось малое отверстие в зеркале открытого резонатора. Разрешение данного микроскопа составляло 0,5 мм [2].

Современные экспериментальные установки позволяют определять параметры материалов с использованием метода микроволновой микроскопии [2]. Для оптимизации существующих и разработки новых микроволновых микроскопов с улучшенными характеристиками актуальной является задача создания адекватной численной модели микроскопа.

Целью данной работы является численный расчет структуры электрического поля в зазоре коаксиального резонатора с использованием разработанной модели микроволнового микроскопа.

II.     Численная модель микроволнового микроскопа

Численная модель микроволнового микроскопа вкпючала в себя открытый коаксиальный резонатор, один конец которого находился вблизи исследуемого образца, а через второй обеспечивалось возбуждение резонатора (рис. 1). Исследуемый образец представлял собой кремниевую подложку, помещённую на металлическую пластину. Для исключения паразитной ёмкости металлическая пластина соединена с оболочкой резонатора. Коаксиальный резонатор и зазор между торцом центрального проводника и образцом заполнены вакуумом.

В основу численного расчета модели микроволнового микроскопа положен метод конечных элементов. Выбор частоты работы коаксиального резонатора в одномодовом режиме определяется уравнением

где – скорость света в вакууме [3].

Рис. 1. Модель микроволнового микроскопа: D – enympeHHuij диаметр резонатора; d – диаметр центрального проводника резонатора.

Fig. 1. Model of а microwave microscope: D – internal diameter of the resonator; d – diameter of the central conductor of the resonator

Практическая реализация установки для микроволновой микроскопии вкпючает микроволновый микроскоп с четвертьволновым резонатором [2]. Собственная частота четвертьволнового резонатора находится из выражения:

где и = 1,2,3,…, I – длина резонатора [3].

На основе численной модели микроволнового микроскопа для точного определения резонансной частоты задавался диапазон частот (в окрестности резонансной частоты обыкновенного четвертьволнового резонатора) и вычислялись соответствующие выбранным частотам значения Υ-параметра волнового порта. Резонансная частота определялась по максимальному значению амплитуды У-параметра.

III.      Распределение электрического поля в коаксиальном резонаторе

На рис.2 приведена картина распределения модуля напряженности электрического поля в сечении коаксиального резонатора на резонансной частоте.

Из рисунка видно, что распределение амплитуды электрического поля существенно отличается от картины распределения в четвертьволновом коаксиальном резонаторе. Данная зависимость позволяет локализовать участки резонатора микроскопа с максимальной амплитудой электрического поля. Максимум приходится на зазор между торцом центрального проводника резонатора и образцом, а в остальном пространстве амплитуда напряжённости электрического поля меньше в 3-5 раза.

Рис. 2. Распределение модуля электрического поля в сечении резонатора.

Fig. 2. Distribution of the module of an electric field in section of the resonator

Ha рис. 3 представлено распределение электрического поля в зазоре между торцом центрального проводника резонатора и образцом на резонансной частоте.

Рис. 3. Распределение модуля электрического поля в зазоре между торцом центрального проводника и образцом.

Fig. 3. Distribution of the module of an electric field in a backlash between an end face of the central conductor and the sample

Из данного рисунка видно, что максимум амплитуды напряжённости электрического поля приходится на область под торцом центрального проводника резонатора. Микроволновый микроскоп производит сканирование участка образца, который находится непосредственно под торцом центрального проводника резонатора. Таким образом, пространственное разрешение микроскопа определяется, в основном, диаметром центрального проводника резонатора. Из рисунка также видно, что электрическое поле проникает на значительную глубину подложки. Это позволяет использовать микроволновый микроскоп для исследования не только поверхностных неоднородностей, но и неоднородностей, расположенных в глубине полупроводниковых подложек.

IV.                                  Заключение

Полученные распределения напряжённости электрического поля в зазоре коаксиального резонатора позволяют проводить оценочные расчеты по степени неоднородности исследуемых образцов с использованием метода микроволновой микроскопии.

[1] PIppardA. В. The surface impedance of superconductors and normal metals at high frequencies: I. esistance of superconducting tin and mercury at 1200 Mcyc./sec. if Proc. Roy. Soc. – 1947. – № 191. – P. 370-384.

[2] StelnhauerD. E., Vlahacos C. P., Dutta S. Κ., Feenstra B. J., WellstoodF. C., Aniage S. M. Quantitative imaging of sheet resistance with a scanning near-field microwave microscope.

// Appl. Phys. Lett. – 1998. – № 72. – P. 861 -863.

[3] Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. Под ред.

Н.       В. Девяткова. М.: Высш. школа, 1970. – 440 с.

ELECTRIC FIELD DISTRIBUTION IN A BACKLASH OF THE COAXIAL RESONATOR OF A MICROWAVE MICROSCOPE

Poletaev D. A., Taran Ye. P., Shadrin A. A. Tavrical National University

4,           Yaltinskaya Str, Simferopol, 95007, Ukraine e-mail: taran@tnu.crimea.ua

Abstract – Numerical model of a microwave microscope is brought. On the basis of the given model the calculation of electric fields in section of the coaxial resonator that is a part of a microwave microscope is made.

I.                                        Introduction

One of the most perspective contactless quality monitoring of parameters of film structures is the method of microwave microscopy.

There are modern experimental setups for definition of parameters of materials with use of microwave microscopy [2]. For constructions of new microwave microscopes and optimization of existing microscopes the problem of creation of adequate numerical model of a microscope is actual.

The purpose of the given work is numerical calculation of structure of an electric field in a backlash ofthe coaxial resonator with use ofthe developed model of a microwave microscope.

II.        Numerical Model of a Microwave Microscope

The numerical model of a microwave microscope included the open coaxial resonator whose one end was near to the investigated sample, and through the second excitation of the resonator (Fig. 1) was provided. The sample represented the silicon substrate placed on a metal plate. On the basis of numerical model of a microwave microscope for exact definition of resonant frequency ofthe resonator the range of frequencies (in a vicinity of resonant frequency of the ordinary quarter wave resonator) was set and values of Y-parameter of wave port corresponding them were calculated. Resonant frequency was determined on the maximal value of amplitude of Y-parameter.

III.       Distribution of an Electric Field in the Coaxial

Resonator

Distributions of an electric field in section of the coaxial resonator (Fig. 2) on resonant frequency allow localizing areas with the maximal amplitude of an electric field.

From Fig. 3 follows, that the maximum of amplitude of intensity of an electric field is necessary on area under an end face of the central conductor of the resonator. Microwave microscope makes scanning an area ofthe sample that is directly under an end face ofthe central conductor ofthe resonator and the spatial resolution of a microscope is determined by diameter ofthe central conductor ofthe resonator.

III.                                      Conclusion

The received distributions of intensity of an electric field in a backlash ofthe coaxial resonator allow spending estimated calculations on a degree of heterogeneity of investigated samples with use of a method of microwave microscopy.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты