Принцип работы микроволновых микроскопов резонаторного типа основан на измерении сдвига резонансной частоты и добротности СВЧ зонда при внесении в его ближнее поле исследуемого объекта. В настоящее время часто применяются зонды на основе высокодобротного λ/4 коаксиального полуоткрытого резонатора с иглой на центральной жиле. Такая конструкция обеспечивает высокую локализацию поля в области иглы зонда.
Резонансную частоту и добротность нагруженного зонда можно определить с помощью СВЧ анализатора цепей. Однако точность таких измерений будет невысокой, поэтому на практике применяются различные аппаратные схемы измерения параметров резонатора. Чаще всего используются различные компенсационные и модуляционные методы. Они обеспечивают высокую точность измерений, но содержат большое количество дополнительных элементов и являются достаточно сложными.
Нами была предложена конструкция микроволнового микроскопа [1], в которой резонаторный СВЧ зонд является частотозадающим элементом генератора (рис. 1а). В предложенной схеме активного зонда (АЗ) генерация автоматически возникает на частоте максимума резонансной характеристики. Измеряя ее непосредственно частотомером можно с высокой точностью определять малые смещения резонансной частоты зонда. Как и в большинстве аналогичных конструкций микроволновых сканирующих микроскопов, зонд неподвижно закреплялся над объектом, который перемещался с помощью автоматизированного координатного столика. Параметры созданного прототипа микроскопа следующие: рабочая частота 2,1—2,2 ГГц, стабильность частоты 1 кГц, минимальный шаг сканирования 2 мкм.
С помощью микроскопа проводились эксперименты по визуализации материальных параметров объектов и скрытых дефектов в СВЧ диапазоне. На рис. 1б показано изображение фрагмента микросхемы ТМ5, на котором видны дорожки в приповерхностном слое.
Рисунок 1. Схема ближнеполевого микроволнового микроскопа с активным зондом (а) и полученное с его помощью изображение фрагмента микросхемы (б)
Кроме визуализации неоднородностей диэлектрической проницаемости микроволновый микроскоп способен также работать в режиме визуализации локального поля [3]. Зонд на основе λ/4 коаксиального резонатора чувствителен к вертикальной компоненте электрического поля с резонансной (или достаточно близкой к ней) частотой. В традиционной схеме микроскопа сигнал на детекторе, подключенном к выводу резонатора, будет пропорционален амплитуде поля.
В отличие от пассивных методик измерения, в нашем микроволновом микроскопе с АЗ наблюдается эффект вынужденной синхронизации частоты генерации с частотой внешнего поля. На рис. 2 показана зависимость частоты измеряемого частотомером сигнала от частоты внешнего поля. В литературе часто встречается аналогичные зависимости в виде функции частоты биений от расстройки, как показано на вставке рис.2.
Рисунок 2. Зависимость измеряемой частоты с выхода активного зонда от частоты внешнего поля
Область 1 — квазипериодический режим работы активного зонда. Частота генерации здесь не меняется (это видно с помощью анализатора спектра и согласуется с классической теорией вынужденной синхронизации), однако, меняется так называемая «наблюдаемая» или «эффективная» частота, которая и измеряется частотомером. Из-за наличия шумов точка бифуркации превращается в область бифуркации 2 (в которой частотомер не способен зафиксировать частоту), за которой следует собственно режим захвата частоты 3.
Нужна помощь в написании статьи?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.
Была измерена ширина области вынужденной синхронизации для нескольких значений мощности внешнего поля. Его источником выступал стандартный СВЧ коннектор, поднесенный к зонду (как показано на вставке рис. 3). Данный ряд измерений позволяет отобразить область синхронизации (рис. 3) или так называемый язык Арнольда [2]. К сожалению, при мощности меньше 1 мВт, область вынужденной синхронизации значительно уменьшается и для ее наблюдения необходим источник сигнала с высокой стабильностью и точностью установки частоты. Используемый нами генератор Г4-122 не обеспечивает достаточные значения этих параметров для исследования пороговой чувствительности эффекта к мощности внешнего поля.
Рисунок 3. Область вынужденной синхронизации частот при разной мощности внешнего сигнала
Нами было предложено использовать выведение активного зонда в квазипериодический режим (область 1 на рис. 2) для увеличения точности измерения малых смещений резонансной характеристики зонда. Как показано на рис. 4а, вблизи точки перехода к синхронизации, смещение эффективной частоты существенно превосходит смещение резонансной частоты СВЧ зонда. Другими словами, вблизи точки бифуркации при фиксированной частоте внешнего поля, даже незначительное изменение резонансной частоты зонда приводит к значительному изменению частоты биений. Вблизи перехода к синхронизации ее можно оценить как [2]. Тогда коэффициент усиления сигнала
.
При ,
где: — определяется при калибровке,
— сдвиг резонансной частоты зонда.
В то же время уровень шума увеличивается в раз
,
где: — исходный шум активного зонда,
— шум внешнего источника.
В качестве источника внешнего сигнала можно использовать высокостабильный синтезатор частоты, который достаточно перестраивать с дискретным шагом для выхода в нужную рабочую точку. Таким образом, можно считать и усилением шума фактически можно пренебречь.
Существенную нелинейность коэффициента усиления можно считать недостатком предложенного метода. Тем не менее, достаточно большие отклонения фиксируются и без применения дополнительных методик. Данный способ повышения чувствительности может применятся опционально при исследовании объектов с низкой диэлектрической контрастностью.
Для экспериментального подтверждения предложенного метода сканировались дефекты в образце СВЧ керамики (εr=16). Результаты сканирования показаны на рис. 4б.
Рисунок 4. Изменение эффективной и резонансной частоты (а) и результат сканирования объекта в квазипериодическом и обычном режиме (б)
Из-за низкой стабильности используемого внешнего генератора не удалось выйти в рабочую точку с достаточной крутизной, поэтому прирост сигнала составил всего — 1,5 раза. Однако согласно нашим оценкам при использовании синтезатора соотношение сигнал/шум для малых отклонений εr может быть увеличено на порядок.
Таким образом, квазипериодический режим зонда генерационного типа может быть использован для увеличения чувствительности при исследовании образцов с низкой диэлектрической контрастностью. Особенно актуальным является применение данного метода для диэлектриков с высоким значением εr, при исследовании которых чувствительность МСМ существенно снижается.
Список литературы:
Нужна помощь в написании статьи?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.
1.Пат. № 60519 Україна, МПК7 G 01 B 7/34. Пристрій для ближньопольової мікроскопії діелектричних об’єктів / В.С. Сидоренко, Ю.О. Гайдай, О.В. Сінькевич, С.В. Жила; заявник і патентовласник Київський національний університет імені Тараса Шевченка. — № 2002119038; заявл. 13.11.2002; опубл. 15.10.2003, Бюл. № 10.
2.Пиковский А. Синхронизация. Фундаментальное нелинейное явление / А. Пиковский, М. Розенблюм, Ю. Куртс — М.: Техносфера, 2003. — 496 с.
3.Dutta S.K. Imaging microwave electric fields using a near-field scanning microwave microscope / S.K. Dutta, C.P. Vlahacos, D.E. Steinhauer, A.S. Thanawalla, B.J. Feenstra, F.C. Wellstood, S.M. Anlage, H.S. Newman // Applied physics letters. — 1999. — Vol. 74, № 1. — P. 156—158.
4.Rosner B.T. High-frequency near-field microscopy / B.T. Rosner, D.W. Van Der Weide // Review of scientific instruments. — 2002. — Vol. 73, № 7. — P. 2505—2522.