Способ определения диэлектрической проницаемости материалов

 

Изобретение относится к области контроля диэлектрических свойств материалов с помощью электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона и может быть использовано для измерения диэлектрической проницаемости материалов с малыми потерями на локальных участках образца. Целью изобретения является повышение быстродействия определения диэлектрической проницаемости материала на локальных участках контролируемого образца путем выполнения следующей последовательности операций. После ввода контролируемого образца между антеннами индицируют электрическое напряжение и дополнительно сдвигают опорное излучение на калиброванный сдвиг фаз, который выбирают в 10 - 20 раз большим порога чувствительности интерферометрической системы. Соответствующее возросшее электрическое напряжение уменьшают до первоначального значения, поворачивая контролируемый образец относительно зондирующего излучения на измеряемый угол поворота. Диэлектрическую проницаемость образца определяют расчетным путем по величине дополнительного фазового сдвига и углу поворота контролируемого образца. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)5 G 01 К 27/06

ОПИСйНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4668877/21 (22) 21. 03, 89 (46) 07.07.91. Бюп. № 25 (72) В.А. Таран, Ю.А. Скрипник и Л.А.Глазков (53) 621.317 (088 ° 8) .(56) Авторское свидетельство СССР

1376047, кл. G 01 R. 27/06, 1988. .(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИ ЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к области контроля диэлектрических свойств материалов с помощью электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона и может быть использовано для измерения диэлектрической прони цаемости материалов с малыми. потерями на локальных участках, образца.

Целью изобретения является повышение быстродействия определения диэлектрической проницаемости материаИзобретение относится к области контроля диэлектрических свойств материалов с помощью электромагнитных волн сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона и может быть использовано для измерения диэлектрической проницаемосТи материалов с малыми потерями на локальйых участках образца, Целью изобретения является повышение быстродействия определения диэлектрической проницаемости материала на локальных участках контролируемого образца.

На чертеже в качестве примера реализации способа приведено автола на локальных участках контролируемого образца путем выполнения следующей последовательности операций.

После ввода контролируемого образца между антеннами индицируют электрическое напряжение и дополнительно сдвигают опорное излучение на калиброванный сдвиг фаз, который вы бирают в 10-20 раз большим порога чувствительности интерферомвтрической системы. Соответствующее возросшее электрическое напряжение уменьшают до первоначального значения, поворачивая контролируемый образец относительно зондирующего излучения на измеряемый угол поворота. Диэлектрическую проницаемость образца определяют расчетным путем по величине дополнительного фазового сдвига и углу поворота контролируемого образца. 1 ил. матическое устройство для определения диэлектрической проницаемости материалов.

Устройство представляет собой двухлучевой СВЧ-интерферометр, со.держащий СВЧ-генератор 1 фиксированной длины волны, выход которого через развязывающий аттенюатор 2 соединен с волноводным тройником 3. К одному плечу тройника 3 через согласующие трансформаторы 4 и 5 подключены передающая 6 и приемная 7 рупорные антенны, между которыми (в непосредственной близости к приемной антенне 7) размещают контролируемь.Л ма1 61674 териал 8 в виде пластины или ленты, К другому плечу тройника 3 через переменный аттенюатор 9 подключен воиноводный тройник 10,.к плечам котОрого подключены калиброванные отрезки 11 н 12 волновода, причем отрезок 12 имеет большую длину, чем отрезок 11. Выход волноводного отр зка 11 соединен через волноводный п реключатель 13 и регулируемый фазов ащатель 14 с одним плечом двойного в новодного тройника 15, другое пле" ч которого соединено через соглас ющий.трансформатор 5 с приемной а тенной 7. К выходному плечу тройи ка 15 подключен СВЧ-детектор 16, в мод которого через усилитель 17 с единен с входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 18. Кодовые оды АЦП 18 через интерфейс ввода соединены с шиной данных микроЭВМ 19, ! оторая через интерфейс вывода соенена с кодовыми входами цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) yrвых 20 и линейных 21 перемещений. оды ЦАП 20 и 21 кинематически сое1

Щинены с держателем 22, в котором закреплена контролируемая пластина нли 1, енота 8. К выходу процессора микро ВИ 19 подключены цифропечатающие 1стройства 23 и дисплей 24, а через ,интерфейс вывода электромеханический привод 25 волноводного переключа епя 13, 35

Сущность предложенного способа определения диэлектрической проницаемости материалов основывается на слеДующем.

СВЧ-излучение фиксированной длины 40 волны разделяют на зондирующее и опорное. Контролируемый образец в

Фиде плоской пластины или ленты размещают между дальней излучающей и близко расположенной приемной антен- 45 нами, излучающими и принимающими СВЧ

Поляризованное излучение. Зондирующее излучение, прошедшее через плоский образец, совмещают с опорным из.пучением до, образования интерференции соответствующих волн, Вследствие того, что по условию измерения излучающую антенну размещают относительно далеко от образца падающая на образец волна

У

55 поляризованного зондирующего СВЧ-из- . лучения является квазиплоской, Центральная зона Френеля, которая дает колебания, определяющие напряженность поля в точке наблюдения, имеет радиус, который может быть охарактеризован зависимостью

Д где L — наименьшее расстояние межмен ду плоским образцом и приемной антенной.

При этом значение напряженности поля в точке наблюдения определяется параметрами участка образца диаметра 2 R и при близком расположении приемной антенны к образцу возможно определить электрофизические параметры образца (в т.ч. его диэлектрическую проницаемость) на- сравнительно небольших его участках даже при относительно малой направлен- . ности приемной антенны. Так, при

L ä = ф /2 диаметр поля на образце примерно равен 91 т.е, возможно зондирование образца пятном с размером, определяемым длиной волны излучения.

Первоначально до введения контролируемого образца (в виде полулроводниковой или диэлектрической пластины) электрические длины трактов зондирующего и опорного излучения выравнивают, а соответствующие затухания делают равными.

В результате фазового сдвига волны зондирующего излучения, вносимого контролируемым образцом, напряженность электрической составляющей поля интерферируемых волн устанав- ливается равной (2) Е где Е и Š— напряженности соответ(Я ственно зондирующей и опорной волн

E+ 1 27 (Ь Г

tg = arctg — — — — tg(— ----) (3) о ({/ — фазовый сдвиг, вносимый контролируемым участком материа-, ла, d и Я- соответственно толщина и диэлектрическая проницаемость контролируемого материала в первой зоне Френеля.

При предварительном выравнивании затуханий в трактах распространения зондирующего и опорного излучений и малых потерях в контролируемом образце

1661674 (4) Ел Еg = E. !лектрическое напряжение на выходе СВЧ-детектора с учетом выражения (4) можно представить в виде

Ч

8(1+ )E cusг + $

27 d+K

tg(— — — — ) î

E,+1

g=arctg

2 Т

= 2 a(m+Q), (6) где m — число целых циклов изменения разности фаз;

Y. — доля фазового цикла, Напряжение на выходе СВЧ-детектора с учетом соотношения (6) имеет вид

Г1 8+1

U< = S(1+ (,)Е cus — arctg — —, 2 Я где S — крутизна преобразования детектора, к

dS относительная мультиS пликативная погрешность пре3образования

= +dU — абсолютная (аддитивная) погрешность преобразования.

Мультипликативная погрешность обусловлена в основном временной и температурной нестабильностью крутизны преобразования СВЧ-детектора и усилителя, т.е, изменением угла наклона преобразовательной характеристики напряженность-поля — электрическое напряжение.

Аддитивная погрешность является следствием остаточного напряжения на выходе СВЧ-детектора при противофазности интерферируемых волн из-за присутствия побочных мод СВЧ вЂ колебаний и остаточного неравенства напряженностей полей зондирующего и опорного излучений в плоскости ин-терферирования из-за неизбежных потерь в образце, Кроме того, погрешности и О зависят от величины разности фаэ интерферируемых волн, возникающей иэза нелинейности характеристики измерительного преобразования.

При этом, когда толщина материала превышает длину волны (d ) A ), разность фаз 1/ интерферируемых волн характеризуется соотношением

6+1 2 ((d E

)(tg — — tg(— — — — ) + 0 (7) а

5 гие р и E — пагтеиностн первонеЧ1 чальной разности фаз.

Зависимость напряжения U от ди1 электрической проницаемости нелинейна, но периодична, причем каждый

10 полупериод преобразовательной характеристики соответствует изменению разности фаз интерферируемых волн о о от 0 до 180 . Вследствие этого напряжение (7) однозначно зависит от

15 проницаемости (только в пределах одного полуцикла изменения разности фаз.

После фиксирования напряжения (7)

20 вводят дополнитсльный фазовый сдвиг

Ц в тракт опорной волны. При этом напряжение на выходе СВЧ вЂ детекто за счет уменьшения разнбсти фаз воз.растает до величины

1:,+1

U =S(1+ Р )Е cus — „агссд

24Г кtg(— — — — — -) — - — +3 )U

2 (8) гие |< и ат — пагревнасти, соответствующие новой разности фаз.

Далее поворачивают контролируемую пластину на угол б и этим увеличивают фазовую задержку пластины в 1/cusQ раз. В результате увеличения разности фаз напряжение на выходе СВЧ-детектора уменьшается до его первоначального значения при определенном угле 0(Г1 Е+1

U =U =S(1+ 1р ) Eã cus — are tg

271 ГГ к tg (— — — ---) — -- + 3 (9)

%ос, Яоао 2 при котором погрешности уравниваются:

,= (и 8, =g, (10)

В силу соотношений (9), (10) имеет место равенство

Е+ 1 2 и с1 Г 11

arc t g — — tg (--- — — )

2Я о +1 ГЕ

55 = arctg — — tg (-------)

2Я >ос э О о

Если выбрать длину волны СВЧо излучения из соотношения

166 1674 (12) 2 i d4Å

Я 4 ти необходимо определять численными методами из уравнения (11) или уравнения вида то можно принять (16) 10

2 с1@ 2 д-(Е

Ло

E+1 2 о 44Е 1 Ь(Е+1)

grctg --- tg(------)

2Я 0 ) 0 (13) Выразив в уравнении (11) длину

I вфлны Яо через частоту Г СВЧ-колебаний и скорость С распространения колебаний в свободном пространстве (9t с/f ), с учетом соотношений (12) и

13) получают

Фd f (6+1) l d f (6+1) с . с соз0Ср

Из уравнения (14) диэлектрическая п1 оницаемость с Ча соз0, E. = — -- (— ) — — — — — 1 (15)

d Е к 1-соя С

Иэ уравнения (15) следует, что по вводимому фазовому сдвигу Ц и углу поворота пластины О о, дополнительно сДвигающему фазу зондирующих СВЧколебаний до восстановления первоначального значения напряжения на выходе СВЧ-детектора, однозначно опре. деляется значение диэлектрической проницаемости Я контролируемого материала в зоне зондирующего пятна

СВЧ-поля.

Поскольку неконтролируемые фазовые сдвиги, обусловленные неидентичностью опорного и измерительного каналов, рассогласованием антенн, переотражениями и т.п., остаются практически постоянными при выполнении указанных операций способа, то их влияние на результат измерения исключается. При этом необходимо угол (Ко изменять в минимальных пре— делах. Так, в соответствии с выражением (15) угол О тем меньше, чем меньше вводимый угол Ц> при задано ном значении Я . Поэтому практически(выбирают в 10-20 раэ большим порога чувствительности СВЧ-детектора или среднеквадратичного отклоненин фазовых флюктуаций, характеризующих разрешающую способность интерферометрического способа измеренин разности фаз.

При прецизионных измерениях или заранее не известных значениях {: и значение диэлектрической проницаемос15

E.+1 2 п Г dГ,Я

are t g — — — tg (— --->- — --) с, 8+1 2 ll f. ат

— — — î с О

При этом ограничение (12) на выбор длины волны в зависимости от Я,и d снимается.

Способ реализуется в устройстве следующим образом.

СВЧ плоскополяриэованная волна от генератора 1 разделяется тройником 3 на зондирующую и опорную. Зондирующая волна излучается антенной б, проходит контропируемый материал 8 и принимается антенной 7. Опорная волна проходит через аттенюатор

9, отрезок 11 волновода, фазовраща.тель 14 и совмещается с зондирующей волной в двойном волноводном тройнике 15. Между волнами, достигшими

СВЧ-детектора 16, по зондирующему и опорному трактам возникает интерференпия. При переведении переключателя 13 в верхнее положение противофазность интерферирующих волн устанавливают регулировкой фазовращателя 14, а равенство их напряжен.— ностей — аттенюатором 9.

Измерение диэлектрической проницаемости начинается с вводом контролируемого материала 8 в зондирующее поле с помощью управляемого держателя 22. Одновременно переключатель 13 исключает из опорного тракта отрезок 12 волновода, создающий дополнительный фазовый сдвиг опорной волны. Управление АЦП 21 и приводом

25 переключателя 13 осуществляется от микроЭВМ 19 по программе, записанной в его постоянном эапоминающем устройстве, Напряжение детекто ра 16 преобразуется с помощью АЦП 18 в цифровой код, который запоминается в оперативном запоминающем устройстве микроЭВМ 19.

По команде микроЭВМ 19 переключатель 13 переводится в нижнее положение, что вводит дополнительный фазовый сдвиг в тракт опорной волны эа счет разности геометрических длин отрезков 11 и 12 волновода, Возросшее напряжение на выходе детектора

16 преобразуется в код, который

1661674,. 10 сравнивается с кодом, соответствующим первоначальному напряжению на

I выходе детектора. Разностным кодом посредством ЦАП 20 контролируемая пластина 8 поворачивается и выходное напряжение детектора уменьшается.

Так как пластина начинает поворачиваться на дискретные значения углового перемещения, то при каждом новом значении углового перемещения пластины 8 происходит сравнение кода напряжения детектора 16 с кодом первоначального напряжения на нем. В момент совпадения кодов изменение ко да на входе ЦАП 20 приостанавливается, а соответствующее значение кода запоминается в памяти микроЭВМ 19.

Используя введенные в ее память постоянные с, и», d, g u f, а также . зафиксированный код значения 6l,процессором вычисляется по соотношению (15) или (16) значение диэлектрической проницаемости Я в локальной точке образца, которое отображается на дисплее 24 и регистрируется с помощью цифропечатающего устройства 23.

Далее по команде микроЭВМ 19 ЦАП

2 1 перемещает исследуемый материал 8 относительно поля антенн 6 и 7 йа шаг, равный длине волны gl, переключатель 13 переводится в верхнее положение и процесс измерения диэлектрической проницаемости на очередном локальном участке образца повторяется.

Данный способ определения Я позволяет относительно просто автомати-!, зировать процесс локальных измерений, что повьппает производительность и точность аппаратуры технологического контроля качества подложек интегральных и гибридных микросхем.

Формула изобретения

Способ определения диэлектрической проницаемости материалов, заключающийся в том, что плоскополяризованное СВЧ-излучение фиксированной длины волны разделяют на зондирующее и опорное, совмещают зондирующее излучение, прошедшее через плоский контролируемый образец, размещаемый меж15 ду дальней излучающей и близко расположенной приемной антеннами, с опорным излучением и преобразуют напряженность интерферируемых излучений в электрическое напряжение, кото-

2р рое при отсутствии контролируемого образца между антеннами устанавливают минимальным, о т л и ч а ю— щ и -Й с я тем, что, с целью повышения быстродействия определения на локальных участках образца, после ввода контролируемого образца между антеннами фиксируют электрическое напряжение, дополнительно сдвигают опор-. .ное излучение на калиброванный фазоЭР вый сдвиг, который выбирают в 1020 раз большим порога чувствительности интерферометрической системы, соответствующее полученное электрическое напряжение уменьшают до первоначального значения, поворачивая контролируемый образец относительно зондирующего излучения, и измеряют угол поворота, а диэлектрическую проницаемость образца определяют расчетным

4р путем по величине дополнительного фазового сдвига и углу поворота контролируемого образца.

1661674

Составитель Ю.Богданов

Техред С.Мигунова Корректор Н.Ревская

Редактор Т.Юрчикова

Эаказ 2120 Тираж 414. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, И-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101