Сверхвысокочастотное устройство для неразрушающего измерения электрофизических параметров диэлектрических материалов

 

Изобретение относится к технике измерений на СВЧ и может использоваться для неразрушающего локального определения диэлектрической проницаемости (εʹ) и тангенса угла потерь диэлектрических материалов для микроэлектроники. Техническим результатом является повышение точности измерения потерь диэлектрических материалов на СВЧ. Устройство для измерения электрофизических параметров диэлектрических материалов содержит коаксиальный резонатор с измерительным отверстием в торце и прижим, снабжено запредельным волноводом круглого сечения, соосным с измерительным отверстием, и с внутренним радиусом, превышающим радиус измерительного отверстия не менее чем в три раза, а площадь торца резонатора превышает площадь поперечного сечения запредельного волновода, при этом на внешней стороне запредельного волновода у его одного края выполнен фланец и на нем размещено кольцо из эластичного материала, а другой край запредельного волновода ограничен торцевой стенкой, и запредельный волновод помещен в цилиндрическое отверстие, выполненное в прижиме, и связан с прижимом через кольцо из эластичного материала. 5 ил.

Изобретение относится к технике измерений на СВЧ и может использоваться для неразрушающего локального определения диэлектрической проницаемости (εʹ) и тангенса угла потерь (tgδ) диэлектрических материалов для микроэлектроники.

Известно устройство для неразрушающего измерения комплексной диэлектрической проницаемости материалов в СВЧ диапазоне (Tanable E., Joines W.Z. А nondestructive method vor measuring the complex permitivity of dielectric materials at microwave frequencis // IEEE Trans. on Instrum. and measur. 1976, Vol. IM-25, 9, P. 222-226). Оно состоит из резонатора, образованного отрезком коаксиальной линии, открытый конец которой используется как измерительное отверстие в виде кольцевой щели. На другом конце отрезка расположен элемент связи с устройством, возбуждающим в резонаторе колебания и обеспечивающим измерение его резонансной частоты и добротности. Пластина из диэлектрического материала прижимается к измерительному отверстию резонатора и по величине изменения его резонансной частоты и добротности по полученным аналитическим соотношениям вычисляют диэлектрическую проницаемость εʹ и потери tgδ в локальной области воздействия краевого поля резонатора на диэлектрик. Измерения можно проводить на частотах до 4 ГГц.

Недостатком устройства является невозможность проведения измерений потерь диэлектрического материала при увеличении рабочей частоты, так как в этом случае значительно возрастает излучение электромагнитной волны из резонатора. Это излучение приводит к существенно большему уменьшению добротности резонатора, чем происходит за счет потерь в испытуемом материале.

Известно устройство для неразрушающего измерения εʹ и tgδ диэлектрических материалов, состоящее из открытой с одного конца коаксиальной линии и генератора, подсоединенного с другого конца (Stuchli M. A., Bradi M.M. Stuchli S.S., Gajda G.B. Equiwalent circuit of an open-ended coaxal line in a lossy dielectric // IEEE Trans. on Instrum. and Measur. 1982, Vol.31, N2, pp.116-119).

Недостаток этого устройства - значительное возрастание погрешности определения εʹ и tgδ с увеличением рабочей частоты и параметра εʹ исследуемого материала, связанные с пренебрежением учета излучения из коаксиальной линии, при этом относительная погрешность определения tgδ намного больше, чем εʹ. Известно устройство для измерения электрофизических параметров диэлектрических материалов, содержащее коаксиальный резонатор с измерительным отверстием в торце и металлический прижим. На торце резонатора вокруг измерительного отверстия выполнена кольцевая проточка, заполненная диэлектриком (авт. свид. СССР 907465, МПК G 01 R 27/26). Измерения можно проводить на частоте 10 ГГц.

Недостаток этого устройства заключается в том, что при толщине испытуемой пластины менее половины радиуса измерительного отверстия возрастает излучение из резонатора, что приводит к увеличению погрешности измерения tgδ или измерение становится невозможным.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для неразрушающего измерения εʹ и tgδ подложек интегральных схем (Дувинг В. Г. Локальные измерения диэлектрической проницаемости и потерь подложек интегральных схем на СВЧ // Электронная техника, серия 1, 1984, вып.12, с.34-38). Устройство содержит коаксиальный резонатор с измерительным отверстием в торце, имеющий резонансную частоту около 10 ГГц, с двумя элементами связи с внешними цепями, предназначенными для измерения его резонансной частоты и добротности, прижим, выполненный из диэлектрического материала.

Недостатками этого устройства являются возрастание погрешности определения tgδ материалов с большим значением εʹ(εʹ>7) из-за излучения из резонатора и сложность вычисления tgδ тонких испытуемых образцов из-за влияния на добротность резонатора также и диэлектрического прижима.

Задачей изобретения является повышение точности измерения потерь диэлектрических материалов на СВЧ.

Эта задача решается тем, что устройство для измерения электрофизических параметров диэлектрических материалов, содержащее коаксиальный резонатор с измерительным отверстием в торце и прижим, снабжено запредельным волноводом круглого сечения, соосным с измерительным отверстием, и с внутренним радиусом, превышающим радиус измерительного отверстия не менее чем в три раза, а площадь торца резонатора превышает площадь поперечного сечения запредельного волновода, при этом на внешней стороне запредельного волновода у его одного края выполнен фланец и на нем размещено кольцо из эластичного материала, а другой край запредельного волновода ограничен торцевой стенкой, и запредельный волновод помещен в цилиндрическое отверстие, выполненное в прижиме, и связан с прижимом через кольцо из эластичного материала.

Изобретение поясняется чертежами на фиг.1 - 5.

На фиг.1 представлен чертеж устройства для неразрушающего измерения электрофизических параметров диэлектрических материалов: 1 - коаксиальный резонатор, 2 - измерительное отверстие кольцевой формы, 3 - торец коаксиального резонатора, 4 - запредельный волновод, 5 - испытуемая пластина из диэлектрического материала, 6 - фланец на краю запредельного волновода, 7 - кольцо из эластичного материала, 8 - торцевая стенка, 9 - прижим, 10 - диэлектрический резонатор.

На фиг.2 представлены зависимости уходов резонансной частоты Δf коаксиального резонатора от толщины h испытуемых образцов из диэлектрического материала с различным значением εʹ: кривая 1 получена при εʹ = 2,06 (фторопласт), 2 - при εʹ = 3,81 (кварц), 3 - при εʹ = 7 (слюда), 4 - при εʹ = 10, 5 - при εʹ = 14,7. Значения Δf даны в логарифмическом масштабе. Δf = f_O-f_ε, f_O- резонансная частота коаксиального резонатора без диэлектрика на торце и без прижима, f_ε- резонансная частота коаксиального резонатора с диэлектриком на торце. Кривая 1 получена без применения фторопластового прижима.

На фиг. 3 показано изменение нормированной добротности Q_ε/Q_O коаксиального резонатора с прижимом из фторопласта в прототипе в зависимости от толщины h испытуемых пластин на его торце с разным значением εʹ. Q_O - нагруженная добротность коаксиального резонатора без испытуемых пластин и без прижима на торце. Q_ε- нагруженная добротность коаксиального резонатора с испытуемой пластиной под прижимом из фторопласта на торце. Кривая 1 - нормированная добротность коаксиального резонатора с фторопластовым прижимом при εʹ = 2,06, 2 - при εʹ = 3,81, 3 - при εʹ = 7, 4 - при εʹ = 10, 5 - при εʹ = 14,7. На фиг.4 показано изменение нормированной добротности коаксиального резонатора Q_ε/Q_O в устройстве, представленном на фиг.1, в зависимости от толщины h тех же испытуемых образцов, что и на фиг.3. Кривая 1 - фторопластовые пластины разной толщины.

На фиг.5 приведена зависимость уходов резонансной частоты Δf коаксиального резонатора в зависимости от отношения радиусов запредельного волновода (радиус R) и измерительного отверстия на торце (радиус r) при отсутствии испытуемых образцов.

Устройство работает следующим образом. Процесс измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь такой же, как и на известных устройствах. Испытуемая пластина определенной толщины (а диэлектрические пластины, используемые в микроэлектронике как подложки интегральных схем, могут иметь толщину от десятков микрон до 1,5-2 мм) помещается между торцом 3 коаксиального резонатора и краем запредельного волновода 4 вплотную к ним. Изменение резонансной частоты Δf коаксиального резонатора за счет увеличения краевой емкости у измерительного отверстия 2 содержит информацию о величине εʹ диэлектрического материала, а уменьшение добротности - информацию о потерях. Вычисление εʹ и tgδ осуществляется по одному из известных методов.

Преимущество изобретения заключается в устранении на частотах более 4 ГГц излучения электромагнитной волны из измерительного отверстия на торце коаксиального резонатора, к которому приложен диэлектрик, в интервале толщины диэлектрических подложек, используемых в микроэлектронике. Поэтому уменьшение добротности коаксиального резонатора происходит только за счет потерь диэлектрического материала, что и обеспечивает точность расчета tgδ. Излучение из открытого конца коаксиальной линии или коаксиального резонатора с измерительным отверстием можно объяснить следующим образом. Открытый конец коаксиальной линии является неизлучающей системой, так как в этом случае линия нагружена на бесконечно большое сопротивление по сравнению с ее волновым сопротивлением, поэтому коэффициент отражения от конца линии практически равен единице. Но при наложении на открытый конец коаксиальной линии диэлектрика он начинает выполнять роль согласующего устройства между волновым сопротивлением коаксиальной линии и волновым сопротивлением свободного пространства, причем с ростом величины εʹ это согласование улучшается и все большая часть энергии колебаний, запасенной в резонаторе, излучается из измерительного отверстия. Вследствие этого на частоте 10 ГГц при εʹ = 100 невозможно измерить резонансную частоту коаксиального резонатора, так как сигнал на его выходном элементе связи не обнаруживается. Таким образом, при больших значениях εʹ диэлектрика у измерительного отверстия коаксиального резонатора его открытый конец оказывается хорошо согласован с волновым сопротивлением свободного пространства и вся СВЧ энергия, поступающая в резонатор через входной элемент связи, теряется на излучение. Уменьшение энергии колебаний в резонаторе за счет излучения воспринимается как уменьшение его добротности. Это подтверждают экспериментальные кривые на фиг.2 и 3, полученные для прототипа. На фиг.2 показано изменение резонансной частоты Δf коаксиального резонатора в прототипе для пяти значений εʹ пластин разной толщины при радиусе торцевого отверстия r=1 мм и при начальной резонансной частоте f_O около 10 ГГц. Величина Δf становится неизменной при толщине пластины чуть больше радиуса r, когда все силовые линии краевого поля коаксиального резонатора находятся в диэлектрике. В этом случае и добротность коаксиального резонатора также не должна бы меняться. Но при неизменной частоте f_ε коаксиального резонатора с ростом толщины испытуемых пластин, как видно на фиг.3, происходит уменьшение его добротности не за счет потерь в диэлектрике, а из-за наличия излучения. В этом случае становится невозможным использование измеренного значения Q_ε для вычисления tgδ диэлектрического материала.

Устранение излучения электромагнитной волны из измерительного отверстия коаксиального резонатора в устройстве, показанном на фиг.1, можно объяснить следующим образом. Когда испытуемая пластина 5 из диэлектрического материала прижимается к отверстию 2 на торце 3 коаксиального резонатора запредельным волноводом 4, то образуется плоский диэлектрический резонатор 10 на металлическом основании, ограниченный торцом запредельного волновода. Для образования диэлектрического резонатора радиус торца 3 коаксиального резонатора должен превышать радиус R запредельного волновода 4. Предпочтительно выбирать диаметр торца 3 коаксиального резонатора и наружный диаметр фланца 6 запредельного волновода одинакового размера, что удобно при сборке устройства. Если же диаметр торца коаксиального резонатора меньше внутреннего сечения запредельного волновода, то излучение волны из отверстия 2 не устраняется.

Диэлектрический резонатор в свободном пространстве или на металлической плоскости является слабо излучающей системой при возбуждении в нем колебаний в области резонансной частоты. Если же частота возбуждающего колебания значительно отличается от его резонансной частоты, то в этом случае диэлектрический резонатор представляет собой систему с большим затуханием. Оценка резонансной частоты диэлектрического резонатора, расположенного на металлическом основании, показала, что при его диаметре 7 мм, при его толщине 1 мм и при εʹ = 100, она составляет около 33 ГГц, а при уменьшении εʹ, радиуса резонатора и его толщины - возрастает (оценка проведена по материалам работы: Черный Б.С. и др. Влияние металлической поверхности на свойства открытого диэлектрического резонатора СВЧ // Известия ВУЗОВ СССР - Радиоэлектроника, том XXI, 1978, 8, с.52-59). Уменьшение радиуса диэлектрического резонатора путем изменения радиуса запредельного волновода ограничивается появляющимся влиянием его металлических стенок на краевую емкость коаксиального резонатора. На фиг.5 показано, что при отношении радиусов R/r < 3 начинается интенсивное влияние металлических стенок запредельного волновода на краевую емкость коаксиального резонатора, и будет получаться большая погрешность измерения εʹ, особенно пластин малой толщины (пленочных материалов). Таким образом, радиус R запредельного волновода 4 должен превышать радиус r измерительного отверстия 2 на торце коаксиального резонатора не менее чем в 3 раза.

Образованный на торце коаксиального резонатора из испытуемой пластины диэлектрический резонатор 10, имеющий резонансную частоту, значительно превышающую рабочую частоту измерения, препятствует распространению электромагнитной волны вдоль пластины в радиальном направлении от отверстия на торце. Перпендикулярно торцу коаксиального резонатора волна распространяться также не может, так как в запредельном для частоты измерения волноводе она интенсивно затухает. Например, для круглого запредельного волновода волна E_O1 затухает на 20,9 дБ на длине, равной его радиусу. По этой же причине запредельный волновод исключает резонансные явления на торце коаксиального резонатора.

Для образования диэлектрического резонатора фланец 6 запредельного волновода должен плотно без воздушного зазора прижиматься к испытуемой пластине. Не должно быть воздушного зазора и между торцом коаксиального резонатора и испытуемой пластиной. Плотность прижатия в устройстве на фиг.1 обеспечивается кольцом 7 из эластичного материала, через которое запредельный волновод связан с прижимом, причем даже в случае пластин с непараллельными сторонами.

Несмотря на то что в качестве прижима испытуемых пластин используется запредельный волновод, в котором волна интенсивно затухает, наличие торцевой стенки 8 на конце запредельного волновода необходимо. Дело в том, что в нелинейном краевом поле коаксиального резонатора у измерительного отверстия 2 возбуждаются колебания высших типов. Волны высших типов, как и волны с частотой измерения, при наличии диэлектрического резонатора 10 в радиальном направлении вдоль пластины не распространяются. Так, например, в случае, когда их частота больше или меньше резонансной частоты диэлектрического резонатора, то в этом резонаторе они не возбуждаются. Если же частота хотя бы одной из волн высших типов находится вблизи резонансной частоты диэлектрического резонатора, то колебания в этом резонаторе возбуждаются, но не излучаются, так как он является слабоизлучающей системой. Но в запредельном волноводе 4 колебания высших типов у отверстия 2, находящегося на оси этого волновода, возбуждают волны высших типов. Они могут распространяться вдоль волновода 4, который для них не является запредельным, и если нет торцевой стенки 8, то они далее распространяются по коаксиальной линии с малым значением волнового сопротивления, образованной корпусом запредельного волновода 4 и стенкой отверстия в прижиме 9, и излучаются в свободное пространство через кольцо 7 из эластичного диэлектрического материала. Таким образом, без торцевой стенки 8 на краю запредельного волновода излучение из коаксиального резонатора не устраняется.

Излучение из отверстия коаксиального резонатора устраняется только при толщине испытуемых пластин h < 2r (эксперимент проводился при r = 1 мм), что подтверждают экспериментальные данные на фиг.4. По-видимому, необходимые параметры диэлектрического резонатора обеспечиваются только при его малой толщине. На фиг. 4 видно, что с увеличением толщины испытуемых пластин из фторопласта (кривая 1) и из слюды (кривая 3) в интервале h < r происходит уменьшение добротности коаксиального резонатора в соответствии с коэффициентом заполнения диэлектриком краевого поля у измерительного отверстия. При толщине испытуемых пластин в интервале r < h < 2r добротность коаксиального резонатора остается постоянной, как и величина Δf на фиг.2, т.е. в этом случае нет влияния на коаксиальный резонатор той части диэлектрика испытуемой пластины, которая находится вне краевого поля измерительного отверстия, и, следовательно, отсутствует излучение электромагнитной волны. При h > 2r с увеличением εʹ испытуемых пластин начинается все более быстрое уменьшение добротности коаксиального резонатора из-за возникающего излучения из его измерительного отверстия. В этом случае использование полученного значения добротности Q_ε для вычисления tgδ, как и в прототипе, будет приводить к значительной погрешности результата измерения. Но диэлектрические подложки толще 1,5-2 мм не используются в микроэлектронике и устройство можно применять для определения параметров εʹ и tgδ подложек интегральных схем на частотах более 4 ГГц. Расширяется также интервал измеряемых значений диэлектрической проницаемости испытуемых пластин.

Изобретение использовалось для неразрушающего локального измерения на частотах 9,3...10 ГГц тангенса угла потерь tgδ в интервале значений 10^-6... 10^-2, диэлектрической проницаемости εʹ в интервале значений 1...30, подложек интегральных схем произвольной толщины в интервале значений 0,03...2 мм с применением специальных методов измерения добротности сверхвысокочастотного резонатора и расчета εʹ и tgδ.е

Формула изобретения

Сверхвысокочастотное устройство для неразрушающего измерения электрофизических параметров диэлектрических материалов, содержащее коаксиальный резонатор с измерительным отверстием и прижим, отличающееся тем, что оно снабжено запредельным волноводом круглого сечения, соосным с измерительным отверстием, и с внутренним радиусом, превышающим радиус измерительного отверстия не менее чем в три раза, а площадь торца резонатора превышает площадь поперечного сечения запредельного волновода при толщине h испытуемых пластин h < 2r, где r - радиус измерительного отверстия, при этом на внешней стороне запредельного волновода у его края выполнен фланец и на нем размещено кольцо из эластичного материала, а другой край запредельного волновода ограничен торцевой стенкой, и запредельный волновод помещен в цилиндрическое отверстие, выполненное в прижиме, и связан с прижимом через кольцо из эластичного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5