Способ определения диэлектрической проницаемости материалов Советский патент 1991 года по МПК G01R27/06 

Изобретение 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 локальных участках образца.

Целью изобретения является повышение быстродействия определения диэлектрической проницаемости материала на локальных участках контролируемого образца.

На чертеже в качестве примера реализации способа приведено автоматическое 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 контролируемы, мао

ч

4ь

териал 8 в виде пластины или ленты. К другому плечу тройника 3 через переменный аттенюатор 9 подключен волноводный тройник 10, к плечам которого подключены калиброванные от- РЈзки 11 и 12 волновода, причем от- рфзок 12 имеет большую длину, чем otpeaoK 11. Выход волноводного от- резка 11 соединен через волноводный переключатель 13 и регулируемый фазовращатель 14 с одним плечом двойного волноводного тройника 15, другое плечо которого соединено через согласующий трансформатор 5 с приемной антенной 7. К выходному плечу тройника 15 подключен СВЧ-детектор 16, которого через усилитель 17 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 18. Кодовые

:оды АЦП 18 через интерфейс ввода соединены с шиной данных микроэвм 19

орая через интерфейс вывода сое- :нена с кодовыми входами цифроана- Ьговых преобразователей (ЦАП) уг- левых 20 и линейных 21 перемещений. Выходы ЦАП 20 и 21 кинематически соединены с держателем 22, в котором за- зфеплена контролируемая пластина или Лента 8. К выходу процессора микро- $ВМ 19 подключены цифропечатаюшие Устройства 23 и дисплей 24, а через Интерфейс вывода электромеханический Привод 25 волноводного переключа- tenn 13,

Сущность предложенного способа определения диэлектрической проницаемости материалов основывается на следующем.

СВЧ-излучение фиксированной длины олны разделяют на зондирующее и Опорное. Контролируемый образец в &иде плоской пластины или ленты размещают между дальней излучающей и близко расположенной приемной антеннами, излучающими и принимающими СВЧ Поляризованное излучение. Зондирую- едее излучение, прошедшее через плоский образец, совмещают с опорным излучением до образования интерференци соответствующих волн.

Вследствие того, что по условию измерения излучающую антенну размещают относительно далеко от образца, падающая на образец волна поляризованного зондирующего СВЧ-из- лучения является квазиплоской. Центральная зона Френеля, которая дает колебания, определяющие напряжен

ность поля в точке наблюдения, имеет радиус, который может быть охарактеризован зависимостью

л

2

Фи

If, О

Ф ;

(1)

0

5

0

5

5

0

5

где L..... - наименьшее расстояние меж- мин

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 направленности приемной антенны. Так, при

ft-/2 диаметр поля на образце

примерно равен Ъ0 , т.е. возможно зондирование образца пятном с размером, определяемым длиной волны излучения .

Первоначально до введения контролируемого образца (в виде полупроводниковой 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 устанавливается равной

0 Е JE +E|+2E1E2cos) (2)

где Е, и Е - напряженности соответственно зондирующей и опорной волн;

li I. tg()l(3)

2-ТС Л° J If- фазовый сдвиг, вносимый контролируемым участком материала j

d и Ј- 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

( arctg

, Е.

Электрическое напряжение на выходе СВЧ-детектора с учетом выражения (4) можно представить в виде

Ч

U S(1+pE2cus2 Ј +

If

где S - крутизна преобразования детектора;

Л5 -- - относительная мультиО

пликативная погрешность пре- . образования; О +UU - абсолютная (аддитивная) погрешность преобразования.

Мультипликативная погрешность у обусловлена в основном временной и температурной нестабильностью крутиз ны преобразования СВЧ-детектора и усилителя, т.е. изменением угла наклона преобразовательной характеристики напряженность -поля - электричес кое напряжение.

Аддитивная погрешность является следствием остаточного напряжения на выходе СВЧ-детектора при противо- фазности интерферируемых волн из-за присутствия побочных мод СВЧ-колеба- ний и гстаточного неравенства на- пряженностей полей зондирующего и опорного излучений в плоскости интерферирования из-за неизбежных потерь в образце.

Кроме того, погрешности X1 и О зависят от величины разности фаз интерферируемых волн, возникающей из- за нелинейности характеристики измерительного преобразования.

При этом, когда толщида материала превышает длину волны (d), разность фаз интерферируемых волн характеризуется соотношением

Г&+1 ,2ird.J§M V.arctg --- tg()

2T(m+itf ,

(6)

где in - число целых циклов изменения

разности фаз; 66- доля фазового цикла. Напряжение на выходе СВЧ-детектора с учетом соотношения (6) имеет вид

U, « S(H pE cos2 | | arctg 2-JS

61674

Xtg

Б-н г21ГалГГЛ1 л tg( +A|t

2&

JJ

(7)

где

1

10

15

70

О, - погрешности первоначальной разности фаз. Зависимость напряжения U, от диэлектрической проницаемости б нелинейна, но периодична, причем каждый полупериод преобразовательной характеристики соответствует изменению разности фаз интерферируемых волн от 0 до 180 . Вследствие этого напряжение (7) однозначно зависит от проницаемости 6 только в пределах одного полуцикла изменения разности фаз.

После фиксирования напряжения (7) вводят дополнительный фазовый сдвиг Ср. в тракт опорной волны. При этом напряжение на выходе СВЧ-детектора за счет уменьшения разно сти фаз воз- .растает до величины

25

30

40

45

50

и arctg

S±l ,

х t где

U2 S(H) «-..,

Л ,.. (м g()J . + (8)

Уе

- и Й2

погрешности, соответствующие новой разности фаз.

Далее поворачивают контролируемую пластину на угол 6i и этим увеличивают фазовую задержку пластины в 1/cosfcipa3. В результате увеличения разности фаз напряжение на выходе СВЧ-детектора уменьшается до его первоначального значения при определенном угле йЈ0 :

, S(l + y,)E2cos2J2 arctg

0

4Ј

, Л Ч о л rcn - Г)+Ч, 9

при котором погрешности уравниваются :

Ks-У. и Ъ-h (10) В силу соотношений (9), (10) имеет место равенство

arctg

5 arctg

(

27с1л Е 1 Я™

tg (

2JLEJ5)

0CuS04j J

(П)

Vo

Если выбрать длину волны 0 СВЧ- излучения из соотношения

Т

4

(12)

ти необходимо определять численными методами из уравнения (11) или уравнения вида

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.

то можно принять

, ,27d4Ј tg(-fl--) -jjr-arctg

е-н

- tg(

2 fidhi,

td(Ј-H)

ьс . г г---(13)

Выразив в уравнении (11) длину вфлны Ад через частоту СВЧ-колеба- нйй и скорость С распространения ко- л баний в свободном пространстве ( c/f0), с учетом соотношений (12) и (13) получают

f0(6+n ifd foce+n

LCLJ с

с -cusoi.

ч,

о

(14)

Из уравнения (14) диэлектрическая проницаемость

Р с хЧЪчЈiЈstf o

& d f. и 1-cos K0

Из уравнения (15) следует, что по вводимому фазовому сдвигу Ср0 и углу поворота пластины , дополнительно

о сдвигающему фазу зондирующих СВЧколебаний до восстановления первоначального значения напряжения на выходе СВЧ-детектора, однозначно определяется значение диэлектрической проницаемости Ј 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 od0 изменять в минимальных пределах. Так, в соответствии с выражением (15) угол ftf0 тем меньше, чем меньше вводимый угол Lp0 при заданном значении Ј . Поэтому практически СР выбирают в 10-20 раз большим порога чувствительности СВЧ-детектора или среднеквадратичного отклонения фазовых флюктуации, характеризующих разрешающую способность ин- терферометрического способа измерения разности фаз.

При прецизионных измерениях или заранее не известных значениях С и d значение диэлектрической проницаемос

5

0

5

0

5

0

5

0

5

arctg

111 Сй( - g c.costf0

d

(16;

„ 8+1 ,27f,

- arctg. tg(..

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

Способ реализуется в устройстве следующим образом.

СВЧ плоскополяризованная волна от генератора 1 разделяется тройником 3 на зондирующую и опорную. Зондирующая волна излучается антенной 6, проходит контролируемый 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 интерференция. При переведении переключателя 13 в верхнее положение проти- вофазность 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 дополнит ельный фазовый сдвиг опорной волны. Управление АЦП 21 и приводом 25 переключателя 13 осуществляется от микроЭВМ 19 по программе, записанной в его постоянном запоминающем 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 за счет разности геометрических длин отрезков 11 и 12 волновода. Возросшее напряжение на выходе детектора 16 преобразуется в код, который

сравнивается с кодом, соответствую- i щим первоначальному напряжению на : 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, IT, d, q)fl и fg , а также зафиксированный код значения dl.0 , процессором вычисляется по соотношению (15) или (16) значение диэлектрической проницаемости Ј в локальной точке образца, которое отображается .на дисплее 24 и регистрируется с помощью цифропёчатающего устройства 23.

Далее по команде микроЭВМ 19 ЦАП 21 перемещает исследуемый материал 8 относительно поля антенн 6 и 7 на шаг, равный длине волны 0, переключатель 13 переводится в верхнее положение и процесс измерения диэлектрической проницаемости на очередном локальном участке образца повторяется .

Данный способ определения 6 поз- .воляет относительно просто автомати- |зировать процесс локальных измерений, что повышает 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 межДУ дальней излучающей и близко расположенной приемной антеннами, с опорным излучением и преобразуют напряженность интерферируемых излучений в электрическое напряжение, котоРое при отсутствии контролируемого образца между антеннами устанавливают минимальным, отличаю- щ и и 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 фазовый сдвиг, который выбирают в 1020 раз большим порога чувствительнос- ти 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

путем по величине дополнительного

фазового сдвига и углу поворота конт- ролируемого образца.

Г-1г-I -i I

rl L

w

VNte

#

Xi

4

o

I