ЭФФЕКТ  ВЫНУЖДЕННОЙ  СИНХРОНИЗАЦИИ В  БЛИЖНЕПОЛЕВОМ  МИКРОВОЛНОВОМ  СКАНИРУЮЩЕМ  МИКРОСКОПЕ С  АКТИВНЫМ  ЗОНДОМ ГЕНЕРАЦИОННОГО  ТИПА

Гайдай  Юрий  Алексеевич

канд.  физ.-мат.  наук,  доцент  КНУ  имени  Тараса  Шевченко,  г.  Киев

Сидоренко  Владимир  Семенович

канд.  физ.-мат.  наук,  ст.  науч.  сотр.  КНУ  имени  Тараса  Шевченко,  г.  Киев

E-mail:  sidor1944@ya.ru

Синькевич  Олег  Владимирович

инженер  КНУ  имени  Тараса  Шевченко,  г.  Киев

E-mail:  osinkevich@ya.ru

Микроволновая  сканирующая  микроскопия  (МСМ)  —  это  современный  метод  исследования  характеристик  диэлектрических  и  полупроводниковых  материалов  [4].  Он  обеспечивает  высокую  точность,  локальность  измерений  и  нередко  сочетается  с  другими  типами  сканирующей  зондовой  микроскопии. 

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. 

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    получим  ,

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  (ε_r=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  ε_r  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  ε_r,  при  исследовании  которых  чувствительность  МСМ  существенно  снижается.

Список  литературы:

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.