Устройство бесконтактного измерения электромагнитных параметров тонких пленок

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для создания устройств бесконтактного оперативного измерения удельной электрической проводимости, диэлектрической и магнитной проницаемостей тонких пленок и наноматериалов. Проблема актуальна в связи с развитием нанотехнологий, где необходимо оперативно контролировать электромагнитные параметры сред и материалов в процессе их производства, при этом исключая влияние подложки на результаты измерения.

Аналогами заявляемого изобретения являются бесконтактные устройства определения электромагнитных параметров материалов, содержащие кювету для контролируемой среды, помещаемую в индуктивный или емкостный датчики, входы которых соединены с питающим генератором, а выходы - с блоком обработки (Пат. RU 2528130 С1, МПК G01N 22/04, G01R 27/26, опубл. 10.09.2014, Пат. RU 156519, МПК G01R 27/00, В82В 1/00, опубл. 10.11.15).

Об электромагнитных параметрах сред в перечисленных устройствах судят по изменениям емкости или индуктивности чувствительного элемента датчика, вызванных влиянием контролируемой среды.

Известно также устройство для измерения свойства диэлектрического материала (в том числе тонких пленок), содержащее генератор, приемник и излучатель электромагнитного сигнала (передающую и приемную антенны), волновые тройники, фазовращатель, аттенюатор, детектор и блок обработки информации (Пат. RU 2528130 С1, МПК G01N 22/04, G01R 27/26, опубл. 10.09.2014). Сигнал генератора первым волновым тройником делится на две части, одна из которых с помощью антенн проходит через объект контроля, а вторая часть, пройдя через аттенюатор и фазовращатель, попадают на второй волновой тройник, служащий вычитателем (фазовым детектором), с выхода которого сигнал попадает на детектор и блок обработки информации.

Недостатком известных устройств является недостаточный набор функций, позволяющий измерять максимум два из трех заявленных параметров. Это делает затруднительным их применение в устройствах оперативного контроля тонких пленок и наноматериалов, где требуется контролировать все три параметра.

Прототипом заявляемого изобретения является устройство бесконтактного контроля электромагнитных параметров тонких пленок и наноматериалов (патент на полезную модель №156519, опубл. 10.11.2015), содержащее генератор, выход которого подключен к входу излучателя электромагнитного сигнала и блоку обработки, где на пути следования электромагнитного сигнала к объекту контроля введен разветвитель сигнала, второй выход которого электромагнитно соединен с приемником опорного сигнала, выход которого подключен к первому входу измерителя амплитуды и фазы, второй вход которого подключен к выходу приемника отраженного от объекта контроля сигнала, а выход измерителя амплитуды и фазы подключен к входу блока обработки и входу блока управления, выход которого подключен к генератору.

Недостатком прототипа является недостаточная точность измерений при контроле пленок, имеющих малый коэффициент отражения для выбранной длины волны излучения. Это связано с тем, что отраженный сигнал несет в себе информацию не только о контролируемом материале, но и о подложке, так как прошедший через пленку зондирующий сигнал отражается также и от подложки, накладывается на сигнал, отраженный от поверхности пленки, и искажает тем самым информационную картину процедуры измерения.

Поставлена задача: снизить погрешность измерения при исследовании тонких пленок, имеющих малый коэффициент отражения при сохранении возможности комплексных измерений одновременно трех электромагнитных параметров контролируемого материала.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известное устройство, содержащее управляемый генератором излучатель зондирующего сигнала, электромагнитно соединенный с входом разветвителя, первый выход которого электромагнитно соединен с входом опорного приемника, подключенного к входу измерителя параметров сигнала, соединенного с устройствами обработки и управления, причем на втором выходе разветвителя, на пути следования электромагнитного сигнала к объекту контроля, введен дополнительный разветвитель сигнала, первый выход которого направлен на испытуемый образец и посредством отраженного от него сигнала соединен с входом первого приемника, второй выход разветвителя направлен на образец эталонного материла с известными электромагнитными параметрами и посредством отраженного от него сигнала соединен со входом второго приемника, выходы которых подключены ко входу измерителя параметров принятых сигналов.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена структурная схема предложенного устройства.

Устройство состоит из генератора 1, выход которого подключен к входу излучателя электромагнитного сигнала 2, соединенного с разветвителем 3, первый выход которого соединен с входом опорного приемника 4, подключенного ко входу измерителя параметров сигнала 5, а второй выход разветвителя соединен с входом дополнительно введенного разветвителя 6, первый выход которого подключен через объект контроля 7 ко входу первого приемника сигнала 8, подключенного к измерителю параметров сигналов 5, а второй выход дополнительного разветвителя 6 соединен со входом второго приемника 9 через образец эталонного материала с известными электромагнитными параметрами 10 и соединен со входом измерителя параметров сигнала 5, выход которого соединен со входами устройства обработки 11 и устройства управления 12, которое в свою очередь подключено ко входу генератора 1.

Устройство работает следующим образом. Генератор 1 формирует переменное напряжение, которое с помощью излучателя электромагнитного сигнала 2 преобразуется в электромагнитный сигнал. На выходах разветвителя 3 формируются опорный сигнал Ф_o, поступающий на приемник опорного сигнала 4, и зондирующий сигнал Ф₁, который в свою очередь попадает на вход дополнительного разветвителя 6. Получаемый на первом выходе разветвителя поток Ф₂ отражается от объекта контроля 7, и, приобретая информацию о его параметрах, поступает на первый приемник отраженного сигнала 8, с выхода которого передается на измеритель параметров сигнала 5. Под параметрами сигнала понимаются амплитуда A(ω_i) и фаза ϕ(ω_i) сигнала. Поток Ф₃, получаемый на втором выходе дополнительного разветвителя, отражается от образца эталонного материала с известными электромагнитными параметрами 10 и, приобретая информацию о параметрах подложки, поступает на второй приемник 9. Данные об амплитудах и фазах опорного Ф_o и отраженного Ф₂ сигналов, а также сигнала Ф₃, несущего информацию о параметрах подложки, поступают на устройство обработки 11 и являются исходными для вычисления проводимости, диэлектрической и магнитной проницаемостей объекта контроля. Параллельно данные об амплитуде и фазе передаются в блок управления 12, в котором последовательно выбираются две частоты работы генератора ω₁ и ω₂, исходя из критерия максимальной разницы амплитуд и фаз. Это дает возможность составить систему уравнений относительно трех искомых параметров.

Следует отметить, что в зависимости от частоты, на которой работает устройство, конструкция излучателя и приемников электромагнитных сигналов может быть выполнена в виде катушек, антенн или щелевых излучателей.

Также важно отметить, что устройство может функционировать как при отражении электромагнитного сигнала от объекта контроля, так и при прохождении сигнала через него. В последнем случае изменятся формулы для расчета конечных параметров.

Предложенная конструкция устройства позволяет бесконтактно измерять амплитуду и фазу отраженного сигнала, а также проводить измерения на разных частотах, автоматически выбирая их, что дает возможность вычислить сразу три электромагнитных параметра объекта контроля: проводимость σ_х, диэлектрическую ε_х и магнитную μ_х проницаемости, что расширяет функциональные возможности существующих методов.