1.5.1 Влияние легирования на диэлектрические характеристики BSTO пленок

В работе было исследовано влияние на диэлектрические характеристики легирующих примесей. Используемые в работе порошковые мишени позволяют оперативно менять их состав и тем самым вводить в пленку легирующую примесь.

Проводились сравнения ВЧ и СВЧ диэлектрические параметров пленок легированных Mg и Mn со свойствами нелегированных образцов.

Примеси соответствующих оксидов добавлялись в BSTO порошок. Содержание примеси варьировалось для Mn от 0.1 до 2.0 весовых %; и для Mg от 0.1 до 8.0 весовых %. Фазовый состав контролировался методом рентгеновского дифракционного анализа (РДА). Метод аналитической диагностики рассеяния ионов средних энергий (РИСЭ) использовался для характеристики структуры и состава BSTO пленок. Аналитические данные сравнивались с результатами электрических измерений.

Результаты структурного анализа BSTO пленок, содержащих MgO и BSTO:Mg пленок приведена на рис. 1.8. РДА показал, что пленки BSTO, выращенные на подложках поликора с ориентацией [001] имеют хорошо ориентированную структуру и низкое содержание конкурирующих фаз. В пленках BSTO:Mg была обнаружена фаза MgTiO4 , а в образцах BSTO:Mn была найдена перовскитная фаза Ba0,5Sr0,5 (Mn0,33,Ti0,67)O32,84 . В высоко-ориентированных и эпитаксиальных пленках BSTO, выращенных на подложках LAO или MgO, было невозможно идентифицировать содержание Mg, и была найдена только однородная перовскитная фаза.

В таблице 2 приведены результаты исследования структуры, фазового состава как для легированных, так и для чистых образцов, имеющих значение x = 0.5 - 0.6. При концентрации Mg 2.7 ат.% в BSTO пленках с толщиной более 1 мкм была обнаружена отдельная фаза MgTi2O4 (рис. 1.8.a). При небольшом количестве примеси Mg или толщине пленки меньше, чем 1 мкм невозможно обнаруживать фазы, содержащие Mg.



Рис.1.8. Спектры рентгеновского дифракционного анализа для легированных BSTO пленок, выращенных на подложке поликора (a) - Ba0,6Sr0,4TO3 пленки, легированные 2,7 ат.% Mg. Толщина пленки 3 мкм. Образец №243_1 см. Приложение 2. Зафиксировано небольшое количество Mg2TiO4 фазы; (b) - Фазовый состав BSTO пленки, легированной Mn 2 ат.%. Толщина 0,7 мкм Образец №241

Таблица 1.2.

Образец	235	237	239	240	244
Содержание Mg (весовые %)	0	0,4	1,0	2,7	7,0
Толщина пленки, h, мкм	1.0	0.9	1.0	3.0	0.9
Отношение Ba/Sr, х	0.6	0.55	0.55	0.5	0.55
Постоянная решетки, a0 , A	3.968	3.956	3.958	3.946	-
Температура ??max, Tm, K	250	-	210	270-275	270
(300K, 0 В)	1200	949	900	607	566
tan(300K, 0 В)	0.011	0.009	0.007	0.005	0,00
Управляемость K (300K, 10 В/мкм)	1.86	1.66	1.65	1.41	1.58
Присутствие других фаз		MgO		Mg2TiO4

Исследование температурных зависимостей диэлектрических характеристик пленок BSTO, легированных Mg, проводилось с применением варакторов. Зависимость температуры Tm, от концентрации Mg имела немонотонный характер. Параметр Tm образца № 235 понижался от значения 250К до 210К соответствующего варактору № 1 на основе нелегированной пленки BSTO. Однако, увеличение концентрации Mg до 1 ат.% в BSTO пленке приводило к повышению Tm до 270К 275К. Дальнейшее увеличение концентрации примеси Mg существенно не изменяло значение Tm.

В таблице 3 представлены экспериментальные результаты, полученные на BSTO пленках, легированных марганцем. Параметр решетки образца, легированного Mn немного увеличивается по сравнению с нелегированной BSTO пленкой.

Таблица 1.3.

BSTO образец	252	255	258
Содержание Mn (весовые %)	0	1	2
Толщина пленки, h,мкм	0.5	0.65	0.65
Отношение Ba/Sr, х	0.5	0.5	0.5
Постоянная решетки a, Е	3.947	-	3.951
Температура максимума, Tm , K	260	250	230
(300K, 0 В)	1500	2000	900
tan (300K, 0 В)	0.010	0.012	0.003
Управляемость K (300K, 10 В/мкм)	1.74	1.67	1.3
Присутствие других фаз			(Ba,Sr)(Mn,Ti)O3-z

В пленках, приготовленных из BSTO мишеней, содержащих Mn примерно 2 весовых % была зафиксирована смешанная фаза (Ba0,6Sr0,4) (Mn0,33Ti0,67) O3-z. методом рентгеновского дифракционного анализа (рис. 1.8. b). Параметр Tm пленок, легированных Mn снизился на 30 - 40К по сравнению с нелегированными образцами того же состава, что показано на рис. 1.8. Наименьшее значение диэлектрических потерь (tg? 0.003) наблюдалось при концентрации MnO2 ~ 1.75 весовых %. Изменение ? и tg? BSTO пленок в зависимости от концентрации Mn имело немонотонный характер схожий с BSTO пленками, легированными Mg, однако, в случае BSTO:Mn пленок управляемость уменьшалась сильнее (Таблица 1.2, Таблица 1.3).

На рис. 1.9 приведены вольт-амперные характеристики нелегированной BSTO пленки (образец 252), пленки № 258, содержащей 2 вес. % примеси Mn и BSTO пленки № 2, содержащая 0.4 весовых % Mg.

Рис. 1.9. Вольтамперные характеристики BSTO варакторов. Номера зависимостей соответствуют пленкам, приведенным в Таблице 2 и Таблице 3.

Нелегированный образец характеризовался большими токами утечки и нелинейным поведением зависимости I(U). Пленки BSTO, легированные Mg (пленка 2) обладали практически линейной характеристикой I(U) и малыми токами утечки. Оценка сопротивления этих образцов дала значение 51015. Каждому уровню легирования соответствовала определенная степень структурной упорядоченности СЭП, что обусловлено эффектом компенсации избыточного заряда. Указанный эффект в планарных конденсаторах является также причиной немонотонной зависимости tg (U), приведенной на рис. 1.10.

Зависимость tg(U) для BSTO пленок на сапфире приведена на рис.1.10.а. Кривая имеет два участка с различным характером зависимости. На начальном участке, при малых значениях напряжения, наблюдается понижение tg, но затем наблюдается участок роста tg. Пленки BSTOLAO показывали другую зависимость tg(U), при которой d(tg)/dU > 0 для всего диапазона напряжений, что можно объяснить более высокой структурной упорядоченностью образцов BSTO/LAO. Для образцов BSTO/alumina, выращенных в том же технологическом процессе, зависимость tan (U) имела только участок, где d(tg)/d < 0. Рис. 1.6.б) представляет вольт-амперные характеристики для варакторов, сформированных на BSTO пленках различного типа структуры. Можно видеть, что текстурированная пленка BSTO/поликор характеризовалась довольно низкими токами утечки (~ 10-14 А).

Ион Mg+ 2 имеет радиус близкий к ионному радиусу иона Ti+ 4. Увеличение содержания Mg+ 2 вызывает уменьшение постоянной кристаллической решетки BSTO пленки, что приводит к появлению деформации сжатия в пленке. Этот эффект влияет на температуру максимума Tm легированных образцов. Для BSTO пленок, содержащих около 3 вес. % примеси Mg, наблюдается смещение Tm в область более высоких температур по сравнению с нелегированными BSTO пленками того же самого катионного состава. Радиус Mn+ 2 почти на 40 % больше чем радиусу иона Ti+ 4. Следовательно, увеличение постоянной кристаллической решетки приводит к появлению деформаций растяжения BSTO пленки, что вызывает смещение Tm в область низких температур, по сравнению с нелегированными образцами. Ион Mn+ 2, встраивается в кристаллическую решетку BSTO и формирует новую перовскитную фазу (Ba0,6 Sr0,4) (Mn2+, Ti4+) O3-x, обнаруженную на дифрактораммах, у которой постоянная кристаллической решетки a0 больше, чем для нелегированной фазы BSTO с x = 0,6. Присутствие различных фаз в пленках приводит к появлению растягивающих деформации, что подтверждается зависимостью C(T).

Ионы Mg+ 2 и Mn+ 2 действуют как заряженные акцепторы в BSTO пленке, которые компенсируют положительный заряд кислородных вакансий в кристаллической решетке.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.10. Зависимости диэлектрических характеристик варактора на основе пленки BSTO образцы №259_1, _2, _3

(а) тангенс угла диэлектрических потерь при различных .напряжениях; (б) вольтамперная характеристика

Присутствие вакансий кислорода влияет на проводимость пленочных структур. Генерация и ионизация вакансий кислорода в подрешетке кислорода происходит согласно следующему уравнению:

.

Окись магния связывает свободные электроны, образованные вакансиями кислорода, и препятствует образованию дополнительных вакансий:

.

Присутствие кислородных вакансий оказывает существенное воздействие на проводимость СЭП. В нелегированных BSTO пленках нелинейный характер I(U) обусловлен как наличием локальных барьеров Шоттки на интерфейсе пленка BSTOэлектрод, так и прыжковым механизмом носителей заряда в зоне проводимости. Отсутствие нелинейных участков на I(U) характеристикaх легированных BSTO пленок подтверждает присутствие механизма компенсации донорских центров вакансий кислорода благодаря введению ионов акцептора Mg+ 2 или Mn+ 2.

Практически важным результатом является то, что лучшие параметры BSTO пленок были получены для образцов с легированием Mg+ 2 (3 мол. %) и Mn+ 2 (2 мол. %). Использованные легирующие элементы оказывают схожее влияние на процесс дефектообразования в BSTO пленках и на их диэлектрические характеристики. Следует отметить, что легирование примесью Mg предпочтительно в том случае, когда необходимо уменьшение tg, но при этом коэффициент управляемости снижается незначительно. Легирование примесями Mn обеспечивает большее понижение tg , при сравнимом количестве легирующей примеси в пленках BSTO, но и управляемость К испытывает более значительное уменьшение.

1.5.2 Диагностика BSTO пленок методом рассеяния ионов средних энергий (MEIS)

Диагностика рассеяния ионов средних энергии (РИСЭ) использовалась для исследования состава и структуры BSTO пленок[6]. Метод РИСЭ является модификацией метода Резерфордовского обратного рассеяния (РОР), в котором энергия первичных ионных пучков, воздействующих на мишень, находится в диапазоне (1-5 MэВ). Пониженная по сравнению с РОР энергия ионного пучка в методе РИСЭ позволяет увеличивать разрешение по глубине и уменьшить радиационную нагрузку на образцы. Начальная энергия H+, He+ и N+ ионных пучков в применяемой диагностике составляла 190 и 234 кэВ. Схема диагностической установки РИСЭ, которая была изготовлена в ФТИ им. Иоффе до начала выполнения проекта приведена на рис.1.11. Угол рассеяния полупроводникового детектора ППД-1 и электростатического анализатора ЭСА составлял 120o.

Определение толщины и состава пленочных образцов проводилось на основе сравнения РИСЭ моделируемых спектров с экспериментальными энергетическими спектрами рассеянных ионов. Толщина пленки определялась величиной Q = nh [атом (молекула) /см2], где n - атомная или молекулярная концентрация, и h - физическая глубина (толщина пленки). Режим каналирования ионов в ориентированных образцах использовался для структурного анализа высокоориентированных пленок. Кристаллическое качество характеризовалось параметром минимального (толщина пленки). Режим каналирования ионов в ориентированных образцах использовался для анализа структуры ориентированных пленок. Параметр минимального относительного выхода ионов характеризовал кристаллическое качество. Определение S проводилось как отношение интенсивности потока рассеянных ионов в режиме каналирования к аналогичной интенсивности потока ионов в режиме случайной ориентации направления первичного потока ионов и оси одного из малоиндескных кристаллографических направлений в ориентированном образце мишени, S = Ya/Yr .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.11. Блок-схема экспериментальной установки диагностики РИСЭ.

Одним из преимуществ РИСЭ является возможность использования высокоразрешающих, чувствительных электростатических анализаторов (ЭСА). Благодаря применению ЭСА диагностика РИСЭ способна обнаруживать положение и толщину переходных слоев, определить размер границ раздела; оценивать структурное качество отдельных слоев в многослойных структурах, устанавливать положение атомов примеси в решетке. Дополнительную возможность в определении состава и особенностей структуры соединений на основе РИСЭ предоставляет анализ рентгеновского излучения, возбуждаемого ионами (РИВИ или PIXE). Точность определения состава, чувствительность и надежность диагностики определяется возможностями рентгеновских детекторов рассеянного излучения мишени.

Результаты сравнительного исследования начальных стадий роста BSTO пленок на различных подложках, полученные с использованием РИСЭ диагностики приведены в таблице 4, где указаны толщина пленок, относительный выход различных ионов (H+; Не+; N+) и процент покрытия поверхности. Для тонких пленок нанометровой толщины вкладом ионной дезориентации Га можно пренебречь. Значение S пропорционально концентрации дефектов пленки. Для текстурированных пленок величина Га уменьшается с увеличением массы иона. Лучшее структурное качество сверхтонких пленок BSTO было получено на подложках STO(100).

Таблица 1.4.

No	Подложка	Толщина пленки, нм	Покрытие подложки, %	?S (H+)	?S (He+)	?S (N+)
289	SrTiO3	40	100	0.12	-	0.13
294	LaAlO3	12	100	0.55	0.35	0.22
295	LaAlO3	27	100	0.65	0.42	0.20
297	MgO	15	70	-	0.85	0.75
298	MgO	29	100	0.25	-	0.15
299	MgO	200	100	0,03	0,03	-
302	?-Al2O3	11	100	-	0.95	0.9
303	?-Al2O3	27	100	-	0.9	0.7

Относительный выход составлял S » 0,12 для пленки BSTO/STO толщиной 40 nm как при воздействии ионов H+, так и ионов He+, что указывает на эпитаксиальный характер формирования пленки и отсутствие текстурирования. Гладкая поверхность и малый рельеф (приблизительно 0,85 nm) указывают на послойный механизм BSTO роста пленки на подложке STO . Спектры РИСЭ пленки 289 представлены на рисунке 1.12.

Рис. 1.12. Спектры РИСЭ пленки BSTO, выращенной на подложке титаната стронция (пленка 289, параметры которой приведены в таблице 4.

1.5.3 Определение содержания кислорода в BSTO пленках с помощью метода рентгеновского излучения, возбуждаемого ионами (РИВИ)

Для определения содержания кислорода применялись два различных подхода, основанных на использовании различных детекторов:

(A) полупроводниковый детектор, изготовленный из кремниевой пластины предельно высокой чистоты;

(B) детектор на основе многослойного W/Si цилиндрического зеркала.

В процессе диагностики РИВИ посредством полупроводникового детектора типа (A) обычно применяется внешнее расположение детектора, за пределами аналитической камеры, что предполагает использование бериллиевого окна толщиной более 30 мкм, сильно поглощающего рентгеновские кванты с энергией ниже 1 кэВ.

Основная особенность методики, разработанной в рамках данного проекта, состояла в том, что криогенно охлаждаемый кремниевый детектор располагался вместе с образцом для исследования в той же самой вакуумной камере.

Пленка бериллия толщиной 2 мкм защищала Si детектор от обратно рассеянных протонов и одновременно пропускала 23.5 % излучения K линии кислорода (525 эВ). Эффективность регистрации кислорода кремниевым датчиком оценивалась на уровне 15 % с учетом поглощения квантов в золотом электроде, расположенном на поверхности Si детектора. Эффективность данной схемы регистрации была подтверждена хорошим соответствием (в пределах 5 %) экспериментальных результатов и моделируемых РИВИ спектров, полученных на SrTiO3 монокристаллах.

При проведении анализа РИВИ учитывалось, что используемые подложки, MgO, LAO, STO, сапфир являются хорошими изоляторами. Применение минимального тока ионных пучков (~ 1 nA) и защитных диафрагм, предотвращающих заряд поверхности мишени, не приводило к полному устранению заряда, аккумулируемого образцом, и поверхностный заряд создавал на поверхности образцов потенциал до 5-10 кВ. Вследствие заряда поверхности появлялся значительный фон тормозного излучения, вызванного электронной радиацией. Для исключения влияния тормозного излучения был разработан метод регистрации РИВИ спектров, возбужденных пучком нейтральных атомов H0. Пучок H0 был получен в результате перезарядки ионов H+ в газе N2.

Для создания атома H0 использовалась реакция H+ + N2 H0, которая происходила в специальной камере нейтрализации. Энергия нейтрального пучка атомов H0 отличалась от энергии начального ионного пучка H+ (230 кэВ) не более чем на 15 эВ.

Контроль стехиометрии по кислороду проводился по катионному соотношению компонентов (Ti, Sr, Ba), полученных из РИСЭ спектров. При известном x в формуле BaxSr1-xTiOy значение y могло быть определено из отношения амплитуд пиков O (K) и Sr (L). Результаты расчетов приведены на

Рис. 1.13. Расчетные данные для определения содержания кислорода в пленках BaxSr1-xTiOy

Второй метод регистрации K линии кислорода был основан на использовании цилиндрического многослойного рентгеновского зеркала (РЗ) W/Si, обладавшего периодом 4,19 нм. Конструкция спектрометра была выполнена по схеме Иоганна, радиус перемещения РЗ составлял 175 мм (половина радиуса кривизны поверхности зеркала). Для регистрации квантов применялась система электронный эмиттер - вторичный электронный умножитель. Электроны ускорялись, проходя разность потенциалов между электронным эмиттером и входом электронного умножителя. Для увеличения коэффициента фотоэлектронной эмиссии поверхность эмиттера была покрыта слоем CuJ. Вход регистрирующего устройства был защищен органической пленкой толщиной 1 мм, поверх которой наносилась пленка Al толщиной 0.1 мм. Этот фильтр использовался с целью поглощения квантов с энергией менее 100 эВ. Эффективность регистрации K линии кислорода регистрирующим устройством, полученная в испытаниях на экспериментальной установке РИСЭ, была оценена в 10 %.

Измерение разрешения детектора по энергии было проведено для квантов, падающих на зеркало в диапазоне углов от 120 до 200, что соответствовало энергии от 750 эВ до 450 эВ, соответственно. Ширина максимума была равна 2.050, что более чем в 3 раза превосходило требуемое значение 0.70. Эксперименты с рентгеновским зеркалом показали, что причиной недостаточного разрешения является слишком широкая апертура зеркала (выбранная для достижения максимальной светосилы) и, возможно, отклонение формы поверхности зеркала от цилиндрической с радиусом 350 мм.

Эксперименты показали пригодность разработанной диагностической установки на основе многослойного детектора рентгеновского излучения для проведения комплексного анализа состава и структурных особенностей оксидных пленок. Разработанная методика моделирования спектров энергии рассеянных ионов и характеристического рентгеновского излучения вполне адекватно описывала экспериментальные результаты. Для улучшения разрешающей способности рентгеновской диагностики, применяющей цилиндрическое РЗ, необходимо провести усовершенствование его конструкции. Таким образом, сравнение двух методов регистрации рентгеновской K линии кислорода в пленках BSTO показало, что в настоящий момент диагностика, применяющая охлаждаемый кремниевый детектор, является более эффективной.

1.5.4 Определение степени легирования пленок BSTO

Содержание легирующих компонентов в пленках BSTO определялось по спектрам РИВИ. Было исследовано влияние уровня легирования Mg на свойства BSTO пленок. Чувствительность методики РИВИ к определению Mg+2 в BSTO пленках иллюстрируется спектрами на рис.1.14, соответствующие трем образцам 235, 237, 240 с различным содержанием примеси 0%, 0.4% и 2.7%.

Из приведенных на рис. 1.14. зависимостей следует, что содержание Mg до 0.4 мол.% надежно регистрируется BSTO пленках посредством РИВИ метода. Рис. 1.15 показывает РИВИ спектры Ba0.5Sr1_0.5TiO3 пленки, измеренные в режиме каналирования и случайной ориентации ионного пучка, при облучении ионами H+ с энергией E0 = 230 кэВ. Пленка BSTO, легированная Mg, была выращена на подложке SrTiO3. Толщина пленки составляла около 7.3 нм, а параметр S = 0.07, что соответствовало высокому структурному качеству BSTO пленки. С учетом зависимости выхода K излучения Mg от глубины, было определено содержание Mg в пленке, составившее 12 %.

Сравнение РИВИ спектров при различной ориентации ионного пучка в области линии Mg (1250 эВ) на рис. 1.15 показало, что отношение интенсивности сигналов близко к 1.0. Это означает, что атомы примеси Mg с данной концентрацией полностью не встраиваются в решетку BSTO.

Диагностика РИВИ применялась также для анализа BSTO пленок, легированных марганцем, однако в данном случае возникали трудности с тем, чтобы отделить сигнал линии марганца (LMn ) от сигнала K линии кислорода, поэтому достоверных результатов для таких пленок получить не удавалось.

Рис. 1.14. Спектры РИВИ пленок BSTO, легированных примесью Mg различной концентрации



Рис. 1.15. PIXE - спектры пленки Ba0,5Sr0,5TiO3 289, выращенной на подложке SrTiO3 (100). . Облучениие проводилось атомами H с энергией 230 кэВ.

Результаты

Практически важным результатом является то, что лучшие параметры BSTO пленок были получены для образцов с легированием Mg+ 2 (3 мол. %) и Mn+ 2 (2 мол. %). Использованные легирующие элементы оказывают схожее влияние на процесс дефектообразования в BSTO пленках и на их диэлектрические характеристики. Следует отметить, что легирование примесью Mg предпочтительно в том случае, когда необходимо уменьшение tg, но при этом коэффициент управляемости снижается незначительно. Легирование примесями Mn обеспечивает большее понижение tg , при сравнимом количестве легирующей примеси в пленках BSTO, но и управляемость К испытывает более значительное уменьшение. Однако для легированных образцов было обнаружено значительное снижение воспроизводимости технологического процесса. Это может быть объяснено появлением дополнительного фактора технологического процесса, требующего прецизионной регулировки.

В процессе изготовления пленок (состав порошковой мишени BaxSr1-xTiO3 x = 0.03 0.65) были использованы следующие технологические режимы: давление кислорода во время процесса распыления 5-80 Па; расстояние между пленкой и подложкой 15-50 мм; мощность ВЧ разряда 6 -10 Вт / см2; температура подложки 650 - 850 0С; скорость роста пленки составляла 1,5 - 2 нм / мин.

Обнаружено, что если температура подложки составляла менее 7000C, давление кислорода не более 20 Па и обеспечивалась достаточно высокая скорость осаждения, то происходило формирование BSTO пленки с ориентацией [100]. Пленки альтернативной ориентации [110] формируются при высоком давлении кислорода (выше, чем 20 Па), температуре подложки более 8000C и скорости осаждения ниже 1.5 нм/мин.

В работе было исследовано влияние перегрева подложек высокоэнергетичными частицами плазмы. Максимально данный эффект проявлялся при давлениях рабочего газа 15Па. Разогрев составлял 100 градусов сверх температуры подложкодержателя. В дальнейшем это учитывалось при проведении технологических процессов.

Исследование начальных стадий роста пленок BSTO показало, что эпитаксиальный рост может быть реализован только на подложках LAO и MgO. При температуре подложки больше, чем 700 0С и достаточно высоком давлении кислорода (более 20 Па) были получены высоко-ориентированные пленки на подложках обоих типов.

2. Отработка методик измерения диэлектрической проницаемости, управляемости, тангенса угла диэлектрических потерь сегнетоэлектрической пленки, напыленной на диэлектрическую подложку

Поставленная в работе задача является комплексной. Поэтому, вопросы отработки технологии получения сегнетоэлектрических пленок с требуемыми физическими параметрами должны быть тесно связаны с методиками расчета слоистых структур и способов их измерения. В конечном итоге правильность постановки эксперимента и адекватные математические модели описывающие реальные физические структуры, позволят с высокой точностью дать ответ о диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки и ее добротности по полученным результатам измерений, и соответствующим образом внести корректировки в технологический процесс получения пленок.

2.1 Отработка методик измерения диэлектрической проницаемости, управляемости, тангенса угла диэлектрических потерь сегнетоэлектрической пленки

Определить диэлектрическую проницаемость сегнетоэлектрической пленки можно различными инструментальными способами.

Одним из них является метод, позволяющий по измерению значения погонной емкости плоскопараллельного конденсатора, образованного системой металлических электродов напыленных на структуру “диэлектрическая подложка - сегнетоэлектрическая пленка” используя метод конформных отображений определить с достаточно высокой точностью значение диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки.

Так же определить параметры сегнетоэлектрической пленки, возможно используя результаты измерения значений резонансной частоты и добротности в полуволновом объемном резонаторе или в щелевом полуволновом резонаторе. Данный метод определения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки в отличие от метода измерения емкости, позволяет определять их свойства в широком частотном диапазоне, вплоть до 100 ГГц.

2.1.1 Расчет погонной емкости в плоскопараллельном конденсаторе, образованном на поверхности диэлектрической структуры

При использовании сегнетоэлектрических пленок в устройствах СВЧ плоскопараллельные системы проводников в виде тонких металлических пленок, наносятся на поверхность сегнетоэлектрического слоя. Металлические электроды образуют вместе с диэлектрической структурой "диэлектрическая подложка - сегнетоэлектрическая пленка" плоскую замедляющую структуру, фазовая скорость волны в которой изменяется за счет изменения диэлектрической проницаемости пленки. Анализ электродинамических характеристик таких структур выполняется независимо от расчета емкости, которую образуют проводники. Расчет электрической емкости проводников структуры позволяет, с одной стороны, оценить требуемые энергетические затраты источника, создающее управляющее напряжение, а, с другой стороны, оценить значение диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки по результатам измерения емкости проводников на низких частотах. Топологические особенности рассматриваемых замедленных структур заключаются в двух обстоятельствах: толщина сегнетоэлектрических пленок не превышает 1 мкм, а ширина проводников и расстояние между ними, по крайней мере, на порядок больше толщины пленки. Поэтому эффект проникновения низкочастотного поля в подложку должен быть оценен количественно. Таким образом, на практике расчет электрической емкости проводников замедленной структуры должен быть выполнен в условиях неоднородной диэлектрической среды, что представляется достаточно сложной задачей. Однако, аномально большая диэлектрическая проницаемость (>103) сегнетоэлектрической пленки по сравнению с подложки () позволяет прогнозировать относительно слабое влияние подложки на значение емкости и, с другой стороны, предложить относительно простые приемы количественной оценки этого эффекта.

Расчет емкостей плоскопараллельных проводников удобно выполнить методом конформных отображений.

Формула для расчета емкости конденсатора без учета эффекта проникновения поля в подложку

, .

Сравнение этих формул дает количественную оценку ошибки в интерпретации значения диэлектрической проницаемости пленки:

,

где е - значение диэлектрической проницаемости пленки, без учета проникновения поля в подложку.

Таким образом при ошибка будет находиться в пределах (45...50) %.

2.2 Определение параметров сегнетоэлектрических пленок по измерениям в объемном резонаторе

Структура “диэлектрическая подложка - сегнетоэлектрическая пленка” может быть использована в качестве диэлектрического заполнения объемного резонатора. Резонансная частота резонатора зависит от диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки и эта зависимость, может быть математически точно найдена для конкретного типа резонатора. Собственная добротность объемного резонатора с сегнетоэлектрической пленкой определяется в основном tg пленки. Поэтому по экспериментальным значениям резонансной частоты f0 и собственной добротности Q0 резонатора можно рассчитать и tg сегнетоэлектрической пленки. Эти же параметры можно определить, используя измерения и расчет в полуволновом щелевом, многощелевом резонаторе, образованном структурой “сегнетоэлектрическая пленка - диэлектрическая подложка” с нанесенными на ее поверхность металлическими электродами.

Известно, что добротность объёмного резонатора, рассчитывается из соотношения:

. (2.1)

Реальный резонатор находится в режиме вынужденных колебаний, и он связан с возбуждающей линией и нагрузкой, но обычно его рассматривают как систему изолированную, обладающую максимальной энергией в момент резонанса. В этом случае максимальная запасённая энергия на частоте резонанса равна энергии электрического или магнитного поля:

. (2.2)

Однако, соотношение для реального резонатора приблизительно, так как фазовый сдвиг между векторами и отличается от , в связи с влиянием элементов связи, обеспечивающих реальный вынужденный режим резонатора. Поэтому соотношение для на самом деле относится к случаю идеального резонатора, в котором колебания происходят на собственных частотах.

Средняя мощность потерь складывается из двух видов: собственных потерь, вызванных потерями в металле резонатора и диэлектрических потерь , а также потерь на излучение через элементы связи. Таким образом, средняя мощность потерь в резонаторе равна:

. (2.3)

Следовательно, из (2.1-2.4) следует, что добротность резонатора может быть представлена в виде:

. (2.4)

где , , .

При этом можно ввести понятие собственной добротности резонатора:

. (2.5)

Очевидно, что потери всех видов находятся во взаимосвязи через возмущения полей резонатора, вызванные соответствующими источниками потерь. Обычно потери малы и поэтому вычисляют исходя из распределения поля в отсутствие потерь, а и находят независимо друг от друга. Таким образом, расчёт добротности можно выполнить при известном решении задачи о собственных колебаниях объёмного резонатора.

Рассмотрим сначала собственную добротность резонатора только за счёт потерь в металле. Модель резонатора для расчёта представим в следующем виде: полуволновой резонатор с произвольной формой поперечного сечения находится в режиме собственных колебаний. Иначе говоря, резонатор образован двумя идеальными короткозамыкающими плоскостями, образующими короткозамкнутый с обеих сторон полуволновой отрезок линии передачи. В таком резонаторе существует колебательный процесс, который можно трактовать как периодическое отражение потока мощности от идеальных закорачивающих плоскостей.

Обозначим через - мощность распространяющуюся по длине резонатора. Последовательные отражения от идеальных отражающих плоскостей приводят к колебательному режиму, который затухает во времени за счёт конечной собственной добротности резонатора. Время «пробега» по длине резонатора определяется очевидным соотношением

,

где - полуволновая длина резонатора, - групповая скорость распространения энергии в резонаторе. Поэтому запасённую энергию можно определить как . Коэффициент «два» определяет, что в резонаторе существует два равноправных потока энергии распространяющихся навстречу друг другу от одной отражающей стенки к другой. Используя соотношение для

,

запишем запасённую энергию на резонансной частоте в виде:

. (2.6)

Потери в металле резонатора определяются коэффициентом затухания в линии по соответствующему типу волны. Таким образом, мощность потерь, возникающая в резонаторе за один период колебания равна:

. (2.7)

Подставив в соотношение (2.1) соотношения (2.6) и (2.7), найдем собственную добротность (2.8), вызванную конечной проводимостью в стенках металлического объемного резонатора:

. (2.8)

Очевидно, что в этом соотношении следует сделать замену и тогда:

. (2.9)

Аналогичное соотношение можно получить исходя из иного подхода к расчёту собственной проводимости резонатора.

Рассмотрим резонансный отрезок линии передачи, закороченный с обеих сторон (рис. 2.1).



Рис. 2.1.

Мнимую часть постоянной распространения будем считать обусловленной потерями в металле. Входное сопротивление линии в плоскости короткого замыкания АА: , где - волновое сопротивление линии. В этом соотношении , следовательно, можно записать, заменив на в виде:

(2.10)

Вблизи резонанса возможно упрощение, так как и , значит и в знаменателе следует пренебречь квадратом малой величины, что преобразует (2.10) к виду:

. (2.11)

Введём малую частотную расстройку и это приведет к увеличению резонансной длины резонатора на , то есть на частоте длина .

Тогда . А так как , следовательно, . С другой стороны . Поэтому окончательно в соотношении (2.11) можно представить в виде:

. (2.12)

Последовательный колебательный контур при расстройке имеет входное сопротивление . Значит, входное сопротивление резонатора в плоскости АА (2.12) и входное сопротивление последовательного колебательного контура имеют одинаковый вид. Следовательно, объёмный резонатор, образованный полуволновым отрезком линии передачи, закороченной с обеих сторон, можно представить в виде последовательного колебательного контура с эквивалентными параметрами: сопротивлением потерь и эквивалентной индуктивностью . Тогда собственная добротность резонатора, определённая из его эквивалентных параметров, будет равна:

. (2.13)

Очевидно, при соотношение (2.13) переходит в формулу (2.9).

Рассмотрим составляющую собственной добротности резонатора, вызванную диэлектрическими потерями. В этом случае, если диэлектрик включен частично в объём резонатора, то есть диэлектрическое заполнение резонатора неоднородно, то в соответствие с общим определением собственной добротности можно представить в виде:

,

где в числителе формулы является функцией координат, - объём, занимаемый диэлектриком с потерями, определяемыми значением .

С другой стороны, потери, возникающие в объёме резонатора, приводят к комплексной резонансной частоте . Постоянная затухания контура , где - период собственных резонансных колебаний, а собственная добротность равна . Полагая , получим, что . Оценивая собственную добротность только за счёт диэлектрика, частично включённого в резонатор, можно записать . Таким образом, , получаем (2.14):

. (2.14)

К аналогичному результату можно придти, подставив соотношение определяющее потери в линии за счёт , в формулу для собственной добротности (2.9):

. (2.15)

Можно записать (2.15), имея в виду правило дифференцирования сложной функции , что приведет в свою очередь к виду (2.14).

Используя переход к эквивалентным и параметрам, объёмного резонатора можно, на основании формулы (2.12) получить, что эквивалентное емкостное сопротивление объёмного резонатора представлено в виде эквивалентного последовательного колебательного контура и равно . Сопротивление потерь по-прежнему определяется формулой . Подставляя сюда получим . Из эквивалентных параметров собственная добротность контура, определяемая только потерями в диэлектрике конденсатора, как известно равна . Подставляя в эту формулу требуемые величины, учтя, что , сразу получим соотношение (2.15).

Рис. 2.2. Поперечное сечение волновода с диэлектрическим заполнением

Добротность резонатора, вызванная затуханием в его стенках за счет конечной проводимости равна:

, (2.16)

где V - объем резонатора, S - поверхность стенок резонатора, - поверхностное сопротивление; - глубина скин-слоя в металле стенок резонатора.

Для LE10 найдем распределение Еy, Hх, Нz на поперечном сечении решив уравнение (2.17)

, (2.17)

с учетом граничных условий на металле и диэлектрических границах. В области 0 х d1 ; на поперечном сечении пленки d1хd12 ; в свободной от диэлектрика области поперечного сечения d12 х а . Из уравнений Максвелла найдем составляющие магнитного поля:

; ,

, (2.18)

,

.

Непрерывность Еy и Hz на диэлектрических границах дает возможность выразить произвольные постоянные C, D и F положив А=1, найдем, что

,

, (2.19)

.

Поле резонатора отличается от поля волновода зависимостью от координаты z. В соответствующих областях поле резонатора определяется следующими соотношениями:

, (2.20)

где i = 1, 2, 3; - функции, определяющие зависимость от координаты х в соответствующих областях поперечного сечения;

, , (2.21)

где и - функции от х в соответствующих областях.

Используя соотношение (2.18-2.21) подставим их в (2.16) и после интегрирования и преобразований, найдем:

(2.22)

где

, J2,

; ,

J5 ;

С, D, и F -определены соотношением (2.19),

l - длина резонатора (для полуволнового резонатора ),

- постоянная распространения для волны LE10, определяемая решением дисперсионного уравнения, которое для структуры представленной на рис. 2.2., выводится посредством метода поперечного резонанса, в результате получаем:

,

где , , ,

k2=200, d12 = d1 +d. В случае волны LE10 - n=0, для остальных LEn0 - n?0.

Аналогичное дисперсионное уравнение можно получить для LM волн, распространяющихся в структуре с расположением диэлектрической подложки с сегнетоэлектрической пленкой вдоль широкой стенки волноводного резонатора (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Поперечное сечение полуволнового волноводного резонатора с подложкой вдоль широкой стенки.

Используя метод поперечного резонанса, получаем:

, (2.23)

где , ,

, , d'=d1+d2.

В случае волны LМ11 - n=0, для остальных LМ1n+1 - n?0.

Решение дисперсионного уравнения (2.22), позволяет определить зависимость постоянной распространения от величины диэлектрического заполнения резонатора. Полученная зависимость показывает рис. 2.4., что в диапазоне значений , поле наиболее возмущено при d1=0.95(мм). Это означает, сегнетоэлектрическая пленка максимально включена, и определение ее диэлектрической проницаемости будет наиболее точным.

На рис. 2.5. построена зависимость резонансной частоты полуволнового резонатора (l = 3,6 мм) в зависимости от 2 d2. Там же приведена кривая соответствующая пологому участку зависимости (d1) рис. 2.4. Крутизна зависимости f0(2) остается приблизительно постоянной в диапазоне предполагаемых значений 2. Так при f0 = 30 ГГц: 2 = 1000 крутизна равна 2,15106 Гц, а при 2 = 2000 крутизна равна 2,015106 Гц, для f0 = 28 ГГц и 2 =1000, ее значение 1,989106 Гц, а для 2 = 2000 равна 1.877106 Гц.

Таким образом, можно сделать оценку точности определения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки при заданной точности измерения резонансной частоты исходя из соотношения:



Рис. 2.4. Зависимость постоянной распространения от толщины диэлектрической подложки с сегнетоэлектрической пленкой в полуволновом объемном резонаторе.



Рис. 2.5. Зависимость резонансной частоты от (2d2) резонатора (7,23,43,6)мм.

. (2.24)

Из (2.24) следует, что при f0 = 30 ГГц и 510-3 0,069; при f0 =28 ГГц 0,037 и, следовательно, среднюю точность определения (2d2) в данном диапазоне значений можно оценить в 5%.

На рис. 2.6. показана зависимость постоянной распространения в полуволновом резонаторе от величины диэлектрического заполнения при различных значениях 2 d2, с горизонтальным расположении подложки с пленкой. Из рис. 2.7. видно, что зависимость резонансной частоты от диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки при различных значениях толщины подложки, имеет крутизну 1.4106 Гц для 2 = 2000 и это характеризует слабое (по сравнению с вертикальным) включение пленки в резонаторе. Расчеты показывают, погрешность измерения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки в диапазоне частот 28-30 ГГц при ее ожидаемых значениях 1000-2000, составляет 6%.

Определим точность измерения tg пленки. Запишем соотношение (2.14.) в виде:

tg=, (2.25)

где - коэффициент включения пленки в резонатор.

Рис. 2.6. Зависимость постоянной распространения от толщины диэлектрической подложки с сегнетоэлектрической пленкой в полуволновом объемном резонаторе с горизонтальным расположением, f=30 ГГц, d2=1 мкм, 1=10. Размер резонатора 7.23.43.6 мм.



Рис. 2.7. Зависимость частоты в полуволновом объемном резонаторе от толщины диэлектрической подложки с сегнетоэлектрической пленкой при горизонтальном расположении, d2=1 мкм, ?1=10. Размер резонатора 7.23.43.6 мм.

Очевидно, что частичное включение пленки в резонатор обязательно приведет к значению < 1. Исходя из предыдущих оценок, в рассматриваемом резонаторе в диапазоне измеряемых значений 2 = (1000 2000) измеряется от = 0,14 при f0 = 30 ГГц (2 = 103) до = 0,26 при f0 = 28 ГГц (2 = 2 103).

Положим, что ошибка значения tg пленки вызвана только ошибкой в определении коэффициента включения. Исходя из соотношения (2.25) получим, что:

. (2.26)

Относительную ошибку в определении находим из соотношения:

+=2. (2.27)

. (2.28)

В соответствии c ранее принятые численные оценки приводят к

0,032 при f0 = 30 ГГц ( =103), = 510-3,

0,064 при f0 = 28 ГГц ( = 2103), = 510-3.

Следовательно, средняя ошибка в определении тангенса диэлектрических потерь в сегнетоэлектрической пленке составляет 5%.

Измерения параметров пленок проводились двумя способами, на проход и на отражение. И в том и другом случае, производился подбор диафрагм с заданными диаметрами, обеспечивающими в первом случае, приемлемый коэффициент прохождения (20-40 дБ), во втором, максимальный коэффициент стоячей волны (1.15) на резонансной частоте. В таблице 2.1. представлены данные измерений и расчетов в полуволновом объемном резонаторе на СВЧ, и сделано их сравнение с экспериментальными данными при измерениях на низкой частоте 1МГц.

Таблица 2.1.

№ образца	M12213	M122313	M122513	M122713
dподл, мм	0.34	0.34	0.5	0.5
?подл	9.8	9.8	9.8	9.8
dпл, мкм	0.89	0.9	0.89	0.9
fрез, Ггц	40.1	40.3	27	29
Qизм	261	260	77	275
Qмет	1953	2114	2102	1815
Qдиэл	302	295.9	76.3	324
?пл	1230	1200	1150	1150
tan?	0.024	0.026	0.044	0.014
?пл 1МГц	1215	1170	1130	1130
tan? 1Мгц	1*10-4	1*10-4	1*10-4	5*10-4

2.2.1 Определение параметров сегнетоэлектрических пленок по измерениям в щелевом полуволновом резонаторе

Измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в сегнетоэлектрической пленке можно проводить, используя полуволновой резонатор, образованный щелевой или многощелевой линией на слоистой диэлектрической подложке рис. 2. 8. Возбуждающей линией в этом случае служит микрополосковая линия, согласованная с коаксиально-полосковым переходом.

Рис. 2. 8. Щелевой резонатор с возбуждением микрополоском.

Щелевой резонатор возбуждается полем рассеяния открытого конца микрополосковой линии. Ширина полоска и ширина щели в реальном эксперименте будут незначительно отличаться друг от друга, тем не менее, набегающая по полоску волна может возбудить поверхностную волну за счет излучения, расходящегося на стенке щели и полоска. Основными модами поверхностной волны являются ТЕ1 и ТМ1. В рассматриваемом случае поверхностная волна будет возбуждаться в двухслойной диэлектрической структуре. Однако сегнетоэлектрическая пленка окажет весьма слабое влияние на дисперсионные свойства поверхностных модов, т.к. она расположена между проводящим экраном и диэлектрической подложкой. Поэтому оценку критической толщины слоя можно сделать без учета сегнетоэлектрической пленки. Известно, что критическая толщина слоя для модов ТЕ1 и ТМ1 определяется формулой:

.

Для рассматриваемого случая критическая толщина подложки dПОДЛ должна подчиняться условию

.

Таким образом, при длинах волн =7.5-10 мм , =9.5, толщину подложки необходимо выбирать dПОДЛ <0.64 мм, обеспечив тем самым запредельность для поверхностных модов, что дает возможность не опасаться нежелательных паразитных резонансов.

Как известно, частотная зависимость коэффициента отражения или прохождения полуволнового резонатора, слабо связанного с входной и выходной питающими линиями, аналогична зависимости коэффициента передачи от частоты параллельного колебательного контура, включённого в линию параллельно. Коэффициент передачи по мощности проходного полуволнового резонатора равен

,

где - нагруженная добротность, - расстройка частоты относительно резонансной . Нагруженная добротность определяется соотношением

.

Поэтому из частотной зависимости нагруженная добротность определяется по полосе частот половинной мощности.

Формулу (2.2.4) можно переписать пологая, что металлическая добротность выше QM>>(QДИЭЛ+Q), следовательно нагруженная добротность щелевого резонатора с учетом доминирующих диэлектрических потерь в сегнетоэлектрической пленке имеет вид:

.

Рассмотрим качественные оценки Q. Определим эквивалентную схему щелевого резонатора, учитывая элементы связи с микрополосковой линией, и будем считать, что элементами связи являются емкости между торцом щелевой линии и микрополоском возбуждения. С учетом симметричного расположения щели между торцами полосок эквивалентную схему резонатора на частотах близких к резонансной можно представить в виде, показанном на рис. 2.9.а.

а) б)

Рис. 2.9. Эквивалентное представление перехода микрополосок - щелевая линия - микрополосок.

Вычислим Q , составляющую нагруженной добротности, вызванную потерями энергии за счет излучения в полосковую линию. Условие слабой связи требует выполнения условия . Поэтому вносимое реактивное сопротивление в последовательный LCr контур будет определяться удвоенной емкостью связи, а вносимое сопротивление потерь . 2.2. Следовательно, добротность Q будет равна:

. (2.29)

Подставив в Q выражение получим:

, (2.30)

где Z0,S - волновое сопротивление щелевой линии; Z0 - волновое сопротивление микрополосковой линии.

Соотношение (2.30) позволяет найти ССВ по известной из эксперимента Q, или по известной ССВ найти Q. Поэтому оценку Q, а, следовательно, и ССВ можно получить исходя из экспериментального значения нагруженной добротности резонатора на щелевой линии с однослойной диэлектрической подложкой, диэлектрическая проницаемость и tg которой заранее известны, а Q точно рассчитывается. Следовательно для однослойной щелевой линии:

. (2.31)

Щелевой резонатор на подложке с сегнетоэлектрической пленкой, при сохранении геометрии включения резонатора на однослойной подложке, имеет ССВ очень близкую по значению к щелевому резонатору на однослойной подложке.

Помимо инструментальных ошибок измерения 0 (которые могут быть сделаны очень малыми при усреднении 0) возникают ошибки, связанные с погрешностями определения геометрических размеров: длины и ширины резонатора, с погрешностью диэлектрической проницаемости подложки и разной степенью их влияния на расчетное значение пленки. Поэтому целесообразно ввести чувствительность в виде производной функции F по соответствующему параметру h:

.

(Заметим, что модуль меньше или равен единице). Чувствительность определяет изменение функции при вариации одного из параметров. Очевидно, наибольший интерес представляет оценка изменения функции F, которая является функцией нескольких параметров. Приращение F при бесконечно малых вариациях всех параметров определяется полной производной:

. (2.32)

Введем относительную вариацию: поделим обе части (2.32) на F, а каждое слагаемое суммы умножим на hi, следовательно:

,

где .

Переходя к малым конечным приращениям, получим:

. (2.33)

Для определения погрешности диэлектрической проницаемости пленки, используя (2.33) находим:

.(2.34)

Отсутствующие производные вычисляются численным дифференцированием исходя из дисперсионного уравнения, которое в данном случае может быть интерпретировано как уравнение вида ПЛ=f(0, S, g, ПОДЛ).

Как видно из расчетов ,при различных длинах резонаторов крутизна изменения частоты от диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки высока и составляет, при lрез=1.658 мм, w=0.1 мм, f0 = 30 ГГц, 3 = 1000

равна 7.71106 Гц, погрешность определения диэлектрической проницаемости с учетом 510-3 равна 0.019. При длине резонатора lрез=1.309 мм, w=0.1 мм, f0 = 30 ГГц, 2 = 2000 равна 5.24106 Гц, а погрешность определения 0.014. При более широких зазорах щели W=0.35 мм, погрешность определения диэлектрической проницаемости пленки не превышает 3%. Точность определения tg, как следует из расчетов, составляет при w=0.35 мм, f0 = 30 ГГц, ( =103), = 510-3, 0.025, для более узких щелей точность определения возрастает.



Рис. 2.10. Зависимость частоты в щелевом резонаторе от диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки при различной ширине зазора щели, d2=0.3 мм, 2=9.8.

3. Экспериментальные измерения емкости в планарных структурах

3.1 Автоматизированная установка для измерений C, tg, их температурных зависимостей и электропроводности

Для измерений диэлектрических характеристик и тангенса угла диэлектрических потерь сегнетоэлектрических керамических образцы изготавливались в виде плоскопараллельных конденсаторов. Сегнетоэлектрические керамические диски покрывались с двух сторон медными электродами толщиной около 3 мкм.

Экспериментальные исследования диэлектрических свойств сегнетокерамических конденсаторов выполнялись методом измерения импеданса образца на частоте 1 МГц. Внешний вид и блок-схема экспериментальной установки приведены на рис. 3.1 и рис. 3.2, соотвтетвенно. Установка содержит цифровой измеритель L, C, R - Е7-12 специальный защитный держатель образца (4), который можно опускать в криогенный охладитель; термометр (RT) с источником питания и микровольтметром (5,6), вольтметр-электрометр универсальный В7-30. Управление измерениями осуществляется с помощью компьютера (7). Для снятия вольт-фарадных характеристик и для получения зависимости tgд(U) с помощью компьютера задается интервал и шаг напряжения, прикладываемого к исследуемому образцу. Все результаты измерений поступали в компьютер в упакованном двоично-десятичном формате «8-4-2-1».

Импеданс исследуемого конденсатора (реактивная и активная составляющие проводимости) измерялся прибором "Измеритель - R,L,C" типа Е7-12. Принцип действия Е7-12 основан на четырёхзондовом методе. Два зонда подключают исследуемый конденсатор к генератору переменного тока частотой f=1МГц; два других зонда, также подключенные к обкладкам конденсатора, используются для измерения разности потенциалов переменного электрического поля между его электродами. Входящие в состав Е7-12 синхронные детекторы обеспечивают получение информации о амплитуде переменного сигнала как синфазного, так и сдвинутого на /2 относительно начальной фазы тока. Дальнейшая цифровая обработка сигналов с синхронных детекторов даёт информацию о реактивной (C) и активной (G) составляющих проводимости конденсатора.

Постоянное смещающее электрическое поле, прикладываемое к электродам конденсатора, создавалось с помощью управляемого источника напряжения). При проведении температурных исследований использован релаксационный метод изменения температуры конденсатора. Для технической реализации этого метода применялся держатель образца, помещаемый в сосуд с криогенной жидкостью (азот). Значение температуры контролировалось с помощью термопреобразователя сопротивления ТСМФ-Д, принцип действия которого основан на температурной зависимости электрического сопротивления металлической жилы микропровода. При температурных измерениях частота измерения температуры автоматически задается с помощью компьютера.