Spectroscopic millimeter wave ellipsometry

With the remarkable progress in high-frequency electronics, market analysts expect that the global value of millimeter wave sensors will significantly increase within the next decades. Particularly high-end radar and communication systems show great promise for complex future tasks such as fabrication automation under harsh conditions or environmental monitoring in fully autonomous driving. Clearly, sensors that are used for these applications must be highly reliable, accurate and virtually insusceptible to false detections. This can only be achieved with precise knowledge of the high-frequency material properties of modern building and plastic materials from which the sensor is made, or which interfere with its signal. However, the available catalog of material parameters is still comparably empty and partly inconsistent at millimeter wave bands, since precise measurement of the dielectric function at frequencies around 100 GHz or higher is challenging. Improvement of millimeter wave material analysis is therefore an essential prerequisite for the further development and optimization of modern sensors and sensor systems. The aim of this thesis is to establish a novel experimental method which significantly improves the measurement accuracy for characterization of the material properties of a wide variety of thin polymer materials, ceramics or composites at millimeter wave frequencies. The approach is based on adopting spectroscopic ellipsometry, a well-established technique at optical and infrared wavelengths, to the millimeter wave regime, where the signal is not only superimposed by multi-path scattering or antenna crosstalk, but also less polarized. It is demonstrated, that these limitations can be overcome by enhancing the amount of Fabry-Pérot reflections within the material under investigation so that a stronger phase rotation of the electromagnetic field is induced. This can be achieved by performing the measurements on a strongly reflecting substrate which increases the sensitivity of the measurement with respect to the critical measurands, the ellipsometer angles ✠ and ✁. By combined evaluation of the ellipsometric parameters along with spectroscopic interference effects, the novel method allows for unambiguous and more accurate material parameter measurements of thin dielectric samples than any other method. Thereby, even a slight dispersion of the dielectric function can be detected over a frequency range of 25 GHz. In addition, the novel approach allows for an approximation method which greatly reduces the necessary amount of data points that is required for analysis in the case of low-loss samples. For many practical applications, this solves the remaining drawback of millimeter wave ellipsometry compared to more established methods: insufficient measurement speed. Based on various dielectric samples, the performance and limits of the method are demonstrated throughout several experiments. It is shown that spectroscopic millimeter wave ellipsometry is a very promising approach to future material analysis that is predestined for characterization of thin dielectric layers, such as the parts of a vehicle chassis behind which millimeter radar sensors are typically placed.

Mit der Entwicklung von kompakten, zuverlässigen und immer kosteneffizienteren Hochfrequenzschaltkreisen sehen Marktforscher in den nächsten Jahren großes Potential und eine stark wachsende Nachfrage für neuartige Millimeterwellensensoren. Insbesondere Radar- und Kommunikationssysteme werden künftig für komplexe Aufgabenstellungen in der Industrieautomation oder der Echtzeitüberwachung der Umgebung von voll autonomen Fahrzeugen eine bedeutende Rolle spielen. Die hierfür verwendeten Sensoren müssen sich durch höchste Zuverlässigkeit und Genauigkeit auszeichnen, sowie sehr robust gegen Fehldetektionen sein. Diese Eigenschaften können nur erreicht werden, wenn die Hochfrequenz-Materialparameter der Dielektrika bekannt sind, aus welchen der Sensor hergestellt ist, oder die das Sensorsignal beeinflussen. Da präzise Materialmessungen mit Millimeterwellen sehr anspruchsvoll sind, ist der derzeit vorhandene Katalog an Materialdaten für moderne, dielektrische Kunststoffe oder Laminate noch sehr lückenhaft und oft in sich nicht konsistent. Neue Messverfahren zur präzisen Bestimmung der Materialparametern von komplexen Kunststoffen bei Frequenzen um 100 GHz oder höher sind daher essentielle Voraussetzung für die Entwicklung und Optimierung von zukünftigen Sensorgenerationen in Industrie und Forschung. Zielstellung dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuartigen Methode zur Charakterisierung von Kunststoffen, Laminaten und Keramiken, welche die bisher erreichten Messgenauigkeiten im Millemeterwellen-Bereich deutlich übertrifft. Um dieses Ziel zu erreichen wird spektroskopische Ellipsometrie, ein Messverfahren welches bei optischen und infraroten Wellenlängen bereits etabliert ist, auch im Frequenzbereich um 100 GHz untersucht, umgesetzt und optimiert. Neben Streuung, Beugung oder dem Übersprechen der Antennen, stellt auch der geringere Polarisationsgrad des Signals eine große Herausforderung für die Millimeterwellen-Ellipsometrie dar. Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass diese Probleme durch deutliche Verstärkung der Fabry-Perot Reflektionen innerhalb der Materialproben gelöst werden können. Hierzu kommt ein stark reflektierendes Substrat zum Einsatz, auf welches die Proben platziert werden. Dabei wird ein stärkerer Phasenversatz des elektromagnetischen Feldes induziert, was die Sensitivität der Messung deutlich erhöht. Zusätzlich wird eine Entkopplung des Einflusses verschiedener Materialparameter auf die wesentlichen Messgrößen, die Ellipsometer Winkel ✠ und ✁, erreicht. Kombiniert mit einer klassischen reflektometrischen Messung, erlaubt dieser Ansatz eine sehr genaue und eindeutige Materialparameterbestimmung. Damit kann das Frequenzverhalten der dielektrischen Funktion über eine Bandbreite von 25 GHz sehr präzise gemessen werden. Auch schwache Dispersionseffekte sind dabei sichtbar. Viele interessante Werkstoffe absorbieren Millimeterwellen nur sehr schwach. In diesem Fall ermöglicht der neue Ansatz ein Näherungsverfahren zur Auswertung, welches wesentlich weniger Messpunkte benötigt, sodass die im Vergleich zu etablierten Verfahren langsame Messgeschwindigkeit der Ellipsometrie deutlich gesteigert werden kann. Anhand von zahlreichen Messreihen werden die Möglichkeiten und Grenzen der neuen Methode evaluiert. Es wird gezeigt, dass das neue Verfahren besonders gut geeignet ist um die dielektrischen Eigenschaften von dünnen Materialproben, bestehend aus Polymerwerkstoffen, Keramiken oder Laminaten zu charakterisieren. Damit ist das Verfahren prädestiniert um beispielsweise den Einfluss von Karosserieteilen auf Radarsensoren für autonomes Fahren zu untersuchen.