CN102529211B

CN102529211B - 一种增强太赫兹辐射吸收率的膜系结构及其制备方法

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Publication number: CN102529211B
Application number: CN201110434601.XA
Authority: CN
Inventors: 王军; 蒋亚东; 苟君; 吴志明; 黎威志
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2031-12-22
Also published as: CN102529211A

Abstract

本发明公开了一种增强太赫兹辐射吸收率的膜系结构及其制备方法，该膜系结构位于太赫兹探测器敏感单元的顶层，包括介质薄膜及位于其上的太赫兹吸收层。所述介质薄膜为采用PECVD混频技术制备的低应力氮化硅或氧化硅薄膜，该介质薄膜被反应离子刻蚀为微纳米量级的粗糙表面，所述太赫兹吸收层由磁控溅射法制备在表面粗糙的介质薄膜上。由于粗糙的介质薄膜表面结构增大了太赫兹吸收层的表体比，有效增强太赫兹辐射吸收率，并且制备工艺简单合理，易大面积制备与集成，可广泛应用于各种太赫兹探测与成像技术领域，为高性能太赫兹探测器的研制提供有力支持。

Description

一种增强太赫兹辐射吸收率的膜系结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及太赫兹探测与成像技术领域，具体涉及一种增强太赫兹辐射吸收率的膜系结构及其制备方法。

背景技术

太赫兹是指频率为0.1~10THz（1 THz = 1012 Hz）范围的电磁波，其对应波长范围为3mm~30μm，位于毫米波与红外波之间。太赫兹科学与技术的发展，依赖于物理学、化学、材料学、光学、微电子学等基础学科的发展，同时也对这些基础学科产生促进作用。国际科技界公认，太赫兹是一个重要的交叉前沿领域。长期以来，由于缺乏有效的THz产生和检测方法，人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以至于该波段被称为电磁波谱中的THz空隙，也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。近十几年来超快激光技术和半导体材料科学与技术的迅速发展，为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，促进了THz辐射在光谱学和成像技术方面的应用。

太赫兹辐射与其它波段的电磁辐射相比有其独特的性质：①瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级；②宽带性：太赫兹脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖GHz至几十THz的范围；③相干性：太赫兹时域光谱技术的相干测量技术能够直接测量太赫兹电场的振幅和相位可以方便地提取样品的折射率、吸收系数；④低能性：太赫兹光子的能量只有毫电子伏特，不会因为电离而破坏位比被检测物质，从而可以安全地进行生物医学方面的检测和诊断；⑤穿透性：太赫兹辐射对于很多非极性绝缘物质，例如硬纸板、塑料、纺织物等包装材料都有很高的穿透特性，对藏匿物体进行探测；⑥惧水性：大多数极性分子如水分子、氨分子等对太赫兹辐射有强烈的吸收，可以通过分析它们的特征谱研究物质含水量或者进行产品质量控制；⑦光谱的特征吸收：由于许多极性大分子的振动和转动能级正好处于太赫兹频带范围，使太赫兹光谱技术在分析和研究大分子方面有广阔的应用前景。

太赫兹室温探测器是一个新发展的研究方向，具有室温工作、体积小、响应快、可成面阵图像、应用范围广等特点，但由于该技术是新兴技术，国际上只有几个研究机构掌握了探测及成像技术，相关的技术报道很少。

赫兹探测器探测单元中的热敏感薄膜对太赫兹波吸收很弱，使得太赫兹辐射信号检测的难度较大。传统的红外探测器，如微测辐射热计，对太赫兹的吸收仅为红外吸收的2~5%左右，甚至比器件材料的不均匀度还要低，故极难区分噪音与被检信号。因此，需要增加单独的太赫兹吸收层以增强探测器的吸收性能。要求太赫兹吸收层的反射率低，与下层材料的粘附性要好。目前常用的太赫兹吸收材料为有机黑体、黑金和Ni-Cr等。在这几种物质中，黑金的反射率最低，但它的粘附性不是很好。黑色树脂的反射率也比较低，但比较厚，而且热阻较大，可能会阻碍热量向敏感薄膜的传播。

薄的金属或金属复合层可以吸收太赫兹辐射，同时厚度低于50nm的膜厚对探测器的热容影响很小，利于高响应速率探测单元的制作。部分文献报道了对铋金属-介质复合膜系结构吸收太赫兹辐射的研究(Curtis c. Ling, etc, “Large Area Bolometers for THz Power Measurements”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.42, pp. 758-760, 2002)。这种结构中，40~150nm的铋膜被蒸发制备在采用热生长与LPCVD方法制备的三层介质复合薄膜上。测试结果表明，制备有铋金属层的复合薄膜的太赫兹辐射吸收率比无铋金属层的相同介质薄膜提高了60%。

部分文献报道了将金属薄膜用作太赫兹吸收层进行THz-QVGA探测器制备的研究 (N. Oda, etc, “Development of Bolometer-type Uncooled THz-QVGA Sensor and Camera”, The 34th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Extended abstract, T2A03.0534, 2009.)，由于热敏薄膜对太赫兹辐射的弱吸收性，太赫兹吸收层是THz-QCGA与非制冷IRFPA在单元结构上的主要区别。通过调整薄膜电阻至适当值，可将太赫兹探测灵敏度提高5~8倍( N. Oda, etc, “Detection of terahertz radiation from quantum cascade laser, using vanadium oxide microbolometer focal plane arrays”, Proc. SPIE, vol.6940(2008)pp. 69402Y-1-69402Y-12.)。

专利200910216064.4公开了一种太赫兹波平面吸收材料，先在衬底表面制备连续金属反射层，然后制备介质层，再在介质层上制备人工电磁媒质层。人工电磁媒质层由周期性排列的人工电磁媒质单元构成，每个单元为一个线宽为ｔ的金属薄膜线条形成的中心对称图形，包括中间由两个单开口金属环相向连接的电开口环共振器；还包括两个与电开口环共振器两侧长边背向连接的单开口金属环。该发明所提出的太赫兹波平面吸收材料具有两个强吸收频段，可以提供不同频段的选择性吸收和探测。同时可以吸收更大频谱范围的太赫兹辐射，提高了太赫兹波平面吸收材料的性能和效率。

在文献报道和专利中，太赫兹吸收层都直接制备在介质薄膜或探测单元表面上，未进行特殊介质薄膜的制备及对太赫兹吸收层的下层介质薄膜进行表面处理，其太赫兹吸收性能有进一步提升的空间。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种增强太赫兹辐射吸收率的膜系结构，该结构能有效增强太赫兹辐射吸收率，为高性能太赫兹探测器的研制提供有力支持。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种增强太赫兹辐射吸收率的膜系结构，包括介质薄膜和太赫兹吸收层，其特征在于：所述介质薄膜表面粗糙，表面粗糙度在微纳米量级；所述太赫兹吸收层位于表面粗糙的介质薄膜之上。

所述介质薄膜由单层薄膜构成或者由多层薄膜构成，材料为二氧化硅或者氮化硅；粗糙表面由反应离子刻蚀方法制备，表面粗糙度在微纳米量级。

所述太赫兹吸收层材料为黑金、铋、铝、钛、NiCr或者上述金属中的任何具有合适性质的合金，也可以为有机黑体材料；且太赫兹吸收层为高表体比薄膜。

所述膜系结构位于太赫兹探测器敏感单元的顶层。

本发明的又一目的是提供该增强太赫兹辐射吸收率的膜系结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在太赫兹探测敏感单元的顶层制备介质薄膜；

反应离子刻蚀介质薄膜，使其具有粗糙表面；

在步骤所得表面粗糙的介质薄膜上用磁控溅射法制备太赫兹吸收层。

所述增强太赫兹辐射吸收率的膜系结构的制备方法的具体制备步骤如下：

在制备介质薄膜前，先清洗敏感单元顶层表面，去除表面沾污，并对衬底进行200℃下烘烤，除去表面的水汽；

采用PECVD设备制备氮化硅或氧化硅薄膜，采用混频生长技术控制薄膜的应力。即采用两套频率不同的功率源，高频源频率约几十MHz，低频源几百kHz。两个功率源交替工作，使低频等离子产生的压缩应力和高频等离子产生的舒张应力相互抵消，从而形成低（或无）应力的介质薄膜。PECVD沉积温度为150~300℃，制备氮化硅薄膜时SiH₄与NH₃的流量比为10/170~40/140，制备氧化硅薄膜时SiH₄与N₂O的流量比为10/20~10/60。制备的介质薄膜厚度范围在50nm~2μm内；

采用氟基气体对介质薄膜进行反应离子刻蚀。刻蚀时，在CHF3气体中加入少量O₂；O₂可消耗掉部分碳氟原子，使氟活性原子比例上升，提高刻蚀效率和刻蚀均匀性；设置CHF₃与O₂的流量比为20:3~20:8，射频功率为300~500W，反应室压力为3~6Pa，氮化硅的刻蚀速率约80~180nm/min，氧化硅的刻蚀速率约30~100nm/min；根据介质薄膜厚度和刻蚀工艺参数控制刻蚀时间，刻蚀后剩下的介质薄膜厚度在30nm~1μm内，刻蚀后薄腊呈现微纳米级的粗糙表面；

采用磁控溅射法制备NiCr合金薄膜。控制其膜厚低于100nm，减小对探测器的热容影响；调节薄膜电阻至适当值（10~40Ω），提高太赫兹探测灵敏度；NiCr薄膜附着在粗糙的介质薄膜表面上，形成具有高表体比的太赫兹吸收层。

本发明的有益效果表现在：

通过反应离子刻蚀介质薄膜进行薄膜表面粗糙化，提高了薄膜表体比，显著增大了太赫兹辐射吸收率，并且制备工艺简单合理，易大面积制备与集成，可广泛应用于各种太赫兹探测与成像技术领域。

附图说明

图1中a~d为本发明的膜系结构的简易制备流程；

图2中a~e为本发明的实施例1的简易制备流程；

图3中a~d为本发明的实施例2的简易制备流程；

图4中a~g为本发明的实施例3的简易制备流程;

其中，1、衬底，2、介质薄膜，3、太赫兹吸收层，4、底层读出电路，5、电路接口，6、牺牲层，7、支撑层，8、金属电极与引线，9、敏感薄膜，10、氮化硅介质薄膜，11、NiCr合金薄膜，12、半导体衬底，13、二氧化硅介质层，14、下电极，15、钽酸锂热释电薄膜，16、上电极，17、氧化硅介质薄膜，18、有机黑体薄膜，19、钽酸锂晶片，20、下电极，21、BCB聚合物材料，22、硅基底，23、上电极，24、氮化硅介质薄膜，25、铋金属薄膜。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

一种增强太赫兹辐射吸收率的膜系结构，包括介质薄膜和太赫兹吸收层，所述介质薄膜表面粗糙，表面粗糙度在微纳米量级；所述太赫兹吸收层位于表面粗糙的介质薄膜之上。

结合图1，该膜系结构的制备流程包括：准备衬底1，并清洗表面，如图1-a所示；制备介质薄膜2，如图1-b所示；反应离子刻蚀介质薄膜得到粗糙表面，如图1-c所示；在表面粗糙的介质薄膜表面制备太赫兹吸收层3，形成具有高表体比的太赫兹吸收膜系结构，如图1-d所示。

介质薄膜要求其具有低的应力，保证器件探测单元受热形变较小。介质薄膜材料可以为采用PECVD设备制备的二氧化硅或氮化硅薄膜。采用混频生长技术可以控制薄膜应力，即采用两套频率不同的功率源，高频源频率约几十MHz，低频源几百kHz，两个功率源交替工作，使低频等离子产生的压缩应力和高频等离子产生的舒张应力相互抵消，从而形成低（或无）应力的介质薄膜。制备的介质薄膜厚度范围在50nm~2μm内。

采用反应离子刻蚀方法对介质薄膜进行表面粗糙化。刻蚀气体为氟基气体。刻蚀时，在CHF₃气体中加入少量O₂，O₂可消耗掉部分碳氟原子，使氟活性原子比例上升，从而提高刻蚀效率和片内均匀性。调整工艺参数，获得较好的刻蚀均匀性与适当的刻蚀速率。根据介质薄膜厚度和刻蚀工艺参数控制刻蚀时间，刻蚀后剩下的氮化硅薄膜厚度在30nm~1μm内。

NiCr合金太赫兹吸收层采用磁控溅射法制备。控制其膜厚低于100nm，减小对探测器的热容影响；调节薄膜电阻至适当值（10~40Ω），提高太赫兹探测灵敏度；NiCr薄膜附着在粗糙的氮化硅表面上，形成具有高表体比的太赫兹吸收膜系结构。太赫兹吸收层还可以为用磁控溅射、蒸发等方法制备的黑金、铋、铝、钛等金属或者合金薄膜，也可以为用蒸发、sol-gel等方法制备的有机黑体薄膜。

实施例1

结合图2所示，一种增强太赫兹辐射吸收率的膜系结构，包括介质薄膜与太赫兹吸收层，该结构在太赫兹微阵列探测器探测单元的顶层上展开。

太赫兹微阵列探测器的探测单元如图2-a所示。阵列单元制备在具有底层读出电路4的硅片上，其中读出电路留有与后续加工的MEMS器件的接口5，然后生长牺牲层6、支撑层7、金属电极与引线8与敏感薄膜9等并分别图形化。牺牲层材料可以为氧化硅薄膜，也可以为光敏聚酰亚胺(PSPI)材料；支撑层材料由氮化硅、氧化硅或多层复合薄膜构成；金属电极为铝、钛、镍铬合金等；敏感薄膜为氧化钒薄膜、非晶硅薄膜等。

采用PECVD混频生长技术制备氮化硅介质薄膜10。采用两套频率不同的功率源交替工作，其中，高频源频率约几十MHz，低频源几百kHz。PECVD沉积温度为150~300℃，SiH₄与NH₃的流量比为10/170~40/140。制备的氮化硅薄膜厚度范围在50~500nm内，如图2-b所示。

反应离子刻蚀氮化硅薄膜。刻蚀气体为CHF₃与O₂，设置CHF₃与O₂的流量比为20:3~20：8，射频功率为300~500W，反应室压力为3~6Pa，刻蚀速率约80~180nm/min，片内非均匀性低于5%。根据氮化硅薄膜厚度和刻蚀工艺参数控制刻蚀时间，刻蚀后剩下的氮化硅薄膜厚度在30~200nm内，如图2-c所示。

采用磁控溅射方法制备NiCr合金薄膜11。控制膜厚低于100nm，调节薄膜电阻至10~40Ω，NiCr薄膜附着在粗糙的氮化硅薄膜表面上，形成具有高表体比的太赫兹吸收层，如图2-d所示。

最后进行牺牲层材料的释放，形成MEMS结构的微桥探测器单元。释放牺牲层后的图形如图2-e所示。

实施例2

结合图3所示，一种增强太赫兹辐射吸收率的膜系结构，包括介质薄膜与太赫兹吸收层，该结构在热释电太赫兹探测单元的顶层上展开。

热释电太赫兹探测单元如图3-a所示。已完成工艺为：利用化学腐蚀去掉半导体衬底12的一部分，然后制备二氧化硅介质层13、下电极14、钽酸锂热释电薄膜15与上电极16。清洗探测单元顶层表面，去除表面沾污，并对衬底进行200℃下烘烤，除去表面的水汽，增强介质薄膜的粘附性能。

采用PECVD混频生长技术制备氧化硅介质薄膜17。采用两套频率不同的功率源交替工作，其中，高频源频率约几十MHz，低频源几百kHz。PECVD沉积温度为150~300℃，SiH₄与N₂O的流量比为10/20~10/60。制备的氧化硅薄膜厚度范围在300nm~2μm内，如图3-b所示。

反应离子刻蚀氧化硅薄膜。刻蚀气体为CHF₃与O₂，设置CHF₃与O₂的流量比为20:3~20：8，射频功率为300~500W，反应室压力为3~6Pa，刻蚀速率约30~100nm/min，片内非均匀性低于5%。根据氧化硅薄膜厚度和刻蚀工艺参数控制刻蚀时间，刻蚀后剩下的氧化硅薄膜厚度在200nm~1μm内，如图3-c所示。

采用sol-gel法制备有机黑体薄膜18。薄膜厚度在200nm~5μm内，有机黑体薄膜附着在粗糙的氧化硅薄膜表面上，形成具有高表体比的太赫兹吸收层，如图3-d所示。

实施例3

结合图4所示，一种增强太赫兹辐射吸收率的膜系结构，包括介质薄膜与太赫兹吸收层，该结构在钽酸锂晶体薄片敏感元件的顶层上展开。

钽酸锂晶体薄片敏感元件的前期制备过程如图4-a~图4-c所示。其制备流程为：在钽酸锂晶片19上制备下电极20，用BCB聚合物材料21将钽酸锂晶片粘结到硅基底22上，如图4-a所示；通过研磨与抛光对钽酸锂晶片进行减薄，如图4-b所示；制备上电极23，如图4-c所示。

采用PECVD混频生长技术制备氮化硅介质薄膜24。采用两套频率不同的功率源交替工作，其中，高频源频率约几十MHz，低频源几百kHz。PECVD沉积温度为150~300℃，SiH₄与NH₃的流量比为10/170~40/140。制备的氮化硅薄膜厚度范围在50~500nm内，如图4-d所示。

反应离子刻蚀氮化硅薄膜。刻蚀气体为CHF₃与O₂，设置CHF₃与O₂的流量比为20:3~20：8，射频功率为300~500W，反应室压力为3~6Pa，刻蚀速率约80~180nm/min，片内非均匀性低于5%。根据氮化硅薄膜厚度和刻蚀工艺参数控制刻蚀时间，刻蚀后剩下的氮化硅薄膜厚度在30~200nm内，如图4-e所示。

采用蒸发法制备铋金属薄膜25。控制膜厚低于100nm，调节薄膜电阻至10~40Ω，铋膜附着在粗糙的氮化硅薄膜表面上，形成具有高表体比的太赫兹吸收层，如图4-f所示。

通过加热剥离将敏感元件与基底分离，并刻蚀掉下层的BCB聚合物材料，得到带有高表体比太赫兹吸收层的钽酸锂晶体薄片敏感元件，如图4-g所示。

Claims

1.一种增强太赫兹辐射吸收率的膜系结构的制备方法，其特征在于，详细步骤如下：

采用PECVD设备制备氮化硅或氧化硅薄膜，采用混频生长技术控制薄膜的应力；即采用两套频率不同的功率源，高频源频率约几十MHz，低频源几百kHz；两个功率源交替工作，使低频等离子产生的压缩应力和高频等离子产生的舒张应力相互抵消，从而形成低或无应力的介质薄膜；PECVD沉积温度为150~300℃，制备氮化硅薄膜时SiH₄与NH₃的流量比为10/170~40/140，制备氧化硅薄膜时SiH₄与N₂O的流量比为10/20~10/60；制备的介质薄膜厚度范围在50nm~2μm内；

采用氟基气体对介质薄膜进行反应离子刻蚀；刻蚀时，在CHF₃气体中加入少量O₂；O₂可消耗掉部分碳氟原子，使氟活性原子比例上升，提高刻蚀效率和刻蚀均匀性；设置CHF₃与O₂的流量比为20:3~20:8，射频功率为300~500W，反应室压力为3~6Pa，氮化硅的刻蚀速率约80~180nm/min，氧化硅的刻蚀速率约30~100nm/min；根据介质薄膜厚度和刻蚀工艺参数控制刻蚀时间，刻蚀后剩下的介质薄膜厚度在30nm~1μm内；刻蚀后薄腊呈现微纳米级的粗糙表面；

采用磁控溅射法制备NiCr合金薄膜;控制其膜厚低于100nm，减小对探测器的热容影响；调节薄膜电阻至适当值，适当值的范围为10~40Ω，提高太赫兹探测灵敏度；NiCr薄膜附着在粗糙的介质薄膜表面上，形成具有高表体比的太赫兹吸收层。