CN104505561A - 一种多波段太赫兹滤波器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多波段太赫兹滤波器，所述太赫兹滤波器包括由下至上依次设置的衬底和金属膜层；所述金属膜层上刻蚀有周期性结构，所述周期性结构为n个同心圆环，n为太赫兹滤波器的波段数；所述n个同心圆环宽度由圆心至外依次增大。本发明还公开了所述多波段太赫兹滤波器的制作方法。本发明提供的多波段太赫兹滤波器增加了通带数，具有良好的中间通带的带外抑制性能，偏振不敏感和宽接收角；实现了滤波器的滤波频段和波段数可控；制作方法简单易操作，其分步工艺均为半导体领域的常规操作，易于大规模和集成化生产。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹领域，涉及一种多波段太赫兹滤波器及其制作方法，尤其涉及一种基于金属多圆环周期结构的多波段太赫兹滤波器及其制备方法。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10THz(对应波长30μm～3mm)之间的电磁波。THz波不仅是宏观经典理论到微观量子理论的过渡，也是电子学到光学的过渡。在相当长的时间，由于THz源和探测手段的缺乏，对此波段的研究很少，成为电磁波上的太赫兹间隙。随着宽带稳定的脉冲太赫兹源的获得，太赫兹技术逐渐成为研究热点。太赫兹波的瞬态性、低能量、强穿透性等独特的物理特性决定着其在宽带通信、物体成像、环境监测、医疗诊断、安全检查等领域有广阔的应用前景。
太赫兹系统主要由辐射源、探测器件和各种功能器件组成。对THz波段的研究主要集中在THz器件上，包括THz辐射源、THz探测器、THz滤波器和THz调制器等。在实际应用中，由于应用环境噪声以及应用需要的限制等，需要滤除不需要的频率范围和噪声，抑制环境噪声，提高太赫兹系统性能，作为系统核心器件之一的THz滤波器尤为重要。
太赫兹滤波器主要有三大类：基于光子晶体的太赫兹滤波器、基于光栅和表面等离子体等周期结构的太赫兹滤波器和基于量子阱结构的太赫兹滤波器。但大多数滤波器尚处于实验室研究阶段，距离实用还有一段距离，如光子晶体型滤波器不可调节，损耗比较大。
CN 102881968A公开了一种金属平板波导谐振腔结构的双通道可调谐太赫兹滤波器，包括滤波器A板、滤波器B板、滤波器支架、水平位移台、竖直位移台。CN 103779636A公开了一种基于多孔硅的周期性光栅结构的太赫兹滤波器，多孔硅与高阻硅在太赫兹波传播方向上等间隔交替周期性排列，并且在输入输出端设置锥形减反结构。CN 103576228A公开了一种非周期表面等离子体光栅型太赫兹滤波器，包括具有中心圆通孔的二维金属光栅平板，金属光栅平板的上下两个表面对称设置有非周期圆环形凹槽，每个圆环形凹槽的宽度各不相同。
但现有技术所涉及的太赫兹滤波器为单波段或双波段滤波，并未涉及多波段太赫兹滤波器，而在无线电通信等领域亟需多波段系统以增强通信能力，因此，本领域亟待开发一种多波段太赫兹滤波器。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种多波段太赫兹滤波器，所述太赫兹滤波器包括由下至上依次设置的衬底和金属膜层；
所述金属膜层上刻蚀有周期性结构，所述周期性结构为n个同心圆环，n为太赫兹滤波器的波段数；
所述n个同心圆环宽度由圆心至外依次增大。
本发明提供的多波段太赫兹滤波器的结构如图1所示(图1为本发明所述的3波段太赫兹滤波器)。
本发明采用在金属膜层上刻蚀多圆环结构，获得多波段太赫兹滤波器，增加了通带数；由于圆环的对称性，本发明提供的多波段太赫兹滤波器还具有良好的中间通带的带外抑制性能、偏振不敏感特性和大接收角等优点。
作为优选技术方案，本发明所述的多波段太赫兹滤波器中，离圆心最近的圆环宽度为5μm，内圈半径为27μm；由圆心至外每个圆环宽度增加2～3μm，内圈半径增加15～20μm。
本发明的目的之二是提供一种目的之一所述的多波段太赫兹滤波器的一种制作方法，所述方法包括如下步骤：
(1)清洗衬底；
(2)在所述衬底上旋涂光刻胶，并烘烤；
(3)对光刻胶曝光，显影后，得到光刻胶周期性结构图形；
(4)采用电子束蒸发，沉积金属膜；
(5)剥离除去光刻胶，得到权利要求1所述的多波段太赫兹滤波器。
所述方法采用微加工工艺制备具有金属多元环周期结构的多波段太赫兹滤波器，制备工艺简单，易操作，容易进行大规模生产。
步骤(1)所述衬底为石英衬底或硅衬底。
本发明所述方法的步骤(1)所述清洗包括如下步骤：
将衬底放入丙酮溶液和异丙醇溶液中分别超声清洗5～10min；然后取出衬底用去离子水冲洗干净，并用氮气枪吹干附着的水分。
本发明步骤(2)所述光刻胶选自电子束光刻胶或光学光刻胶；所述电子性光刻胶为ZEP 520A或PMMA，所述光学光刻胶为S1813。
优选地，步骤(2)所述烘烤采用热板烘烤或烘箱烘烤。
可选地，当光刻胶为电子束光刻胶时，烘烤的温度为150～200℃，优选180℃；当使用热板烘烤时，时间为1～10min，优选为2min；当使用烘箱烘烤时，时间为10min以上，优选10～60min。
优选地，当光刻胶为光学光刻胶时，烘烤的温度为80～120℃，优选110℃；当使用热板烘烤时，时间为1～10min，优选为5min；当使用烘箱烘烤时，时间为10min以上，优选为10～60min。
优选地，步骤(3)所述曝光选自电子束直写曝光或光学光刻曝光。
本发明步骤(4)所述金属膜的金属为Ti、Au膜和/或Al膜；金属膜的厚度≥200nm。
优选地，步骤(4)所述沉积金属膜的方法为电子束蒸发法。
优选地，步骤(5)所述剥离为：在除胶剂中进行超声；所述除胶剂优选为丙酮和/或丁酮。
本发明的目的之三是提供一种如目的之一所述的多波段太赫兹滤波器的另一种制作方法，所述方法包括如下步骤：
(i)清洗衬底；
(ii)在所述衬底上沉积金属膜；
(iii)在所述金属膜上旋涂光刻胶，并烘烤；
(iv)对光刻胶曝光，显影后，得到光刻胶周期性结构图形；
(v)利用刻蚀工艺将光刻胶周期性结构图形刻蚀到金属膜上；
(vi)剥离除去残余光刻胶，得到权利要求1所述的多波段太赫兹滤波器。
所述方法采用微加工工艺制备具有金属多元环周期结构的多波段太赫兹滤波器，制备工艺简单，易操作，容易进行大规模生产。
本发明需要洁净无污染的衬底，即需要清除衬底表面的各种附着物。优选地，本发明所述衬底经过清洗后使用，所采用的清洗工艺方法是本领域技术人员公知的。比如，可使用去离子水和/或乙醇等清洗。
作为优选技术方案，本发明步骤(i)所述清洗包括如下步骤：
将衬底放入丙酮溶液和异丙醇溶液中分别超声清洗5～10min；然后取出衬底用去离子水冲洗干净，并用氮气枪吹干附着的水分。
本发明步骤(ii)所述金属膜的金属为Ti、Au膜和/或Al膜；金属膜的厚度≥200nm。
优选地，步骤(iv)所述沉积金属膜的方法为电子束蒸发法。电子束蒸发工艺是本领域的常规技术手段，本发明不再赘述。
本发明步骤(iii)所述光刻胶选自电子束光刻胶或光学光刻胶；所述电子性光刻胶为ZEP 520A或PMMA，所述光学光刻胶为S1813。
优选地，步骤(iii)所述烘烤采用热板烘烤或烘箱烘烤。
可选地，当光刻胶为电子束光刻胶时，烘烤的温度为150～200℃，优选180℃；当使用热板烘烤时，时间为1～10min，优选为2min；当使用烘箱烘烤时，时间为10min以上，优选10～60min；
优选地，当光刻胶为光学光刻胶时，烘烤的温度为80～120℃，优选110℃；当使用热板烘烤时，时间为1～10min，优选为5min；当使用烘箱烘烤时，时间为10min以上，优选为10～60min。
本发明步骤(iv)所述曝光选自电子束直写曝光或光学光刻曝光。
优选地，步骤(v)所述刻蚀为ICP刻蚀或湿法腐蚀。
优选地，步骤(vi)所述剥离为：在除胶剂中进行超声。
本发明对除胶剂的种类不做限定，只要能够将光刻胶剥离的除胶剂均可用于本发明，本发明所述除胶剂优选为丙酮和/或丁酮。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果
(1)本发明提供的多波段太赫兹滤波器为设置于衬底上的多元环结构金属层，其多元环结构增加了通带数，能够实现双波段以上，如3波段，滤波，且本发明提供的多波段太赫兹滤波器具有良好的中间通带的带外抑制性能，偏振不敏感和宽接收角；
(2)本发明提供的多波段太赫兹滤波器可以通过调整多元环周期图形的圆环数、尺寸等，来控制滤波器的滤波频段和波段数；
(3)本发明提供的多波段太赫兹滤波器的制备方法设计思路巧妙，简单易操作，其分步工艺，如曝光，显影，电子束蒸发沉积，剥离等工艺，均为半导体领域的常规操作，易于大规模和集成化生产。
附图说明
图1为实施例1得到的3波段太赫兹滤波器的光学显微镜照片；其中，b图为a图的放大图；
图2为实施例1得到的3波段太赫兹滤波器单个周期性结构的正视结构示意图；其中，R1为内圆环半径27μm；R2为中间圆环半径42μm；R3为外圆环半径60μm；W1为内圆环宽度5μm；W2为中间圆环宽度8μm；W3为外圆环宽度10μm；P为周期结构边长160μm；
图3为实施例1得到的3波段太赫兹滤波器单个周期性结构的剖面结构示意图；1-金属层；2-衬底；
图4为实施例1制做3波段太赫兹滤波器的工艺流程图；
图5为实施例1制作的3波段太赫兹滤波器的实测滤波效果和理论模拟对比图；
图6为入射角分别为0°、15°、25°和35°时，实施例1制作的3波段太赫兹滤波器的滤波效果；
图7为实施例2制做的3波段太赫兹滤波器的工艺流程图。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
本发明提供的多波段太赫兹滤波器的制作方法，采用常规的微加工工艺，本发明实施例以3波段太赫兹滤波器为例，列举了制作方法，本领域技术人员可以根据本申请说明书的内容制作n波段太赫兹滤波器。
本发明所用的ZEP 520A为日本丸红公司生产的，PMMA为德国Allresist公司生产的，S1813为美国Shipley公司生产的。
实施例1
一种3波段太赫兹滤波器，通过如下方法制作而成：
步骤1：清洗单晶Z切石英衬底；
本步骤中，清洗过程如下：
(1)将石英衬底放入丙酮溶液中，超声清洗5～10min；
(2)取出衬底放入异丙醇(IPA)中超声清洗5～10min；
(3)取出衬底用去离子水清洗干净，使用氮气枪将衬底吹干；
步骤2：在清洗的石英衬底上沉积金属铝(Al)膜层；
本步骤中，采用磁控溅射技术，常温下，在清洗的石英衬底上沉积200nm厚金属铝膜层；200nm以上厚度的金属膜能够保证不透过电磁波；磁控溅射是本领域的常规操作，此处不再赘述；
步骤:3：在金属铝膜层上旋涂电子束光刻胶，并烘烤；
本步骤中，先将样品放置在热板上180℃烘烤5min，去除表面的水分，之后旋涂ZEP 520A电子束正性光刻胶，厚度为500nm左右，并放置在热板上180℃烘烤2min；
步骤4：曝光显影，得到光刻胶周期性3圆环结构图形；
本步骤中，采用电子束直写技术对电子束光刻胶进行曝光，采用乙酸正戊酯显影后，得到周期性3圆环结构的光刻胶图形；
步骤5：利用ICP刻蚀工艺刻蚀金属铝膜层，将光刻胶ZEP 520A周期性3圆环结构图形转移到金属铝膜层上；之后用去离子水清洗残留的氯基气体，以防止氯基气体对金属薄膜层的进一步腐蚀；
ICP刻蚀的工艺条件为：压力0.3Pa，温度0℃以下，刻蚀上功率250w，下功率50w，刻蚀气体为20sccm Cl2气体、20sccm BCl3气体和3sccm N2气体；sccm是体积流量单位，即标况毫升每分(standard-state cubic centimeter per minute)；
步骤6：去除残余的电子束光刻胶，形成3波段太赫兹滤波器；
使用去胶剂丁酮，并伴随超声去除剩余的电子束光刻胶，剥离后实现金属铝膜层周期性3圆环结构的图形，得到基于石英衬底/金属铝膜层的3波段太赫兹滤波器；
其中，3圆环同心，由内到外半径依次为R1＝27μm、R2＝42μm、R3＝60μm；圆环宽度依次为W1＝5μm、W2＝8μm、W3＝10μm；周期结构宽度为P＝160μm。
图1为实施例1得到的3波段太赫兹滤波器的光学显微镜照片；其中，b图为a图的放大图；可以看出实施例1得到的3波段太赫兹滤波器均匀一致，边缘光滑；
图2为实施例1得到的3波段太赫兹滤波器单个周期性结构的正视结构示意图；
图3为实施例1得到的3波段太赫兹滤波器单个周期性结构的剖面结构示意图；
图4为实施例1制做3波段太赫兹滤波器的工艺流程图。
性能测试与仿真：
使用太赫兹时域光谱仪，对实施例1制做的3波段太赫兹滤波器进行滤波性能测试；使用CST微波工作室软件对其滤波性能进行仿真模拟。图5为实施例1制作的3波段太赫兹滤波器在垂直入射(入射角为0)条件下实测滤波效果和仿真模拟对比，模拟结果和实际测量吻合；仿真模拟结果表明，当入射波的入射角在40°时，前两个波段的峰变窄，中心频率不变，透过率分别在90％和85％以上；第3个波段的透过率在75％以上，中心频率有少许蓝移；可看出滤波效果很好；图6为入射角分别为0°、15°、25°和35°时，实施例1制作的3波段太赫兹滤波器的滤波效果；从图6可以看出，实施例1制作的3波段太赫兹滤波器具有很宽的接收角。
实施例2
一种3波段太赫兹滤波器，通过如下方法制作而成：
步骤1：清洗石英衬底；
本步骤中，清洗过程如下：
(1)将石英衬底放入丙酮溶液中，超声清洗5～10min；
(2)取出衬底放入异丙醇(IPA)中超声清洗5～10min；
(3)取出衬底用去离子水清洗干净，使用氮气枪将衬底吹干；
步骤2：在石英衬底上旋涂光学光刻胶，并烘烤；
本步骤中，先将样品放置在热板上120℃烘烤10min，去除表面的水分，之后旋涂S1813光刻胶，厚度为1μm左右，并放置在烘箱内110℃烘烤40min；
步骤3：曝光显影，得到光刻胶周期性3圆环结构图形；
本步骤中，采用紫外光刻技术对S1813光刻胶曝光，采用MF-321显影液显影后，得到周期性3圆环结构的光刻胶图形；
步骤4：在周期性3圆环结构的光刻胶图形上沉积金属金(Au)膜层；
本步骤中，采用电子束蒸发工艺，在步骤3获得的周期性3圆环结构的光刻胶图形上沉积300nm厚的金膜层；电子蒸镀是本领域的常规技术，本领域技术任意可以根据背景技术和实际情况进行条件选择；
步骤5：去除光刻胶，形成3波段太赫兹滤波器；
使用去胶剂丙酮，并伴随超声剥离去除光刻胶，实现金属金膜层周期性3圆环结构的图形，得到基于石英衬底/金属金膜层的3波段太赫兹滤波器；
图7为实施例2制做3波段太赫兹滤波器的工艺流程图；
本发明实施例2制作的3波段太赫兹滤波器的光学显微镜照片类似于图1，滤波性能与实施例1制作的3波段太赫兹滤波器接近。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种多波段太赫兹滤波器，其特征在于，所述太赫兹滤波器包括由下至上依次设置的衬底和金属膜层；
所述金属膜层上刻蚀有周期性结构，所述周期性结构为n个同心圆环，n为太赫兹滤波器的波段数；
所述n个同心圆环宽度由圆心至外依次增大。
2.一种如权利要求1所述的多波段太赫兹滤波器的制作方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)清洗衬底；
(2)在所述衬底上旋涂光刻胶，并烘烤；
(3)对光刻胶曝光，显影后，得到光刻胶周期性结构图形；
(4)采用电子束蒸发，沉积金属膜；
(5)剥离除去光刻胶，得到权利要求1所述的多波段太赫兹滤波器。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述衬底为石英衬底或硅衬底；
优选地，步骤(1)所述清洗包括如下步骤：
将衬底放入丙酮溶液和异丙醇溶液中分别超声清洗5～10min；然后取出衬底用去离子水冲洗干净，并用氮气枪吹干附着的水分。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述光刻胶选自电子束光刻胶或光学光刻胶；所述电子性光刻胶为ZEP 520A或PMMA，所述光学光刻胶为S1813；
优选地，步骤(2)所述烘烤采用热板烘烤或烘箱烘烤；
可选地，当光刻胶为电子束光刻胶时，烘烤的温度为150～200℃，优选180℃；当使用热板烘烤时，时间为1～10min，优选为2min；当使用烘箱烘烤时，时间为10min以上，优选10～60min；
优选地，当光刻胶为光学光刻胶时，烘烤的温度为80～120℃，优选110℃；当使用热板烘烤时，时间为1～10min，优选为5min；当使用烘箱烘烤时，时间为10min以上，优选为10～60min；
优选地，步骤(3)所述曝光选自电子束直写曝光或光学光刻曝光。
5.如权利要求2～4之一所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述金属膜的金属为Ti、Au膜和/或Al膜；金属膜的厚度≥200nm；
优选地，步骤(4)所述沉积金属膜的方法为电子束蒸发法；
优选地，步骤(5)所述剥离为：在除胶剂中进行超声；所述除胶剂优选为丙酮和/或丁酮。
6.一种如权利要求1所述的多波段太赫兹滤波器的制作方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(i)清洗衬底；
(ii)在所述衬底上沉积金属膜；
(iii)在所述金属膜上旋涂光刻胶，并烘烤；
(iv)对光刻胶曝光，显影后，得到光刻胶周期性结构图形；
(v)利用刻蚀工艺将光刻胶周期性结构图形刻蚀到金属膜上；
(vi)剥离除去残余光刻胶，得到权利要求1所述的多波段太赫兹滤波器。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(i)所述清洗包括如下步骤：
将衬底放入丙酮溶液和异丙醇溶液中分别超声清洗5～10min；然后取出衬底用去离子水冲洗干净，并用氮气枪吹干附着的水分。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，步骤(ii)所述金属膜的金属为Ti、Au膜和/或Al膜；金属膜的厚度≥200nm；
优选地，步骤(iv)所述沉积金属膜的方法为电子束蒸发法。
9.如权利要求6～8之一所述的方法，其特征在于，步骤(iii)所述光刻胶选自电子束光刻胶或光学光刻胶；所述电子性光刻胶为ZEP 520A或PMMA，所述光学光刻胶为S1813；
优选地，步骤(iii)所述烘烤采用热板烘烤或烘箱烘烤；
可选地，当光刻胶为电子束光刻胶时，烘烤的温度为150～200℃，优选180℃；当使用热板烘烤时，时间为1～10min，优选为2min；当使用烘箱烘烤时，时间为10min以上，优选10～60min；
优选地，当光刻胶为光学光刻胶时，烘烤的温度为80～120℃，优选110℃；当使用热板烘烤时，时间为1～10min，优选为5min；当使用烘箱烘烤时，时间为10min以上，优选为10～60min。
10.如权利要求6～9之一所述的方法，其特征在于，步骤(iv)所述曝光选自电子束直写曝光或光学光刻曝光；
优选地，步骤(v)所述刻蚀为ICP刻蚀或湿法腐蚀。
优选地，步骤(vi)所述剥离为：在除胶剂中进行超声；所述除胶剂优选为丙酮和/或丁酮。
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