CN104535198A

CN104535198A - 基于超材料吸收器的太赫兹微测辐射热计及其制备方法

Info

Publication number: CN104535198A
Application number: CN201510023632.4A
Authority: CN
Inventors: 许向东; 敖天宏; 蒋亚东; 姚洁; 范凯; 陈哲耕; 邹蕊矫; 王蒙; 何琼
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2035-01-16
Also published as: CN104535198B

Abstract

本发明公开了一种基于超材料的太赫兹微测辐射热计及其制备方法，由超材料太赫兹吸收器和热探测器两部分组成。其中，热探测器包含微桥支撑层、热敏电阻薄膜、金属电极和钝化层四层材料。超材料太赫兹吸收器包含底层金属膜、中间介质层、顶层金属膜三层材料。本发明将超材料太赫兹吸收器与热探测器集成在一起，把超材料吸收太赫兹辐射产生的热量传递给热探测器，使热敏电阻薄膜的电学性能发生变化，由此实现太赫兹室温探测成像。本专利提供的微桥结构及制备工艺克服了微桥因超材料的加入而引起的形变等问题，使微测辐射热计具有高的力学稳定性和高的太赫兹吸收率。本发明解决了传统的微测辐射热计难于探测太赫兹波的缺陷，而且器件采用传统的微加工技术制备，适合产业化生产。

Description

基于超材料吸收器的太赫兹微测辐射热计及其制备方法

技术领域

本发明属于非制冷太赫兹探测技术，具体涉及一种基于超材料吸收器的太赫兹微测辐射热计及其制备方法。

背景技术

按照探测原理的不同，非制冷探测器分为热释电型探测器、热电偶型探测器、热敏电阻型探测器等。其中，基于热敏电阻材料的微测辐射热计焦平面探测器具有室温探测、集成度高、规模化生产、价格低廉等优点，近年来发展迅速(参见Leonard P.Chen,“Advanced FPAsfor Multiple Application”,Proc.SPIE,4721:1-15(2002)文献)。太赫兹波一般指频率在0.1～10THz的电磁辐射，频率介于红外与微波之间。由于太赫兹波的光子能量远低于X射线，对生命体的损害小，所以太赫兹技术在无损探测、人体成像等领域具有巨大的应用前景。

传统的微测辐射热计焦平面阵列，其功能薄膜材料对红外波段的电磁辐射敏感，但对太赫兹波的响应较弱。所以，利用传统的微测辐射热计难于对太赫兹波进行直接、有效的室温探测。目前，使传统的微测辐射热计能够进行太赫兹波探测的方法主要有两种：一是改进探测的光学系统，采用适当的聚焦方法提高太赫兹光源的能量。2005年，美国麻省理工学院(MIT)的Alan Wei等人使用传统的红外微测辐射热计焦平面阵列探测器，通过优化光学系统对光源进行聚焦处理，实现了2.52THz连续波透射成像(参见Alan Wei,“Real-time,continuous-wave terahertz imaging by use of a microbolometer focal-plane array”,Optical Letters,30(19):2563-2565(2005)文献)。MIT的方案可以利用现有成熟的红外探测技术实现对太赫兹波的探测，但其灵敏度低，而且还需增加复杂的光学系统，不利于太赫兹探测器的小型化发展。另一种改进微测辐射热计的方法是在传统的微桥结构中增加一层太赫兹吸收层，以此增强微桥对太赫兹波的吸收。2008年，日本NEC公司通过在传统的红外微测辐射热计微桥的表面增镀一层特殊的金属薄膜，由此提高微桥对入射太赫兹波的吸收、实现太赫兹室温探测(参见Naoki Oda,“Detection of terahertz radiation from quantum cascade laser,using vanadiumoxide microbolometer focal plane arrays”,Proc.SPIE 6940(2):1-12(2008)文献)。这种探测器无需复杂的光学系统就可以直接对太赫兹波进行探测。所以，相比于MIT的方案，NEC通过增加太赫兹吸收层的方案更有优势、更加有利于太赫兹探测器小型化发展。但是，NEC方案的缺点是：高质量的太赫兹吸收薄膜的制备条件非常苛刻，而且，其太赫兹吸收率偏低(通常<10％)、且无法对入射电磁波的进行选择性响应。这些缺点影响了其在器件中的广泛应用。

2008年，Tao等人设计出被誉为“完美吸收器”的超材料，这种具有特殊结构的超材料在太赫兹波段的理论吸收率可高达90％以上(参见Tao H,“A metamaterial absorber for theterahertz regime:Design,fabrication andcharacterization”.Optical Express,16(10):7181-7188(2008)文献)。而且，与NEC所采用的金属薄膜吸收层相比，超材料吸收器不仅具有更高的太赫兹吸收特性、更高的选择性，还更容易对太赫兹波响应进行有效调节，即可以通过改变超材料的形状、尺寸、金属电导率、介质层厚度和介电常数等参数，实现对太赫兹波的响应频率、频带、和吸收率等光学性能的有效调节。目前，超材料吸收器的类型有多种，包括开口谐振环(SRRs)、互补型超材料、贴片型超材料等。其中，带有电场共振结构的SRRs具有极化特性，即超材料对电磁波的吸收率与入射光源的极化方向有关(参见WithayachumnankulW,“Metamaterials in the Terahertz Regime”.IEEE Photonics Technol.Lett.,1(2):99-117(2009)文献)。SRRs型超材料适用于对相干光源的探测，对于一般的非相干性太赫兹光源，可以选择非极化的贴片型超材料。目前，大多数超材料以硅片作为基底进行制备，对超材料的厚度没有限制。但是，如果把超材料集成在悬浮的微测辐射热计微桥上，将面临诸如结构尺寸受限于微桥的桥面面积、重量过大导致微桥坍塌或形变、以及制备工艺的兼容性等问题。

总之，基于超材料的太赫兹微测辐射热计也面临挑战。

发明内容

本发明所要解决的问题是如何利用现有的半导体工艺，在具有特定微小立体结构的、悬浮的微测辐射热计微桥的桥面上构造一种非极化的超材料太赫兹吸收器，使其在太赫兹波段(0.1THz～10THz)具有特定的高响应吸收。同时，还解决在制备超材料太赫兹吸收器过程中残余应力及材料重量对微桥产生的坍塌或形变等影响，使微测辐射热计保持高的力学稳定性。

本发明的技术方案为：基于超材料的太赫兹微测辐射热计，由超材料太赫兹吸收器和热探测器两部分组成，其中，热探测器包含底层的微桥支撑层、第二层的热敏电阻薄膜层、第三层的金属电极层和第四层的钝化层；超材料太赫兹吸收器包含底层金属膜层、中间介质层、顶层金属膜层；超材料太赫兹吸收器的底层金属膜与热探测器的钝化层相接触。

进一步地，热探测器中，微桥支撑层和钝化层均为非晶介质薄膜，非晶介质薄膜为非晶氮化硅、氧化硅、氮氧化硅材料当中的一种或者是它们的复合膜；金属电极层为金属Al、Au、Ti、TiN_x、TiSi_x、TiW_x、W、WSi_x、Ni、NiSi_x、Ta、TaN_x、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr当中的一种或者是它们的复合物；热敏电阻薄膜层为VO_x、TiO_x、BaTiO₃、非晶硅热敏电阻材料当中的一种或者是它们的复合物。

进一步地，超材料太赫兹吸收器中，底层金属膜层及顶层金属膜层为方形图形，材料为Al、Au、Ti、TiN_x、TiSi_x、TiW_x、W、WSi_x、Ni、NiSi_x、Ta、TaN_x、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr当中的一种或者是它们的复合物。中间介质层为非晶氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、聚酰亚胺、Al₂O₃、FeO_x、TiO_x、TiN_x、VO_x、VN_x、HfO_x、HfAlO_x、GaAs薄膜当中的一种或者是它们的复合物。

基于超材料的太赫兹微测辐射热计的制备方法，该微测辐射热计的制备包括以下步骤：步骤如下：

①清洗带有集成电路的硅片，利用反应器在硅片表面沉积一层厚度为5～5000nm的非晶氮化硅或氧化硅、氮氧化硅薄膜当中的一种或者是它们的复合膜，作为硅片钝化层；

②在硅片钝化层的表面利用反应器沉积一层金属Al、Au、Ti、TiN_x、TiSi_x、TiW_x、W、WSi_x、Ni、NiSi_x、Ta、TaN_x、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr当中的一种或者是它们的复合物，厚度为5～5000nm，然后利用刻蚀的方法，将金属层刻蚀出桥面形状，作为微桥的反射层；

③对硅片钝化层进行光刻、刻蚀处理，形成用于电路连接的通孔；

④在上述硅片上旋涂一层聚酰亚胺薄膜，厚度为0.5～10μm，并光刻出桥孔形状，然后进行热固化处理；

⑤利用反应器在硅片上继续沉积一层非晶氮化硅或氧化硅、氮氧化硅薄膜当中的一种或者是它们的复合膜，厚度为5～5000nm，作为微桥支撑层；

⑥在微桥支撑层的表面，利用反应器沉积一层VO_x、TiO_x、BaTiO₃、非晶硅热敏电阻薄膜当中的一种或者是它们的复合物，厚度为5～5000nm，然后经过刻蚀，作为微测辐射热计的热敏电阻薄膜层；

⑦在热敏电阻薄膜层的表面，利用反应器沉积一层金属Al、Au、Ti、TiN_x、TiSi_x、TiW_x、W、WSi_x、Ni、NiSi_x、Ta、TaN_x、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr当中的一种或者是它们的复合物，厚度为5～5000nm，然后经过刻蚀，形成金属电极层，作为微测辐射热计的电极；

⑧在热敏电阻薄膜层及金属电极层的表面，利用反应器沉积一层非晶氮化硅或氧化硅、氮氧化硅薄膜当中的一种或者是它们的复合膜，厚度为5～5000nm，作为热敏电阻薄膜层和金属电极层的钝化层以及微桥的应力调控层；

⑨在钝化层的表面，利用反应器沉积一层金属Al、Au、Ti、TiN_x、TiSi_x、TiW_x、W、WSi_x、Ni、NiSi_x、Ta、TaN_x、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr当中的一种或者是它们的复合物，厚度为5～5000nm，作为超材料太赫兹吸收器的底层金属膜层；

⑩在超材料底层金属薄膜的表面，利用反应器沉积一层非晶氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、聚酰亚胺、Al₂O₃、FeO_x、TiO_x、TiN_x、VO_x、VN_x、HfO_x、HfAlO_x、GaAs薄膜当中的一种或者是它们的复合物，厚度为10～10000nm，然后经过刻蚀，作为超材料太赫兹吸收器的中间介质层；

在超材料介质层的表面，利用反应器沉积另一层金属Al、Au、Ti、TiN_x、TiSi_x、TiW_x、W、WSi_x、Ni、NiSi_x、Ta、TaN_x、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr当中的一种或者是它们的复合物，厚度为5～5000nm，作为超材料太赫兹吸收器的顶层金属膜层；

利用刻蚀方法，通过掩膜刻蚀出特定尺寸的方形金属薄膜图形；

利用干法刻蚀的方法，刻蚀微桥的介质薄膜，直至裸露出微桥下方的聚酰亚胺薄膜，得到微测辐射热计微桥的桥面、桥墩、桥腿图形；

利用氧离子体去除微桥图形下方的聚酰亚胺，形成空腔，制备出基于方形超材料的微测辐射热计。

进一步地，超材料太赫兹吸收器的底层金属膜层与中间介质层的尺寸均为a1×b1，其中，长度a1为1～100μm，宽度b1为1～100μm；顶层方形金属薄膜的尺寸为a2×b2，其中，长度a2为1～100μm，宽度b2为1～100μm。

进一步地，制备步骤中，同时对超材料太赫兹吸收器的顶层金属膜层和底层金属膜层进行刻蚀，其中，顶层金属膜层以光刻胶作为掩膜，而底层金属膜层则用超材料的中间介质层氮化硅薄膜作为掩膜。

超材料太赫兹吸收器在特定的频段能够有效地吸收太赫兹波辐射，并将产生的热量传递给热探测器。热探测器则作为超材料太赫兹探测器的支撑和热探测单元。热探测器由四部分组成，由下至上依次为：微桥支撑层、热敏电阻薄膜、金属电极、钝化层。其中，微桥支撑层的作用主要是支撑整个悬浮微桥以及应力调控。

超材料太赫兹吸收器中，超材料的金属图形采用贴片型方形结构。相比于其它图形的超材料，方形结构超材料可以更加有效地提高占空比，而且，还具有重要的非极化响应特性，即超材料的光吸收率不随着入射电磁波方向的改变而发生变化。超材料太赫兹吸收器由三层材料组成，包括：最底层为一层方形金属薄膜，中间为一层介质层，顶层为另一层方形金属薄膜。通过优化方形超材料的尺寸和金属电导率以及介质层的厚度和介电常数等参数，使超材料在特定的太赫兹波段具有较高的响应特性。而且，通过调节超材料的尺寸及厚度，使微桥保持高的力学稳定性。在超材料的制备工艺方面，选择与半导体工艺相兼容的技术工艺，使其能够大规模生产。

制备微测辐射热计的热探测器的微桥支撑层、钝化层、电极、热敏电阻薄膜等功能材料所使用的反应器为等离子体增强化学气相沉积系统(PECVD)、或低压化学气相沉积系统(LPCVD)、真空热蒸发系统、电子束蒸发系统、磁控溅射系统、激光烧蚀系统等其中的一种。所述用于制备微桥的聚酰亚胺的厚度为0.5～10μm，最佳为1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、4μm、5μm等；所述微测辐射热计的热探测器的微桥支撑层和钝化层为非晶氮化硅、氧化硅、氮氧化硅材料当中的一种或者是它们的复合膜，其厚度为5～5000nm，最佳为50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、350nm、400nm、450nm、500nm等；所述的微测辐射热计的反射层和热探测器的电极为金属Al、Au、Ti、TiN_x、TiSi_x、TiW_x、W、WSi_x、Ni、NiSi_x、Ta、TaN_x、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr当中的一种或者是它们的复合物，其厚度为5～5000nm，最佳为10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm等；所述热探测器的热敏电阻薄膜为VO_x、TiO_x、BaTiO₃、非晶硅热敏电阻材料当中的一种或者是它们的复合物，其厚度为5～5000nm，最佳厚度为10nm、50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm等。

制备微测辐射热计的超材料太赫兹吸收器的底层及顶层金属薄膜、中间介质薄膜等功能材料所使用的反应器为等离子体增强化学气相沉积系统(PECVD)、或低压化学气相沉积系统(LPCVD)、真空热蒸发系统、电子束蒸发系统、磁控溅射系统、激光烧蚀系统等其中的一种。所述微测辐射热计中超材料太赫兹吸收器的中间介质层为非晶氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、聚酰亚胺、Al₂O₃、FeO_x、TiO_x、TiN_x、VO_x、VN_x、HfO_x、HfAlO_x、GaAs薄膜当中的一种或者是它们的复合物，其厚度为10～10000nm，最佳为50nm、100nm、200nm、500nm、1000nm、2000nm、3000nm、4000nm、5000nm、6000nm、7000nm、8000nm等；所述超材料太赫兹吸收器的底层及顶层金属薄膜为Al、Au、Ti、TiN_x、TiSi_x、TiW_x、W、WSi_x、Ni、NiSi_x、Ta、TaN_x、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr当中的一种或者是它们的复合物，其厚度为5～5000nm，最佳为10nm、50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm等；所述超材料的底层方形金属膜与中间介质层的长度a1与宽度b1、以及顶层方形金属膜的长度a2与宽度b2为1～100μm，最佳为10μm、12μm、15μm、18μm、21μm、26μm等。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明针对传统的微测辐射热计无法有效地吸收太赫兹波的缺点，提出在传统的微测辐射热计的微桥上集成超材料太赫兹吸收器，由此结合传统的微测辐射热计的室温探测和超材料的太赫兹高吸收率等优点，获得综合性能优良的基于超材料的太赫兹微测辐射热计。这种基于方形超材料的太赫兹微测辐射热计具有较高的太赫兹吸收率、吸收选择性、占空比、以及力学稳定性等综合优良性能。而且，该微测辐射热计的制备与半导体工艺完全相兼容，适合大规模生产。

附图说明

图1本发明提出的基于超材料的太赫兹微测辐射热计微桥结构的俯视图；

图2本发明提出的基于超材料的微测辐射热计的切面图；

其中，1、微桥的桥面；2、微桥的桥腿；3、微桥的桥墩；4、底层金属膜层；5、顶层金属膜层；6、中间介质层；201、硅片钝化层；202、微桥金属反射层；203、微桥支撑层；204、热敏电阻薄膜层；205、金属电极层；206、钝化层；301、聚酰亚胺层；401、硅基底。

图3超材料太赫兹吸收器的结构示意图：

a1：超材料的底层金属薄膜与中间介质层的长度；b1:超材料的底层金属薄膜与中间介质层的宽度；a2:超材料的顶层金属薄膜的长度；b2:超材料的顶层金属薄膜的宽度。

图4没有包含超材料吸收器的传统的微测辐射热计和本发明提出的包含有超材料吸收器的太赫兹微测辐射热计在太赫兹波段的吸收率仿真对比图：

其中，微桥结构1曲线：没有包含超材料太赫兹吸收器的传统的微测辐射热计在太赫兹波段的吸收仿真结果；微桥结构2曲线：本发明提出的包含有超材料太赫兹吸收器的微测辐射热计在太赫兹波段的吸收仿真结果。

图5超材料太赫兹吸收器的响应频率随着超材料的结构参数变化而发生移动的仿真结果：

其中，曲线1：超材料顶层金属薄膜的尺寸为a2＝18μm、b2＝12μm，中间介质层为厚度为500nm的氧化铝薄膜；曲线2：超材料顶层金属薄膜的尺寸为a2＝18μm、b2＝12μm，中间介质层为厚度为500nm的氮化硅薄膜；曲线3：超材料顶层金属薄膜的尺寸为a2＝15μm、b2＝10μm，中间介质层为厚度为500nm的氮化硅薄膜。3种情况下，底层金属薄膜与中间介质层的尺寸均为：a1＝21μm、b1＝15μm。

图6基于超材料的太赫兹微测辐射热计在500MPa残余应力作用下的微桥形变的仿真结果；

图7本发明提出的基于方形超材料的太赫兹微测辐射热计阵列的扫描电子显微镜(SEM)实物俯视图；

图8本发明提出的基于方形超材料的太赫兹微测辐射热计阵列的SEM实物倾角图。

具体实施方式

如图1和图2所示，基于超材料的太赫兹微测辐射热计，由超材料太赫兹吸收器和热探测器两部分组成，其中，热探测器包含底层的微桥支撑层203、第二层的热敏电阻薄膜层204、第三层的金属电极层205和第四层的钝化层206；超材料太赫兹吸收器包含底层金属膜层4、中间介质层6、顶层金属膜层5；超材料太赫兹吸收器的底层金属膜4与热探测器的钝化层206相接触。通过改变超材料的结构形状和金属电导率、以及中间介质层6的厚度和介电常数等，调节对太赫兹波的响应频率、频带和吸收率等性能，从而获得在特定频带下具有高太赫兹响应特性、高力学稳定性的太赫兹室温微测辐射热计。

本发明的制作基于超材料的太赫兹微测辐射热计的实施例如下：

①清洗带有集成电路的硅片401，吹干后置于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统中，在硅片的表面沉积一层厚度为5～5000nm的非晶氧化硅薄膜，作为硅片钝化层201；

②在非晶氧化硅薄膜的表面，利用磁控溅射系统沉积一层NiCr薄膜，厚度为5～5000nm，然后采用湿法腐蚀技术，将NiCr薄膜刻蚀出桥面形状，作为微桥金属反射层202；

③对非晶氧化硅钝化层进行光刻、刻蚀处理，形成用于电路连接的通孔；

④在硅片上旋涂一层聚酰亚胺薄膜301，厚度为0.5～10μm，光刻出桥孔形状，然后进行热固化处理；

⑤在硅片上继续利用磁控溅射系统沉积一层非晶氮化硅薄膜，厚度为5～5000nm，作为微桥支撑层203；

⑥在微桥支撑层203的表面，利用磁控溅射系统沉积一层氧化钒(VO_x)薄膜，厚度为5～5000nm，然后进行光刻、刻蚀，形成微测辐射热计的热敏电阻薄膜层204；

⑦在VO_x薄膜204的表面，利用磁控溅射沉积一层金属NiCr薄膜，厚度为5～5000nm，然后进行刻蚀、图形化，作为微测辐射热计微桥的金属电极层205。

⑧在VO_x薄膜和NiCr电极的表面，利用PECVD沉积另一层非晶氮化硅薄膜，厚度为5～5000nm，作为VO_x薄膜和NiCr电极的钝化层206以及器件的应力调控层。

⑨在钝化层206的表面，利用真空蒸发系统沉积一层金属铝(Al)薄膜，厚度为5～5000nm，作为超材料太赫兹吸收器的底层金属膜层4；

⑩底层金属膜层4未进行光刻、刻蚀处理，而作为超材料太赫兹吸收器的氮化硅中间介质层6和微桥表面的氮化硅薄膜之间的隔离层，防止在刻蚀超材料的氮化硅介质层的同时刻蚀桥面氮化硅薄膜。利用PECVD沉积一层非晶氮化硅薄膜，厚度为10～10000nm，然后进行光刻、刻蚀，作为超材料太赫兹吸收器的中间介质层6；

在中间介质层6的表面，利用真空蒸发系统沉积另一层金属Al薄膜，厚度为5～5000nm，作为超材料太赫兹吸收器的顶层金属膜层5；

将硅片用光刻机曝光出超材料的顶层金属膜层5的方形图案。此时，光刻胶作为图形的掩膜，而图形化后的超材料的中间介质层6则作为超材料的底层金属膜4的掩膜。然后，对超材料的顶层金属膜层5和底层金属膜层4同时进行腐蚀，得到方形图案。制备出超材料太赫兹吸收器；

在上述步骤完成后的硅片上利用曝光机光刻出微桥的桥面图形，然后刻蚀微桥的氮化硅钝化层和氮化硅支撑层、直至裸露出微桥下方的聚酰亚胺薄膜301，得到微桥的桥面1、桥腿2、及桥墩3图形；

利用氧离子体去除微桥下方的聚酰亚胺薄膜301，形成空腔，作为热探测器的光学谐振腔。由此制备出图1、2、7及8所示的基于超材料的太赫兹微测辐射热计。

本发明提出的基于超材料的太赫兹微测辐射热计的热探测器的支撑层和钝化层、以及超材料太赫兹吸收器的介质层不受特别限制，除了氮化硅(SiN_x)薄膜，还可以是非晶硅(a-Si)薄膜、其它厚度及组分的氧化硅(SiO_x)薄膜、氮氧化硅(SiN_xO_y)薄膜，或者是聚酰亚胺、氧化铁(FeO_x)、氧化钛(TiO_x)、氮化钛(TiN_x)、氧化钒(VO_x)、氮化钒(VN_x)、砷化镓(GaAs)、氧化铝(AlO_x)、氧化铪(HfO_x)、氧化铝铪(HfAlO_x)薄膜等其中的一种或者是它们的复合膜。本发明提出的微测辐射热计的微桥电极、微桥光反射层、超材料底层及顶层金属层也不受特别限制，可以是金属Al、Au、Ti、TiN_x、TiSi_x、TiW_x、W、WSi_x、Ni、NiSi_x、Ta、TaN_x、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr当中的一种或者是它们的复合物。本发明采用的热敏电阻材料也不受特别限制，可以是氧化钒薄膜、氧化钛薄膜、钛酸钡薄膜、非晶硅薄膜、氧化钒复合膜、氧化钛复合薄膜、钛酸钡复合膜、非晶硅复合膜当中的一种或者是它们的复合物。本发明提出的微桥的桥腿的形状也不受特别限制，可以是L型、I型、S型、或业内所知的其它形状的悬浮微桥的桥腿形状当中的一种。本发明提出的超材料太赫兹吸收器的底层及顶层金属图形也不受特别限制，可以是方形、圆形、椭圆形、I性、或业内所知的其它形状的超材料金属图形当中的一种。

经如下分析，可证明本发明提出的采用方形超材料作为太赫兹探测器微测辐射热计的太赫兹吸收器，能够在保持较高的力学稳定性的前提下，有效地增强探测器的太赫兹吸收率，提高太赫兹室温探测器的性能。

本发明提出的方形超材料如图3所示，其中，底层金属薄膜和中间介质层的尺寸相同，均为a1×b1；顶层金属薄膜的尺寸为a2×b2。经过仿真优化后，本发明采用的尺寸参数为：a1＝21μm、b1＝15μm，a2＝18μm、b2＝12μm。超材料相对桥面的占空比约70％，桥面的利用率高。

超材料中底层金属膜层和顶层金属膜层均使用高电导率金属材料，为金属Al、Au、Ti、TiN_x、TiSi_x、TiW_x、W、WSi_x、Ni、NiSi_x、Ta、TaN_x、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr当中的一种或者是它们的复合物。本发明实施例中使用的金属材料为Al，其电导率为2.5×10⁷S/m，厚度为100nm，由电子束蒸发技术制备。超材料的中间介质层6的制备也与半导体工艺相兼容，该介质材料为非晶氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、聚酰亚胺、Al₂O₃、FeO_x、TiO_x、TiN_x、VO_x、VN_x、HfO_x、HfAlO_x、GaAs薄膜当中的一种或者是它们的复合膜。本发明实施例中选择非晶氮化硅作为超材料的介质薄膜，采用PECVD系统，在硅烷/氨气比为SiH₃:NH₃＝30:150(sccm)、沉积温度为300℃的条件下沉积了13分54秒，沉积的氮化硅薄膜的厚度为500nm，氮化硅薄膜的介电常数为3.8。

图4仿真结果表明，对于未含有超材料太赫兹吸收器的传统的微测辐射热计微桥，该结构在太赫兹波段(1-10THz)的吸收率<1％、几乎没有响应，如图4的微桥结构1曲线所示。但是，如果把超材料太赫兹吸收器复合到该微桥中之后，微测辐射热计在5.7THz的吸收率明显地升高至40％，吸收率比微桥结构1曲线提高了2个数量级以上，如图4中微桥结构2曲线所示。而且，微桥结构2曲线的结果还明显地高于NEC公司采用特殊金属薄膜的太赫兹吸收率。图4结果说明，本发明提出的基于超材料吸收器的微测辐射热计的太赫兹吸收率、选择性均获得明显增强。

对于图1-3所示的方形超材料，当其尺寸发生变化时，超材料对入射太赫兹的响应情况如图5所示。图5中曲线2显示，在固定底层方形金属薄膜的情况下，当采用厚度为500nm的氮化硅薄膜作为超材料的介质层时，如果顶层方形金属薄膜的尺寸为a2＝18μm、b2＝12μm，超材料吸收器将在5.7THz获得高达96％的吸收率。但是，如果缩小超材料的顶层金属薄膜的尺寸，使其由a2＝18μm、b2＝12μm缩小到a2＝15μm、b2＝10μm时，超材料的太赫兹中心响应频率将从5.7THz(曲线2)移动到6.8THz(曲线3)，向高频方向蓝移了1.1THz，如图5所示。相反，如果增大表层金属薄膜的尺寸，超材料吸收器的响应频率将向低频移动。另一方面，在固定顶层金属薄膜(a2＝18μm、b2＝12μm)的情况下，如果采用氧化铝(介电常数为11)作为超材料的介质层，相比于采用氮化硅薄膜(介电常数为3.8)作为介质的超材料，超材料的中心响应频率将从5.7(曲线2)THz移动到3.4THz(曲线1)，向低频方向红移了2.3THz(图5)。相反，选择低介电常数的介质材料可使超材料吸收器的响应频率向高频移动。

图5结果表明，使超材料太赫兹吸收器的中心响应频率向低频移动的方法有：①在超材料中介质层和金属的厚度和材料参数不变的情况下，增大顶层方形金属薄膜的长度与宽度值；②在超材料中金属薄膜的尺寸和材料参数不变的情况下，选择介电常数大的介质材料。相反，如果相应地减小顶层金属薄膜的长度与宽度值、或者是选择介电常数更小的介质材料，都将使超材料太赫兹吸收器的响应频率向高频移动。依据以上控制规律，可以设计出在不同的太赫兹频段具有高吸收率的超材料太赫兹吸收器。由此可见，通过改变超材料的金属尺寸和电导率、或者选择具有不同介电常数及厚度的介质材料等方式，能够控制超材料对入射电磁波的响应频率、频带、吸收率等，从而使所制备的微测辐射热计对入射太赫兹进行高效率的选择性吸收。

图6为本发明提出的基于超材料的微测辐射热计在500MPa的应力作用下，微桥的形变分布图。结果表明，该条件下，微桥的最大形变值仅为0.76μm，说明本发明提出的基于方形超材料的微测辐射热计结构具有优良的力学稳定性。图7-8为已制作出的本发明提出的基于方形超材料的微测辐射热计微桥结构的实物SEM图。结果表明，采用传统的微加工技术，能够制作本发明提出的基于超材料的微测辐射热计微桥结构。而且，悬浮微桥没有发生坍塌、其形变位移小(与仿真相吻合)、结构稳定。说明本发明提出的微桥结构不仅具有高度灵敏的太赫兹响应特性，还具有优良的力学稳定性，能够有效地提高器件性能，满足太赫兹室温探测器的需要。

概括起来，本发明提出一种采用超材料制作微测辐射热计的太赫兹吸收器，能够在保持力学稳定性的前提下，明显地提高器件的太赫兹吸收率、实现对入射电磁波的选择性响应等，提高太赫兹室温探测器的综合性能。本发明所制备的基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计微桥具有如下优点：

(1)与传统的室温微测辐射热计相比，本发明采用超材料作为太赫兹探测器微测辐射热计的太赫兹吸收器，极大地提高了器件的太赫兹吸收率，克服了现有微测辐射热计太赫兹吸收率低的缺点；

(2)本发明采用超材料制作微测辐射热计的太赫兹吸收器，还能够增强对入射太赫兹波的选择性响应吸收，克服了现有的微测辐射热计对太赫兹波选择性差的缺点；

(3)本发明采用方形金属图形，还使超材料具有重要的非极化响应特性，从而实现微测辐射热计对入射太赫兹的宽角响应。同时，由于采用贴片型方形超材料作为太赫兹吸收器，能够有效地提高占空比达；

(4)本发明采用方形超材料太赫兹吸收器与热探测器相集成的方式，还能在具有较高的太赫兹吸收率的前提下，使微桥具有优良的力学稳定性；

(5)本发明通过优化超材料的金属尺寸和电导率、以及介质层的厚度和介电常数等方式，能够进一步调控超材料的太赫兹响应特性；

(6)在制备工艺上，超材料太赫兹吸收器的制备还选择了与传统微桥的制备相兼容的技术与工艺，对设备要求低、成膜工艺简单，有利于大规模生产。

所以，本发明把超材料太赫兹吸收器集成到室温微测辐射热计当中，可以克服现有技术中所存在的缺陷，降低工艺难度，同时明显地提高器件的综合性能，满足太赫兹室温探测器的特殊需要，适宜大规模产业化生产。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims

1.基于超材料的太赫兹微测辐射热计，其特征在于，由超材料太赫兹吸收器和热探测器两部分组成，其中，热探测器包含底层的微桥支撑层、第二层的热敏电阻薄膜层、第三层的金属电极层和第四层的钝化层；超材料太赫兹吸收器包含底层金属膜层、中间介质层、顶层金属膜层；超材料太赫兹吸收器的底层金属膜与热探测器的钝化层相接触。

2.根据权利要求1所述的基于超材料的太赫兹微测辐射热计，其特征在于，热探测器中，微桥支撑层和钝化层均为非晶介质薄膜，非晶介质薄膜为非晶氮化硅、氧化硅、氮氧化硅材料当中的一种或者是它们的复合膜；金属电极层为金属Al、Au、Ti、TiN_x、TiSi_x、TiW_x、W、WSi_x、Ni、NiSi_x、Ta、TaN_x、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr当中的一种或者是它们的复合物；热敏电阻薄膜层为VO_x、TiO_x、BaTiO₃、非晶硅热敏电阻材料当中的一种或者是它们的复合物。

3.根据权利要求1所述的基于超材料的太赫兹微测辐射热计，其特征在于，超材料太赫兹吸收器中，底层金属膜层及顶层金属膜层为方形图形，材料为Al、Au、Ti、TiN_x、TiSi_x、TiW_x、W、WSi_x、Ni、NiSi_x、Ta、TaN_x、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr当中的一种或者是它们的复合物。中间介质层为非晶氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、聚酰亚胺、Al₂O₃、FeO_x、TiO_x、TiN_x、VO_x、VN_x、HfO_x、HfAlO_x、GaAs薄膜当中的一种或者是它们的复合物。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于超材料的太赫兹微测辐射热计的制备方法，其特征在于，步骤如下：

5.根据权利要求4所述的基于超材料的太赫兹微测辐射热计的制备方法，其特征在于，超材料太赫兹吸收器的底层金属膜层与中间介质层的尺寸均为a1×b1，其中，长度a1为1～100μm，宽度b1为1～100μm；顶层方形金属薄膜的尺寸为a2×b2，其中，长度a2为1～100μm，宽度b2为1～100μm。

6.根据权利要求4所述的基于超材料的太赫兹微测辐射热计的制备方法，其特征在于，制备步骤中，同时对超材料太赫兹吸收器的顶层金属膜层和底层金属膜层进行刻蚀，其中，顶层金属膜层以光刻胶作为掩膜，而底层金属膜层则用超材料的中间介质层氮化硅薄膜作为掩膜。