CN104953223A - 一种螺旋天线耦合微桥结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺旋天线耦合微桥结构及其制备方法，属于螺旋天线耦合微桥结构及其制备方法的技术领域，解决现有技术中金属薄膜的吸收率更低，且只能单独用作太赫兹辐射吸收层的问题。本发明包括衬底，设置在衬底上的驱动电路，驱动电路上设置的电路接口，设置在驱动电路和衬底上的牺牲层，支撑层、带馈点的螺旋天线层、可露出螺旋天线层馈点的钝化层自下而上依次设置在牺牲层上，在螺旋天线层的馈点处设置有氧化钒层，支撑层和螺旋天线层分别与电路接口相连接。本发明用于红外与太赫兹探测与成像。
Description
技术领域
一种螺旋天线耦合微桥结构及其制备方法，用于红外与太赫兹探测与成像，属于螺旋天线耦合微桥结构及其制备方法的技术领域。
背景技术
红外探测技术作为对人类感官的补充和扩展，在民用和军用方面得到了广泛的应用。目前比较成熟的光子探测器已经应用到了通信、医学、军事等领域，但因为其工作时必须制冷，造成整个系统庞大，结构复杂而且成本偏高，从而无法大规模的推广应用。大规模集成电路技术的发展使非制冷红外探测器的研制成为可能。目前非制冷红外焦平面阵列(IRFPA)技术已经成为红外探测技术最主流的方向，这种技术使我们在常温下就能获得具有很高敏感性能的红外探测器。另外，其成本低、体积小、重量轻、功耗小和响应波段宽等很多优点，使其大规模市场化成为可能。
目前非制冷红外焦平面探测器的主流技术为热敏电阻式微测热辐射计。要实现室温下的红外探测，探测结构的设计是非制冷红外焦平面器件的关键。微桥结构是一种典型的探测结构。采用光刻方法在牺牲层上制作出支撑层和敏感层图案而最后去除牺牲层的方法，可以形成一个独立式的热绝缘微桥结构。微桥由桥墩、桥腿和桥面组成，制作在带有读出电路的衬底上，桥墩支撑起桥腿和桥面，使桥腿和桥面悬空，红外吸收层与热敏薄膜淀积在桥面上。在器件工作时，采用锗制作的透镜来收集和聚焦红外辐射到位于光学系统焦平面上的敏感元件阵列上，目标红外辐射的变化被桥面上的红外探测薄膜探测到，反映到热敏薄膜温度和电阻的变化，通过制作在微桥中的电学通道将这一变化传递到衬底读出电路，还原成图像信息，实现对目标信号的探测。为了充分利用物体的红外辐射，通常在牺牲层底部增加一层反射结构以提高敏感层对红外辐射的吸收，通常认为敏感层与反射层距离为入射红外光线波长的1/4时形成的微腔吸收效果最好。
根据使用的热敏电阻材料的不同，非制冷红外焦平面探测器可以分为氧化钒(VOx)探测器和非晶硅探测器两种。氧化钒技术由美国的Honeywell公司在90年代初研发成功，目前其专利授权BAE、L‐3/IR、FLIR‐INDIGO、DRS、NEC、以及SCD等几家公司生产。非晶硅技术主要由法国的CEA/LETI/LIR实验室在九十年代末研发成功，目前主要由法国的SOFRADIR和ULIS公司生产。氧化钒对室温电阻温度变化很敏感，可得到较大的电阻温度系数(TCR，一般为–2％/K～–3％/K)，电阻值可控制在几千欧至几万欧，1/f噪声较低，同时薄膜沉积技术成熟，是目前非致冷红外焦平面探测器首选的热敏电阻材料。Raytheon、BAE、DRS、Indigo、NEC以及SCD等公司都能生产160×120～640×480阵列的氧化钒非致冷红外焦平面探测器，其噪声等效温差(NETD)为20～100mK。目前，BAE和DRS公司都正在研究1024×1024阵列、像元尺寸15μm、NETD为50mK的大规模氧化钒非致冷红外焦平面探测器。
太赫兹(Terahertz，THz)波指频率介于0.1～10THz(波长3mm～30μm)的电磁辐射，其电磁波谱位于微波和红外波段之间。因此，太赫兹系统兼顾电子学和光学系统的优势。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以致于该波段被称为电磁波谱中的太赫兹空隙。该波段也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。与其它波段的电磁波相比，太赫兹电磁波具有如下独特的性质：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，可用于对藏匿物体进行探测。太赫兹波的这些特点使其在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯、尤其是在卫星通讯和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。近年来由于自由电子激光器和超快激光技术的发展，为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使太赫兹辐射的产生机理、检测技术和应用技术的研究得到蓬勃发展。
太赫兹探测器是太赫兹技术应用的关键器件。在太赫兹探测器的开发和应用中，检测太赫兹辐射信号具有举足轻重的意义。传统的非制冷红外焦平面阵列结构，理论上可以用于太赫兹波段的探测与成像。根据1/4波长理论，以辐射频率3THz为例，为充分吸收太赫兹辐射，非制冷红外焦平面阵列的光学谐振器高度应为25μm(入射辐射的1/4波长)。但这样的谐振腔高度在器件的制备上难以实现(传统非制冷红外焦平面阵列的谐振腔高度约为1.5～3μm)。若不改变谐振腔高度，其膜系结构对太赫兹辐射的吸收极低，使得信号检测的难度较大。在文献(F.Simoens,etc,“Terahertz imaging with a quantum cascade laser andamorphous‐silicon microbolometer array”,Proceedings of SPIE,vol.7485,pp.74850M‐1–74850M‐9,2009)中，将基于非晶硅的非制冷红外焦平面阵列用于太赫兹成像，经过模拟和实验测量，探测单元的太赫兹辐射吸收率仅为0.16～0.17％。因此，目前常用的解决方法是：保持非制冷红外焦平面阵列的谐振腔高度不变，增加一层专门的太赫兹辐射吸收层在膜系结构的顶层上，以实现太赫兹辐射的探测与成像。Alan W.M.Lee等报道了采用160×120非制冷红外焦平面阵列进行实时、连续太赫兹波成像。敏感材料为位于氮化硅微桥上的氧化钒层。他们提出，为提高信噪比和空间分辨率，需改进焦平面阵列的设计，其中的主要工作是优化太赫兹辐射吸收材料(Alan W.M.Lee,etc,“Real‐time,continuous‐wave terahertzimaging by use of a microbolometer focal‐plane array”,Optics Letters,vol.30,pp.2563–2565,2005)。
薄的金属或金属复合薄膜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，常用作太赫兹微阵列探测器的吸收层。N.Oda等采用基于氧化钒热敏薄膜的320×240和640×480非制冷红外焦平面阵列进行太赫兹辐射的探测。由于原有膜系结构对太赫兹辐射的吸收率仅为2.6～4％。因此，他们在膜系结构的顶层增加一层具有适当方块电阻的金属薄膜用作太赫兹辐射吸收层，将入射辐射频率为3THz时的噪声等效功率降至40pW(N.Oda,etc,“Detection of terahertz radiation from quantum cascadelaser using vanadium oxide microbolometer focal plane arrays”,Proceedings of SPIE,vol.6940,pp.69402Y‐1–69402Y‐12,2008)。将金属薄膜用作太赫兹辐射吸收层在文献(L.Marchese,etc,“A microbolometer‐based THz imager”,Proceedings of SPIE,vol.7671,pp.76710Z‐1–76710Z‐8,2010)中也有报道，通过优化金属吸收层的厚度可将太赫兹辐射吸收最大化。在专利201310124924.8中公开了一种红外‐太赫兹双波段阵列探测器微桥结构及其制备方法，微桥结构的顶层为双层氧化钒层，下层氧化钒层为具有高电阻温度系数(TCR)的无相变氧化钒层，用作红外与太赫兹波段的敏感层，上层氧化钒层具有较低的相变温度，可发生半导体相‐金属相的可逆相变，半导体相时与下层氧化钒层一起用作红外吸收层，相变为金属相后用作太赫兹辐射吸收层。然而金属薄膜的吸收率有限，理想情况下无支撑金属薄膜的太赫兹辐射吸收率最高只有50％，集成到微桥结构中的金属薄膜的吸收率更低，而制备天线吸收结构可以大幅提高微桥结构的吸收效率，理论上吸收率可以达到100％。同时，以上方法中的微桥结构均采用增加的一层材料单独用作太赫兹辐射吸收层。
发明内容
本发明针对现有技术的不足之处提供了一种螺旋天线耦合微桥结构及其制备方法，解决现有技术中金属薄膜的吸收率更低，且只能单独用作太赫兹辐射吸收层的问题。
为了实现上述目的，本发明的优点在于：
一种螺旋天线耦合微桥结构，其特征在于，包括衬底，设置在衬底上的驱动电路，驱动电路上设置的电路接口，设置在驱动电路和衬底上的牺牲层，自下而上依次设置在牺牲层上的支撑层、带馈点的螺旋天线层、可露出螺旋天线层馈点的钝化层，在螺旋天线层的馈点处设置有氧化钒层，支撑层和螺旋天线层分别与电路接口相连接。
进一步，所述螺旋天线层为铝、钨、钛、铂、镍、铬或者任何一种它们的合金，厚度为10～100nm。
进一步，所述氧化钒层的电阻温度系数为–2％/K～–6％/K，厚度为30～200nm。
进一步，所述氧化钒层为矩形，氧化钒层宽度与螺旋天线层的线条宽度相同，氧化钒层的面积为支撑层面积的1％～20％，螺旋天线层设置在整个支撑层上。
进一步，所述牺牲层的材料为聚酰亚胺、二氧化硅、氧化的多孔硅和磷硅玻璃中的一种；所述支撑层由单层薄膜或多层薄膜构成，材料为二氧化硅或者氮化硅，支撑层的厚度在0.1～1μm之间；所述钝化层的材料为二氧化硅或者氮化硅，厚度在0.05～0.5μm之间。
一种螺旋天线耦合微桥结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
①将驱动电路集成到衬底上，再在带有驱动电路的衬底上制备牺牲层，牺牲层未制备在驱动电路的电路接口上；
②在牺牲层上制备支撑层，并使支撑层与驱动电路的电路接口相连接；
③在支撑层上制备螺旋天线层，并使螺旋天线层与驱动电路的电路接口相连接，图形化螺旋天线层得到带馈点的螺旋天线层；
④在螺旋天线层上制备钝化层，图形化钝化层，得到露出螺旋天线层的馈点的钝化层；
⑤在螺旋天线层的馈点处制备氧化钒层，并图形化氧化钒层为矩形图案；
⑥释放牺牲层，形成螺旋天线耦合微桥结构，然后进行封装形成探测单元。
进一步，所述步骤③中，图形化螺旋天线层采用光刻与反应离子刻蚀工艺完成，反应离子刻蚀气体为BCl3、Cl2氯基金属刻蚀剂和N2、CH4等中性气体，BCl3和Cl2的流量比为10:30～90：10，中性气体的流量为0～90sccm，射频功率为100～500W，反应室压力为2～10Pa；螺旋天线层为金属薄膜，螺旋天线层的线条宽度为0.5～10μm，相邻线条的间隙宽度为0.5～15μm，螺旋天线层的馈点处间隔距离为0.5～10μm。
进一步，所述步骤④中，图形化钝化层采用反应离子刻蚀工艺完成，反应离子刻蚀气体为CHF3、CF4、SF6等氟基气体中的一种或几种与O2的混合气体，设置氟基气体与O2的流量比为10:20～90：10，射频功率为100～500W，反应室压力为2～10Pa；刻蚀钝化层后形成矩形通孔图案，露出螺旋天线层的馈点，通孔图案宽度为0.5～10μm，与螺旋天线层的线条宽度相同，长度大于螺旋天线层的馈点处间隔距离1～20μm。
进一步，所述步骤⑤中，氧化钒层采用磁控溅射法制备；溅射时控制溅射功率为100～500W，氧分压为0.5％～10％，溅射时间为5～60min，退火温度为200～600℃；氧化钒层的图形化采用光刻与反应离子刻蚀工艺完成，反应离子刻蚀气体为BCl3、Cl2氯基金属刻蚀剂和N2、CH4等中性气体；BCl3和Cl2的流量比为10:30～90：10，中性气体的流量为0～90sccm，射频功率为100～500W，反应室压力为2～10Pa；图形化氧化钒层为矩形图案，覆盖螺旋天线层的馈点，氧化钒层的宽度为0.5～10μm，与螺旋天线层的线条宽度相同，长度为1～30μm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
一、本发明采用螺旋天线层(金属薄膜)同时作为光吸收层和电极引线层，采用位于螺旋天线层馈点处的小尺寸氧化钒层作为热敏感层，螺旋天线层具有吸收率高、宽带吸收、可调谐、偏振探测等特点；
二、螺旋天线层同时用作电极引线，可简化工艺、方便集成；
三、氧化钒层热敏薄膜面积较小，具有较高的探测灵敏度；
四、通过调整天线结构参数，可实现红外与太赫兹波段探测与成像，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1中a～g为本发明的螺旋天线耦合微桥结构的简易制备流程的剖面示意图，其中图a为已具有驱动电路的衬底，图b为制备好牺牲层的衬底，图c为制备好支撑层的衬底，图d为制备好螺旋天线层的衬底，图e为制备好钝化层的衬底，图f为制备好氧化钒层的衬底，图g为释放掉牺牲层后的器件结构剖面示意图；
图2中a～c为本发明的螺旋天线耦合微桥结构的简易制备流程的俯视图，其中图a为已制备有牺牲层、支撑层的衬底，图b为制备好螺旋天线层的衬底，图c为制备好氧化钒层的微桥结构俯视图，钝化层未显示；
图3为本发明实施例2中螺旋天线耦合微桥结构的太赫兹辐射吸收曲线；
图中：10‐衬底、20‐驱动电路、21‐电路接口、30‐牺牲层、40‐支撑层、50‐螺旋天线层、60‐钝化层、70‐氧化钒层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
一种螺旋天线耦合微桥结构，包括衬底10，设置在衬底10上的驱动电路20，驱动电路20上设置的电路接口21，设置在驱动电路20和衬底10上的牺牲层30，自下而上依次设置在牺牲层30上的支撑层40、带馈点的螺旋天线层50、可露出螺旋天线层50馈点的钝化层60，在螺旋天线层50的馈点处设置有氧化钒层70，支撑层40和螺旋天线层50分别与电路接口21相连接。
微桥结构中，谐振腔高度为1.5～3μm(约红外辐射波长的1/4)，以充分吸收红外波段的目标辐射，所述牺牲层的材料为聚酰亚胺、二氧化硅、氧化的多孔硅、磷硅玻璃等，牺牲层可以用氧等离子轰击、反应离子刻蚀或者用化学试剂去除；支撑的材料要求其具有一定的刚性保证微桥结构的稳定性，具有低的应力保证微桥受热形变较小，同时尽量选择热传导较低的材料来制备支撑层，所述支撑层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，支撑层的厚度在0.1～1μm之间；所述螺旋天线层材料为铝、钨、钛、铂、镍、铬或者任何(铝、钨、钛、铂、镍、铬)一种它们的合金，厚度为10～100nm；所述钝化层用作图形化氧化钒层时的阻挡层和螺旋天线层的保护层，材料为二氧化硅或者氮化硅，厚度在0.05～0.5μm之间；所述氧化钒层用作热敏感层，电阻温度系数为–2％/K～–6％/K，厚度为30～200nm。所述氧化钒层70为矩形，氧化钒层70宽度与螺旋天线层50的线条宽度相同，氧化钒层70的面积为支撑层面积的1％～20％，螺旋天线层50设置在整个支撑层40。
一种螺旋天线耦合微桥结构的制备方法，包括如下步骤：
①将驱动电路集成到衬底上，再在带有驱动电路的衬底上制备牺牲层，牺牲层未制备在驱动电路的电路接口上；
②在牺牲层上制备支撑层，并使支撑层与驱动电路的电路接口相连接；
③在支撑层上制备螺旋天线层，并使螺旋天线层与驱动电路的电路接口相连接，图形化螺旋天线层得到带馈点的螺旋天线层；图形化螺旋天线层采用光刻与反应离子刻蚀工艺完成，反应离子刻蚀气体为BCl3、Cl2氯基金属刻蚀剂和N2、CH4等中性气体，BCl3和Cl2的流量比为10:30～90：10，中性气体的流量为0～90sccm，射频功率为100～500W，反应室压力为2～10Pa；螺旋天线层为金属薄膜，螺旋天线层的线条宽度为0.5～10μm，相邻线条的间隙宽度为0.5～15μm，螺旋天线层的馈点处间隔距离为0.5～10μm。
④在螺旋天线层上制备钝化层，图形化钝化层，得到露出螺旋天线层的馈点的钝化层；图形化钝化层采用反应离子刻蚀工艺完成，反应离子刻蚀气体为CHF3、CF4、SF6等氟基气体中的一种或几种与O2的混合气体，设置氟基气体与O2的流量比为10:20～90：10，射频功率为100～500W，反应室压力为2～10Pa；刻蚀钝化层后形成矩形通孔图案，露出螺旋天线层的馈点，通孔图案宽度为0.5～10μm，与螺旋天线层的线条宽度相同，长度大于螺旋天线层的馈点处间隔距离1～20μm。
⑤在螺旋天线层的馈点处制备氧化钒层，并图形化氧化钒层为矩形图案；氧化钒层采用磁控溅射法制备；溅射时控制溅射功率为100～500W，氧分压为0.5％～10％，溅射时间为5～60min，退火温度为200～600℃；氧化钒层的图形化采用光刻与反应离子刻蚀工艺完成，反应离子刻蚀气体为BCl3、Cl2氯基金属刻蚀剂和N2、CH4等中性气体；BCl3和Cl2的流量比为10:30～90：10，中性气体的流量为0～90sccm，射频功率为100～500W，反应室压力为2～10Pa；图形化氧化钒层为矩形图案，覆盖螺旋天线层的馈点，氧化钒层的宽度为0.5～10μm，与螺旋天线层的线条宽度相同，长度为1～30μm。
⑥释放牺牲层，形成螺旋天线耦合微桥结构，然后进行封装形成探测单元。
以下通过实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
一种用于红外或太赫兹探测的螺旋天线耦合微桥结构的制备方法，在衬底10上制备驱动电路20，在驱动电路20上制备电路接口21，如图1中a所示；
清洗带有驱动电路20的衬底10表面，去除表面沾污，并将带驱动电路20的衬底10在200℃下烘烤，以除去表面的水汽，增强粘接性能，用自动涂胶轨道进行光敏聚酰亚胺的涂覆，即制备牺牲层30，涂胶时通过控制转速为500～5000rpm，对涂覆的光敏聚酰亚胺进行120℃下的烘烤以除去部分胶内的溶剂，利于曝光线条的整齐，采用NIKON光刻机对光敏聚酰亚胺进行曝光过程，经过曝光的带驱动电路20的衬底10(已制备光敏聚酰亚胺)送到自动显影轨道进行胶的显影，显影液为标准的正胶显影液TMAH，显影后的光敏聚酰亚胺呈现出倒梯形图案，如图1中的b所示，随后将制备有光敏聚酰亚胺薄膜的带驱动电路20的衬底10放置在用惰性气体保护的退火烘箱中进行亚胺化处理，亚胺化温度设置为阶段上升，最高温度在250℃～400℃，恒温时间为30～120min，亚胺化后的光敏聚酰亚胺厚度在1.5～3μm范围内，牺牲层30部分覆盖衬底10。
采用PECVD设备及混频溅射技术制作低应力的氮化硅，即支撑层40，制备支撑层40的厚度范围在0.1～1μm范围内，然后对支撑层40进行光刻和刻蚀，刻蚀出支撑层40的图形，支撑层40部分覆盖电路接口图案，如图1中的c所示。
采用溅射设备制备一层金属铝薄膜用作螺旋天线层50，厚度在10～100nm范围内，然后采用光刻与反应离子刻蚀工艺完成螺旋天线层50的图形化，反应离子刻蚀气体为BCl3、Cl2氯基金属刻蚀剂和N2、CH4等中性气体，设置BCl3和Cl2的流量比为10:30～90：10，中性气体流量为0～90sccm，射频功率为100～500W，反应室压力为2～10Pa；图形化螺旋天线层50，如图1中的d所示，螺旋天线层50两端分别连接至两个电路接口21，螺旋天线层50的线条宽度为0.5～10μm，螺旋天线层50的相邻线条间隙宽度为0.5～15μm，螺旋天线层50的馈点处间隔距离为0.5～10μm。
采用PECVD设备及混频溅射技术制作低应力的氮化硅，即钝化层60，制备钝化层60的厚度范围在0.05～0.5μm范围内，采用反应离子刻蚀工艺完成钝化层60介质薄膜的图形化，刻蚀气体为CHF3、CF4、SF6等氟基气体中的一种或几种与O2的混合气体，设置氟基气体与O2的流量比为10:20～90：10，射频功率为100～500W，反应室压力为2～10Pa；刻蚀钝化层60后在支撑层中心形成矩形通孔图案露出螺旋天线层50的馈点，如图1中的e所示，通孔图案宽度为0.5～10μm，与螺旋天线层50的线条宽度相同，长度大于螺旋天线层50的馈点处间隔距离1～20μm。
采用磁控溅射设备制备氧化钒层70，溅射时控制溅射功率为100～500W，氧分压为0.5％～10％，溅射时间为5～60min，退火温度为200～600℃；氧化钒层70的图形化采用光刻与反应离子刻蚀工艺完成，反应离子刻蚀气体为BCl3、Cl2氯基金属刻蚀剂和N2、CH4等中性气体，设置BCl3和Cl2的流量比为10:30～90：10，中性气体流量为0～90sccm，射频功率为100～500W，反应室压力为2～10Pa；图形化氧化钒层70为矩形图案，覆盖螺旋天线层50的馈点，如图1中的f所示，氧化钒层70的宽度为0.5～10μm，与螺旋天线层50的线条宽度相同，长度为1～30μm。
用氧气等离子体轰击做完氧化钒层70，将已经亚胺化的光敏聚酰亚胺(牺牲层)去除，形成具有支撑层结构的探测单元，该探测单元的剖面示意图如图1中的g所示。
由于真空腔高度为红外辐射波长的1/4，因此，利用微桥结构的谐振可充分吸收红外辐射，实现红外探测与成像；同时，螺旋天线层50的结构可以吸收太赫兹辐射，因此，该微桥结构又可实现太赫兹波段的探测与成像。
实施例2
一种用于太赫兹辐射探测的螺旋天线耦合微桥结构，该微桥结构作为太赫兹微阵列探测器的探测单元。
阵列探测器的微桥结构单元面积为35μm×35μm，首先在衬底10上制备驱动电路20，在驱动电路20上制备电路接口21，如图1中a所示；
清洗带有驱动电路20的衬底10表面，去除表面沾污，并将带驱动电路20的衬底10在200℃下烘烤，以除去表面的水汽，增强粘接性能，用自动涂胶轨道进行光敏聚酰亚胺的涂覆，即制备牺牲层30，涂胶时通过控制转速为2500rpm，对涂覆的光敏聚酰亚胺进行120℃下的烘烤以除去部分胶内的溶剂，利于曝光线条的整齐，采用NIKON光刻机对光敏聚酰亚胺进行曝光过程，经过曝光的带驱动电路20的衬底10(已制备光敏聚酰亚胺)送到自动显影轨道进行胶的显影，显影液为标准的正胶显影液TMAH，显影后的光敏聚酰亚胺呈现出倒梯形图案，如图1中的b所示，随后将制备有光敏聚酰亚胺薄膜的带驱动电路20的衬底10放置在用惰性气体保护的退火烘箱中进行亚胺化处理，亚胺化温度设置为阶段上升，最高温度在300℃，恒温时间为60min，亚胺化后的光敏聚酰亚胺厚度为2μm，牺牲层30来部分覆盖衬底10。
采用PECVD设备及混频溅射技术制作低应力的氮化硅，即支撑层40，制备支撑层40的厚度范围在0.4μm范围内，然后对支撑层40进行光刻和刻蚀，刻蚀出支撑层40的图形，支撑层40部分覆盖电路接口图案，如图1中的c所示。
采用溅射设备制备一层金属铝薄膜用作螺旋天线层50，厚度为20nm，然后采用光刻与反应离子刻蚀工艺完成螺旋天线层50的图形化，反应离子刻蚀气体为BCl3、Cl2氯基金属刻蚀剂和N2、CH4等中性气体，设置BCl3和Cl2的流量比为10:30～90：10，中性气体流量为0～90sccm，射频功率为100～500W，反应室压力为2～10Pa；图形化螺旋天线层50，如图1中的d所示，螺旋天线层50两端分别连接至两个电路接口21，螺旋天线层50的线条宽度为1.7μm，螺旋天线层50的相邻线条间隙宽度为1μm，螺旋天线层50的馈点处间隔距离为1μm。
采用PECVD设备及混频溅射技术制作低应力的氮化硅，即钝化层60，制备钝化层60的厚度范围在0.1μm范围内，采用反应离子刻蚀工艺完成钝化层60介质薄膜的图形化，刻蚀气体为CHF3、CF4、SF6等氟基气体中的一种或几种与O2的混合气体，设置氟基气体与O2的流量比为10:20～90：10，射频功率为100～500W，反应室压力为2～10Pa；刻蚀钝化层60后在支撑层中心形成矩形通孔图案露出螺旋天线层50的馈点，如图1中的e所示，通孔图案宽度为1.7μm，与螺旋天线层50的线条宽度相同，长度大于螺旋天线层50的馈点处间隔距离4μm。
采用磁控溅射设备制备氧化钒层70，溅射时控制溅射功率为100～500W，氧分压为0.5％～10％，溅射时间为5～60min，退火温度为200～600℃；氧化钒层70的图形化采用光刻与反应离子刻蚀工艺完成，刻蚀气体为BCl3、Cl2氯基金属刻蚀剂和N2、CH4等中性气体，设置BCl3和Cl2的流量比为10:30～90：10，中性气体流量为0～90sccm，射频功率为100～500W，反应室压力为2～10Pa；图形化氧化钒层70为矩形图案，覆盖螺旋天线层50的馈点，如图1中的f所示，氧化钒层70的宽度为1.7μm，与螺旋天线层50的线条宽度相同，长度为5μm。
用氧气等离子体轰击做完氧化钒层70，将已经亚胺化的光敏聚酰亚胺(牺牲层)去除，形成具有支撑层结构的探测单元，该探测单元的剖面示意图如图1中的g所示。
采用CST软件仿真得到的该微桥结构的太赫兹辐射吸收曲线如图3所示。可以看出，采用前述参数设计的螺旋天线耦合微桥结构在3THz频率附近具有吸收峰值，吸收率可达到68％，可用于太赫兹波探测与成像。
Claims (9)
1.一种螺旋天线耦合微桥结构，其特征在于，包括衬底(10)，设置在衬底(10)上的驱动电路(20)，驱动电路(20)上设置的电路接口(21)，设置在驱动电路(20)和衬底(10)上的牺牲层(30)，自下而上依次设置在牺牲层(30)上的支撑层(40)、带馈点的螺旋天线层(50)、可露出螺旋天线层(50)馈点的钝化层(60)，在螺旋天线层(50)的馈点处设置有氧化钒层(70)，支撑层(40)和螺旋天线层(50)分别与电路接口(21)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋天线耦合微桥结构，其特征在于：所述螺旋天线层(50)为铝、钨、钛、铂、镍、铬或者任何一种它们的合金，厚度为10～100nm。
3.根据权利要求1所述的一种螺旋天线耦合微桥结构，其特征在于：所述氧化钒层(70)的电阻温度系数为–2％/K～–6％/K，厚度为30～200nm。
4.根据权利要求1所述的一种螺旋天线耦合微桥结构，其特征在于：所述氧化钒层(70)为矩形，氧化钒层(70)宽度与螺旋天线层(50)的线条宽度相同，氧化钒层(70)的面积为支撑层(40)面积的1％～20％，螺旋天线层(50)设置在整个支撑层(40)上。
5.根据权利要求1所述的一种螺旋天线耦合微桥结构，其特征在于：所述牺牲层(30)的材料为聚酰亚胺、二氧化硅、氧化的多孔硅和磷硅玻璃中的一种；所述支撑层(40)由单层薄膜或多层薄膜构成，材料为二氧化硅或者氮化硅，支撑层(40)的厚度在0.1～1μm之间；所述钝化层(60)的材料为二氧化硅或者氮化硅，厚度在0.05～0.5μm之间。
6.根据权利要求1‐5所述的一种螺旋天线耦合微桥结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
①将驱动电路集成到衬底上，再在带有驱动电路的衬底上制备牺牲层，牺牲层未制备在驱动电路的电路接口上；
②在牺牲层上制备支撑层，并使支撑层与驱动电路的电路接口相连接；
③在支撑层上制备螺旋天线层，并使螺旋天线层与驱动电路的电路接口相连接，图形化螺旋天线层得到带馈点的螺旋天线层；
④在螺旋天线层上制备钝化层，图形化钝化层，得到露出螺旋天线层的馈点的钝化层；
⑤在螺旋天线层的馈点处制备氧化钒层，并图形化氧化钒层为矩形图案；
⑥释放牺牲层，形成螺旋天线耦合微桥结构，然后进行封装形成探测单元。
7.根据权利要求6所述的一种螺旋天线耦合微桥结构的制备方法，其特征在于：所述步骤③中，图形化螺旋天线层采用光刻与反应离子刻蚀工艺完成，反应离子刻蚀气体为BCl3、Cl2氯基金属刻蚀剂和N2、CH4等中性气体，BCl3和Cl2的流量比为10:30～90：10，中性气体的流量为0～90sccm，射频功率为100～500W，反应室压力为2～10Pa；螺旋天线层为金属薄膜，螺旋天线层的线条宽度为0.5～10μm，相邻线条的间隙宽度为0.5～15μm，螺旋天线层的馈点处间隔距离为0.5～10μm。
8.根据权利要求6所述的一种螺旋天线耦合微桥结构的制备方法，其特征在于：所述步骤④中，图形化钝化层采用反应离子刻蚀工艺完成，反应离子刻蚀气体为CHF3、CF4、SF6等氟基气体中的一种或几种与O2的混合气体，设置氟基气体与O2的流量比为10:20～90：10，射频功率为100～500W，反应室压力为2～10Pa；刻蚀钝化层后形成矩形通孔图案，露出螺旋天线层的馈点，通孔图案宽度为0.5～10μm，与螺旋天线层的线条宽度相同，长度大于螺旋天线层的馈点处间隔距离1～20μm。
9.根据权利要求6所述的一种螺旋天线耦合微桥结构的制备方法，其特征在于：所述步骤⑤中，氧化钒层采用磁控溅射法制备；溅射时控制溅射功率为100～500W，氧分压为0.5％～10％，溅射时间为5～60min，退火温度为200～600℃；氧化钒层的图形化采用光刻与反应离子刻蚀工艺完成，反应离子刻蚀气体为BCl3、Cl2氯基金属刻蚀剂和N2、CH4等中性气体；BCl3和Cl2的流量比为10:30～90：10，中性气体的流量为0～90sccm，射频功率为100～500W，反应室压力为2～10Pa；图形化氧化钒层为矩形图案，覆盖螺旋天线层的馈点，氧化钒层的宽度为0.5～10μm，与螺旋天线层的线条宽度相同，长度为1～30μm。
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