CN105322253A - 一种太赫兹双波段带阻式滤波器谐振单元及制造方法 - Google Patents

一种太赫兹双波段带阻式滤波器谐振单元及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种太赫兹双波段带阻式滤波器谐振单元，由半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底和衬底上的金属层构成，半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底的厚度为625μm，金属层由依次形成在衬底上的5nm厚的钛金属层和120nm厚的金属层构成，在金属层中形成有谐振结构阵列，所述谐振结构的几何结构由一对开口方向呈镜像对称分布的”凹”字形开口谐振环(SRR)和金属线谐振条(wire)组成；所述”凹”字形开口谐振环(SRR)以金属线谐振条(wire)所在直线为对称轴，所述”凹”字形开口谐振环(SRR)以开口方向呈镜像对称分布。还提供上述滤波器谐振单元的制造方法。通过本发明加工工艺制造的谐振单元，能够对1.01THz和1.38THz两个中心频率实现-25dB的抑制，获得双波段带阻式滤波器。

Description

一种太赫兹双波段带阻式滤波器谐振单元及制造方法
技术领域
本发明涉及太赫兹技术和半导体微加工技术领域，具体涉及一种用于天文探测的太赫兹双波段带阻式滤波器谐振单元及其制造方法。
背景技术
太赫兹波(Terahertz，简称THz)是指在微波和红外光谱之间，频率范围为0.1THz到10THz的电磁波(1THz＝1012Hz)，在电磁波谱上位于超高频率微波到远红外辐射之间的特殊区域。星系演化过程中伴随产生的星际分子的特征信号主要集中在毫米波及亚毫米波范围，对应频率从0.2THz到2THz的电磁波段，这一波段是THz天文探测的窗口波段。然而，空气中的水分子的特征波段也正好位于这一频段中，其主要的两个特征谱线分别位于1.01THz和1.38THz附近。如果要针对某个特定天文物理过程开展研究，就必须抓住相对某一星际分子特征信号来探测，同时抑制其它频率与之接近的辐射信号的干扰，特別是大气中的水分子振动对THz的吸收，提高观测精度和图像质量。因此，1.01THz和1.38THz为中心频率的THz带阻滤波器就成为了用于THz天文探测技术相配套的重要元件。
当前，主要面向天文探测的THz滤波器都是基于人工微结构的器件。第一种是金属网格滤波器。如美国VDI公司和英国的THzinstruments公司提供的金属网格滤波器，被我国和欧美国家广泛用于THz天文观测研究。该产品已经问世20年了，网格式滤波器具有高透过率的优点，但是一般响应频率都很宽，往往作成低通或高通滤波器，而并没有专门抑制水分子振动的滤波器。第二种是在金属箔上加工周期性排列的小孔，利用通过的THz光子激发金属表面等离子体(SPs)，实现特定频率THz电磁辐射的异常透射增强，从而获得高带外抑制比的THz滤波器，其最大透过率为90％。对于第二种滤波器，按照表面等离子体共振的原理，激发SPs是多模式的，能够在多个频率上形成多峰透射，只是最低阶模的异常透射最强而已，在天文观测中，高阶SPs模带来的透射也会为观测引入噪声。
发明内容
本发明瞄准当前THz天文探测领域的技术需求，提供一种太赫兹双波段带阻式滤波器谐振单元，由半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底和衬底上的金属层构成，半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底的厚度为625μm，金属层由依次形成在衬底上的5nm厚的钛金属层和120nm厚的金金属层构成，在金属层中形成有谐振结构阵列，所述谐振结构的几何结构由一对开口方向呈镜像对称分布的”凹”字形开口谐振环(SRR)和金属线谐振条(wire)组成；所述”凹”字形开口谐振环(SRR)以金属线谐振条(wire)所在直线为对称轴，所述”凹”字形开口谐振环(SRR)以开口方向呈镜像对称分布。
其中，每个谐振结构的金属线谐振条(wire)长36μm、宽4μm，“凹”字形开口谐振环(SRR)底边长为40μm，两侧高12μm，中间开口下凹处的距离为8μm，整个”凹”字形开口谐振环(SRR)的宽度为4μm；“凹”字形开口谐振环(SRR)两侧高处到其近端的金属线谐振条(wire)的长边沿的距离为4μm；所述谐振结构的大小为40μm×40μm矩形区域，并具有纵轴和横轴两个方向上的轴对称性，每个谐振结构形成在60μm×60μm的矩形区域中央。
此外，所述谐振单元所覆盖的区域面积为为10mm×10mm的矩形区域，包括多个相邻设置的60μm×60μm的矩形区域，每个60μm×60μm的矩形区域上形成有一个40μm×40μm的谐振结构。
还提供所述太赫兹双波段带阻式滤波器谐振单元的制造方法，包括以下步骤：
第一步：将半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于去离子水中，并超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后将表面吹干；
第二步：将光刻胶滴在半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面，并进行匀胶、甩胶操作，使得胶厚<1.5μm；
第三步：对涂胶后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底进行操作，固化光刻胶；
第四步：将光掩膜版十字架阵列图形转移到半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上，并显影、清洗；
第五步：在干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上依次镀上5nm厚的钛和120nm厚的金；
第六步：将金属化后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)浸泡在预先准备好的99.999％纯度丙酮溶剂中，利用丙酮渗透固化后的光刻胶，将胶面上的金属剥离半绝缘砷化镓(SI-GaAs)表面，而没有光刻胶保护的金属部分留在半绝缘砷化镓(SI-GaAs)上，从而获得复合结构阵列谐振单元。
在第一步中，将半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于去离子水中，并在10kHz频率的超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后用高压氮气将表面吹干。
在第二步中，将干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面，并立即以600r/min的低转速进行匀胶，维持10s后，转速直接提高到3000r/min的高转速进行甩胶，维持60s，使得胶厚<1.5μm。
在第三步中，涂胶后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底被放置于110℃的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶。
在第四步中，将涂有光刻胶的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底转移到URE-2000/35型紫外光刻机上，在样品表面曝光60s后，将光掩膜版十字架阵列图形转移到半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上，然后在显影液中显影45s，并转移到去离子水漕中清洗60s，取出后立即用压缩氮气吹干半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面。
第五步：将干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于热蒸发镀膜仪样品支架上，然后分别将盛有纯度为99.999％的钛粉末和99.999％的金粉末的钨舟连接到两组不同的电极中，关闭蒸发腔室后启动真空泵，将腔室内压强从标准大气压降低到10-4mbar，然后开启连通钛金属的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加到5nm为止，以0.1nm/s的蒸发率，持续200s后切断连通钛金属的电源，并连通含金钨舟的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加到120nm为止，以0.5nm/s的蒸发率，持续500s后切断电源，冷却600s后逐级关闭真空泵，等腔室内压强回归标准大气压后打开蒸发腔，取出样品。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出效果：
本发明利用近场耦合原理，将开口呈上下镜像对称的”凹”字形开口谐振环与金属条纹阵列两种不同的亚波长周期性人工微结构，两种结构各自的共振峰位置重合，然而，当两者的距离达到百分之一共振波长的范围内，由于电磁场相互耦合，THz电磁波会激发金属条纹阵列后，诱导激发”凹”字形开口谐振环的一个原本隐藏的暗模式，从而实现双共振。当金属条纹的长度达到36μm时，被激发的暗模式与原本的亮模式的共振强度一致，从而实现双模式共振。相较于其它类型的THz滤波器，该技术可以实现双波段共振位置的调谐，且整个共振单元分布在单层二维平面上，大大简化了器件结构；半绝缘砷化镓(SI-GaAs)的微加工工艺成熟，便于工业化生产，且该材料在THz波段具有良好的透射率，滤波过程中对允许通过的THz频段损耗小。
两种共振模式锁定在1.01THz和1.38THz的中心频率上，从而实现双频率THz带阻滤波器，抑制水分子振动吸收THz波为天文探测带来的干扰。
利用现有的半导体微加工工艺，制备工艺简单、操作方便，可以精确控制互补型开口谐振环微结构加工区域，大大降低了成本。采用Au/Ti电极成分简单，无需退火既可获得良好欧姆接触，提高的器件的可靠性和可集成性。
附图说明
图1为所示滤波器谐振单元的一个谐振结构顶视图，图中白色部分为金属层，黑色部分为SI-GaAs衬底；
图2为图1所示滤波器谐振单元A-A方向的剖面示意图；
图3为采用本发明的谐振单元制成的THz双波段带阻式滤波器的透射频谱图，数据是透过率相对应的分贝值。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明是如何实现的做进一步详细、清楚、完整地说明。
如图1-3所示，本发明一种用于天文探测的太赫兹双波段带阻式滤波器谐振单元由625μm厚的SI-GaAs衬底和衬底上的金属层构成，金属层由依次形成在衬底上的5nm钛和120nm金构成。在金属层中形成有谐振结构阵列。
在本发明的优选实施例中，器件的尺寸为12.7mm×12.7mm，其中，所述谐振单元所覆盖的区域面积为100mm2的矩形区域(10mm×10mm)，包括多个相邻设置的60μm×60μm的矩形区域(f边长60μm)。在每个60μm×60μm的矩形区域上有一个尺寸在40μm×40μm的谐振结构，谐振结构的几何结构由一对开口方向呈镜像对称分布的”凹”字形开口谐振环(SRR)和金属线谐振条(wire)组成；”凹”字形SRR以wire所在直线为对称轴，”凹”字形SRR以开口方向呈镜像对称分布。
其中，每个谐振结构的wire长(a边)36μm、宽(b边)4μm，“凹”字形SRR底边e长为40μm，两侧高g为12μm，中间开口下凹处的距离i为8μm，整个”凹”字形SRR的宽度d为4μm；”凹”字形SRR两侧高处到其近端的wire的长边沿的距离c为4μm；谐振结构的大小为40μm×40μm矩形区域，并具有纵轴和横轴两个方向上的轴对称性，每个谐振结构形成在60μm×60μm的矩形区域中央。
本发明的上述谐振单元制作方法如下：
第一步：将SI-GaAs衬底置于去离子水中，并在10kHz频率的超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后用高压氮气将表面吹干。
第二步：将干燥后的SI-GaAs衬底置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在SI-GaAs衬底表面，并立即以600r/min的低转速进行匀胶，维持10s后，转速直接提高到3000r/min的高转速进行甩胶，维持60s，使得胶厚<1.5μm。
第三步：涂胶后的SI-GaAs衬底被放置于110℃的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶。
第四步：将涂有光刻胶的SI-GaAs衬底转移到URE-2000/35型紫外光刻机上，在样品表面曝光60s后，将光掩膜版十字架阵列图形转移到SI-GaAs衬底上，然后在显影液中显影45s，并转移到去离子水漕中清洗60s，取出后立即用压缩氮气吹干SI-GaAs衬底表面。
第五步：将干燥后的SI-GaAs衬底置于热蒸发镀膜仪样品支架上，然后分别将盛有纯度为99.999％的钛粉末和99.999％的金粉末的钨舟连接到两组不同的电极中，关闭蒸发腔室后启动真空泵，将腔室内压强从标准大气压降低到10-4mbar，然后开启连通钛金属的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加到5nm为止，以0.1nm/s的蒸发率，持续200s后切断连通钛金属的电源，并连通含金钨舟的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加到120nm为止，以0.5nm/s的蒸发率，持续500s后切断电源，冷却600s后逐级关闭真空泵，等腔室内压强回归标准大气压后打开蒸发腔，取出样品。
第六步：将金属化后的SI-GaAs浸泡在预先准备好的99.999％纯度丙酮溶剂中，利用丙酮渗透固化后的光刻胶，将胶面上的金属剥离SI-GaAs表面，而没有光刻胶保护的金属部分留在SI-GaAs上，从而获得复合结构阵列谐振单元。
所述谐振单元的金属层中，5nm厚钛金属做粘结层，120nm厚金能够与SI-GaAs形成欧姆接触。该金属层厚度超过THz电磁波的趋肤深度，无需在蒸镀后进行退火处理。
本发明制备的产品的特性，如图3所示，是通过德国Menlosystem公司制造的TERAK15型太赫兹时域光谱仪(THz-TDS)进行性能表征后获得的。
采用上述谐振单元的用于抑制水分子振动对太赫兹吸收的天文探测用途的滤波器的性能体现在图3中：其透射特性在0.2THz～2.0THz的测试频率范围内进行，发现其两个中心谐振频率分别位于1.01THz和1.38THz。图3中的实测数据显示，该滤波器在1.01THz处透射系数为-25.42dB，在1.01THz处透射系数为-26.72dB。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的原理下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种太赫兹双波段带阻式滤波器谐振单元，由半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底和衬底上的金属层构成，其特征在于：半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底的厚度为625μm，金属层由依次形成在衬底上的5nm厚的钛金属层和120nm厚的金金属层构成，在金属层中形成有谐振结构阵列，所述谐振结构的几何结构由一对开口方向呈镜像对称分布的”凹”字形开口谐振环(SRR)和金属线谐振条(wire)组成；所述”凹”字形开口谐振环(SRR)以金属线谐振条(wire)所在直线为对称轴，所述”凹”字形开口谐振环(SRR)以开口方向呈镜像对称分布。
2.如权利要求1所述的一种太赫兹双波段带阻式滤波器谐振单元，其特征在于：每个谐振结构的金属线谐振条(wire)长36μm、宽4μm，“凹”字形开口谐振环(SRR)底边长为40μm，两侧高12μm，中间开口下凹处的距离为8μm，整个”凹”字形开口谐振环(SRR)的宽度为4μm；“凹”字形开口谐振环(SRR)两侧高处到其近端的金属线谐振条(wire)的长边沿的距离为4μm；所述谐振结构的大小为40μm×40μm矩形区域，并具有纵轴和横轴两个方向上的轴对称性，每个谐振结构形成在60μm×60μm的矩形区域中央。
3.如权利要求1或2所述的一种太赫兹双波段带阻式滤波器谐振单元，其特征在于：所述谐振单元所覆盖的区域面积为为10mm×10mm的矩形区域，包括多个相邻设置的60μm×60μm的矩形区域，每个60μm×60μm的矩形区域上形成有一个40μm×40μm的谐振结构。
4.如权利要求1-3中任一项所述的一种太赫兹双波段带阻式滤波器谐振单元的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：将半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于去离子水中，并超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后将表面吹干；
第二步：将光刻胶滴在半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面，并进行匀胶、甩胶操作，使得胶厚<1.5μm；
第三步：对涂胶后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底进行操作，固化光刻胶；
第四步：将光掩膜版十字架阵列图形转移到半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上，并显影、清洗；
第五步：在干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上依次镀上5nm厚的钛和120nm厚的金；
第六步：将金属化后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)浸泡在预先准备好的99.999％纯度丙酮溶剂中，利用丙酮渗透固化后的光刻胶，将胶面上的金属剥离半绝缘砷化镓(SI-GaAs)表面，而没有光刻胶保护的金属部分留在半绝缘砷化镓(SI-GaAs)上，从而获得复合结构阵列谐振单元。
5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于：在第一步中，将半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于去离子水中，并在10kHz频率的超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后用高压氮气将表面吹干。
6.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于：在第二步中，将干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面，并立即以600r/min的低转速进行匀胶，维持10s后，转速直接提高到3000r/min的高转速进行甩胶，维持60s，使得胶厚<1.5μm。
7.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于：在第三步中，涂胶后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底被放置于110℃的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶。
8.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于：在第四步中，将涂有光刻胶的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底转移到URE-2000/35型紫外光刻机上，在样品表面曝光60s后，将光掩膜版十字架阵列图形转移到半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上，然后在显影液中显影45s，并转移到去离子水漕中清洗60s，取出后立即用压缩氮气吹干半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面。
9.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于：第五步：将干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于热蒸发镀膜仪样品支架上，然后分别将盛有纯度为99.999％的钛粉末和99.999％的金粉末的钨舟连接到两组不同的电极中，关闭蒸发腔室后启动真空泵，将腔室内压强从标准大气压降低到10-4mbar，然后开启连通钛金属的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加到5nm为止，以0.1nm/s的蒸发率，持续200s后切断连通钛金属的电源，并连通含金钨舟的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加到120nm为止，以0.5nm/s的蒸发率，持续500s后切断电源，冷却600s后逐级关闭真空泵，等腔室内压强回归标准大气压后打开蒸发腔，取出样品。
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