CN110006534A - 一种用于太赫兹检测的微纳测辐射热计的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于太赫兹检测的微纳测辐射热计的制备方法，包括如下步骤：使用高纯铌靶溅射Nb5N6薄膜；在所述Nb5N6薄膜上通过深紫外曝光的方式绘制天线图形，磁控生长Au薄膜；通过电子束曝光的方式绘制微桥和电极的图形，通过反应离子刻蚀的方式刻蚀出Nb5N6薄膜微桥，再剥离出电极；通过紫外光刻的方式形成窗口，通过反应离子刻蚀方式刻蚀掉窗口中的部分SiO2和Si，形成空气腔。本发明通过减小器件微桥的尺寸来降低器件的热容和热导，提高器件灵敏度的同时还可以提高器件速度，且适用于大规模阵列器件。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹(THz)检测领域，具体涉及一种用于太赫兹检测的微纳测辐射热计的制备方法。
背景技术
太赫兹技术涉及电磁学、光电子学、半导体物理学、材料科学以及微加工技术等多个学科，它在信息科学、成像、生物学、医学、天文学、环境科学等领域有重要的应用价值。人们研究太赫兹，主要集中在如下三个领域：太赫兹源、太赫兹传输和太赫兹检测。由于目前太赫兹辐射源的功率普遍较低，因此发展高灵敏度、高信噪比的太赫兹探测尤为重要。测辐射热计(Bolometer)是一种高性能的太赫兹检测器，制备工艺简单，易于集成读出电路形成大规模阵列器件。但在器件阵列化时，由于阵列器件与读出电路封装互联中往往采用倒桩焊形式连接，被测信号又是探测器背面耦合，很多原有的正面耦合结构无法使用。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种用于太赫兹检测的微纳测辐射热计的制备方法，通过减小器件微桥的尺寸来降低器件的热容和热导，提高器件灵敏度的同时还可以提高器件速度，且适用于大规模阵列器件。
为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案为：
一种用于太赫兹检测的微纳测辐射热计的制备方法，包括如下步骤：
(1)使用高纯铌靶溅射Nb5N6薄膜；
(2)在所述Nb5N6薄膜上通过深紫外曝光的方式绘制天线图形，磁控生长Au薄膜；
(3)通过电子束曝光的方式绘制微桥和电极的图形，通过反应离子刻蚀的方式刻蚀出Nb5N6薄膜微桥，再剥离出电极；
(4)通过紫外光刻的方式形成窗口，通过反应离子刻蚀方式刻蚀掉窗口中的部分SiO2和Si，形成空气腔。
上述技术方案中，所述步骤(1)中，在SiO2和Si双层衬底上溅射Nb5N6薄膜；所述步骤(3)中，使用SiO2作为微桥的支撑层。
上述技术方案中，所述步骤(1)中，使用射频磁控溅射的方式溅射Nb5N6薄膜；所述步骤(2)中，使用直流磁控溅射的方式磁控生长Au薄膜。
上述技术方案中，所述微桥为亚微米级别的微桥。
上述技术方案中，所述步骤(3)中，刻蚀Nb5N6薄膜所用的气体为SF6；所述步骤(4)中，刻蚀SiO2所用的气体为CF4和O2气体，刻蚀Si所用的气体为SF6。
本发明的有益效果为：
通过本发明的工艺流程制备出的测辐射热计具有高响应率，响应速度快，噪声低，等效噪声功率低等优点。
附图说明
图1是本发明所提出的器件工艺制备流程图。
图2是三种不同尺寸器件的直流电压响应率与偏置电流的关系曲线图。
图3是三种不同尺寸器件的噪声电压频谱图。
图4是三种不同尺寸器件的光学电压响应率与吸收频率的关系谱。
图5是两种不同尺寸器件的等效噪声功率与吸收频率的关系图。
具体实施方式
1.在制备Bolometer的时候，本发明主要考虑以下的因素：
(1)由于Bolometer是一个热敏工作器件，将其从外界吸收的有限功率转化成有效的热能，以尽可能的提高其电压响应率，制备过程中使得Bolometer和外界能够很好的绝热是我们首先要考虑的问题，因此，选择将薄膜生长于热导系数较小的SiO2层上。
(2)器件的热导对于其电压响应率的影响是很大的，热导越小，器件的电压响应率S就越大，对于器件而言，最主要的部分是通过衬底的热导，因此为了减小器件的热导，我们采取挖桥技术，使得器件和衬底脱离接触；并且通过电子束曝光技术缩小微桥尺寸至亚微米、纳米量级，减小微桥面积，从而有效的减小了器件的热导，使得器件的电压响应率获得较大的提高。
(3)制备过程简单，造价低廉，并且能够和成熟的IC集成电路工艺接轨，适宜于大规模阵列化芯片的制备。
2.本发明主要包括如下微加工步骤：
(1)将SiO2/Si双层衬底分别用丙酮、酒精和去离子水超声清洗3-5分钟，并在光学显微镜下观察其表面洁净度，无明显颗粒杂物，备用。
(2)将备用的衬底送入磁控溅射系统副室，进行Ar离子铣，其目的是清除衬底表面分子级别的杂志，并让薄膜与衬底更易结合，条件如表1所示。
(3)将离子铣后的样品送入主室，通过射频磁控溅射生长Nb5N6薄膜，溅射参数如表2所示。
(4)薄膜生长完毕后，将其放在主室真空环境中氮化至少1h以上，防止其被氧化。
(5)从磁控系统腔室取出样品，然后在样品表面依次旋涂LOR 10B，AZ1500光刻胶，然后用紫外曝光机对光刻胶进行光刻，放入正胶显影液显影13s，去离子水定影1min，在光刻胶上形成掩膜版设计好的天线图形，光刻条件如表3所示。
(6)将样品送进磁控溅射系统，同步骤(2)进行离子铣，再利用直流磁控溅射生长Au薄膜，生长条件如表4所示。
(7)取出样品后，将其放入丙酮中浸泡5分钟左右，再放入正胶显影液浸泡约1分钟，最后放入去离子水中超声1分钟，剥离出天线。
(8)在样品表面旋涂HSQ 002电子束抗蚀剂，然后用RAITH EBPG5200曝光机对电子束抗蚀剂进行电子束书写，在电子束抗蚀剂上形成微纳桥的图形，光刻条件如表5所示。
(9)接下来，用反应离子刻蚀的方式对做完电子束曝光的样品进行刻蚀，从而形成微纳桥。使用的刻蚀机型号是Samco RIE-10，刻蚀气体为SF6，刻蚀的具体参数如表6所示。
(10)在样品表面依次旋涂MMA和PMMA电子束抗蚀剂，然后用RAITH EBPG5200曝光机对电子束抗蚀剂进行电子束书写，在电子束抗蚀剂上形成电极连接的图形，光刻条件如表5所示。
(11)同步骤(6)，生长金膜，然后将样品放入N-甲基吡咯烷酮中，再放进水浴锅80℃持续1小时，最后取出样品依次放入丙酮、酒精、去离子水超声剥离。
(12)在样品表面旋涂AZ601光刻胶，然后用紫外曝光机对光刻胶进行光刻，在光刻胶上形成掩膜版设计好的窗口图形，光刻条件如表3所示。
(13)接下来，用反应离子刻蚀的方式对样品进行刻蚀，先将窗口处的SiO2刻蚀掉，再将其下方的Si刻蚀掉一部分，直至微桥正下方的Si被刻穿，从而形成空气腔，刻蚀的具体参数如表6所示。
(14)最后将样品分别轻轻地放入丙酮，酒精，去离子水中浸泡，去除残胶，切勿用气枪吹样品表面，让其自然风干。
表1离子铣条件
| 气体种类 | 气体流量 | 工作气压 | 离子束流 | 清洗时间 |
| Ar | 3sccm | 4.2×10<sup>-2</sup>Pa | 30mA | 2min |
表2射频溅射生长Nb5N6薄膜条件
表3紫外光刻条件
表4射频溅射生长Au薄膜条件
| 靶材 | 背景气压 | 气体种类 | 气体流量 | 溅射气压 | 溅射功率 | 溅射电压 | 溅射时间 |
| 金(4寸) | <2×10<sup>-5</sup>Pa | Ar | Ar＝40sccm | 4mTorr | 150W | 520V | 80s |
表5电子束光刻条件
表6反应离子刻蚀条件
| 刻蚀材料 | 反应气体 | 流量/sccm | 压强/Pa | 功率/W | 时间/min |
| Nb<sub>5</sub>N<sub>6</sub> | SF<sub>6</sub> | 40 | 4 | 100 | 1 |
| SiO<sub>2</sub> | CF<sub>4</sub>/O<sub>2</sub> | 30/10 | 4 | 150 | 3 |
| Si | SF<sub>6</sub> | 30 | 8 | 70 | 5-8 |
下面举例具体实施例：
(A)溅射
在实验室DE500磁控溅射系统上，用射频磁控反应溅射的方法在SiO2/Si(100)双层衬底上生长Nb5N6薄膜(衬底上的SiO2厚度为160nm)，衬底分别经过化学试剂清洗和离子铣后送入主室，在背景真空优于2.0×10-5Pa的时候,按照表2的工艺条件溅射100nm的Nb5N6薄膜于衬底上(此时薄膜的溅射速率为20nm/min)，整个溅射过程中，底盘通过循环水水冷(T～300K)，薄膜溅射完毕后，再次在主室中充入一定量的氮气(30-40sccm)使其充分氮化，如图1(a)所示。
(B)剥离天线
我们选择用金作为我们的天线材料和电极材料，因为其热导率较小，可以借助我们的磁控溅射设备，溅射金膜，且其具有均匀性好，平整度高的优点。用掩模版通过光刻机光刻出天线的互补图形，通过直流磁控溅射的办法，溅射金薄膜，溅射金膜的厚度约为160nm，最后剥离出天线的图形,如图1(b)所示。
(C)剥离电极
利用电子束套刻出电极图形，通过直流磁控溅射生长金薄膜，通过剥离形成金电极,如图1(c)所示。
(D)刻桥
利用电子束套刻技术(剂量800μF/C)，在天线的中心，套刻上微桥的图形，用反应离子刻蚀(RIE)的办法，刻出Nb5N6微桥,如图1(d)所示。
(E)挖桥
首先在偶极子天线中心的器件两边，光刻出2个矩形(10μm×5μm)的图形，2个矩形图形的间距为3μm。先通入气体CF4和O2，RIE刻蚀SiO2,显现衬底硅后，然后用SF6刻蚀气体，在功率P＝70W，气压P＝8Pa条件下，刻蚀3-5min，即可刻出空气桥,如图1(e)所示。
通过本发明所述方法制备了一些不同尺寸的器件，下面列出这些器件的部分性能参数。如图2，当微桥长宽比比较大，即微桥电阻较大时，器件的直流电压响应率明显提高，最高值接近于1000V/W，而在0.2mA的偏置工作点，调制频率为3kHz时，器件的噪声电压也处于10-20nv/√Hz，如图3。图4和图5分别列出了微桥电阻一样但尺寸不一样的几种器件的光学电压响应率和等效噪声功率(NEP)与频率的关系谱，可以看出，微桥尺寸较小的器件响应率要高于尺寸较大的，NEP相对也较小，达到了18pw/√Hz由我们分析得知，这是因为尺寸小的微桥的热导较小、热阻较大、热容小，所以响应时间较快，热不易散去，更加灵敏。
Claims (5)
1.一种用于太赫兹检测的微纳测辐射热计的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)使用高纯铌靶溅射Nb5N6薄膜；
(2)在所述Nb5N6薄膜上通过深紫外曝光的方式绘制天线图形，磁控生长Au薄膜；
(3)通过电子束曝光的方式绘制微桥和电极的图形，通过反应离子刻蚀的方式刻蚀出Nb5N6薄膜微桥，再剥离出电极；
(4)通过紫外光刻的方式形成窗口，通过反应离子刻蚀方式刻蚀掉窗口中的部分SiO2和Si，形成空气腔。
2.根据权利要求1所述一种用于太赫兹检测的微纳测辐射热计的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在SiO2和Si双层衬底上溅射Nb5N6薄膜；所述步骤(3)中，使用SiO2作为微桥的支撑层。
3.根据权利要求1所述一种用于太赫兹检测的微纳测辐射热计的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，使用射频磁控溅射的方式溅射Nb5N6薄膜；所述步骤(2)中，使用直流磁控溅射的方式磁控生长Au薄膜。
4.根据权利要求1所述一种用于太赫兹检测的微纳测辐射热计的制备方法，其特征在于，所述微桥为亚微米级别的微桥。
5.根据权利要求2所述一种用于太赫兹检测的微纳测辐射热计的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，刻蚀Nb5N6薄膜所用的气体为SF6；所述步骤(4)中，刻蚀SiO2所用的气体为CF4和O2气体，刻蚀Si所用的气体为SF6。
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2019
- 2019-04-11 CN CN201910287770.1A patent/CN110006534A/zh active Pending
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