CN110021802A - 用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器及其制备方法，涉及太赫兹和半导体微加工技术领域。用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器，包括主横轴，次横轴，纵轴，其中，纵轴从主横轴和次横轴的正中间穿过。谐振单元为金属镂空层，衬底为25μm厚的聚酰亚胺，谐振单元金属层为200nm黄金层。本发明制备方法包括：步骤A.将激光加工后的聚酰亚胺基片放入去离子水......步骤G.使用陶瓷镊子夹住制品，在丙酮溶液中缓慢晃动，丙酮腐蚀光刻胶后额外的金属层被剥离，周期性微结构一侧形成与设计图案一致的镂空的东正教十字架型谐振单元。本发明具有工艺简单、操作方便，低成本。无需退火即可获得良好黏附性，提高了器件可靠性和可集成性。

Description

用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器及其制备方法
技术领域
本发明涉及太赫兹和半导体微加工技术领域，具体指一种基于半绝缘砷化镓(SI-GaAs)聚酰亚胺(Polyimide)表面采用镂空的东正教东正教十字架型谐振单元的太赫兹(THz)带通滤波器的设计与制作。
背景技术
在天体物理中反映银河系中冷中子气体的物理行为需要追踪碳离子的精细结构特征谱线：158μm/1.9太赫兹(THz)。为了获得高清晰度的THz天文图像，就必须拥有高灵敏度的THz天文探测装置。目前，利用超导相变而引起热阻抗变化原理探测宇宙THz辐射的超导边缘跃迁传感器(TES)和通过微波激发Cooper电子对改变超导体电感的微波动能电感探测器(MKID)具有极高探测灵敏度，其分辨率要达到106以上，并且具有宽频带的响应特性，成为下一代THz天文探测的核心传感器件。然而，由于TES和MKID的宽频响应特性，能够同时感应来自宇宙空间不同波长的THz信号，甚至中红外辐射信号。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，提高观测精度和图像质量。因此，1.9THz为中心频率的THz滤波器就成为了用于研究银河系中冷中子气体的物理行为的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滤波器都是基于金属网格滤波器。根据电磁波传输线理论(Transmission Line Theory)，金属部分如同电感，而自由空间部分如同电容，只有与网格单元尺寸相互匹配的特定波长的电磁波才能实现电感-电容共振，从而透过滤波器。如美国VDI公司和英国的THz instruments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。该产品已经问世超过20年，具有高透过率的优点，但是透过率最高的频率通道并不与碳离子特征频率重合。为了针对太赫兹波段天文探测的需求，需要一个最高透过率与碳离子的精细结构特征谱线：158μm/1.9THz相互重合的滤波器，其透射率达到甚至超过80％。目前，市场上尚无满足条件的配套产品，这是长期困扰太赫兹波段天文探测的技术瓶颈。
公开专利″氮离子太赫兹特征谱线探测的滤波器谐振单元及其制作方法(专利号：ZL201510035761.5)″利用Babinet原理，设计一种类似于基督教十字架结构的滤波器谐振单元，其最高透过率通道中心频率位于1.45THz，无法满足碳离子的精细结构特征谱线的探测。如果仅仅改变十字架结构，虽然可以移动中心频率，但会降低对应的透过率，特别是该专利采用砷化镓半导体做衬底，存在无法避免的自由载流子吸收，影响透射率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺失和不足，提出一种用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器。
为了满足碳离子的精细结构特征谱线的探测，本发明采用在局部结构上引入分形结构的思路。如所周知，几何学上，部分与整体以某种方式相似的形体称为分形。满足自相似原则和迭代生成原则。有鉴于此，在一个十字架结构上半部，形成一个自相似的分型结构，即在十字架上托一个小十字架，如同东正教的十字架结构。与此同时，按照公开的论文Journal of Applied Physics 118(2015)193103所阐述的物理原理：当分形结构谐振单元处于导体耦合的时候，中心频率会随着分形维度的增加往高频方向移动，用于158μm/1.9THz的滤波器，以获得局部分形导电耦合条件，来满足碳离子的精细结构特征谱线的探测。
本发明用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器，为一东正教十字架型谐振单元结构，包括主横轴，次横轴，纵轴，其中，纵轴从主横轴和次横轴的正中间穿过，谐振单元为一金属镂空层，衬底为一25μm厚的聚酰亚胺，谐振单元金属层为一200nm黄金层；器件表面的周期性谐振单元所覆盖的区域面积为100mm2的矩形区域(10mm×10mm)。
本发明用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器的制备方法包括：
将激光加工后的聚酰亚胺(Polyimide)基片放入去离子水，在超声状态下清洗1分钟，干燥后在表面呈现周期性结构一侧旋涂光刻胶，按照正胶工艺，经过6秒曝光和35秒显影，将设计好的东正教十字架图形转移到25μm厚的Polyimide衬底上。紧接着将样品放入蒸发腔室中，再并通过热蒸发工艺将200nm金蒸镀到基底表面，蒸发过程中的真空度维持在10-4mbar，蒸发厚度通过系统自带的膜厚监测装置时测。金属化后，样品放入丙酮溶液中浸泡12小时后，利用陶瓷镊子夹住样品，在丙酮溶液中缓慢晃动，丙酮腐蚀光刻胶后将额外的金属层剥离，而在含有周期性微结构一侧形成与设计图案一致的镂空的东正教十字架型谐振单元。
上述滤波器的性能，其中心谐振频率位于1.9THz，符合碳离子的精细结构特征谱线(158μm/1.9THz)。该滤波器在1.46THz处最大透过率为80％，其透过率曲线的半宽全高值(Full Maximum Half Width：FMHW)达到0.7THz。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出效果：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。采用纯黄金金属层成分简单，无需退火既可获得良好黏附性，提高了器件的可靠性和可集成性。
附图说明
图1为本发明用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器结构示意图；
图中黑色部分为金属层，空白部分为镂空的东正教十字架结构。
图2为本发明实施例制作工艺流程框图；
图3为本发明实施例谐振单元的透射频谱图，数据为归一化后的透过率。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发进一步描述
用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器(如附图1所示)。包括主横轴1，次横轴2，纵轴3，其中，纵轴3从主横轴1和次横轴2的正中间穿过。
谐振单元为一金属镂空层，衬底为一25μm厚的聚酰亚胺，谐振单元金属层为一200nm黄金层。
进一步，所述主横轴1长16μm，宽3μm；
所述次横轴2长8μm，宽2μm；
所述纵轴3长49μm，宽2μm；
所述主横轴1下缘距离纵轴3中心位置9μm；
所述次横轴2下缘距离纵轴3中心位置15μm。
本发明制备的产品通过以下手段进行性能表征：采用中国科学院赵红卫课题组自建的太赫兹时域光谱测量制作器件。该系统包括：Spectra-Physics Mai Tai SP型高能量超短脉冲激光，两对直径100mm、焦距100mm的镀金离轴抛物面镜用来聚焦自由空间中的太赫兹辐射，通过由一块200μm厚的<110>晶向的ZnTe晶体、1/4波片、Wollastom棱镜组成的电光采样系统表征出器件的太赫兹发射脉冲波形。
本发明用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器的制作工艺流程(如附图2所示)，包括如下步骤：
一种用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
A.将激光加工后的聚酰亚胺基片放入去离子水，在超声状态下清洗1分钟；
B.干燥后在表面呈现周期性结构一侧旋涂光刻胶；
C.按照正胶工艺，经过6秒曝光和35秒显影，将十字架图形转移到25μm厚的Polyimide衬底上；
D.紧接着将制品放入蒸发腔室中，再通过热蒸发工艺将200nm金蒸镀到基底表面；
E.在真空度10-4mbar中蒸发，用膜厚监测装置检测蒸发厚度；
F.金属化后，制品放入丙酮溶液中浸泡12小时；
G.使用陶瓷镊子夹住制品，在丙酮溶液中缓慢晃动，丙酮腐蚀光刻胶后额外的金属层被剥离，周期性微结构一侧形成与设计图案一致的镂空的东正教十字架型谐振单元。
进一步，所述步骤A，还包括：
A1.在10kHz频率的超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物；
A2.然后用高压碳气将表面吹干。
所述步骤B还包括：
B1.将干燥后的Polyimide薄膜黏贴到一个3英寸直径的硅片上；
B2.将此硅片置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在Polyimide薄膜表面，并立即以600r/min的低转速进行匀胶，维持10s后；
B3.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；
B4.涂胶后的制品放置与温度110℃的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶。
所述步骤C还包括：
C1.将涂有光刻胶的制品转移到URE-2000/35型紫外光刻机上，制品表面经曝光6s；
C2.将光掩膜版上的东正教十字架阵列图形转移到制品上，然后在显影液中显影35s，并转移到去离子水漕中清洗60s；
C3.取出后立即用压缩碳气吹干制品表面。
所述步骤D还包括：
D1.将干燥后的制品置于热蒸发镀膜仪制品支架上；
D2.然后分别将盛有纯度99.999％的金粉末的钨舟连接到蒸发系统的电极中；
D3.关闭蒸发腔室后启动真空泵；
D4.将腔室内压强从标准大气压降低到10-4mbar；
D5.然后开启连通金属的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加为止，以0.1nm/s的蒸发率，持续2000s；
D6.切断连通金属的电源，冷却600s后逐级关闭真空泵；
D7.等腔室内压强回归标准大气压后打开蒸发腔，取出制品。
所述步骤E还包括：
E1.将金属化后的制品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；
E2.胶面上的金属从Polyimide薄膜表面剥离，没有光刻胶保护的金属部分留在Polyimide薄膜上，获得镂空的东正教十字架阵列谐振单元的金属化。
所述步骤F还包括：
F1.将金属化以后的Polyimide薄膜从硅片上剥离；
F2.按照图形设计的要求，裁剪成10mm×10mm的小块，从而获得镂空的十字架阵列谐振单元。
本发明方法制备的器件金属层，其200nm厚金，能够与Polyimide紧密黏附，无需再次进行退火处理。
综上所述，一种基于东正教十字架结构的碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器谐振单元，采用标准半导体器件微加工工艺在25μm厚聚酰亚胺(Polyimide)表面，制备30μm×30μm周期性谐振单元，导致表面等离子极化激元引起异常电磁透射，所述滤波器中心谐振频率位于1.9THz，符合碳离子的精细结构特征谱线(158μm/1.9THz)。该滤波器在1.9THz处最大透过率为80％，其透过率曲线的半宽全高值(Fu|| Maximum Half Width：FMHW)达到0.7THz(如附图3所示)。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出效果：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。采用纯黄金金属层成分简单，无需退火既可获得良好黏附性，提高了器件的可靠性和可集成性。

Claims (10)

1.一种用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器，为一东正教十字架型谐振单元结构，其特征在于，包括主横轴(1)，次横轴(2)，纵轴(3)，其中，纵轴(3)从主横轴(1)和次横轴(2)的正中间穿过，谐振单元为一金属镂空层，衬底为一25μm厚的聚酰亚胺，谐振单元金属层为一200nm黄金层。
2.如权利要求1所述的一种用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器，其特征在于，所述主横轴(1)长16μm，宽3μm；
所述次横轴(2)长8μm，宽2μm；
所述纵轴(3)长49μm，宽2μm；
所述主横轴(1)下缘距离纵轴(3)中心位置9μm；
所述次横轴(2)下缘距离纵轴(3)中心位置15μm。
3.如权利要求1或2所述的一种用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器，其特征在于，所述滤波器表面的周期性谐振单元所覆盖的区域面积为100mm2的矩形区域10mm×10mm。
4.一种用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
A.将激光加工后的聚酰亚胺基片放入去离子水，在超声状态下清洗1分钟；
B.干燥后在表面呈现周期性结构一侧旋涂光刻胶；
C.按照正胶工艺，经过6秒曝光和35秒显影，将十字架图形转移到25μm厚的Polyimide衬底上；
D.紧接着将制品放入蒸发腔室中，再通过热蒸发工艺将200nm金蒸镀到基底表面；
E.在真空度10-4mbar中蒸发，用膜厚监测装置检测蒸发厚度；
F.金属化后，制品放入丙酮溶液中浸泡12小时；
G.使用陶瓷镊子夹住制品，在丙酮溶液中缓慢晃动，丙酮腐蚀光刻胶后额外的金属层被剥离，周期性微结构一侧形成与设计图案一致的镂空的东正教十字架型谐振单元。
5.如权利要求4所述的一种用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器的制作方法，其特征在于，所述步骤A，还包括：
A1.在10kHz频率的超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物；
A2.然后用高压碳气将表面吹干。
6.如权利要求4所述的一种用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器的制作方法，其特征在于，所述步骤B还包括：
B1.将干燥后的Polyimide薄膜黏贴到一个3英寸直径的硅片上；
B2.将此硅片置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在Polyimide薄膜表面，并立即以600r/min的低转速进行匀胶，维持10s后；
B3.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；
B4.涂胶后的制品放置与110℃的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶。
7.如权利要求4所述的一种用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器的制作方法，其特征在于，所述步骤C还包括：
C1.将涂有光刻胶的制品转移到URE-2000/35型紫外光刻机上，制品表面经曝光6s；
C2.将光掩膜版上的东正教十字架阵列图形转移到制品上，然后在显影液中显影35s，并转移到去离子水漕中清洗60s；
C3.取出后立即用压缩碳气吹干制品表面。
8.如权利要求4所述的一种用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器的制作方法，其特征在于，所述步骤D还包括：
D1.将干燥后的制品置于热蒸发镀膜仪制品支架上；
D2.然后分别将盛有纯度99.999％的金粉末的钨舟连接到蒸发系统的电极中；
D3.关闭蒸发腔室后启动真空泵；
D4.将腔室内压强从标准大气压降低到10-4mbar；
D5.然后开启连通金属的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加为止，以0.1nm/s的蒸发率，持续2000s；
D6.切断连通金属的电源，冷却600s后逐级关闭真空泵；
D7.等腔室内压强回归标准大气压后打开蒸发腔，取出制品。
9.如权利要求4所述的一种用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器的制作方法，其特征在于，所述步骤E还包括：
E1.将金属化后的制品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；
E2.胶面上的金属从Polyimide薄膜表面剥离，没有光刻胶保护的金属部分留在Polyimide薄膜上，获得镂空的东正教十字架阵列谐振单元的金属化。
10.如权利要求4所述的一种用于碳离子太赫兹特征谱线探测的滤波器的制作方法，其特征在于，所述步骤F还包括：
F1.将金属化以后的Polyimide薄膜从硅片上剥离；
F2.按照图形设计的要求，裁剪成10mm×10mm的小块，从而获得镂空的十字架阵列谐振单元。
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