CN110212272B - Co太赫兹特征谱线检测的滤波器谐振单元及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于一氧化碳分子转动太赫兹特征谱线检测的滤波器谐振单元，谐振单元由聚酰亚胺衬底和衬底上的金属层构成，所述衬底的厚度为20～30μm；所述的衬底上方形成有0.1～0.3μm的金金属层；所述的金属层中形成有镂空的I字型谐振结构阵列。与现有技术相比，本发明中滤波器的性能，其中心谐振频率位于0.81THz，正符合一氧化碳分子转动特征谱线(370μm/0.81THz)。该滤波器在0.81THz处最大透过率为94％，其透过率曲线的半宽全高值(Full Maximum Half Width:FMHW)达到0.36THz。
Description
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，尤其是涉及一种用于一氧化碳分子转动太赫兹特征谱线检测的滤波器谐振单元及制备方法。
背景技术
如所周知，在针对某个特定天文物理过程开展研究中，就必须抓住相对某一星际分子特征信号的探测，并同时抑制其它频率与之接近的辐射信号的干扰，以提高观测精度和图像质量。基于通过分析一氧化碳分子J转动特征谱线(370μm/0.81THz)，可以研究宇宙中分子云内部的物理过程。为了获得高清晰度的太赫兹THz天文图像，就必须拥有高灵敏度的太赫兹THz天文探测装置。因此，0.81THz为中心频率的太赫兹THz滤波器，就成了用于研究分子云内部的物理过程的太赫兹THz天文探测技术相配套的重要元件。
当前，在主要面向天文探测的太赫兹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。
如已超过20年的美国VDI公司和英国的THz instruments公司提供的金属网格滤波器，在国内和欧美国家中仍广泛用于THz天文观测研究。该产品具有高透过率的优点，但并不符合与一氧化碳分子转动特征谱线：370μm/0.81THz相互重合及其透射率达到甚至超过80％滤波器的要求。
先前的专利：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，但仍无法满足一氧化碳分子转动特征谱线的探测。即使改变十字架结构，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，而影响透射率的难题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于一氧化碳分子转动太赫兹特征谱线检测的滤波器谐振单元及制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于一氧化碳分子转动太赫兹特征谱线检测的滤波器谐振单元，谐振单元由聚酰亚胺衬底和衬底上的金属层构成，所述衬底的厚度为20～30μm；
所述的衬底上方形成有0.1～0.3μm的金金属层；
所述的金属层中形成有镂空的I字型谐振结构阵列。
进一步地，每个谐振结构包括两条横轴和一条纵轴；
所述的两条横轴的长度和宽度相等，纵轴垂直连接于两条横轴上，垂足为两条横轴的中点。
进一步地，所述的衬底的厚度为25μm，所述的金属层的厚度为0.2μm。
进一步地，所述的横轴的长度为28μm，宽8μm，所述的纵轴长80μm，宽8μm。
进一步地，所述的谐振结构阵列所覆盖的面积为14.4mm×14.4mm，包括多个相邻设置的90μm×160μm的矩形区域，每个90μm×160μm的矩形区域上形成有一个I字型谐振结构。
一种一氧化碳分子转动太赫兹特征谱线检测的滤波器谐振单元的制备方法，包括以下步骤：
S1：将聚酰亚胺衬底置于去离子水中，并在超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后将表面吹干；
S2：将光刻胶涂于聚酰亚胺衬底表面，固化光刻胶；
S3：将光掩膜版I型阵列图形转移到聚酰亚胺衬底表面，并显影、清洗；
S4：在干燥后的聚酰亚胺衬底上镀厚度为20～30μm的金属金层，得到金属化的聚酰亚胺衬底；
S5：将金属化的聚酰亚胺衬底浸泡于丙酮溶剂中，利用丙酮渗透固化后的光刻胶，将胶面上的金属由聚酰亚胺衬底表面剥离，将没有光刻胶保护的金属部分留在聚酰亚胺衬底上，获得镂空的I字型谐振结构阵列。
进一步地，S1中，将聚酰亚胺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。
进一步地，S2中，将干燥后的聚酰亚胺衬底置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在聚酰亚胺衬底表面，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，之后放置于110℃的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶。
进一步地，S3中，将涂有光刻胶的聚酰亚胺衬底转移到URE-2000/35型紫外光刻机上，在制品表面曝光6s后，将光掩膜版I型阵列图形转移到聚酰亚胺衬底表面，然后在显影液中显影35s，并转移到去离子水槽中清洗60s，取出后立即用压缩氮气吹干聚酰亚胺衬底表面表面。
进一步地，S4中，将干燥后的聚酰亚胺衬底置于热蒸发镀膜仪样品支架上，然后将盛有纯度为99.999％的金粉末的钨舟连接到蒸发系统的电极中，关闭蒸发腔室后启动真空泵，将将腔室内压强从标准大气压降低到10-4mbar，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，之后切断连通金属的电源，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，取出制品，获得镂空的I字型谐振结构阵列。
为了满足一氧化碳分子转动特征谱线的探测，本发明运用三体耦合概念，即当三个谐振器两暗一明组合下，通过导体耦合，仅仅产生一个单一的谐振模式，而非多模式谐振。有鉴于此，在本发明中的一个棒状结构顶部和底部，各耦合一节横向的短棒结构，形成一个大写英文字母I字形结构，以获得局部导电耦合条件，来满足一氧化碳分子转动特征谱线的探测的要求。
与现有技术相比，本发明中滤波器的性能，其中心谐振频率位于0.81THz，正符合一氧化碳分子转动特征谱线(370μm/0.81THz)。该滤波器在0.81THz处最大透过率为94％，其透过率曲线的半宽全高值(Full Maximum Half Width:FMHW)达到0.36THz。
如上所述，本发明具有以下优点：
1)最大透过率达到94％，突破了90％这一指标瓶颈，迄今为止，尚无相关论文和专利报道过在370μm/0.81THz波段有如此高透过率的带通滤波器。
2)采用聚酰亚胺衬底，避免半导体材料中的自由载流子吸收，而影响透射率的问题。
3)利用半导体微加工工艺，制备工艺简单、操作方便，可以精确控制谐振单元加工区域，大大降低了成本。
4)金属层采用纯黄金，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为本发明检测宇宙中一氧化碳分子转动的太赫兹特征谱线的滤波器谐振单元结构示意图，图中黑色部分为金属层，空白部分为镂空的“I”字形结构；
图2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
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本技术方案中获得了一种用于一氧化碳分子转动太赫兹特征谱线检测的滤波器谐振单元，谐振单元由聚酰亚胺衬底和衬底上的金属层构成，所述衬底的厚度为20～30μm；所述的衬底上方形成有0.1～0.3μm的金金属层；所述的金属层中形成有镂空的I字型谐振结构阵列，参见图1。
具体的尺寸参数：每个谐振结构包括两条横轴和一条纵轴；所述的两条横轴的长度和宽度相等，纵轴垂直连接于两条横轴上，垂足为两条横轴的中点。所述的衬底的厚度为25μm，所述的金属层的厚度为0.2μm。所述的横轴的长度为28μm，宽8μm，所述的纵轴长80μm，宽8μm。所述的谐振结构阵列所覆盖的面积为14.4mm×14.4mm，包括多个相邻设置的90μm×160μm的矩形区域，每个90μm×160μm的矩形区域上形成有一个I字型谐振结构。
本发明制品采用中国科学院上海应用物理研究所的太赫兹时域光谱测量制作器件进行性能表征。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。
本发明上述滤波器的性能，其中心谐振频率位于0.81THz，参见图2，正符合一氧化碳分子转动特征谱线(370μm/0.81THz)。该滤波器在0.81THz处最大透过率为94％，其透过率曲线的半宽全高值(Full Maximum Half Width:FMHW)达到0.36THz。
本实施例中一氧化碳分子转动太赫兹特征谱线检测的滤波器谐振单元的制备方法，包括以下步骤：
S1：将聚酰亚胺衬底置于去离子水中，并在超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后将表面吹干，具体实施时，将聚酰亚胺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。
S2：将光刻胶涂于聚酰亚胺衬底表面，固化光刻胶；具体实施时，将干燥后的聚酰亚胺衬底置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在聚酰亚胺衬底表面，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，之后放置于110℃的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶。
S3：将光掩膜版I型阵列图形转移到聚酰亚胺衬底表面，并显影、清洗；具体实施时，将涂有光刻胶的聚酰亚胺衬底转移到URE-2000/35型紫外光刻机上，在制品表面曝光6s后，将光掩膜版I型阵列图形转移到聚酰亚胺衬底表面，然后在显影液中显影35s，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聚酰亚胺衬底表面表面。
S4：在干燥后的聚酰亚胺衬底上镀厚度为20～30μm的金属金层，得到金属化的聚酰亚胺衬底；将干燥后的聚酰亚胺衬底置于热蒸发镀膜仪样品支架上，然后将盛有纯度为99.999％的金粉末的钨舟连接到蒸发系统的电极中，关闭蒸发腔室后启动真空泵，将将腔室内压强从标准大气压降低到10-4mbar；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，之后切断连通金属的电源，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，取出制品，获得镂空的I字型谐振结构阵列。
S5：将金属化的聚酰亚胺衬底浸泡于丙酮溶剂中，利用丙酮渗透固化后的光刻胶，将胶面上的金属由聚酰亚胺衬底表面剥离，将没有光刻胶保护的金属部分留在聚酰亚胺衬底上，获得镂空的I字型谐振结构阵列。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于一氧化碳分子转动太赫兹特征谱线检测的滤波器谐振单元，其特征在于，谐振单元由聚酰亚胺衬底和衬底上的金属层构成，所述衬底的厚度为25μm；
所述的衬底上方形成有0.2 μm的金金属层；
所述的金属层中形成有镂空的I字型谐振结构阵列；
每个谐振结构包括两条横轴和一条纵轴；
所述的两条横轴的长度和宽度相等，纵轴垂直连接于两条横轴上，垂足为两条横轴的中点；
所述的横轴的长度为28 μm，宽8 μm，所述的纵轴长80 μm，宽8 μm。
2.根据权利要求1所述的一种用于一氧化碳分子转动太赫兹特征谱线检测的滤波器谐振单元，其特征在于，所述的谐振结构阵列所覆盖的面积为14.4 mm ×14.4 mm，包括多个相邻设置的90 µm × 160 µm的矩形区域，每个90 µm × 160 µm矩形区域上形成有一个I字型谐振结构。
3.一种如权利要求1所述的一种用于一氧化碳分子转动太赫兹特征谱线检测的滤波器谐振单元的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将聚酰亚胺衬底置于去离子水中，并在超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后将表面吹干；
S2：将光刻胶涂于聚酰亚胺衬底表面，固化光刻胶；
S3：将光掩膜版I型阵列图形转移到聚酰亚胺衬底表面，并显影、清洗；
S4：在干燥后的聚酰亚胺衬底上镀厚度为0.2 μm的金属金层，得到金属化的聚酰亚胺衬底；
S5：将金属化的聚酰亚胺衬底浸泡于丙酮溶剂中，利用丙酮渗透固化后的光刻胶，将胶面上的金属由聚酰亚胺衬底表面剥离，将没有光刻胶保护的金属部分留在聚酰亚胺衬底上，获得镂空的I字型谐振结构阵列。
4.根据权利要求3所述的一种一氧化碳分子转动太赫兹特征谱线检测的滤波器谐振单元的制备方法，其特征在于，S1中，将聚酰亚胺衬底置于去离子水中，并在10 kHz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。
5.根据权利要求3所述的一种一氧化碳分子转动太赫兹特征谱线检测的滤波器谐振单元的制备方法，其特征在于，S2中，将干燥后的聚酰亚胺衬底置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在聚酰亚胺衬底表面，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，之后放置于110℃的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶。
6.根据权利要求3所述的一种一氧化碳分子转动太赫兹特征谱线检测的滤波器谐振单元的制备方法，其特征在于，S3中，将涂有光刻胶的聚酰亚胺衬底转移到URE-2000/35型紫外光刻机上，在制品表面曝光6s后，将光掩膜版I型阵列图形转移到聚酰亚胺衬底表面，然后在显影液中显影35s，并转移到去离子水槽中清洗60s，取出后立即用压缩氮气吹干聚酰亚胺衬底表面。
7.根据权利要求3所述的一种一氧化碳分子转动太赫兹特征谱线检测的滤波器谐振单元的制备方法，其特征在于，S4中，将干燥后的聚酰亚胺衬底置于热蒸发镀膜仪样品支架上，然后将盛有纯度为99.999％的金粉末的钨舟连接到蒸发系统的电极中，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10-4 mbar，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0.1 nm/s的蒸发率，持续2000 s，之后切断连通金属的电源，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，取出制品，获得镂空的I字型谐振结构阵列。
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