CN110350288A - 太赫兹空芯矩形波导的批量高效整体制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太赫兹空芯矩形波导的批量高效整体制造方法，属于波导微器件精密制造领域，包括以下步骤：步骤1：制备由低熔点合金组成的牺牲芯模；步骤2：在牺牲芯模上表面电镀金，得到电镀金层；步骤3：从基片上取下牺牲芯模单侧镀金体；步骤4：在牺牲芯模单侧镀金体的表面电镀第二层金；步骤5：在电镀金层的表面电铸铜，得到电铸铜层；步骤6：对电铸铜层表面进行精密抛磨，得到所需要的尺寸；步骤7：去除低熔点合金，得到太赫兹空芯矩形波导。本加工方法可以实现牺牲芯模大批量高精度的生产，采用加热的方法高效便捷的去除牺牲芯模，使太赫兹空芯矩形波导能够批量高效的制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹空芯矩形波导的批量高效整体制造方法，属于波导微器件精密制造领域。
背景技术
太赫兹波，一般指频率处于0.1THZ和10THZ之间的电磁波，处于宏观电子学向微观电子学的过渡阶段，因而具有许多独特的性质。在基础物理科学、超高速通信、高分辨率成像、安全检查、无损检测等方面具有重要的研究价值和广泛的应用前景，对于推动国民经济发展、加强国家安全建设具有重大战略意义。
太赫兹波在空气中传输时，空气中的水，氧气等会造成很大的传输损耗。为了减少传输过程中的损耗，可以采用太赫兹波导管进行传输。目前主要的波导有：太赫兹金属平板波导、太赫兹金属线波导、太赫兹光子晶体波导以及太赫兹空芯波导。太赫兹空芯矩形波导是典型的大长径比微型器件，同时波导腔的尺寸精度、腔体内部的表面粗糙度对太赫兹波传输过程中的损耗具有很大影响，因此太赫兹波导管的制造难度很大。例如：1THz的金属矩形波导腔体端面尺寸为127um×254um、公差要求在±5um、表面粗糙度Ra≤0.4um、圆角半径R≤20um；1.7THZ的金属矩形波导腔体端面尺寸为83um×165um，圆角半径R≤20um。
目前，针对太赫兹空芯矩形波导的加工，国内外的研究人员提出了很多办法来制备太赫兹空芯矩形波导。但是受加工方法的限制，目前封闭的太赫兹空芯矩形波导通常被剖分为半封闭的U型腔和覆盖面板分别加工成型再组装的方法。陈学斌等人，利用微细铣削的加工方法加工出0.5THZ金属矩形波导。孙玉洁等人采用牺牲层光刻工艺制备出长7.5mm、高300μm、侧壁垂直度为87.7°的0.4THz矩形波导腔结构。
随着工作频率的不断提高，矩形波导端面尺寸相应减小，对加工圆角半径和表面粗糙度的要求也越来越高，这使得现有的一些加工手段无法使用，必须发展其他技术。
发明内容
本加工方法可以实现牺牲芯模大批量高精度的生产，采用加热的方法高效便捷的去除牺牲芯模，使太赫兹空芯矩形波导能够批量高效的制造。
一种太赫兹空芯矩形波导的批量高效整体制造方法，其特征在于包含以下过程：
步骤1：利用光刻技术制备由低熔点合金组成的牺牲芯模；
步骤1.1：在基片上涂覆一层厚度厚度为H1的光刻胶；
步骤1.2：将步骤1.1中涂覆过光刻胶的基片放置在光刻机的载物台上，用掩模版进行曝光；
步骤1.3：将步骤1.2中的经过曝光的基片放入显影液中进行显影，显影结束后清洗并干燥；
步骤1.4：将步骤1.3中显影过的基片放置在加热板上，并将温度设定到高于低熔点合金熔点的温度，将熔融的低熔点合金均匀填充到步骤1.3中所形成的凹槽中；
步骤1.5：将步骤1.4中冷却后凝固后的低熔点合金进行精密抛磨，并使光刻胶与低熔点合金的厚度为H2，并进行清洗，凹槽内部的低熔点合金即为牺牲芯模；
步骤2：在低熔点合金的上表面电铸一层厚度为H3的电镀金层；
步骤3：从基片上取下由低熔点合金和电镀金层组成的牺牲芯模单侧镀金体，并进行清洗。
步骤4：将步骤3中取下牺牲芯模单侧镀金体的表面电镀金，得到第二次电镀金层，并将金层表面进行清洗；
步骤5：在金层的表面电铸铜，得到电铸铜层；
步骤6：对电铸铜层进行精密抛磨，得到所需的尺寸，并进行清洗；
步骤7：将步骤6中得到的整体进行加热，溶解内部的低熔点合金，得到太赫兹空芯矩形波导。
上述过程中采用低熔点合金作为牺牲芯模材料，一个基片上同时加工多个牺牲芯模，牺牲芯模的去除方便高效，大大提高了太赫兹波导的加工效率。
上述低熔点合金是指熔点在300℃以下的金属及其合金，通常由铋、镉、锡、铅、镝、铟等低熔点金属元素组成。
当低熔点合金的熔点在100℃以内时，在步骤7中，采用水浴加热去除低熔点合金。当低熔点合金的熔点处于100℃-300℃时，在步骤7中，采用油浴加热对低熔点合金进行去除。
上述步骤1矩形牺牲芯模的表面粗糙度、圆角半径、尺寸精度由基片的表面粗糙度、低熔点合金上表面的精密抛磨、低熔点合金的填充效果、光刻质量保证。
当对太赫兹空芯矩形波导的金层厚度均匀性有要求时，在进行步骤2后，清洗电镀金层表面，并在电镀金层上表面涂覆绝缘胶，进行步骤3、4以后，再将绝缘胶去除，继续进行步骤5及以后步骤。
综上所述，本发明具有以下优点：
1.本方法的牺牲芯模是采用光刻技术与低熔点合金制作的，可以一次生产大量的牺牲芯模。通过控制基片的表面精度、芯模上表面的精密抛磨、低熔点合金的填充效果、光刻质量，即可保证矩形牺牲芯模的表面粗糙度、圆角半径、尺寸精度，进而控制太赫兹空芯矩形波导的表面粗糙度、圆角半径、尺寸精度。因此，采用本方法牺牲芯模的生产效率高、质量好。
2.当牺牲芯模的材料采用常用牺牲芯模材料镍或者铝时，在去除牺牲芯模时，需要当采用化学试剂选择溶解芯模，由于太赫兹空芯矩形波导的尺寸小，牺牲芯模的溶解效率低，去除困难。此外，当采用铝作为牺牲芯模的材料时，由于微细电解线切割加工杂散腐蚀严重及材料极易变形等原因，难以获得质量较好的矩形芯模。本方法采用低熔点合金作为牺牲芯模材料，在牺牲芯模的去除中，通过将太赫兹波导进行水浴加热即可去除，这种去除方法效率高更高，操作简便。
3.对于不同传输频段的太赫兹空芯矩形波导，通过改变光刻胶的厚度H1、精密抛磨后光刻胶与低熔点合金的厚度H2、掩模版的图形，即可改变牺牲芯模的尺寸，从而制造不同尺寸的太赫兹空芯矩形波导，这种方法，方便快捷，工艺适应性强。
4.本方法中，采用先在牺牲芯模的上表面电镀一层金的方法，可以保证牺牲芯模不易发生变形，便于后续操作正常进行。当对太赫兹空芯矩形波导的金层厚度均匀性有要求时，采用先对第一层金层进行部分绝缘再电镀第二层金层使其厚度为H3的方法，即可保证金层厚度均匀性。
附图说明
图1 涂覆光刻胶剖面图；
图2 曝光剖面图；
图3 显影剖面图；
图4 填充低熔点合金后的剖面图；
图5 第一次电镀金剖面图；
图6 牺牲芯模单侧镀金体的整体视图；
图7 第二次电镀金后的整体视图；
图8 电铸完铜后的整体视图；
图9太赫兹空芯矩形波导的整体视图；
图中标号名称：1、基片，2、光刻胶，3、掩模版，4、低熔点合金，5、第一次电镀得到的金层，6、牺牲芯模单侧镀金体（由4和5组成），7、第二次电镀得到的金层，8、低熔点合金外部的镀金层（由5和7组成），9、电铸铜得到的铜层，10、太赫兹空芯矩形波导。
具体实施方法
所需制备的波导如图9示，采用以下制备过程：
步骤1：利用光刻技术制备由低熔点合金组成的牺牲芯模；
步骤1.1：在基片1上涂覆一层厚度为H1的光刻胶2；
步骤1.2：将步骤1.1中涂覆过光刻胶的基片1放置在光刻机的载物台上，用掩模版3进行曝光；
步骤1.3：将步骤1.2中的经过曝光的基片1放入显影液中进行显影，显影结束后清洗并干燥；
步骤1.4：将步骤1.3中显影过的基片1放置在加热板上，并将温度设定到高于低熔点合金熔点的温度，将熔融的低熔点合金均匀填充到步骤1.3中所形成的凹槽中；
步骤1.5：将步骤1.4中冷却凝固后的低熔点合金4表面进行精密抛磨，使光刻胶与低熔点合金的厚度为H2，并进行清洗，凹槽内部的低熔点合金即为牺牲芯模；
步骤2：在低熔点合金的上表面电镀一层厚度为H3的电镀金层5；
步骤3：从基片1上取下由低熔点合金4和电镀金层5组成的牺牲芯模单侧镀金体6，并进行清洗；
步骤4：将步骤3中取下牺牲芯模单侧镀金体6的表面电镀金，得到第二次电镀金层7，电镀金层5与7组成了电镀金层8，并将金层表面进行清洗；
步骤5：在金层8的表面电铸铜，得到电铸铜层9；
步骤6：对电铸铜层9进行精密抛磨，得到所需的尺寸，并进行清洗；
步骤7：将步骤6中得到的整体进行加热，溶解内部的低熔点合金4，得到太赫兹空芯矩形波导10。
Claims (5)
1.一种太赫兹空芯矩形波导的批量高效整体制造方法，其特征在于包含以下过程：
步骤1：利用光刻技术制备由低熔点合金组成的牺牲芯模；
步骤1.1：在基片（1）上涂覆一层厚度为H1的光刻胶（2）；
步骤1.2：将步骤1.1中涂覆过光刻胶的基片（1）放置在光刻机的载物台上，用掩模版（3）进行曝光；
步骤1.3：将步骤1.2中的经过曝光的基片（1）放入显影液中进行显影，显影结束后清洗并干燥；
步骤1.4：将步骤1.3中显影过的基片（1）放置在加热板上，并将温度设定到高于低熔点合金熔点的温度，将熔融的低熔点合金均匀填充到步骤1.3中所形成的凹槽中；
步骤1.5：将步骤1.4中冷却凝固后的低熔点合金（4）表面进行精密抛磨，使光刻胶与低熔点合金的厚度为H2，并进行清洗，凹槽内部的低熔点合金即为牺牲芯模；
步骤2：在低熔点合金的上表面电镀一层厚度为H3的电镀金层（5）；
步骤3：从基片（1）上取下由低熔点合金（4）和电镀金层（5）组成的牺牲芯模单侧镀金体（6），并进行清洗；
步骤4：将步骤3中取下牺牲芯模单侧镀金体（6）的表面电镀金，得到第二次电镀金层（7），电镀金层（5）与（7）组成了电镀金层（8），并将金层表面进行清洗；
步骤5：在金层（8）的表面电铸铜，得到电铸铜层（9）；
步骤6：对电铸铜层（9）进行精密抛磨，得到所需的尺寸，并进行清洗；
步骤7：将步骤6中得到的整体进行加热，溶解内部的低熔点合金（4），得到太赫兹空芯矩形波导（10）。
2.根据权利要求1所述的太赫兹空芯矩形波导的批量高效整体制造方法，其特征在于：
上述低熔点合金是指熔点在300℃以下的金属及其合金。
3.根据权利要求1所述的太赫兹空芯矩形波导的批量高效整体制造方法，其特征在于：
当低熔点合金的熔点在100℃以内时，在步骤7中，采用水浴加热去除低熔点合金；当低熔点合金的熔点处于100℃-300℃时，在步骤7中，采用油浴加热对低熔点合金进行去除。
4.根据权利要求1所述的太赫兹空芯矩形波导的批量高效整体制造方法，其特征在于：
上述步骤1矩形牺牲芯模（4）的表面粗糙度、圆角半径、尺寸精度由基片的表面粗糙度、低熔点合金上表面的精密抛磨、低熔点合金的填充效果、光刻质量保证。
5.根据权利要求1所述的太赫兹空芯矩形波导的批量高效整体制造方法，其特征在于：
当对太赫兹空芯矩形波导的金层厚度均匀性有要求时，在进行步骤2后，清洗电镀金层（5）表面，并在电镀金层（5）上表面涂覆绝缘胶，进行步骤3、4以后，再将绝缘胶去除，继续进行步骤5及以后步骤。
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