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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