CN111017865B - 用于太赫兹折叠波导微结构的制备方法 - Google Patents

用于太赫兹折叠波导微结构的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于太赫兹折叠波导微结构的制备方法，包括在基板表面制备太赫兹折叠波导微结构粘合层；在粘合层上制备第一层太赫兹折叠波导微结构掩模和电子注通道芯模定位结构；在掩模中制备第一层太赫兹折叠波导微结构；通过减薄抛光处理，使第一层太赫兹折叠波导微结构厚度达到预设值；将电子注通道芯模与电子注通道芯模定位结构对准并在相应位置固定完成电子注通道芯模转移；制备第二层太赫兹折叠波导微结构掩模以及第二层太赫兹折叠波导微结构，通过减薄抛光处理，使基片上的太赫兹折叠波导微结构厚度达到预期厚度；去除光刻胶、粘合层和电子注通道芯模，形成太赫兹折叠波导微结构。本发明克服了传统工艺制作难度大，尺寸精度不高的缺点。

Description

用于太赫兹折叠波导微结构的制备方法
技术领域
本发明涉及微纳结构加工领域，具体地，涉及一种光刻工艺方法，尤其涉及一种用于太赫兹折叠波导慢波结构的制备方法。
背景技术
太赫兹科学与技术从20世纪80年代中期开始发展，随着科学技术的发展，特别是超快技术的发展，使获得宽带稳定的脉冲太赫兹源成为一种成熟技术，太赫兹技术也得以迅速发展。
从20世纪90年代中期开始，陆续有发达国家相关部门对太赫兹科学研究项目持续提供资金支持。并且在2004年，美国MIT将太赫兹科技评为“改变未来世界的十大技术”之一。作为一种极具发展潜力的太赫兹器件折叠波导慢波结构，它同时具有高功率容量和宽频带的特点，作为高频、大功率、宽频带微波源的慢波电路具有巨大的应用潜力，不少国家开展了对太赫兹折叠波导行波管放大器的研究。
从目前国内现状看，对于低频率的金属折叠波导而言，波导腔尺寸较大，其制造一般采用微铣削、电火花、电解等传统机械加工及电铸工艺方法，制造工艺较为成熟。但是对于在太赫兹频率波段的金属折叠波导，其尺寸在亚毫米级甚至更小，而且为了保证器件的低损耗传输特性，需要制备工艺具有高精度及低粗糙度的特点。而早期的传统的电加工制造工艺，导致波导腔体尺寸精度低，从而使电子注与微波无法保持较高的互作用效率，进一步导致器件功率容量低，高频损耗大。除此之外，国内对折叠波导行波管电子注通道加工精度也不高，加工方法以及相应的芯模材料仍有待解决，而国外已能进行微尺寸电子注通道的高精度加工，实现高频太赫兹行波管的制造。
目前，国内已报道了一些有关太赫兹折叠波导加工的方法。如中电41所陈学斌等人于2015年报道了一种基于微铣削的太赫兹矩形波导加工技术，波导截面尺寸为0.559mm×0.279mm，表面粗糙度小于0.8μm，工作频率为0.5THz。但是微铣削方法对于复杂三维形状折叠波导来说加工难度大，且受限于刀具，加工精度无法保证。[1]中国工程物理研究院的科研工作者在2010年开始对折叠波导行波管进行了大量的研究与制管工作，但工作多集中在结构设计与模拟，缺乏折叠波导精密制造工艺的研究。[2-3]中科院电子所采用嵌丝式UV-LIGA工艺制备折叠波导，电子注通道直径为200μm，嵌入丝使用尼龙，但后续电铸过程含硫酸的电铸液对其有影响，嵌入丝材料有待优化。[4]为解决目前国内对太赫兹折叠波导加工精度低，成品率不高等问题，我们设计了一种利用MEMS工艺制备太赫兹折叠波导的工艺步骤，该工艺步骤具有高精度，高成品率的优点。
参考文献：
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发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于太赫兹折叠波导微结构的制备方法。
根据本发明提供的一种用于太赫兹折叠波导微结构的制备方法，包括：
步骤M1：在经过精密抛光的基板1表面制备太赫兹折叠波导微结构粘合层2；
步骤M2：在太赫兹折叠波导微结构粘合层2上，制备第一层太赫兹折叠波导微结构掩模和电子注通道芯模定位结构3；
步骤M3：在第一层太赫兹折叠波导微结构掩模中制备第一层太赫兹折叠波导微结构4；
通过减薄抛光处理，使第一层太赫兹折叠波导微结构4厚度达到预设值；
步骤M4：将电子注通道芯模5与电子注通道芯模定位结构对准并在相应位置点胶固定，完成电子注通道芯模5准确转移；
步骤M5：在第一层太赫兹折叠波导微结构4和电子注通道芯模5上，制备第二层太赫兹折叠波导微结构掩模6；
步骤M6：在第二层太赫兹折叠波导微结构掩模6中制备第二层太赫兹折叠波导微结构7，通过减薄抛光处理，使基片上的太赫兹折叠波导微结构厚度达到预期波导腔总厚度；
步骤M7：去除第一层太赫兹折叠波导慢波微结构掩模和电子注通道芯模预置定位结构3和第二层太赫兹折叠波导慢波微结构掩模6，形成太赫兹折叠波导微结构。
优选地，所述步骤M1包括：通过光刻技术在经过精密抛光前处理的基板1表面制备太赫兹折叠波导微结构粘合层2；
所述太赫兹折叠波导微结构粘合层2所使用的材料包括聚酰亚胺负性光刻胶。
优选地，所述基板1包括铍青铜合金基板或铜基板。
优选地，所述步骤M2包括：采用SU-8厚胶光刻技术在太赫兹折叠波导微结构粘合层2上，套刻制备第一层太赫兹折叠波导微结构掩模和电子注通道芯模定位结构3；
优选地，所述步骤M3包括：
步骤M3.1：采用微电铸技术在第一层太赫兹折叠波导微结构掩模中制备铜合金第一层太赫兹折叠波导微结构4；
步骤M3.2：利用化学机械抛光技术对采用SU-8厚胶光刻技术所制备的光刻胶和采用微电铸技术所制备的电铸铜合金的异质表面进行减薄抛光处理，使第一层太赫兹折叠波导微结构4厚度达到预设值。
优选地，所述微电铸技术制备的铜合金包括为银铜合金或铜。
优选地，所述步骤M4包括：
将含有第一层太赫兹折叠波导微结构的基片固定在预置转移机构上，通过调节预置转移机构的三维坐标将电子注通道芯模5与电子注通道芯模定位结构对准并在相应位置点胶固定，完成电子注通道芯模5准确转移；
所述预置转移机构为利用三维坐标移动平台构成的可以固定基片进行电子注芯模转移的工作平台。
所述电子注通道芯模为直径为预设值的聚合物丝，包括聚碳酸酯、聚酯纤维和聚四氟乙烯。
优选地，所述步骤M5包括：
采用SU-8厚胶光刻技术在第一层太赫兹折叠波导微结构4和电子注通道芯模5上，套刻制备第二层太赫兹折叠波导微结构掩模6。
优选地，所述步骤M6包括：
步骤M6.1：采用微电铸技术在第二层太赫兹折叠波导微结构掩模6中制备第二层太赫兹折叠波导微结构7；
步骤M6.2：采用化学机械抛光技术对采用SU-8厚胶光刻技术制备的光刻胶和采用微电铸技术制备的电铸铜合金的异质表面进行减薄抛光处理，使基片上的太赫兹折叠波导微结构厚度达到预期波导腔总厚度；
所述第二层太赫兹折叠波导微结构7为铜合金。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、采用UV-LIGA技术制备波导腔体，克服了传统工艺制作难度大，尺寸精度不高的缺点；
2、采用先进行波导结构粘合层制作在进行厚胶工艺步骤，极大的增加了SU-8胶与基片的结合力，提高了波导腔体制作的成功率；
3、采用聚合物丝作电子注芯模，利用强碱去除，提高了电子注加工精度，且不会对波导腔体造成损伤。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明太赫兹折叠波导慢波结构的制备方法工艺流程图。
图2为未加盖板的太赫兹折叠波导三维图。
图1中，1-基片，2-太赫兹折叠波导微结构粘合层，3-第一层太赫兹折叠波导微结构掩模和电子注通道芯模定位结构，4-第一层太赫兹折叠波导微结构，5-电子注通道芯模，6-第二层太赫兹折叠波导微结构掩模，7-第二层太赫兹折叠波导微结构，8-盖板。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供的一种用于太赫兹折叠波导微结构的制备方法，包括：
步骤M1：在经过精密抛光的基板1表面制备太赫兹折叠波导微结构粘合层2；
具体地，所述步骤M1包括：通过光刻技术在经过精密抛光处理的基板1表面相应位置制备太赫兹折叠波导微结构粘合层2；
所述太赫兹折叠波导微结构粘合层2所使用的材料包括聚酰亚胺负性光刻胶。
更为具体地，所述基板1包括铍青铜合金基板或铜基板，厚度为950μm～1000μm。
制作波导结构需先进行步骤M1，制作波导结构粘合层，可增加后续厚胶工艺中SU-8与基片的结合力。
波导结构粘合层2制备：旋涂聚酰亚胺负胶，90℃前烘1小时；采用德国KarlSuss公司双面对准MA6光刻机曝光20秒；负胶显影液中，显影90秒。
步骤M2：在太赫兹折叠波导微结构粘合层2上，制备第一层太赫兹折叠波导微结构掩模和电子注通道芯模定位结构3；
具体地，所述步骤M2包括：采用光刻技术在太赫兹折叠波导微结构粘合层2上，套刻制备第一层太赫兹折叠波导微结构掩模和电子注通道芯模定位结构3；
太赫兹折叠波导微结构第一层掩模和电子注通道芯模预置定位结构3制备：旋涂SU-8负胶，90℃前烘4小时；采用德国KarlSuss公司双面对准MA6光刻机曝光60秒；负胶显影液显影150秒。
步骤M3：在第一层太赫兹折叠波导微结构掩模中制备第一层太赫兹折叠波导微结构4；
通过减薄抛光处理，使第一层太赫兹折叠波导微结构4厚度达到波导腔总厚度的50％预设值；
具体地，所述步骤M3包括：
步骤M3.1：采用微电铸技术在第一层太赫兹折叠波导微结构掩模中制备高导电高强度铜合金第一层太赫兹折叠波导微结构4；
步骤M3.2：利用化学机械抛光技术对采用SU-8厚胶光刻技术所制备的光刻胶和采用微电铸技术所制备的电铸铜合金的异质表面进行减薄抛光处理，使第一层太赫兹折叠波导微结构4厚度达到波导腔总厚度的50％预设值。
更为具体地，所述微电铸技术制备的铜合金包括为银铜合金或铜。
第一层太赫兹折叠波导微结构4制备：电铸厚度为100μm，最小线宽为25μm的银铜合金，采用化学机械抛光技术对表面进行减薄抛光，控制第一层太赫兹折叠波导微结构4厚度为预设值90μm。
步骤M4：将电子注通道芯模5与电子注通道芯模定位结构对准并在相应位置点胶固定，完成电子注通道芯模5准确转移；
具体地，所述步骤M4包括：
将含有第一层太赫兹折叠波导微结构4的基片固定在预置转移机构上，通过调节预置转移机构的XYZ三维坐标将电子注通道芯模5与电子注通道芯模定位结构对准并在相应位置点胶固定，完成电子注通道芯模5准确转移；
所述预置转移机构为利用三维坐标移动平台构成的可以固定基片进行电子注芯模转移的工作平台。
电子芯模固定在基片上，需要通过电子注通道芯模定位结构找准相应的位置，才能准确固定在基片上；
电子芯模是一种不导电的材料，电铸完成后，去除该芯模可以获得空心的电子注通道；
电子注通道芯模为直径数十微米级的聚合物丝，聚合物丝直径15μm～20μm，材料包括聚碳酸酯、聚酯纤维和聚四氟乙烯。
电子注通道芯模5转移：利用预置转移机构将电子注通道芯模5与基片1中的定位结构对准，然后使用ergo-5400万能胶将直径为20μm的聚碳酸酯丝固定在定位结构上，完成电子注通道芯模5转移。
步骤M5：在第一层太赫兹折叠波导微结构4和电子注通道芯模5上，制备第二层太赫兹折叠波导微结构掩模6；
优选地，所述步骤M5包括：
采用SU-8厚胶光刻技术在第一层太赫兹折叠波导微结构4和电子注通道芯模5上，套刻制备第二层太赫兹折叠波导微结构掩模6。
太赫兹折叠波导微结构第二层掩模6制备：旋涂SU-8负胶，90℃前烘4小时；采用德国KarlSuss公司双面对准MA6光刻机曝光60秒；在负胶显影液中显影150秒。
步骤M6：在第二层太赫兹折叠波导微结构掩模6中制备第二层太赫兹折叠波导微结构7，通过减薄抛光处理，使基片上的太赫兹折叠波导微结构厚度达到预期波导腔总厚度；
具体地，所述步骤M6包括：
步骤M6.1：采用微电铸技术在第二层太赫兹折叠波导微结构掩模6中制备高导电高强度铜合金第二层太赫兹折叠波导微结构7；
步骤M6.2：采用化学机械抛光技术对采用SU-8厚胶光刻技术所制备的光刻胶和采用微电铸技术制备的电铸铜合金的异质表面进行减薄抛光处理，使基片上的太赫兹折叠波导微结构厚度达到预期波导腔总厚度；
所述第二层太赫兹折叠波导微结构7为铜合金。
所述总厚度指的是波导腔体的高度。
第二层太赫兹折叠波导微结构7制备：电铸厚度为120μm，最小线宽为25μm的银铜合金，利用化学机械抛光技术对表面进行减薄抛光，控制波导腔体总厚度。
步骤M7：去除第一层太赫兹折叠波导慢波微结构掩模、电子注通道芯模预置定位结构和第二层太赫兹折叠波导慢波微结构掩模，形成太赫兹折叠波导微结构；
太赫兹折叠波导微结构掩模3，6去除：使用等离子体去胶机，去除SU-8胶以及波导结构粘合层。
电子注通道芯模5去除：将上述器件浸泡在氢氧化钠溶液中，浸泡6小时，去除电子注通道芯模5。
步骤M8：将形成太赫兹折叠波导微结构，采用纳米铜针热压键合技术进行盖板8键合，得到太赫兹折叠波导器件阵列。
步骤M9：利用划片机，对键合后基板进行切割，得到太赫兹折叠波导器件。
最终能够使用的太赫兹折叠波导器件是一个上下封闭的腔体，所以需要进行步骤M8，将其上表面与盖板8键合；而且该结构是在一个基片上的，一个基片上有几十个折叠波导微结构，要得到独立的太赫兹折叠波导器件需要进行步骤M9将其切割，才能获得独立的太赫兹折叠波导器件。
太赫兹折叠波导微结构粘合层2、第一层太赫兹折叠波导微结构掩模和电子注通道芯模定位结构3、第二层太赫兹折叠波导微结构掩模6都是由同一掩模板光刻所制作，通过对准标记一层层套刻制作，所以横向位置相同，然后工艺步骤中的微电铸步骤，是在没有光刻胶的位置利用微电铸工艺填充第一层太赫兹折叠波导微结构4和第二层太赫兹折叠波导微结构7。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种用于太赫兹折叠波导微结构的制备方法，其特征在于，包括：
步骤M1：在经过精密抛光的基板表面光刻制备太赫兹折叠波导微结构粘合层；
步骤M2：在太赫兹折叠波导微结构粘合层上，制备第一层太赫兹折叠波导微结构掩模和电子注通道芯模定位结构；
步骤M3：在第一层太赫兹折叠波导微结构掩模间隔中制备第一层太赫兹折叠波导微结构；通过减薄抛光处理，使第一层太赫兹折叠波导微结构厚度达到预设值；
步骤M4：将电子注通道芯模与电子注通道芯模定位结构对准并在相应位置点胶固定，完成电子注通道芯模准确转移；
步骤M5：在第一层太赫兹折叠波导微结构和电子注通道芯模上，制备第二层太赫兹折叠波导微结构掩模；
步骤M6：在第二层太赫兹折叠波导微结构掩模间隔中制备第二层太赫兹折叠波导微结构，通过减薄抛光处理，使基板上的太赫兹折叠波导微结构厚度达到预期波导腔总厚度；
步骤M7：去除第一层太赫兹折叠波导微结构掩模、电子注通道芯模定位结构、电子注通道芯模和第二层太赫兹折叠波导微结构掩模，形成太赫兹折叠波导微结构。
2.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹折叠波导微结构的制备方法，其特征在于，所述步骤M1包括：通过光刻技术在经过精密抛光处理的基板表面制备太赫兹折叠波导微结构粘合层；所述太赫兹折叠波导微结构粘合层所使用的材料包括聚酰亚胺负性光刻胶。
3.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹折叠波导微结构的制备方法，其特征在于，所述基板包括铍青铜合金基板或铜基板。
4.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹折叠波导微结构的制备方法，其特征在于，所述步骤M2包括：采用SU-8厚胶光刻技术在太赫兹折叠波导微结构粘合层上，套刻制备第一层太赫兹折叠波导微结构掩模和电子注通道芯模定位结构。
5.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹折叠波导微结构的制备方法，其特征在于，所述步骤M3包括：
步骤M3.1：采用微电铸技术在第一层太赫兹折叠波导微结构掩模中制备铜合金第一层太赫兹折叠波导微结构；
步骤M3.2：利用化学机械抛光技术对采用SU-8厚胶光刻技术制备的光刻胶和采用微电铸技术制备的电铸铜合金的异质表面进行减薄抛光处理，使第一层太赫兹折叠波导微结构厚度达到预设值。
6.根据权利要求5所述的一种用于太赫兹折叠波导微结构的制备方法，其特征在于，所述微电铸技术制备的电铸铜合金包括为银铜合金。
7.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹折叠波导微结构的制备方法，其特征在于，所述步骤M4包括：
将含有第一层太赫兹折叠波导微结构的基板固定在预置转移机构上，通过调节预置转移机构的三维坐标将电子注通道芯模与电子注通道芯模定位结构对准并在相应位置点胶固定，完成电子注通道芯模准确转移；
所述预置转移机构为利用三维坐标移动平台构成的可以固定基板进行电子注芯模转移的工作平台；
所述电子注通道芯模为直径为预设值的聚合物丝，材料包括聚碳酸酯、聚酯纤维和聚四氟乙烯。
8.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹折叠波导微结构的制备方法，其特征在于，所述步骤M5包括：
采用SU-8厚胶光刻技术在第一层太赫兹折叠波导微结构和电子注通道芯模上，套刻制备第二层太赫兹折叠波导微结构掩模。
9.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹折叠波导微结构的制备方法，其特征在于，所述步骤M6包括：
步骤M6.1：采用微电铸技术在第二层太赫兹折叠波导微结构掩模中制备铜合金第二层太赫兹折叠波导微结构；
步骤M6.2：采用化学机械抛光技术对采用SU-8厚胶光刻技术制备的光刻胶和采用微电铸技术制备的电铸铜合金的异质表面进行减薄抛光处理，使基板上的太赫兹折叠波导微结构厚度达到预期波导腔总厚度；
所述微电铸技术制备的电铸铜合金包括为银铜合金。
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