CN111146051A - 一种太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形装置及方法，采用光刻蚀技术在固丝部上形成限位槽，通过阶段性的槽宽渐变实现成孔丝的限位及防摆动，保证电子束孔的位置精度以及高平行度；通过重力环将成孔丝绷直，且成孔丝无弹性形变，保证电子束孔的高直线度；在基板表面通过光刻胶形成高度限制台阶，辅以微电铸、光刻等半导体工艺最终形成电子束孔，保证电子束孔具有高的尺寸精度。

Description

一种太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形装置及方法

技术领域

本发明属于精密与超精密器件加工的技术领域，尤其涉及一种太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形装置及方法。

背景技术

真空电子器件可以作为一种高功率的辐射源，在航天技术、雷达技术、电子对抗技术以及通讯技术中得到了广泛的应用，尤其在国防装备中，被誉为装备工程的“心脏”。因为目前制约通信系统工程化应用的主要瓶颈是大功率太赫兹功率源技术，基于固态功率合成方式的功率源技术目前主要还停留在数瓦级的输出功率水平。而后续远距离(84000km)、高速(单通道数Gbps～数十Gbps)的太赫兹星间通信系统，需要至少65W乃至100W的太赫兹功率源。因此，基于电真空器件的行波管放大技术逐渐成为解决太赫兹大功率源的研究重点。

行波管作为一种真空电子器件，是最重要的星地通讯电子元器件之一，折叠波导行波管做为一类重要的高频慢波互作用结构，可实现电磁场与电子的互作用，实现功率的放大，因而得到了广泛的重视。行波管让电子注穿过一个长慢波结构，慢波结构由折叠波导实现，电子注由中心的电子孔穿过，折叠波导尺寸及电子注孔径决定了行波管的性能，需精准控制。因此，行波管的精密制造成为太赫兹通信系统研制需要突破的关键技术，其结构形式、结构参数及加工精度直接影响系统性能的好坏。

随着真空器件进入太赫兹频段，折叠波导行波管慢波结构特别是电子束孔进入微米级领域，慢波结构的尺寸变得越来越小，使得折叠波导行波管难以采用传统的铣削、电火花等加工方式实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形装置及方法，可形成具有高直线度、高精度及平行度的微米级电子束孔。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形方法，包括：

抛光基板的表面；

在基板表面涂抹光刻胶并刻蚀形成成孔丝的支撑台及行波管图形；

截取预设长度的成孔丝，将成孔丝的两端系上重力环，并挂于一组位置相对的固丝部的限位槽中；

将基板置于位置调节部的顶面，调节位置调节部，使支撑台的顶面与成孔丝接触；

在支撑台与成孔丝的接触面上点光刻胶，光刻胶的厚度小于行波管的口径深度，且大于口径深度的二分之一；光刻胶固化后，断开基板周边的成孔丝；

移出基板，采用光刻胶刻蚀，使光刻胶包裹成孔丝，并刻蚀形成成孔丝结构及行波管结构；

电铸基板，填充刻蚀形成的刻蚀槽；

去除光刻胶并腐蚀成孔丝，形成电子束孔。

根据本发明一实施例，所述光刻胶为SU-8光刻胶。

根据本发明一实施例，采用激光熔断基板周边的成孔丝。

根据本发明一实施例，将基板置于位置调节部的顶面后，开启真空源，使基板真空吸附于位置调节部的顶面。

根据本发明一实施例，固丝部的限位槽采用表面机加工及激光刻蚀技术形成，且限位槽的宽度呈阶段性渐变。

根据本发明一实施例，所述成孔丝的直径范围为15微米～30微米，行波管的口径深度范围为160微米～300微米。

一种太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形装置，包括：

架体，

位置调节部，置于所述架体内；

基板，设于所述位置调节部的顶面；

固丝部，固设于所述架体顶部一组相对的横杆上；所述固丝部上刻有限位槽；

成孔丝，设于所述相对的一组固丝部的限位槽中，且所述成孔丝的两端各挂有重力环，所述重力环将所述成孔丝绷直且无弹性形变。

根据本发明一实施例，所述位置调节部自下而上依次包括X轴调节件、Y轴调节件、Z轴调节件及角度调节件；

所述X轴调节件用于调节所述基板在X轴方向的位置，所述Y轴调节件用于调节所述基板在Y轴方向的位置，所述Z轴调节件用于调节所述基板在Z轴方向的位置，所述角度调节件用于调节所述基板与水平面的角度。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明一实施例中的太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形方法，采用光刻蚀技术在固丝部上形成限位槽，通过阶段性的槽宽渐变实现成孔丝的限位及防摆动，保证电子束孔的位置精度以及高平行度；通过重力环将成孔丝绷直，且成孔丝无弹性形变，保证电子束孔的高直线度；在基板表面通过光刻胶形成高度限制台阶，辅以微电铸、光刻等半导体工艺最终形成电子束孔，保证电子束孔具有高的尺寸精度。

附图说明

图1为本发明一实施例中的太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形方法图；

图2为本发明一实施例中的太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形工艺图；

图3为本发明一实施例中的太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形装置的示意图；

图4为本发明一实施例中的固丝部的示意图；

图5为本发明一实施例中的重力环的示意图；

图6为本发明一实施例中的电子束孔成形后基板的示意图；

图7为本发明一实施例中的电子束孔的局部放大图。

附图标记说明：

1、架体；2：固丝部；201：限位槽；3：位置调节部；4：基板；5：成孔丝；6：重力环；7：电子束孔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形装置及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例一

如图1所示，本发明提供的太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形方法，包括：抛光基板4的表面；

在基板4表面涂抹光刻胶并刻蚀形成成孔丝5的支撑台及行波管图形；

截取预设长度的成孔丝5，将成孔丝5的两端系上重力环6，并挂于一组位置相对的固丝部2的限位槽201中；

将基板4置于位置调节部3的顶面，开启真空吸附，调节位置调节部3，使支撑台的顶面与成孔丝5接触；

在支撑台与成孔丝5的接触面上点光刻胶，光刻胶的厚度小于行波管的口径深度，且大于口径深度的二分之一；光刻胶固化后，断开基板4周边的成孔丝5；

移出基板4，采用光刻胶刻蚀，使光刻胶包裹成孔丝5，并形成行波管结构；

电铸基板4，填充刻蚀形成的刻蚀槽；

去除光刻胶并腐蚀成孔丝5，形成电子束孔7。

具体的，电子束孔7的形成工艺，如图2中(a)～(h)所示。基板4采用铜板，先抛光铜板的表面，使铜板平坦化；通过双面两次抛光，保障铜板上下两面的平行度和平面度。

铜板抛光后，在铜板表面旋涂光刻胶，刻蚀形成成孔丝5的支撑凸台及行波管图形，行波管图形的深度与宽度由行波管的口径决定。该光刻胶可以是SU-8光刻胶，也可以是其他的光刻胶。成孔丝5的直径范围为15μm～30μm，行波管的口径深度范围为160μm～300μm。本实施例选择行波管频率为1.0THz，成孔丝5的直径为25μm，行波管的口径宽度为118μm，深度为212μm。

截取设定长度的成孔丝5，选择铝丝作为成孔丝5，通过测试得到直径为25μm的铝丝的延展性在2％-6％，拉断强度在8g-13g之间。根据铝丝的延展性及拉断强度确定重力环6的重量。如图5所示，重量环6是一段金属丝通过成形工具弯制而成。将成孔丝5的两端装配重力环6，然后将成孔丝5挂入一组位置相对的固丝部2的限位槽201中。

将铜板装入位置调节部3的顶部，开启真空源，使铜板真空吸附于位置调节部的顶面，保证铜板平坦且无漂移。调节x轴调节件、y轴调节件以及角度调节件，将铜板移动至成孔丝5的装配位置，最后移动Z轴调节件，实现铜板表面的支撑台顶面与成孔丝5接触。

在支撑台上的成孔丝5上点SU-8光刻胶，胶的高度应大于于行波管口径深度的一半，且低于口径深度。胶固化后，使用激光熔断成孔丝5。

将铜板移出位置调节部3，进行第二次光刻蚀，通过使SU-8光刻胶包裹成孔丝5，刻蚀形成孔及行波管上部的部分图形结构。

采用微电铸铜板，填充光刻蚀产生的刻蚀槽；去除SU-8光刻胶，采用10％的氢氧化钠溶液腐蚀成孔丝5，形成电子束孔7的最终结构，如图6、7所示。

本发明采用表面机加工及激光刻蚀技术在固丝部上形成限位槽，通过阶段性的槽宽渐变实现成孔丝的限位及防摆动，保证电子束孔的位置精度以及高平行度；通过重力环将成孔丝绷直，且成孔丝无弹性形变，保证电子束孔的高直线度；在基板表面通过光刻胶形成高度限制台阶，辅以微电铸、光刻等半导体工艺最终形成电子束孔，保证电子束孔具有高的尺寸精度。

实施例二

本发明还提供了一种实现上述太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形方法的装置，该装置包括：架体1，如图3所示，架体1包括底座及方形支架。底座采用大理石材质制成，用于稳定及固定方形支架。

位置调节部3，置于架体1内。位置调节部3自下而上依次包括X轴调节件、Y轴调节件、Z轴调节件及角度调节件；

X轴调节件用于调节基板4在X轴方向的位置，Y轴调节件用于调节基板4在Y轴方向的位置，Z轴调节件用于调节基板4在Z轴方向的位置，角度调节件用于调节基板4与水平面的角度。

基板4，设于位置调节部的顶面。基板4可采用无氧铜板或铜合金板等具有高强度及导电性的金属基板，基板最后作为行波管的组成部分保留。可抛光铜板的表面，使铜板平坦化；也可通过双面两次抛光，保障铜板上下两面的平行度和平坦度。

固丝部2，固设于架体1顶部一组相对的横杆上。从图3中可以看出，架体1顶部一组相对的横杆上装有多对固丝部2。每个固丝部2上刻有限位槽201，如图4所示。限位槽201采用表面机加工及激光刻蚀技术形成，且限位槽201的槽宽呈阶段性渐变，通过阶段性渐变的槽宽实现对成孔丝5的限位及防摆动，并使装配成孔丝5的工艺更便捷。

成孔丝5，设于相对的一组固丝部2的限位槽201中，且成孔丝5的两端各挂有重力环6，根据成孔丝的延展性及拉断强度调整重力环6，该重力环6如图5所示，将成孔丝5拉得绷直且无弹性形变。成孔丝5可以是铝丝或聚合物丝或碳纤维丝。以直径为25μm的聚酯纤维丝为例，截取一定质量的铜丝通过成形工具弯制成可实现聚酯纤维丝绷直且不断裂的重力环6，将聚酯纤维丝的两端均系上重力环6。

光刻蚀机，用于在基板4表面涂抹光刻胶并刻蚀形成成孔丝5的支撑台、行波管结构及将光刻胶包裹成孔丝5，刻蚀形成成孔丝结构。

该装置可实现上述实施例一中的方法，其工作过程与实施例一中描述的类似，在此不做赘述。

综上，本发明提供的太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形方法及装置，通过阶段性的槽宽渐变实现成孔丝的限位及防摆动，保证电子束孔的位置精度以及高平行度；通过重力环将成孔丝绷直，且成孔丝无弹性形变，保证电子束孔的高直线度；在基板表面通过光刻胶形成高度限制台阶，辅以微电铸、光刻等半导体工艺最终形成电子束孔，保证电子束孔具有高的尺寸精度。且可实现含电子束孔的太赫兹折叠波导行波管批量化制造。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形方法，其特征在于，包括：

抛光基板的表面；

在基板表面涂抹光刻胶并刻蚀形成成孔丝的支撑台及行波管图形；

截取预设长度的成孔丝，将成孔丝的两端系上重力环，并挂于一组位置相对的固丝部的限位槽中；

将基板置于位置调节部的顶面，调节位置调节部，使支撑台的顶面与成孔丝接触；

在支撑台与成孔丝的接触面上点光刻胶，光刻胶的厚度小于行波管的口径深度，且大于口径深度的二分之一；光刻胶固化后，断开基板周边的成孔丝；

移出基板，采用光刻胶刻蚀，使光刻胶包裹成孔丝，并刻蚀形成成孔丝结构及行波管结构；

电铸基板，填充刻蚀形成的刻蚀槽；

去除光刻胶并腐蚀成孔丝，形成电子束孔。

2.如权利要求1所述的太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形方法，其特征在于，所述光刻胶为SU-8光刻胶。

3.如权利要求1所述的太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形方法，其特征在于，采用激光熔断基板周边的成孔丝。

4.如权利要求1所述的太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形方法，其特征在于，将基板置于位置调节部的顶面后，开启真空源，使基板真空吸附于位置调节部的顶面。

5.如权利要求1所述的太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形方法，其特征在于，固丝部的限位槽采用表面机加工及激光刻蚀技术形成，且限位槽的宽度呈阶段性渐变。

6.如权利要求1所述的太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形装置，其特征在于，成孔丝的直径范围为15微米～30微米，行波管的口径深度范围为160微米～300微米。

7.一种太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形装置，其特征在于，包括：

架体，

位置调节部，置于所述架体内；

基板，设于所述位置调节部的顶面；

固丝部，固设于所述架体顶部一组相对的横杆上；所述固丝部上刻有限位槽；

成孔丝，设于所述相对的一组固丝部的限位槽中，且所述成孔丝的两端各挂有重力环，所述重力环将所述成孔丝绷直且无弹性形变。

8.如权利要求7所述的太赫兹级折叠波导行波管的电子束孔成形装置，其特征在于，所述位置调节部自下而上依次包括X轴调节件、Y轴调节件、Z轴调节件及角度调节件；

所述X轴调节件用于调节所述基板在X轴方向的位置，所述Y轴调节件用于调节所述基板在Y轴方向的位置，所述Z轴调节件用于调节所述基板在Z轴方向的位置，所述角度调节件用于调节所述基板与水平面的角度。

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