CN111952709A - 太赫兹矩形波导的制备方法、矩形波导及波导器件 - Google Patents

太赫兹矩形波导的制备方法、矩形波导及波导器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种太赫兹矩形波导的制备方法、矩形波导及波导器件，其中，太赫兹矩形波导的制备方法，包括：采用金属辅助化学刻蚀方法在一半导体晶片上形成立方体凹槽；在刻蚀的凹槽表面沉积第一导电材料；将沉积有第一导电材料的另一晶片与刻蚀的凹槽中沉积有第一导电材料的半导体晶片进行键合，形成以第一导电材料为波导壁的矩形波导。本发明方法制备的波导具有体积小且精度高的优点。

Description

太赫兹矩形波导的制备方法、矩形波导及波导器件
技术领域
本发明涉及太赫兹传输线领域，尤其涉及一种太赫兹矩形波导的制备方法、矩形波导及波导器件。
背景技术
频段在0.1THz到10THz的太赫兹波，由于有着能量小、高分辨率、高传输速度等诸多优点，在通信、安检、医学、雷达等领域具有广泛的应用前景。
太赫兹波导是其在通信领域的应用之一，但长久以来受到器件工艺技术和生产成本的限制，要么是器件精度达不到要求，要么是生产成本居高不下，因此其应用也面临着一些困难。
发明内容
本发明提供一种太赫兹矩形波导的制备方法，用以克服上述现有技术中存在的技术问题，具有精度较高，而且制造成本较低。
本发明提供的一种太赫兹矩形波导的制备方法，包括
(1)采用金属辅助化学刻蚀方法在一半导体晶片上形成立方体凹槽；
(2)在刻蚀的凹槽表面沉积第一导电材料；
(3)将沉积有第一导电材料的另一晶片与刻蚀的凹槽中沉积有第一导电材料的半导体晶片进行键合，形成以第一导电材料为波导壁的矩形波导。
本发明还提供一种矩形波导，其采用上述的方法制备。
本发明还提供一种波导器件，包括上述的矩形波导。
本发明通过采用金属辅助化学刻蚀方法实现了制备较小体积而且精度较高的太赫兹矩形波导，比较适用于太赫兹波段的小型化波导制作。由于较小的表面粗糙度和较好的侧壁垂直度，使得电磁波信号传输中损耗较小，可以进一步提高在太赫兹频段器件的设计仿真与加工实测结果的吻合度，同时该制备工艺可与传统集成电路制造工艺相兼容，降低了太赫兹波导器件制造过程的复杂度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例提供的一种太赫兹矩形波导的制备方法的流程图；
图2为图1中形成立方体凹槽过程的流程图；
图3a～3i为本发明实施例制备方法各步骤形成结构的平面示意图；
图4为本发明方法制作的矩形波导与传统方法制作的波导插入损耗曲线对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
太赫兹矩形波导的表面精度及拐角处的角度对电磁波的传输影响较大，太赫兹矩形波导加工方面，现有技术中通常采用一些微加工技术如DRIE(Deep Reactive IonEtching，深反应离子刻蚀)、LIGA(德语Lithographie，Galvanoformung和Abformung三个词，即光刻、电铸和注塑)以及厚SU-8光刻技术等来代替传统CNC(Computerized NumericalControl,计算机数控技术)加工工艺。DRIE能够实现陡峭的侧壁，但离子刻蚀与钝化交替的过程会导致被刻蚀表面粗糙度较大，对高频段尤其是太赫兹频段电磁波趋肤深度较小的情况下，带来较大的损耗；LIGA工艺能够实现光滑高深宽比腔体，然而工艺成本太高；负性环氧光刻胶SU-8工艺虽能解决成本过高的问题，但加工精度较低，同时在加工腔体时对厚度有限制，需要将多片基片通过对位孔合成在一起，会导致较大误差。所以这些现有技术中的制备工艺通常不是在粗糙度、加工精确度方面对器件性能产生不利影响，就是加工成本太高。本发明通过对波导制备工艺的改进以对器件性能提高。
为使本发明的技术方案更加清楚，以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
图1为本实施例提供的一种太赫兹矩形波导的制备方法的流程图，图2为图1中形成立方体凹槽过程的流程图，图3a～3i为本发明实施例制备方法各步骤形成结构的平面示意图，如图1至图3a～3i所示，本实施例的制备方法包括：
步骤101、采用金属辅助化学刻蚀方法在一半导体晶片上形成立方体凹槽。
金属辅助化学刻蚀是一种新型纳米加工方法，其使用导电材料作为催化剂的湿法刻蚀方法，这种方法克服了传统湿法刻蚀各向同性刻蚀，无法形成垂直拐角结构的缺点，可以实现只在催化剂与半导体表面进行反应的各向异性化学刻蚀。它使用沉积在半导体表面上的导电材料作为催化剂来催化酸性溶液中氧化剂，产生空穴，诱导局部氧化和还原反应，从而实现定向刻蚀，而且刻蚀精度较高。本步骤中采用这种方法在半导体晶片上制备出立方体凹槽，具体过程包括：
步骤1011、在半导体晶片10上涂覆光刻胶50，形成如图3a的结构。
在涂覆光刻胶之前一般需要对半导体晶片基底进行清洁预处理并吹干，如采用超声波降解并用异丙酮及去离子水清洗去除晶片表面的粘附的有机物，清洗之后并用氮气枪吹干晶片基底。涂覆光刻胶选用旋涂方法，旋涂方法可以通过控制旋转速度控制光刻胶的厚度。半导体晶片的材料可以为硅、砷化镓、氧化镓、砷镓铟、磷化铟或砷化铟。
步骤1012、光刻出矩形波导对应的矩形图案，形成如图3b所示的结构。
由于本发明要采用金属辅助化学刻蚀方法形成矩形波导形状，因此需要在涂覆的光刻胶上光刻出矩形波导对应的矩形图案以便于沉积催化剂。
步骤1013、在矩形图案处沉积作为催化剂的第二导电材料60，并去除光刻胶及矩形图案外的多余的第二导电材料，形成如图3c所示的结构。
这里作为催化剂的第二导电材料可以为铂、金、银或石墨烯，第二导电材料不仅作为催化剂控制刻蚀的方向，同时还起到掩膜版的作用，能够控制图案的精准转移。具体来说，第二导电材料用于在晶片放置于刻蚀溶液中时催化半导体表面进行局部的氧化还原反应，实现各向异性的化学刻蚀，从而在半导体晶片上形成具有光滑内壁的凹槽，不仅刻蚀精度高，而且不会产生过刻蚀。
步骤1014、浸入溶液进行刻蚀到预定深度，形成如图3d所示的结构。
根据矩形波导的尺寸可以计算并配置适当浓度的溶液以控制刻蚀速度，从而得到刻蚀预定深度的凹槽。刻蚀溶液为预定浓度的氧化剂和酸组成。如可以采用13.5摩尔过氧化氢和0.91摩尔氢氟酸溶液。
步骤1015、移除第二导电材料，在半导体晶片表面形成立方体凹槽70，形成如图3e所示的结构。
刻蚀到预定深度后，将晶片取出溶液，并用王水去除催化剂，即移除第二导电材料，此时即完成矩形波导的立方体凹槽制备。
上述方法制备的凹槽内壁光滑，侧壁垂直度高，拐角处为无圆角的直角，因此，后续形成的波导壁也具有较高的光滑度和分明的直角，有利于降低电磁波传输时的损耗。
步骤102、在刻蚀的凹槽表面沉积第一导电材料30，形成如图3f所示的结构。
第一导电材料为金属导电材料，如金、银、铜、铝等导电金属。第一导电材料为太赫兹波导材料，由于在步骤101中形成了光滑的凹槽内壁，因此在凹槽内沉积的波导壁也是光滑的，本发明实施例中沉积第一导电材料的方法可以为溅射或热蒸发，本发明优选磁控溅射，相对于热蒸发，溅射得到的侧壁厚度更加均匀，因此有利于减少传输损耗。
步骤103、将沉积有第一导电材料40的另一晶片20(如图3g所示)与刻蚀的凹槽中沉积有第一导电材料的半导体晶片10进行键合，形成以第一导电材料为波导壁的矩形波导，形成如图3h所示的结构。
为形成矩形波导，上述凹槽中沉积有第一导电材料的晶片需与另一沉积有第一导电材料的晶片进行键合，以形成电磁波通过的闭合的矩形断面，即可以通过热压键合方法使两晶片上的第一导电材料在界面处发生物理化学反应形成稳固的键连接，最后形成波导壁结构如图3i所示。
图4为本发明方法制作的矩形波导与传统方法制作的波导插入损耗曲线对比图。由图4可以看出，相对于传统干法刻蚀方法制备的波导，同样的频率(横坐标)下，本发明的制备方法制作的矩形波导具有更低的插入损耗(纵坐标)，传统方法制备的波导传输中的损耗约是金属辅助化学刻蚀方法制备的波导传输中的损耗的1.48倍。
本发明实施例通过采用金属辅助化学刻蚀方法实现了制备较小体积而且精度较高的太赫兹矩形波导，比较适用于太赫兹波段的小型化波导制作。由于较小的表面粗糙度和较好的侧壁垂直度，使得电磁波信号传输中损耗较小，可以进一步提高在太赫兹频段器件的设计仿真与加工实测结果的吻合度，同时该制备工艺可与传统集成电路制造工艺相兼容，降低了太赫兹波导器件制造过程的复杂度。
本发明实施例还提供一种矩形波导，矩形波导采用如上述实施例中的方法制备得到。
本发明实施例还提供一种波导器件，其包括上述的矩形波导，这种波导器件具有较低的传输损耗。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种太赫兹矩形波导的制备方法，其特征在于，包括
(1)采用金属辅助化学刻蚀方法在一半导体晶片上形成立方体凹槽；
(2)在刻蚀的凹槽表面沉积第一导电材料；
(3)将沉积有第一导电材料的另一晶片与刻蚀的凹槽中沉积有第一导电材料的半导体晶片进行键合，形成以第一导电材料为波导壁的矩形波导。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)包括：
在半导体晶片上涂覆光刻胶；
光刻出矩形波导对应的矩形图案；
在矩形图案处沉积作为催化剂的第二导电材料；
浸入溶液进行刻蚀到预定深度；
移除第二导电材料，在半导体晶片表面形成立方体凹槽。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，第二导电材料为铂、金、银或石墨烯。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述溶液为预定浓度的氧化剂和酸组成。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述溶液为过氧化氢和氢氟酸溶液。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一导电材料为金属导电材料。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体晶片的材料为硅、砷化镓、氧化镓、砷镓铟、磷化铟或砷化铟。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中沉积第一导电材料的方法为磁控溅射。
9.一种矩形波导，其特征在于，所述矩形波导采用如权利要求1～8中任一项所述的方法制备。
10.一种波导器件，其特征在于，包括如权利要求9所述的矩形波导。
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