CN112904550B - 一种基于多层硅基光栅的太赫兹波幅度调制器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多层硅基光栅的太赫兹波幅度调制器及制备方法，属于信息技术中的人工电磁材料领域。包括：第一亚波长光栅、第二亚波长光栅、线圈、磁体和MEMS弹簧；所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅位于上下两层且相互平行，键合构成双层光栅；所述线圈置于第二亚波长光栅上，所述MEMS弹簧与第二亚波长光栅相连；所述线圈通电时，在所述磁体的作用下带动第二亚波长光栅相对于第一亚波长光栅发生位移，位移方向与所述双层光栅平行。本发明仅基于多层硅基光栅，无其他复杂结构，具有易于设计、低成本、操作简单等特点，而且普适性强，无频率依赖性，具有很好的可扩展性，能够被推广至太赫兹以外的其他电磁波频段。

Description

一种基于多层硅基光栅的太赫兹波幅度调制器及制备方法

技术领域

本发明属于信息技术中的人工电磁材料领域，更具体地，涉及一种基于多层硅基光栅的太赫兹波幅度调制器及制备方法。

背景技术

太赫兹频段电磁波通常是指介于微波与红外之间，频率在0.1-10THz的电磁波(对应波长在0.03到3mm范围)。过去由于受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，对这一频段电磁波的研究结果和数据一直较少，这一频段也被称为“太赫兹间隙”。随着80年代一系列新技术、新材料的发展，太赫兹源及接收器的类型和性能得到了极大的提升，使得太赫兹技术得到了迅猛发展。

完整的太赫兹系统不但需要高效的辐射源及探测器，也需要各类高性能太赫兹器件，从而实现对太赫兹信号的有效操控。作为一类基于人工设计的电磁结构，电磁超材料越来越多地被用于太赫兹波的操控。它通常由一系列亚波长量级的单元结构按照周期形式排布而成。通过改变单元结构的形状、尺寸、单元结构的间距以及排布方式来调整超材料在宏观上的电磁参数，从而获得所需要的电磁响应特性。近年来，各类基于电磁超材料的器件不断涌现，其应用频段涵盖了微波至可见光频段。最简单的亚波长一维光栅即可视为一种电磁超材料。

然而，电磁超材料通常不具备可调谐特征。一旦设计成型，其电磁响应参数便已经固定。在太赫兹频段设计出可调谐的电磁超材料可以进一步提高对太赫兹波的操控能力，从而对太赫兹波的幅度、相位等参数进行调节。现有实现太赫兹可重构超材料的方法主要包括通过额外施加偏置电压或光学方法改变结构中或衬底上半导体的载流子浓度，利用MEMS结构或具有相变性质的材料等。不同方法在物理机制上的差异将直接影响超材料的性能、工艺复杂性、频谱可扩展性、成本、可重构度或调制深度。

而硅基材料系统具有一系列的优势，包括加工工艺简单、低成本、适合大量生产，因此具有潜在的商业用途，现已被广泛用于超材料吸收体、谐振器等器件的加工制作。然而，目前鲜有单纯利用多层硅基材料系统作为有效的太赫兹调制器的报道。

发明内容

针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于多层硅基光栅的太赫兹波幅度调制器及制备方法，旨在解决太赫兹波幅度调制器加工工艺复杂、成本较高的问题。

为实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种基于多层硅基光栅的太赫兹波幅度调制器，包括第一亚波长光栅、第二亚波长光栅、线圈、磁体和MEMS弹簧；

所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅位于上下两层且相互平行，键合构成双层光栅；所述线圈置于第二亚波长光栅上，所述MEMS弹簧与第二亚波长光栅相连；

所述线圈通电时，在所述磁体的作用下带动第二亚波长光栅相对于第一亚波长光栅发生位移，位移方向与所述双层光栅平行。

进一步地，所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅采用高阻硅加工而成。

进一步地，所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅为条状、圆环状或矩形一维光栅。

进一步地，所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅为二维光栅。

进一步地，除所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅外还包括其他亚波长光栅，构成三层以上光栅结构。

进一步地，所述磁体为配有轭铁的永磁体。

本发明的另一方面还提供了一种上述太赫兹波幅度调制器的制备方法，所述第一亚波长光栅的制备包括以下步骤：

利用双层胶进行光刻图形化；

电子束热蒸发法镀金；

去掉双层胶，剥离金，留下焊盘与对准标记；

光刻进行光栅结构的图形化；

对硅片背部镀铝作为刻蚀截止层；

进行深硅刻蚀；

去胶去铝，进行释放。

所述第二亚波长光栅的制备包括以下步骤：

利用双层胶进行光刻图形化；

电子束热蒸发法镀金；

去掉双层胶，剥离金，留下种子层；

光刻进行焊盘、柱子和对准标记的图形化；

进行3D电镀，得到有高度差的柱子与焊盘；

光刻进行光栅结构的图形化；

对硅片背部镀铝作为刻蚀截止层；

进行深硅刻蚀；

去胶去铝，进行释放。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明仅基于多层光栅，无其他复杂结构，具有易于设计、低成本、操作简单等特点。

(2)本发明基于硅这一最常用半导体材料，加工方便，易于实现。本发明中所采用的一维光栅或其他超材料结构均可采用成熟的MEMS加工和键合技术，便于大规模生产。

(3)本发明的双层光栅结构对工艺有着较好的容忍度，可以根据实际频率或调制深度/速度的需求，调整参数，获得所需调制效果。

(4)本发明普适性强，无频率依赖性，具有很好的可扩展性，能够被推广至太赫兹以外的其他电磁波频段。

附图说明

图1是基于多层硅基太赫兹光栅的幅度调制器示意图。

图2是基于多层硅基太赫兹光栅的幅度调制器的操作示意图。

图3展示了双层硅基太赫兹光栅结构相对位移对透射率及反射率的影响。

图4展示了固定光栅宽度时，不同光栅缝宽情况下双层硅基太赫兹光栅结构相对位移对透射率及反射率的影响。

图5是基于多层硅基太赫兹光栅的幅度调制器的加工流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基于多层硅基光栅超材料的太赫兹波幅度调制器件。该器件基于伍德异常现象，由两层一维光栅结构构成。当两层光栅出现相对位移，太赫兹波的透射率或反射率随着位移出现显著改变，因此可利用对相对位移的控制实现对太赫兹波的调控。本发明采用MEMS中的体硅刻穿工艺对每一层光栅结构分别进行加工，并采用键合工艺将两个光栅结构进行键合，构成双层硅基超材料结构。两层光栅中，其中一层为连接有弹簧结构的动光栅，构成弹簧-质量块系统。该层光栅上制作有线圈结构。通过对该结构通电流，可利用永磁体对动光栅施加电磁力，从而控制动光栅对定光栅的相对位移，利用双层光栅透射或反射系数随着相对位移的变化，实现对太赫兹透射波或反射波的调控。

本发明中提出的双层硅基光栅可以进一步扩展至多层光栅，或将条状一维光栅结构替换为其他如圆环、矩形等结构形成二维光栅或超材料，而进一步提高该结构对太赫兹波的调控能力。

下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。

图1是基于多层硅基太赫兹光栅的幅度调制器示意图。该结构包括两层一维光栅：第一光栅为定光栅1，第二光栅为动光栅2，采用高阻硅(阻抗＞10kOhm)加工而成。太赫兹源3及探测器4分别置于双层光栅两侧，动光栅连接有MEMS弹簧结构5，其上置有线圈6。采用配有轭铁7的永磁体结构8对通电线圈施加电磁力，从而改变动光栅的位置，以改变双层光栅的相对位移。本例中，磁力产生机构参数如下：磁场强度为0.5特斯拉，线圈有效长度为20毫米，线圈匝数为25，线圈电阻为4000欧姆。双层光栅采用键合工艺组装，具体参数如下：光栅厚度h为400微米，光栅宽度w为250微米，光栅缝宽g为340微米，光栅间距gap等于25微米。

本发明通过合理设计光栅几何参数，可以使光栅工作的频率为太赫兹频段。本例中，将该频率设置为0.289THz。优化目标是使得在动光栅对定光栅具有相对位移时，其对频率为0.289THz的太赫兹波的透射率或反射率随着相对位移变化具有较大的变化量，即幅度/位移的灵敏度最大。考虑到与MEMS工艺的兼容性，将光栅的厚度选择为400微米，采用体硅刻穿工艺对两层光栅分别进行加工，后利用键合点9将两层光栅键合。

图2所示为基于多层硅基太赫兹光栅的幅度调制器的操作示意图。该器件对太赫兹波的调控基于伍德异常现象。当双层光栅出现相对位移d时，即使较小的相对位移，也可导致较大的反射率/透射率的改变。本例中以透射率改变为例，图2左边所示为当上、下两层光栅处于初始位置时(无相对位移)。该结构在垂直入射的太赫兹波照射下具有较小的透过率。通过施加电磁力，可将下层动光栅向右移动一定的距离，使得上、下两层光栅相对位移发生变化，导致透射率变化很大，从而完成对太赫兹波的调控。

图3展示了如图1中所示光栅参数时，双层光栅发生相对位移对透射率及反射率的影响。可以发现当双层光栅相对位移d从94微米增加到100微米时(位移范围6微米)，其透射率T从0.043增加至0.713，对应透射灵敏度

为0.1117/微米。这说明能够通过施加电磁力，使得动光栅从94微米移动到100微米，从而实现对太赫兹透射波的有效调控。该结构同样可以调控太赫兹反射波，对应的相对位移为92微米至99微米(位移范围7微米)，其反射率R从0.778降至0.074，对应反射灵敏度

为0.101/微米。由此可见，双层光栅结构对反射及透射太赫兹波均可进行有效调控。

图4展示了固定光栅宽度W为250微米时，不同光栅缝宽g(变化范围从320至360微米)情况下，双层硅基太赫兹光栅结构相对位移对透射率及反射率的影响。可以发现，通过调整光栅宽度，对同样的位移范围而言(6微米)，该结构呈现出类似的透射或反射灵敏度。改变的只有相对位移的起始与终止位置，以及对应的透射及反射率的最大值。由图4可知，该双层光栅结构对工艺有着较好的容忍度，可以根据实际频率或调制深度/速度的需求，调整参数，获得所需调制效果。

图5展示了基于多层硅基太赫兹光栅的幅度调制器的加工流程图。该器件加工流程包含定光栅加工、动光栅加工两部分。

其中，定光栅的制备包含如下步骤：

①利用双层胶(LOR10B+AZ5214)进行光刻图形化，更好地实现金的剥离；

②电子束热蒸发法镀金；

③去掉双层胶，剥离金，留下焊盘与对准mark；

④利用AZ9260胶光刻进行光栅结构的图形化；

⑤对硅片背部镀铝作为刻蚀截止层；

⑥进行深硅刻蚀；

⑦去胶去铝，进行释放，得到定光栅结构。

动光栅的制备包含如下步骤：

①利用双层胶(LOR10B+AZ5214)进行光刻图形化，更好地实现金的剥离；

②电子束热蒸发法镀金；

③去掉双层胶，剥离金，留下种子层；

④利用AZ9260胶光刻进行焊盘+柱子(控制间距)+对准mark的图形化；

⑤进行3D电镀，得到有高度差的柱子与焊盘；

⑥利用AZ9260胶光刻进行光栅结构的图形化；

⑦对硅片背部镀铝作为刻蚀截止层；

⑧进行深硅刻蚀；

⑨去胶去铝，进行释放，得到动光栅结构。

两层光栅制备完成后，利用双层键合技术对两者进行键合，得到最后的双层光栅结构。

优选地，先制备动光栅后制备定光栅，3D电镀放在定光栅层，因为动光栅层包括弹簧梁结构，比较脆弱不适宜后期多次工艺。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。对于本技术领域的技术人员及研究者来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明可以做出若干改进，例如改变光栅超材料的尺寸或形状，以及弹簧设计等，这些改进也应被视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于多层硅基光栅的太赫兹波幅度调制器，其特征在于，包括第一亚波长光栅、第二亚波长光栅、线圈、磁体和MEMS弹簧，所述太赫兹波幅度调制器基于伍德异常现象对太赫兹波进行调制；

所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅位于上下两层且相互平行，键合构成双层光栅；所述线圈置于第二亚波长光栅上，所述MEMS弹簧与第二亚波长光栅相连；

所述线圈通电时，在所述磁体的作用下带动第二亚波长光栅相对于第一亚波长光栅发生位移，位移方向与所述双层光栅平行。

2.如权利要求1所述的太赫兹波幅度调制器，其特征在于，所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅采用高阻硅加工而成。

3.如权利要求2所述的太赫兹波幅度调制器，其特征在于，所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅为条状、圆环状或矩形一维光栅。

4.如权利要求2所述的太赫兹波幅度调制器，其特征在于，所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅为二维光栅。

5.如权利要求2所述的太赫兹波幅度调制器，其特征在于，除所述第一亚波长光栅和第二亚波长光栅外还包括其他亚波长光栅，构成三层以上光栅结构。

6.如权利要求1所述的太赫兹波幅度调制器，其特征在于，所述磁体为配有轭铁的永磁体。

7.如权利要求1-6任一项所述太赫兹波幅度调制器的制备方法，其特征在于，所述第一亚波长光栅的制备包括以下步骤：

利用双层胶进行光刻图形化；

电子束热蒸发法镀金；

去掉双层胶，剥离金，留下焊盘与对准标记；

光刻进行光栅结构的图形化；

对硅片背部镀铝作为刻蚀截止层；

进行深硅刻蚀；

去胶去铝，进行释放。

8.一种如权利要求1-6任一项所述太赫兹波幅度调制器的制备方法，其特征在于，所述第二亚波长光栅的制备包括以下步骤：

利用双层胶进行光刻图形化；

电子束热蒸发法镀金；

去掉双层胶，剥离金，留下种子层；

光刻进行焊盘、柱子和对准标记的图形化；

进行3D电镀，得到有高度差的柱子与焊盘；

光刻进行光栅结构的图形化；

对硅片背部镀铝作为刻蚀截止层；

进行深硅刻蚀；

去胶去铝，进行释放。

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