CN216624579U - 一种矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出一种矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料，具有可在太赫兹波段支持电磁诱导透明共振的表面结构，所述表面结构以在硅片表面周期性排列的矩形回环图案单元形成太赫兹波段的电磁诱导透明共振结构；所述矩形回环图案单元以金属线成型，包括外部的封闭方环和位于封闭方环内中央位置处的U型分裂环，封闭方环和U型分裂环之间按太赫兹超材料所需对应的共振频率不同来设定为平整面或凹槽；当表面结构对太赫兹波进行电磁诱导时，以硅片含所述表面结构的一端朝向太赫兹波的入射端，以硅片不含所述表面结构的另一端朝向太赫兹波的出射端；本实用新型通过光刻技术、IBE离子束刻蚀和深硅刻蚀，能在同个硅片表面制备两种不同的回环凹槽微结构。
Description
技术领域
本实用新型涉及太赫兹超材料技术领域，尤其是一种矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料。
背景技术
由太赫兹超材料产生的局域表面等离子体共振拥有在频率、空间上限制太赫兹电磁场在亚波长量级小范围内的能力，使得系统的尺寸得到大幅度缩小，让太赫兹功能器件在一些研究领域实现了广泛的实际应用，如超透镜、隐身斗篷、波导传输、高分辨率成像以及高灵敏度的传感。但如何高效地制备出能够满足实际使用需要的高质量以及高精度太赫兹超材料，成为太赫兹技术向前发展的关键和难题。
目前，常用的太赫兹超材料微纳加工技术主要包含传统光刻技术、电子束曝光和等，尽管这些加工方法在一定程度上能够满足太赫兹超材料的加工需求，但在面对一些特殊需求的器件，例如在金属微结构局部衬底刻蚀时，其加工精度仍存在局限性，会使得凹槽的垂直度不高，造成加工误差。近年来，随着超快激光技术的发展，另一种基于激光烧蚀的原理，利用飞秒激光直写技术就可直接在金属薄膜上实现太赫兹超材料的加工。然而，不管是常规加工手段，还是新一代飞秒激光微纳加工技术，针对微纳级金属微结构局部衬底刻蚀的加工，不可避免会导致凹槽发生倾斜，垂直度达不到预期要求，造成加工误差，使得对几何尺寸偏差敏感的超材料（如凹槽型太赫兹超材料）无法达到预期性能。
发明内容
本实用新型提出一种矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料，通过光刻技术、IBE离子束刻蚀和深硅刻蚀，能在同个硅片表面制备两种不同的回环凹槽微结构。
本实用新型采用以下技术方案。
一种矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料，具有可在太赫兹波段支持电磁诱导透明共振的表面结构，所述表面结构以在硅片表面周期性排列的矩形回环图案单元形成太赫兹波段的电磁诱导透明共振结构；所述矩形回环图案单元以金属线成型，包括外部的封闭方环和位于封闭方环内中央位置处的U型分裂环，封闭方环和U型分裂环之间按太赫兹超材料所需对应的共振频率不同来设定为平整面或凹槽；当表面结构对太赫兹波进行电磁诱导时，以硅片含所述表面结构的一端朝向太赫兹波的入射端，以硅片不含所述表面结构的另一端朝向太赫兹波的出射端。
所述表面结构为硅片表面的矩形区域，以其对称轴分为四个区域，矩形回环图案单元在硅片表面呈行列均匀排列，其中的两个区域内周期性排列的矩形回环图案单元中，封闭方环与U型分裂环之间设有15 μm深的凹槽。
所述硅表面为厚度为300 μm的硅片表面；所述矩形回环图案单元在表面结构处行列方式排列，其排列周期为60 μm；所述矩形回环图案单元中，外部的封闭方环边长为50 μm，内部的U型分裂环边长为32 μm，所述金属线的线宽为3 μm。
矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料的制备方法，用于形成可在太赫兹波段支持电磁诱导透明共振的表面结构，且表面可进一步分割为有凹槽区和无凹槽区，包括以下步骤：
步骤S1、以厚度为300μm的双面抛光硅片作为衬底，首先利用磁控溅射工艺在硅片上均匀地镀上一层200 nm厚度的铝薄膜；
步骤S2、在铝薄膜上覆以光刻胶，通过光刻工艺将掩膜版上的周期性矩形回环图案复制到光刻胶上，再通过IBE离子束刻蚀在铝薄膜表面刻蚀，将多余的金属铝刻蚀掉，形成硅片表面形成周期性矩形回环图案的矩形回环超材料阵列；
步骤S3、选取具有矩形回环超材料的硅片表面的一半区域，对该区域进一步光刻处理将需要进一步进行刻蚀凹槽的硅片区域暴露出来，最后通过深硅刻蚀工艺对硅片的暴露位置进行处理，在硅片上封闭方环的内部形成15 μm深的凹槽。
所述步骤S1中，具体方法为：利用M4L等离子去胶机对硅片进行衬底处理，去除硅片表面污染，同时提高表面的粘合性；然后把硅片置于FHR磁控溅射镀膜系统中，选择金属作为溅射材料，在作为衬底的硅片表面上溅射薄膜。
所述步骤S2中，具体方法为：
步骤A1、把表面镀有金属铝薄膜的硅片放置于匀胶机上，并滴上适量的光刻胶，在均匀的转速下进行两次匀胶处理；接着将旋涂好光刻胶的样品放置到烘胶机中软烘以增加光刻胶的粘附性；
步骤A2、通过MA6光刻机将掩膜版上的矩形回环超材料图案投影到光刻胶膜上，再对光刻胶膜进行曝光，使曝光部分的光刻胶发生降解反应并可溶于显影液中，而后以显影液对光刻胶膜进行显影处理，使光刻胶膜成型覆盖硅片表面的矩形回环图案，再经过烘烤坚膜处理以增强光刻胶膜粘附性；
步骤A3、对表面覆盖有金属薄膜和光刻胶图案的硅片进行IBE离子束刻蚀，将未覆盖光刻胶膜的多余金属部分刻蚀掉，使硅片表面形成具有矩形金属回环阵列的超材料表面结构；
步骤A4、把硅片放入丙酮和异丙醇混合溶液中进行超声清洗，去除光刻胶膜。
所述步骤S3中，具体方法为：
步骤B1、把矩形回环超材料的硅片放置于匀胶机上，并滴上适量的光刻胶，在均匀的转速下进行两次匀胶处理；接着将旋涂好光刻胶的硅片样品放置到烘胶机中软烘，增加光刻胶的粘附性；
步骤B2、而后通过MA6光刻机将掩膜版上的需刻蚀区域图案投影到硅片上的一半光刻胶膜上，需刻蚀区域图案对应于封闭方环与U型分裂环之间的凹槽区域，在进行曝光处理后，曝光部分的光刻胶发生降解反应变得可溶于显影液中，而后在显影液中显影，显现出需要刻蚀区域的图案，再经过烘烤坚膜处理，增强光刻胶的粘附性；
步骤B3、把表面具有矩形回环超材料阵列和光刻胶层的硅片放置于STS深硅刻蚀系统中进行刻蚀，基于Bosch刻蚀工艺进行处理，具体为：在刻蚀系统反应腔室中循环交替通入钝化气体C4F8和刻蚀气体SF6，对硅片进行钝化—刻蚀的化学反应，并在此周期中通入少量O2来保证垂直度，由此将光刻胶上的图案转移到硅片上，形成具有预设槽深的矩形回环凹槽微结构的硅表面。
步骤B4、把具有预设槽深的矩形回环凹槽微结构的硅表面以丙酮和异丙醇混合溶液进行超声清洗，去除未被刻蚀的光刻胶薄膜以及深硅刻蚀中残留的杂质。
把步骤S3加工完成的硅片以切割机切割，分割为两块有凹槽的17 mm×17 mm的矩形回环超材料阵列结构，以及两块没有凹槽的17 mm×17 mm的矩形回环超材料阵列结构
所述曝光处理中，刻蚀矩形回环超材料图案的曝光时间为6.5秒，刻蚀凹槽区域的图案曝光时间为5秒；所述显影液为浓度为2.38%的TMAH显影液，显影时间为45秒；所述烘烤坚膜处理采用的温度为100℃，烘烤时间为2分钟；
所述光刻胶为AZ 6130；所述匀胶机进行匀胶处理时，第一次转速为600 rpm，匀胶时间为5秒，第二次转速为4000 rpm，匀胶时间为30秒，烘胶机软烘温度为100℃，软烘时间为3分钟。
所述IBE离子束刻蚀的离子能量为300ev，离子束流为80mA，中和电流为100mA，速率为12nm/min；
所述Bosch刻蚀工艺的硅片刻蚀深度为15 μm，该工艺中，钝化气体C4F8气体流量为80 sccm，刻蚀气体SF6气体流量为280 sccm，O2气体流量为28 sccm，射频电源频率13.56MHz。
本实用新型制得的矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料，结构稳定，共振频率可调性强，能够支持太赫兹表面电磁诱导透明共振模式。
本实用新型的显著优点还在于：
（1）通过磁控溅射镀膜、光刻、IBE离子束刻蚀和深硅刻蚀等多种微加工工艺的结合，可以充分利用了磁控溅射镀膜、光刻、IBE离子束刻蚀和深硅刻蚀各自具有的快捷的结构表面金属化、精确的几何图案复制以及高精度的几何结构刻蚀等工艺特点，解决了飞秒激光直写技术难以实现金属微结构局部衬底刻蚀的精确加工难题
（2）本实用新型以双面抛光硅片为衬底材料，以Al为溅射材料，所制得的太赫兹超材料，结构稳定，共振频率可调性强，能够支持太赫兹表面电磁诱导透明共振模式，非常适合用于制作高性能、高精度的太赫兹功能器件。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细的说明：
附图1是硅片表面的矩形回环图案单元没有刻蚀凹槽的示意图；
附图2是硅片表面的矩形回环图案单元刻蚀有凹槽的示意图；
附图3是没有刻蚀凹槽和有刻蚀15 μm凹槽矩形回环微结构的太赫兹超材料
实验透射谱对比示意图；
附图4是有刻蚀15 μm凹槽矩形回环微结构的太赫兹超材料的实验透射谱示意图；
图中：1-太赫兹波发射器；2-发射的太赫兹波；3-矩形回环图案单元；4-硅片；5-出射的太赫兹波；6-太赫兹波接收器；7-分析装置；8-封闭方环；9-凹槽；10-U型分裂环。
具体实施方式
如图所示，一种矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料，具有可在太赫兹波段支持电磁诱导透明共振的表面结构，所述表面结构以在硅片表面周期性排列的矩形回环图案单元3形成太赫兹波段的电磁诱导透明共振结构；所述矩形回环图案单元以金属线成型，包括外部的封闭方环和位于封闭方环内中央位置处的U型分裂环，封闭方环和U型分裂环之间按太赫兹超材料所需对应的共振频率不同来设定为平整面或凹槽；当表面结构对太赫兹波进行电磁诱导时，以硅片含所述表面结构的一端朝向太赫兹波的入射端，以硅片不含所述表面结构的另一端朝向太赫兹波的出射端。
所述表面结构为硅片表面的矩形区域，以其对称轴分为四个区域，矩形回环图案单元在硅片表面呈行列均匀排列，其中的两个区域内周期性排列的矩形回环图案单元中，封闭方环与U型分裂环10之间设有15 μm深的凹槽9。
所述硅表面为厚度为300μm的硅片4表面；所述矩形回环图案单元在表面结构处行列方式排列，其排列周期为60 μm；所述矩形回环图案单元中，外部的封闭方环边长为50 μm，内部的U型分裂环边长为32 μm，所述金属线的线宽为3 μm。
矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料的制备方法，用于形成可在太赫兹波段支持电磁诱导透明共振的表面结构，且表面可进一步分割为有凹槽区和无凹槽区，包括以下步骤：
步骤S1、以厚度为300 μm的双面抛光硅片作为衬底，首先利用磁控溅射工艺在硅片上均匀地镀上一层200 nm厚度的铝薄膜；
步骤S2、在铝薄膜上覆以光刻胶，通过光刻工艺将掩膜版上的周期性矩形回环图案复制到光刻胶上，再通过IBE离子束刻蚀在铝薄膜表面刻蚀，将多余的金属铝刻蚀掉，形成硅片表面形成周期性矩形回环图案的矩形回环超材料阵列；
步骤S3、选取具有矩形回环超材料的硅片表面的一半区域，对该区域进一步光刻处理将需要进一步进行刻蚀凹槽的硅片区域暴露出来，最后通过深硅刻蚀工艺对硅片的暴露位置进行处理，在硅片上封闭方环的内部形成15 μm深的凹槽。
所述步骤S1中，具体方法为：利用M4L等离子去胶机对硅片进行衬底处理，去除硅片表面污染，同时提高表面的粘合性；然后把硅片置于FHR磁控溅射镀膜系统中，选择金属作为溅射材料，在作为衬底的硅片表面上溅射薄膜。
所述步骤S2中，具体方法为：
步骤A1、把表面镀有金属铝薄膜的硅片放置于匀胶机上，并滴上适量的光刻胶，在均匀的转速下进行两次匀胶处理；接着将旋涂好光刻胶的样品放置到烘胶机中软烘以增加光刻胶的粘附性；
步骤A2、通过MA6光刻机将掩膜版上的矩形回环超材料图案投影到光刻胶膜上，再对光刻胶膜进行曝光，使曝光部分的光刻胶发生降解反应并可溶于显影液中，而后以显影液对光刻胶膜进行显影处理，使光刻胶膜成型覆盖硅片表面的矩形回环图案，再经过烘烤坚膜处理以增强光刻胶膜粘附性；
步骤A3、对表面覆盖有金属薄膜和光刻胶图案的硅片进行IBE离子束刻蚀，将未覆盖光刻胶膜的多余金属部分刻蚀掉，使硅片表面形成具有矩形金属回环阵列的超材料表面结构；
步骤A4、把硅片放入丙酮和异丙醇混合溶液中进行超声清洗，去除光刻胶膜。
所述步骤S3中，具体方法为：
步骤B1、把矩形回环超材料的硅片放置于匀胶机上，并滴上适量的光刻胶，在均匀的转速下进行两次匀胶处理；接着将旋涂好光刻胶的硅片样品放置到烘胶机中软烘，增加光刻胶的粘附性；
步骤B2、而后通过MA6光刻机将掩膜版上的需刻蚀区域图案投影到硅片上的一半光刻胶膜上，需刻蚀区域图案对应于封闭方环与U型分裂环之间的凹槽区域，在进行曝光处理后，曝光部分的光刻胶发生降解反应变得可溶于显影液中，而后在显影液中显影，显现出需要刻蚀区域的图案，再经过烘烤坚膜处理，增强光刻胶的粘附性；
步骤B3、把表面具有矩形回环超材料阵列和光刻胶层的硅片放置于STS深硅刻蚀系统中进行刻蚀，基于Bosch刻蚀工艺进行处理，具体为：在刻蚀系统反应腔室中循环交替通入钝化气体C4F8和刻蚀气体SF6，对硅片进行钝化—刻蚀的化学反应，并在此周期中通入少量O2来保证垂直度，由此将光刻胶上的图案转移到硅片上，形成具有预设槽深的矩形回环凹槽微结构的硅表面。
步骤B4、把具有预设槽深的矩形回环凹槽微结构的硅表面以丙酮和异丙醇混合溶液进行超声清洗，去除未被刻蚀的光刻胶薄膜以及深硅刻蚀中残留的杂质。
把步骤S3加工完成的硅片以切割机切割，分割为两块有凹槽的17 mm×17 mm的矩形回环超材料阵列结构，以及两块没有凹槽的17 mm×17 mm的矩形回环超材料阵列结构
所述曝光处理中，刻蚀矩形回环超材料图案的曝光时间为6.5秒，刻蚀凹槽区域的图案曝光时间为5秒；所述显影液为浓度为2.38%的TMAH显影液，显影时间为45秒；所述烘烤坚膜处理采用的温度为100℃，烘烤时间为2分钟；
所述光刻胶为AZ 6130；所述匀胶机进行匀胶处理时，第一次转速为600 rpm，匀胶时间为5秒，第二次转速为4000 rpm，匀胶时间为30秒，烘胶机软烘温度为100℃，软烘时间为3分钟。
所述IBE离子束刻蚀的离子能量为300ev，离子束流为80mA，中和电流为100mA，速率为12nm/min；
所述Bosch刻蚀工艺的硅片刻蚀深度为15 μm，该工艺中，钝化气体C4F8气体流量为80 sccm，刻蚀气体SF6气体流量为280 sccm，O2气体流量为28 sccm，射频电源频率13.56MHz。
本例中，当对刻蚀有凹槽的太赫兹超材料所制成的超材料芯片进行性能评估时，在太赫兹时域光谱（TDS-TDS）系统测试装置上进行，将芯片装载平台安装和固定在TDS-TDS系统的透射光路测量区域中，然后先后将没有刻蚀凹槽和有刻蚀15 μm凹槽的矩形回环微结构的太赫兹超材料放置在芯片装载平台中，并使加工有表面结构的一端朝向太赫波的入射方向。
激发时，TDS-TDS系统中的太赫兹发射器1发射的太赫兹波2从超材料芯片的一端入射，特定频率的入射波将在所加工的矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料表面形成局域表面等离子体共振，再经过没有加工表面结构的另一端出射，出射的太赫兹波5被TDS-TDS系统中的太赫兹探测器探测。
从图中分析设备7的显示的分析结果内容可以看出，实验透射谱随着矩形回环微结构的太赫兹超材料凹槽的刻蚀而出现明显的红移。其中，没有刻蚀凹槽和有刻蚀15 μm凹槽的矩形回环微结构的太赫兹超材料对应的共振频率f分别为0.662 THz和1.132 THz。
上述测试结果表明，通过磁控溅射镀膜、光刻、IBE离子束刻蚀和深硅刻蚀等多种微加工工艺相结合的方式所制得的矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料均具有很好的性能，且保持了优异的共振频率可调性，能够支持太赫兹表面电磁诱导透明共振模式，非常适合用于制作高性能的太赫兹功能器件。因此，本实用新型的太赫兹超材料具有很好的应用前景。
虽然本实用新型已经通过具体实施方式对其进行了详细阐述，但是，本专业普通技术人员应该明白，在此基础上所做出的未超出权利要求保护范围的任何形式和细节的变化，均属于本实用新型所要保护的范围。
Claims (4)
1.一种矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料，具有可在太赫兹波段支持电磁诱导透明共振的表面结构，其特征在于：所述表面结构以在硅片表面周期性排列的矩形回环图案单元形成太赫兹波段的电磁诱导透明共振结构；所述矩形回环图案单元以金属线成型，包括外部的封闭方环和位于封闭方环内中央位置处的U型分裂环，封闭方环和U型分裂环之间按太赫兹超材料所需对应的共振频率不同来设定为平整面或凹槽。
2.根据权利要求1所述的一种矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料，其特征在于：所述表面结构为硅片表面的矩形区域，以其对称轴分为四个区域，矩形回环图案单元在硅片表面呈行列均匀排列，其中的两个区域内周期性排列的矩形回环图案单元中，封闭方环与U型分裂环之间设有15 μm深的凹槽。
3.根据权利要求2所述的一种矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料，其特征在于：所述硅片表面为厚度为300 μm的硅片表面；所述矩形回环图案单元在表面结构处行列方式排列，其排列周期为60 μm；所述矩形回环图案单元中，外部的封闭方环边长为50 μm，内部的U型分裂环边长为32 μm，所述金属线的线宽为3 μm。
4.根据权利要求1所述的一种矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料，其特征在于：当表面结构对太赫兹波进行电磁诱导时，以硅片含所述表面结构的一端朝向太赫兹波的入射端，以硅片不含所述表面结构的另一端朝向太赫兹波的出射端。
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| CN202123271268.3U CN216624579U (zh) | 2021-12-24 | 2021-12-24 | 一种矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114275734A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-04-05 | 福州大学 | 一种矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料及其制备方法 |
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2021
- 2021-12-24 CN CN202123271268.3U patent/CN216624579U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114275734A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-04-05 | 福州大学 | 一种矩形回环凹槽微结构的太赫兹超材料及其制备方法 |
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