一種雙頻率太赫茲帶通濾波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明一種雙頻率太赫茲帶通濾波器,具體指一種基于半絕緣砷化鎵表面采用鏤空的互補型開口諧振環(huán)單元的雙頻率太赫茲帶通濾波器的設計與制作,涉及太赫茲技術和半導體微加工【技術領域】。本發(fā)明采用互補型開口環(huán)共振單元的工作原理,通過調整C-SRR內徑、外徑、開口寬度、周期結構,實現表面等離子極化激元的共振,和電感-電容(LC)共振兩種異常透射增強的方式,獲得低頻和高頻共振。利用上述兩種共振的電磁相互作用實現兩個共振頻率之間能量轉換,從而使兩個波段上達到相同透射強度的太赫茲輸出。本發(fā)明具有利用現有的半導體微加工工藝,制備工藝簡單、操作方便,可以精確控制互補型開口諧振環(huán)微結構加工區(qū)域,大大降低了制作成本。
【專利說明】一種雙頻率太赫茲帶通濾波器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲技術和半導體微加工【技術領域】,具體指一種基于半絕緣砷化鎵(S1-GaAs)表面采用鏤空的互補型開口諧振環(huán)單元(C-SRR)的雙頻率太赫茲(THz)帶通濾波器的設計與制作。
【背景技術】
[0002]太赫茲波(Terahertz,簡稱THz)是指在微波和紅外光譜之間,頻率范圍為0.1THz到1THz的電磁波(ITHz = 112Hz),在電磁波譜上位于超高頻率微波到遠紅外輻射之間的特殊區(qū)域。相比于人們常見的超聲波、X射線、中遠紅外來說,THz波具有非電離和相干特性,不會破壞被探測物質的內部結構及本征屬性。常見的紙張、塑料、干燥木材,對THz電磁輻射接近透明,而金屬或導電率很高的物體卻能夠有效反射THz波。由此,利用THz波成像可廣泛用于機場、海關等地方的安全監(jiān)測,比如探查隱藏的槍械、爆炸物、毒品等,而不會對人體造成傷害;在工業(yè)上還可以用于探測集成電路焊接的損傷,用于質量控制的手段。由此可見THz技術對我國國家安全、醫(yī)學診斷,質量檢測等領域具有重要的意義。
[0003]為實現THz技術的廣泛應用,除了有效的產生和探測THz波以外,還包括如何對在空間中傳播的THz波進行操控。在實際應用中,由于應用環(huán)境噪聲以及應用需要的限制等,需濾除不需要的頻率范圍和噪聲,提高系統的性能,如:很多結構復雜的高分子化學品,生物醫(yī)學制品,在某些特定波段具有指紋式的特征譜線,當待檢物質組分復雜,對THz波吸收強度不一的情況下,需要用THz濾波器來祛除不需要的雜質信號。因而THz濾波器成為實現THz技術的廣泛應用重要元件。
[0004]目前,隨著太赫茲濾波器的研究不斷深入,近些年來陸續(xù)提出以下不同的THz濾波器:
[0005](一)基于光子晶體的太赫茲濾波器結構
[0006]其結構為兩個成對出現的一維周期性結構——布拉格鏡面,在兩個布拉格反射鏡之間插入溫光材料,從而在一維光子晶體結構中引入缺陷,缺陷模式的存在使得原來結構形成的禁帶中出現一個很窄的通帶,頻率落在窄通帶范圍內的光信號可以在上述結構中傳輸,實現了濾波功能。
[0007](二)基于人工周期性結構的太赫茲濾波器
[0008]在電介質表面鍍上一層金屬薄膜,則當電磁波入射到金屬和電介質交界面時,入射場沿介質表面?zhèn)鬏敚诒砻嫘纬杀砻娴入x子體(Surface Plasmon,簡稱SP)。如果在金屬薄膜上打上周期性結構便可形成SP,對某一頻率范圍內的入射THz波具有非常高的傳輸系數,實現了中心頻率可調的THz濾波器。
[0009]上述第一類方案,主要通過調節(jié)電介質材料的溫度實現可調性,但工作頻率固定,只能通過改變結構參數實現工作頻率的調節(jié),而且有效頻率一般在0.1THz到ITHz之間,無法滿足整個THz波段,且加工成本高、器件體積大。上述第二類方案,通過改變金屬薄膜的形狀可以改變?yōu)V波器的工作頻率,在0.1THz到1THz之間透過率非常高,結構加工制作簡單,使用成本低。傳統表面等離子體周期性結構的太赫茲濾波器的結構是通過飛秒脈沖加工法在金屬薄膜上打上不同形狀的孔,如:矩形,圓形,橢圓形等,來實現的。近年來,超材料(Metamaterial)的出現,引入了開口諧振環(huán)單元(Split-Ring Resonantor,簡稱SRR)這一新結構。對于一個普通金屬圓環(huán)在與其垂直的變化磁場中,會產生感應電磁場,但卻并非諧振的系統。為了產生諧振加強磁響應,需要引入電容。因為電感和電容一起才能形成諧振電路(金屬圓環(huán)可視為電感)。為此在金屬環(huán)上加入一個缺口,就形成了電容,電荷會在兩端積聚。這個開口諧振環(huán)就類比于一個帶有電容的LC諧振電路。當開口諧振環(huán)的幾何尺寸、金屬材料、電介質襯底的三者的物理參數相互匹配后,就會對特定頻率的THz波發(fā)生LC共振,從而獲得很高的THz帶阻濾波器。
[0010]上述兩種THz濾波器基本上都只對特定頻率的THz波響應,如:亞波長周期性金屬結構中的表面等離子體(SP)共振的干涉相長效應,超材料的開口諧振環(huán)的LC共振頻率取決于環(huán)開口大小和環(huán)內外直徑。這使得上述設計僅對單一頻率敏感。如何在保持器件能夠高度集成的條件下,拓展THz濾波器的頻率響應范圍成為當前THz濾波器研究的難題之一。
【發(fā)明內容】
[0011]本發(fā)明的目的在于針對現有太赫茲帶通濾波器所存在的技術局限性和市場需求,提供一種雙通道、高輸出的太赫茲濾波元件,及其簡單易行、成本低廉的制備方法。
[0012]本發(fā)明通過一種新的構造,即能實現SP共振,又同時能夠導致LC共振,就能夠在原理上達到雙頻率共振的特點。而一般亞波長小孔結構導致的SP共振,會對特定頻率THz波產生異常透射,從而實現帶通濾波功能;而超材料特有的開口諧振環(huán)結構導致的LC共振,對特定頻率THz波產生吸收,從而實現帶阻濾波功能。但如果簡單地將兩者合并在一起是無法實現雙頻率帶通濾波功能的。據此,進一步提出將亞波長周期性小孔的幾何結構按照開口諧振環(huán)的結構來設計,等于在鍍金屬薄膜電介質表面形成鏤空的開口諧振環(huán)形狀的孔。在物理上,只要存在周期性亞波長小孔陣列就能夠實現SP共振,而如果小孔呈現開口諧振環(huán)形狀,則按照物理學中的對稱原理,原來電感作用區(qū)域轉變?yōu)殡娙葑饔脜^(qū)域,而電容作用區(qū)域轉變?yōu)殡姼凶饔脜^(qū)域,實現與普通開口諧振環(huán)功能的互補,而LC共振導致吸收變成異常透射增強。只要SP共振頻率和LC共振頻率不同,就能夠實現雙頻率THz帶通濾波的功能。采用互補型開口環(huán)共振單元的工作原理,通過調整C-SRR內徑、外徑、開口寬度、周期結構,實現表面等離子極化激元的共振,和電感-電容(LC)共振兩種異常透射增強的方式,獲得低頻和高頻共振。然后,利用上述兩種共振的電磁相互作用實現兩個共振頻率之間能量轉換,從而使兩個波段上達到相同透射強度的太赫茲輸出。
[0013]根據上述思路和原理,本發(fā)明采用標準半導體器件微加工工藝在0.6mm厚半絕緣砷化鎵(S1-GaAs)表面,制備周期性互補型開口諧振環(huán)單元(C-SRR),導致表面等離子極化激元激發(fā)和電感-電容(LC)共振兩種物理過程共同作用,在不同頻率上產生異常透射增強來實現雙頻率THz帶通濾波功能。
[0014]所述雙頻率太赫茲(THz)帶通濾波器,其特點在于,所述周期性互補型開口諧振環(huán)單元(C-SRR),單元結構是在一個光滑金屬面上,通過半導體微加工工藝實現鏤空的帶缺口的環(huán)狀周期性結構,其周期性互補型開口諧振環(huán)(C-SRR)的外徑與內徑之間,除間隔以外部分都是鏤空的。
[0015]本發(fā)明一種雙頻率太赫茲帶通濾波器的具體的設計與具體的制備流程包括:將激光加工后的S1-GaAs基片放入去離子水,在超聲狀態(tài)下清洗I分鐘,干燥后在表面呈現周期性結構一側旋涂光刻膠,按照正膠工藝,經過65秒曝光和45秒顯影,將設計好的SRR圖形轉移到0.6_厚的S1-GaAs基片上。緊接著將樣品放入蒸發(fā)腔室中,再并通過熱蒸發(fā)工藝將5nm鈦和50nm金蒸鍍到基底表面,蒸發(fā)過程中的真空度維持在10_4mbar,蒸發(fā)厚度通過系統自帶的膜厚監(jiān)測裝置時測。金屬化后,樣品放入丙酮溶液中浸泡12小時后,利用陶瓷鑷子夾住樣品,在丙酮溶液中緩慢晃動,丙酮腐蝕光刻膠后將額外的金屬層剝離,而在含有周期性微結構一側形成與設計圖案一致的鏤空的互補型開口諧振環(huán)(C-SRR),并保持電極與半導體表面的歐姆接觸特性。
[0016]上述雙頻率太赫茲帶通濾波器的設計圖案,其特點在于,所述互補型開口諧振環(huán)(C-SRR)結構如下:外徑R = 16 μ m、內徑r = 12 μ m、間隔寬度g為分別為2μπι、5μπι、10 μ m, C-SRR的單元周期為40 μ m,器件表面的C-SRR所覆蓋的區(qū)域面積為10mm2的矩形區(qū)域(1 OmmX 10mm)。
[0017]上述雙頻率太赫茲帶通濾波器金屬層的結構,其特點在于,5nm厚鈦金屬做粘結層,50nm厚金做電極材料。該電極滿足歐姆接觸條件,無需在蒸鍍后進行退火處理。
[0018]上述雙頻率太赫茲帶通濾波器的性能,其特點在于,當g = 2μηι時,低頻(f\ =
0.63THz)透射能量低于高頻(fh = 1.94THz)透射能量,當g = 5 μ m時,低頻(f\ = 0.72THz)透射能量和高頻(fh = 1.96THz)透射能量近似相等,當g = 10 μ m時,低頻(fx = 0.78THz)透射能量高于高頻(fh = 1.99THz)透射能量。
[0019]本發(fā)明制備的產品通過以下手段進行性能表征:采用中國科學院趙紅衛(wèi)課題組自建的太赫茲時域光譜測量制作器件。該系統包括:Spectra-Physics Mai Tai SP型高能量超短脈沖激光,2對直徑100mm、焦距10mm的鍍金離軸拋物面鏡用來聚焦自由空間中的太赫茲輻射,通過由一塊200 μ m厚的〈110〉晶向的ZnTe晶體、1/4波片、Wollastom棱鏡組成的電光米樣系統表征出器件的太赫茲發(fā)射脈沖波形。
[0020]本發(fā)明與現有技術相比,具有以下優(yōu)點及突出效果:利用現有的半導體微加工工藝,制備工藝簡單、操作方便,可以精確控制互補型開口諧振環(huán)微結構加工區(qū)域,大大降低了成本。采用Au/Ti電極成分簡單,無需退火既可獲得良好歐姆接觸,提高的器件的可靠性和可集成性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明雙頻率太赫茲帶通濾波器的表面互補型開口諧振環(huán)微結構與器件剖面(圖中黑色部分為金屬層,空白部分為鏤空的互補型開口諧振環(huán)微結構單元);
[0022]圖2為本發(fā)明雙頻率太赫茲帶通濾波器的透射時域波形圖;
[0023]圖3為本發(fā)明雙頻率太赫茲帶通濾波器的透射頻譜圖(通過對圖3所示數據進行快速傅立葉變換Fast Fourier Transform得到);
[0024]圖4為本發(fā)明實施附圖3的雙頻率太赫茲帶通濾波器的在0.1THz到2.5THz波段的濾波特性圖(其中虛線表示g = 2 μ m,實線表示g = 5 μ m,點線表示g = 10 μ m,情況下的濾波頻譜特性)。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細、清楚、完整的說明
[0026]本發(fā)明實施例。所述的一種雙頻率太赫茲帶通濾波器(如附圖1上半部分所示),結構其中圖中黑色部分為金屬層,空白部分為鏤空的互補型開口諧振環(huán)微結構單元。其中,網格區(qū)域代表S1-GaAs襯第、黑色方快部分代表50nm金,灰色方快部分代表5nm鈦(如附圖1下半部分所示)。其特點在于,所述周期性互補型開口環(huán)共振單元的二維結構,單元周期為40 μ m、外徑為16 μ m、內徑為12 μ m、間隔寬度g在2μηι到10 μ m的范圍內變化,均可實現雙頻率太赫茲帶通濾波器的功能。
[0027]進一步,所述的一種雙頻率太赫茲帶通濾波器,其特點在于,所述所述周期性互補型開口環(huán)共振單元的金屬層結構,采用5nm厚鈦金屬做粘結層,50nm厚金材料做電極,半導體襯底采用半絕緣砷化鎵。
[0028]本發(fā)明雙頻率太赫茲帶通濾波器的互補型開口諧振環(huán)(C-SRR)結構的制作,其中,所設計的雙頻率太赫茲帶通濾波器的互補型開口諧振環(huán)(C-SRR)結構如下:外徑R =16 μ m、內徑r = 12 μ m、間隔寬度g為分別為2 μ m、5 μ m、10 μ m,C-SRR的單元周期為40 μ m,器件表面的C-SRR所覆蓋的區(qū)域面積為10mm2的矩形區(qū)域(1mmX 10mm)。按照該結構圖型訂購光掩膜版,然后采用正膠工藝在將光導天線圖案轉移到S1-GaAs上,具體流程如下:
[0029]第一步:將將S1-GaAs襯底置于去離子水中,并在1kHz頻率的超聲環(huán)境中清洗,去除表面殘留顆粒物。然后用高壓氮氣將表面吹干。
[0030]第二步:將干燥后的樣品置于旋涂臺上,在黃光條件下將AZ1500型光刻膠滴在周期性微結構表面,并立即以600r/min的低轉速進行勻膠,維持1s后,轉速直接提高到3000r/min的高轉速進行甩膠,維持60s,使得膠厚〈1.5 μ m。
[0031]第三步:涂膠后的樣品被放置與110°C的烘膠臺上進行60s的烘焙,固化光刻膠。
[0032]第四步:將涂有光刻膠的樣品轉移到URE-2000/35型紫外光刻機上,在樣品表面曝光60s后,將光掩膜版天線圖形轉移到樣品上,然后在顯影液中顯影45s,并轉移到去離子水漕中清洗60s,取出后立即用壓縮氮氣吹干樣品表面。
[0033]第五步:將干燥后的樣品置于熱蒸發(fā)鍍膜儀樣品支架上,然后分別將盛有純度為99.999%的鈦粉末和99.999%的金粉末的鎢舟連接到兩組不同的電極中,關閉蒸發(fā)腔室后啟動真空泵,將腔室內壓強從標準大氣壓降低到10_4mbar,然后開啟連通鈦金屬的電源,并提高電流強度,直到膜厚檢測器顯示厚度增加為止,以0.lnm/s的蒸發(fā)率,持續(xù)50s后切斷連通鈦金屬的電源,并連通含金鎢舟的電源,并提高電流強度,直到膜厚檢測器顯示厚度增加為止,以0.2nm/s的蒸發(fā)率,持續(xù)250s后切斷電源,冷卻600s后逐級關閉真空泵,等腔室內壓強回歸標準大氣壓后打開蒸發(fā)腔,取出樣品。
[0034]第六步:將金屬化后的樣品浸泡在預先準備好的99.999%純度丙酮溶劑中,利用丙酮滲透固化后的光刻膠,將膠面上的金屬剝離S1-GaAs表面,而沒有光刻膠保護的金屬部分留在S1-GaAs上,從而獲得鏤空的互補型開口諧振環(huán)(C-SRR)。
[0035]本發(fā)明高效太赫茲光導天線電極的金屬層,其特點在于,5nm厚鈦金屬做粘結層,50nm厚金,能夠與S1-GaAs形成歐姆接觸,無需再次進行退火處理。
[0036]本發(fā)明雙頻率太赫茲帶通濾波器的互補型開口諧振環(huán)(C-SRR)結構的性能。其特點在于,當g = 2 μ m時,低頻(fx = 0.63THz)透射能量低于高頻(fh = 1.94THz)透射能量,當g = 5 μ m時,低頻(fx = 0.72THz)透射能量和高頻(fh = 1.96THz)透射能量近似相等,當g = 10 μ m時,低頻(f\ = 0.78THz)透射能量高于高頻(fh = 1.99THz)透射能量。其在太赫茲時域光譜檢測系統(THz-TDS)的脈沖透射特性(如附圖2所示),對應的頻譜特性(如圖3所示),扣除S1-GaAs襯底吸收以后,器件在0.1THz到2.5THz波段整體的濾波性能(如附圖4所示)。
[0037]綜上所述,本發(fā)明具有利用現有的半導體微加工工藝,制備工藝簡單、操作方便,可以精確控制互補型開口諧振環(huán)微結構加工區(qū)域,大大降低了成本。采用Au/Ti電極成分簡單,無需退火既可獲得良好歐姆接觸,提高的器件的可靠性和可集成性的特點。
[0038]鑒于利用THz波成像可廣泛用于機場、海關等地方的安全監(jiān)測,比如探查隱藏的槍械、爆炸物、毒品等,而不會對人體造成傷害;在工業(yè)上還可以用于探測集成電路焊接的損傷,用于質量控制的手段等。由此,本發(fā)明對我國國家安全、醫(yī)學診斷,質量檢測等領域應用提供了堅實的技術物質基礎。
【權利要求】
1.一種雙頻率太赫茲帶通濾波器,其特征在于,在0.6mm厚半絕緣砷化鎵表面,采用標準半導體器件微加工工藝,導致表面等離子極化激元激發(fā)和電感-電容共振兩種物理過程共同作用,在不同頻率上產生異常透射增強實現雙頻率THz帶通濾波功能的周期性互補型開口環(huán)共振單元。
2.如權利要求1所述的一種雙頻率太赫茲帶通濾波器,其特征在于,所述周期性互補型開口環(huán)共振單元,單元結構在一個光滑金屬面上,通過半導體微加工工藝實現鏤空的帶缺口的環(huán)狀周期性結構,其周期性互補型開口環(huán)共振單元的外徑與內徑之間,除間隔以外部分都是鏤空的。
3.如權利要求1所述的一種雙頻率太赫茲帶通濾波器,其特征在于,所述周期性互補型開口環(huán)共振單元的二維結構,單元周期為40 μ m、外徑為16 μ m、內徑為12 μ m、間隔寬度g范圍在2μπ?至Ij ΙΟμ--。
4.如權利要求1所述的一種雙頻率太赫茲帶通濾波器,其特征在于,所述周期性互補型開口環(huán)共振單元的金屬層結構,采用5nm厚鈦金屬做粘結層,50nm厚金材料做電極,半導體襯底采用半絕緣砷化鎵。
5.如權利要求1所述的一種雙頻率太赫茲帶通濾波器的制作,其特征在于,所述標準半導體器件微加工工藝,如采用正膠工藝、熱蒸發(fā)工藝、剝離工藝,制作金屬層。
6.如權利要求1或3所述的一種雙頻率太赫茲帶通濾波器,其特征在于,所設計的雙頻率太赫茲帶通濾波器的互補型開口諧振環(huán)結構,外徑為16μπκ內徑為12μπκ間隔寬度g為分別為2 μ m、5 μ m、10 μ m, C-SRR的單元周期為40 μ m,器件表面的C-SRR所覆蓋的矩形區(qū)域 1mmX 1mm,面積為 100mm2。
7.如權利要求5所述的一種雙頻率太赫茲帶通濾波器的制作,其特征在于,按照所述結構圖型訂購光掩膜版,然后采用正膠工藝在將光導天線圖案轉移到S1-GaAs上,具體流程如下: 第一步:將S1-GaAs襯底置于去離子水中,并在1kHz頻率的超聲環(huán)境中清洗,去除表面殘留顆粒物,然后用高壓氮氣將表面吹干; 第二步:將干燥后的樣品置于旋涂臺上,在黃光條件下將AZ1500型光刻膠滴在周期性微結構表面,并立即以600r/min的低轉速進行勻膠,維持1s后,轉速直接提高到3000r/min的高轉速進行甩膠,維持60s,使得膠厚〈1.5 μ m ; 第三步:涂膠后的樣品被放置與110°C的烘膠臺上進行60s的烘焙,固化光刻膠; 第四步:將涂有光刻膠的樣品轉移到URE-2000/35型紫外光刻機上,在樣品表面曝光.60s后,將光掩膜版天線圖形轉移到樣品上,然后在顯影液中顯影45s,并轉移到去離子水漕中清洗60s,取出后立即用壓縮氮氣吹干樣品表面; 第五步:將干燥后的樣品置于熱蒸發(fā)鍍膜儀樣品支架上,然后分別將盛有純度為.99.999%的鈦粉末和99.999%的金粉末的鎢舟連接到兩組不同的電極中,關閉蒸發(fā)腔室后啟動真空泵,將腔室內壓強從標準大氣壓降低到10_4mbar,然后開啟連通鈦金屬的電源,并提高電流強度,直到膜厚檢測器顯示厚度增加為止,以0.lnm/s的蒸發(fā)率,持續(xù)200s后切斷連通鈦金屬的電源,并連通含金鎢舟的電源,并提高電流強度,直到膜厚檢測器顯示厚度增加為止,以0.2nm/s的蒸發(fā)率,持續(xù)500s后切斷電源,冷卻600s后逐級關閉真空泵,等腔室內壓強回歸標準大氣壓后打開蒸發(fā)腔,取出樣品; 第六步:剝離工藝包括步驟:將金屬化后的樣品浸泡在99.999%純度丙酮溶劑中,利用丙酮滲透固化后的光刻膠,將膠面上的金屬剝離半絕緣砷化鎵表面,而未光刻膠保護的金屬部分留在半絕緣砷化鎵上,成為周期性互補型開口環(huán)共振單元。
【文檔編號】H01P1/20GK104201443SQ201410401306
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權日:2014年8月14日
【發(fā)明者】趙振宇, 宋志強, 石旺舟 申請人:上海師范大學