一种宽频带高吸收太赫兹波的微桥结构及其制备方法

摘要

本发明属于室温太赫兹探测阵列成像技术领域，提供一种宽频带高吸收太赫兹波的微桥结构及其制备方法，用于克服太赫兹探测器宽频段下响应率低的问题。该微桥结构包括位于顶层的金属吸收膜、位于中间层的超材料图形、位于底层的MEMS微桥，且两两之间设置氮化硅介质层间隔；所述金属吸收膜为阻抗匹配的纳米级金属吸收薄膜，所述超材料图形与MEMS微桥共同构成超材料吸收结构。本发明中阻抗匹配的纳米级金属吸收薄膜能够实现太赫兹波的宽频带吸收，超材料图形和MEMS微桥结构共同构成超材料吸收结构能够保障对太赫兹波的高吸收；实现对太赫兹波的宽光谱响应、高吸收的性能，整体上提高了微桥结构探测单元对太赫兹波的响应率。

权利要求

1.一种宽频带高吸收太赫兹波的微桥结构，包括位于顶层的金属吸收膜、位于中间层的超材料图形、位于底层的MEMS微桥，且两两之间设置氮化硅介质层间隔；所述金属吸收膜为阻抗匹配的纳米级金属吸收薄膜，用于太赫兹波宽频带吸收；所述MEMS微桥包括底部金属反射层和通过桥腿支撑于底部金属反射层上的桥面，桥面与底部金属反射层之间形成微桥空腔；所述超材料图形与MEMS微桥共同构成超材料吸收结构，所述微桥空腔和桥面共同构成超材料吸收结构的中间介质层，所述底部金属反射层构成超材料吸收结构反射层，即与超材料图形共同构成从下往上依次为反射层、中间介质层和图形层的超材料吸收结构。

2.按权利要求1所述宽频带高吸收太赫兹波的微桥结构，其特征在于，所述超材料图形为开口谐振环阵列、对数天线、蝶形天线或者开口谐振环复合结，图形厚度为100～500nm。

3.按权利要求1所述宽频带高吸收太赫兹波的微桥结构，其特征在于，所述金属吸收膜为金、钛、镍、铬、铝及其混合材料薄膜，薄膜厚度为10nm～20nm。

4.按权利要求1所述宽频带高吸收太赫兹波的微桥结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.采用PECVD高低混频工艺在预先制备好的MEMS微桥表面沉积的氮化硅介质层，厚度为0.1um～1um；

步骤2.在步骤1的基础上，首先使用磁控溅射法制备金属薄膜，厚度控制在100～500nm范围内；

步骤3.在步骤2的基础上，采用干法刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺，将金属薄膜刻蚀形成金属图形，最后使用丙酮溶液在超声条件下清洗，完成超材料图形制作；

步骤4.在步骤3的基础上，采用步骤1相同方法制备氮化硅介质层，厚度为0.1um～1um；

步骤5.在步骤4的基础上，首先采用磁控溅射法制备金属吸收薄膜，然后采用反应离子刻蚀方法与干法刻蚀的后腐蚀现象将金属吸收薄膜减薄至10nm～20nm，或者采用湿法化学腐蚀法将金属吸收薄膜减薄至10nm～20nm，即金属吸收膜；

步骤6.在步骤5基础上，采用氟基等离子体对金属吸收薄膜进行表面轰击处理，对金属吸收薄膜表面进行黑化处理，即完成本发明微桥结构的制备。

说明书

一种宽频带高吸收太赫兹波的微桥结构及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于室温太赫兹探测阵列成像技术领域，具体涉及一种宽频带高吸收太赫兹波的微桥结构及其制备方法。

背景技术

[0002] 太赫兹波常指频率在0.1THz～10THZ(波长3mm～30μm)的电磁波。由于所处频段较特殊，属于宏观电子学和微观光子学的过渡范围，因此THz波表现出一系列不同于其他频段电磁波的独特性质，使之在军事和民用领域(如成像、通信、遥感、雷达、天文、生物医学等)具有重要的科研价值及广阔的应用。与其他波相比，太赫兹波的特点有①太赫兹辐射的频率范围很宽,它几乎覆盖了各种大分子的转动频率和震荡频率；②太赫兹辐射有着很高的空间分辨率和时间分辨率；③太赫兹辐射的能量很小,只有几毫电子伏特,不容易破坏被检测的物质；④太赫兹辐射具有对某些物质的穿透性；⑤太赫兹辐射的时域频谱信噪比很高，目前,对太赫兹辐射强度测量的信噪比可大于1010。

[0003] 常见的太赫兹探测器类型主要有制冷的Ge、Si和InSb测辐射热计(Bolometer)、高莱探测器(Golay Cell)、热释电(Pyroelectric)、肖特基二极管、场效应晶体管等单元或者多元探测器。目前比较成熟的热释电和微测辐射热计(Micro-Bolometer)都属于热探测器，微测辐射热计是红外及太赫兹探测器件的重要应用之一，其中非制冷太赫兹微测辐射热计与红外微测辐射热计具有类似的结构，目前太赫兹探测结构的主要研究方向是通过对后者的改进来获取的。微测辐射热计的太赫兹探测过程，主要通过微桥结构来完成的，微桥结构中的热敏材料位于桥面介质层中，顶层结构吸收太赫兹辐射后转化为热能，使得桥面产生温升和热敏材料电阻变化，然后由偏置电路读出电阻变化，进而获得入射的太赫兹辐射量大小。

[0004] 由此可知，微桥结构对太赫兹辐射的吸收性能是太赫兹探测器制造成败或者性能高低的关键因素，因而，为满足高性能太赫兹波探测器的需求，在宽频段内实现高吸收太赫兹波吸收的微桥结构成为我们的研究重点。

发明内容

[0005] 本发明目的在于针对目前太赫兹探测器宽频段下响应率低的问题，设计一种宽频带高吸收太赫兹波的微桥结构及其制备方法，用以实现对太赫兹波的宽光谱、高吸收，提高微桥结构探测单元对太赫兹波的响应率。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0007] 一种宽频带高吸收太赫兹波的微桥结构，包括位于顶层的金属吸收膜、位于中间层的超材料图形、位于底层的MEMS微桥，且两两之间设置氮化硅介质层间隔；所述金属吸收膜为阻抗匹配的纳米级金属吸收薄膜，用于太赫兹波宽频带吸收；所述MEMS微桥包括底部金属反射层和通过桥腿支撑于底部金属反射层上的桥面，所述桥面包括从下往上依次设置的支撑层、金属电极、敏感材料层，桥面与底部金属反射层之间形成微桥空腔；所述超材料图形与MEMS微桥共同构成超材料吸收结构，所述微桥空腔和桥面共同构成超材料吸收结构的中间介质层，MEMS微桥底部金属反射层构成超材料吸收结构反射层，即与超材料图形共同构成从下往上依次为反射层、中间介质层和图形层的超材料吸收结构。

[0008] 进一步的，所述超材料图形为开口谐振环阵列、对数天线、蝶形天线或者开口谐振环复合结，图形厚度为100～500nm。

[0009] 所述金属吸收膜为金、钛、镍、铬、铝及其混合材料薄膜，薄膜厚度为10nm～20nm。

[0010] 所述宽频带高吸收太赫兹波的微桥结构的制备方法，包括以下步骤：

[0011] 步骤1.使用PECVD高低混频工艺在在预先制备高的MEMS微桥表面沉积的氮化硅介质层，厚度为0.1um～1um，用于保护桥面的热敏材料层，同时将MESM微桥与超材料图形隔开，防止两部分结构之间出现短路现象；

[0012] 步骤2.在步骤1的基础上，首先使用磁控溅射法制备金属薄膜，厚度控制在100～500nm范围内，然后采用光刻工艺进行超材料图形的制作；

[0013] 步骤3.在步骤2的基础上，采用干法刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺，把金属薄膜刻蚀掉形成金属图形，最后使用丙酮溶液在超声条件下清洗，完成超材料图形制作；

[0014] 步骤4.在步骤3的基础上，采用PECVD工艺制备低应力的氮化硅介质层，厚度为0.1um～1um，用于将金属吸收薄膜与超材料图形隔开，以防止超材料图形的短路；

[0015] 步骤5.在步骤4的基础上，首先采用磁控溅射法制备金属吸收薄膜，然后采用反应离子刻蚀方法与干法刻蚀的后腐蚀现象将金属吸收薄膜减薄至10nm～20nm，或者采用湿法化学腐蚀法将金属吸收薄膜减薄至10nm～20nm；

[0016] 步骤6.在步骤5基础上，为提高金属吸收薄膜太赫兹波的吸收效率，采用氟基等离子体对金属吸收薄膜进行表面轰击处理，使金属薄膜表面粗糙化；通过调节刻蚀时氟离子能量与浓度，使大量氟离子吸附到金属吸收薄膜粗糙表面并在表面扩散与反应，获得表面富集氟离子的金属吸收薄膜，刻蚀后氟离子在粗糙的金属薄膜表面生成大量结晶缺陷，使金属薄膜表面黑化；即完成本发明微桥结构的制备。

[0017] 本发明中依据等效介质理论、S参数方法、超薄金属吸收膜与太赫兹波作用理论、电磁传输理论为指导，开展类超材料微桥结构设计，构建类超材料微桥结构吸收太赫兹辐射的理论模型。同时还考虑到微桥结构的材料参数和工艺路线可行性，结合微桥结构设计规则和可行性设计制定出微桥结构的制备方法，以最终获得宽光谱响应、高吸收率的太赫兹波探测微桥结构。

[0018] 本发明中提供微桥结构中，阻抗匹配的纳米级金属吸收薄膜能够实现太赫兹波的宽频带吸收，超材料图形和MEMS微桥结构共同构成超材料吸收结构(即上述类超材料微桥结构)能够保障对太赫兹波的高吸收。类超材料微桥结构成为本发明的创新点，将MEMS微桥结构中的底部金属反射层作为超材料吸收结构反射层、底部金属反射层以上结构共同构成超材料吸收结构中间介质层，与超材料图形构成三层超材料吸收结构，能够吸收入射太赫兹波能量的90％以上；同时，本发明通过对工艺兼容性的研究，有效地将MEMS微桥结构、宽波段吸收的超材料吸收结构、阻抗匹配的超薄金属吸收膜三者有机结合，克服了低太赫兹辐射吸收和窄光谱响应的问题，实现对太赫兹波的宽光谱响应、高吸收的性能，整体上提高了微桥结构探测单元对太赫兹波的响应率。

附图说明

[0019] 图1为本发明宽频带高吸收太赫兹波的微桥结构示意图，其中1为MEMS微桥、2为超材料图形、3为金属吸收膜。

[0020] 图2为实施例中宽频带高吸收太赫兹波的微桥结构制备方法流程示意图，其中，10为衬底、11为驱动电路、12为金属铝反射层、13为电路接口、14为牺牲层、15为缓冲层、16为支撑层、17为顶部电极、18为氧化钒薄膜、19为第一氮化硅介质层、20为对数周期天线层、21为第二氮化硅介质层、22为阻抗匹配的超薄金属吸收薄膜Ti。

[0021] 图3为本发明中超材料吸收结构与微桥结构模型的对应图。

[0022] 图4为本发明中超材料图形的示意图，其中，4-a是开口谐振环阵列、图4-b是对数周期天线、图4-c是开口谐振环复合结构。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明描述。

[0024] 本实施例中，宽频带高吸收太赫兹波的微桥结构如图1所示，包括位于顶层的金属吸收膜3、位于中间层的超材料图形2、位于底层的MEMS微桥1，且两两之间设置氮化硅介质层间隔；所述金属吸收膜为阻抗匹配的纳米级金属吸收薄膜Ti，用于太赫兹波宽频带吸收；所述MEMS微桥如图2-a所示，包括衬底10、驱动电路11、金属铝反射层12、通过桥腿支撑于金属铝反射层上的桥面，桥面包括依次设置的支撑层16、顶部电极17、氧化钒薄膜(敏感材料层)18，支撑层16位于牺牲层14上，牺牲层14位于金属铝反射层12上，顶部电极17通过缓冲层15与电路接口13相连；所述超材料图形为对数周期天线。上述宽频带高吸收太赫兹波的微桥结构通过以下步骤制备：

[0025] 步骤1.在已制备好的MEMS微桥结构上，使用PECVD高低混频工艺在微桥表面沉积的0.1um的第一氮化硅介质层，主要保护桥面的热敏材料-氧化钒薄膜，同时将MEMS微桥与对数周期天线隔开，防止两部分结构之间出现短路现象，如图2-b所示；

[0026] 步骤2.在步骤1的基础上，使用磁控溅射法制备NiCr薄膜，厚度控制在200nm，然后光刻(用自动涂胶机在镍铬薄膜上旋涂一层正性光刻胶、软烘、对准和曝光、曝光后烘焙、显影、坚膜烘焙、显影检查)；

[0027] 步骤3.在步骤2的基础上，使用湿法腐蚀工艺，将NiCr薄膜进行刻蚀，然后使用丙酮溶液在超声条件下清洗光刻胶，完成对数周期天线的制作，如图2-c所示；

[0028] 步骤4.在步骤3的基础上，使用PECVD设备及高低混频工艺制备200nm氮化硅，即第二氮化硅介质层，以保障对数周期天线的共振吸收，同时将阻抗匹配的金属吸收薄膜与对数周期天线隔开，防止天线短路，如图2-d所示；

[0029] 步骤5.在步骤4的基础上，先磁控溅射20nm的Ti，再用反应离子刻蚀方法与干法刻蚀，将金属Ti减薄成10nm的超薄金属膜且满足阻抗匹配的条件，如图2-e所示；

[0030] 步骤6.在步骤5基础上，为提高金属吸收薄膜太赫兹波的吸收效率，采用氟基等离子体对金属吸收薄膜Ti进行表面轰击处理，进行表面黑化处理；

[0031] 步骤7.使用等离子去胶机释放牺牲层，完成微桥结构的制备，完整的结构示意图如2-f所示；

[0032] 最后对探测单元进行测试、封装。

[0033] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。