基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计及其制备方法与流程

本发明涉及太赫兹探测技术领域，特别是涉及一种基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计及其制备方法。

背景技术：

太赫兹(Terahertz)泛指频率在0.1～10THz波段内的电磁波，位于红外和微波之间，处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。相比于高频电磁波，太赫兹辐射对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，如硬纸板、塑料、纺织物等，可对不透明物体进行透视成像，是X射线成像和超声波成像技术的有效互补，可用于缉毒、无损安检及反恐等方向。同时，太赫兹辐射兼具低能性及惧水性的特点，不会导致光致电离而破坏被检物质，且不会穿透人体皮肤，对人体安全无害，是皮肤癌、龋齿洞等医学检测的理想工具。相比于低频电磁波，利用太赫兹成像可以获得更高的空间分辨率及更长的景深。基于以上原因，太赫兹探测成像技术在军用及明用等领域均有着巨大的应用前景。

太赫兹探测技术包括太赫兹相干探测方法及非相干探测方法。常见的太赫兹脉冲相干探测方法有光电导取样、电光取样、外差探测及空气等离子探测等方法；太赫兹非相干探测包括基于光热效应的微测辐射热计、热释电探测器及高莱探测器以及基于光电效应的肖特基二极管、场效应管及量子阱探测器等。其中，基于光热效应的太赫兹微测辐射热计具有室温成像、实时成像、简单易携且具有与红外微测辐射热计结构、工艺相兼容等优点，是现今发展的主流。其基本工作原理为入射到微桥结构的太赫兹辐射使得热敏电阻层温度产生变化，从而引起热敏电阻层的阻值发生变化，在外加偏置的作用下产生相应的电学信号输出，最后还原成图像信息，其中，微桥结构的设计是影响微测辐射热计性能的关键因素。2005年美国MIT的Alan W.M.Lee等(Alan W M Lee,et al.“Real-time,continuous-wave terahertz imaging by use of a micro-bolometer focal-plane array”[J].Optics Letters,2005,30(19):2563-2565)提出了基于VO_x焦平面探测器的连续波太赫兹透射成像，其采用了BAE System公司SCC 500L VO_x焦平面探测器组件，像元数为160×120，像元尺寸为46um×46um，实现了2.52THz连续波透射成像，证明了采用微测辐射热计作为太赫兹探测器的可行性。

但由于相比于红外辐射，太赫兹辐射的能量更低，波长更长，传统的微桥结构用于太赫兹波段时存在灵敏度不高且分辨率较低的问题。为了提高微桥结构对太赫兹辐射的吸收效率，必须设计新的微桥结构，如将单层结构改为双层微桥结构或者改变桥腿结构等方案。2008年，日本NEC公司(Naoki Oda,et al.“Detection of terahertz radiation from quantum cascade laser,using vanadium oxide micro-bolometer focal plane arrays”[C].Proc.of SPIE,2008,6940:69402Y-1-6940Y-12)通过在传统的基于VO_x热敏材料的微桥构顶层增加一层金属吸收层以提高微桥对太赫兹辐射的吸收率。采用该种结构的微桥结构对太赫兹辐射的探测率相比于传统结构而言有了一定提高，但高质量的纳米量级的太赫兹金属吸收薄膜对制备条件要求严格，且太赫兹吸收率依旧较低。

超材料结构是由周期或非周期的亚波长单元结构组成的新型人工材料，由顶层的周期性金属结构层、中间介质层及底部的连续金属薄膜反射层构成，其基本工作原理是入射电磁波在空气-表面金属结构界面及底部反射面的多次反射折射引起的相消干涉。通过调整超材料结构的图形、结构参数及介质层材料厚度等参数可以调节谐振峰的位置及相应的吸收率，可以实现对目标频点吸收率接近100％的完美太赫兹吸波器。但吸波器的单个谐振结构带宽较窄，为实现宽带吸波器，通常将几个谐振峰相近的单元结构并排或层叠放置，使得几个相近的谐振峰相连接构成宽波带吸波器。将超材料结构的太赫兹吸波器与微桥结构相结合，可以大幅度的提高太赫兹探测器对太赫兹辐射的吸收效率，从而提高太赫兹探测器性能，但现阶段对太赫兹吸波器的研究多局限于在硅基底上实现高吸收率的完美太赫兹吸波器，未涉及太赫兹探测器的研究。2011年，Grant等(James Grant et al.“Polarization insensitive,broadband terahertz metamaterial absorber”Optics Letters,Vol.36,Issue 17,pp.3476-3478(2011))设计了由三层金属十字形结构组成的太赫兹宽带吸波器结构，实验测量显示有60％的吸收率及48％的半高全宽。相比于传统微桥结构，该太赫兹吸波器对太赫兹辐射的吸收率有了明显的提高，但其工作集中于完美太赫兹吸波器的设计，未涉及太赫兹探测器的相关研究。

因此，如何设计基于超材料结构的宽频带高吸收率太赫兹微测辐射热计是当前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计及其制备方法，能够解决现阶段太赫兹微测辐射热计对太赫兹辐射的吸收率较低且吸收峰频带较窄的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计，包括：硅衬底层；读出电路层，所述读出电路层形成在所述硅衬底层上；底部钝化层，所述底部钝化层形成在所述读出电路层上；金属反射层，所述金属反射层形成在所述底部钝化层上，所述金属反射层的两侧设有微桥桥墩，所述微桥桥墩从所述底部钝化层嵌入至所述读出电路层内部；微桥支撑层，所述微桥支撑层跨接在所述金属反射层两侧的所述微桥桥墩上，且所述微桥支撑层与所述底部钝化层之间形成微桥空腔，所述金属反射层位于所述微桥空腔内；热敏电阻层，所述热敏电阻层形成在所述微桥支撑层的顶面；电极层，所述电极层形成于所述微桥支撑层的侧面，且所述电极层的上端电性连接所述热敏电阻层，下端连接所述微桥桥墩；桥腿钝化层，所述桥腿钝化层包覆在所述电极层上，且所述桥腿钝化层的下端连接所述微桥桥墩；第一介质层，所述第一介质层形成在所述热敏电阻层上；微桥支撑柱，所述微桥支撑柱形成在所述第一介质层上；第二介质层，所述第二介质层形成在所述微桥支撑柱上；其中，所述第一介质层的表面集成有第一金属图案层，所述第二介质层的表面集成有第二金属图案层，所述金属反射层、热敏电阻层、第一介质层和第一金属图案层构成第一层太赫兹超材料结构，所述金属反射层、热敏电阻层、第二介质层和第二金属图案层构成与所述第一层太赫兹超材料结构谐振频点相近的第二层太赫兹超材料结构。

优选地，所述第一金属图案层为多个平行间隔排列的第一工字形金属图案，所述第二金属图案层为多个平行间隔排列的第二工字形金属图案，其中，所述第一工字形金属图案的长度方向与所述第二工字形金属图案的长度方向相互垂直。

优选地，所述第一工字形金属图案的长度与所述第二工字形金属图案的长度相同或相近，以使得所述第一工字形金属图案和所述第二工字形金属图案的谐振频点相邻近但不重叠。

优选地，所述第一工字形金属图案和所述第二工字形金属图案的长度均为10～50μm。

优选地，所述多个第一工字形金属图案的长度方向两端的臂长各不相等或部分相等，所述多个第二工字形金属图案的长度方向两端的臂长各不相等或部分相等，以使得所述多个第一工字形金属图案的谐振频点相邻近但不重叠以及所述多个第二工字形金属图案的谐振频点相邻近但不重叠。

优选地，所述第一工字形金属图案和所述第二工字形金属图案的长度方向两端的臂长为5～12μm，所述第一工字形金属图案和所述第二工字形金属图案的线宽为1～5μm，所述第一工字形金属图案和所述第二工字形金属图案的厚度为0.05～0.5μm，相邻两个第一工字形金属图案的间距以及相邻两个第二工字形金属图案的间距为1～5μm。

优选地，所述第一工字形金属图案和所述第二工字形金属图案的材料为Al、Au、Ni和NiCr中的一种。

优选地，所述热敏电阻层的材料为VO_x、BaTiO₃和非晶硅中的一种或多种的复合物，所述热敏电阻层的厚度为0.05～0.5μm。

优选地，所述金属反射层与所述微桥支撑层的垂直间距为0.5～5μm，所述第一介质层与所述第二介质层的垂直间距为0.5～3μm。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计的制备方法，所述制备方法包括：提供硅衬底层，在所述硅衬底层的表面制备得到读出电路层，并对所述读出电路层的表面进行清洗；在所述读出电路层表面沉积氮化硅薄膜或氧硅薄膜得到底部钝化层，并在所述底部钝化层表面沉积得到金属反射层；在所述金属反射层两侧的底部钝化层上制备出微桥桥墩以及在所述金属反射层上刻蚀出桥面图形；在所述底部钝化层上旋涂包覆所述金属反射层的聚酰亚胺光刻胶得到第一微桥牺牲层，并对所述第一微桥牺牲层进行热固化处理；在所述第一微桥牺牲层上沉积氮化硅薄膜或氧硅薄膜得到微桥支撑层，并在所述微桥支撑层的两侧面上刻蚀出电极图形；在所述微桥支撑层的顶面沉积得到热敏电阻层，并在所述热敏电阻层上刻蚀出所述桥面图形；在所述微桥支撑层的电极图形上沉积得到电极层，其中，所述电极层的上端电性连接所述热敏电阻层，下端连接所述微桥桥墩；在所述电极层上沉积得到桥腿钝化层，其中，所述桥腿钝化层的下端连接所述微桥桥墩；在所述热敏电阻层上沉积高聚物薄膜得到第一介质层；在所述第一介质层上沉积金属薄膜得到第一金属图案层；在所述第一介质层上旋涂包覆所述第一金属图案层的聚酰亚胺光刻胶得到第二微桥牺牲层，并对所述第二微桥牺牲层进行热固化处理；在所述第二微桥牺牲层上光刻出支撑柱图形；在所述第二微桥牺牲层上沉积高聚物薄膜得到微桥支撑柱以及形成所述微桥支撑柱上的第二介质层；在所述第二介质层上沉积金属薄膜得到第二金属图案层；对所述第一微桥牺牲层和第二微桥牺牲层进行释放处理，以在所述微桥支撑层与所述底部钝化层之间形成微桥空腔。

区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：通过将宽带太赫兹吸波器与微桥结构结合起来形成宽频带高吸收的探测结构，该结构主要包括衬底支撑部分、第一层微桥部分及第二层微桥部分，每层微桥均集成有谐振频点相近的太赫兹超材料结构构成的宽带高吸收太赫兹吸波器，该双层微桥结构由下至上依次是硅衬底层、读出电路层、微桥桥墩、底部钝化层、金属反射层、微桥支撑层、热敏电阻层、电极层、桥腿钝化层、第一介质层、第一金属图案层、微桥支撑柱、第二介质层及第二金属图案层，通过这种方式，从而能够解决现阶段太赫兹微测辐射热计对太赫兹辐射的吸收率较低且吸收峰频带较窄的问题，并且可以对宽频带的太赫兹辐射实现高吸收率的吸收且对偏振不敏感，同时具有尺寸小、阵列化、易集成、可在室温下工作等优点。

附图说明

图1是本发明实施例基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计的主视结构示意图。

图2是本发明实施例基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计的俯视结构示意图。

图3是本发明实施例基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计中第一工字形金属图案的结构示意图。

图4是对本发明实施例的基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计的电磁仿真结果；其中第一工字形金属图案的长度方向与第二工字形金属图案的长度方向相互平行，入射电磁辐射沿x方向为TM波，沿y方向为TE波。

图5是对本发明实施例的基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计的电磁仿真结果；其中第一工字形金属图案的长度方向与第二工字形金属图案的长度方向相互平行，入射电磁辐射沿x方向为TE波，沿y方向为TM波。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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做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。

参阅图1，是本发明实施例基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计的主视结构示意图。本发明实施例太赫兹微测辐射热计包括硅衬底层10、读出电路层11、底部钝化层12、金属反射层13、微桥支撑层21、热敏电阻层22、电极层23、桥腿钝化层24、第一介质层25、微桥支撑柱31和第二介质层32。

读出电路层11形成在硅衬底层10上。底部钝化层12形成在读出电路层11上。

金属反射层13形成在底部钝化层12上，金属反射层13的两侧设有微桥桥墩14，微桥桥墩14从底部钝化层12嵌入至读出电路层11内部。

微桥支撑层21跨接在金属反射层13两侧的微桥桥墩14上，且微桥支撑层21与底部钝化层12之间形成微桥空腔20，金属反射层13位于微桥空腔20内。

热敏电阻层22形成在微桥支撑层21的顶面。

电极层23形成于微桥支撑层21的侧面，且电极层23的上端电性连接热敏电阻层22，下端连接微桥桥墩14。桥腿钝化层24包覆在电极层23上，且桥腿钝化层24的下端连接微桥桥墩14。

第一介质层25形成在热敏电阻层22上。

微桥支撑柱31形成在第一介质层25上。第二介质层32形成在微桥支撑柱31上。

其中，第一介质层25的表面集成有第一金属图案层26，第二介质层32的表面集成有第二金属图案层33，金属反射层13、热敏电阻层22、第一介质层25和第一金属图案层26构成第一层太赫兹超材料结构，金属反射层13、热敏电阻层22、第二介质层32和第二金属图案层33构成与第一层太赫兹超材料结构谐振频点相近的第二层太赫兹超材料结构。

在本实施例中，金属反射层13与微桥支撑层21的垂直间距h1为0.5～5μm，第一介质层25与第二介质层32的垂直间距h2为0.5～3μm。

第一介质层25与第二介质层32通过微桥支撑柱31相连接，第二金属图案层33收集的太赫兹辐射能量通过第二介质层32、微桥支撑柱31、第一介质层25传递给热敏电阻层22，第一金属图案层26收集的太赫兹辐射能量通过第一介质层25传递给热敏电阻层22。在本实施例中，热敏电阻层22的材料为VO_x、BaTiO₃和非晶硅等高TCR热敏材料中的一种或多种的复合物，热敏电阻层22的厚度可以为0.05～0.5μm。

在本实施例中，参阅图2，第一金属图案层26为多个平行间隔排列的第一工字形金属图案261，第二金属图案层33为多个平行间隔排列的第二工字形金属图案271，其中，第一工字形金属图案261的长度方向与第二工字形金属图案331的长度方向相互垂直，以构成对入射太赫兹辐射偏振方向不敏感的宽带高吸收太赫兹吸波器。如图2所示，第一工字形金属图案261的长度方向为水平方向，第二工字形金属图案331的长度方向为竖直方向。由于多个第一工字形金属图案261相间隔，则微桥支撑住31位于多个第一工字形金属图案261的间隔当中。

第一工字形金属图案261的长度与第二工字形金属图案331的长度可以相同或相近，以使得第一工字形金属图案261和第二工字形金属图案331的谐振频点相邻近但不重叠，从而能够形成宽带吸收峰。

由于超材料结构的结构参数可以影响谐振峰的位置及相应的吸收率，因此，如图3所示，本实施例的第一工字形金属图案261的尺寸设计如下：第一工字形金属图案261的长度方向两端的臂长为5～12μm，第一工字形金属图案261的线宽W为1～5μm，第一工字形金属图案261的厚度为0.05～0.5μm，相邻两个第一工字形金属图案261的间距G为1～5μm，第一工字形金属图案261的长度L为10～50μm。第二工字形金属图案331的尺寸设计与第一工字形金属图案261相同，即臂长为5～12μm，线宽为1～5μm，厚度为0.05～0.5μm，长度为10～50μm，间距为1～5μm。其中，长度相近是指长度存在略微的差别，但是长度范围仍然在10～50μm内。第一工字形金属图案261和所述第二工字形金属图案331的材料可以为Al、Au、Ni和NiCr等金属中的一种。

进一步地，多个第一工字形金属图案261的长度方向两端的臂长各不相等或部分相等，多个第二工字形金属图案331的长度方向两端的臂长各不相等或部分相等，以使得多个第一工字形金属图案261的谐振频点相邻近但不重叠以及多个第二工字形金属图案331的谐振频点相邻近但不重叠，从而能够形成宽频带吸收峰。举例而言，如图3所示，第一工字形金属图案261的数量均为3个，三个第一工字形金属图案261的长度方向两端的臂长分别为S1、S2、S3均不相等，S1＝11μm，S2＝9μm，S3＝8μm。相对应的，作为本实施例的一个优选，第一工字形金属图案261的长度L＝30μm，线宽W＝1μm，相邻两个第一工字形金属图案261的间距G＝2μm。

本实施例的基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计在对太赫兹超材料吸波器的研究基础上，设计了集成宽带太赫兹超材料结构的双层微桥结构，能够解决现阶段太赫兹微测辐射热计对太赫兹辐射的吸收率较低且吸收峰频带较窄的问题，提高了对宽频带太赫兹辐射的吸收率，从而提高了太赫兹探测器探测性能。

本发明实施例还提供一种基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计的制备方法，该制备方法用于制备前述实施例的基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计，其包括以下步骤：

S1：提供硅衬底层，在硅衬底层的表面制备得到读出电路层，并对读出电路层的表面进行清洗。

清洗读出电路层后，在200℃下对衬底进行烘烤以去除硅衬底层表面吸附的水汽、增强硅衬底层表面粘附力。

S2：在读出电路层表面沉积氮化硅薄膜或氧硅薄膜得到底部钝化层，并在底部钝化层表面沉积得到金属反射层。

底部钝化层可以采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在读出电路层表面沉积一层厚度为0.2μm的氮化硅薄膜或氧硅薄膜得到。

金属反射层可以采用直流磁控溅射法沉积一层厚度为0.2μm的金属铝薄膜得到。

S3：在金属反射层两侧的底部钝化层上制备出微桥桥墩以及在金属反射层上刻蚀出桥面图形。

桥面图形可以采用湿法腐蚀法刻蚀得到。制备微桥桥墩的过程可以是先在底部钝化层上光刻出微桥桥墩孔，然后在微桥桥墩孔中做出微桥桥墩。

S4：在底部钝化层上旋涂包覆金属反射层的聚酰亚胺光刻胶得到第一微桥牺牲层，并对第一微桥牺牲层进行热固化处理。

第一微桥牺牲层可以采用旋涂法在底部钝化层上旋涂一层厚度为0.2μm的聚酰亚胺光刻胶得到。

S5：在第一微桥牺牲层上沉积氮化硅薄膜或氧硅薄膜得到微桥支撑层，并在微桥支撑层的两侧面上刻蚀出电极图形。

微桥支撑层可以采用PECVD法在第一微桥牺牲层上沉积厚度为0.5μm的氮化硅薄膜或氧硅薄膜得到。

S6：在微桥支撑层的顶面沉积得到热敏电阻层，并在热敏电阻层上刻蚀出桥面图形。

热敏电阻层可以采用磁控溅射法在微桥支撑层的顶面沉积厚度为0.07μm的VO_x薄膜得到。

S7：在微桥支撑层的电极图形上沉积得到电极层，其中，电极层的上端电性连接热敏电阻层，下端连接微桥桥墩。

电极层可以采用磁控溅射法在微桥支撑层的电极图形上沉积厚度为0.1μm的镍镉金属薄膜得到。

S8：在电极层上沉积得到桥腿钝化层，其中，桥腿钝化层的下端连接微桥桥墩。

S9：在热敏电阻层上沉积高聚物薄膜得到第一介质层。

第一介质层和桥腿钝化层可以在同一个步骤中得到，例如采用PECVD法沉积厚度为0.5μm的氮化硅薄膜并光刻刻蚀图形化出第一介质层和桥腿钝化层。第一介质层可以是边长为33μm的正方形。

S10：在第一介质层上沉积金属薄膜得到第一金属图案层。

S11：在第一介质层上旋涂包覆第一金属图案层的聚酰亚胺光刻胶得到第二微桥牺牲层，并对第二微桥牺牲层进行热固化处理。

第二微桥牺牲层可以在第一介质层上旋涂厚度为1μm的聚酰亚胺光刻胶得到。

S12：在第二微桥牺牲层上光刻出支撑柱图形。

S13：在第二微桥牺牲层上沉积高聚物薄膜得到微桥支撑柱以及形成微桥支撑柱上的第二介质层。

第二介质层可以采用PECVD法在第二微桥牺牲层上沉积厚度为0.5μm的氮化硅薄膜得到。

S14：在第二介质层上沉积金属薄膜得到第二金属图案层。

第一金属图案层和第二金属图案层均可以采用以下方式得到：先旋涂厚度为0.2μm的光刻胶并刻蚀出多个工字形图案作为掩模，再采用真空蒸发法沉积厚度为0.2μm的金薄膜，最后去除剩余的光刻胶。

S15：对第一微桥牺牲层和第二微桥牺牲层进行释放处理，以在微桥支撑层与底部钝化层之间形成微桥空腔。

第一微桥牺牲层和第二微桥牺牲层可以利用氧离子体去除。

采用本发明实施例的制备方法得到的基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计，可以大幅提高太赫兹辐射吸收率。采用时域有限元仿真方法对本发明实施例的基于超材料结构的太赫兹微测辐射热计进行电磁仿真，仿真结果如图4和图5所示，仿真中设置第一工字形金属图案的长度方向与第二工字形金属图案的长度方向相互平行。图4中入射电磁辐射沿x方向为TM波，沿y方向为TE波；图5中入射电磁辐射沿x方向为TE波，沿y方向为TM波。图4中太赫兹微测辐射热计对2.4～3.2THz入射太赫兹辐射有较高吸收，可以明显看出整个吸收峰由多个吸收峰组合而成，其中，对2.4～2.6THz、2.6～2.8THz吸收率接近100％，在2.6THz两个吸收峰相接处吸收率大于80％，2.8～3.2THz吸收率有所降低，最低处吸收率仍然大于50％，整个吸收带宽达到0.8THz，吸收率A、反射率R及透过率T符合A＝1-R²-T²关系。图5中，当设置x方向为TE波，沿y方向为TM波，入射太赫兹辐射基本完全反射，吸收率为0。由图4及图5可知太赫兹微测辐射热计对宽频带范围内的太赫兹辐射均有较高的吸收率且将第一工字形金属图案的长度方向与第二工字形金属图案的长度方向设置为相互垂直后可达到偏振不敏感效果。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。