一种平面等角螺旋天线结构的太赫兹探测器及其制备方法

1.本发明涉及太赫兹探测技术领域，具体涉及一种平面等角螺旋天线结构的太赫兹探测器及其制备方法。


背景技术：

2.thz波段通常指的是频率在0.1thz～10thz之间的电磁波，其波段在微波和红外光之问，属于远红外波段，有着丰富的物理和化学信息。同时，thz辐射的优点决定了它在很多方面可以成为傅立叶变换红外光谱技术和x射线技术的互补技术，使thz电磁波在很多基础研究领域、工业应用及军事应用领域有相当重要的应用。随着thz技术的发展，thz技术的应用领域也在不断地拓宽，它在生物学、医学、微电子学、农业及其它领域也有很大的应用潜力。
3.太赫兹探测分为相干探测和非相干探测两大类。相干探测技术通过非线性器件把太赫兹信号变换到易于探测的低频信号来处理，例如光电导天线采样法；非相干探测则是通过把太赫兹信号转化为直流电流或电压信号来探测，例如场效应晶体管探测器等。太赫兹研究难点在于，相比于光波，太赫兹光子能量低(1thz,4mev)，基于量子能级间电子跃迁的光子学技术无法适用；相比于微波毫米波，太赫兹波长短，基于固态电子学的器件微制造达到了工艺极限，同时其微米级装配精度给机械加工和封装集成带来了巨大挑战。也就是说基于光子学和固态电子学原理的探测器在1-10thz很难获得高灵敏度和宽带宽。因此，针对1thz以上的电磁波，基于热效应的太赫兹探测器备受关注，例如微测热辐射计和热释电探测器等，这种基于热效应的探测器具有原理上无带宽限制，制备工艺与硅基集成电路兼容，可获得多像元阵列等优点。
4.然而目前这些热效应探测器的灵敏度还不高(噪声等效功率在10-10
w/√hz左右)。之前发明人研制的蝴蝶结天线耦合的太赫兹探测器(授权发明专利zl202011205369.8)虽然具有较高的灵敏度，但是由于蝴蝶结天线的谐振特性，影响了探测器的响应带宽。平面等角螺旋天线输入阻抗小，与超半球硅透镜组成准光耦合探测器，可实现宽带探测。为减少热导，一般将热敏单元与衬底分离，基于集成平面等角螺旋天线由于热敏单元在天线两臂的中间，金属面较多，挡住了刻蚀区域，采用常规热敏单元两侧开孔侧向刻蚀的方法获得悬空微桥具有很大的难度，常常因为开孔区域小刻蚀不通，或者因为刻蚀时间长导致热敏单元被刻蚀等工艺难题，因此给规模化制备平面等角螺旋天线结构的太赫兹探测器带来了挑战。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出一种平面等角螺旋天线结构的太赫兹探测器及其制备方法。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：一种平面等角螺旋天线结构的太赫兹探测器，包括硅衬底、二氧化硅支撑层、六氮五铌薄膜热敏层、平面等角螺旋天线电极层，所述二
氧化硅支撑层生长在所述硅衬底上；所述六氮五铌薄膜热敏层生长在所述二氧化硅支撑层上，通过设计圆环刻蚀窗口对二氧化硅支撑层和硅衬底进行光刻、刻蚀，形成六氮五铌微桥悬空结构；所述平面等角螺旋天线电极层兼做耦合天线，位于所述六氮五铌薄膜热敏层上，平面等角螺旋天线的中心馈电结构和六氮五铌微桥两端直接相连。
7.进一步的，所述平面等角螺旋天线电极层采用自补型平面等角螺旋天线，天线部分与空气缝隙部分尺寸一致，螺旋圈数控制为1.5～2圈。
8.进一步的，中心馈电结构的天线两端间距和天线外径尺寸由期望天线工作频率决定，工作的下限频率f
l
由天线整体半径r确定，具体计算关系为：上限工作频率fh由馈电中心两端间距r0确定，具体计算公式为：其中c为光速。
9.进一步的，中心馈电结构的天线两端间距控制为4～12微米，中心馈电中心的天线宽度控制为2～4微米，天线整体半径控制为50～150微米。
10.进一步的，所述六氮五铌微桥尺寸长度设计为6～12微米、宽度设计为2～4微米。
11.进一步的，所述圆环刻蚀窗口的中心和平面等角螺旋天线的中心重合，圆环的内径根据六氮五铌微桥尺寸进行调整，内半径与六氮五铌微桥的距离控制为2～5微米，外半径根据整体天线尺寸进行调整，控制为整体天线半径的1/10～1/5。
12.一种平面等角螺旋天线结构的太赫兹探测器的制备方法，用于制备所述的平面等角螺旋天线结构的太赫兹探测器，包括如下步骤：
13.步骤1，在二氧化硅支撑层上通过磁控溅射生长六氮五铌薄膜热敏层；
14.步骤2，在六氮五铌薄膜热敏层上通过光刻生长剥离出电极和天线图案；
15.步骤3，光刻出六氮五铌微桥图形，利用反应离子刻蚀形成六氮五铌微桥；
16.步骤4，通过光刻在六氮五铌微桥周围曝光出圆环刻蚀窗口，通过反应离子刻蚀的方法刻蚀二氧化硅支撑层和硅衬底，形成六氮五铌微桥悬空结构。
17.本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)平面等角螺旋天线采用自补结构，实现了太赫兹波的宽频带探测；2)将刻蚀图形形状设置为圆环，通过刻蚀圆环区域形成悬空微桥，解决了由于平面等角螺旋天线金属过多导致刻蚀区域小，无法制备悬空桥结构的难题，制备工艺稳定，适合大规模阵列制备。
附图说明
18.图1为平面等角螺旋天线形状图形。
19.图2为平面等角螺旋天线与六氮五铌薄膜集成后的图形。
20.图3为平面等角螺线天线端口传输特性仿真图。
21.图4为探测器制备流程示意图
22.图5为本发明刻蚀悬空微桥设计的刻蚀圆环区域示意图
23.图6为本发明制备的平面等角螺旋天线太赫兹探测器的光学显微镜放大图，其中图(a)为器件整体图形，图(b)为进一步放大后的图形。
具体实施方式
24.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
25.本发明通过设计平面等角螺旋天线结构，以及刻蚀工艺采用圆环图案的设计，解决了常规六氮五铌太赫兹微测辐射热计探测带宽低、平面等角螺旋天线结构中悬空微桥结构制备难的问题。
26.如图1、2所示，一种平面等角螺旋天线结构的太赫兹探测器，包括硅衬底、二氧化硅支撑层、六氮五铌热敏薄膜层、电极天线层，所述二氧化硅支撑层生长在所述硅衬底上，所述六氮五铌薄膜热敏层生长在所述二氧化硅支撑层上，通过刻蚀的方法形成六氮五铌薄膜微桥悬空结构，所述电极层兼作耦合天线，为平面等角螺旋天线结构，位于所述六氮五铌薄膜热敏层上，平面等角螺旋天线的中心馈电结构和所述六氮五铌微桥两端直接相连。
27.所述平面等角螺旋天线为自补型螺旋天线，即天线部分和空气缝隙部分完全一致，螺线度数控制为540
°
～720
°
，其工作的下限频率f
l
由天线整体半径r确定，具体计算关系如式1所示：(其中c为光速)，上限工作频率fh由馈电中心两端间距r0确定，具体计算公式如式2所示：(其中c为光速)，为使器件达到需要探测的太赫兹波段，将中心馈电中心的天线两端间距控制为4～12微米，中心馈电中心的天线宽度控制为2～4微米，天线整体半径控制为50～150微米。
28.所述六氮五铌薄膜尺寸长度设计为6～12微米、宽度设计为2～4微米，以实现六氮五铌薄膜微桥与平面天线的阻抗匹配。
29.所述六氮五铌薄膜微桥悬空结构通过对二氧化硅支撑层和硅衬底的光刻、刻蚀形成空气腔实现，步骤为：
30.1.将刻蚀图形形状设置为圆环，圆环的中心和螺旋天线的中心重合，圆环的内径根据薄膜尺寸进行调整，内半径与薄膜的距离控制为2～5微米，外半径根据整体天线尺寸进行调整，控制为整体天线半径的1/10～1/5；
31.2.通过紫外光刻，在六氮五铌薄膜微桥四周曝光出圆环区域用于后道刻蚀工艺；
32.3.采用反应离子刻蚀(rie)的方法刻蚀圆环区域的硅，通过侧向刻蚀的作用形成六氮五铌薄膜悬空微桥。
33.本发明还提出一种太赫兹探测器的制备方法，实现基于平面等角螺旋天线结构的太赫兹探测器的制备，如图4所示，包括以下步骤：
34.步骤1，为提高器件性能，应使器件在工作过程中尽量与外界隔热，减小热量损失，因此，本发明选择热导系数较小的sio2作为微桥的支撑层，并在二氧化硅支撑层上通过磁控溅射生长六氮五铌薄膜热敏层；
35.步骤2，在六氮五铌薄膜热敏层上通过光刻生长剥离出天线图案；
36.步骤3，光刻出六氮五铌微桥图形，利用反应离子刻蚀形成六氮五铌微桥；
37.步骤4，通过光刻在所述六氮五铌微桥周围曝光出圆环窗口，通过反应离子刻蚀的方法刻蚀二氧化硅支撑层和硅衬底，形成六氮五铌微桥悬空结构。
38.实施例
39.为了验证本发明方案的有效性，进行如下实验。
40.本实施例中，确定天线整体半径为100微米，中心馈电中心天线两端间距为6微米，馈电中心天线宽度为3微米，六氮五铌薄膜微桥长和宽尺寸分别为6微米、3微米，将平面等角螺线天线和六氮五铌薄膜集成之后，如图2所示。平面等角螺旋天线为非频变天线，自补结构的天线阻抗为188.5ω，其端口传输特性如图3所示，在0.25thz～3.5thz，反射系数s
11
基本都可以达到-10db。
41.平面等角螺旋天线结构的太赫兹宽频带的探测器的制备方式，工艺步骤如图4所示，包括：
42.(1)选择热导系数较小的sio2作为微桥的支撑层，对硅片进行热氧化处理，表面生成220nm的sio2；
43.(2)双层衬底先后放入丙酮、酒精和去离子水中超声清洗10分钟，使用n2气枪吹净衬底表面，备用；
44.(3)在si和sio2双层衬底上进行磁控溅射，生长120nm六氮五铌热敏薄膜，具体生长步骤与工艺为：
45.a.首先对衬底进行离子铣，去除掉衬底表面的分子级杂质，使薄膜生长均匀，具体离子铣工艺条件如表1所示。
46.表1：离子铣条件
47.气体种类气体流量工作气压离子束流清洗时间ar10sccm300v30ma1min
48.b.将离子铣后的衬底送入主室，通过磁控溅射生长nb5n6薄膜，具体工艺条件如表2所示。
49.表2：磁控溅射生长六氮五铌薄膜条件
[0050][0051]
(4)溅射后取出样品，在样品表面以此旋涂lor10b、az1500光刻胶，使用光刻机曝光4s，显影14s，在去离子水中定影两分钟，具体光刻条件如表3所示。
[0052]
表3：光刻条件
[0053][0054]
(5)光刻显影之后，将样品送入磁控溅射系统进行离子铣，离子铣过程同步骤3(a)，之后溅射生长金薄膜，直流溅射生长金薄膜条件如表4所示。
[0055]
表4：直流溅射金薄膜的工艺条件
[0056]
靶材气体种类气体流量溅射气压溅射功率溅射时间金ar100sccm4mtorr80w100s
[0057]
(6)利用超声剥离金电极和天线。
[0058]
(7)再次进行光刻，首先旋涂az1500并烘干，此次光刻不需要旋涂lor10b，工艺同步骤4，光刻显影后得到六氮五铌微桥图形，然后在反应离子刻蚀机(rie)中进行刻蚀去掉多余的六氮五铌薄膜，具体刻蚀条件如表5所示。
[0059]
表5：反应离子刻蚀六氮五铌微桥的工艺条件
[0060]
被刻蚀材料反应气体气体流量刻蚀压强刻蚀功率刻蚀时间nb5n6sf640sccm4pa100w60s
[0061]
(8)刻蚀形成六氮五铌微桥图形之后，用依次丙酮、酒精、水去除残胶。
[0062]
(9)在样品上旋涂一层az601光刻胶，烘干后进行光刻曝光绘制出刻蚀空气腔的图形，考虑平面等角螺旋天线为圆形且天线部分与空气缝隙部分重合，将刻蚀窗口设计为圆环，如图5所示，所述圆环尺寸为，内半径与微桥间距4微米，外半径为15微米，具体的匀胶光刻显影条件如表6所示。
[0063]
表6：az601匀胶、曝光、显影条件
[0064][0065]
(10)将样品曝光显影后放入rie中进行刻蚀，首先将窗口处的氧化硅层刻蚀掉，然后刻蚀下方的硅衬底，直至将六氮五铌纳米桥下方的硅衬底刻穿，形成空气腔，具体刻蚀参数如表7所示。
[0066]
表7：反应离子刻蚀空气腔的工艺条件
[0067]
被刻蚀材料反应气体气体流量刻蚀压强刻蚀功率刻蚀时间sio2cf4/o230/10sccm4pa150w3minsisf630sccm8pa70w12min
[0068]
(11)刻蚀完成后将样品依次通过丙酮、酒精、水，将残胶去除，后烘干，得到图6所示图形，其中图(a)为光学显微镜下器件整体图形，图(b)为进一步放大后的图形。
[0069]
综上所述，基于本发明工艺制备的平面等角螺旋天线太赫兹探测器，采用平面等角螺旋天线结构，并采用特别的光刻刻蚀圆环的方法悬空薄膜，得到了工艺稳定、实施简单的宽频带太赫兹探测器。
[0070]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0071]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。