CN104090322A - 一种集成抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口，属于太赫兹探测技术领域，用于降低背景红外辐射对太赫兹探测的影响。所述抗红外辐射层结构位于太赫兹光学窗口表面，为金属网格结构。利用这种结构可以过滤99％以上的中远红外波段(3～14μm)辐射，并且在1～3THz太赫兹波段的透过率减少不超过10％。

Description

一种集成抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口及制备方法

技术领域

本发明属于太赫兹探测技术领域，具体涉及一种集成抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口。

背景技术

太赫兹(THz)辐射是对一个特定波段的电磁辐射的统称。它在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间。一般所谓的太赫兹波段，其频率范围为0.1～10THz(1THz＝10¹²Hz)。尽管自然世界中从充斥着太赫兹辐射，但是在20世界80年代中期之前，由于缺乏太赫兹波段的高效率的发射源和灵敏的探测器，这一波段的电磁辐射并没有得到深入的研究，也只有极少量的技术和屈指可数的应用。因此该波段被称为电磁波谱中的THz空隙。此波段为电磁波谱中最后一个待全面研究的频率窗口。

常见的THz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(GolayCell)、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，都是通过吸收材料对THz辐射吸收产生的热效应使相应敏感材料的物理性质发生变化而检测出辐射强度。由于红外辐射的热效应比THz辐射更强，故实际应用会极大地受到红外辐射的影响，增加了背景噪声。在THz辐射探测中，其辐射波长的吸收和红外背景噪声的屏蔽过滤作为一项不可避免的任务待为解决。

传统的本征高阻硅作为THz辐射透过材料的选择，因其工艺成熟，成本低廉作为衬底的优良选择；红外屏蔽效果，考虑二氧化硅材料，其对红外波段光谱吸收仅存在与Si-O-Si键的反对称伸缩振动和Si-O键的对称伸缩振动产生吸收峰；此吸收峰为一些窄带峰值叠加形成，不能对整个红外波段进行完全屏蔽，因此，寻找一种在THz波段透过且红外波段屏蔽的材料有着迫切和必要性。

超材料(Metamaterial)，从频率选择表面FSS(FrequencySelectiveSurface)结构发展而来，是一种具有传统材料所不具备的超常物理性质的特种复合材料。1999年J.B.Pendry教授首先理论证实这一效应，2000年D.R.Smith教授从实验上验证超材料结构的非自然效应。自此之后，超材料在可见光到微波波段范围已被广泛研究。通过在材料关键物理尺度上的结构有序设计，突破某些表观自然规律的限制，获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能，从而实现定制化电磁功能的需求。超材料作为新兴电磁材料科学研究领域，是电磁波调制的重要技术手段。

超材料从LC谐振(L为电感，C为电容)和电偶极子谐振原理出发，设计了可以对固定频率附近波长电磁辐射进行吸收的超材料吸收器，其负折射率效应产生相位变化的四分之一玻片结构以及对某波长的调制效应和开关效应等。金属网格结构利

用超材料结构中对电磁场调制功能的谐振和截止效应，可以适应在低频波段进行透过和调制，对高频波段屏蔽和截止过滤，是对THz辐射透过及红外屏蔽的最好选择。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口及制备方法，可以过滤掉99％以上的中远红外波段(3～14μm)辐射，并且在1～3THz太赫兹波段的透过率减少不超过10％。

为实现本发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种集成抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口，其特征在于：太赫兹光学窗口的表面沉积有一层介质薄膜，在介质薄膜上面镀有金属网格结构。

本发明通过在太赫兹光学窗口的表面通过PECVD沉积介质薄膜，光刻、溅射的方法制作金属网格结构，可以过滤掉99％以上的中远红外波段辐射，并且在1～3THz太赫兹波段的透过率减少不超过10％。

所述的太赫兹窗口可以是锗、高阻硅、石英晶体、甲基戊乙烯聚合物或聚乙烯等窗口材料，窗口材料表面的介质薄膜为氮化硅、氧化硅等介电材料，介质薄膜上面镀的金属为金、铜、铁、铝、镍、铬或其合金。集成抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口结构示意图如图1所示。

进一步地，所述太赫兹光学窗口为优选为高阻硅片，介质薄膜材料优选为氮化硅，所述表面的为金属网格结构为正方形，材料为铝，其一种结构如图1中(1)所示。

进一步地，氮化硅厚度为100～300nm，正方形金属铝网格结构厚度为50～150nm，边长为3～8μm，排列周期为4～9μm。

优选地，氮化硅厚度为200nm，正方形金属铝网格结构厚度为100nm，边长为5.5μm，排列周期为6.5μm。

进一步地，所述制备金属网格结构的方法为：采用磁控溅射技术；靶材为铝靶，本底真空为4×10^-4Pa，溅射真空为2.4×10^-1Pa，硅衬底温度为120℃，溅射功率为76W，溅射时间为6min。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的方法制备的这种结构可以99％屏蔽中远红外辐射，如图3所示，此结构能消除红外辐射对太赫兹探测的干扰，并且在1～3THz太赫兹波段的透过率减少不超过10％，如图4所示。独立的金属屏蔽层和氮化硅结构在1～3THz下的透过率超过80％，如图2所示。

采用普通光刻制作金属层时，金属边缘会发生很明显的过腐现象，本发明采用剥离法制作的金属铝网格，边缘非常整齐。

本发明采用金属网格结构屏蔽掉红外辐射的影响，用于太赫兹阵列成像***的窗口。和普通的高纯硅窗口相比增加的氮化硅和金属网格，使用传统的PECVD气相沉积和光刻工艺就能完成，制备工艺简单，结构重复度高，适合大规模生产。本发明所开发的金属网格结构的制备方法在太赫兹成像器件上将会有着广泛的应用。

附图说明

图1为窗口上面的抗红外辐射层结构示意图，灰色部分为金属；其中(1)为金属网格结构，(2)为介质薄膜，(3)为光学窗口衬底

图2为抗红外辐射层在太赫兹波段的透过率；

图3为抗红外辐射层在红外波段的透过率；

图4为具有抗红外辐射层的太赫兹光学窗口在太赫兹波段的透过率。

具体实施方式

一种集成抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口，所述太赫兹光学窗口的表面沉积有一层可以使氧化硅、氮化硅等的介质薄膜，介质薄膜上面镀有抗红外辐射正方形网格结构金属层。太赫兹窗口可以是锗、高阻硅、石英晶体、甲基戊乙烯聚合物或聚乙烯等制成的太赫兹窗口。窗口材料表面镀有周期性排列的金、铜、铁、铝、镍、铬或其合金等金属的正方形网格结构。

氮化硅厚度为100～300nm，正方形金属铝网格结构厚度为50～150nm，边长为3～8μm，排列周期为4～9μm。

优选地，氮化硅厚度为200nm，正方形金属铝网格结构厚度为100nm，边长为5.5μm，排列周期为6.5μm。

进一步地，所述制备金属网格结构的方法为：采用磁控溅射技术；靶材为铝靶，本底真空为4×10^-4Pa，溅射真空为2.4×10^-1Pa，硅衬底温度为120℃，溅射功率为76W，溅射时间为6min。

下面以高阻硅片作为太赫兹光学窗口来详细说明如何制备具有抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口。

步骤一，硅片处理：使用丙酮对双面抛光的硅片进行超声波清洗，然后用乙醇浸泡，之后用去离子水冲洗干净，接着用氢氟酸清洗硅片，再用大量去离子水冲洗，氮气吹干，放入烘箱中烘干，然后冷却至室温；

步骤二，气相沉积氮化硅：采用PECVD的方法在高阻硅片选定的表面沉积氮化硅层，氮化硅层的厚度在200nm左右；

步骤三，采用旋涂法对表面涂覆AZ5214型反转胶；旋涂转速为1000r/min，5s然后3000r/min，40s，涂胶厚度1300nm左右。

步骤四，前烘，对涂胶后的硅片进行烘烤，烘烤温度设定为100℃，烘烤时间设定为70s。

步骤五，第一次曝光，采用非接触式曝光的方法对光刻胶层进行曝光，使得掩膜版上的图形转移到光刻胶上，第一次曝光的曝光时间是2.9s。

步骤六，后烘，对第一次曝光后的硅片进行烘烤，烘烤温度设定为120℃，烘烤时间为90s。

步骤七，第二次曝光，采用非接触式曝光的方法对光刻胶层进行泛曝光，使得光刻胶上的图形发生反转，第二次的曝光时间是40s。

步骤八，显影，采用RZX-308号显影胶对曝光好的硅片进行显影，显影温度为25℃，显影时间为40s，显影后使用大量去离子水反复冲洗

步骤九，采用溅射镀膜机，本底真空为4×10^-4Pa，溅射真空为2.4×10^-1Pa，硅衬底温度为120℃，溅射功率为76W，溅射时间为6min，然后冷却硅片至室温。

步骤十，溅射完成的硅片使用丙酮超声清洗，去除掉残留的光刻胶之后使用乙醇浸泡，然后用大量去离子水冲洗干净在烘箱内烘干。

Claims (8)

1.一种具有抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口，其特征在于：所述太赫兹光学窗口衬底(3)的表面沉积有一层介质薄膜(2)，介质薄膜表面制作有抗红外辐射结构。

2.根据权利要求1所述的一种具有抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口，其特征在于：所述太赫兹光学窗口的介质薄膜上面镀有周期性排列的用来屏蔽中远红外辐射的金属网格结构(1)。

3.根据权利要求1所述的一种具有抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口，其特征在于：所述的太赫兹光学窗口衬底为锗、高阻硅、石英晶体、甲基戊乙烯聚合物或聚乙烯等窗口材料，窗口材料表面的介质薄膜为氮化硅或氧化硅等介电材料，介质薄膜上面镀的金属为金、铜、铁、铝、镍或铬及其合金。

4.根据权利要求3所述的一种具有抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口，其特征在于：所述太赫兹光学窗口为为高阻硅片，介质薄膜材料为氮化硅，所述金属网格结构为正方形，材料为铝。

5.根据权利1所述的一种具有抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口，其特征在于：窗口材料为双面抛光，介质薄膜制作在窗口入射表面或出射表面。

6.根据权利1所述的一种具有抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口，其特征在于：介质薄膜的厚度是100～300nm，金属铝网格结构厚度为50～150nm，金属网格结构的长度和宽度为3～8μm。

7.根据权利2所述的一种具有抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口，其特征在于：周期性排列的金属网格结构在中远红外波段(3～14μm)透过率为不超过1％，相对于单纯衬底在1～3THz太赫兹波段的透过率减少不超过10％。

8.一种具有抗红外辐射结构的太赫兹光学窗口的制备方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一，硅片处理：使用丙酮对双面抛光的硅片进行超声波清洗，然后用乙醇浸泡，之后用去离子水冲洗干净，接着用氢氟酸清洗硅片，再用大量去离子水冲洗，氮气吹干，放入烘箱中烘干，然后冷却至室温；

步骤二，气相沉积氮化硅：采用PECVD的方法在高阻硅片选定的表面沉积氮化硅层，氮化硅层的厚度在200nm左右；

步骤三，采用旋涂法对表面涂覆AZ5214型反转胶；旋涂转速为1000r/min，5s然后3000r/min，40s，涂胶厚度1300nm左右；

步骤四，前烘，对涂胶后的硅片进行烘烤，烘烤温度设定为100℃，烘烤时间设定为70s；

步骤五，第一次曝光，采用非接触式曝光的方法对光刻胶层进行曝光，使得掩膜版上的图形转移到光刻胶上，第一次曝光的曝光时间是2.9s；

步骤六，后烘，对第一次曝光后的硅片进行烘烤，烘烤温度设定为120℃，烘烤时间为90s；

步骤七，第二次曝光，采用非接触式曝光的方法对光刻胶层进行泛曝光，使得光刻胶上的图形发生反转，第二次的曝光时间是40s；

步骤八，显影，采用RZX-308号显影胶对曝光好的硅片进行显影，显影温度为25℃，显影时间为40s，显影后使用大量去离子水反复冲洗；

步骤九，采用溅射镀膜机，本底真空为4×10^-4Pa，溅射真空为2.4×10^-1Pa，硅衬底温度为120℃，溅射功率为76W，溅射时间为6min，然后冷却硅片至室温；

步骤十，溅射完成的硅片使用丙酮超声清洗，去除掉残留的光刻胶之后使用乙醇浸泡，然后用大量去离子水冲洗干净在烘箱内烘干。