CN104931137A - 一种太赫兹谐振腔型等离子芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种太赫兹谐振腔型等离子芯片的制备方法，包括清洗硅基片、镀SiO2层、涂底、前烘、对准曝光和显影、后烘、腐蚀、去除光刻胶涂层、镀金属膜九个步骤，既简化了在硅材料中加工周期结构的加工工艺，更有利于实现批量生产，又解决了传统的交替往复式硅刻蚀工艺，大大提高了结构的光滑平整性。依据此方法制备的太赫兹谐振腔型等离子芯片创造性的在做好结构的硅材料上镀上了一层金属膜，使得整个结构可等效为金属等离子微结构太赫兹芯片，解决了硅材料不能激发太赫兹表面波的难题。

Description

一种太赫兹谐振腔型等离子芯片及其制备方法
技术领域
本发明属于太赫兹波芯片领域，具体涉及一种太赫兹谐振腔型等离子芯片及其制备方法。
背景技术
太赫兹(THz)波是位于微波和远红外线之间的电磁波，在生物医学、安全监测、无损伤探测、天文学、光谱与成像技术以及信息科学等领域有着广泛的应用，因此，研究太赫兹有着重大意义。近年来，随着超快激光技术的发展，使得太赫兹脉冲的产生有了稳定、可靠的激发光源，使得人们能够研究太赫兹波。
表面太赫兹凹槽结构可以传输太赫兹表面波，在太赫兹集成电路及太赫兹芯片传感领域有着重要的应用。但凹槽结构的加工以及太赫兹表面波的激发，仍是阻碍太赫兹波技术发展的难题。2008年，Zhu等人在Optics Express上发表了在金属上加工凹槽结构的方法，由于需要强激光烧蚀，加工难度及成本很高，满足不了产业化要求。之后，Robert Bosch公司利用交替往复式工艺提出一种深硅刻蚀方法，尽管凹槽结构的加工变得相对容易，但由于硅材料是半导体材料，不能激发太赫兹等离子芯片中的表面波传输，同时，这种工艺加工出的硅基槽的光滑度也不能满足传播要求。
发明内容
本发明是为解决上述问题而进行的，通过提供一种太赫兹谐振腔型等离子芯片及其制备方法，既简化了在硅材料中加工周期结构的加工工艺，又解决了硅材料不能激发太赫兹表面波的难题。
本发明采用了如下技术方案：
本发明提供的太赫兹谐振腔型等离子芯片的制备方法，具有这样的特征，包括以下步骤：
步骤一，清洗硅基片
采用超声波依次选用去离子水5～15min、甲醇10～20min、丙酮20～40min、甲醇5～15min、去离子水5～10min进行清洗；
步骤二，镀SiO2层
将步骤一中得到的清洗后的硅基片放置于镀膜机工作架上，进行抽真空处理，抽至真空度小于7×10-4Pa，然后开始镀SiO2膜，镀膜时间为0.5至5小时，得到镀有SiO2层的硅基片；
步骤三，涂底
将步骤二得到的镀有SiO2层的硅基片置于温度为2000～2200℃的烘箱中25～35min，而后取出硅基片放置4～6min，当硅基片的温度与室温相差不大时开始采用正胶对SiO2层表面进行静态滴胶，得到带有光刻胶涂层的硅基片；
步骤四，前烘
将步骤三中的带有光刻胶涂层的硅基片置于温度为90～110℃的烘箱中2～4min；
步骤五，对准、曝光和显影
将带有所需图形的掩膜在步骤四中的硅基片表面上准确定位，曝光70～72s，将所需图形转移到光刻胶涂层上，而后显影1～3min，将感光的正胶去除，在光刻胶涂层上显示出所需图形；
步骤六，后烘
将步骤五中得到的硅基片置于温度为110～130℃的烘箱2～4min，用于增强光刻胶涂层与所述SiO2层间的附着力；
步骤七，腐蚀
利用HF和水的体积比为1:6的HF缓冲液去除步骤六中的硅基片表面暴露的所述SiO2层，完成对硅基片的预处理，再将预处理后的硅基片放置于体积比为KOH：H2O：IPA＝3:6:1的腐蚀液中腐蚀3～10min，腐蚀温度为75～85℃，将所需图形从所述光刻胶涂层上转移至步骤二中的硅基片上；
步骤八，去除光刻胶涂层
将步骤七中的硅基片置于丙酮与无水酒精体积比为2:1的混合溶液里，超声清洗3min，去离子水冲洗后置于浓度为98％硫酸、双氧水、去离子水体积比为2:1:1的溶液中，超声清洗3min，取出后再用去离子水清洗，去除光刻胶涂层；
步骤九，镀金属膜
将步骤八中的硅基片安装于真空蒸镀机中，用真空泵抽真空，使得蒸镀机中的真空度达到1.3×10-2～1.3×10-3Pa，加热坩埚使高纯度的金属丝溶化并蒸发成气态，气态金属微粒在硅片表面沉积、经冷却还原即形成一层连续而光亮的金属层。
本发明提供的太赫兹谐振腔型等离子芯片的制备方法，还可以具有这样的特征：步骤三中，采用正胶AZp4620进行静态滴胶。
本发明提供的太赫兹谐振腔型等离子芯片的制备方法，还可以具有这样的特征：步骤九中，金属膜为金属铝膜，金属铝膜的厚度为200～500nm。
本发明提供的太赫兹谐振腔型等离子芯片的制备方法，还可以具有这样的特征：步骤九中，金属铝在1200～1400℃的温度下溶化蒸发成气态铝。
进一步的，本发明还提供了一种太赫兹谐振腔型等离子芯片，芯片的结构层自上而下依次为：
金属层；SiO2层；以及Si层。其中，芯片上设置有至少一个凹槽，凹槽的槽底位于Si层中，凹槽表面为金属层，凹槽耦合射入金属层的入射光产生表面等离子体激元，构成了芯片的等离子结构层。
本发明提供的太赫兹谐振腔型等离子芯片，还可以具有这样的特征：凹槽的横截面的形状为“C”字形，槽底为“V”字形。
发明作用与效果
本发明提供了一种太赫兹谐振腔型等离子芯片及其制备方法，由于在做好结构的硅材料上镀上了一层金属膜，使得整个结构可等效为金属等离子微结构太赫兹芯片，解决了硅材料不能激发太赫兹表面波的难题，同时由于采用光刻以及湿法刻蚀相结合的方法在硅材料中加工周期结构，既简化了在硅材料中加工周期结构的加工工艺，更有利于实现批量生产，又解决了传统的交替往复式硅刻蚀工艺，大大提高了结构的光滑平整性。
附图说明
图1是本发明的太赫兹谐振腔型等离子芯片的制备方法的流程图；
图2是本发明的太赫兹谐振腔型等离子芯片的剖面图；
图3(a)是本发明的太赫兹谐振腔型等离子芯片的俯视图；
图3(b)是本发明的凹槽的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
图1是本实施例的太赫兹谐振腔型等离子芯片的制备方法的流程图。
以下通过三个实施例对图1进行说明。
实施例一
一种太赫兹谐振腔型等离子芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，清洗硅基片
采用超声波依次选用下列溶剂进行清洗：去离子水5min、甲醇10min、丙酮20min、甲醇5min、去离子水5min，两次；
步骤二，镀SiO2层
将步骤一中得到的清洗后的硅基片放置于镀膜机工作架上，进行抽真空处理，抽至真空度小于7×10-4Pa，然后开始镀SiO2膜，镀膜时间为0.5小时，得到镀有SiO2层的硅基片；
步骤三，涂底
将步骤二得到的镀有SiO2层的硅基片置于温度为2000℃的烘箱中35min，而后取出硅基片放置4min，当硅基片的温度与室温相差不大时开始采用正胶AZp4620对SiO2层表面进行静态滴胶，得到带有光刻胶涂层的硅基片；
步骤四，前烘
将步骤三中的带有光刻胶涂层的硅基片置于温度为90℃的烘箱中4min。促进光刻胶涂层内溶剂充分挥发，使光刻胶涂层干燥，增加其粘附性及耐磨性；
步骤五，对准、曝光和显影
将带有所需图形的掩膜在步骤四中的硅基片表面上准确定位，曝光70s后，将所需图形转移到光刻胶涂层上，而后显影1min，正胶感光区溶解在显影液中，将感光的正胶去除，在光刻胶涂层上显示出所需图形；
步骤六，后烘
将步骤五中得到的硅基片置于温度为110℃的烘箱4min，去除光刻胶涂层中的显影液溶剂，同时增强光刻胶涂层与所述SiO2层间的附着力；
步骤七，腐蚀
利用HF和水的体积比为1:6的HF缓冲液去除步骤六中的硅基片表面暴露的所述SiO2层，完成对硅基片的预处理，再将预处理后的硅基片放置于体积比为KOH：H2O：IPA＝3:6:1的腐蚀液中腐蚀，腐蚀温度为75℃，并在腐蚀过程中进行适量的搅拌，使得所需图形从所述光刻胶涂层上转移至步骤二中的硅基片上；
步骤八，去除光刻胶涂层
将步骤七中的硅基片置于丙酮与无水酒精体积比为2:1的混合溶液里，超声清洗3min，去离子水冲洗后置于浓度为98％硫酸、双氧水、去离子水体积比为2:1:1的溶液中，超声清洗3min，去除光刻胶涂层，取出后再用去离子水清洗，去除硫酸、双氧水、丙酮残留；
步骤九，镀金属铝膜
将步骤八中的硅基片安装于真空蒸镀机中，用真空泵抽真空，使得蒸镀机中的真空度达到1.3×10-2Pa，加热坩埚使高纯度的金属铝丝在1200℃的温度下溶化并蒸发成气态铝，气态金属铝微粒在硅片表面沉积、经冷却还原即形成一层连续而光亮、厚度为200nm的铝层。
实施例二
一种太赫兹谐振腔型等离子芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，清洗硅基片
采用超声波依次选用下列溶剂进行清洗：去离子水10min、甲醇15min、丙酮30min、甲醇10min、去离子水5min，两次；
步骤二，镀SiO2层
将步骤一中得到的清洗后的硅基片放置于镀膜机工作架上，进行抽真空处理，抽至真空度小于7×10-4Pa，然后开始镀SiO2膜，镀膜时间为3小时，得到镀有SiO2层的硅基片；
步骤三，涂底
将步骤二得到的镀有SiO2层的硅基片置于温度为2100℃的烘箱中30min，而后取出硅基片放置5min，当硅基片的温度与室温相差不大时开始采用正胶AZp4620对SiO2层表面进行静态滴胶，得到带有光刻胶涂层的硅基片；
步骤四，前烘
将步骤三中的带有光刻胶涂层的硅基片置于温度为100℃的烘箱中3min；
步骤五，对准、曝光和显影
将带有所需图形的掩膜在步骤四中的硅基片表面上准确定位，曝光71s后，将所需图形转移到光刻胶涂层上，而后显影2min，正胶感光区溶解在显影液中，将感光的正胶去除，在光刻胶涂层上显示出所需图形；
步骤六，后烘
将步骤五中得到的硅基片置于温度为120℃的烘箱3min，去除光刻胶涂层中的显影液溶剂，同时增强光刻胶涂层与所述SiO2层间的附着力；
步骤七，腐蚀
利用HF和水的体积比为1:6的HF缓冲液去除步骤六中的硅基片表面暴露的所述SiO2层，完成对硅基片的预处理，再将预处理后的硅基片放置于体积比为KOH：H2O：IPA＝3:6:1的腐蚀液中腐蚀，腐蚀温度为80℃，将所需图形从所述光刻胶涂层上转移至步骤二中的硅基片上；
步骤八，去除光刻胶涂层
将步骤七中的硅基片置于丙酮与无水酒精体积比为2:1的混合溶液里，超声清洗3min，去离子水冲洗后置于浓度为98％硫酸、双氧水、去离子水体积比为2:1:1的溶液中，超声清洗3min，取出后再用去离子水清洗，去除光刻胶涂层；
步骤九，镀金属铝膜
将步骤八中的硅基片安装于真空蒸镀机中，用真空泵抽真空，使得蒸镀机中的真空度达到6.5×10-3Pa，加热坩埚使高纯度的金属铝丝在1300℃的温度下溶化并蒸发成气态铝，气态金属铝微粒在硅片表面沉积、经冷却还原即形成一层连续而光亮、厚度为350nm的铝层。
实施例三
一种太赫兹谐振腔型等离子芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，清洗硅基片
采用超声波依次选用下列溶剂进行清洗：去离子水15min、甲醇20min、丙酮40min、甲醇15min、去离子水5min，两次；
步骤二，镀SiO2层
将步骤一中得到的清洗后的硅基片放置于镀膜机工作架上，进行抽真空处理，抽至真空度小于7×10-4Pa，然后开始镀SiO2膜，镀膜时间为5小时，得到镀有SiO2层的硅基片；
步骤三，涂底
将步骤二得到的镀有SiO2层的硅基片置于温度为2200℃的烘箱中25min，而后取出硅基片放置6min，当硅基片的温度与室温相差不大时开始采用正胶AZp4620对SiO2层表面进行静态滴胶，得到带有光刻胶涂层的硅基片；
步骤四，前烘
将步骤三中的带有光刻胶涂层的硅基片置于温度为110℃的烘箱中2min；
步骤五，对准、曝光和显影
将带有所需图形的掩膜在步骤四中的硅基片表面上准确定位，曝光72s后，将所需图形转移到光刻胶涂层上，而后显影3min，正胶感光区溶解在显影液中，将感光的正胶去除，在光刻胶涂层上显示出所需图形；
步骤六，后烘
将步骤五中得到的硅基片置于温度为130℃的烘箱2min，去除光刻胶涂层中的显影液溶剂，同时增强光刻胶涂层与所述SiO2层间的附着力；
步骤七，腐蚀
利用HF和水的体积比为1:6的HF缓冲液去除步骤六中的硅基片表面暴露的所述SiO2层，完成对硅基片的预处理，再将预处理后的硅基片放置于体积比为KOH：H2O：IPA＝3:6:1的腐蚀液中腐蚀，腐蚀温度为85℃，将所需图形从所述光刻胶涂层上转移至步骤二中的硅基片上；
步骤八，去除光刻胶涂层
将步骤七中的硅基片置于丙酮与无水酒精体积比为2:1的混合溶液里，超声清洗3min，去离子水冲洗后置于浓度为98％硫酸、双氧水、去离子水体积比为2:1:1的溶液中，超声清洗3min，取出后再用去离子水清洗，去除光刻胶涂层；
步骤九，镀金属铝膜
将步骤八中的硅基片安装于真空蒸镀机中，用真空泵抽真空，使得蒸镀机中的真空度达到1.3×10-3Pa，加热坩埚使高纯度的金属铝丝在1400℃的温度下溶化并蒸发成气态铝，气态金属铝微粒在硅片表面沉积、经冷却还原即形成一层连续而光亮、厚度为500nm的铝层。
实施例四
图2是本实施例的太赫兹谐振腔型等离子芯片的剖面图。
图3(a)是本实施例的太赫兹谐振腔型等离子芯片的俯视图。
图3(b)是本实施例的凹槽的俯视图。
如图2和图3所示，依据实施例1～实施例3的方法制备的太赫兹谐振腔型等离子芯片100的结构自上而下依次为自上而下依次为：金属层1、SiO2层2、以及Si层3。芯片100上设置有至少一个凹槽4，凹槽的槽底位于Si层中3，凹槽表面为金属层1，凹槽耦合射入金属层的入射光产生表面等离子体激元，构成了芯片的等离子结构层。
凹槽的横截面的形状为“C”字形，槽底为“V”字形。
实施例作用与效果
本实施例提供了一种太赫兹谐振腔型等离子芯片及其制备方法，由于在做好结构的硅材料上镀上了一层金属膜，使得整个结构可等效为金属等离子微结构太赫兹芯片，解决了硅材料不能激发太赫兹表面波的难题，同时由于采用光刻以及湿法刻蚀相结合的方法在硅材料中加工周期结构，既简化了在硅材料中加工周期结构的加工工艺，更有利于实现批量生产，又解决了传统的交替往复式硅刻蚀工艺，大大提高了结构的光滑平整性。
另外，C字形凹槽相比于现有技术中的条状凹槽，使得太赫兹波的传输损耗更低，色散更小。

Claims (6)

1.一种太赫兹谐振腔型等离子芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，清洗硅基片
采用超声波依次选用去离子水5～15min、甲醇10～20min、丙酮20～40min、甲醇5～15min、去离子水5～10min进行清洗；
步骤二，镀SiO2层
将所述步骤一中得到的清洗后的所述硅基片放置于镀膜机工作架上，进行抽真空处理，抽至真空度小于7×10-4Pa，然后开始镀SiO2膜，镀膜时间为0.5至5小时，得到镀有SiO2层的硅基片；
步骤三，涂底
将所述步骤二得到的镀有SiO2层的硅基片置于温度为2000～2200℃的烘箱中25～35min，而后取出所述硅基片放置4～6min，当所述硅基片的温度与室温相差不大时开始采用正胶对所述SiO2层表面进行静态滴胶，得到带有光刻胶涂层的硅基片；
步骤四，前烘
将所述步骤三中的带有光刻胶涂层的硅基片置于温度为90～110℃的烘箱中2～4min；
步骤五，对准、曝光和显影
将带有所需图形的掩膜在所述步骤四中的所述硅基片表面上准确定位，曝光70～72s，将所述所需图形转移到所述光刻胶涂层上，而后显影1～3min，将感光的所述正胶去除，在所述光刻胶涂层上显示出所需图形；
步骤六，后烘
将所述步骤五中得到的所述硅基片置于温度为110～130℃的烘箱中2～4min，用于增强所述光刻胶涂层与所述SiO2层间的附着力；
步骤七，腐蚀
利用HF和水的体积比为1:6的HF缓冲液去除所述步骤六中的所述硅基片表面暴露的所述SiO2层，完成对所述硅基片的预处理，再将预处理后的所述硅基片放置于体积比为KOH：H2O：IPA＝3:6:1的腐蚀液中腐蚀，腐蚀温度为75～85℃，将所述所需图形从所述光刻胶涂层上转移至所述步骤二中的硅基片上；
步骤八，去除光刻胶涂层
将所述步骤七中的所述硅基片置于丙酮与无水酒精体积比为2:1的混合溶液里，超声清洗3min，去离子水冲洗后置于浓度为98％硫酸、双氧水、去离子水体积比为2:1:1的溶液中，超声清洗3min，取出后再用去离子水清洗，去除所述光刻胶涂层；
步骤九，镀金属膜
将所述步骤八中的所述硅基片安装于真空蒸镀机中，用真空泵抽真空，使得所述蒸镀机中的真空度达到1.3×10-2～1.3×10-3Pa，加热坩埚使高纯度的金属丝溶化并蒸发成气态，气态金属微粒在硅片表面沉积、经冷却还原即形成一层连续而光亮的金属层。
2.根据权利要求1所述的太赫兹谐振腔型等离子芯片的制备方法，其特征在于：
其中，步骤三中，采用正胶AZp4620进行静态滴胶。
3.根据权利要求1所述的太赫兹谐振腔型等离子芯片的制备方法，其特征在于：
其中，步骤九中，所述金属膜为金属铝膜，所述金属铝膜的厚度为200～500nm。
4.根据权利要求1所述的太赫兹谐振腔型等离子芯片的制备方法，其特征在于：
其中，步骤九中，所述金属铝在1200～1400℃的温度下溶化蒸发成气态铝。
5.一种太赫兹谐振腔型等离子芯片，其特征在于，所述芯片的结构层自上而下依次为：
金属层；
SiO2层；以及
Si层，
其中，所述芯片上设置有至少一个凹槽，所述凹槽的槽底位于所述Si层中，所述凹槽表面为所述金属层，
所述凹槽耦合射入所述金属层的入射光产生表面等离子体激元，构成了所述芯片的等离子结构层。
6.根据权利要求5所述的太赫兹谐振腔型等离子芯片，其特征在于：
其中，所述凹槽的横截面的形状为“C”字形，所述槽底为“V”字形。
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