CN115360496B - 基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法 - Google Patents

基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法，属于微纳米器件技术领域。操作步骤：（1）在硅衬底片上金属辅助化学刻蚀出第一矩形槽、四个十字对准标记槽和第二矩形槽图案；（2）在硅衬底片上金属辅助化学刻蚀出二个以上矩形腔体和四个十字对准凹槽；（3）ICP制作出深度相同的三个以上腔体结构；（4）去除二氧化硅层，得到深度相同、隔壁高度不同的三个以上矩形谐振腔；（5）在矩形谐振腔表面均匀溅射金层，通过键合金层将新硅晶圆片键合在硅衬底片上，得到具有高度差异太赫兹空气腔体的结构件。用于制作滤波器的公差为5～30nm、垂直度为89°～90°、侧壁粗糙度小于10nm，使滤波器中心频带在太赫兹频段减少偏移。

Description

基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法
技术领域
本发明属于微纳米器件技术领域，涉及半导体制造工艺，具体涉及一种基于金属辅助化学刻蚀的深度差异太赫兹滤波器耦合窗口及不同高度波导结构件的制备方法。
背景技术
太赫兹（THz）频率在民用和军事领域有着广泛的应用。对于太赫兹***，矩形波导仍然是实现滤波器、功率分配器和耦合器等无源元件的重要传输介质。矩形波导滤波器总是优于平面传输线滤波器，因为它具有损耗低、高品质因数等优点。不幸的是，波导滤波器的尺寸随着频率的增加而减小。1、传统的刻蚀技术无法加工精度较高的片上太赫兹腔体器件，尽管标准芯片微加工技术可用于制造一些太赫兹滤波器，但精度和制造公差仍然是一个问题。2、另一方面，片上三维腔体器件，通常与用于芯片集成的传统平面硅工艺不兼容。3、传统的芯片加工工艺在实现片上不同深度的结构，通常需要多步光刻、套刻以及刻蚀工艺才能完成。实验过程复杂且难以精准的控制刻蚀图案的位置以及深度。同一芯片上制备高度差异的腔体结构，例如太赫兹滤波器尺寸、高度不同耦合窗口以及梯度型的波导到平面的过渡结构，用传统的干法和湿法刻蚀工艺都难以获得。
发明内容
为了解决太赫兹波段芯片上不同深度腔体结构制备困难的问题，本发明提供一种基于金属辅助化学刻蚀的深度差异太赫兹腔体器件的制备方法。
基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法，采用硅晶圆片作为硅衬底片，操作步骤如下：
（1）制作金属辅助化学刻蚀金属层图案
在硅衬底片1的被加工面上旋涂第一光刻胶层2，进行第一次光刻；利用电子束光刻技术在第一光刻胶层2上光刻出一条以上的第一矩形槽3，并将一条以上的第一矩形槽3外周的四个角上分别光刻出四个十字对准标记槽4；在一条以上的第一矩形槽3内镀金属形成第一镀金属层5，在四个十字对准标记槽4内镀金属形成镀金属十字标记层6；去除第一镀金属层5和镀金属十字标记层6以外的光刻胶层2；
在具有第一镀金属层5和镀金属十字标记层6的硅衬底片1的表面旋涂第二光刻胶层7；光刻并显影出一条以上的第二矩形槽8；使用电子束蒸发设备，在第二矩形槽8内镀金属形成第二镀金属层9，去除第二镀金属层9以外的第二光刻胶层7；
所述一条以上的第一矩形槽3和一条以上的第二矩形槽8为二种以上的尺寸；
（2）金属辅助化学刻蚀
采用金属辅助化学刻蚀方法，常温下对一条以上的第一矩形槽3内的第一镀金属层5和一条以上的第二矩形槽8内的第二镀金属层9进行刻蚀，向下刻蚀到硅衬底片1上，在硅衬底片1上刻蚀出二个以上深度的矩形腔体10、刻蚀出四个相同深度的十字对准凹槽11；采用王水溶液去除残留在矩形腔体10底部和十字对准凹槽11底部的金属；
（3）ICP制作大尺寸腔体结构
在具有二个以上深度的矩形腔体10的硅衬底片1的表面上生长二氧化硅层12，使二氧化硅填平除去四个相同深度的十字对准凹槽11以外的二个以上深度的矩形腔体10，磨平二氧化硅层12；在二氧化硅层12上旋涂液性光刻胶层13；在四个十字对准凹槽11限定的区域内，采用套刻对准曝光技术曝光、显影出相邻矩形腔体10之间和最外两侧矩形腔体10外侧的三个以上的腔体图案层14，并去除腔体图案层14内的液性光刻胶层13和二氧化硅层12；
采用电感耦合等离子体刻蚀向下刻蚀出除三个以上的腔体图案层14内的硅衬底片1上材料，得到深度相同的三个以上的腔体15，保留填平的二个以上深度的矩形腔体10内的二氧化硅层12，去除二氧化硅层12表面的液性光刻胶层13；
（4）去除二氧化硅层
采用氢氟酸去除剩余其他部位的二氧化硅层12，得到深度相同、隔壁高度不同的三个以上的矩形谐振腔16；整个太赫兹腔体结构制作完成；
（5）溅射金属，晶圆键合
在三个以上的矩形谐振腔16的内表面和硅衬底片1的表面均匀溅射金层18；通过键合金层19将新硅晶圆片17键合在具有三个以上的矩形谐振腔16的硅衬底片1的表面上，得到具有高度差异太赫兹空气腔体的结构件。
一种基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的具体制备操作步骤如下：
（1）制作金属辅助化学刻蚀金属层图案
（1.1）第一次曝光、显影、沉积金属层
在硅衬底片1的被加工面上旋涂第一光刻胶层2；采用电子束光刻技术EBL，将第一矩形槽3的图形和外周的四个角上的四个十字对准标记槽4的图形转移到第一光刻胶层2上，遮挡住需要保留的光刻胶部分，曝光、显影需要去除的光刻胶部分，得到一条以上的第一矩形槽3和四个十字对准标记槽4；
使用电子束蒸发设备，在第一矩形槽3内镀四层金属形成第一镀金属层5，同时在四个十字对准标记槽4内镀四层金属形成镀金属十字标记层6；所述第一镀金属层5的材料和镀金属十字标记层6的材料相同，均为由下向上分别为钛层、第一金层、镍层和第二金层；用去胶液N-甲基吡咯烷酮在环境温度50℃条件下去除第一镀金属层5和四个镀金属十字标记层6以外的第一光刻胶层2；
（1.2）第二次曝光、显影、沉积金属层
在硅衬底片1整个表面旋涂第二光刻胶层7；光刻并显影出一条以上的第二矩形槽8；使用电子束蒸发设备，在一条以上的第二矩形槽8内镀两层金属层形成第二镀金属层9，所述两层金属层由下向上为钛层和银层；去除第二镀金属层9以外的第二次光刻胶层7；
（2）金属辅助化学刻蚀
将硅衬底片1金属图案面向上，放入装有刻蚀液的反应腔室内，通过将反应腔室上下两个电磁铁通电流，对硅衬底片1上带有磁性材料的第一镀金属层5和四个镀金属十字标记层6产生一个向下的磁场引导力；常温下对二个以上尺寸的第一矩形槽3和第二矩形槽8内的第一镀金属层5和第二镀金属层9和进行刻蚀，向下刻蚀到硅衬底片1上，在硅衬底片1上刻蚀出二个以上深度的矩形腔体10；四个相同深度的十字对准凹槽11；采用王水溶液去除残留在二个以上深度的矩形腔体10底部和四个相同深度的十字对准凹槽11底部的金属；
（3）ICP制作大尺寸腔体结构
（3.1）生长、抛光二氧化硅层
采用化学气相沉积设备（CVD）在具有二个以上深度的矩形腔体10的硅衬底片1表面上生长二氧化硅层12，使二氧化硅填平二个以上深度的矩形腔体10，有对准标记的地方用硬掩膜遮挡，再用化学机械抛光（CMP）法磨平二氧化硅层12；
（3.2）套刻、对准曝光矩形腔体图案
在二氧化硅层12上旋涂液性光刻胶层13；在四个十字标记凹槽11限定的区域内，采用套刻对准曝光技术曝光大尺寸矩形图案，显影出相邻矩形腔体10之间和最外两侧矩形腔体10外侧的三个以上的腔体图案层14；并去除腔体图案层14内的液性光刻胶层13和二氧化硅层12；
（3.3）ICP刻蚀、去胶
采用电感耦合等离子体刻蚀（ICP）向下刻蚀出除三个以上的腔体图案层14内的硅衬底片1上材料，得到深度相同的三个以上的腔体15；用去胶液AZ400T在环境温度50℃条件下，完全去除硅衬底片1上其它部位的液性光刻胶层13；
（4）去除二氧化硅层
采用氢氟酸去除剩余其他部位的和二氧化硅层12，得到深度相同、隔壁高度不同的三个以上的矩形谐振腔16；整个太赫兹腔体结构制作完成；
（5）溅射金属，晶圆键合
在具有三个以上的矩形谐振腔16的硅衬底片1表面均匀溅射金层18；通过键合金层19将新硅晶圆片17键合在具有三个以上的矩形谐振腔16的硅衬底片1表面上，得到具有高度差异太赫兹空气腔体的结构件。
进一步限定的技术方案如下：
步骤（1）中，所述第一光刻胶层2的材料和第二光刻胶层7的材料均为PMMA光刻胶。
步骤（2）中，所述第二金属层9的材料为由下向上的钛层和银层构成。
步骤（2）中，光刻镀金属层的面积对刻蚀速率的影响，在一定范围内随着镀金属层的面积越大刻蚀速率越小：金属薄膜材料相同，图案厚度相同，不施加磁场情况下，图案半径200nm时，刻蚀速率120nm/min；图案半径400nm时，刻蚀速率160nm/min；图案半径500nm时，刻蚀速率180nm/min；图案半径600nm时，刻蚀速率170nm/min；图案半径800nm时，刻蚀速率140nm/min；图案半径1000nm时，刻蚀速率120nm/min；则在这种情况下刻蚀十分钟，图案半径为500nm时，刻蚀深度为1.8μm，图案半径为800nm时，刻蚀深度为1.4μm，形成高度差异0.4μm的腔体结构。
光刻镀金属层的厚度对刻蚀速率的影响，在一定范围内随着镀金属层的厚度越大刻蚀速率越小：金属薄膜材料相同，图案大小相同，不施加磁场情况下：镀金薄膜厚度为20nm时，刻蚀速率190nm/min；镀金薄膜厚度30nm时，刻蚀速率350nm/min；镀金薄膜厚度40nm时，刻蚀速率220nm/min；镀金薄膜厚度50nm时，刻蚀速率180nm/min；刻蚀时间十分钟，金薄膜厚度为30nm时刻蚀深度为3.5μm，金薄膜厚度为40nm时刻蚀深度为2.2μm，形成高度差异为1.3μm的腔体结构。
所镀金属层的材料不同也会影响刻蚀速率，例如金作为催化剂层的刻蚀效果要好于银。金作为催化剂金属刻蚀速率大于银作为催化剂金属的速率。从而在相同时间，刻蚀的深度不同；金属薄膜图案大小相同，厚度相同，不施加磁场情况下：当金属薄膜材料为金时，刻蚀速率180nm/min；当金属材料为银时：刻蚀速率140nm/min；当金属材料为铂时：刻蚀速率300nm/min；当金属材料为钌时：刻蚀速率500nm/min；刻蚀时间十分钟，金属材料为金层刻蚀深度为3μm，金属材料为银层刻蚀深度为1.2μm，形成高度差异为1.8μm的腔体结构。
在金属辅助化学刻蚀的过程中，通过在刻蚀腔室上下加入电磁铁，形成均匀梯度场，对所镀金属层中的磁性金属材料镍产生一个向下的引导力，从而加快向下刻蚀速率；金属薄膜材料相同，图案大小相同，厚度相同：不施加磁场情况下，刻蚀速率170nm/min；向下施加2T磁场强度，刻蚀速率490nm/min；刻蚀十分钟，未对金属层施加磁场刻蚀深度1.8μm，对金属层图案施加向下磁场刻蚀深度4.9μm，形成高度差异为3.1μm的腔体结构。
通过改变这几种影响刻蚀速率的因素，搭配组合来改变刻蚀速率；获得想要的不同刻蚀速率，从而的到芯片上可控高度差异腔体。
步骤（3）中，所述液性光刻胶层13的材料为AZ5214液性光刻胶。
二个以上深度的矩形腔体10是通过控制刻蚀时间来控制刻蚀的深度，由于硅衬底片1上图案尺寸大小、厚度、种类以及是否施加磁场引导影响刻蚀速率，使得刻蚀结束后得到具有高度差异的腔体结构。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明的创新点在于采用金属辅助化学刻蚀不同深度太赫兹腔体结构。太赫兹腔体对于制作工艺的要求很高。目前制作太赫兹腔体的工艺大多存在加工精度低、加工过程复杂、成本高等一系列问题。片上太赫兹腔体一般会采用ICP-RIE这种干法刻蚀工艺，但这种工艺方法同样会带来一系列问题，例如侧壁垂直度不高、粗糙度高、工艺复杂、设备昂贵。本发明采用金属辅助化学刻蚀方法，本方法制作的腔体精度高、垂直度高、侧壁光滑、高深宽比、工艺简单。本发明方法的精度通常可以达到5～30nm、垂直度在89°～90°、侧壁粗糙度小于10nm、深宽比达到了93:1；传统刻蚀方法精度一般差于2μm、垂直度在80°～85°、侧壁粗糙度大于100nm、深宽比大多在30:1。本发明采用金属辅助刻蚀方法制作高品质因素、低损耗的太赫兹腔体器件。
2.本发明的另一个创新点在于利用了影响金属辅助化学刻蚀速率的一些因素，通过改变催化剂金属的种类、尺寸、厚度以及是否施加磁场引导，来改变刻蚀的速率。同一块芯片上往往需要不同深度的腔体器件，甚至同一器件有时也需要不同深度的腔体结构。对于传统的制作工艺来说，多个不同深度的制作过程十分复杂且成品率低。不同深度的腔体制作意味着需要进行多次光刻，同时要进行多次干法刻蚀。本发明采用金属辅助化学刻蚀工艺，刻蚀不同深度只需要进行一次刻蚀，通过定量控制影响刻蚀速率的因素来精准控制刻蚀的深度，在硅片上形成不同深度的太赫兹腔体件。
3.本发明在金属辅助化学刻蚀形成不同深度腔体结构后，再采用化学气相沉积设备（CVD）在整个衬底片上生长1μm厚的二氧化硅层，有十字对准凹槽的地方用硬掩膜遮挡，再用化学机械抛光（CMP）将二氧化硅层抛光平整。硅片抛光平整，不会影响后续的匀胶和后续的光刻步骤。然后用ICP刻蚀出滤波器其他的尺寸较大的矩形腔体结构，可以将金属辅助化学刻蚀与传统的刻蚀方法结合起来，减少了刻蚀时间、简化了刻蚀过程、提高了刻蚀精度、节约了刻蚀成本。
附图说明
图1为实施例1的矩形腔体滤波器的立体示意图。
图2为本发明使用的硅衬底片立体结构图。
图3为实施例1中步骤（1.1）曝光显影第一矩形槽3、十字对准标记槽4图案的图。
图4为实施例1中步骤（1.1）沉积第一镀金属层5、镀金属十字标记层6的图。
图5为实施例1中步骤（1.2）曝光显影第二矩形槽8图案的图。
图6为实施例1中步骤（1.2）沉积第二镀金属层9，并去除表面光刻胶后的图。
图7为实施例1中步骤（2）立体示意图。
图8为实施例1中步骤（3.1）立体示意图。
图9为实施例1中步骤（3.2）立体示意图。
图10为实施例1中步骤（3.3）立体示意图。
图11为实施例1中步骤（4）立体示意图。
图12为实施例1中步骤（5）立体示意图。
图13为图1中A-A＇剖面处步骤（1.1）曝光显影第一矩形槽3、十字对准标记槽4图案的图。
图14为图1中A-A＇剖面处步骤（1.1）沉积第一镀金属层5、镀金属十字标记层6的图。
图15为图1中A-A＇剖面处步骤（1.2）曝光显影第二矩形槽8的图。
图16为图1中A-A＇剖面处步骤（1.2）沉积第二镀金属层9，并去除表面光刻胶后的图。
图17为图1中A-A＇剖面处步骤（2）操作结束的结构示意图。
图18为图1中A-A＇剖面处步骤（3.1）操作结束的结构示意图。
图19为图1中A-A＇剖面处步骤（3.2）操作结束的结构示意图。
图20为图1中A-A＇剖面处步骤（3.3）操作结束的结构示意图。
图21为图1中A-A＇剖面处步骤（4）操作结束的结构示意图。
图22为图1中A-A＇剖面处步骤（5）溅射金属层的结构示意图。
图23为图1中A-A＇剖面处步骤（5）晶圆键合的结构示意图。
图24为实施例1中腔体滤波器HFSS仿真模型示意图以及腔体滤波器的具体尺寸图。
图25为腔体滤波器HFSS仿真结果图。
图26为第一矩形波导HFSS仿真结果图。
图27为第二矩形波导HFSS仿真结果图。
上图1-图20中序号：硅衬底片1、第一光刻胶层2、第一矩形槽3、十字对准标记槽4、第一镀金属层5、镀金属十字标记层6、第二光刻胶层7、第二矩形槽8、第二镀金属层9、矩形腔体10、十字对准凹槽11、二氧化硅层12、液性光刻胶层13、腔体图案层14、腔体15、矩形谐振腔16、新硅晶圆17、溅射金层18、键合金层19、仿真模型结构20。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1
一种基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹腔体滤波器高度差异耦合窗口的制备操作步骤如下：
参见图1，本实施例制备的太赫兹腔体滤波器的示意图，以剖面A-A＇说明太赫兹腔体滤波器的制备过程。
（1）制作金属辅助化学刻蚀金属层图案
参见图2，取一片四寸P型100硅晶圆，用激光划片机切割成一块面积为1cm×1cm的矩形硅片作为硅衬底片1。先后用丙酮、甲醇、异丙醇溶液进行清洗，然后使用氮***吹干。再用氢氟酸溶液进行清洗硅表面氧化层，并吹干。
（1.1）第一次曝光、显影、沉积金属层
参见图3和图13，金属辅助化学刻蚀对光刻精度的要求比较高。传统的光学光刻机已经达不到要求，所以硅衬底片上1上应用电子束曝光来制作400nm线宽的矩形图案。第一光刻胶层2的材料为PMMA光刻胶，是一种非常适合许多成像和非成像微电子应用程序的聚合物材料。用于电子束工艺曝光，工作的真空度为高真空度5×10-5Pa以下，在硅衬底片1的被加工面上旋涂第一光刻胶层2；采用电子束曝光两条第一矩形槽3，每条第一矩形槽3的尺寸宽度400nm，长度8.37μm；并同时曝光出外周的四个角上的四个十字对准标记槽4的图形转移到第一光刻胶层2上，遮挡住需要保留的第一光刻胶层2部分，曝光、显影需要去除的第一光刻胶层2部分；得到两条第一矩形槽3和四个十字对准标记槽4；
参见图4和图14，使用电子束蒸发设备，工作真空度为高真空度10-3－10-4 Pa，在两条第一矩形槽3内镀四层金属形成第一镀金属层5，同时在四个十字对准标记槽4内镀四层金属形成镀金属十字标记层6。第一镀金属层5的材料和四个镀金属十字标记层6的材料相同为四层金属，从下往上分别为钛层、第一金层、镍层和第二金层；钛（Ti）层厚度为5nm，钛（Ti）为粘附层使硅片和金层更好贴合；第一金层厚30nm，为刻蚀催化剂层；镍层厚度20nm，镍为磁性材料可以被磁场引导，改变刻蚀路径和刻蚀速率；第二金层厚度10nm。用去胶液N-甲基吡咯烷酮在环境温度为50℃条件下完全去除第一镀金属层5和四个镀金属十字标记层6以外的第一光刻胶层2。
（1.2）第二次曝光、显影、沉积金属层
参见图5和图15，在硅衬底片1整个表面旋涂第二光刻胶层7，第二光刻胶层7的材料为PMMA光刻胶。光刻并显影出两条第二矩形槽8，第二矩形槽8尺寸宽度400nm，长度12.19μm。参见图6和图16，使用电子束蒸发设备，在两条第二矩形槽8内镀两层金属层形成第二镀金属层9。所述第二镀金属层9由下向上为钛层和银层；钛（Ti）层厚度为5nm，银层厚度30nm。用去胶液去除第二镀金属层9以外的第二次光刻胶层7。
（2）金属辅助化学刻蚀
参见图7和图17，将硅衬底片1金属图案面向上，放入装有刻蚀液的反应腔室内，刻蚀液由18ml浓度30%的过氧化氢（H2O2）、60ml浓度49%的氢氟酸（HF）和30ml去离子水混合均匀制成。通过将反应腔室上下两个电磁铁通1～9.2A电流产生磁场，对硅衬底片上带有磁性材料的金属产生一个向下的磁场引导力，即对第一镀金属层5和四个镀金属十字标记层6产生一个向下的磁场引导力。常温下对两条第一矩形槽3和两条第二矩形槽8内的第一镀金属层5和第二镀金属层9和进行刻蚀，向下刻蚀到硅衬底片1上。通过控制刻蚀时间来控制刻蚀的深度，由于衬底片上图案尺寸大小不同，四个矩形窗口宽度均为400nm，d1=d4=12.19μm，d2=d3=8.37μm，见图24。在硅衬底片1上刻蚀出四个矩形腔体10，深度分别为h1=h4=7.84μm，h2=h3=13.328μm，见图24。四个相同深度的十字对准凹槽11。采用王水溶液去除残留在二个以上深度的矩形腔体10底部和四个相同深度的十字对准凹槽11底部的金属；
不同因素对刻蚀速率会产生影响，本实施例1的具体因素对刻蚀速度的影响体现如下：本实施例1中四个深度的矩形腔体10，第一镀金属层5刻蚀形成的内侧二个相邻相同深度矩形腔体10深度为 h2=h3=13.328μm，第二镀金属层9刻蚀形成最外两侧矩形腔体10深度为h1=h4=7.84μm，（矩形腔体10有四个矩形槽，二个不同深度）高度差为5.518μm，见图24。将深度为h1和h4采用钛银材料作为催化剂，刻蚀速率为140nm/min；将深度为h2和h3采用钛金镍金材料作为催化剂，同时向下施加1T磁场，刻蚀速率为238nm/min、刻蚀时间56分钟。本实施例1只是给出一种刻蚀方案，通过改变其他影响速率的因素，同时改变几个影响因素精准控制高度差。
（3）ICP-RIE制作大尺寸腔体结构
（3.1）生长、抛光二氧化硅层
参见图8和图18，金属辅助化学刻蚀后由于硅衬底片1上有刻蚀形成的矩形腔体10和十字对准凹槽11，不利于后续的工艺的操作。所以先采用化学气相沉积设备（CVD），工作真空度为高真空度10-3－10-4 Pa，在具有不同深度的矩形腔体10的硅衬底片1上生长1μm厚的二氧化硅层12，有十字对准凹槽11的地方用硬掩膜遮挡，再用化学机械抛光（CMP）法磨平二氧化硅层12。
（3.2）套刻、对准曝光矩形腔体图案
参见图9和图19，在二氧化硅层12上旋涂液性光刻胶层13，液性光刻胶层13的材料为AZ5214液性光刻胶，并匀胶。在四个十字标记凹槽11限定的区域内，采用套刻对准曝光技术曝光大尺寸矩形图案，显影出相邻矩形腔体10之间和最外两侧矩形腔体10外侧的五个腔体图案层14；并用氢氟酸（HF）去除腔体图案层14内的液性光刻胶层13和二氧化硅层12。
（3.3）ICP刻蚀、去胶
参见图10和图20，采用电感耦合等离子体刻蚀（ICP）向下刻蚀出除五个腔体图案层14内的硅衬底片1上材料，得到深度相同的五个腔体15；五个腔体15的高度和宽度相同，具体尺寸如下：h=14.9μm、W=33.5μm，长度L1=L3=33.45μm、L2=34.83μm，见图24。用去胶液AZ400T在环境温度50℃条件下，完全去除硅衬底片1其它部位的液性光刻胶层13。
（4）去除二氧化硅层
参见图11和图21，采用氢氟酸去除剩余其他部位的二氧化硅层12，得到深度相同、隔壁高度不同的五个矩形谐振腔16；整个太赫兹腔体结构制作完成。
（5）溅射金属，晶圆键合
参见图12和图22，在具有五个矩形谐振腔16的硅衬底片1表面均匀溅射金层18，并通过电镀使溅射金层增厚到3μm；通过键合金层19将新硅晶圆片17键合在具有五个矩形谐振腔16的硅衬底片1表面上，得到具有高度差异太赫兹空气腔体的结构件，参见图23。
参见图24，太赫兹耦合窗口高度差异腔体滤波器模型横尺寸，耦合窗口矩形腔体10宽度均为400nm，其中d1=d4=12.19μm、d2=d3=8.37μm、h1=h4=7.84μm、h2=h3=13.328μm；腔体15的高度和宽度相同为h=14.9μm、W=33.5μm，长度L1=L3=33.45μm、L2=34.83μm。目前使用的传统技术制造出的太赫兹矩形波导制造公差大多可控制在2um以内，本发明提出的使用金属辅助化学刻蚀方法制作滤波器公差能控制在纳米级别，能达到5～30nm、垂直度在89°～90°、侧壁粗糙度小于10nm，降低的制造公差能使滤波器中心频带在太赫兹频段减少偏移。
参见图25，太赫兹腔体滤波器的仿真结果，本实施例1太赫兹腔体滤波器的中心频率在9.359THz，通带带宽311GHZ，带内S11优于17.6dB，插损低于0.2dB，阻带衰减超过20dB的带通滤波器。
不同因素对刻蚀速率的影响说明如下：
光刻镀金属层的面积对刻蚀速率的影响，在一定范围内随着镀金属层的面积越大刻蚀速率越小：金属薄膜材料相同，图案厚度相同，不施加磁场情况下，图案半径200nm时，刻蚀速率120nm/min；图案半径400nm时，刻蚀速率160nm/min；图案半径500nm时，刻蚀速率180nm/min；图案半径600nm时，刻蚀速率170nm/min；图案半径800nm时，刻蚀速率140nm/min；图案半径1000nm时，刻蚀速率120nm/min；则在这种情况下刻蚀十分钟，图案半径为500nm时，刻蚀深度为1.8μm，图案半径为800nm时，刻蚀深度为1.4μm，形成高度差异0.4μm的腔体结构。
光刻镀金属层的厚度对刻蚀速率的影响，在一定范围内随着镀金属层的厚度越大刻蚀速率越小：金属薄膜材料相同，图案大小相同，不施加磁场情况下：镀金薄膜厚度为20nm时，刻蚀速率190nm/min；镀金薄膜厚度30nm时，刻蚀速率350nm/min；镀金薄膜厚度40nm时，刻蚀速率220nm/min；镀金薄膜厚度50nm时，刻蚀速率180nm/min；刻蚀时间十分钟，金薄膜厚度为30nm时刻蚀深度为3.5μm，金薄膜厚度为40nm时刻蚀深度为2.2μm，形成高度差异为1.3μm的腔体结构。
所镀金属层的材料不同也会影响刻蚀速率，例如金作为催化剂层的刻蚀效果要好于银。金作为催化剂金属刻蚀速率大于银作为催化剂金属的速率。从而在相同时间，刻蚀的深度不同；金属薄膜图案大小相同，厚度相同，不施加磁场情况下：当金属薄膜材料为金时，刻蚀速率180nm/min；当金属材料为银时：刻蚀速率140nm/min；当金属材料为铂时：刻蚀速率300nm/min；当金属材料为钌时：刻蚀速率500nm/min；刻蚀时间十分钟，金属材料为金层刻蚀深度为3μm，金属材料为银层刻蚀深度为1.2μm，形成高度差异为1.8μm的腔体结构。
在金属辅助化学刻蚀的过程中，通过在刻蚀腔室上下加入电磁铁，形成均匀梯度场，对所镀金属层中的磁性金属材料镍产生一个向下的引导力，从而加快向下刻蚀速率；金属薄膜材料相同，图案大小相同，厚度相同：不施加磁场情况下，刻蚀速率170nm/min；向下施加2T磁场强度，刻蚀速率490nm/min；刻蚀十分钟，未对金属层施加磁场刻蚀深度1.8μm，对金属层图案施加向下磁场刻蚀深度4.9μm，形成高度差异为3.1μm的腔体结构。
通过改变这几种影响刻蚀速率的因素，搭配组合来改变刻蚀速率。获得想要的不同刻蚀速率，从而的到芯片上可控高度差异腔体。
实施例2
基于金属辅助化学刻蚀制作的太赫兹高度差异矩形波导。
第一矩形波导尺寸为长38.7μm，宽33.14μm，高15.75μm，工作频率在7.09-17.18THZ；第二矩形波导的尺寸长宽相同，高9.9μm，工作频率在5.64-20THZ，两个腔体高度差5.81μm.。采用实施例1中的矩形腔体制造方法，在硅片上刻蚀二个不同深度矩形波导腔体，刻蚀时间45分钟采用不同厚度催化剂，第一矩形采用厚度为30nm的金属催化剂，刻蚀速率为350nm/min，第二矩形波导采用40nm金属催化剂，刻蚀速率为220nm/min。刻蚀的深度第一矩形波导为15.75μm，第二矩形波导为9.9μm，高度差5.85μm。波导通过有限元仿真分析对矩形波导进行仿真，仿真结果如图26和图27所示。模型中采用类似于实际情况的硅片内部溅射金属的设置，硅内侧壁设置为有限导体边界，使用Huray模型，小球半径设置为10nm，Sr设置为8π/，采用金作为材料，厚度为3um，硅周围为空气盒子；第一矩形波导在7.09-17.18THZ频段以及第二矩形波导在5.64-20THZ频段的***损耗为0.01dB/mm，而硅微机械加工中使用ICP方法在硅晶圆上制作出的矩形波导侧壁粗糙度高达200～300nm，波导的平均***损耗高达0.6～1dB/mm，在经过氧化步骤减小粗糙度后，仍有100nm左右的侧壁粗糙度，平均***损耗约为0.25dB/mm。

Claims (7)

1. 基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法，采用硅晶圆片作为硅衬底片，其特征在于，操作步骤如下：
（1）制作金属辅助化学刻蚀金属层图案
在硅衬底片（1）的被加工面上旋涂第一光刻胶层（2），进行第一次光刻；利用电子束光刻技术在第一光刻胶层（2）上光刻出一条以上的第一矩形槽（3），并将一条以上的第一矩形槽（3）外周的四个角上分别光刻出四个十字对准标记槽（4）；在一条以上的第一矩形槽（3）内镀金属形成第一镀金属层（5），在四个十字对准标记槽（4）内镀金属形成镀金属十字标记层（6）；去除第一镀金属层（5）和镀金属十字标记层（6）以外的光刻胶层（2）；
在具有第一镀金属层（5）和镀金属十字标记层（6）的硅衬底片（1）的表面旋涂第二光刻胶层（7）；光刻并显影出一条以上的第二矩形槽（8）；使用电子束蒸发设备，在第二矩形槽（8）内镀金属形成第二镀金属层（9），去除第二镀金属层（9）以外的第二光刻胶层（7）；
所述一条以上的第一矩形槽（3）和一条以上的第二矩形槽（8）为二种以上的尺寸；
（2）金属辅助化学刻蚀
采用金属辅助化学刻蚀方法，常温下对一条以上的第一矩形槽（3）内的第一镀金属层（5）和一条以上的第二矩形槽（8）内的第二镀金属层（9）进行刻蚀，向下刻蚀到硅衬底片（1）上，在硅衬底片（1）上刻蚀出二个以上深度的矩形腔体（10）、刻蚀出四个相同深度的十字对准凹槽（11）；采用王水溶液去除残留在矩形腔体（10）底部和十字对准凹槽（11）底部的金属；
（3）ICP制作大尺寸腔体结构
在具有二个以上深度的矩形腔体（10）的硅衬底片（1）的表面上生长二氧化硅层（12），使二氧化硅填平除去四个相同深度的十字对准凹槽（11）以外的二个以上深度的矩形腔体（10），磨平二氧化硅层（12）；在二氧化硅层（12）上旋涂液性光刻胶层（13）；在四个十字对准凹槽（11）限定的区域内，采用套刻对准曝光技术曝光、显影出相邻矩形腔体（10）之间和最外两侧矩形腔体（10）外侧的三个以上的腔体图案层（14），并去除腔体图案层（14）内的液性光刻胶层（13）和二氧化硅层（12）；
采用电感耦合等离子体刻蚀向下刻蚀出除三个以上的腔体图案层（14）内的硅衬底片（1）上材料，得到深度相同的三个以上的腔体（15），保留填平的二个以上深度的矩形腔体（10）内的二氧化硅层（12），去除二氧化硅层（12）表面的液性光刻胶层（13）；
（4）去除二氧化硅层
采用氢氟酸去除剩余其他部位的二氧化硅层（12），得到深度相同、隔壁高度不同的三个以上的矩形谐振腔（16）；整个太赫兹腔体结构制作完成；
（5）溅射金属，晶圆键合
在三个以上的矩形谐振腔（16）的内表面和硅衬底片（1）的表面均匀溅射金层（18）；通过键合金层（19）将新硅晶圆片（17）键合在具有三个以上的矩形谐振腔（16）的硅衬底片（1）的表面上，得到具有高度差异太赫兹空气腔体的结构件。
2. 根据权利要求1所述基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法，其特征在于，具体操作步骤如下：
（1）制作金属辅助化学刻蚀金属层图案
（1.1）第一次曝光、显影、沉积金属层
在硅衬底片（1）的被加工面上旋涂第一光刻胶层（2）；采用电子束光刻技术EBL，将第一矩形槽（3）的图形和外周的四个角上的四个十字对准标记槽（4）的图形转移到第一光刻胶层（2）上，遮挡住需要保留的光刻胶部分，曝光、显影需要去除的光刻胶部分，得到一条以上的第一矩形槽（3）和四个十字对准标记槽（4）；
使用电子束蒸发设备，在第一矩形槽（3）内镀四层金属形成第一镀金属层（5），同时在四个十字对准标记槽（4）内镀四层金属形成镀金属十字标记层（6）；所述第一镀金属层（5）的材料和镀金属十字标记层（6）的材料相同，均为由下向上分别为钛层、第一金层、镍层和第二金层；用去胶液N-甲基吡咯烷酮在环境温度50℃条件下去除第一镀金属层（5）和四个镀金属十字标记层（6）以外的第一光刻胶层（2）；
（1.2）第二次曝光、显影、沉积金属层
在硅衬底片（1）整个表面旋涂第二光刻胶层（7）；光刻并显影出一条以上的第二矩形槽（8）；使用电子束蒸发设备，在一条以上的第二矩形槽（8）内镀两层金属层形成第二镀金属层（9），所述两层金属层由下向上为钛层和银层；去除第二镀金属层（9）以外的第二次光刻胶层（7）；
（2）金属辅助化学刻蚀
将硅衬底片（1）金属图案面向上，放入装有刻蚀液的反应腔室内，通过将反应腔室上下两个电磁铁通电流，对硅衬底片（1）上带有磁性材料的第一镀金属层（5）和四个镀金属十字标记层（6）产生一个向下的磁场引导力；常温下对二个以上尺寸的第一矩形槽（3）和第二矩形槽（8）内的第一镀金属层（5）和第二镀金属层（9）和进行刻蚀，向下刻蚀到硅衬底片（1）上，在硅衬底片（1）上刻蚀出二个以上深度的矩形腔体（10）；四个相同深度的十字对准凹槽（11）；采用王水溶液去除残留在二个以上深度的矩形腔体（10）底部和四个相同深度的十字对准凹槽（11）底部的金属；
（3）ICP制作大尺寸腔体结构
（3.1）生长、抛光二氧化硅层
采用化学气相沉积设备（CVD）在具有二个以上深度的矩形腔体（10）的硅衬底片（1）表面上生长二氧化硅层（12），使二氧化硅填平二个以上深度的矩形腔体（10），有对准标记的地方用硬掩膜遮挡，再用化学机械抛光（CMP）法磨平二氧化硅层（12）；
（3.2）套刻、对准曝光矩形腔体图案
在二氧化硅层（12）上旋涂液性光刻胶层（13）；在四个十字标记凹槽（11）限定的区域内，采用套刻对准曝光技术曝光大尺寸矩形图案，显影出相邻矩形腔体（10）之间和最外两侧矩形腔体（10）外侧的三个以上的腔体图案层（14）；并去除腔体图案层（14）内的液性光刻胶层（13）和二氧化硅层（12）；
（3.3）ICP刻蚀、去胶
采用电感耦合等离子体刻蚀（ICP）向下刻蚀出除三个以上的腔体图案层（14）内的硅衬底片（1）上材料，得到深度相同的三个以上的腔体（15）；用去胶液AZ400T在环境温度50℃条件下，完全去除硅衬底片（1）其它部位的液性光刻胶层（13）；
（4）去除二氧化硅层
采用氢氟酸去除剩余其他部位的和二氧化硅层（12），得到深度相同、隔壁高度不同的三个以上的矩形谐振腔（16）；整个太赫兹腔体结构制作完成；
（5）溅射金属，晶圆键合
在具有三个以上的矩形谐振腔（16）的硅衬底片（1）表面均匀溅射金层（18）；通过键合金层（19）将新硅晶圆片（17）键合在具有三个以上的矩形谐振腔（16）的硅衬底片（1）表面上，得到具有高度差异太赫兹空气腔体的结构件。
3.根据权利要求1所述基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述第一光刻胶层（2）的材料和第二光刻胶层（7）的材料均为PMMA光刻胶。
4.根据权利要求2所述基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述第二金属层（9）的材料为由下向上的钛层和银层构成。
5.根据权利要求1所述基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，光刻镀金属层的面积对刻蚀速率的影响，在一定范围内随着镀金属层的面积越大刻蚀速率越小：金属薄膜材料相同，图案厚度相同，不施加磁场情况下，图案半径200nm时，刻蚀速率120nm/min；图案半径400nm时，刻蚀速率160nm/min；图案半径500nm时，刻蚀速率180nm/min；图案半径600nm时，刻蚀速率170nm/min；图案半径800nm时，刻蚀速率140nm/min；图案半径1000nm时，刻蚀速率120nm/min；则在这种情况下刻蚀十分钟，图案半径为500nm时，刻蚀深度为1.8μm，图案半径为800nm时，刻蚀深度为1.4μm，形成高度差异0.4μm的腔体结构；
光刻镀金属层的厚度对刻蚀速率的影响，在一定范围内随着镀金属层的厚度越大刻蚀速率越小：金属薄膜材料相同，图案大小相同，不施加磁场情况下：镀金薄膜厚度为20nm时，刻蚀速率190nm/min；镀金薄膜厚度30nm时，刻蚀速率350nm/min；镀金薄膜厚度40nm时，刻蚀速率220nm/min；镀金薄膜厚度50nm时，刻蚀速率180nm/min；刻蚀时间十分钟，金薄膜厚度为30nm时刻蚀深度为3.5μm，金薄膜厚度为40nm时刻蚀深度为2.2μm，形成高度差异为1.3μm的腔体结构；
所镀金属层的材料不同也会影响刻蚀速率，金作为催化剂层的刻蚀效果要好于银；金作为催化剂金属刻蚀速率大于银作为催化剂金属的速率；从而在相同时间，刻蚀的深度不同；金属薄膜图案大小相同，厚度相同，不施加磁场情况下：当金属薄膜材料为金时，刻蚀速率180nm/min；当金属材料为银时：刻蚀速率140nm/min；当金属材料为铂时：刻蚀速率300nm/min；当金属材料为钌时：刻蚀速率500nm/min；刻蚀时间十分钟，金属材料为金层刻蚀深度为3μm，金属材料为银层刻蚀深度为1.2μm，形成高度差异为1.8μm的腔体结构；
在金属辅助化学刻蚀的过程中，通过在刻蚀腔室上下加入电磁铁，形成均匀梯度场，对所镀金属层中的磁性金属材料镍产生一个向下的引导力，从而加快向下刻蚀速率；金属薄膜材料相同，图案大小相同，厚度相同：不施加磁场情况下，刻蚀速率170nm/min；向下施加2T磁场强度，刻蚀速率490nm/min；刻蚀十分钟，未对金属层施加磁场刻蚀深度1.8μm，对金属层图案施加向下磁场刻蚀深度4.9μm，形成高度差异为3.1μm的腔体结构。
6.根据权利要求1所述基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述液性光刻胶层（13）的材料为AZ5214液性光刻胶。
7.根据权利要求1所述基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法，其特征在于：二个以上深度的矩形腔体（10）是通过控制刻蚀时间来控制刻蚀的深度，由于硅衬底片（1）上图案尺寸大小、厚度、种类以及是否施加磁场引导影响刻蚀速率，使得刻蚀结束后得到具有高度差异的腔体结构。
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