一種柔性太赫茲超材料吸波器及其製作方法與流程
2023-08-11 00:41:36 7
本發明屬於太赫茲技術領域，涉及一種柔性太赫茲超材料吸波器及其製作方法。
背景技術：
太赫茲波(THz)，通常指頻率為0.1-10THz的電磁波，具有一些獨特的物理特性，如高透性，所以可以應用在安檢或質檢過程中的無損檢測領域；低能性，不會導致光致電離而破壞被檢物質，非常適用於針對人體或其他生物樣品的活體檢查等領域；指紋譜性，故太赫茲光譜成像技術能夠分辨物體的形貌，鑑別物體的組分，分析物體的物理化學性質。正是由於太赫茲波獨特的優點，逐漸成為國際研究熱點，世界各國對太赫茲基礎及應用成果都給予了極大的關注。
由於難以在自然界尋找到有效的太赫茲響應材料，一種具有天然材料所不具備的超常電磁響應性質的人工複合結構，即電磁超材料(Metamaterial，簡稱超材料)，越來越引起學術界與工業界的廣泛注意(參見R.M.Walser,「Electromagnetic matematerials」,Proc.SPIE,2001,4467,1-15文獻)。利用超材料，可以實現完美透鏡、隱身鬥篷、電磁波完美吸收器、完美濾波器等特殊器件(參見Zheludev N I,「The road ahead for metamaterials」,Science,2010,328(5978),582-583文獻)。
遺憾的是，傳統的超材料一旦製備完成，僅能對特定波長的THz產生響應(參見Tao H,Bingham C M,Strikwerda A C,et al.,「Highly flexible wide angle of incidence terahertz metamaterial absorber:design,fabrication,and characterization」,Phys.Rev.B 2008,78(24),241103文獻)。如果希望對不同的頻率的太赫茲波產生吸收，則需要重新設計、製備。而且，太赫茲超材料的製備通常是通過傳統的光刻等步驟，工藝參數隨著光刻圖形的改變而存在差別。相關的超材料重新設計及製備過程比較繁瑣。因此，本領域亟待開發製備更為簡單而且可調控的太赫茲超材料吸波器。
技術實現要素：
本發明的目的之一提供一種柔性太赫茲超材料吸波器，能夠對太赫茲響應特性進行調節。
本發明的目的之二提供一種柔性太赫茲超材料吸波器的製作方法，製作方法簡單，且可重複利用材料。
為了實現上述目的，本發明採用的技術方案為：
一種柔性太赫茲超材料吸波器，所述吸波器由上至下依次包括一層圖形化的金屬薄膜、一層柔性介質薄膜和一層連續的金屬薄膜；所述圖形化的金屬薄膜的金屬圖形呈現為太赫茲響應圖形。
所述圖形化的金屬薄膜的金屬圖形不受特別限制，可以是業內所知的太赫茲響應圖形中的一種，比如方型、圓型和橢圓型中的一種或幾種混合形狀的周期性結構圖形。
所述金屬薄膜不受特別限制，比如鋁(Al)、金(Au)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiNx)、矽化鈦(TiSix)、鈦鎢合金(TiWx)、鎢(W)、矽化鎢(WSix)、氮化鎢(WNx)、鎳(Ni)、矽化鎳(NiSix)、氮化鎳(NiNx)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaNx)、鐵(Fe)、鉑(Pt)、銅(Cu)、銀(Ag)、鉻(Cr)和鎳鉻合金(NiCr)中的一種或幾種的複合物，金屬薄膜的厚度為5-4000nm。
所述柔性介質薄膜不受特別限制，比如聚醯亞胺(PI)薄膜、聚乙烯(PE)薄膜、聚丙烯(PP)薄膜、聚苯乙烯(PS)薄膜、苯並環丁烯(BCB)薄膜、派瑞林(Parylene)薄膜、氮化矽(SiNx)薄膜、非晶矽(α-Si)薄膜、氮氧化矽(SiNxOy)薄膜、氧化鋁(AlOx)薄膜、氧化鉻(CrOx)薄膜和氧化鉻鋁(CrxAlyO)中的一種或幾種的複合物，柔性介質薄膜的厚度為1-100μm，介電常數為1-12。
本發明能夠通過外力彎曲的形式對所述吸波器的太赫茲響應特性進行調節：當在外力作用下吸波器向底層金屬方向彎曲、形成凹面時，相對未受外力作用時吸波器的響應頻率發生紅移，而且彎曲程度越大，則紅移越明顯；當在外力作用下吸波器向表層金屬方向彎曲、形成凸面時，相對未受外力作用時吸波器的響應頻率發生藍移，而且彎曲程度越大，則藍移越明顯。
上述柔性太赫茲超材料吸波器的製作方法：在柔性介質薄膜的一個表面沉積一層連續的金屬薄膜；將圖形化的遮掩薄膜覆蓋在柔性介質薄膜的另一個表面上，然後在表面沉積另一層金屬薄膜，再將遮掩薄膜與柔性介質薄膜分開，在柔性介質薄膜的另一個表面上得到具有與遮掩薄膜互補圖案的圖形化的金屬薄膜，即得到所述柔性太赫茲超材料吸波器。
作為本發明的優選方案，所述製作方法包括以下具體步驟：
(1)清洗雙面拋光的襯底，並乾燥處理；
(2)在襯底的一面沉積一層或多層的非晶介質薄膜；
(3)在非晶介質薄膜的表面旋塗一層光刻膠，並烘烤；
(4)對光刻膠曝光，顯影后，得到光刻膠的周期性結構圖形；
(5)採用反應離子刻蝕非晶介質薄膜並去除剩餘光刻膠，得到非晶介質薄膜的具有方型、圓型和橢圓型中的一種或幾種混合形狀的周期性結構圖形；
(6)對襯底的另一面重複步驟(2)-(3)；
(7)對光刻膠曝光，顯影后，得到光刻膠的開窗結構圖形；
(8)採用反應離子刻蝕非晶介質薄膜並去除剩餘光刻膠，得到非晶介質薄膜的開窗結構圖形；
(9)採用刻蝕方法，將步驟(8)得到的開窗結構圖形裸露的襯底進行刻蝕，得到具有周期性結構圖形的非晶介質薄膜，即圖形化的遮掩薄膜；
(10)清洗柔性介質薄膜，並乾燥處理；
(11)在柔性介質薄膜的一個表面沉積一層連續的金屬薄膜；
(12)將步驟(9)製備的圖形化的遮掩薄膜覆蓋在柔性介質薄膜的另一個表面上，然後在表面沉積另一層金屬薄膜；
(13)將遮掩薄膜與柔性介質薄膜分開，在柔性介質薄膜的另一個表面上得到具有與遮掩薄膜互補圖案的圖形化的金屬薄膜，即得到所述柔性太赫茲超材料吸波器。
作為上述製作方法的優選方案：
所述襯底為單晶矽襯底；當步驟(9)採用幹法刻蝕時，所述襯底為矽(100)、矽(111)和矽(110)中的一種單晶矽襯底；當步驟(9)採用溼法刻蝕時，所述襯底為矽(100)單晶矽襯底，使用的腐蝕液為濃度為1wt.％–60wt.％的KOH水溶液，採用水浴、油浴或空氣浴控制溼法刻蝕的反應溫度，反應溫度範圍為30-120℃，溼法刻蝕的時間為0.5-20h。
所述非晶介質薄膜為氮化矽薄膜、氧化矽薄膜和氮氧化矽薄膜中的一種或幾種的複合膜，其厚度為10nm-10μm；所述步驟(2)中，沉積非晶介質薄膜的方法為等離子體增強化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積、常壓化學氣相沉積、電子束蒸發、真空熱蒸發和磁控濺射系統中的一種；當採用等離子體增強化學氣相沉積時，其工作頻率為高頻、低頻或高頻與低頻交替混合使用。
所述步驟(5)與(8)中，反應離子刻蝕採用的反應氣體為CF4、CHF3、C3F8、SF6和NF3中的一種或幾種。
所述步驟(5)與(8)中，去除剩餘光刻膠的方法為：採用丙酮、丁酮、甲醇和乙醇中的一種或幾種試劑作為除膠劑，通過超聲，除去剩餘的光刻膠。
所述步驟(11)與(12)中，沉積金屬薄膜的方法為電子束蒸發、真空熱蒸發、磁控濺射和金屬有機物化學氣相沉積中的一種。
本發明的有益效果在於：
1、本發明的柔性太赫茲超材料吸波器具有柔性、可伸縮的特點，能夠通過施加外力發生彎曲，由此改變超材料參數，因此可以很方便地調節其太赫茲響應性能。
2、本發明的製作方法簡單，且所製成的遮掩薄膜可多次重複利用，減少了光刻次數，降低了成本，還使後續製備更為簡單。
附圖說明
圖1為柔性太赫茲超材料吸波器的示意圖；
圖2為柔性太赫茲超材料吸波器的實物圖；
圖3為柔性太赫茲超材料吸波器的製作工藝流程圖；
圖4為遮掩薄膜的實物照片；
圖5為柔性太赫茲超材料吸波器的太赫茲響應測試結果。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
圖1為本實施例的柔性太赫茲超材料吸波器的示意圖；圖2為本實施例的柔性太赫茲超材料吸波器的實物圖，a為光學顯微鏡照片，b為彎曲時照片；如圖所示，所述吸波器由上至下依次包括一層圖形化的金屬薄膜1、一層柔性介質薄膜2和一層連續的金屬薄膜3；所述圖形化的金屬薄膜的金屬圖形呈現為方型的周期性結構圖形，P為方塊單元周期邊長72μm，a為方型邊長52μm。
如圖3所示，本實施例的柔性太赫茲超材料吸波器的製作方法，包括以下具體步驟：
(1)清洗雙面拋光的矽(100)單晶矽襯底，並乾燥處理；
本步驟中，清洗過程為：先將襯底放入丙酮溶液中超聲清洗10min；取出襯底，然後放入無水乙醇中超聲清洗10min；取出襯底，再用去離子水衝洗4次，直至清洗乾淨，最後用氮氣將襯底吹乾；
(2)採用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)，在襯底的一面沉積一層非晶SiNx介質薄膜(如圖3中a所示)；
本步驟中，採用PECVD沉積SiNx薄膜的工藝條件為：射頻工作頻率為高頻13.56MHz、低頻380KHz，二者交替使用；反應氣體為SiH4和NH3，通氣流量比率SiH4:NH3＝1:5；沉積溫度為250℃；非晶SiNx薄膜的沉積厚度為1μm；
(3)在非晶SiNx介質薄膜的表面旋塗一層光刻膠，並烘烤；
本步驟中，先將樣品放置在烘箱中120℃烘烤20min，去除表面的水分；然後，旋塗光刻膠，並放置在熱板上100℃烘烤3min；
(4)對光刻膠曝光，顯影后，得到光刻膠的方型的周期性結構圖形(如圖3中b所示)；
本步驟中，採用紫外光刻技術對光刻膠曝光，顯影后得到光刻膠的方型的周期性結構圖形；
(5)採用反應離子刻蝕非晶SiNx介質薄膜並去除剩餘光刻膠，得到非晶SiNx介質薄膜的方型的周期性結構圖形(如圖3中c所示)；
本步驟中，反應離子刻蝕SiNx薄膜的工藝條件為：刻蝕反應氣體為CHF3，氣體流量為20sccm，刻蝕速率為60nm/min，刻蝕時間為20min；過刻20％，使得結構圖形裸露的SiNx薄膜完全被刻蝕，直至襯底表面；將刻蝕好的結構在丙酮中進行超聲，除去剩餘的光刻膠；
(6)對襯底的另一面重複步驟(2)-(3)(如圖3中d所示)；
(7)對光刻膠曝光，顯影后，得到光刻膠的開窗結構圖形(如圖3中e所示)；
本步驟中，採用紫外光刻技術對光刻膠曝光，顯影后得到光刻膠的開窗結構圖形；
(8)採用反應離子刻蝕非晶SiNx介質薄膜並去除剩餘光刻膠，得到非晶SiNx介質薄膜的開窗結構圖形(如圖3中f所示)；
(9)採用溼法刻蝕方法，將步驟(8)得到的開窗結構圖形裸露的襯底進行刻蝕，得到具有周期性結構圖形的非晶SiNx介質薄膜，即圖形化的遮掩薄膜(如圖3中g所示，實物如圖4所示)；
在溼法刻蝕中，開窗結構圖形中部裸露的襯底被刻蝕掉，開窗結構圖形邊緣未刻蝕的SiNx薄膜將阻止襯底被刻蝕；未被刻蝕的襯底作為框架結構，便於後續步驟對吸波器進行操作；
溼法刻蝕的工藝條件為：腐蝕液為33.3wt.％KOH水溶液，刻蝕反應溫度為75℃；採用水浴或油浴控制反應溫度，刻蝕時間6h左右，直至襯底刻蝕完全，最後留下SiNx薄膜及矽框架；
(10)清洗柔性介質薄膜，並乾燥處理；
本步驟中，清洗過程為：先將柔性介質薄膜放入丙酮溶液中超聲清洗10min；取出柔性介質薄膜，然後放入無水乙醇中超聲清洗10min；取出柔性介質薄膜，再用去離子水衝洗2次，直至清洗乾淨，柔性介質薄膜最後在通風乾燥箱中烘乾；
(11)採用磁控濺射，在柔性介質薄膜的一個表面沉積厚度為200nm的一層連續的Al金屬薄膜(如圖3中h和i所示)；
(12)將步驟(9)製備的圖形化的遮掩薄膜覆蓋在柔性介質薄膜的另一個表面上，然後採用磁控濺射在表面沉積厚度為200nm的另一層Al金屬薄膜(如圖3中j和k所示)；
(13)將遮掩薄膜與柔性介質薄膜分開，在柔性介質薄膜的另一個表面上得到具有與遮掩薄膜互補圖案的圖形化的Al金屬薄膜，即得到所述柔性太赫茲超材料吸波器(如圖3中l所示)。
經如下分析，可證明本實施例的柔性太赫茲超材料吸波器通過施加外力彎曲，從而調節太赫茲吸收頻段，是性能優良的太赫茲濾波吸波器。
使用PerkinElmer公司的Spectrum400傅立葉紅外光譜儀的遠紅外組件，對實施例製作的柔性太赫茲超材料吸波器進行吸收性能測試。
圖5的實際測試結果顯示，未受外力作用時，此時曲率半徑為無窮大，所測得的吸波器的中心響應頻率為4.80THz，圖5所示「R＝∞」曲線；施加外力使吸波器向底層金屬方向彎曲、形成凹面，且曲率半徑為2.5cm時，所測得吸波器的中心響應頻率為4.63THz，圖5所示「Rin1＝2.5」曲線；同一方向增大施加外力，使吸波器向底層金屬方向彎曲、形成凹面，且曲率半徑為1.0cm時，所測得吸波器的中心相應頻率為4.57THz，圖5所示「Rin2＝1.0」曲線；繼續在同一方向增大施加外力，使吸波器向底層金屬方向彎曲、形成凹面，且曲率半徑為0.8cm時，所測得吸波器的中心響應頻率為4.45THz，圖5所示「Rin3＝0.8」曲線。
另一方面，如果施加外力，使吸波器向表層金屬方向彎曲、形成凸面，且曲率半徑為2.5cm時，所測得吸波器的中心響應頻率為4.80THz，圖5所示「Rout1＝2.5」曲線；同一方向增大施加外力，使吸波器向表層金屬方向彎曲、形成凸面，且曲率半徑為1.0cm時，所測得吸波器的中心響應頻率為4.92THz，圖5所示「Rout2＝1.0」曲線；繼續增大施加外力，使吸波器向表層金屬方向彎曲、形成凸面，且曲率半徑為0.8cm時，所測得超吸波器的中心響應頻率為5.26THz，圖5所示「Rout3＝0.8」曲線。
圖5結果表明，當外力作用使吸波器向底層金屬方向彎曲、形成凹面時，相對未受外力作用時吸波器的響應頻率發生紅移，而且彎曲程度越大，則紅移越明顯；當外力作用使吸波器向表層金屬方向彎曲、形成凸面時，相對未受外力作用時吸波器的響應頻率發生藍移，而且彎曲程度越大，則藍移越明顯。
最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管通過參照本發明的優選實施例已經對本發明進行了描述，但本領域的普通技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離所附權利要求書所限定的本發明的精神和範圍。