带人工磁导体结构的高增益太赫兹天线制造技术

带人工磁导体结构的太赫兹天线，利用CMOS工艺后端的多层金属工艺制造人工磁导体结构；天线具有六层金属，从最底到最上层分别为M1～M6层；使用M6制作天线，并通过通孔连接到由MOSEFTs器件构成的太赫兹传感器上；使用M1和M2制作人工磁导体底板来代替原有的光滑底板；底板M1为金属平板，M2金属层制备成周期性金属结构，M2层为正方形周期性金属块结构，正方形金属块边长L为5-8μm，正方形金属块周期间隔约为43-45μm，正方形金属块中心通过中心柱与底板相连，中心柱的尺寸是正方形金属块边长的1/10-1/5；M2金属层制备成周期性金属结构和M1平板之间组成一个等效的LC振荡电路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太赫兹电学天线领域，也包含了人工磁导体结构的太赫兹天线。相关 内容。同时涉及了如何在现有的集成电路工艺的基础上，利用接地板上的微结构提高太赫 兹电学天线的方向性增益。
技术介绍
太赫兹探测器是太赫兹技术的重点研究方向。利用集成电路制造技术，开发低成 本的微小太赫兹探测器件是未来实现太赫兹技术实用化的重要途径。使用集成电路工艺制 作的CMOS太赫兹探测器包括CMOS传感器，太赫兹天线两个主要模块和一个接收放大电路 辅助模块。目前报道的基于集成电路工艺的太赫兹电波天线主要利用集成电路工艺中后端 材料Al，Cu等金属材料制备，形状包括蝴蝶结型，领结状和偶极子型等。图1为标准集 成电路工艺制备的的领结型太赫兹天线示意图，其中（a)为顶视图，（b)为侧视图。该结构 是在半导体娃衬底105上利用底层（第一层）A1金属作为天线底板（groundplane) 102,顶 层金属作为领结状天线101，金属层之间填充二氧化硅绝缘材料104,天线101经过通孔与 MOSFETs组成的CMOS传感器103连接。 合理的天线结构和几何参数设计可以获得高增益，低噪声的太赫兹天线，但在标 准集成电路工艺制备的太赫兹天线中，太赫兹波在平滑的底板金属表面形成表面波，太赫 兹波的能量有一部分通过这种表面波形式在底板边缘处辐射至空间中并流失，使得天线的 辐射效率大大降低；另一方面，由于后端工艺中底层金属与顶层金属之间的间距小于1/4 太赫兹波长，底板中存在较大的镜像电流，进一步降低了天线的传输效率。因此，采用传 统结构获得高增益太赫兹天线十分困难。在不增加加工成本的基础上，寻找新的天线结构 和集成方法获得高增益的太赫兹天线，进而改善太赫兹探测器的性能是目前该领域面临的 最大技术问题。 参考文献： Richard A1 Hadi, Hani Sherry, Janusz Grzyb, Yan Zhao, WolfgangForster, Hans M. Keller, Andreia Cathelin, Andreas Kaiser and Ullrich R. Pfeiffer, "A 1 k-Pixel Video Camera for 0.7 - 1.1 Terahertz Imaging Applications in 65-nm CMOS"， IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, vol. 47, no. 12, pp. 2999-3012, Decemb er.2012 Dan Sievenpiper, Member, IEEE, Li jun Zhang, Romulo F. Jimenez Broas, Nicholas G. Alex' opolous, Fellow, IEEE, and Eli Yablonovitch, Fellow, IEEE, "High-Impedance Electromagnetic Surfaces with a Forbidden Frequency Band"，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, vol. 47, no. 11, pp. 2059-2074, Nove mber.1999
技术实现思路
本专利技术的目的是，在太赫兹天线制作中引入高阻抗表面结构-人工磁导体（AMC) 结构，减少能量损耗，提高反射效率，并提高天线效率；同时消除底层金属与顶层金属之间 距尚过近引起的镜像电流，最终达到提尚太赫兹天线性能的目的；此外，这种结构还可以有 效地降低天线阵列中天线单元之间的表面波传播造成的耦合效应。 本专利技术技术方案是：带人工磁导体结构的太赫兹天线，利用CMOS工艺后端的多层 金属工艺制造人工磁导体（AMC)结构；该工艺后端具有六层金属，从最底到最上层分别为 Ml~M6层；使用M6制作天线，并通过通孔连接到由MOSEFTs器件构成的太赫兹传感器上； 使用Ml和M2制作人工磁导体（AMC)底板来代替原有的光滑底板；底板Ml为金属平板，M2 金属层制备成周期性金属结构，M2层为正方形周期性金属块结构，正方形金属块边长L为 5-8μπι，正方形金属块周期间隔约为43-45μπι，正方形金属块中心通过中心柱405与底板 403相连，中心柱的尺寸是正方形金属块边长的1/10-2/10 ;Μ2金属层制备成周期性金属结 构和Ml平板之间组成一个等效的LC振荡电路，天线等效为一个太赫兹电流源，将天线与此 高表面阻抗底板（groundplane)之间的空间等效为一个福射电阻η。电流源流入福射电 阻的电流越大，天线的辐射效率越高。 引入人工磁导体（AMC)结构提高底板（groundplane)的表面阻抗，流入福射电阻 的电流增大，从而提高了天线辐射效率并改善了太赫兹天线的性能。 当电磁波传播遇到自由空间与平滑金属介质的分界面时，将被抑制在表面形成表 面波。图2为介质分界面，其中X轴正半轴是自由空间，X轴负半轴为平滑金属介质。表面 波的能量会随着进入平滑金属介质深度指数衰减，介质侧的衰减指数γ可表示如下： 其中ω为入射电磁波频率，ε为介质的相对介电常数。当介质为金属时，金属的 相对介电常数ε表不为： 这里，〇为金属的电导率为： 其中τ为电子碰撞的平均时间，q和m分别表不一个电子所带的电荷量和质量，η 为电子密度。将公式（2)代入公式（1)可以得到电磁波在金属表面的衰减系数： 其中，δ被称为电磁波在金属内的趋肤深度，金属的趋肤深度δ很小。当为平滑 金属介质表面时，金属表面电流如下： Jz(x) =〇Ez(x) = σ E〇ex(1+i)/5(5) 其中，x为衰减方向上的任意一点。根据麦克斯韦方程组，电磁场之间的转化可以 通过积分或者微分得到。所以，对公式（5)进行积分，积分路径应环绕表面电流并且延伸入 金属内部的距离应大大超过趋肤深度，磁场： 最终，平滑金属介质的表面阻抗表示为： 由公式（7)可知，对于导电性质很好的平滑金属介质，表面阻抗实部及虚部都较 小，利于表面波的形成及传播。若利用平滑金属介质作太赫兹天线的底板（groundplane)， 将形成较大的表面波，降低天线效率。 为了减少能量损耗，提尚太赫兹天线效率，最终提尚太赫兹天线的性能，必须米用 高阻抗的底板（groundplane)抑制底板上表面波的形成与传播。本专利技术正是基于此原因， 引入人工磁导体（AMC)结构提高底板（groundplane)的表面阻抗，从而提高太赫兹天线的 性能。 AMC结构是具有高阻抗表面结构。本专利技术中利用CMOS工艺后端的多层金属工艺制 造人工磁导体（AMC)结构；如图3所示，（a)为顶视图，（b)为侧视当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
带人工磁导体结构的太赫兹天线，其特征是利用CMOS工艺后端的多层金属工艺制造人工磁导体结构；天线具有六层金属，从最底到最上层分别为M1～M6层；使用M6制作天线，并通过通孔连接到由MOSEFTs器件构成的太赫兹传感器上；使用M1和M2制作人工磁导体底板来代替原有的光滑底板；底板M1为金属平板，M2金属层制备成周期性金属结构，M2层为正方形周期性金属块结构，正方形金属块边长L为5‑8μm，正方形金属块周期间隔约为43‑45μm，正方形金属块中心通过中心柱与底板相连，中心柱的尺寸是正方形金属块边长的1/10‑1/5；M2金属层制备成周期性金属结构和M1平板之间组成一个等效的LC振荡电路。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：纪小丽，廖轶明，郑挺，闫锋，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32