一种高槽深金属凹槽线性阵列太赫兹超材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高槽深金属凹槽线性阵列太赫兹超材料及其制备方法。以双面抛光硅片为基底材料，以Au为作为溅射材料，采用通过光刻、深硅刻蚀和磁控溅射镀膜等多种微加工工艺相结合的方法制备高槽深金属凹槽线性阵列太赫兹超材料。该高槽深金属凹槽线性阵列太赫兹超材料，宽度为30μm，深度分别为30μm，60μm和90μm，镀膜厚度为600nm。本发明专利技术制得的高槽深金属凹槽线性阵列太赫兹超材料，结构稳定，共振频率可调性强，能够支持高品质因子的太赫兹表面等离子体共振模式，解决了飞秒激光直写技术难以实现高深宽比金属表面结构的精确加工难题，且制备方法简单，原料廉价易得，有利于大规模的工业化生产。规模的工业化生产。规模的工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种高槽深金属凹槽线性阵列太赫兹超材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于太赫兹超材料领域，具体涉及一种高槽深金属凹槽线性阵列太赫兹超材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]由太赫兹超材料产生的表面等离子体激元效应可以将太赫兹电磁场限制在亚波长量级的小范围内，这将大大缩小系统的集成尺寸，已成为太赫兹功能器件研制的最优选择。在一些太赫兹应用研究领域，如波导传输、完美吸波器、高功率太赫兹源、高分辨率成像以及高灵敏度的传感等已取得了一系列突破性的成果。但如何高效地制备出能够满足使用需求的高质量、高精度以及低成本的太赫兹超材料，成为太赫兹技术进一步发展和应用的关键。
[0003]目前，常用的太赫兹超材料微纳加工技术主要包含传统光刻技术、电子束曝光和纳米压印等，尽管这些加工方法在一定程度上能够满足太赫兹超材料的加工需求，但繁复的制备过程往往涉及多种精密设备和加工工艺，导致制备周期长、成本高昂。近年来，随着超快激光技术的发展，另一种基于激光烧蚀的原理，利用飞秒激光直写技术就可直接在金属薄膜上实现太赫兹超材料的加工。然而，不管是常规加工手段，还是新一代飞秒激光微纳加工技术，针对特别细微表面结构(几何尺寸在百微米量级以内)的加工，不可避免会引入附带损失，造成加工误差，使得对几何尺寸偏差敏感的超材料（如凹槽型太赫兹超材料）无法达到预期性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种高槽深金属凹槽线性阵列太赫兹超材料及其制备方法，本专利技术制得的高槽深金属凹槽线性阵列太赫兹超材料，结构稳定，共振频率可调性强，能够支持高品质因子的太赫兹表面等离子体共振模式，通过光刻、深硅刻蚀和磁控溅射镀膜等多种微纳加工技术的结合，可以充分利用了光刻、深硅刻蚀和磁控溅射镀膜各自具有的精确的几何图案复制、高深宽比的几何结构刻蚀以及快捷的结构表面金属化等工艺特点，解决了飞秒激光直写技术难以实现高深宽比金属表面结构的精确加工难题，且制备方法简单，原料廉价易得，有利于大规模的工业化生产。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种高槽深金属凹槽线性阵列太赫兹超材料，以厚度500 μm的双面抛光硅片为载体，首先利用光刻技术将掩膜版上的周期性金属凹槽图案复制到光刻胶薄膜上，形成硅刻蚀掩蔽层，而后通过深硅刻蚀工艺在硅片上形成槽深≥30 μm的凹槽阵列表面，最后利用磁控溅射工艺对凹槽结构表面进行金属化，均匀地镀上一层厚度为600 nm金薄膜，使之形成能够在太赫兹频段支持表面等离子体共振的超材料。
[0006]本专利技术还提供了一种基于上述所述的一种高槽深金属凹槽线性阵列太赫兹超材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）在酸碱化学清洗台上，基于RCA清洗工艺进行硅片的清洗，先将硅片放入清洗液中，在120
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150℃的条件下加热15分钟，去除硅片表面可能存在包括颗粒、有机物和金属离子的沾污，接着利用去离子水冲洗干净后，烘干备用；（2）将步骤（1）的硅片放置于SCS G3
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8旋胶机的吸盘上，利用滴管取出适量光刻胶滴在硅片中间，在均匀的转速下进行匀胶；接着将旋涂好光刻胶的硅片样品转移至BP
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2B烘胶机进行软烘，增加光刻胶在硅片上的粘附性，并在硅片上形成一层厚度为2 μm的薄膜；而后，通过MA6/BA6光刻机将金属槽SPS掩膜版上的刻蚀图案投影到晶圆的光刻胶膜上，紫外光照剂量为1000 mJ/cm2；曝光后转移至烘胶机上进行后烘，实现转移图像形貌的精确控制；曝光部分的光刻胶膜发生降解反应变得可溶于显影液，在显影液中进行显影，将掩膜版上的图形复制到光刻胶薄膜上；经过显影清洗后，再进行烘烤坚膜，进一步促进光刻胶与硅片之间的粘附性，并形成深硅刻蚀加工所需的光刻胶掩蔽层；（3）将步骤（2）中表面覆盖有光刻胶掩蔽层即刻蚀图案的硅片置于Alcatel深硅刻蚀系统中进行刻蚀；基于Bosch刻蚀工艺，在反应腔室中循环交替通入钝化气体C4F8和刻蚀气体SF6与硅片循环往复进行钝化—刻蚀的化学反应，使得刻蚀持续在垂直方向进行刻蚀，将光刻胶薄膜上的图形转移到基片上，最终在同一硅片上形成3个具有一定槽深的凹槽阵列结构化硅表面单元；（4）利用HW1601型砂轮划片机将步骤（3）刻蚀好的硅片进行切割，形成3片尺寸均为37 mm
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22 mm的待金属化凹槽硅样片单元；（5）切割完以后，利用3号液对步骤（4）的凹槽阵列硅样片进行清洗，去除未被刻蚀的光刻胶薄膜以及深硅刻蚀和砂轮划片加工过程中残留的杂质；（6）将步骤（5）洗净的待金属化凹槽硅片单元，置于Explorer
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14磁控溅射镀膜系统中，选择金属作为溅射材料，进行溅射；在低压真空反应室中，通入的氩气中的Ar原子与高速运动的电子发生发生碰撞，电离产生出新的电子和Ar正离子；Ar正离子在电场作用下持续轰击靶材表面，使靶材发生溅射，而后沉积在样片的表面形成一层厚度均匀的薄膜，完成凹槽阵列硅样片表面金属化，最终使之形成能够在太赫兹频段支持表面等离子体共振的超材料。
[0007]在本专利技术一实施例中，步骤（1）中所述的硅片选用4英寸、厚度500 μm的双面抛光硅片作为基底材料。
[0008]在本专利技术一实施例中，步骤（2）中所述的光刻胶为正性光刻胶AZ 5214E。
[0009]在本专利技术一实施例中，步骤（2）中所述的旋胶机转速为2000 rpm，匀胶时间为30秒；步骤（2）中所述的显影液为AZ 400K显影液，显影时间为60秒。
[0010]在本专利技术一实施例中，步骤（2）中所述的烘胶机软烘温度为100℃，软烘时间为60秒；步骤（2）中所述的曝光后烘胶温度为120℃，软烘时间为120秒；步骤（2）中所述的烘烤坚膜温度为135℃，烘烤时间为10分钟。
[0011]在本专利技术一实施例中，步骤（3）中所述的硅片刻蚀宽度为30 μm，深度分别为30 μm，60 μm和90 μm，射频电源频率13.56 MHz，气体流量450 sccm，室压10 mTorr。
[0012]在本专利技术一实施例中，步骤（3）中所述的硅片刻蚀钝化气体为C4F8和刻蚀气体为SF6。
[0013]在本专利技术一实施例中，步骤（4）中所述的待金属化凹槽硅样片单元的有效区域尺
寸为35 mm
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20 mm，为了方便样片的拿取，切割时在样品的四周预留1 mm边沿。
[0014]在本专利技术一实施例中，步骤（6）中所述的溅射材料为Au(金)，溅射厚度为600 nm，反应室的真空为5.0*10
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6 Torr。
[0015]相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：（1）通过光刻、深硅刻蚀和磁控溅射镀膜等多种微加工工艺的结合，可以充分利用它们各自精确的几何图案复制、高深宽比的几何结构刻蚀以及快捷的结构表面金属化等工艺特点，解决了飞秒激光直写微加工技术无法实现高深宽比金属表面结构的精确加工难题。
[0016]（2）本专利技术以双面抛光硅片为基底材料，以Au为溅射材料，所制得的太赫兹超材料，结构稳定，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高槽深金属凹槽线性阵列太赫兹超材料，其特征在于，以厚度500 μm的双面抛光硅片为载体，首先利用光刻技术将掩膜版上的周期性金属凹槽图案复制到光刻胶薄膜上，形成硅刻蚀掩蔽层，而后通过深硅刻蚀工艺在硅片上形成槽深≥30 μm的凹槽阵列表面，最后利用磁控溅射工艺对凹槽结构表面进行金属化，均匀地镀上一层厚度为600 nm金薄膜，使之形成能够在太赫兹频段支持表面等离子体共振的超材料。2.基于权利要求1所述的一种高槽深金属凹槽线性阵列太赫兹超材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）在酸碱化学清洗台上，基于RCA清洗工艺进行硅片的清洗，先将硅片放入清洗液中，在120
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150℃的条件下加热15分钟，去除硅片表面可能存在包括颗粒、有机物和金属离子的沾污，接着利用去离子水冲洗干净后，烘干备用；（2）将步骤（1）的硅片放置于SCS G3
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8旋胶机的吸盘上，利用滴管取出适量光刻胶滴在硅片中间，在均匀的转速下进行匀胶；接着将旋涂好光刻胶的硅片样品转移至BP
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2B烘胶机进行软烘，增加光刻胶在硅片上的粘附性，并在硅片上形成一层厚度为2 μm的薄膜；而后，通过MA6/BA6光刻机将金属槽SPS掩膜版上的刻蚀图案投影到晶圆的光刻胶膜上，紫外光照剂量为1000 mJ/cm2；曝光后转移至烘胶机上进行后烘，实现转移图像形貌的精确控制；曝光部分的光刻胶膜发生降解反应变得可溶于显影液，在显影液中进行显影，将掩膜版上的图形复制到光刻胶薄膜上；经过显影清洗后，再进行烘烤坚膜，进一步促进光刻胶与硅片之间的粘附性，并形成深硅刻蚀加工所需的光刻胶掩蔽层；（3）将步骤（2）中表面覆盖有光刻胶掩蔽层即刻蚀图案的硅片置于Alcatel深硅刻蚀系统中进行刻蚀；基于Bosch刻蚀工艺，在反应腔室中循环交替通入钝化气体C4F8和刻蚀气体SF6与硅片循环往复进行钝化—刻蚀的化学反应，使得刻蚀持续在垂直方向进行刻蚀，将光刻胶薄膜上的图形转移到基片上，最终在同一硅片上形成3个具有一定槽深的凹槽阵列结构化硅表面单元；（4）利用HW1601型砂轮划片机将步骤（3）刻蚀好的硅片进行切割，形成3片尺寸均为37 mm
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22 mm的待金属化凹槽硅样片单元；（5...

【专利技术属性】
技术研发人员：施婷婷，王帅，杨立娟，杨广青，
申请(专利权)人：闽江学院，
类型：发明
国别省市：