本發(fā)明屬于超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器熱弱連接的制備方法。

背景技術(shù)：

太赫茲（THz）頻段是現(xiàn)代天文學(xué)最后一個(gè)有待全面研究的電磁波頻段，是繼紅外和毫米波頻段之后21世紀(jì)人類探測(cè)宇宙最新發(fā)展的、其它頻段不可替代的觀測(cè)窗口。在天文學(xué)領(lǐng)域，太赫茲頻段占有微波背景輻射（CMB）以后宇宙近一半的光子能量，特別適合觀測(cè)研究第一代恒星的形成、星系形成和演化、恒星和行星系統(tǒng)的形成和早期演化、地外行星系統(tǒng)大氣的物理化學(xué)特性、以及宇宙生命起源等現(xiàn)代天文學(xué)中最重要的前沿科學(xué)問(wèn)題。太赫茲頻段天文觀測(cè)在天體物理與宇宙學(xué)研究中具有不可替代的作用，對(duì)于理解宇宙狀態(tài)和演化有非常重要的意義。

太赫茲頻段天文觀測(cè)所需設(shè)備可分為相干探測(cè)器和非相干探測(cè)器兩類，太赫茲相干探測(cè)器主要針對(duì)天體目標(biāo)開(kāi)展高分辨率頻譜觀測(cè)，太赫茲非相干探測(cè)器主要應(yīng)用于寬帶連續(xù)譜探測(cè)和中低頻譜分辨率探測(cè)。對(duì)于非相干探測(cè)器，基于低溫超導(dǎo)器件的太赫茲頻段高靈敏度非相干探測(cè)器主要有超導(dǎo)隧道結(jié)探測(cè)器（STJ）、超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器（MKIDs）和超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器（TES）。其中，超導(dǎo)隧道結(jié)探測(cè)器受隧道結(jié)漏電流和讀出技術(shù)的限制，發(fā)展較為緩慢。超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器由于采用了較簡(jiǎn)單讀出復(fù)用技術(shù)得到了快速發(fā)展，但其靈敏度不僅與工作環(huán)境溫度相關(guān)，還受準(zhǔn)粒子產(chǎn)生與復(fù)合噪聲限制，目前所測(cè)最低靈敏度約為1x10^-18 W/Hz^0.5。相反，超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器靈敏度僅取決于工作環(huán)境溫度，可實(shí)現(xiàn)背景極限探測(cè)靈敏度。在100 mK或更低溫區(qū)，超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器靈敏度可達(dá)1x10^-19 W/Hz^0.5，已成為太赫茲望遠(yuǎn)鏡研制超高靈敏度寬帶連續(xù)譜陣列探測(cè)器首選。

超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)技術(shù)屬于熱探測(cè)技術(shù)。超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器一般由輻射吸收體（absorber）、測(cè)溫體（thermometer）、熱弱連接體（weak thermal link）和熱沉（heat sink）四部分構(gòu)成，其中輻射吸收體與熱沉之間通過(guò)熱弱連接體相連。超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器工作原理是輻射吸收體吸收電磁波輻射信號(hào)，輻射吸收體溫度發(fā)生改變，然后由測(cè)溫體讀出溫度變化并判斷吸收電磁波信號(hào)強(qiáng)度，輻射吸收體與熱沉之間的熱弱連接可以有效的提高探測(cè)器的靈敏度。

研制高靈敏度超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器關(guān)鍵在于：1）輻射吸收體高效耦合電磁波信號(hào)；2）輻射吸收體和測(cè)溫體與熱沉之間實(shí)現(xiàn)熱弱連接。針對(duì)上述兩點(diǎn)，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家各研究小組正積極開(kāi)展太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)技術(shù)研究，現(xiàn)主要研制的太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)技術(shù)可分為以下三類：1）基于氮化硅薄膜的喇叭天線耦合太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)技術(shù)。氮化硅薄膜熱傳導(dǎo)系數(shù)小，機(jī)械強(qiáng)度高可微加工成狹長(zhǎng)腿形狀，是熱弱連接體最佳選擇之一。目前，荷蘭SRON研究小組利用狹長(zhǎng)腿形狀氮化硅薄膜作為熱弱連接體，為下一代空間太赫茲衛(wèi)星計(jì)劃-SPICA研制了超高靈敏度太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器。2）基于氮化硅薄膜的平面天線耦合太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)技術(shù)。近年來(lái)，美國(guó)UC Berkeley研究小組研制了基于平面天線耦合的太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器，其利用硅透鏡、平面天線以及微帶線實(shí)現(xiàn)了太赫茲電磁波信號(hào)高效耦合。但是，該太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器中輻射吸收體與測(cè)溫體相分離，不僅要求在狹長(zhǎng)腿形狀氮化硅薄膜上集成直流偏置線連接測(cè)溫體，還要求在狹長(zhǎng)腿形狀氮化硅薄膜上集成微帶線連接輻射吸收體，對(duì)太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器器件制備工藝提出了很高要求。3）基于電聲弱耦合（electron-phonon decoupling）的平面天線耦合太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)技術(shù)。超導(dǎo)薄膜中電子與聲子相互熱作用會(huì)隨著溫度降低而急劇減小，成為極低溫區(qū)最佳熱弱連接體之一。利用電子與聲子之間熱弱耦合，美國(guó)JPL實(shí)驗(yàn)室研制了基于鈦薄膜的平面天線耦合太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器，在300 mK溫區(qū)實(shí)測(cè)探測(cè)器靈敏度約為3x10^-18 W/Hz^0.5?；陔娐暼躐詈系钠矫嫣炀€耦合太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)技術(shù)也存在一定不足，由于超導(dǎo)薄膜低溫?zé)崛葺^小，導(dǎo)致探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間非常短（300 mK溫區(qū)響應(yīng)時(shí)間僅為幾微秒），難以利用現(xiàn)有超導(dǎo)量子干涉放大器（SQUID）時(shí)域讀出復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列讀出。

綜上所述，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家各研究小組已采用各種不同方法實(shí)現(xiàn)了高靈敏度太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)技術(shù)，但這些太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)技術(shù)均存在一些不足或應(yīng)用限制。因此，亟需開(kāi)發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊、靈敏度高且易于實(shí)際應(yīng)用的太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器熱弱連接的制備方法

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器熱弱連接制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

采用三層結(jié)構(gòu)的圓形SOI介質(zhì)基片作為探測(cè)器的制備基板，所述三層結(jié)構(gòu)分別為氮化硅/硅/氮化硅，在基板正面制備完成太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器后，將基板背面中對(duì)應(yīng)于探測(cè)器輻射吸收體和測(cè)溫體的區(qū)域進(jìn)行離子刻蝕，去除氮化硅層，露出硅材料，形成一個(gè)正方形區(qū)域；

在基板正面涂覆防止堿性溶液腐蝕的保護(hù)膠，將基板背面朝上放置在安裝模具內(nèi)，并采用O型密封圈對(duì)基板的正面和側(cè)面進(jìn)行密封；

把安裝模具浸入堿性溶液中，堿性溶液與正方形區(qū)域中的硅發(fā)生反應(yīng)，直至氮化硅層。

為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的具體措施還包括：

所述三層結(jié)構(gòu)的厚度分別為2μm/200μm/0.5μm。

所述正方形區(qū)域?yàn)?.5㎜*1.5㎜。

所述保護(hù)膠的涂覆厚度為2-4μm。

所述安裝模具包括將基板夾設(shè)在中間的上部和下部，上部和下部緊密連接，上部具有將正方形區(qū)域暴露出來(lái)的孔洞。

所述O型密封圈包括上O型圈、下O型圈和側(cè)O型圈，均安裝在上部和下部之間；上O型圈和下O型圈大小結(jié)構(gòu)相同，直徑略小于基板直徑，緊貼基板邊緣設(shè)置，將基板夾設(shè)在中間；側(cè)O型圈直徑略大于基板直徑，圍繞基板的圓周側(cè)設(shè)置。

所述堿性溶液為氫氧化鉀，濃度為30%-40%。

本發(fā)明的有益效果是：通過(guò)濕法刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)輻射吸收體和測(cè)溫體與熱沉之間的熱弱連接，簡(jiǎn)化了制備工藝，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列探測(cè)器；利用氫氧化鉀溶液與硅的化學(xué)反應(yīng)方法，實(shí)現(xiàn)太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器的熱弱連接，提高了探測(cè)器的探測(cè)靈敏度，經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，熱弱連接的太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器的探測(cè)靈敏度相比于無(wú)熱弱連接的太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器，靈敏度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)（10倍）。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基板正面的示意圖。

圖2是本發(fā)明基板安裝在模具中的部分示意圖。

圖3是本發(fā)明基板安裝在模具中的整體示意圖。

圖4是本發(fā)明基板安裝在模具中的截面圖。

附圖標(biāo)記如下：基板1、探測(cè)器2、安裝模具3、上部31、下部32、上O型圈4、下O型圈5、側(cè)O型圈6。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖1所示，采用三層結(jié)構(gòu)的圓形SOI介質(zhì)基片作為探測(cè)器的制備基板1，三層結(jié)構(gòu)分別為氮化硅/硅/氮化硅，三層的厚度分別為2μm/200μm/0.5μm。超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器2被制備在基板1正面的氮化硅表面，制備完成后將基板1背面中對(duì)應(yīng)于探測(cè)器2輻射吸收體和測(cè)溫體的區(qū)域通過(guò)離子刻蝕法刻蝕掉，露出硅材料，形成一個(gè)1.5㎜×1.5㎜的正方形區(qū)域。在基板1正面涂覆耐堿性溶液的保護(hù)膠，以免氫氧化鉀對(duì)正面探測(cè)器2的腐蝕，保護(hù)膠的涂覆采用甩膠機(jī)進(jìn)行均勻涂覆，涂覆厚度為2-4μm。

進(jìn)一步參照?qǐng)D2-4，將基板1背面朝上安裝在特別設(shè)計(jì)的濕法刻蝕的安裝模具3中，安裝模具3包括將基板1夾設(shè)在中間的上部31和下部32，上部31和下部32可通過(guò)諸如螺絲等方式緊密連接，上部31具有將正方形區(qū)域暴露出來(lái)的孔洞，其中，安裝模具3通過(guò)0型密封圈對(duì)基板1的正面和側(cè)面進(jìn)行密封。如圖3所示，O型密封圈總共有三個(gè)，分別是上O型圈4、下O型圈5和側(cè)O型圈6。上O型圈4和下O型圈5大小結(jié)構(gòu)相同，直徑略小于基板1直徑，上部31中設(shè)有與上O型圈4適配的環(huán)形槽，下部32中設(shè)有與下O型圈5適配的環(huán)形槽，上O型圈4和下O型圈5緊貼基板1邊緣設(shè)置，將基板1夾設(shè)在中間，對(duì)基板1的正面進(jìn)行密封，使堿性液體無(wú)法接觸基板1的正面?；?的圓周側(cè)面還設(shè)有側(cè)O型圈6，側(cè)O型圈6直徑略大于基板1直徑，圖3中下部32中還設(shè)有與側(cè)O型圈6適配的環(huán)形槽，側(cè)O型圈6將基板1包圍起來(lái)，通過(guò)上部31和下部32之間的緊密連接，將基板1側(cè)面密封起來(lái)，使堿性液體也無(wú)法接觸基板1的側(cè)面。

最后，把安裝模具3浸入堿性溶液中，堿性溶液可選取濃度為30%-40%的氫氧化鉀溶液，由于氮化硅和氫氧化鉀溶液基本不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此氮化硅可以天然地作為背面的保護(hù)膜。氫氧化鉀溶液與基板1背面正方形區(qū)域中的硅發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣氣泡，直至氮化硅層。濕法刻蝕完成的太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器基板1，正方形區(qū)域顯示透明，表明該區(qū)域的硅已經(jīng)完全與氫氧化鉀溶液發(fā)生反應(yīng)，被濕法刻蝕去掉。在顯微鏡下觀察，被刻蝕區(qū)域干凈，沒(méi)有硅材料，則表明刻蝕成功。

本發(fā)明闡述的太赫茲超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)熱弱連接的制備具有如下技術(shù)進(jìn)步性：

1、采用濕法刻蝕技術(shù)降低了制備工藝的難度，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列的應(yīng)用；

2、采用耐氫氧化鉀的保護(hù)膠保護(hù)基板正面，有效的避免氫氧化鉀溶液對(duì)基片正面的腐蝕；

3、采用特別設(shè)計(jì)的基板安裝裝置，將基板正面密封同時(shí)可以保護(hù)基板的側(cè)面不受腐蝕；

4、采用 SOI（絕緣襯底上的硅）三層基板，利用氮化硅材料不與氫氧化鉀溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)，首先將氮化硅刻蝕需要的圖形，再利用氮化硅作為天然的背面保護(hù)膜進(jìn)行濕法刻蝕。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。