基于超材料吸收器的太赫茲微測(cè)輻射熱計(jì)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于非制冷太赫茲探測(cè)技術(shù)，具體涉及一種基于超材料吸收器的太赫茲微 測(cè)輻射熱計(jì)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 按照探測(cè)原理的不同，非制冷探測(cè)器分為熱釋電型探測(cè)器、熱電偶型探測(cè)器、熱敏 電阻型探測(cè)器等。其中，基于熱敏電阻材料的微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面探測(cè)器具有室溫探測(cè)、集 成度高、規(guī)?；a(chǎn)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展迅速（參見(jiàn)Leonard P. Chen，"Advanced FPAs for Multiple Application", Proc.SPIE, 4721:1-15 (2002)文獻(xiàn)）。太赫茲波一般指 頻率在0. 1?lOTHz的電磁輻射，頻率介于紅外與微波之間。由于太赫茲波的光子能量遠(yuǎn) 低于X射線，對(duì)生命體的損害小，所以太赫茲技術(shù)在無(wú)損探測(cè)、人體成像等領(lǐng)域具有巨大的 應(yīng)用前景。
[0003] 傳統(tǒng)的微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面陣列，其功能薄膜材料對(duì)紅外波段的電磁輻射敏感， 但對(duì)太赫茲波的響應(yīng)較弱。所以，利用傳統(tǒng)的微測(cè)輻射熱計(jì)難于對(duì)太赫茲波進(jìn)行直接、 有效的室溫探測(cè)。目前，使傳統(tǒng)的微測(cè)輻射熱計(jì)能夠進(jìn)行太赫茲波探測(cè)的方法主要有兩 種：一是改進(jìn)探測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)，采用適當(dāng)?shù)木劢狗椒ㄌ岣咛掌澒庠吹哪芰俊?005年，美 國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT)的Alan Wei等人使用傳統(tǒng)的紅外微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面陣列探測(cè) 器，通過(guò)優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光源進(jìn)行聚焦處理，實(shí)現(xiàn)了 2. 52THz連續(xù)波透射成像（參見(jiàn)Alan Wei, "Real-time, continuous-wave terahertz imaging by use of a microbolometer focal-plane array"，Optical Letters，30(19):2563_2565(2005)文獻(xiàn)）。MIT 的方案 可以利用現(xiàn)有成熟的紅外探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的探測(cè)，但其靈敏度低，而且還需增加 復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，不利于太赫茲探測(cè)器的小型化發(fā)展。另一種改進(jìn)微測(cè)輻射熱計(jì)的方法是 在傳統(tǒng)的微橋結(jié)構(gòu)中增加一層太赫茲吸收層，以此增強(qiáng)微橋?qū)μ掌澆ǖ奈铡?008年， 日本NEC公司通過(guò)在傳統(tǒng)的紅外微測(cè)輻射熱計(jì)微橋的表面增鍍一層特殊的金屬薄膜，由 此提尚微橋?qū)θ肷涮掌澆ǖ奈?、?shí)現(xiàn)太赫茲室溫探測(cè)（參見(jiàn)Naoki Oda, "Detection of terahertz radiation from quantum cascade laser, using vanadium oxide microbolometer focal plane arrays"，Proc.SPIE 6940 (2): 1-12 (2008)文獻(xiàn)）。這種探 測(cè)器無(wú)需復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)就可以直接對(duì)太赫茲波進(jìn)行探測(cè)。所以，相比于MIT的方案，NEC 通過(guò)增加太赫茲吸收層的方案更有優(yōu)勢(shì)、更加有利于太赫茲探測(cè)器小型化發(fā)展。但是，NEC 方案的缺點(diǎn)是：高質(zhì)量的太赫茲吸收薄膜的制備條件非?？量?，而且，其太赫茲吸收率偏低 (通常〈10% )、且無(wú)法對(duì)入射電磁波的進(jìn)行選擇性響應(yīng)。這些缺點(diǎn)影響了其在器件中的廣 泛應(yīng)用。
[0004] 2008年，Tao等人設(shè)計(jì)出被譽(yù)為"完美吸收器"的超材料，這種具有特殊結(jié)構(gòu) 的超材料在太赫茲波段的理論吸收率可高達(dá)90%以上（參見(jiàn)TaoH,"Ametamaterial absorberfortheterahertzregime:Design,fabricationandcharacterization" ? OpticalExpress, 16 (10): 7181-7188 (2008)文獻(xiàn)）。而且，與NEC所采用的金屬薄膜吸收 層相比，超材料吸收器不僅具有更高的太赫茲吸收特性、更高的選擇性，還更容易對(duì)太赫茲 波響應(yīng)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，即可以通過(guò)改變超材料的形狀、尺寸、金屬電導(dǎo)率、介質(zhì)層厚度和介 電常數(shù)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的響應(yīng)頻率、頻帶、和吸收率等光學(xué)性能的有效調(diào)節(jié)。目前， 超材料吸收器的類型有多種，包括開(kāi)口諧振環(huán)（SRRs)、互補(bǔ)型超材料、貼片型超材料等。其 中，帶有電場(chǎng)共振結(jié)構(gòu)的SRRs具有極化特性，即超材料對(duì)電磁波的吸收率與入射光源的極 化方向有關(guān)（參見(jiàn) Withayachumnankul W, "Metamaterials in the Terahertz Regime". IEEE Photonics Technol. Lett. , 1(2) : 99-117 (2009)文獻(xiàn)）。SRRs 型超材料適用于對(duì)相干 光源的探測(cè)，對(duì)于一般的非相干性太赫茲光源，可以選擇非極化的貼片型超材料。目前，大 多數(shù)超材料以硅片作為基底進(jìn)行制備，對(duì)超材料的厚度沒(méi)有限制。但是，如果把超材料集成 在懸浮的微測(cè)輻射熱計(jì)微橋上，將面臨諸如結(jié)構(gòu)尺寸受限于微橋的橋面面積、重量過(guò)大導(dǎo) 致微橋坍塌或形變、以及制備工藝的兼容性等問(wèn)題。
[0005] 總之，基于超材料的太赫茲微測(cè)輻射熱計(jì)也面臨挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是如何利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝，在具有特定微小立體結(jié)構(gòu) 的、懸浮的微測(cè)輻射熱計(jì)微橋的橋面上構(gòu)造一種非極化的超材料太赫茲吸收器，使其在太 赫茲波段（〇. 1THZ?10THZ)具有特定的高響應(yīng)吸收。同時(shí)，還解決在制備超材料太赫茲吸 收器過(guò)程中殘余應(yīng)力及材料重量對(duì)微橋產(chǎn)生的坍塌或形變等影響，使微測(cè)輻射熱計(jì)保持高 的力學(xué)穩(wěn)定性。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：基于超材料的太赫茲微測(cè)輻射熱計(jì)，由超材料太赫茲吸收 器和熱探測(cè)器兩部分組成，其中，熱探測(cè)器包含底層的微橋支撐層、第二層的熱敏電阻薄膜 層、第三層的金屬電極層和第四層的鈍化層；超材料太赫茲吸收器包含底層金屬膜層、中間 介質(zhì)層、頂層金屬膜層；超材料太赫茲吸收器的底層金屬膜與熱探測(cè)器的鈍化層相接觸。
[0008] 進(jìn)一步地，熱探測(cè)器中，微橋支撐層和鈍化層均為非晶介質(zhì)薄膜，非晶介質(zhì)薄膜為 非晶氮化硅、氧化硅、氮氧化硅材料當(dāng)中的一種或者是它們的復(fù)合膜；金屬電極層為金屬 Al、Au、Ti、TiN x、TiSix、TiWx、W、WSix、Ni、NiSi x、Ta、TaNx、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr 當(dāng)中的一種 或者是它們的復(fù)合物；熱敏電阻薄膜層為V0X、TiOx、BaTi0 3、非晶硅熱敏電阻材料當(dāng)中的一 種或者是它們的復(fù)合物。
[0009] 進(jìn)一步地，超材料太赫茲吸收器中，底層金屬膜層及頂層金屬膜層為方形圖形，材 料為 Al、Au、Ti、TiNx、TiSix、TiWx、W、WSi x、Ni、NiSix、Ta、TaNx、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr 當(dāng)中的 一種或者是它們的復(fù)合物。中間介質(zhì)層為非晶氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、聚酰亞胺、A1203、 FeO x、TiOx、TiNx、V0X、VNX、HfO x、HfA10x、GaAs薄膜當(dāng)中的一種或者是它們的復(fù)合物。
[0010] 基于超材料的太赫茲微測(cè)輻射熱計(jì)的制備方法，該微測(cè)輻射熱計(jì)的制備包括以下 步驟：步驟如下：
[0011] ①清洗帶有集成電路的娃片，利用反應(yīng)器在娃片表面沉積一層厚度為5?5000nm 的非晶氮化硅或氧化硅、氮氧化硅薄膜當(dāng)中的一種或者是它們的復(fù)合膜，作為硅片鈍化 層；
[0012] ②在硅片鈍化層的表面利用反應(yīng)器沉積一層金屬Al、Au、Ti、TiNx、TiSi x、TiWx、W、 WSix、Ni、NiSix、Ta、TaN x、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr當(dāng)中的一種或者是它們的復(fù)合物，厚度為5? 5000nm，然后利用刻蝕的方法，將金屬層刻蝕出橋面形狀，作為微橋的反射層；
[0013] ③對(duì)硅片鈍化層進(jìn)行光刻、刻蝕處理，形成用于電路連接的通孔；
[0014] ④在上述硅片上旋涂一層聚酰亞胺薄膜，厚度為0. 5?10 y m，并光刻出橋孔形 狀，然后進(jìn)行熱固化處理；
[0015] ⑤利用反應(yīng)器在硅片上繼續(xù)沉積一層非晶氮化硅或氧化硅、氮氧化硅薄膜當(dāng)中的 一種或者是它們的復(fù)合膜，厚度為5?5000nm，作為微橋支撐層；
[0016] ⑥在微橋支撐層的表面，利用反應(yīng)器沉積一層VOx、TiOx、BaTi03、非晶娃熱敏電阻 薄膜當(dāng)中的一種或者是它們的復(fù)合物，厚度為5?5000nm，然后經(jīng)過(guò)刻蝕，作為微測(cè)輻射熱 計(jì)的熱敏電阻薄膜層；
[0017] ⑦在熱敏電阻薄膜層的表面，利用反應(yīng)器沉積一層金屬Al、Au、Ti、TiNx、TiSix、 TiWx、W、WSi x、Ni、NiSix、Ta、TaNx、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr 當(dāng)中的一種或者是它們的復(fù)合物，厚 度為5?5000nm，然后經(jīng)過(guò)刻蝕，形成金屬電極層，作為微測(cè)輻射熱計(jì)的電極；
[0018] ⑧在熱敏電阻薄膜層及金屬電極層的表面，利用反應(yīng)器沉積一層非晶氮化硅或氧 化硅、氮氧化硅薄膜當(dāng)中的一種或者是它們的復(fù)合膜，厚度為5?5000nm，作為熱敏電阻薄 膜層和金屬電極層的鈍化層以及微橋的應(yīng)力調(diào)控層；
[0019] ⑨在鈍化層的表面，利用反應(yīng)器沉積一層金屬Al、Au、Ti、TiN x、TiSix、TiWx、W、 WSix、Ni、NiSi x、Ta、TaNx、Fe、Pt、Cu、Ag、NiCr當(dāng)中的一種或者是它們的復(fù)合物，厚度為5? 5000nm，作為超材料太赫茲吸收器的底層金屬膜層；
[0020] ⑩在超材料底層金屬薄膜的表面，利用反應(yīng)器沉積一層非