阅读说明：本技术 基于超表面的太赫兹滤波器及其制作方法 (Terahertz filter based on super surface and manufacturing method thereof ) 是由 王政焱 易成汉 杨兵 余荣斌 陈明 杨春雷 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于超表面的太赫兹滤波器及其制作方法。该方法包括：提供衬底并对所述衬底进行预处理；在所述衬底上形成第一谐振层；在所述第一谐振层上形成第一介质层；对所述第一介质层的部分区域进行激光诱导处理,以在所述第一介质层中形成第二谐振层,其中,所述第二谐振层厚度小于所述第一介质层的厚度。该太赫兹滤波器包括：第一谐振层；第一介质层,设置于所述第一谐振层上；第二谐振层,形成于所述第一介质层中,且所述第二谐振层的厚度小于所述第一介质层的厚度。利用激光直写的方法制作第二谐振层与传统的光刻方法相比程序简单,可以有效地提高效率；同时激光直写设备与光刻系统相比节约很多的成本,有利于大范围推广。(The invention discloses a terahertz filter based on a super surface and a manufacturing method thereof. The method comprises the following steps: providing a substrate and pretreating the substrate; forming a first resonance layer on the substrate; forming a first dielectric layer on the first resonance layer; and carrying out laser induction treatment on a partial area of the first dielectric layer to form a second resonance layer in the first dielectric layer, wherein the thickness of the second resonance layer is smaller than that of the first dielectric layer. The terahertz filter includes: a first resonance layer; the first dielectric layer is arranged on the first resonance layer; and the second resonance layer is formed in the first dielectric layer, and the thickness of the second resonance layer is smaller than that of the first dielectric layer. Compared with the traditional photoetching method, the method for manufacturing the second resonance layer by using the laser direct writing method has simple procedure and can effectively improve the efficiency; meanwhile, compared with a photoetching system, the laser direct writing equipment saves a lot of cost and is beneficial to large-scale popularization.)

基于超表面的太赫兹滤波器及其制作方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体地讲，涉及一种基于超表面的太赫兹滤波器及其制作方法。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz范围、波长在30um-3mm范围的电磁波，在电磁波谱中介于微波与红外线之间。因其处于电磁波谱的特殊位置，使其具有一系列特殊性质，如低能性、穿透性、指纹谱性等。基于这些电磁特性，太赫兹波在材料分子光谱分析、材料无损检测、生物组织活体检查、高精度保密雷达等方面的研究中展现了独特的优势。

电磁超表面是将单元结构在二维平面上进行周期排列，构成了二维形式的超材料。研究表明，超表面对电磁波的调控原理不再是空间上相位的累积效果，而是电场以及磁场在单元结构两侧产生的相位以及幅度的突变特性，来调控电磁波在空间中的相位以及幅度的分布。相比三维超材料，超表面在以下几个方面表现出巨大的优势：首先，超表面具有亚波长厚度，因此其在体积和重量上要远小于三维超材料，这非常有助于器件的小型化；其次，在太赫兹、红外以及可见光波段加工具有三维立体结构的超材料具有很大的挑战性，而超表面由于只具有单层或者两至三层结构，因此采用标准的光刻流程便可轻易地加工微纳尺度级别的超表面，无论是加工难度还是成本均远小于三维超材料；最后，超表面因其超薄的优良特性，可加工在柔性介质上，形成可弯折、可共形、柔性的超材料。

美国哈佛大学的Capasso教授团队在2011年的《科学》期刊上提出了广义斯涅耳定律，即通过引入相位突变的概念，从而使分界面沿切向方向有跳变的相位，这便将传统的斯涅耳定律扩展到了广义斯涅耳定律。这些具有不同突变相位的天线以梯度或者某种特定相位分布在平面上排列，构成单层新型人工电磁表面，这种方法极大地增强了新型人工电磁表面对电磁波的调控能力。随后，这一思路被广泛用于设计一系列调控电磁波的器件中，使得超表面太赫兹器件的大范围应用成为可能。

目前太赫兹滤波器的制作大部分利用光刻工艺，利用光刻制作带有图形的滤波器单元。但光刻工艺成本高，过程繁杂，不利于广泛应用。

发明内容

(一)本发明所要解决的技术问题

本发明解决的技术问题是：如何降低太赫兹滤波器的制作工艺的复杂度和降低成本。

(二)本发明所采用的技术方案

为解决上述的技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于超表面的太赫兹滤波器的制作方法，包括：

提供衬底并对所述衬底进行预处理；

在所述衬底上形成第一谐振层；

在所述第一谐振层上形成第一介质层；

对所述第一介质层的部分区域进行激光诱导处理，以在所述第一介质层中形成第二谐振层，其中，所述第二谐振层厚度小于所述第一介质层的厚度。

优选地，所述预处理的具体步骤包括：依次对所述衬底进行抛光处理和清洗处理。

优选地，所述第一谐振层的材料为钼、金、银或铜，所述第一谐振层的厚度为1.5μm～1.8μm。

优选地，所述第一介质层的材料为聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷，所述第一介质层的厚度为75μm～100μm。

优选地，对所述第一介质层的部分区域进行激光诱导处理的具体步骤包括：

采用预设功率值的脉冲激光按照预设轨迹对所述第一介质层的部分区域进行扫描，使得所述第一介质层的被扫描的部分石墨化形成第二谐振层。

优选地，所述预设功率值为30～50W/mm²，脉冲激光的扫描速度为40～70mm/s，所述第二谐振层的厚度为10～30μm。

优选地，所述第二谐振层沿垂直于厚度方向的剖面形状为矩形，且所述矩形的一边具有缺口。

本发明还提供了一种基于超表面的太赫兹滤波器，包括：

第一谐振层；

第一介质层，设置于所述第一谐振层上；

第二谐振层，形成于所述第一介质层中，且所述第二谐振层的厚度小于所述第一介质层的厚度。

优选地，所述的第二谐振层的背向所述第一谐振层的表面与所述第一介质层的背向所述第一谐振层的表面平齐。

优选地，所述第二谐振层沿垂直于厚度方向的剖面形状为矩形，且所述矩形的一边具有缺口。

(三)有益效果

本发明公开了一种基于超表面的太赫兹滤波器的制作方法，与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

利用激光直写的方法制作第二谐振层与传统的光刻方法相比程序简单，可以有效地提高效率；同时激光直写设备与光刻系统相比节约很多的成本，有利于大范围推广；其次激光功率的不同会使得聚酰亚胺的石墨化程度不同，滤波器对太赫兹波的滤过作用也会发生变化，可以较方便地得到多种不同效果的滤波器单元。

附图说明

图1是本发明的实施例的基于超表面的太赫兹滤波器的制作方法的流程图；

图2是本发明的实施例的基于超表面的太赫兹滤波器的剖面图；

图3是本发明的实施例的基于超表面的太赫兹滤波器的俯视图；

图4是本发明的实施例的经过激光诱导后的聚酰亚胺层的拉曼光谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

为了解决目前利用光刻工艺制作太赫兹滤波器时工艺繁杂且工艺成本较高的技术问题。本发明采用激光直写的方式制作滤波器，与光刻工艺相比过程简单，省去了涂光刻胶以及曝光显影过程；同时与光刻系统相比激光直写设备省去了光刻胶等中间耗材的使用，节约了成本，有利于大范围推广。其中，如图1所示，本发明的实施例一的基于超表面的太赫兹滤波器的制作方法包括如下步骤：

步骤S10：提供衬底并对所述衬底进行预处理。

具体地，衬底优选采用硅基底，预处理的过程包括抛光处理和清洗处理。进一步地，将单面抛光的衬底置于洗片架上，洗片架放入清洗容器中，接着依次利用丙酮、无水乙醇与去离子水超声清洁15分钟，最后取出衬底用干燥的氮气吹干双面。一般刚刚打开包装的硅片上依然会残留污物，这些污物可以分为无机颗粒物与有机污物。利用丙酮与无水乙醇的组合可以去除绝大部分的有机污物，最后一步的去离子水可以冲洗掉前面溶解的有机污物以及过量的丙酮与无水乙醇；同时这三种液相去污剂在超声波的作用下可以粉碎并溶解无机颗粒物，多种方式共同清洗硅片表面可以提高硅片表面的光洁度与平整度，保证后续的镀膜效果。

步骤S20：在所述衬底上形成第一谐振层10。

具体地，如图2所示，采用直流磁控溅射法溅射第一谐振层10，其中第一谐振层10的材料选用钼金属、金、银或铜。将经过预处理的衬底放入预真空腔，待腔室压强小于1Pa后打开溅射腔与预真空腔之间的阀门，将衬底送入溅射腔固定架上，控制溅射腔基底真空低于2×10^-4Pa，调节氩气流量为20～22sccm，调节腔室压强为1.8～2.0Pa，溅射功率500～600W，启动固定架运动装置，使衬底在靶上方循环运动20次左右，得到厚度为1.5～1.8μm的第一谐振层10。待衬底冷却后将其从溅射腔取出至预真空腔，然后取出到室温环境。作为优选实施例，控制溅射腔基底真空为2×10^-4Pa，氩气流量为22sccm，腔室压强2.0Pa，溅射功率500W，运动装置循环运动20次，得到厚度为1.8μm的第一谐振层10。

步骤S30：在所述第一谐振层10上形成第一介质层20。

作为优选实施例，第一介质层20的材料采用聚酰亚胺。首先制作聚酰胺酸溶液，具体的制作方法为：在装配有搅拌器、温度计和氮气通入口的三口烧瓶中，取6.4323g(0.0321mmol)4，4′-二氨基二苯醚(ODA)溶解于50ml的极性非质子溶剂中，搅拌使溶液澄清。然后向该溶液中一次性加入均苯四甲酸二酐(PMDA)7.0067g(0.0321mmol)，搅拌使之完全溶解后在氮气保护环境下继续反应24小时，调节溶剂的用量，得到按重量比的固含量为13wt％的聚酰胺酸溶液，最后将其放入干燥箱中常温下抽至真空放置10min左右，除去溶液中的气泡。

进一步地，用涂布仪将该聚酰胺酸溶液涂覆在第一谐振层10上，然后放置在水平流延加热台上，从室温逐渐升至60℃后，保持两小时。将该涂有聚酰胺酸溶液的第一谐振层10放置在带有氮气保护的真空干燥箱中抽真空，抽至箱内压强为80Pa，然后充入氮气至大气压，按照如下程序进行升温：在80℃温度下，保持2小时；接着在120℃温度下，保持2小时；接着在150℃温度下，保持1小时；接着在200℃温度下，保持1小时；接着在250℃温度下，保持1小时；接着在300℃温度下，保持1小时；接着在360℃温度下，保持1小时，以形成聚酰亚胺薄膜。然后将该聚酰亚胺薄膜置于100℃干燥箱中干燥2小时，最终得到厚度为75μm-100μm的第一介质层20。本实施例中采用前述方案，优选得到厚度为90μm的第一介质层20。当然在其他实施方式中，第一介质层20的材料还可采用聚二甲基硅氧烷。

利用涂布方法制作的第一介质层20颜色均一，表面平整，可以透过太赫兹波，同时第一介质层化学性质稳定，其热分解温度约为500℃，玻璃化转变温度约为350℃；在脉冲激光作用下聚酰亚胺材料会分解，产生类似于石墨烯的片层结构。

步骤S40：对所述第一介质层10的部分区域进行激光诱导处理，以在所述第一介质层20中形成第二谐振层30，其中，所述第二谐振层30厚度小于所述第一介质层20的厚度。

具体来说，采用预设功率值的脉冲激光按照预设轨迹对所述第一介质层20的部分区域进行扫描，使得所述第一介质层20的被扫描的部分石墨化形成第二谐振层30。采用波长为532nm的脉冲激光，光斑直径为200um，预设功率值为30～50W/mm²，扫描速度为40～70mm/s，得到厚度为10～30μm的第二谐振层30。优选地，本实施例采用532nm波长的脉冲激光，光斑直径200μm，功率为50W/mm²，扫描速度为70mm/s制作第二谐振层30。

进一步地，第二谐振层30沿垂直于厚度方向的剖面形状为矩形，且所述矩形的一边具有缺口。优选地，矩形长8cm，宽6m，线宽1cm；缺口在矩形一长边，缺口宽3cm；第二谐振层厚度10μm。

因此，利用激光直写技术在第一介质层30上诱导聚酰亚胺石墨化形成具有高粗糙度的图形化的第二谐振层30。经过激光诱导后的聚酰亚胺层具有导电性，电场以及磁场在滤波器两侧产生的相位以及幅度的突变特性，以此来调控电磁波在空间中的相位以及幅度的分布。图4示出了激光诱导后聚酰亚胺层的拉曼光谱，石墨烯的拉曼光谱有三个特征峰位，分别是1360cm^-1附近的D峰，1580cm^-1附近的G峰，还有2700cm^-1附近的2D峰，而聚酰亚胺材料在这些波数下是没有峰位的。根据图4可知，激光诱导后聚酰亚胺层的拉曼光谱峰位与石墨烯的峰位基本一致，说明聚酰亚胺层的石墨化效果很好。

通过实验验证第二谐振层30的厚度等参数与脉冲激光的功率以及扫描速度相关。在激光功率固定的情况下，扫描速度越快第二谐振层30的厚度越小，但第二谐振层30上各部分石墨化效果一致，不存在不均匀现象。同时在扫描速度固定的情况下，激光功率越大第二谐振层30的厚度越大，各部分转变均匀且无不一致现象。因聚酰亚胺石墨化后其电阻与未转变之前相差巨大，可预测不同功率的激光诱导后的材料因其结构的不同其电阻会有不同。因此通过控制激光功率以及扫描速度会得到不同效果的太赫兹滤波器。

与现有技术相比，采用钼与聚酰亚胺材料制作的太赫兹滤波器可以有效地节约成本；利用激光直写的方法制作第二谐振层与传统的光刻方法相比程序简单，可以有效地提高效率；同时激光直写设备与光刻系统相比节约很多的成本，有利于大范围推广；其次激光功率的不同聚酰亚胺的石墨化程度不同，滤波器对太赫兹波的滤过作用也会发生变化，可以较方便地得到多种不同效果的滤波器单元。

实施例二

如图2和图3所示，本实施例二公开的基于超表面的太赫兹滤波器包括第一谐振层10、第一介质层20和第二谐振层30，其中，第一介质层20设置于所述第一谐振层10上，第二谐振层30形成于第一介质层20中，且第二谐振层30的厚度小于第一介质层20的厚度。

进一步地，第二谐振层30的背向第一谐振层10的表面与第一介质层20的背向第一谐振层10的表面平齐。第二谐振层30沿垂直于厚度方向的剖面形状为矩形，且所述矩形的一边具有缺口。

优选地，第一谐振层10的材料选用钼金属，第一谐振层10的厚度为1.5μm～1.8μm；第一介质层20的材料为聚酰亚胺，第一介质层20的厚度为75μm-100μm；第二谐振层30的厚度为10μm～30μm。

上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。