[发明专利]一种太赫兹双波段带阻式滤波器谐振单元及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹技术和半导体微加工技术领域，具体涉及一种用于天文探测的太赫兹双波段带阻式滤波器谐振单元及其制造方法。

背景技术

太赫兹波(Terahertz，简称THz)是指在微波和红外光谱之间，频率范围为0.1THz到10THz的电磁波(1THz＝10¹²Hz)，在电磁波谱上位于超高频率微波到远红外辐射之间的特殊区域。星系演化过程中伴随产生的星际分子的特征信号主要集中在毫米波及亚毫米波范围，对应频率从0.2THz到2THz的电磁波段，这一波段是THz天文探测的窗口波段。然而，空气中的水分子的特征波段也正好位于这一频段中，其主要的两个特征谱线分别位于1.01THz和1.38THz附近。如果要针对某个特定天文物理过程开展研究，就必须抓住相对某一星际分子特征信号来探测，同时抑制其它频率与之接近的辐射信号的干扰，特別是大气中的水分子振动对THz的吸收，提高观测精度和图像质量。因此，1.01THz和1.38THz为中心频率的THz带阻滤波器就成为了用于THz天文探测技术相配套的重要元件。

当前，主要面向天文探测的THz滤波器都是基于人工微结构的器件。第一种是金属网格滤波器。如美国VDI公司和英国的THzinstruments公司提供的金属网格滤波器，被我国和欧美国家广泛用于THz天文观测研究。该产品已经问世20年了，网格式滤波器具有高透过率的优点，但是一般响应频率都很宽，往往作成低通或高通滤波器，而并没有专门抑制水分子振动的滤波器。第二种是在金属箔上加工周期性排列的小孔，利用通过的THz光子激发金属表面等离子体(SPs)，实现特定频率THz电磁辐射的异常透射增强，从而获得高带外抑制比的THz滤波器，其最大透过率为90％。对于第二种滤波器，按照表面等离子体共振的原理，激发SPs是多模式的，能够在多个频率上形成多峰透射，只是最低阶模的异常透射最强而已，在天文观测中，高阶SPs模带来的透射也会为观测引入噪声。

发明内容

本发明瞄准当前THz天文探测领域的技术需求，提供一种太赫兹双波段带阻式滤波器谐振单元，由半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底和衬底上的金属层构成，半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底的厚度为625μm，金属层由依次形成在衬底上的5nm厚的钛金属层和120nm厚的金金属层构成，在金属层中形成有谐振结构阵列，所述谐振结构的几何结构由一对开口方向呈镜像对称分布的”凹”字形开口谐振环(SRR)和金属线谐振条(wire)组成；所述”凹”字形开口谐振环(SRR)以金属线谐振条(wire)所在直线为对称轴，所述”凹”字形开口谐振环(SRR)以开口方向呈镜像对称分布。

其中，每个谐振结构的金属线谐振条(wire)长36μm、宽4μm，“凹”字形开口谐振环(SRR)底边长为40μm，两侧高12μm，中间开口下凹处的距离为8μm，整个”凹”字形开口谐振环(SRR)的宽度为4μm；“凹”字形开口谐振环(SRR)两侧高处到其近端的金属线谐振条(wire)的长边沿的距离为4μm；所述谐振结构的大小为40μm×40μm矩形区域，并具有纵轴和横轴两个方向上的轴对称性，每个谐振结构形成在60μm×60μm的矩形区域中央。

此外，所述谐振单元所覆盖的区域面积为为10mm×10mm的矩形区域，包括多个相邻设置的60μm×60μm的矩形区域，每个60μm×60μm的矩形区域上形成有一个40μm×40μm的谐振结构。

还提供所述太赫兹双波段带阻式滤波器谐振单元的制造方法，包括以下步骤：

第一步：将半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于去离子水中，并超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后将表面吹干；

第二步：将光刻胶滴在半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面，并进行匀胶、甩胶操作，使得胶厚<1.5μm；

第三步：对涂胶后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底进行操作，固化光刻胶；

第四步：将光掩膜版十字架阵列图形转移到半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上，并显影、清洗；

第五步：在干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上依次镀上5nm厚的钛和120nm厚的金；

第六步：将金属化后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)浸泡在预先准备好的99.999％纯度丙酮溶剂中，利用丙酮渗透固化后的光刻胶，将胶面上的金属剥离半绝缘砷化镓(SI-GaAs)表面，而没有光刻胶保护的金属部分留在半绝缘砷化镓(SI-GaAs)上，从而获得复合结构阵列谐振单元。