磨料磨具网

       引言

       自然界的气体、化学物质和生物分子在其各自的电磁波频谱中有着独特的旋转振动模式，对这些物质进行分析和监测就要运用到太赫兹遥感技术。太赫兹是频率单位，等于1,000,000,000,000Hz，通常用于表示电磁波频率。而目前，制约太赫兹遥感技术发展的主要问题则是缺少大功率源和高度灵敏的探测器。而传统的金属天线和波导管的辐射率又太低且容易和衬底发生强烈耦合。对此，通过利用氧化硅介电矩阵金属夹杂的方法研制出了介电常数很高的新型人工介电层（ADL）。        图一是基于ADL膜的碳化硅基本原理图：上方是片状材料的排列和设计详图，下方是横截面。每片材料相互间的垂直距离为3μm。晶片背面采用氢氧化钾湿蚀刻处理以方便测量ADL膜的光学性能。        图二中，左图为晶片背面观察角度下的PECVD碳化硅薄膜缩影照片；右图为扫描电子显微镜下10μm厚度的碳化硅薄膜横截面。
       由于氧化硅的介电常数相对较低（ε=4），对应介电层（ADL）的整体厚度也就比较大，约有5层结构35μm左右。但这样厚度的介电层其性能明显受到影响。因此，需要设计出更薄的ADL结构。
       图一中，新型的ADL膜是由绝缘片和金属片交替叠加沉积而成。通过修整结构的外形，在太赫兹频率范围内实现了光学性能增强型的均匀介质。实验采用等离子增强化学气相沉积碳化硅（PECVD SiC）作为介电层，并把该层的折射率调整在太赫兹频率范围之内。传统的集成电路工艺先生产出大量的碳化硅薄膜，然后利用时域频谱学技术对其光学性能进行分析；而这种新型的碳化硅ADL膜通过一种内部开发模拟工具对ADL结构进行调整以实现在0.8-1.2THz范围内9.9的折射率。

       实验

       实验采用P型100mm的硅晶片来生产SiC薄膜。首先，在硅晶片上沉淀出一层150nm的低应力低压化学气相沉积（LPVCD）氮化硅膜，该层薄膜用于晶片背面的硅湿蚀刻并保护正面的SiC层，以防止SiC膜沉积过程中出现弯曲变形和炸裂。然后，使用SiH4和CH4充当催化剂，通过调整催化剂量，沉积层的应力被降至25Mpa，最终利用Novellus-Concept PECVD反应器沉积出5mm×5mm大小的SiC膜（如图二）。实验采用Tauc-Lorentz色散关系法利用椭圆偏振光谱来测定薄膜的厚度和光学性能（如图三）。SiC层沉积完毕后，在85℃的条件下对背面的氮化硅层进行氢氧化钾湿蚀刻，时间为5.5小时。最后将晶片切割，将单个模嵌入太赫兹时域光谱测定仪（TDS）（如图四）。        图五，左图为TDS测定仪测出的SiC层折射率，在1THz时出现峰值5；右图为基于SiC的人工介电层的折射率。

       结论

       实验采用TDS（太赫兹时域光谱仪）测定SiC的折射率，详细过程如图四所示。赫兹波束从短激光脉冲开始，直射GaP电光活性晶体，由此产生的辐射被两扇抛物柱面镜接收，然后直射到SiC薄膜上并与SiC发生反应，随后发出的波束又被收集并直射到探测器上。图5（左）显示了太赫兹频率下SiC层的折射率，1THz处出现宽峰，最大值为5，这是PECVD SiC的折射率的2.5倍。本实验的工作频率为1THz，所有组件都做了对应测量（图一）。图5（右）的模拟显示1THz时ADL膜的折射率为9.9。（原作者：G. Fiorentinoa,W.Syedb, A.Adamc, A. Netob and P.M. Sarroa。翻译：中国磨料磨具网）