基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法

技术特征：
1.基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法，采用硅晶圆片作为硅衬底片，其特征在于，操作步骤如下：（1）制作金属辅助化学刻蚀金属层图案在硅衬底片（1）的被加工面上旋涂第一光刻胶层（2），进行第一次光刻；利用电子束光刻技术在第一光刻胶层（2）上光刻出一条以上的第一矩形槽（3），并将一条以上的第一矩形槽（3）外周的四个角上分别光刻出四个十字对准标记槽（4）；在一条以上的第一矩形槽（3）内镀金属形成第一镀金属层（5），在四个十字对准标记槽（4）内镀金属形成镀金属十字标记层（6）；去除第一镀金属层（5）和镀金属十字标记层（6）以外的光刻胶层（2）；在具有第一镀金属层（5）和镀金属十字标记层（6）的硅衬底片（1）的表面旋涂第二光刻胶层（7）；光刻并显影出一条以上的第二矩形槽（8）；使用电子束蒸发设备，在第二矩形槽（8）内镀金属形成第二镀金属层（9），去除第二镀金属层（9）以外的第二光刻胶层（7）；所述一条以上的第一矩形槽（3）和一条以上的第二矩形槽（8）为二种以上的尺寸；（2）金属辅助化学刻蚀采用金属辅助化学刻蚀方法，常温下对一条以上的第一矩形槽（3）内的第一镀金属层（5）和一条以上的第二矩形槽（8）内的第二镀金属层（9）进行刻蚀，向下刻蚀到硅衬底片（1）上，在硅衬底片（1）上刻蚀出二个以上深度的矩形腔体（10）、刻蚀出四个相同深度的十字对准凹槽（11）；采用王水溶液去除残留在矩形腔体（10）底部和十字对准凹槽（11）底部的金属；（3）icp制作大尺寸腔体结构在具有二个以上深度的矩形腔体（10）的硅衬底片（1）的表面上生长二氧化硅层（12），使二氧化硅填平除去四个相同深度的十字对准凹槽（11）以外的二个以上深度的矩形腔体（10），磨平二氧化硅层（12）；在二氧化硅层（12）上旋涂液性光刻胶层（13）；在四个十字对准凹槽（11）限定的区域内，采用套刻对准曝光技术曝光、显影出相邻矩形腔体（10）之间和最外两侧矩形腔体（10）外侧的三个以上的腔体图案层（14），并去除腔体图案层（14）内的液性光刻胶层（13）和二氧化硅层（12）；采用电感耦合等离子体刻蚀向下刻蚀出除三个以上的腔体图案层（14）内的硅衬底片（1）上材料，得到深度相同的三个以上的腔体（15），保留填平的二个以上深度的矩形腔体（10）内的二氧化硅层（12），去除二氧化硅层（12）表面的液性光刻胶层（13）；（4）去除二氧化硅层采用氢氟酸去除剩余其他部位的二氧化硅层（12），得到深度相同、隔壁高度不同的三个以上的矩形谐振腔（16）；整个太赫兹腔体结构制作完成；（5）溅射金属，晶圆键合在三个以上的矩形谐振腔（16）的内表面和硅衬底片（1）的表面均匀溅射金层（18）；通过键合金层（19）将新硅晶圆片（17）键合在具有三个以上的矩形谐振腔（16）的硅衬底片（1）的表面上，得到具有高度差异太赫兹空气腔体的结构件。2.根据权利要求1所述基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法，其特征在于，具体操作步骤如下：（1）制作金属辅助化学刻蚀金属层图案（1.1）第一次曝光、显影、沉积金属层
在硅衬底片（1）的被加工面上旋涂第一光刻胶层（2）；采用电子束光刻技术ebl，将第一矩形槽（3）的图形和外周的四个角上的四个十字对准标记槽（4）的图形转移到第一光刻胶层（2）上，遮挡住需要保留的光刻胶部分，曝光、显影需要去除的光刻胶部分，得到一条以上的第一矩形槽（3）和四个十字对准标记槽（4）；使用电子束蒸发设备，在第一矩形槽（3）内镀四层金属形成第一镀金属层（5），同时在四个十字对准标记槽（4）内镀四层金属形成镀金属十字标记层（6）；所述第一镀金属层（5）的材料和镀金属十字标记层（6）的材料相同，均为由下向上分别为钛层、第一金层、镍层和第二金层；用去胶液n-甲基吡咯烷酮在环境温度50℃条件下去除第一镀金属层（5）和四个镀金属十字标记层（6）以外的第一光刻胶层（2）；（1.2）第二次曝光、显影、沉积金属层在硅衬底片（1）整个表面旋涂第二光刻胶层（7）；光刻并显影出一条以上的第二矩形槽（8）；使用电子束蒸发设备，在一条以上的第二矩形槽（8）内镀两层金属层形成第二镀金属层（9），所述两层金属层由下向上为钛层和银层；去除第二镀金属层（9）以外的第二次光刻胶层（7）；（2）金属辅助化学刻蚀将硅衬底片（1）金属图案面向上，放入装有刻蚀液的反应腔室内，通过将反应腔室上下两个电磁铁通电流，对硅衬底片（1）上带有磁性材料的第一镀金属层（5）和四个镀金属十字标记层（6）产生一个向下的磁场引导力；常温下对二个以上尺寸的第一矩形槽（3）和第二矩形槽（8）内的第一镀金属层（5）和第二镀金属层（9）和进行刻蚀，向下刻蚀到硅衬底片（1）上，在硅衬底片（1）上刻蚀出二个以上深度的矩形腔体（10）；四个相同深度的十字对准凹槽（11）；采用王水溶液去除残留在二个以上深度的矩形腔体（10）底部和四个相同深度的十字对准凹槽（11）底部的金属；（3）icp制作大尺寸腔体结构（3.1）生长、抛光二氧化硅层采用化学气相沉积设备（cvd）在具有二个以上深度的矩形腔体（10）的硅衬底片（1）表面上生长二氧化硅层（12），使二氧化硅填平二个以上深度的矩形腔体（10），有对准标记的地方用硬掩膜遮挡，再用化学机械抛光（cmp）法磨平二氧化硅层（12）；（3.2）套刻、对准曝光矩形腔体图案在二氧化硅层（12）上旋涂液性光刻胶层（13）；在四个十字标记凹槽（11）限定的区域内，采用套刻对准曝光技术曝光大尺寸矩形图案，显影出相邻矩形腔体（10）之间和最外两侧矩形腔体（10）外侧的三个以上的腔体图案层（14）；并去除腔体图案层（14）内的液性光刻胶层（13）和二氧化硅层（12）；（3.3）icp刻蚀、去胶采用电感耦合等离子体刻蚀（icp）向下刻蚀出除三个以上的腔体图案层（14）内的硅衬底片（1）上材料，得到深度相同的三个以上的腔体（15）；用去胶液az400t在环境温度50℃条件下，完全去除硅衬底片（1）其它部位的液性光刻胶层（13）；（4）去除二氧化硅层采用氢氟酸去除剩余其他部位的和二氧化硅层（12），得到深度相同、隔壁高度不同的三个以上的矩形谐振腔（16）；整个太赫兹腔体结构制作完成；
（5）溅射金属，晶圆键合在具有三个以上的矩形谐振腔（16）的硅衬底片（1）表面均匀溅射金层（18）；通过键合金层（19）将新硅晶圆片（17）键合在具有三个以上的矩形谐振腔（16）的硅衬底片（1）表面上，得到具有高度差异太赫兹空气腔体的结构件。3.根据权利要求1所述基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述第一光刻胶层（2）的材料和第二光刻胶层（7）的材料均为pmma光刻胶。4.根据权利要求1所述基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述第二金属层（9）的材料为由下向上的钛层和银层构成。5.根据权利要求1所述基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，光刻镀金属层的面积对刻蚀速率的影响，在一定范围内随着镀金属层的面积越大刻蚀速率越小：金属薄膜材料相同，图案厚度相同，不施加磁场情况下，图案半径200nm时，刻蚀速率120nm/min；图案半径400nm时，刻蚀速率160nm/min；图案半径500nm时，刻蚀速率180nm/min；图案半径600nm时，刻蚀速率170nm/min；图案半径800nm时，刻蚀速率140nm/min；图案半径1000nm时，刻蚀速率120nm/min；则在这种情况下刻蚀十分钟，图案半径为500nm时，刻蚀深度为1.8μm，图案半径为800nm时，刻蚀深度为1.4μm，形成高度差异0.4μm的腔体结构；光刻镀金属层的厚度对刻蚀速率的影响，在一定范围内随着镀金属层的厚度越大刻蚀速率越小：金属薄膜材料相同，图案大小相同，不施加磁场情况下：镀金薄膜厚度为20nm时，刻蚀速率190nm/min；镀金薄膜厚度30nm时，刻蚀速率350nm/min；镀金薄膜厚度40nm时，刻蚀速率220nm/min；镀金薄膜厚度50nm时，刻蚀速率180nm/min；刻蚀时间十分钟，金薄膜厚度为30nm时刻蚀深度为3.5μm，金薄膜厚度为40nm时刻蚀深度为2.2μm，形成高度差异为1.3μm的腔体结构；所镀金属层的材料不同也会影响刻蚀速率，例如金作为催化剂层的刻蚀效果要好于银；金作为催化剂金属刻蚀速率大于银作为催化剂金属的速率；从而在相同时间，刻蚀的深度不同；金属薄膜图案大小相同，厚度相同，不施加磁场情况下：当金属薄膜材料为金时，刻蚀速率180nm/min；当金属材料为银时：刻蚀速率140nm/min；当金属材料为铂时：刻蚀速率300nm/min；当金属材料为钌时：刻蚀速率500nm/min；刻蚀时间十分钟，金属材料为金层刻蚀深度为3μm，金属材料为银层刻蚀深度为1.2μm，形成高度差异为1.8μm的腔体结构；在金属辅助化学刻蚀的过程中，通过在刻蚀腔室上下加入电磁铁，形成均匀梯度场，对所镀金属层中的磁性金属材料镍产生一个向下的引导力，从而加快向下刻蚀速率；金属薄膜材料相同，图案大小相同，厚度相同：不施加磁场情况下，刻蚀速率170nm/min；向下施加2t磁场强度，刻蚀速率490nm/min；刻蚀十分钟，未对金属层施加磁场刻蚀深度1.8μm，对金属层图案施加向下磁场刻蚀深度4.9μm，形成高度差异为3.1μm的腔体结构。6.根据权利要求1所述基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述液性光刻胶层（13）的材料为az5214液性光刻胶。7.根据权利要求1所述基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法，其特征在于：二个以上深度的矩形腔体（10）是通过控制刻蚀时间来控制刻蚀的深度，由于硅衬底片（1）上图案尺寸大小、厚度、种类以及是否施加磁场引导影响刻蚀速率，使得刻蚀
结束后得到具有高度差异的腔体结构。

技术总结
本发明涉及基于金属辅助化学刻蚀的太赫兹高度差腔体器件的制备方法，属于微纳米器件技术领域。操作步骤：（1）在硅衬底片上金属辅助化学刻蚀出第一矩形槽、四个十字对准标记槽和第二矩形槽图案；（2）在硅衬底片上金属辅助化学刻蚀出二个以上矩形腔体和四个十字对准凹槽；（3）ICP制作出深度相同的三个以上腔体结构；（4）去除二氧化硅层，得到深度相同、隔壁高度不同的三个以上矩形谐振腔；（5）在矩形谐振腔表面均匀溅射金层，通过键合金层将新硅晶圆片键合在硅衬底片上，得到具有高度差异太赫兹空气腔体的结构件。用于制作滤波器的公差为5～30nm、垂直度为89


技术研发人员：黄文 孙颜 汪司琪 刘广儒 桑磊
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2022.08.30
技术公布日：2022/11/18