引言

       自然界的氣體、化學(xué)物質(zhì)和生物分子在其各自的電磁波頻譜中有著獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)模式，對這些物質(zhì)進(jìn)行分析和監(jiān)測就要運(yùn)用到太赫茲遙感技術(shù)。太赫茲是頻率單位，等于1,000,000,000,000Hz，通常用于表示電磁波頻率。而目前，制約太赫茲遙感技術(shù)發(fā)展的主要問題則是缺少大功率源和高度靈敏的探測器。而傳統(tǒng)的金屬天線和波導(dǎo)管的輻射率又太低且容易和襯底發(fā)生強(qiáng)烈耦合。對此，通過利用氧化硅介電矩陣金屬夾雜的方法研制出了介電常數(shù)很高的新型人工介電層（ADL）。        圖一是基于ADL膜的碳化硅基本原理圖：上方是片狀材料的排列和設(shè)計(jì)詳圖，下方是橫截面。每片材料相互間的垂直距離為3μm。晶片背面采用氫氧化鉀濕蝕刻處理以方便測量ADL膜的光學(xué)性能。        圖二中，左圖為晶片背面觀察角度下的PECVD碳化硅薄膜縮影照片；右圖為掃描電子顯微鏡下10μm厚度的碳化硅薄膜橫截面。
       由于氧化硅的介電常數(shù)相對較低（ε=4），對應(yīng)介電層（ADL）的整體厚度也就比較大，約有5層結(jié)構(gòu)35μm左右。但這樣厚度的介電層其性能明顯受到影響。因此，需要設(shè)計(jì)出更薄的ADL結(jié)構(gòu)。
       圖一中，新型的ADL膜是由絕緣片和金屬片交替疊加沉積而成。通過修整結(jié)構(gòu)的外形，在太赫茲頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)性能增強(qiáng)型的均勻介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積碳化硅（PECVD SiC）作為介電層，并把該層的折射率調(diào)整在太赫茲頻率范圍之內(nèi)。傳統(tǒng)的集成電路工藝先生產(chǎn)出大量的碳化硅薄膜，然后利用時(shí)域頻譜學(xué)技術(shù)對其光學(xué)性能進(jìn)行分析；而這種新型的碳化硅ADL膜通過一種內(nèi)部開發(fā)模擬工具對ADL結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)在0.8-1.2THz范圍內(nèi)9.9的折射率。

       實(shí)驗(yàn)

       實(shí)驗(yàn)采用P型100mm的硅晶片來生產(chǎn)SiC薄膜。首先，在硅晶片上沉淀出一層150nm的低應(yīng)力低壓化學(xué)氣相沉積（LPVCD）氮化硅膜，該層薄膜用于晶片背面的硅濕蝕刻并保護(hù)正面的SiC層，以防止SiC膜沉積過程中出現(xiàn)彎曲變形和炸裂。然后，使用SiH4和CH4充當(dāng)催化劑，通過調(diào)整催化劑量，沉積層的應(yīng)力被降至25Mpa，最終利用Novellus-Concept PECVD反應(yīng)器沉積出5mm×5mm大小的SiC膜（如圖二）。實(shí)驗(yàn)采用Tauc-Lorentz色散關(guān)系法利用橢圓偏振光譜來測定薄膜的厚度和光學(xué)性能（如圖三）。SiC層沉積完畢后，在85℃的條件下對背面的氮化硅層進(jìn)行氫氧化鉀濕蝕刻，時(shí)間為5.5小時(shí)。最后將晶片切割，將單個(gè)模嵌入太赫茲時(shí)域光譜測定儀（TDS）（如圖四）。        圖五，左圖為TDS測定儀測出的SiC層折射率，在1THz時(shí)出現(xiàn)峰值5；右圖為基于SiC的人工介電層的折射率。

       結(jié)論

       實(shí)驗(yàn)采用TDS（太赫茲時(shí)域光譜儀）測定SiC的折射率，詳細(xì)過程如圖四所示。赫茲波束從短激光脈沖開始，直射GaP電光活性晶體，由此產(chǎn)生的輻射被兩扇拋物柱面鏡接收，然后直射到SiC薄膜上并與SiC發(fā)生反應(yīng)，隨后發(fā)出的波束又被收集并直射到探測器上。圖5（左）顯示了太赫茲頻率下SiC層的折射率，1THz處出現(xiàn)寬峰，最大值為5，這是PECVD SiC的折射率的2.5倍。本實(shí)驗(yàn)的工作頻率為1THz，所有組件都做了對應(yīng)測量（圖一）。圖5（右）的模擬顯示1THz時(shí)ADL膜的折射率為9.9。（原作者：G. Fiorentinoa,W.Syedb, A.Adamc, A. Netob and P.M. Sarroa。翻譯：中國磨料磨具網(wǎng)）