12、太赫兹技术：硅微加工的潜力与挑战

最新推荐文章于 2025-10-01 04:25:47 发布

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太赫兹技术：硅微加工的潜力与挑战

1. 引言

近年来，由于对高速太赫兹（THz）链路更高数据速率的巨大需求，亚毫米波（submmW）或太赫兹研究获得了前所未有的关注和发展动力。太赫兹成像凭借其高分辨率能力，在监视和医疗等领域有着广泛应用。太赫兹射线是非电离辐射，不会在人体组织中引发有害化学反应，这一特性使其在生物医学应用中极具吸引力。

然而，太赫兹频段存在着极大的局限性，即极高的大气衰减，这促使了近年来高增益天线的发展。此外，太赫兹频率范围处于亚毫米区域，制造极小的设备和系统组件需要两种主要的先进技术：计算机数控（CNC）铣削和硅微加工。目前，太赫兹系统主要由CNC铣削制造，虽然CNC铣削近年来在精度和可靠性方面达到了较高水平，但它缺乏大规模生产的能力，导致整个过程既耗时又昂贵。相比之下，硅微加工技术适用于大规模生产，能提供微米级甚至更小的制造精度，还能获得表面粗糙度在纳米范围内的良好表面轮廓，减少太赫兹频段因表面粗糙度导致的损耗，并且能够制造其他制造技术难以实现的高纵横比几何形状。因此，许多物理、惯性、生物传感器、麦克风以及射频/微波设备都采用这种技术制造。

2. 太赫兹技术的潜力与挑战

2.1 太赫兹频段概述

太赫兹频段的频率范围大致从300 GHz到3 THz，对应的波长为1 mm到100 µm，因此也被称为亚毫米波频段。由于缺乏实用的技术来产生和检测毫米波及以下光学频段的辐射，在100 GHz以上到几太赫兹的频谱中存在一个缺口，即“太赫兹间隙”。

2.2 太赫兹技术的潜力

非电离特性 ：太赫兹波的光子能量不足以从人体组织中的原子/分子中敲出电子，不会引发体内有害的化学反应，适用于生物医学应用，如肿瘤检测、脑部成像和全身扫描等。
气体和物质检测 ：太赫兹波能够远程检测有害气体和物质。许多自然和人造的气态分子，如氨（NH₄）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H₂S）和甲醇（CH₃OH）等，在太赫兹频率下会吸收光子，这些吸收带可作为这些有害气体的化学指纹。
宇宙信息探测 ：宇宙在亚毫米波长和远红外（100 GHz - 10 THz）辐射以及宇宙微波背景（CMB）辐射方面辐射最强，太赫兹频段包含了有关行星、恒星、星系和星团起源的信息，可用于天文学和天体物理学研究。
广泛应用领域 ：太赫兹技术在医疗成像、气体检测、地球大气监测、国土安全和监视等传感器开发方面具有广泛的应用前景。

2.3 太赫兹技术的挑战

大气衰减 ：大气衰减是太赫兹频段用于长距离通信和雷达的主要障碍。例如，产生一个1 W、频率为1 THz的信号，在传播仅1 km后，其强度将逐渐减弱至几乎为零（仅保留原始强度的10% - 30%）。
信号穿透能力有限 ：太赫兹信号在盐溶液（可近似代表人体组织）中传播仅1 mm后，其功率将降至原始强度的0.0000002%。因此，目前太赫兹医疗设备仅适用于表面成像应用，如皮肤癌和龋齿检测，以及对薄组织样本的实验室测试。

2.4 太赫兹频段的“低损耗”传输窗口

虽然太赫兹频段存在大气衰减问题，但在大气衰减曲线中可以观察到“低损耗”传输窗口。以下是这些窗口及其潜在应用：
| 窗口 | 频率范围 | 损耗（dB/m） | 潜在应用 |
| — | — | — | — |
| Window - I | 625 - 725 GHz | 0.02 | 室内应用 |
| Window - II | 780 - 910 GHz | 0.02 | 室内应用 |
| Window - III | 1210 - 1410 GHz | 0.125 | 设备到设备通信 |
| Window - IV | 1420 - 1590 GHz | 0.125 | 设备到设备通信 |

3. 太赫兹技术的国内现状

4. 太赫兹频率下表面粗糙度的影响

由于制造过程中固有的不可避免的公差，制造的结构往往存在表面粗糙度等不规则性。在太赫兹频率下，导体的趋肤深度与导体厚度相当，因此研究表面粗糙度变得尤为重要。这里通过两种分析模型来研究表面粗糙度的影响：

4.1 Hammerstad - Bekkadal模型

该模型将表面粗糙度视为一系列峰谷。当粗糙度的均方根（RMS）值（hRMS）与导电层的趋肤深度（δskin）相当时，该模型能够很好地进行预测。粗糙度因子（fr）通过以下公式计算：
[
f_r = 1 + \tan^{-1}\left[1.4\left(\frac{h_{RMS}}{\delta_{skin}}\right)^2\right]
]
其中，
[
\delta_{skin} = \sqrt{\frac{1}{\sigma_{smooth}\omega\mu}}
]
相应地，薄金属层的电导率会根据fr和工作频率发生变化：
[
\sigma_{rough} = \frac{\sigma_{smooth}}{f_r}
]
随着波导结构金属壁电导率的改变，其传播或损耗特性也会发生变化。

4.2 Huray模型

该模型将表面粗糙度轮廓视为三维“雪球”结构的集合。粗糙度因子（fr）通过以下公式表示：
[
f_r = 1 + \frac{4rN}{3A}\left(1 + \frac{\delta_{skin}}{r} + \frac{\delta_{skin}^2}{2r^2}\right)
]
其中，r是雪球的半径，A是导体的表面积（对于当前情况，是波导四个侧壁的内表面积），N是所考虑表面的体积与每个雪球体积的比值。

考虑到WR - 2.2波导实际壁厚为3 µm，雪球半径通常在0.1到1.5 µm之间变化。波导壁电导率的变化会反映在传播特性上。

5. 基于硅微加工的太赫兹收发模块无源组件

5.1 微加工概述

“微加工”一词于20世纪80年代被提出，它描述了通过湿化学或干蚀刻方法选择性去除衬底材料的过程。历史上，这种微加工方法主要应用于硅衬底，以实现各种物理或惯性传感器（如压力传感器、陀螺仪、加速度计等）。目前，该领域已扩展到射频、微波甚至太赫兹频率范围。精确光刻和批量制造的特点使硅微加工成为高频设备的独特工艺，与市场上其他现有方法相比，其可重复性相当可观。

5.2 矩形波导结构

这里讨论两种特定的矩形波导结构：WR - 2.2和WR - 3.4。根据电子工业联盟（EIA）标准，WR - 3.4的横截面尺寸为864 × 432 µm²，适用于220 - 330 GHz应用；WR - 2.2的标准尺寸为560 × 280 µm²，最适合325到550 GHz频段。基于矩形波导结构，设计和模拟了几种无源组件，包括：
- 功率分配器（1:2和1:4）
- 定向耦合器（耦合系数为7、10和13 dB）
- 多孔分支线耦合器
- 天线

5.3 无源组件的制造工艺

这些无源组件采用基于深反应离子蚀刻（DRIE）的高纵横比工艺（HARP）进行设计。其通用的双晶圆制造工艺步骤如下：
1. 准备工作 ：取两片双面抛光的硅晶圆，进行必要的化学清洗（RCA + SPM），以消除所有可能的有机和无机污染物。
2. 第一片晶圆处理 ：
- 在其正面沉积一层厚氧化层。
- 通过DRIE蚀刻对氧化层进行图案化，形成通道。
- 应用DRIE工艺直至达到矩形波导的横向尺寸深度。
- 去除氧化层。
- 蒸发一层保形金层，对沟槽进行金属化。
3. 第二片晶圆处理 ：通过电子束蒸发在第二片晶圆的正面沉积金。
4. 晶圆键合 ：将第二片晶圆翻转，使金属层位于底部，然后采用共晶键合在363˚C下将两片晶圆键合在一起，形成波导通道。

mermaid流程图如下：

graph LR
    A[准备两片双面抛光硅晶圆] --> B[化学清洗]
    B --> C[第一片晶圆：沉积厚氧化层]
    C --> D[第一片晶圆：氧化层图案化形成通道]
    D --> E[第一片晶圆：DRIE蚀刻至横向尺寸深度]
    E --> F[第一片晶圆：去除氧化层]
    F --> G[第一片晶圆：蒸发金层金属化]
    B --> H[第二片晶圆：电子束蒸发沉积金]
    H --> I[第二片晶圆：翻转]
    G --> J[两片晶圆共晶键合形成波导通道]
    I --> J

6. 325 - 500 GHz频段基本波导模型研究

6.1 波导选择

波导是一种能够以最小能量损失将电磁波/能量从一点引导到另一点的介质。本研究选择矩形波导结构作为所有设计的基础，WR - 2.2是该频段的首选。传统上，低频段使用空气填充的金属壁波导结构，同样，借助DRIE技术，在硅衬底中蚀刻出波导轮廓，然后沉积合适的金属薄膜并密封腔体。

6.2 尺寸变化对截止频率的影响

在硅微加工过程中，由于一些工艺限制，波导结构的垂直和水平尺寸（矩形波导的a和b参数）可能会发生变化。研究了三种基本波导模式（TE₁₀、TE₁₁和TE₂₀），发现横向尺寸的变化对截止频率的影响速率分别为0.5 GHz/μm（TE₁₀）、0.2 GHz/μm（TE₁₁）和0.3 GHz/μm（TE₂₀）。由于TE₁₀是主导模式，因此需要严格控制公差以维持该模式的所需特性。通常，波导的垂直尺寸取横向尺寸的一半，用于决定功率处理能力和优化衰减。

7. 波导弯曲结构的研究与设计

7.1 弯曲结构的必要性

在基于波导的完整系统实现中，经常需要弯曲结构来减少设备或其接口电路的额外损耗，同时避免影响整个组件的相位响应和衰减特性。因此，需要充分考虑所有制造细节对其进行建模。

7.2 弯曲结构设计

设计了单弯和多弯结构，并将模拟结果与直角直壁波导配置进行比较。在直角弯曲结构中，靠近弯曲区域的表面积会增加传输线的电容，从而降低特性阻抗。为了保持线阻抗恒定，通过制作半径等于波导横向尺寸的倒角弯曲，使表面积与波导其他部分相等。结果表明，使用倒角技术可以显著改善波导结构在弯曲处的匹配性能。

7.3 基于波导的无源组件设计

7.3.1 波导功率分配器/组合器

功率分配器/组合器是任何子系统实现的基本构建块，用于将信号按所需的幅度和相位比进行分割或组合。这里设计了1:2和1:4的功率分配器，应用波导弯曲优化理论获得了最佳结果。1:2功率分配器的主要关键部分是T型结，它起到阻抗变换器的作用。模拟结果显示，设计的1:2功率分配器在整个频率范围内插入损耗约为4.5 dB（最大），回波损耗优于12 dB，两个输出端口之间的相位不平衡约为±2°。将1:2功率分配器拓扑重复两次得到1:4配置，其插入损耗约为7.5 dB（最大），回波损耗优于12 dB，输出端口之间的相位不平衡同样约为±2°。

7.3.2 定向耦合器

定向耦合器广泛应用于各种测量仪器中，用于测试两条传输线之间的耦合。这里设计了三种不同耦合系数（7、10和13 dB）的定向耦合器，采用基于虹膜的配置来控制主波导和副波导之间的电磁能量流动。设计的基线是WR - 2.2矩形波导。三种定向耦合器的目标规格如下表所示：
| 参数 | 值 |
| — | — |
| 工作频率范围（GHz） | 300 - 500 |
| 耦合（dB） | 7、10和13 dB |
| 反射损耗（dB） | 优于20 |

为了便于测试，提出了三种测量拓扑，分别用于评估耦合、隔离和直通端口损耗。

7.3.3 多孔分支线耦合器

多孔分支线耦合器适用于宽带应用，采用肋条型耦合机制。在该结构中放置多个虹膜结构，以增强主波导和副波导之间的波相互作用或耦合，两个孔之间的距离通常保持四分之一波长。

7.3.4 H平面扇形喇叭天线

喇叭天线因其稳定的辐射模式和宽带特性而广受欢迎，在天线测量和其他各种应用中有着广泛的应用。这里将矩形波导结构按一定比例扩展，根据“通用方向性曲线”的规范获得了最高效的天线结构。喇叭天线的制造工艺与其他无源设备保持一致，目标规格如下表所示：
| 规格 | 值 |
| — | — |
| 频率范围（GHz） | 75 - 110 |
| 馈电元件 | 波导WR10（2.54 × 1.27 mm²） |
| 增益（dBi） | 13 |

模拟结果显示，该天线具有13 dBi的增益，呈现出良好的定向性。

8. 结论

硅微加工技术在亚毫米波和太赫兹应用的开发中具有巨大潜力。太赫兹技术在现代通信和日常生活中具有重要意义，国内各研究机构也在该领域积极开展工作。硅微加工的固有优势使其能够开发出适用于亚毫米波和太赫兹应用的精确微小无源设备。通过分析模拟数据，解决了各种与工艺相关的问题，明确了制造公差的影响，并提出了基于双晶圆方法的通用设备工艺流程。最终，采用这种方法设计了四种类型的无源设备，目前这些设备正在制造中。

9. 太赫兹技术发展展望

太赫兹技术虽然面临着大气衰减、信号穿透能力有限等挑战，但随着研究的不断深入和技术的不断进步，其应用前景依然十分广阔。以下是太赫兹技术未来可能的发展方向：

9.1 通信领域

随着人们对高速数据传输的需求不断增加，太赫兹频段的高带宽特性使其成为未来高速通信的潜在候选频段。尽管目前大气衰减是长距离通信的主要障碍，但可以通过开发高增益天线、优化通信协议以及利用“低损耗”传输窗口等方式，实现短距离、高速率的太赫兹通信，例如室内无线通信、设备到设备通信等。

9.2 生物医学领域

太赫兹波的非电离特性和高分辨率成像能力使其在生物医学领域具有巨大的应用潜力。未来，太赫兹技术有望在肿瘤早期检测、疾病诊断、药物研发等方面发挥重要作用。通过进一步提高太赫兹设备的性能和灵敏度，有望实现对生物组织内部结构和生理状态的更精确检测。

9.3 安全检测领域

太赫兹波能够穿透一些非金属材料，并且对某些特定物质具有独特的吸收特性，因此在安全检测领域具有重要的应用价值。例如，太赫兹成像技术可以用于检测隐藏在衣物、行李中的危险物品，如武器、毒品等，为公共安全提供有力保障。

9.4 天文学和天体物理学领域

太赫兹频段包含了丰富的宇宙信息，对于研究行星、恒星、星系和星团的起源和演化具有重要意义。未来，太赫兹望远镜和探测器的性能将不断提高，有望为天文学和天体物理学研究带来更多的突破。

10. 总结

太赫兹技术作为一种新兴的技术领域，具有巨大的应用潜力和发展前景。硅微加工技术为太赫兹设备的制造提供了一种有效的方法，能够实现高精度、大规模的生产。通过对太赫兹频率下表面粗糙度的研究，以及对波导结构、无源组件的设计和优化，可以提高太赫兹设备的性能和可靠性。

然而，太赫兹技术的发展也面临着一些挑战，如大气衰减、信号穿透能力有限等。为了克服这些挑战，需要进一步开展研究工作，开发新的技术和方法。同时，各研究机构之间的合作与交流也至关重要，通过共同努力，推动太赫兹技术的不断发展和应用。

以下是太赫兹技术相关的优势、挑战和发展方向总结表格：
| 类别 | 具体内容 |
| — | — |
| 优势 | 高带宽、非电离特性、高分辨率成像、可检测特定物质、包含宇宙信息 |
| 挑战 | 大气衰减、信号穿透能力有限、制造工艺复杂、成本较高 |
| 发展方向 | 通信领域、生物医学领域、安全检测领域、天文学和天体物理学领域 |

mermaid流程图展示太赫兹技术发展的整体逻辑：

graph LR
    A[太赫兹技术] --> B[优势]
    A --> C[挑战]
    A --> D[发展方向]
    B --> B1[高带宽]
    B --> B2[非电离特性]
    B --> B3[高分辨率成像]
    B --> B4[可检测特定物质]
    B --> B5[包含宇宙信息]
    C --> C1[大气衰减]
    C --> C2[信号穿透能力有限]
    C --> C3[制造工艺复杂]
    C --> C4[成本较高]
    D --> D1[通信领域]
    D --> D2[生物医学领域]
    D --> D3[安全检测领域]
    D --> D4[天文学和天体物理学领域]