引言

       自然界的氣體、化學物質和生物分子在其各自的電磁波頻譜中有著獨特的旋轉振動模式，對這些物質進行分析和監(jiān)測就要運用到太赫茲遙感技術。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)的金屬天線和波導管的輻射率又太低且容易和襯底發(fā)生強烈耦合。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計詳圖，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），對應介電層（ADL）的整體厚度也就比較大，約有5層結構35μm左右。但這樣厚度的介電層其性能明顯受到影響。因此，需要設計出更薄的ADL結構。
       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。通過修整結構的外形，在太赫茲頻率范圍內實現(xiàn)了光學性能增強型的均勻介質。實驗采用等離子增強化學氣相沉積碳化硅（PECVD SiC）作為介電層，并把該層的折射率調整在太赫茲頻率范圍之內。傳統(tǒng)的集成電路工藝先生產出大量的碳化硅薄膜，然后利用時域頻譜學技術對其光學性能進行分析；而這種新型的碳化硅ADL膜通過一種內部開發(fā)模擬工具對ADL結構進行調整以實現(xiàn)在0.8-1.2THz范圍內9.9的折射率。

       實驗

       實驗采用P型100mm的硅晶片來生產SiC薄膜。首先，在硅晶片上沉淀出一層150nm的低應力低壓化學氣相沉積（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充當催化劑，通過調整催化劑量，沉積層的應力被降至25Mpa，最終利用Novellus-Concept PECVD反應器沉積出5mm×5mm大小的SiC膜（如圖二）。實驗采用Tauc-Lorentz色散關系法利用橢圓偏振光譜來測定薄膜的厚度和光學性能（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行氫氧化鉀濕蝕刻，時間為5.5小時。最后將晶片切割，將單個模嵌入太赫茲時域光譜測定儀（TDS）（如圖四）。        圖五，左圖為TDS測定儀測出的SiC層折射率，在1THz時出現(xiàn)峰值5；右圖為基于SiC的人工介電層的折射率。

       結論

       實驗采用TDS（太赫茲時域光譜儀）測定SiC的折射率，詳細過程如圖四所示。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，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。本實驗的工作頻率為1THz，所有組件都做了對應測量（圖一）。圖5（右）的模擬顯示1THz時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)）