太赫兹超材料芯片及其前处理和测试方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路领域，更具体地，涉及太赫兹超材料芯片及其前处理和测试方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)波是指频率在0.1-10THz的电磁辐射，其波段(0.03-3mm)位于微波与红外之间，是宏观电子学向微观光子学的过渡区域，展现出其它波段所没有的独特性和优异性。太赫兹波段光子的能量约为1-10meV，不会对生物组织产生有害的电离辐射，相较于可见光与红外光谱，其穿透能力更强，且不易受瑞利散射的影响；同时，由于太赫兹辐射具有的相干性，因此能够直接得到所测物质的振幅和相位信息从而计算所测物质的折射率与吸收系数等参数；另外，许多大分子的振动和转动频率在太赫兹频段都有特殊的响应和相互作用，因此利用太赫兹辐射可以对其进行指纹识别，从而检测物质结构的微小差异。利用太赫兹波段作为辐射源，可同时得到待测物质的光谱数据和成像数据，为深入研究所测对象提供了多方面的数据，在大分子检测分析、生物医学诊断、农业食品安全、药品检测等诸多领域展现出巨大的应用潜力和市场价值。

超材料是周期排列的结构尺寸远小于入射波长的人工电磁材料，合理有效的设计可以使其实现一些奇特的光学特性，例如复折射、异常透射等。除此之外，超材料对电磁场具有良好的局域场增强作用，可与探测分子相互作用，出现强的谐振，将谐振特性用于太赫兹芯片传感，即可通过谐振峰的改变识别折射率和周围介质的变化，不仅能提高检测灵敏度，而且减少了分析物的用量。液体及水溶液在太赫兹波段有较强的吸收，常规的太赫兹光谱技术较难透射液体样本，太赫兹光谱技术与超材料芯片结合，可以极大提高检出的灵敏度，减少样本的使用量。太赫兹芯片对生物分子进行研究，还可以无标记、便捷、快速地检测生物分子在水溶液中的生理特性。太赫兹超材料表面外来物质沉积而引起的介电常数变化会导致共振频率偏移。因此，多种THz超材料生物传感器已被开发用于细菌、病毒、蛋白质和有机化合物的检测。本发明以太赫兹超材料芯片为载体，利用太赫兹光谱仪获对不同年限和不同产地的物质展开研究，为物质的检测和鉴定提供高效精准的技术手段。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种太赫兹超材料芯片，包括基底和周期结构超材料；所述周期结构超材料设置于基底的上表面，包括一个第一间隙结构和两个对称的第二间隙结构；

第一间隙结构位于两个第二间隙结构之间；

所述周期结构超材料整体呈立体的M字形状。

芯片共振频率由间隙结构的电容以及环的形状的电感确定。共振频率的偏移由间隙结构中的介电材料引起，间隙区域外的介电材料对谐振频率没有影响。因此，通过增强溶液样本颗粒与太赫兹电磁波的相互作用或使样本尽量填满间隙结构，可以提高超材料太赫兹传感器的灵敏度。

进一步，所述周期结构超材料的线宽w为2微米到8微米，高度c为20微米到28微米，外边长b为34微米到54微米；

在集成电路中，线宽通常指光刻工艺取得的最小尺寸，代表了加工精细度和难度，同时也会影响芯片的性能。

所述第一间隙结构的宽度g为2微米到5微米。

进一步，所述基底的电阻率不小于20kΩ·cm。

进一步，所述基底为60微米*60微米到80微米*80微米的方形硅。

进一步，所述周期结构超材料的材质为金。

通过设置对称矩形的间隙结构，当太赫兹电场方向沿着一定的方向偏振时，得到的基于该结构的太赫兹透射光谱会出现明显的特征谐振峰，而且此时得到的信号同样也会有较高的信噪比。

另外，由于超表面的太赫兹芯片器件结构单元尺寸较小，需要用微加工技术制备，光刻技术是微加工技术中精度比较高的一种，本发明可以采用光刻技术制备太赫兹芯片。过程分为甩胶、前烘焙、曝光、显影、后烘焙、蒸镀以及剥离七个步骤，最后用硬刀把硅片划片为多个所需芯片样本。

本发明还提供一种太赫兹超材料芯片的前处理方法，对上述的太赫兹超材料芯片进行辉光放电。

进一步，所述辉光放电的电流为30-40mA。

进一步，所述辉光放电的放电时间为3-5分钟。

由于太赫兹超材料芯片可能存在亲水性较差的问题，液体样本无法在金属表面完全展开，影响测试结果的灵敏度。本发明可以采用辉光放电法，提高芯片的亲水性，放电后使超材料芯片表面带负电呈亲水性，样本滴加后能完全展开至芯片表面。

本发明还提供一种太赫兹超材料芯片的测试方法，包括：

将待测品溶液滴到权利要求1-5任一项所述的太赫兹超材料芯片上至溶液完全展开；

低温干燥后放入太赫兹光谱仪进行透射测试。

进一步，所述低温干燥条件为40-60℃，5-15分钟。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)提供一种高灵敏度的太赫兹超材料芯片。

(2)提高太赫兹超材料芯片的亲水性。

(3)提升样本与芯片的接触面积。

(4)提高太赫兹检测的精准性。

附图说明

图1为本发明实施的太赫兹超材料芯片的结构图。

图2为本发明实施的太赫兹超材料芯片的结构示意图。

图3为本发明实施的太赫兹超材料芯片谐振峰仿真图。

图4未本发明实施的太赫兹超材料芯片的亲水性对比测试图。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种太赫兹超材料芯片，包括基底和周期结构超材料；所述周期结构超材料设置于基底的上表面，包括一个第一间隙结构和两个对称的第二间隙结构；

第一间隙结构位于两个第二间隙结构之间；

所述周期结构超材料整体呈立体的M字形状。

芯片共振频率由间隙结构的电容以及环的形状的电感确定。共振频率的偏移由间隙结构中的介电材料引起，间隙区域外的介电材料对谐振频率没有影响。因此，通过增强溶液样本颗粒与太赫兹电磁波的相互作用或使样本尽量填满间隙结构，可以提高超材料太赫兹传感器的灵敏度。

优选地，所述周期结构超材料的线宽w为2微米到8微米，高度c为20微米到28微米，外边长b为34微米到54微米；

所述第一间隙结构的宽度g为2微米到5微米。

优选地，所述基底的电阻率不小于20kΩ·cm。

优选地，所述基底为60微米*60微米到80微米*80微米的方形硅。

优选地，所述周期结构超材料的材质为金。

通过设置对称矩形的间隙结构，当太赫兹电场方向沿着一定的方向偏振时，得到的基于该结构的太赫兹透射光谱会出现明显的特征谐振峰，而且此时得到的信号同样也会有较高的信噪比。

本实施例制备一种可检测微量液体物质的高灵敏太赫兹芯片，包括基底和生长在所述基底上的多个周期结构超材料，该芯片共振频率由间隙结构的电容以及环的形状的电感确定。共振频率的偏移由间隙结构中的介电材料引起，间隙区域外的介电材料对谐振频率没有影响。因此，通过增强溶液样本颗粒与太赫兹电磁波的相互作用或使样本尽量填满间隙结构，可以提高超材料太赫兹传感器的灵敏度。

为确定该结构的具体参数，利用CST Microwave Studio软件进行模拟仿真，分析不同条件下，基于硅基底的太赫兹超材料芯片的响应特性，仿真基于有限元方法模拟，确定具体的超材料参数。

如图2所示，本发明提供的太赫兹超材料芯片呈对称性M字结构，该结构的金属层位于高阻硅基底的上表面，其中硅基底的大小为70μm*70μm，厚度为500μm，电阻率≥20KΩ·cm；而位于上表面对称性M结构的材质为金质/Au，Au厚度为1μm，该芯片为一定厚度的3D结构。该太赫兹芯片主要由立体M字型结构组成。其参数设置为:设定金属结构间隙g为2--5μm，外边长b为44μm，高度c为24μm，线宽w为5μm，周期48μm。这样设置对称矩形产生的间隙区域，当太赫兹的电场方向沿一定方向偏振时，得到的基于该结构的太赫兹透射光谱会出现明显的特征谐振峰，而且此时得到的信号同样也会有较高的信噪比，如图3的芯片谐振峰仿真图所示。

由于超材料表面的太赫兹芯片器件结构单元尺寸较小，需要用微加工技术制备，光刻技术是微加工技术中精度比较高的一种，本发明采用光刻技术制备太赫兹芯片。过程分为甩胶、前烘焙、曝光、显影、后烘焙、蒸镀以及剥离七个步骤，最后用硬刀把硅片划片为多个所需芯片样本。

因经过加工工艺之后的太赫兹超材料芯片表面有一定的杂质，这里可以依次采用丙酮、超纯水、甲醇试剂，浸泡冲洗，晾干后备用。

实施例2

如图2所示，基于同样的发明构思，本实施例提供一种太赫兹超材料芯片的前处理方法，对前述的太赫兹超材料芯片进行辉光放电。

优选地，所述辉光放电的电流为30-40mA。

优选地，所述辉光放电的放电时间为3-5分钟。

太赫兹金属芯片的亲水性较差，液体样本无法在金属表面完全展开，影响测试结果的灵敏度。本发明采用辉光放电法，提高芯片的亲水性。实验采用easiGLOW 91000辉光放电仪对太赫兹芯片辉光放电，放电电流设置为30--40mA、放电时间3--5min，放电后使超材料芯片表面带负电呈亲水性，样本滴加后能完全展开至芯片表面，附图4为辉光放电前后超材料芯片亲水性对比。

实施例3

基于同样的发明构思，本实施例提供一种太赫兹超材料芯片的测试方法，包括：

将待测品溶液滴到权利要求1-5任一项所述的太赫兹超材料芯片上至溶液完全展开；

低温干燥后放入太赫兹光谱仪进行透射测试。

优选地，所述低温干燥条件为40-60℃，5-15分钟。

在本实施例中，可以制备一定浓度的陈年老盐溶液，如取韶关老盐、梅州老盐、徐闻盐场老盐三种样本，三种老盐年份分别为50年、50年、10年，三种老盐来自于广东粤盐集团，样本具有一定的代表性。分别称取适量老盐颗粒，加入超纯水中充分搅拌后溶解，过滤掉黑色杂质后，用容量瓶定容至10ml配制成浓度为1--10μg/mL的溶液，用移液器取上述溶液10μL，转移至放电后的太赫兹芯片上，溶液完全展开，50℃低温干燥10mins后，放入太赫兹光谱仪透射测试。

通过本实施例的太赫兹超材料芯片测试方法，可以排除水汽的干扰，可以待水汽彻底排出后采集未放置样品时的空载时域信号，即可有利于确定太赫兹参考的时域信号。之后可以将上述太赫兹芯片放置于透射样品架上，分别获取不同样品太赫兹时域信号。

所述太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)为华讯方舟公司生产的型号为CCT-1800的太赫兹时域光谱系统，太赫兹源为光控光电导半导体发射器，太赫兹探测器为光控光电导半导体接收器，激光为780nm飞秒激光器，太赫兹谱宽为0.06—4.5THz，最大时域扫描范围为1200ps，动态范围为80dB,扫描速度为15Hz。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。