太赫茲真空電子器件微加工技術(shù)及后處理方法
太赫茲頻段真空電子器件的尺寸很小， 其加工精度和表面質(zhì)量要求很高， 需要采用微加工技術(shù)及其一些特殊的加工工藝。本文主要介紹了幾種常用于制作太赫茲真空電子器件的微加工方法， 主要討論了微機械加工、微細(xì)電火花加工、LIGA/UV- LIGA 和DRIE 等加工技術(shù)的特點及適用范圍。為了提高器件的表面質(zhì)量， 討論了清洗、凈化及表面化學(xué)拋光技術(shù)等后處理技術(shù)。此外， 太赫茲器件的設(shè)計結(jié)構(gòu)特征也會限制微加工技術(shù)的選擇， 由此文中分析了幾種常見太赫茲真空器件的特點及其可采用的加工方法和工藝。
太赫茲波( Terahertz，THz) 通常是指頻率范圍在0.1~ 10 THz 的電磁波。相對于微波頻段， 它的波長較短( 3~ 0.03 mm) ; 而相對于X 射線， 其光子能量又很低( 0.41~ 41 meV) 。在許多方面， 太赫茲技術(shù)都存在著潛在的應(yīng)用， 例如， 高數(shù)據(jù)率通信， 密封探測， 遠(yuǎn)距離高品質(zhì)成像， 化學(xué)頻譜分析， 材料研究，太空研究， 基本生物頻率和生物醫(yī)學(xué)診斷等。這要求能夠提供可靠的、緊湊的、大功率的太赫茲源。由此， 太赫茲源已成為當(dāng)前研究的重點。尤其是大功率太赫茲源的需求， 使得太赫茲相干輻射源集中于提高輸出功率方面的研究， 這促進(jìn)了太赫茲真空電子器件(Vacuum Electronic Devices， VEDs) 的發(fā)展。
在所有頻段， 真空電子器件能夠產(chǎn)生最高的單器件輸出功率， 而且比其它類型器件高幾個量級。這主要是由于電子束在真空電子器件中可以無碰撞運動， 能夠在很小體積內(nèi)產(chǎn)生高功率; 并且真空電子器件需要高電壓來加速電子束， 使得電子束功率密度較大。由此， 真空電子器件具有較高的運行效率和很高的功率密度。另外， 真空電子器件的結(jié)構(gòu)相對比較簡單， 在大功率、緊湊型太赫茲源方面具有明顯優(yōu)勢。然而， 由于壁面損耗、束流準(zhǔn)直等因素， 太赫茲源的輸出功率與頻率負(fù)二次方不成正比， 從而形成了所謂的太赫茲間隙， 如圖1 所示。為了提高源的輸出功率， 當(dāng)前太赫茲源技術(shù)的研究主要集中在兩個方面: 一是研究新的波束互作用機理， 開發(fā)新型高頻電路， 增大束波互作用截面、提高轉(zhuǎn)換效率， 例如， 研究利用光子晶體作為慢波結(jié)構(gòu)。二是采用新的加工技術(shù)與集成裝配方法以減少傳輸損耗， 提高輸出功率。
圖1 固態(tài)和真空電子學(xué)器件輸出功率與工作頻率之間的關(guān)系
通常情況下， 太赫茲器件具有尺寸小、損耗大、準(zhǔn)直度高等特點， 這對器件加工和系統(tǒng)集成提出了很高要求。為了系統(tǒng)的可靠運行， 慢波電路的尺寸偏差通常要求小于10%。例如， 對于運行頻率在0.5 THz 的慢波器件， 尺寸誤差的容忍度約為10 um。這已經(jīng)大大超過了傳統(tǒng)機械加工的能力。目前， 器件加工已成為太赫茲源成功研制的一個主要障礙。除了加工精度有很高要求之外， 太赫茲器件對加工的表面質(zhì)量要求也很高。這主要是由于太赫茲頻段電磁波的趨膚深度很小( 如在0.3 THz時， 銅的趨膚深度約為0.12 um) 。如果趨膚深度與表面粗糙度相當(dāng)， 則此時器件表面的電阻率比光滑表面的電阻率要大很多， 這將會導(dǎo)致電路效率低的難以接受。如果趨膚深度小于表面粗糙度， 則電路損耗使得電磁波難以通過波導(dǎo)傳輸， 也很難在電路中產(chǎn)生有效的耦合或諧振。尤其對于表面波器件， 它的表面場強相對很高， 粗糙表面更容易引起介質(zhì)的表面擊穿， 從而形成表面等離子體， 引起縮短脈沖。因此， 對于太赫茲器件， 采用高精度、高質(zhì)量的微加工方法制作是極為重要的。
隨著超精密微加工技術(shù)的發(fā)展， 許多新的微加工方法已用于制作太赫茲器件， 尤其是專用微加工機床的成功研制以及微機電系統(tǒng)( MEMS， Micro-Electrical Mechanical System) 技術(shù)的發(fā)展， 使得太赫茲器件的成功研制成為可能。目前， 微加工技術(shù)已成為研究太赫茲真空電子器件的一個主要內(nèi)容 。
本文將重點介紹幾種常用于太赫茲真空電子器件制作的微加工技術(shù)及其后處理方法， 并分析相應(yīng)的器件特點及適用的方法。
1、微加工技術(shù)
微加工主要是指尺寸在1 mm 以下、精度為0.01~ 0.001 mm 零件的加工技術(shù)。主要包括微機械加工、微細(xì)電火花加工((EDM) 、LIGA/UV-LIGA、深反應(yīng)離子刻蝕( Deep Reactive Ion Etching， DRIE) 等方法。其中， 后兩種方法通常也稱為MEMS 加工技術(shù)。
1.1、微機械加工
微機械加工是一種最常用、最簡單的加工方法，具有加工速度快、成本低、可加工材料廣泛等特點。在相同加工能力下， 該方法通常是最優(yōu)選擇。它主要包括微切削加工和微磨削加工。當(dāng)前， 隨著精密切削機理的深入研究以及專用微加工機床的出現(xiàn)，使得微機械加工的加工精度和表面質(zhì)量有了很大提高。
在微機械加工中， 影響加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素主要包括精密加工機床和刀具。其中， 加工機床要求具有較高的主軸轉(zhuǎn)速( 大于1000 r/ min) 和較小的進(jìn)給速度( 小于100 um/ s) 。一般情況下， 高精度加工機床的加工精度可控制在110 um， 表面粗糙度( Ra)能夠達(dá)到0.5 um。而超高精密微加工機床的加工精度可小于0.3 um。在使用金剛石刀具的情況下，其加工的表面粗糙度能夠達(dá)到幾十個納米 。例如， 在超高精密微加工機床上， 采用圓弧半徑為013 um的金剛石尖刀刀具在LY12 材料表面加工正弦波形結(jié)構(gòu)， 其峰谷距為25 um， 波長為500 um。在沒有切削液時， 加工的表面粗糙度為8913 nm; 在以酒精為切削液的條件下， 加工的表面粗糙度為4112 nm， 其幾何形狀誤差為112 um， 如圖2 所示。對于專用微加工機床， 它的加工精度可控制在0.1 um。
圖2 未用切削液與使用切削液加工出的正弦波貌
太赫茲器件通常具有比較復(fù)雜的三維幾何結(jié)構(gòu)， 微機械加工主要用于低頻端器件的制作。例如，對于140 GHz 的過模表面波振蕩器， 它的慢波電路為周期為017 mm、內(nèi)半徑為3 mm、波紋深度為012 mm的中心孔盤荷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[ 26] 。由于該電路結(jié)構(gòu)尺寸很小， 直接在圓柱內(nèi)壁刻槽加工非常困難。實際加工中， 采用了將周期慢波結(jié)構(gòu)分解為單周期薄片結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工， 如圖3 所示。對于太赫茲低頻端的折疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)， 同樣可采用微機械加工方法制作[ 27] 。圖4 給出了140 GHz 折疊波導(dǎo)的加工結(jié)構(gòu)，其周期長度為670 um， 矩形波導(dǎo)寬度為159 um[ 28] 。
圖3 單周期薄片慢波結(jié)構(gòu)的加工
圖4 微銑削加工圖片
經(jīng)激光共聚焦顯微鏡測量， 加工后電路的尺寸精度小于5 um， 槽底的表面粗糙度小于015 um。
雖然超精密微機械加工具有很高的加工精度和表面質(zhì)量， 但是實際加工中很難獲得最優(yōu)的加工結(jié)果。尤其對于復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)器件， 加工質(zhì)量受到工件幾何形狀的嚴(yán)重限制。因此， 該方法只適用于太赫茲低頻端器件的制作。它除了存在加工精度和表面質(zhì)量較差之外， 其加工集成度也很低。這使得系統(tǒng)組裝比較困難， 裝配精度較差， 將會增加系統(tǒng)的損耗和不穩(wěn)定性。另外， 微機械加工的表面通常會出現(xiàn)裂紋、毛刺等現(xiàn)象， 而太赫茲波在金屬材料表面的趨膚深度又很小， 因此實際應(yīng)用中通常還需要對加工器件進(jìn)行表面處理。
4、小結(jié)
當(dāng)前， 太赫茲真空電子器件正向更高頻方向研究， 其慢波器件的特征結(jié)構(gòu)將會越來越小， 并且具有集成化加工的趨勢。根據(jù)目前所了解的加工方法特點，MEMS 技術(shù)應(yīng)當(dāng)是制作太赫茲真空電子器件最有前途的一種加工方法。或許也是高頻太赫茲真空電子器件能否成功研制的一個關(guān)鍵因素。
太赫茲真空電子器件的設(shè)計與微加工技術(shù)的選擇相互影響。例如， 如果采用LIGA/UV-LIGA 或DRIE技術(shù)， 則器件一般設(shè)計具有平面結(jié)構(gòu)特征。而圓柱形慢波結(jié)構(gòu)， 通常需要采用采用微機械加工或電火花加工技術(shù)。因此， 為了合理設(shè)計器件結(jié)構(gòu)并提高加工效率、較少加工成本， 這兩方面的因素需要綜合考慮。這就要求設(shè)計人員不但需要理解器件物理， 而且還需要了解相關(guān)的微加工技術(shù)和工藝。尤其在實際加工中， 由于機械設(shè)備、加工工藝、人員素質(zhì)等因素的影響， 車間加工水平通常會低于實驗室加工水平一個量級。因此， 目前復(fù)雜結(jié)構(gòu)的超精密微加工， 通常需要專業(yè)人員研究合適的加工工藝進(jìn)行制作。
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