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太赫兹元件制造的最新进展：迈向下一代通信系统的一步

N. Gunavathi, National Institute of Technology, Trichy, India

太赫兹频谱（0.1至30太赫兹）的优势使其成为下一代通信系统的一个极具吸引力的选择。该频谱可提供高度安全、高吞吐量、干扰最小的通信。与传统的射频系统相比，太赫兹更宽的带宽大大提高了数据传输速率¹。因为太赫兹元件的技术和基础设施仍处于早期开发阶段，这给开发和部署基于太赫兹的系统带来了挑战。将太赫兹技术用于实际的一个关键问题是成本。太赫兹元件的物理尺寸随着工作频率的增加而减小。大多数微波元件的传统制造技术不适合太赫兹频率。制造技术的新发展为满足这一要求提供了途径。本文将讨论适合太赫兹的先进制造技术中一些更有趣、更重要的最新发展。

材料选择和表征

制造材料的选择非常重要。研究微波介电材料在太赫兹频率下的特性对于精确设计元件至关重要。介电特性（如介电常数和损耗正切）的精确表征有助于设计出具有所需性能的元件，最大限度地减少信号损耗，并在太赫兹应用中实现更高的整体效率²。

这一研究领域已经引起了人们的兴趣，并且正在蓬勃发展。例如，Nattapong Duangrit等人³讨论了光聚合物介电特性的表征并利用时域光谱技术研究了聚合物样品的介电特性。Sasmita Dash等人的论文⁴研究了最常用的铜、石墨烯和碳纳米管(CNT)的材料特性及其对太赫兹天线的适用性。在太赫兹范围内，铜的导电性和集肤深度往往较低。与铜相比，碳纳米管具有更好的导电性，而石墨烯则表现出更好的性能。微型化和可重构性被认为是石墨烯天线的优势。Diego Correas-Serrano等人⁵对太赫兹频率下基于石墨烯的天线几何形状进行了详细研究并对石墨烯的导电性进行了数学建模和分析，石墨烯的导电性受其带状结构的影响很大。Rajour Tanyi Ako等人⁶对太赫兹元件表面使用的电介质进行了综述，研究并提出了薄膜电介质片、液态涂层和固化电介质材料作为间隔物的建议。还研究了通过蚀刻或加工技术形成的厚膜或块状介电材料，并提出了解决方案。

先进的制造方法

传统的制造方法需要无尘室环境、先进的机器和高技能人才，才能生产出用于超高频应用的纳米级元件。要确保太赫兹频段的性能，需要精确无误的制造技术。快速成型制造方法解决了传统技术的局限性，可用于制造各种有源和无源元件。图1显示了该行业的一些重要制造技术发展时间表。图2显示了支持高频元件和系统开发的部分工艺的时间轴。

图1：高频元件制造方法的进展。

图2：制造高频元件的工艺技术。

CMOS制造太赫兹元件

纳米CMOS晶体管栅极长度的缩短、器件规模的扩大以及模拟和数字元件集成的简便性，使硅成为太赫兹集成电路的一种可行的低成本材料。在CMOS工艺中，天线与所有其他元件一起制作在硅基板上。这样可以减少片上天线的互连，从而提高天线性能。Zihan Ning⁷开发并描述了采用180纳米CMOS技术的太赫兹可重构超材料原型测试芯片。65nm CMOS工艺被用于设计工作频率以300GHz为中心的紧凑型宽带天线阵列。Changmin Lee和Jinho Jeong报告了这项工作⁸。通过这项研究，我们制作出了增益和带宽都有所改善的结构，天线如图3a所示。如报告所述，开发了一种新型接地结构，以提高元件之间的隔离度。图3b为1×2天线阵列，图3c为2×2天线阵列。

图3：(a) 65纳米CMOS工艺的片上天线。(b) 65纳米CMOS上的1×2天线阵列。(c) 65纳米CMOS上的2×2天线阵列。⁸

Mohammad Alibakhshikenari等人⁹展示了带有基底集成波导（SIW）通孔的超材料天线。该文所描述的天线采用堆叠层结构制作，以实现紧凑的天线结构。为减少表面波和基板损耗，在顶部硅层形成金属通孔。在0.4太赫兹片上天线的设计中采用了标准的0.18微米CMOS工艺，并带有缝隙辐射器¹⁰。SIW通孔连接顶部和底部金属层，并形成一个背腔以减少表面波。空腔将辐射引向低电阻率基底，从而改善了宽面辐射。适当设计的SIW侧壁可弥补有损硅基板的影响。

TeraFET

天线耦合太赫兹场效应晶体管（TeraFET）是专门设计用于太赫兹频率范围的场效应晶体管。这些器件将场效应晶体管的高速电子特性与天线结构相结合，使其能够探测、产生和操纵太赫兹电磁波。F. Ludwig等人¹¹的论文中对使用TeraFET的太赫兹辐射硅CMOS检测器的建模和实验特性进行了广泛的研究。TeraFET检测器因其响应速度高、易于制造、响应时间超快以及可通过调整栅极、掺杂水平和沟道结构实现显著的可调性而日益受到关注。

硅微加工

选择合适的材料后，通过不同的蚀刻技术去除部分基底或薄膜，从而获得微机械加工结构。硅微机械加工主要采用两种方法：表面微机械加工和体微机械加工。表面微机械加工是利用沉积在硅晶片上的薄膜来制造表面结构。相比之下，体微细加工则是直接在硅基片上雕刻特征。蚀刻对硅基片的图案化至关重要，包括各向同性蚀刻和各向异性蚀刻。各向同性蚀刻可采用湿法或干法，可在所有方向上产生均匀的蚀刻，从而形成圆形特征。各向异性蚀刻主要采用干法，在特定方向进行蚀刻，产生边缘锋利的特征。这两种蚀刻技术对于实现硅微加工的精确和结构化效果至关重要。硅微加工具有制造成本低、公差限值高、特征尺寸小和易于元件集成等优点。微加工元件可减少表面粗糙度和插入损耗。硅微加工已被证明是制造太赫兹元件的合适方法。

A. Madannejad等人¹³提出了一种创新的硅微加工、低剖面、高增益天线，设计用于整个500至750GHz波导频段。其制造工艺是在硅绝缘体（SOI）晶片上进行的。A. Karimi等人¹⁴展示了由两个混合耦合器和两个SPST开关组成的紧凑型硅微加工交叉开关原型，该交叉开关原型由四个垂直堆叠的SOI芯片组成。如图4a所示，该文设计的天线阵列采用了先进的硅微加工技术，特别是深反应离子蚀刻（DRIE）和侧壁金属化技术。DRIE可以在硅中精确蚀刻深层垂直结构。同时，侧壁金属化可确保沿蚀刻特征形成均匀的导电涂层，从而提高天线阵列的性能和完整性。通过这些技术，可以制造出天线在高频应用中实现最佳运行所需的复杂、高精度结构。

图4：(a)双线天线阵列¹⁵。(b)硅微机械加工中间件¹⁶

图4b显示的是Adrian Gomez等人讨论的用于多端口元件的硅微加工中间件¹⁶。硅微加工测试中间件具有更高的精度、更低的成本、更大的通用性和集成负载的能力。这些因素使它们成为推动亚THz波导元件开发的重要工具。

尽管硅微加工技术具有诸多优势，但其在复杂电路元件和信号链中的应用仍面临一些限制：

扇形侧壁：DRIE工艺会在蚀刻侧壁上产生扇形斜纹，增加表面粗糙度，并可能影响器件的性能和效率。

倾斜侧壁：由于深沟蚀刻过程中离子流和密度的变化，侧壁可能会变得倾斜而不是垂直。控制这种斜度对于保持精确的尺寸和性能至关重要，尤其是在微机电系统中。

长宽比相关蚀刻(ARDE)：根据沟槽长宽比的不同，ARDE会造成侧壁轮廓的变化，从而导致不同器件几何形状的轮廓各不相同。

表面粗糙度：表面粗糙度是造成矩形波导插入损耗的一个关键因素。要实现低损耗，尤其是高频率下的低损耗，就必须尽量减小表面粗糙度。

集成电路可集成性：制造方法应与集成电路工艺兼容，可同时制造有源元件和无源元件。

3D打印

3D打印的优势使其能够取代太赫兹元件的传统制造方法。该技术的主要优势是快速原型制作以及能够使用多种电介质和金属材料制作原型。3D打印技术的其他优势还包括：材料损耗低、产生的有害废物少、能够精确制造具有微米级特征的设备、易于重复以及可以使用单一桌面系统在平面和非平面结构上制造各种元件。Rui Xu等人介绍了用于5G的各种3D打印天线¹⁷。

3D打印有源和无源太赫兹元件

Shu-Yan Zhu等人的论文¹⁸采用了压印和干蚀刻技术来设计高斯波束天线。论文描述了在100µm厚的硅基板上蚀刻出50µm×190µm的槽图案。较高的纵横比显示了使用干蚀刻技术的优势。DRIE工艺用于形成柱形光刻胶方块。在图5所示的制造过程中，通过干法蚀刻和光学光刻制造出了馈源。

图5：太赫兹硅馈电天线的制造技术¹⁸

Chao Gu等人的论文¹⁹采用两步3D打印技术打印了一个D波段天线。在这个例子中，开发了一个天线原型，使用金属打印，然后是介电材料打印。论文中描述的结构在135GHz频率下可获得14.2%的带宽和15.5dBi的增益，增益值来自增益增强技术。通过使用介质脊波导实现了宽带传播特性。Muhammad Talal Ali Khan等人²⁰在论文中将3D打印和金溅射技术结合起来制造拓扑波导。所述的带空气通道的金属波导可用于高速互连。

激光技术

激光制造方法的发展使超薄结构的制造成为可能。如Qinghua Wang等人²¹所述，利用激光技术在电介质基底上制造出透明导电表面。电介质表面镀有10纳米厚的金属层，并通过激光烧蚀形成图案。使用纳米脉冲激光对金属沉积进行图案化。使用太赫兹时域光谱法测量了制造结构的表面电阻和可见光透射率。图6a显示了该文中使用的金属薄膜沉积和激光表面图案化技术。图6b显示了在8纳米厚的铜膜上用激光进行超材料表面图案化的光学图像。

图6：(a)金属膜沉积和激光表面图案化。(b)超材料表面的光学图像

Hou-Bing Liu等人的文章²²采用激光直接写入法制造了一种基于分形结构的太赫兹超材料吸收器，用于宽带应用。在这篇文章中，介电层上覆盖了一层负胶，图案是用激光直接写入法在光刻胶上形成的，然后用磁控溅射法进行金属沉积。激光可用于太赫兹元件制造的雕刻、熔化、钻孔、切割、烧蚀和图案化等多种工艺。直接激光图案化（DLP）是一种合适的无掩模方法，可用于在不同材料上制造各种微孔和表面图案²³。由于飞秒激光DLP技术采用的是无掩模打印方法，因此设计上的变化很容易适应。

结论

本文概述了适用于太赫兹系统的先进制造技术的最新发展。太赫兹技术前景广阔，吸引了大量关注和投资。随着制造技术的成熟，人们有机会探索太赫兹在下一代通信系统中的应用前景。

参考资料