太赫兹超材料芯片及其前处理和测试方法与流程

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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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；

2、第一间隙结构位于两个第二间隙结构之间；

3、所述周期结构超材料整体呈立体的m字形状。

4、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。

5、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；

6、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。

7、所述第一间隙结构的宽度g为2微米到5微米。

8、进一步，所述基底的电阻率不小于20kω·cm。

9、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。

10、进一步，所述周期结构超材料的材质为金。

11、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。

12、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。

13、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。

14、进一步，所述辉光放电的电流为30-40ma。

15、进一步，所述辉光放电的放电时间为3-5分钟。

16、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。

17、本发明还提供一种太赫兹超材料芯片的测试方法，包括：

18、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；

19、低温干燥后放入太赫兹光谱仪进行透射测试。

20、进一步，所述低温干燥条件为40-60℃，5-15分钟。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

22、(1)提供一种高灵敏度的太赫兹超材料芯片。

23、(2)提高太赫兹超材料芯片的亲水性。

24、(3)提升样本与芯片的接触面积。

25、(4)提高太赫兹检测的精准性。

技术特征：

1.一种太赫兹超材料芯片，其特征在于，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；

2.根据权利要求1所述的太赫兹超材料芯片，其特征在于，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；

3.根据权利要求1所述的太赫兹超材料芯片，其特征在于，所述基底的电阻率不小于20kω·cm。

4.根据权利要求1所述的太赫兹超材料芯片，其特征在于，所述基底为60微米*60微米到80微米*80微米的方形硅。

5.根据权利要求1所述的太赫兹超材料芯片，其特征在于，所述周期结构超材料的材质为金。

6.一种太赫兹超材料芯片的前处理方法，其特征在于，对权利要求1-5任一项所述的太赫兹超材料芯片进行辉光放电。

7.根据权利要求6所述的太赫兹超材料芯片的前处理方法，其特征在于，所述辉光放电的电流为30-40ma。

8.根据权利要求6所述的太赫兹超材料芯片的前处理方法，其特征在于，所述辉光放电的放电时间为3-5分钟。

9.一种太赫兹超材料芯片的测试方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的太赫兹超材料芯片的测试方法，其特征在于，所述低温干燥条件为40-60℃，5-15分钟。

技术总结
本发明涉及半导体集成电路领域，提供太赫兹超材料芯片及其前处理和测试方法。太赫兹超材料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。太赫兹超材料芯片的前处理方法为对所述太赫兹超材料芯片进行辉光放电。太赫兹超材料芯片的测试方法包括：将待测品溶液滴到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。

技术研发人员：李茜
受保护的技术使用者：江门市华讯方舟科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12