太赫兹真空电子器件微加工技术及后处理方法_陆希成
太赫兹真空电子器件微加工技术及后处理方法
陆希成
1*
童长江1 王建国
1,2
李小泽1 王光强1 李 爽1 王雪锋
1
(1.西北核技术研究所 西安 710024;2.西安交通大学电信学院 西安 710049)
Microfabrication and Post -Processing Technologies
of Terahertz Vacuum Electronic Device
Lu Xicheng 1*,Tong Changjiang 1,Wang Jianguo 1,2,Li Xiaoze 1,Wang Guangqiang 1,Li Shuang 1,Wang Xuefeng 1
(1.N orthwest Institute o f Nuclea r Technology ,Xi c an 710024,China;
2.School o f Electronic an d I n f ormation En gineering ,Xi c an Jiaotong University ,Xi c an 710049,China)
Abstract The latest development in the micro -fabrication and pos-t processing technologies of the terahertz vacuum
electronic device (TVEDs)was tentatively reviewed in a thought provoking way.The discussions with specific examples focused on the strengths and weaknesses and applications of a variety of the widely used,state -o-f the -art micro -fabrication
methods and tools,such as the micromachining,micro -electric discharge machining (L EDM),lithographie galanoformung,abfor mung (LIGA)/ultraviolet (UV)-LIGA,and deep reactive ion etching.In addition,the impacts of the major pos-t pro -cessing technologies,including rinsing,cleaning,and che mical polishing of surfaces,on the surface properties of the TVEDs,was also briefly discussed.
Keywords Terahertz,VEDs,Mircofabrication,Surface cleaning
摘要 太赫兹频段真空电子器件的尺寸很小,其加工精度和表面质量要求很高,需要采用微加工技术及其一些特殊的加
工工艺。本文主要介绍了几种常用于制作太赫兹真空电子器件的微加工方法,主要讨论了微机械加工、微细电火花加工、LIG -A/UV -LIGA 和DRIE 等加工技术的特点及适用范围。为了提高器件的表面质量,讨论了清洗、净化及表面化学抛光技术等后处理技术。此外,太赫兹器件的设计结构特征也会限制微加工技术的选择,由此文中分析了几种常见太赫兹真空器件的特点及其可采用的加工方法和工艺。
关键词 太赫兹 真空电子器件 微加工技术 表面抛光
中图分类号:TN105 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-7126.2013.06.02
太赫兹波(Terahertz,THz)通常是指频率范围在011~10THz 的电磁波[1]。相对于微波频段,它的波长较短(3~0103mm);而相对于X 射线,其光子能量又很低(0141~41me V)。在许多方面,太赫兹技术都存在着潜在的应用,例如,高数据率通信,密封探测,远距离高品质成像,化学频谱分析,材料研究,太空研究,基本生物频率和生物医学诊断等[2-4]。这要求能够提供可靠的、紧凑的、大功率的太赫兹源。由此,太赫兹源已成为当前研究的重点。尤其是大功率太赫兹源的需求,使得太赫兹相干辐射源集中于提高输出功率方面的研究,这促进了太赫兹
真空电子器件(Vacuum Electronic Devices,VEDs)的发展[5-6]。
在所有频段,真空电子器件能够产生最高的单器件输出功率,而且比其它类型器件高几个量级[6-8]。这主要是由于电子束在真空电子器件中可以无碰撞运动,能够在很小体积内产生高功率;并且真空电子器件需要高电压来加速电子束,使得电子束功率密度较大。由此,真空电子器件具有较高的运行效率和很高的功率密度[9]。另外,真空电子器件的结构相对比较简单,在大功率、紧凑型太赫兹源方面具有明显优势。然而,由于壁面损耗、束流准直
收稿日期:2012-07-17
*联系人:E -mail:luxcheng@yahoo.co https://www.wendangku.net/doc/5a539112.html,
506 真 空 科 学 与 技 术 学 报C HINESE JOURNAL OF VACUUM SCIE NCE AND TECHNOLOGY 第33卷 第6期
2013年6月
等因素,太赫兹源的输出功率与频率负二次方不成正比,从而形成了所谓的太赫兹间隙,如图1所示[6]。为了提高源的输出功率,当前太赫兹源技术的研究主要集中在两个方面:一是研究新的波束互作用机理,开发新型高频电路,增大束波互作用截面、提高转换效率[10],例如,研究利用光子晶体作为慢波结构[11]
。二是采用新的加工技术与集成装配方法以减少传输损耗,
提高输出功率。
图1 固态和真空电子学器件输出功率
与工作频率之间的关系Fig 11 Power vs frequency of solid state
and vacuum electronic devices
通常情况下,太赫兹器件具有尺寸小、损耗大、准直度高等特点,这对器件加工和系统集成提出了很高要求
[12-13]
。为了系统的可靠运行,慢波电路
的尺寸偏差通常要求小于10%[5,14]
。例如,对于运
行频率在015THz 的慢波器件,尺寸误差的容忍度约为10L m 。这已经大大超过了传统机械加工的能力。目前,器件加工已成为太赫兹源成功研制的一个主要障碍。除了加工精度有很高要求之外,太赫兹器件对加工的表面质量要求也很高。这主要是由于太赫兹频段电磁波的趋肤深度很小(如在013THz 时,铜的趋肤深度约为0112L m)。如果趋肤深度与表面粗糙度相当,则此时器件表面的电阻率比光滑表面的电阻率要大很多,这将会导致电路效率低的难以接受。如果趋肤深度小于表面粗糙度,则电路损耗使得电磁波难以通过波导传输,也很难在电路中产生有效的耦合或谐振
[9,15-16]
。尤其对于表面
波器件,它的表面场强相对很高,粗糙表面更容易引起介质的表面击穿,从而形成表面等离子体,引起缩短脉冲[17]。因此,对于太赫兹器件,采用高精度、高质量的微加工方法制作是极为重要的
[18-19]
。
随着超精密微加工技术的发展,许多新的微加
工方法已用于制作太赫兹器件,尤其是专用微加工机床的成功研制以及微机电系统(MEMS,Micro -Electrical Mechanical Syste m)技术的发展,使得太赫兹器件的成功研制成为可能。目前,微加工技术已成为研究太赫兹真空电子器件的一个主要内容[20]。本文将重点介绍几种常用于太赫兹真空电子器件制作的微加工技术及其后处理方法,并分析相应的器件特点及适用的方法。
1 微加工技术
微加工主要是指尺寸在1mm 以下、精度为0101~01001mm 零件的加工技术。主要包括微机械加工、微细电火花加工((E DM)、LIGA/UV -LIGA 、深反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching,DRIE)等方法。其中,后两种方法通常也称为MEMS 加工技术。
111 微机械加工
微机械加工是一种最常用、最简单的加工方法,具有加工速度快、成本低、可加工材料广泛等特点。在相同加工能力下,该方法通常是最优选择。它主要包括微切削加工和微磨削加工。当前,随着精密切削机理的深入研究以及专用微加工机床的出现,使得微机械加工的加工精度和表面质量有了很大提高[21-23]
。
在微机械加工中,影响加工质量的关键因素主
要包括精密加工机床和刀具。其中,加工机床要求具有较高的主轴转速(大于1000r/min)和较小的进给速度(小于100L m/s)。一般情况下,高精度加工机床的加工精度可控制在110L m,表面粗糙度(Ra)能够达到015L m 。而超高精密微加工机床的加工精度可小于013L m 。在使用金刚石刀具的情况下,其加工的表面粗糙度能够达到几十个纳米[25]。例如,在超高精密微加工机床上,采用圆弧半径为013L m 的金刚石尖刀刀具在LY12材料表面加工正弦波形结构,其峰谷距为25L m,波长为500L m 。在没有切削液时,加工的表面粗糙度为8913nm;在以酒精为切削液的条件下,加工的表面粗糙度为4112nm,其几何形状误差为112L m,如图2所示
[24]
。对于专用微加工机床,它的加工精度可控制
在011L m [24]。
太赫兹器件通常具有比较复杂的三维几何结构,微机械加工主要用于低频端器件的制作。例如,对于140GHz 的过模表面波振荡器,它的慢波电路
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第6期陆希成等:太赫兹真空电子器件微加工技术及后处理方法
图2 未用切削液与使用切削液加工出的正弦波貌Fig 12 Shape of sine wave machined without and
with cutting fluid
为周期为017mm 、内半径为3mm 、波纹深度为
012mm 的中心孔盘荷波导结构[26]
。由于该电路结构尺寸很小,直接在圆柱内壁刻槽加工非常困难。实际加工中,采用了将周期慢波结构分解为单周期薄片结构进行加工,如图3所示。对于太赫兹低频端的折叠波导结构,同样可采用微机械加工方法制作[27]。图4给出了140GHz 折叠波导的加工结构,其周期长度为670L m,矩形波导宽度为159L m [28]
。经激光共聚焦显微镜测量,加工后电路的尺寸精度小于5L m,槽底的表面粗糙度小于015L m
。
图3 单周期薄片慢波结构的加工Fig 13 Slices of the slow wave structure
machined
图4 微铣削加工图片Fig 14 Image of micro milling
虽然超精密微机械加工具有很高的加工精度和
表面质量,但是实际加工中很难获得最优的加工结果。尤其对于复杂的三维结构器件,加工质量受到工件几何形状的严重限制。因此,该方法只适用于太赫兹低频端器件的制作。它除了存在加工精度和表面质量较差之外,其加工集成度也很低。这使得
系统组装比较困难,装配精度较差,将会增加系统的损耗和不稳定性。另外,微机械加工的表面通常会出现裂纹、毛刺等现象,而太赫兹波在金属材料表面的趋肤深度又很小,因此实际应用中通常还需要对加工器件进行表面处理。112 微细电火花加工
电火花加工也称为放电加工(Elec tric Discharge Machining,EDM),主要分为电火花成形加工和线切割电火花加工两种类型。在加工过程中,它使工具和工件之间不断产生脉冲火花放电,利用放电时局部、瞬时产生的高温把金属材料蚀除下来,从而对工件进行去除加工[29]。该技术发展比较成熟,具有设备简单、可实施性强、应用广泛等特点,适用于难切削的导电材料的加工,可加工特殊及复杂形状的表面和零件[30]。另外,电火花加工属于非接触加工,加工过程没有切削力的附加影响,因此非常适用于微小零件的成形加工。例如,在精密电火花加工机床上,利用紫铜作为电极在2Cr13钢上可得到精度误差为正负10L m,表面粗糙度为212L m 的微坑
[31]
。其中,紫铜电极的边长为200L m,表面粗糙
度为116L m 。一般情况下,电火花加工的精度可达0101~0105mm 左右,表面粗糙度能够达到215~0163L m
[32]
。
对于太赫兹低频端器件,电火花技术是一种主
要的加工手段。例如,W 波段、140G Hz 和220GHz 折叠波导的慢波结构和束流通道均可采用电火花加
工[12]。图5给出了140GHz 折叠波导的微细电火花成形加工图片,它的加工精度小于2L m,槽底呈/U 0字型,槽底表面粗糙度在5L m 左右[28]。采用电火花线切割加工技术可以制作栅格结构的慢波电路,如图6所示[33-34]
。该电路的纵向周期为80~170
L m 、厚度从15~40L m,高度为500~800L m,慢波电路频率90~410GHz 。对于更高频率的这种慢波电路,电火花加工技术已经不再适用。对于更复杂的
三维结构器件,电火花加工技术有着明显优势。如140~340G Hz 的表面波振荡器和650GHz 的波导模式转换器仍然可采用电火花技术进行加工,具体见图7和8所示[12]。其中,模式转换器的最右端为30L m @300L m,以50L m 为步长进行变换[9]。由此可见,采用电火花技术加工三维复杂结构具有明显优势。
如果想要获得高精度的电火花加工产品,采用微型电火花加工机床以及设计适当的加工工艺是非
508真 空 科 学 与 技 术 学 报第33卷
常必要的。例如,加工工艺中的放电间隙大小及一致性、工具电极的损耗及稳定性等。通常情况下,放电间隙约在20~100L m 之间,这也限制了该方法只适用于太赫兹低频段慢波结构的加工。此外,当电
火花加工的表面粗糙度较小时,由于表面受到瞬时高温作用并迅速冷却收缩而产生拉应力,往往出现显微裂纹[32]。此时,
需要采用表面处理技术。
图5 微电火花加工图片 图6 栅格型慢波结构示意图 Fig.5 Microscopic image of EDM Fig.6 Schemes of multipin
structuresi
图7 电火花加工的140GHz 表面波振荡器 图8 电火花加工的650GHz 模式转换器 Fig.7 140GHz SWO fabricated by EDM Fig.8 Sections of 650GHz waveguide transformer fabricated by E
MD
图9 UV -LIGA 工艺的加工示意图
Fig 19 Processes for UV -LIGA illustrating pathways to form both
al -l metal and metalized silicon circuits (a)-(d)illus -trate the UV -LIGA method
113 LIGA/UV -LIGA 技术
LIGA(LIthographie,Galvanformug,Abformug )可理解为深度X 射线刻蚀、电铸成型与塑料铸模三项技术的完美结合[35]。LIGA 工艺可以实现较大的纵向尺寸与较大深宽比器件结构的加工,并且能够做到侧壁陡直、均匀一致,加工平面具有光滑性。一般情况下,LIGA 技术的加工精度在011L m,表面粗糙度约为几十个纳米水平。但是,该技术中的同步辐射X 射线源使得加工成本高昂。为了降低加工成本,
已开发出利用紫外线光刻工艺代替X 射线曝光,形成了所谓的UV -LI GA 技术。它的光刻精度比X 射线的刻蚀精度要稍差一点。其基本加工流程如图9所示[12]。
在UV -LIGA 工艺中,光刻和微电铸工艺是加工的关键步骤[36-37]。其中,紫外线的深度光刻技术是UV -LIGA 技术的第一步,也是最为关键的一步,其获得的光刻胶结构是微电铸模具的母模,它决定了模具的图形质量和精度。当前,光刻工艺主要采用负性的SU -8光刻胶。图10(a)给出了SU -8光刻制作的模具扫描电镜图片[36],其中,SU -8的曝光深度为100L m,曝光波长405nm,曝光时间为18s,掩膜与光刻胶间隙10L m,掩膜窗口狭缝宽20L m 。对于第二步微电铸工艺,它是利用电化学原理将光刻工艺得到的光刻胶图形转移到金属材料上,形成精确的微机械结构。它可以实现深度达几百微米以上的细微结构复制,非常适合作为精细结构的制造手段,已成为了微加工的关键技术之一。图10(b)给出了采用换向脉冲电镀层的扫描电镜图片
[36]
。
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图10 (a)SU -8光刻制作模具图像;
(b)微电铸表面扫描电镜图像
Fig 110 (a)Image of fabricated pattern by SU -8,
(b)SEM of micro -electroform
由于LIGA/UV -LIGA 技术具有较好的加工精度和表面质量,因此它适用于较高频器件的加工。例如,对于220,400,670GHz 的折叠波导慢波电路,采用UV -LIGA 能够获得非常精确的慢波结构,而束流通道可采用线切割电火花加工[12,38-39]
。对于栅格型慢波结构,采用该方法应具有很大优势,因为它非常适合平面结构加工。图11为利用LIGA 技术制作的650GHz 返波管结构,其每个金属杆的横截面直径为20L m,高为80L m [12,40]
。图12为采用UV -LI GA 技术制作的栅形慢波结构[41-42]。由此可见,LIGA/UV -LIGA 技术加工精度高、表面光滑、深宽比大。这为制作复杂平面周期微结构的较高频器件提供了一
种有力加工手段。
图11 利用LIGA 技术制作的650GHz 返波振荡器
Fig 111 Section of 600~700GHz B WO
circuit p roduced with
LIGA
图12 利用UV -LIGA 技术制作的栅形慢波结构Fig 112 Section of SWS fabricated by UV -LIGA
LIGA/UV -LI GA 技术具有明显的平面加工特征,其加工的结构通常需要二次装配。为了减少装配误差,韩国首尔国立大学和中国科学技术大学分别研究了LIGA/UV -LIGA 的三维加工工艺[15,37]
。它主要是采用两步或多步UV -LIGA 技术制作三维结构,图13给出了两步UV -LI GA 工艺的流程图。采用该方
法制作的100GHz 折叠波导偏差小于2L m,表面粗糙度约为30nm [16]。中国科技大学采用三步UV -LIGA 工艺为电子科技大学制作了220GHz 扩展互作用振荡器的矩形耦合腔慢波结构,其内部最小线宽50L m 、最大高度300L m [37,43-44]
。在多步LIGA/UV -LI GA 加工工艺中,多层对准光刻保证了内部微结构的精度,一次成型,无需对准装配,有利于系统的集成与准直。另外,多步UV -LIGA 工艺还可减少二次加工带来的损伤。例如,采用两步LIGA 工艺制作的折叠波导慢波电路,其束流通道比电火花加工的束流通道质量明显要好,边缘不会产生缺损或毛刺现象,如图14所示
[15]
。
图13 两步UV -LIGA 工艺流程图Fig.13 Scheme of two step UV -LIGA
technology
图14 (a)电火花加工的束流通道;(b)两步UV -LIGA
工艺制作的束流通道
Fig 114 (a)Channel of beam fabricated by EDM ;(b)Channel
of beam fabricated by two step UV -LIGA
510真 空 科 学 与 技 术 学 报第33卷
LIGA/UV -LIGA 技术除了具有加工精度高、表面质量好的特点之外,它还可以将多个微器件集成在同一基板上整体加工。例如,对于折叠波导行波管放大器,可将慢波结构、束流通道、波的输入和输出耦合通道设计在同一个基板上,利用该方法一次加工成形。这样不但可以减少加工次数,而且还可以减小系统的装配误差、提高输出效率。但是,该方法的加工工艺尚未形成标准,实际应用还需要设计具体工艺。因此,为了提高加工可靠性、降低加工成本,可在同一基板上一次制作多个电路,以便择优选择。另外,该技术的加工周期较长,费用很高。虽然该方法还存在着许多问题,但是它仍然是高频器件加工方法中一项最有发展潜力的技术。
114 DR IE 技术
DRIE 是一种基于等离子体放电技术的刻蚀方
法,它可以在硅上刻蚀出很大深宽比的几何结构,以作为制作电铸金属结构的模型[45-46]。与LIGA/UV -LIGA 技术一样,硅刻蚀的几何结构决定了器件的加工精度和表面质量。目前,德国B osch 公司已建立了一套标准的Bosch DRIE 工艺。它是采用电感耦合等离子体实现刻蚀、钝化交替进行的各向异性刻蚀过程,如图15所示[47]
。该工艺实现了高刻蚀速率、高选择比,具有良好的各向异性。在微米级加工中,可采用光刻胶作为刻蚀掩膜,能制作出2L m 宽的沟槽,沟槽间距为10L m,侧壁的波纹周期小于400nm,起伏小于100nm 。而采用SiO 2作为基模,利用Bosch 工艺能够加工出微纳米级结构。在刻蚀的基础模具上,采用微电铸方法进行金属结构成形,最后进行金属结构释放即可得到所需工件。该方法的加工精度通常小于011L m,表面粗糙度小于30nm
。
图15 Bosch 工艺原理图Fi g.15 Schematics of Bosch
technology
图16 反射速调管示意图
Fig 116 Schematics of the reflex klystron
由于DRIE 技术有标准化的Bosch 工艺,因此该
方法应用相对比较广泛。目前,利用该工艺已经制作了220GHz 、650GHz 的折叠波导行波管[39,48]。它们的深宽比达到了8B 1,深度偏差小于015L m,壁面粗糙度为50nm 。对于650GHz 的双平板叉指型慢波结构,同样可采用DRIE 技术加工[49]。该方法除了可加工平面周期结构的慢波电路之外,也可加工谐振腔型微纳速调管,如图16所示。例如,采用该方法已制作出200G Hz 和112THz 的微纳速调管[12,50]。该系统由高电流密度阴极、聚束管、谐振腔、反射镜和输出波导等功能器件组成,利用DRI E 工艺可将这些器件在两个键合的硅片整体加工,如
图17所示。由于DRIE 技术加工精度高,表面质量
好,因此该技术主要用于高频器件的加工。
图17 112THz 微纳速调管上半个和下半个扫描电镜图片
Fig 117 SE M images of the top and bottom halves
of 112THz nanoklystron
DRIE 技术除了具有集成加工能力之外,也可采用多步刻蚀工艺制作三维结构。该工艺与多步UV -LIGA 工艺类似,同样可获得高质量的三维结构。例
如,在650GHz 折叠波导慢波电路的加工中,首先利用刻蚀工艺在硅基上制作折叠波导,然后再刻蚀束
511
第6期陆希成等:太赫兹真空电子器件微加工技术及后处理方法
流通道,从而形成高质量的慢波电路[51]。DRI E技术是一种相对比较成熟的技术,其制造工艺规范、能够获得高精度和高表面质量的微结构。目前,它是制作高频太赫兹真空电子器件一种非常合适的加工方法。
115其它加工技术
对于太赫兹真空电子器件,除了前文给出的几种常用微加工方法之外,还可采用以下几种微加工技术:激光烧蚀加工、离子束加工、超声波加工、电化学加工等技术。它们的加工精度也可达到1L m,表面粗糙度达到011L m[52]。其中,So等[53]采用激光烧蚀加工技术制作了500GHz的Smith-Purcell效应的辐射器件。但是,由于各方面条件的限制,这些加工技术通常很少用于制作太赫兹真空电子器件。
2微加工技术分析
每种加工技术都有自身的加工特点,并且可加工的结构和材料也不同。另外,太赫兹真空电子器件的形状也各不相同,需要选择合适的加工方法。因此,在设计和加工中需要综合考虑两方面的因素,以提高效率、节约成本。下面将结合几种常见的慢波结构讨论前文给出的几种加工方法的适用范围。211加工能力及适用范围
在保证器件加工精度和表面质量的情况下,通常会选择最合适的一种加工方法。根据趋肤深度与表面粗糙度的关系可知,微机械加工一般适用于制作100GHz以下射频电路。而电火花技术虽然加工表面粗糙度相对较高,但是它可以处理一些机械加工难以制作的材料和结构,因此,它通常适用于300 GHz以下射频电路的制作。LIGA/UV-LIGA和DRI E 技术的加工质量明显优于前两种加工方法,它们都能加工1THz以上的射频电路。其中,DRI E方法有比较成熟的Bosch工艺,其加工质量有一定的稳定性。因此,高频器件可优先选择DRIE技术。综上所述,表1给出了这四种常用微加工技术的能力及其适用范围。
表1四种常用微加工技术的加工能力和适用范围
Tab.1Ability and applied range of four microfabrications
加工方法精度/L m表面粗糙度/nm材料成本频率/GHz 微机械加工<10<1000所有低0~100
微电火花加工<5<1000导电较低0~300 LIG A/UV-LIGA<1<100金属高30~1000 DRIE<015<50金属较高30~3000
每种微加工方法都有自身的技术特点,适用于加工不同的材料、几何结构。例如,LI GA/UV-LIGA 和DRIE技术适用于制作具有平面特征的三维结构,材料一般为无氧铜。因此,它们一般用于制作更高频率的折叠波导慢波结构和具有平面特征的光栅结构。从另外一个角度来看,一些射频电路的材料和结构也限制了加工技术的选择。例如,具有复杂三维结构的圆柱形返波管的慢波结构,通常需要采用机械加工和电火花加工技术。如果采用这些加工技术,则将会限制该类器件难以向更高频方向的发展。由此,对于加工技术与可加工结构特征尺寸的关系,Booske等[4]总结了几种常用微加工技术对不同慢波结构的适用范围,如图18
所示。
图18三种电路结构与可采用
微加工技术的关系曲线
Fig118Scaling curves for typical dimensions of a CCTWT cir-cui t,a folded waveguide circuit and a grating circuit in-
dicating typical ranges of microfabrication for various
technologies
212复合加工
为了解决复杂结构的加工以及提高加工质量,可利用现有加工技术建立复合加工方法。例如,为了提高电火花技术的加工能力和加工质量,可利用UV-LI GA制作高精度和高表面质量的工具电极,或制备出一般方法难以或无法制备的复杂形状工具电极,使得电火花能加工出综合性能优越的金属结构,提高加工速度,并能够一次成形制作复杂结构[54]。另外,有时候单一加工技术难以完成整个任务,可根据不同加工方法的特点将其复合在一起,使之相辅相成,实现在加工工艺上的新突破。例如,在折叠波导慢波电路加工中,可首先采用UV-LIGA技术制作
512真空科学与技术学报第33卷
折叠波导,然后采用电火花加工束流通道。
复合加工由于集多种加工方法的优势,其加工能力更强,适用范围更广。它具有很好的综合应用效果,发展比较迅速。但并不是所有的复合加工都会取得相辅相成、互相促进的效果。因此,实际加工中还需要对加工工艺进行详细研究。此外,复合加工的能力,仍然受到所采用加工技术自身能力的限制,难有实质性突破。
3 后处理方法
上述介绍的几种加工方法,其加工精度基本上可以满足太赫兹真空电子器件的设计需要。然而,其中一些加工技术得到的表面粗糙度较高,为了提高这些技术的应用范围,通常采用表面抛光技术以降低器件的表面粗糙度。
在实际的加工过程中,加工产品还可能会存在着一些缺陷。例如,微切削加工的器件表面可能会出现裂纹、毛刺等现象,微电铸加工的器件可能会存在边缘棱角等。另外,器件在加工制作过程中,随时都有被脏物或杂质污染的可能。这些污染物和加工缺陷,一方面限制了太赫兹电路的输出能力,另一方面也限制了加工技术的应用范围。因此,为了扩大加工技术的应用范围、提高电路的输出能力,可对加工后的器件采用净化、表面抛光等技术进行二次处理。
311 净化处理
污染器件的脏物通常有油类、粉末和某些化学污染物,例如LIGA/UV -LI GA 或DRI E 工艺中在去除基底材料时通常会出现残留物的问题。无论何种污染物,都会给电子器件带来不良后果,例如出现管内放气降低真空度,破坏阴极引起阴极中毒等现象[18]。对于这些问题,通常采用化学方法去油清洗,即利用酸性或碱性溶解进行去污清洗。
由于太赫兹器件具有尺寸小、形状复杂、空间封闭等特征,因此在实际清洗中需要利用超声波技术。超声波能使清洗溶液通过微结构通孔进入到金属结构内部空腔,有效去除污垢。例如,UV -LIGA 工艺中热裂解后在毫米波加速腔内存在的光刻胶分子残渣,可首先将微结构浸泡在去离子水中,并添加一定量的润湿剂(如洗涤剂等)进行去污清洗;然后,换到丙酮溶液中利用超声波清洗以去除残余的有机物;最后,将微结构置于稀盐酸溶液中,使用超声波辅助
清洗以去除氧化层,其清洗前后结果,如图19所
示[37]。此外,酸性溶液不但可去除一些化学污染物,而且还能够去除一些加工毛刺。
图19 (a)热裂解后留在微结构空腔内的残渣;(b)超声
波清洗后的内部微结构空腔
Fig 119 (a )Residues in micro -cavity;(b)Inner micro -cavity
after ultrasonic cleaning
312 表面抛光
净化处理虽然可以获得较干净的微结构器件,
但是它不能有效去除边界毛刺、表面裂纹等一些加工缺陷。尤其是,该方法不能有效地降低器件的表面粗糙度。因此,为了有效提高太赫兹器件的表面质量,可采用表面化学抛光技术。该方法操作简单,可有效提高加工器件的表面质量。例如,对140G Hz 表面波振荡器慢波结构进行化学抛光,器件的光亮度明显提高。实验中,其输出功率也有较大改善。为了提高化学抛光的表面质量,还可在化学溶液中添加光亮剂,能使不锈钢表面抛至镜面光亮[55]。另外,化学抛光不但可以提高器件的表面光洁度,而且还能够改善器件的一些表面缺陷,如边界毛刺、表面裂纹等。
值得注意的是,表面化学抛光技术属于去除抛光方法,可能会影响加工器件的精度。尤其对于具有微小尺寸特征的太赫兹器件,需要设计适当的抛光工艺,包括溶液配比、时间控制等。
表面抛光技术虽然能够有效提高器件的表面质量,但是它的具体抛光程度与初始加工的表面粗糙度也密切相关。例如,对于电火花加工的4个95G Hz 速调管,其腔体的Q 值在400~800之间;经过化学抛光之后Q 值提高到了1000~1200;采用LIGA 技术加工得到腔体的Q 值在1400~1500之间。而数值模拟得到的理想光滑表面腔体的Q 值约为1550[9]。由此可见,表面抛光技术只能部分提高电火花加工器件的表面质量,很难达到LIGA 技术的加工水平。这主要是受到初始电火花加工水平的影响。图20给出了电火花加工及相应化学抛光和
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LIGA 制作器件的扫描电镜照片[9]。这说明了如果想要获得器件的最优性能,应优先选择最佳的加工
技术。
图20 电火花加工及相应化学抛光和LIGA
加工得到的器件表面质量
Fig 120 Comparison of surface finish for EDM and LIGA tech -niques (all three images have the same scale)
对于大功率真空电子器件,尤其是相对论真空电子器件,经过表面抛光后,系统的输出功率通常也会有较大的提高。然而,经过一段时间运行后,系统的输出功率一般会发生下降并达到稳定。这可能是由于相对论电子束和高频电场击穿损伤了器件的表面质量,导致了器件表面出现缺陷,引起了电路性能的下降。此外,根据实验研究,如果器件不进行抛光处理,经过一段时间运行后,则系统的输出功率也会有较明显的提高、并逐渐稳定。这种现象也称为系统/老炼0。它一方面是由于系统结构的逐渐稳定所导致,另一方面也是由于系统的前期运行使得器件表面质量得到一定改善所引起。通常情况下,抛光处理后的结果要比/老炼0的结果好一些。对于非相对论的一些低功率真空器件,由于电子束和场强击穿对电路的影响较小,因此采用抛光处理对提高器件性能是非常有利的。
4 小结
当前,太赫兹真空电子器件正向更高频方向研究,其慢波器件的特征结构将会越来越小,并且具有集成化加工的趋势。根据目前所了解的加工方法特点,MEMS 技术应当是制作太赫兹真空电子器件最有前途的一种加工方法。或许也是高频太赫兹真空电子器件能否成功研制的一个关键因素。
太赫兹真空电子器件的设计与微加工技术的选择相互影响。例如,如果采用LIGA/UV -LI GA 或DRIE 技术,则器件一般设计具有平面结构特征。而
圆柱形慢波结构,通常需要采用采用微机械加工或电火花加工技术。因此,为了合理设计器件结构并提高加工效率、较少加工成本,这两方面的因素需要综合考虑。这就要求设计人员不但需要理解器件物理,而且还需要了解相关的微加工技术和工艺。尤其在实际加工中,由于机械设备、加工工艺、人员素质等因素的影响,车间加工水平通常会低于实验室加工水平一个量级。因此,目前复杂结构的超精密微加工,通常需要专业人员研究合适的加工工艺进行制作。
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