UV-LIGA微加工技术制备1.1 THz交错双栅慢波结构

《Micromachines》：UV-LIGA Microfabrication for 1.1 THz Staggered Double-Grating Slow-Wave Structures Qi Jiang, Xinghui Li, Yuanfei Hui, Pan Pan and Jinjun Feng

　　

摘要：本文采用基于RD-2150光刻胶的UV-LIGA工艺，制备了用于行波管（TWTs）的1.1 THz交错双栅慢波结构（SWS）。设计的SWS宽边为170 μm，窄边为50 μm，当制备一半SWS时，结构高度为85 μm，即宽边的一半。制备工艺包括光刻、电铸、研磨、抛光和去胶。所制备结构的顶面、底面和侧壁粗糙度分别测得为21 nm、20 nm和17 nm。结构的平均侧壁垂直度测得为90.1°，从四个独立采样位置获得的标准偏差为0.5°。对于结构的名义尺寸（高度85 μm、宽度50 μm），所实现的尺寸精度分别为±2 μm和±1 μm，对应的标准偏差分别为1.05 μm和0.59 μm，证实了优异的结构均匀性。随后研究人员评估了这些尺寸偏差对结构电磁性能的影响。结果表明，偏差对色散特性的影响可忽略不计。具体而言，线宽偏差导致耦合阻抗降低21%，而高度偏差引起同步工作电压升高600 V。

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**论文解读：UV-LIGA微加工技术制备1.1 THz交错双栅慢波结构**

**1. 研究背景**

太赫兹频段（0.1–10 THz）在雷达、通信和科学研究领域具有巨大潜力。行波管（TWT）凭借高输出功率和宽工作带宽，成为高功率毫米波放大器件的关键组成部分。行波管的核心部件之一是慢波结构（SWS），它负责调控电磁波相速以与电子束同步。当工作频率升至1.1 THz时，SWS的尺寸缩小至仅数十微米，传统数控铣削难以保证高精度和可重复性。光刻技术能够实现更高的尺寸精度和更低的表面粗糙度，且微加工技术可满足小批量生产需求。与深反应离子刻蚀（DRIE）相比，UV-LIGA工艺兼具精确光刻和铜电铸能力，能够满足真空兼容的全铜电路微加工要求。全铜结构可确保在高频下的低微波损耗和高热导率，解决硅复合结构存在的薄膜脱落和导热不良等问题。此前，H. Li和J. Feng等人已系统开发了覆盖W波段至340 GHz的高精度折叠波导（FWG）的UV-LIGA制备技术，并逐步提升了尺寸精度。然而，1 THz以上的SWS此前仅有通过DRIE制备的报道。研究人员首次将UV-LIGA工艺拓展至1.1 THz行波管用SWS的制备，并在尺寸精度和均匀性上实现了突破。结构均匀性是高频太赫兹器件制造的关键挑战，因为它要求精确周期性复制SWS以满足完整的Floquet边界条件。本研究聚焦于1.1 THz全金属SWS的制备，实现了尺寸精度上的突破，制备样品在精度上优于先前报道的器件，并完成了全面的结构均匀性表征，验证了所达到的精度并非单点最优值，而是在整个SWS样品上均匀保持。波导高度由衬底和抛光平面共同决定，宽度和侧壁垂直度由光刻决定，粗糙度由光刻和电铸决定。主要挑战包括：构建完全平坦的衬底平面以避免光刻时紫外线在金属表面散射；构建平坦的光刻胶平面以避免光刻时的衍射；构建平坦的研磨抛光平面以确保结构内的一致性。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员使用了以下关键工艺技术：（1）**RD-2150负性光刻胶的涂覆与平坦化**，采用固定位置水平刮刀平台进行光刻胶涂覆，并通过边缘刮胶处理改善边缘光刻胶厚度均匀性，使4英寸衬底有效图案区内约200 μm厚光刻胶的不均匀性从超过30 μm降至10 μm以内。（2）**接触式紫外光刻**，波长365 nm，采用软接触和间歇曝光（每次2.5 s，间隔10 s，共10次循环），优化曝光剂量为375 mJ/cm2。（3）**后烘与显影**，通过优化后烘温度（最高温度75 °C）和升温速率（从55 °C升至75 °C时速率降至1 °C/min），避免了光刻胶脱附和膨胀，确保结构完整性。（4）**三角波脉冲电铸**，在25 °C、平均电流0.6 A、占空比50%条件下，以约15 μm/h的速率生长铜层12 h。（5）**梯度研磨与抛光**，依次使用20 μm、9 μm、3 μm氧化铝磨料，控制中心区域比边缘高5 μm以平衡抛光均匀性，最终高度目标85 μm，抛光后平坦度在4 μm以内。（6）**两步法去胶**，先用Remover PG浸泡（60 °C，3–5 h），再用O?/CF?/N?等离子体刻蚀（1200 W，60 °C，1.5 h），实现保形剥离。

**3. 研究结果**

**3.1 尺寸精度测量与分析**
制备的1.1 THz交错双栅SWS包含150个周期。使用CNC视频测量系统自动测量每个周期的线宽，实测值在49 μm至51 μm之间，与设计值50 μm吻合，线宽精度±1 μm，均值50.0074 μm，标准偏差0.591 μm。高度测量在SWS上均匀布置25个采样点，通过结构顶部与底部绝对高度差计算实际沟槽深度，设计半波导高度为85 μm，实测值在83 μm至87 μm之间，深度精度±2 μm，均值84.852 μm，标准偏差1.048 μm，整体高度略有下降趋势，反映衬底或抛光面对应区域的平坦度。线宽和高度统计结果见表2。进一步评估1 μm线宽偏差和2 μm高度偏差对SWS性能的影响：线宽偏差不引起结构色散显著变化，主要影响低频段（约900 GHz），在1.1 THz工作频率附近电子束与电磁波的同步仍满足，但耦合阻抗降低21%；高度偏差使同步工作电压升高约600 V（最恶劣情况总偏差4 μm时），色散特性不变，耦合阻抗略有增加，可部分补偿输出功率下降。

**3.2 侧壁垂直度**
将SWS切割以暴露横截面，使用Sensofar光学轮廓仪（共焦扫描模式）获取侧壁附近区域的三维形貌数据，提取二维高度轮廓并进行几何拟合计算侧壁角度。在同一个结构上对四个独立位置进行测量。平均测量侧壁垂直度约为90.1°，标准偏差约为0.5°，验证了所开发微加工工艺的优异一致性。

**3.3 表面粗糙度**
使用Sensofar光学轮廓仪测量表面粗糙度（结果取整数）。顶面（采样面积80 μm × 60 μm）粗糙度为21 nm，底面（300 μm × 30 μm）为20 nm，侧壁（30 μm × 30 μm）为17 nm。附有各测试结果及采样位置对应的图21、图22、图23。

**4. 总结讨论**
论文总结了利用UV-LIGA技术成功制备1.1 THz交错双栅SWS的工作。所制备结构的尺寸精度（高度±2 μm、宽度±1 μm）、表面粗糙度（≤21 nm）和侧壁垂直度（90.1°）均达到了优异水平。这些关键参数的优化表明，UV-LIGA工艺制备的高频结构可应用于更高频率真空电子器件的开发，为太赫兹器件的发展奠定了坚实基础。目前，研究人员正在通过机械加工与UV-LIGA技术相结合的方式制备具有渐变深度或阶梯结构的输入/输出电路，以便后续进行S参数测量以完成电磁特性表征。

**5. 结论（原文翻译）**
研究人员在本文中演示了一种用于微加工制备1.1 THz行波管交错双栅慢波结构（SWSs）的UV-LIGA技术。所制备结构的高度和宽度尺寸精度分别为±2 μm和±1 μm。表面粗糙度在21 nm以内。结构的侧壁垂直度为90.1°。这项工作显著优化了尺寸精度、均匀性和侧壁垂直度等关键参数。利用UV-LIGA技术成功制备1.1 THz慢波结构证明，UV-LIGA工艺制备的高频结构适用于更高频率真空电子器件的开发，为太赫兹器件的进步奠定了坚实基础。目前，研究人员正在通过机械加工与UV-LIGA技术相结合的方式制备具有渐变深度或阶梯结构的输入/输出电路，以便后续进行S参数测量以完成电磁特性表征。