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(jī)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(diǎn)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(jì)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(diǎn)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(diǎn)。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(yùn)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(yùn)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(jī)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(diǎn)， 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(yùn)行， 慢波電路的尺寸偏差通常要求小于10%。例如， 對于運(yùn)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(jī)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(qiáng)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(jī)床的成功研制以及微機(jī)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)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(jī)械加工

　　微機(jī)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(diǎn)。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(jī)理的深入研究以及專用微加工機(jī)床的出現(xiàn)，使得微機(jī)械加工的加工精度和表面質(zhì)量有了很大提高。

　　在微機(jī)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(jī)床和刀具。其中， 加工機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(shí)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(jī)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(jī)械加工具有很高的加工精度和表面質(zhì)量， 但是實(shí)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(jī)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(shí)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(diǎn)，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�；蛟S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(jì)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(jì)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(jī)械加工或電火花加工技術(shù)。因此， 為了合理設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)際加工中， 由于機(jī)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(shí)驗(yàn)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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