太赫茲多層平面透鏡天線的分層制造技術研究

劉振浩，鄒小舟，繆卓偉，胡孝昀，曾永彬

1.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016

2.中航工業南京伺服控制系統有限公司，江蘇 南京 210032

3.東南大學，江蘇 南京 210096

雷達作為現代防空系統的“眼睛”，通過截獲輻射源發出的電磁信號來鎖定目標的位置，廣泛應用于空中偵察、制導識別等領域，是現代電磁探測的重要組成部分。軍事技術的快速發展對雷達系統的感知能力、反導反隱身能力、保密能力等都提出了新的要求[1]。太赫茲（THz）波具有的大帶寬、抗干擾、強穿透等電磁特性使其在軍事應用上具有廣闊的潛力，太赫茲雷達與微波毫米波雷達相比具有更高的探測精度和方向性，對煙塵等有著良好的穿透能力，并對采用外形設計或涂覆吸波材料的目標均具有良好的反隱身能力[2-3]。目前軍事技術正朝著“空天地?！币惑w化全方位發展，電磁波譜中的各段將在信息系統中發揮互補的作用，作為未被完全開發的電磁頻段，THz技術的研究與應用具有深遠意義。

太赫茲雷達系統起初常用于探測飛機、航母等大尺寸目標的縮比模型，將測得的數據反推作為微波毫米波雷達的測試結果，從而克服其直接測試時場地或設備的限制[4]。隨著科學的發展，國內外學者基于逆合成孔徑雷達（ISAR）成像、合成孔徑雷達（SAR）成像、陣列成像、孔徑編碼成像等方式研制了一批太赫茲雷達成像系統[5]，驗證了太赫茲雷達的成像潛力。太赫茲雷達面臨的主要問題是發射機低功率輸出和接收機低靈敏識別，目前的研究方向主要朝著開發高功率的太赫茲源、研究合適的調制方法和優化傳輸與探測能力等[6]。

搭載高增益天線是一種提高太赫茲信號傳輸能力的解決方案，常見的太赫茲高增益天線種類主要包括喇叭天線、透鏡天線、陣列天線等[7]，透鏡天線通過在發射前端對信號進行初步相位調控來提升系統的波束掃描性能和傳輸增益[8]，太赫茲多層平面透鏡天線結合了傳統透鏡天線、平面陣列天線兩者的優勢，克服了傳統透鏡天線結構復雜、體積龐大的缺陷，是一種滿足機載平臺系統的小型化、低功耗要求的方案[9]，與單層天線相比，天線層數的增加可以獲得更廣的透射相位補償范圍，在雷達探測中具有更好的表現[10]。

太赫茲波所對應的波長為0.03～3mm，對應于該尺度的加工屬于微細制造的范疇，在此范圍外的微波與紅外光電元件制造已有著諸如印刷電路板（PCB）技術、半導體光刻技術等相對成熟的工藝方法，而對于太赫茲器件，目前暫無明確體系的制造工藝。目前針對平面透鏡天線的研制大多集中在微波毫米波或者太赫茲低段，圍繞平面天線的加工方法，國內外學者從加工微波、紅外光學元件的經驗入手進行了諸多研究[11]，其中最常見的是3D 打印技術。 Wu Gengbo等[12]通過優化打印部分的支撐結構，選擇高溫樹脂（εr=2.66）作為材料，打印出中心頻率為0.3THz的菲涅耳透鏡天線?；诘蜏毓矡沾桑↙TCC）技術，Xu Junfeng等[13]將三層金屬層與多層基板燒結層壓加工出中心頻率為0.27THz 的透鏡天線。在更高的頻段下，G.O.David 等[14]通過深反應離子刻蝕（DRIE）技術在硅基上刻蝕出直徑36μm 高度變化的微柱，并在其表面鍍2μm 金層制造出0.3THz 的超表面天線。Liu Guang 等[15]利用紫外光刻技術加工出中心頻率為0.34THz 的4 層整體透鏡天線，其周期長度為0.5mm。Han Zhengli等[16]在活性樹脂苯并環丁烯（BCB）柔性薄膜上光刻出雙層菲涅爾波帶片（FZP）透鏡用于太赫茲成像系統。隨著設計頻率的不斷提升，傳統制造技術和設計方法加工的器件損耗大、效率低，在更高頻段下加工難度上升甚至無法加工，因此需要從材料、工藝、設計等多個方面開展創新研究。

本文根據所設計的太赫茲多層平面透鏡天線的結構特點提出了一種相對簡單的制造方法?；诜謱又圃斓乃枷雽⑻炀€整體在縱向上劃分為透鏡層、墊片層兩組共9 層的薄片結構，以UV-LIGA 技術制造全金屬天線，在保證各層尺寸精度的同時，提升了產品良率。借助物理場仿真對陰極目標結構以及工藝參數等進行了設計研究，采用空氣饋電的多層天線結構省去了傳統多層實體制造路線中的熱壓黏合，簡化了工藝路線。先分層制備后整體裝配的工藝路線顯著提高了加工過程的成功率。

1 整體設計與工藝路線

1.1 周期單元結構設計

太赫茲多層平面透鏡天線由64×64 個周期陣元組成，各陣元在縱向上又可劃分為9 層微結構，如圖1 所示，選用電鑄銅作為天線金屬材料。需要注意的是，其中奇數金屬透鏡層中各陣元矩形塊的寬度b并不固定，而是隨距中心距離的改變而不斷變化，圖1（b）給出了整個透鏡天線的完整結構，天線單周期的關鍵尺寸見表1。

表1 周期單元關鍵尺寸參數Table 1 Geometric parameters of periodic units

圖1 太赫茲平面透鏡天線結構示意圖Fig.1 Schematic of THz planar transmit-array antenna

1.2 分層制造的優勢

偶數墊片層分隔相鄰兩片透鏡層，中空結構作為空氣間隙，由去除透鏡區的加厚透鏡層獲得，為保證透鏡區域電鑄時的厚度均勻性以及方便后續裝配，以圖2 的形式在透鏡區周圍增設一圈裝配區。

圖2 分層結構示意圖Fig.2 Schematic of layered structure

各透鏡層間通過空氣進行饋電，沒有密封性要求，可進行分層裝配。由于省去了多層套刻時，如平坦化、導電化、刻蝕等步驟，整體制造的難度降低。以基片上放置9處結構為例，不同工藝下總體結構的制備成功率Q可由式（1）、式（2）計算

式中，Q1和Q2分別為整體制備和分層制備的成功率；p1為透鏡層制備成功率；p2為墊片層制備成功率。

圖3所示為整體制造與分層制造的成功率對比，從圖3可以看出，分層制備時由于有缺陷的透鏡層可用作墊片層，因此有著更高的總體成功率，而整體制備時某一層出現的缺陷無法彌補，造成前步過程浪費。

圖3 整體制造與分層制造成功率對比Fig.3 Comparison of success rates between overall preparation and layered preparation

1.3 工藝總體流程

圖4 是太赫茲多層平面透鏡天線的制造工藝方案圖，具體步驟為：（1）對SU-8 膠曝光得到與透鏡圖案相反的凹模；（2）采用微電鑄工藝在凹模內部電鑄30μm 銅；（3）選取質量較好的5 片作為透鏡層，進行去膠、脫模、防氧化等處理；（4）將其余4片延長電鑄至60μm，去除中心透鏡區得到墊片層；（5）將5 片透鏡層與4 片墊片層依次裝配后裝夾固定。

圖4 UV-LIGA工藝方案圖Fig.4 Schematic diagram of the UV-LIGA sequence

UV-LIGA技術可制作任意二維截面形狀的圖形結構，尤其在金屬MEMS 加工方面有著廣泛應用[17]。產品尺寸由光刻過程保證，加工精度高；使用SU-8 系列作為光敏材料，可制造較高深寬比的結構。本文采用的方法大幅降低了制造難度，加工一次即可在基底上形成所需的透鏡結構，符合大批量生產的要求，制造成本相對較低。

2 工藝優化

2.1 透鏡區厚度均勻性優化

在金屬微電鑄工藝中，陰極表面電沉積厚度D可以表示為

式中，M為金屬的摩爾質量；z為得失電子數；ρ為金屬密度；F為法拉第常數（96485C/mol）；這些在單一金屬電鑄下均為常量。在相同電鑄時間t下，影響鑄層厚度D的主要參數為電流密度J。事實上在陰極表面電流密度的分布和電荷利用效率十分不規則，將會導致其在不同位置具有不同的厚度。對于精確設計的各個周期單元，陣面上過大的厚度極差勢必導致透鏡性能下降。

目前，提升厚度均勻性的方式主要包括增設絕緣擋板、添加輔助陰極改善電流分布情況；采用正反脈沖電鑄、使用添加劑改善鍍液分散能力等。本文結合后續裝配方式，選擇將陰極區調整為圖2（a）所示的結構，在透鏡區外緣增設裝配區作為片內輔助陰極，來提高透鏡區的厚度均勻性。

使用COMSOL Multiphysics有限元軟件中的二次電流分布模塊來模擬微米（μm）尺度的電沉積過程。構建的幾何模型如圖5所示，為簡化計算進行整體縮放，分別刪去X、Y方向上的偶數行、列對應的單元，保留其圖形特征得到32×32的簡化模型，除陰陽極表面外均作絕緣處理，陰陽極表面主要的電極反應是銅的溶解與沉積，其反應式為

圖5 電鑄區域幾何模型Fig.5 Model geometry of electroforming area

局部交換電流密度可根據Butler-Volmer 公式進行計算

式中，iloc,Cu為交換電流密度；αa、αc分別為陽極、陰極傳遞系數；ηCu為過電位。將陰極表面平均電流密度iavg設置為1A/dm2。圖6 所示是有無裝配區時透鏡表面厚度分布情況，分別對對角線位置進行取點測量，仿真結果和試驗均表明此方式提高了整體厚度均勻性。

圖6 有無裝配區時透鏡區域厚度分布情況Fig.6 Thickness distribution of lens area when the assembly area is added or not

當陰極表面只存在透鏡區時，鑄層輪廓呈現出四周高中心低的分布特點。這是由于電流在靠近邊緣處時變得更加集中，即所謂的邊緣效應，呈現出馬鞍形的厚度分布。而在添加裝配區作為陰極表面后，電流此時集中在裝配區的外緣，使得透鏡區處于低電流密度狀態，電流分布更加均勻，僅在透鏡中心處發生輕微聚集。定義厚度不均勻系數σ如式（6）所示

式中，δa，δb分別為透鏡區內最大、最小厚度?？梢宰⒁獾?，通過添加裝配區，σ由40.84%降低到7.76%，有效提高了透鏡區內的厚度均勻分布。

2.2 SU-8紫外光刻

SU-8 2015 是一種負性光刻膠，顯影后基板上留下與掩膜版（Mask）圖案相反的膠模，其常用于制作厚度為13～35μm 的微結構，光刻工藝的一般過程主要有基板預處理、勻膠、前烘、曝光、后烘、顯影、檢查等操作。

2015 型光刻膠運動黏度約為1250mm2/s，在常溫下有著較好的流動性，但由于儲存溫度一般較低，每次使用時應提前在30℃熱板上預熱5min左右。膠膜的厚度通過設定不同的勻膠轉速來獲得。將4mL左右的液態膠滴至基板中央后進行旋涂，在800r/min低轉速下旋涂10s，隨后增加轉速至1100r/min 高速旋轉30s。旋涂結束后的膠膜需要靜置在水平桌面上進行自平整過程來降低整個膠膜表面的高度差。

首先將甩好的膠放入烘箱并在65℃保持90s，隨后升溫至95℃保持15min，此過程可以提高膠與基板間的結合力，降低線寬誤差并修復甩膠后膠膜表面出現的微小氣孔等缺陷；試驗所用的曝光設備為SUSS MJB4，其曝光時的輻射照度為20mW/cm2，采用接觸式曝光，時間為7s；曝光后光刻膠內部產生的光酸要在后烘階段發生交聯反應，所采用的后烘條件為65℃保持90s，95℃保持9min；將基板浸泡在顯影液中5min 顯影去除未固化的光刻膠，此過程可以配合異丙醇（IPA）來判斷顯影進程；最后洗掉殘留的白色雜質并靜待膠模自然風干。圖7 是采用上述參數制備的膠模。

圖7 形貌尺寸良好的膠模Fig.7 Film with good morphology and size

2.3 階梯式微電鑄參數優化

與經典Lift-off工藝不同，本文采用拋光過后的不銹鋼作為基底，通過選取合適的電鑄工藝將鑄層金屬與基底之間的結合強度控制在合適范圍內，既能滿足基本的電沉積要求，又能保證后續脫模時圖案的完整度。省去了犧牲層的打底過程，從而使工藝流程得以簡化。

本文采用的電鑄液是由70g/L 的H2SO4以及200g/L 的CuSO4·5H2O組成的微觀整平能力更好的高銅低酸溶液，添加適量Cl-降低鑄層內應力，電鑄電源采用可編碼直流電源。通過前期基礎試驗發現，微流道內部銅離子的電沉積過程可以大致劃分為充電預鍍期、加速沉積期以及填平末期三個階段。

第一階段主要影響鑄層金屬與基底間的結合強度以及接觸面形貌。由金屬電結晶理論可知[18]，新生態吸附原子在電流密度較小的情況下形成晶體時，由于結晶過程的速度受吸附原子的表面擴散步驟控制，成核速度小于生長速度，使得更多數的吸附原子并入晶格內部的低能量點，此時鑄層與基底的結合強度相對較高。就本工藝方法而言，過高的結合強度是不被期望的。

合適的電鑄條件可以精確復制基底的表面形貌，以不同電流密度進行預鍍，從圖8所示的接觸面形貌可以看出：過低的電流密度達不到沉積所需的過電位而產生漏鍍，過高的電流密度會使底面燒焦，并且在鑄層外側邊緣電流集中處由于結合強度過低而出現飛邊翹曲。因此，綜合考慮選取初始電流密度為1.5A/dm2。

圖8 第一階段不同電流對應的表面形貌Fig.8 Electroforming appearance under different current density in the first stage

圖9給出了陰極表面電沉積時外部電位隨時間的變化。開始通電后，陰極電位負移，短時間內電子用于陰極表面的充電，此時并未出現金屬銅的沉積；隨后電位開始回正，發生離子還原反應，伴隨晶核長大開始出現一層薄銅；當陰極表面完全被新沉積的銅覆蓋之后，外部電位開始趨于穩定?？梢钥闯?，隨電流密度升高，達到穩定所需的時間縮短，在1.5A/dm2的電流密度下大約3～5min 后電壓趨于穩定，也意味著此時第一階段結束。

圖9 不同電流密度下外部電壓隨時間變化曲線Fig.9 External voltage variation curve under different current densities

第二階段提高電流密度填充膠模內部大部分區域，此階段主要影響鑄層外側表面粗糙度。根據化學熱力學原理，電結晶過程中形核速度ω與陰極過電位的關系可由式（7）表示

式中，K為指前因子；h為原子高度；σ1為界面張力；L為阿伏伽德羅常數；A為金屬原子量；ρ為金屬密度；n為金屬離子的價數；F為法拉第常數；R為氣體常數；T為熱力學溫度；ηc為陰極過電位。其中主要影響因素是界面張力和陰極過電位，在預鍍之后增大電流密度可以提高陰極過電位，促進晶核的形成，獲得細致的晶層。

為此開展單因素試驗進行驗證，在第二階段施以不同大小的電流密度，使用KEYENCE VHX-6000測得的表面粗糙度如圖10 所示。隨著陰極電流密度的增加，鑄層表面的線粗糙度Ra先減小后增大，以2A/dm2最為理想。而隨著電流密度進一步增大，陰極表面銅離子的擴散速度小于電化學反應進行的速度，剩余電子與氫離子結合發生析氫反應，此時獲得的鑄層形貌粗糙有條紋，且電流過高處容易出現燒焦。

圖10 第二階段不同電流密度對應的線粗糙度Fig.10 Line roughness under different current densities in the second stage

第二階段結束后，光刻膠之間大部分區域已被填滿，當膠模最大深寬比小于1時，對流傳質作用明顯，濃差極化作用減弱。對此時的鑄層進行二次電流密度仿真，選取圖11中A—A'位置進行測量，比較不同電流密度下生長面沉積速度的差異。由于電流密度集中在局部矩形塊的邊緣位置，測得A—A'方向上的厚度呈現出四周高中間低的“馬鞍形”分布。仿真對比了不同大小的電流密度對此分布的影響程度，結果表明，隨著電流密度的增加，此差異導致的厚度極差愈加明顯。低電流密度雖然同樣會導致厚度不均，但此時內部沉積速度差相對于高電流而言得到減弱。

圖11 第三階段A—A'截面沉積速度差異Fig.11 Difference in electroforming speed at A—A' in the third stage

因此，第三階段選擇降低電流密度，其目的是減小“邊緣效應”的影響，使高電荷區的沉積速率相對減緩，對各個小周期而言，可以降低局部厚度極差。

通過測量單周期矩形塊位置的面粗糙度Ra來表征局部厚度偏差，即輪廓表面與中心面的算術平均高度。結果如圖12 所示，降低電流密度至1.75A/dm2填充剩余高度至30μm，完成透鏡層的制備。

圖12 第三階段不同電流密度對應的面粗糙度Fig.12 Surface roughness under different current densities in the third stage

采用上述工藝獲得了如圖13所示的單層天線結構，使用工具顯微鏡測量尺寸誤差，結果表明，其線寬誤差控制在1μm 以內，內外表面粗糙度分別在Ra0.15、Ra0.3 以下。SEM圖像顯示小周期結構經過化學去膠后沒有殘余膠塊。從基板上剝離下的金屬保存完整，證明其具有一定的機械強度，跨尺度連接處沒有發生斷裂現象。

圖13 平面透鏡天線單層實體結構Fig.13 Photograph of single layer antenna

3 測試結果

3.1 天線多層組裝

按圖4（b）的方式依次裝配透鏡層和墊片層，其中各層的定位孔是隨前述工藝而制備的，其尺寸精度可由光刻步驟保證。工件各方向的自由度由定位平面與定位銷組合限制。設計了裝配整形一體式夾具應對金屬片體自帶的和裝配過程導致的微小翹曲和層間距離變化，在兩側裝配區平面施以軸向預緊力，提升軸向裝配精度，裝配后的實物如圖14所示。

圖14 裝配后的多層平面透鏡天線Fig.14 Photograph of multilayer planar transmit-array antenna

裝配后同軸度誤差的存在會使信號部分損失，降低信號增益，隨后對誤差結果中X、Y方向的對準誤差進行了仿真分析，表明此定位方式引入的誤差影響在可接受范圍之內。

3.2 電性能測試

如圖15所示，該天線的電性能測試可在太赫茲遠場暗室中進行。將待測天線置于電動轉臺中心位置并旋轉轉臺，可以得到不同方向下的輻射方向測試結果。

圖15 透鏡天線測試場景Fig.15 Proposed TA under test

測試結果的誤差來源主要有：全波仿真無法重構加工表面的粗糙度；天線收發端的測試涉及饋源和金屬陣面兩部分，其間必然存在位移、偏轉等誤差；純金屬陣列涉及多層結構，在分層裝配時無可避免地引入裝配誤差。

圖16 給出了此太赫茲多層平面透鏡天線的E 面、H 面方向圖實測結果。在主瓣范圍內，測試結果與仿真結果吻合較好。在0.9THz 頻點處，E 面和H 面的半功率波束寬度分別為3.3°與3.4°， 3dB 增益帶寬為0.79～1.03THz，在0.91THz處測得的最大增益為36.47dBi。

圖16 透鏡天線輻射特性圖Fig.16 Radiation patterns of the TA antenna

分析電性能測試結果發現：所加工的太赫茲多層平面透鏡天線在相關頻帶內取得了較好的增益效果與寬帶輻射特性，有利于降低大氣衰減提升太赫茲系統的接收距離，提高目標識別能力與成像分辨率。

4 結論

隨著雷達系統頻域的不斷拓寬，太赫茲技術正逐步走入研究人員的視野，從航空航天工程應用的角度出發，太赫茲雷達需要新的技術突破與創新應用，加載高增益天線是提高機載平臺太赫茲信號傳輸能力的可行方案。本文提出了一種基于UV-LIGA 技術的太赫茲多層平面透鏡天線分層加工方法，優化后的區間配置在提高透鏡區的厚度均勻性的同時簡化了裝配過程，發揮了分層制造的優勢。試驗研究過程中得出如下結論：

（1）在添加片內輔助陰極作為裝配區的同時，吸收了透鏡區邊緣的電流，從而提高了透鏡區厚度均勻性。

（2）對于微流道內部薄層電鑄，深寬比隨時間不斷減小，電沉積中段應增大電流密度，適當增加陰極極化以細化晶粒，降低表面粗糙度；而沉積末期降低電流密度可以減緩厚度極差的增加。

（3）此類平面透鏡天線對水平方向裝配誤差具有較高容忍度，優化定位方式提高裝配對準精度可進一步提升傳輸增益。