LAM 3D打印+定向镀膜：让太赫兹器件“立体生长”在芯片上。 导读
毫米波与太赫兹技术在超高速无线通信、先进传感、宽带信号处理和芯片级系统集成等领域具有重要应用前景。随着器件工作频率不断升高，传统二维平面结构已难以满足高性能太赫兹系统对三维互连、空间辐射和精密探测的需求，亟需能够同时具备高导电性、低介电损耗和复杂三维自由形貌的微纳结构。然而，现有太赫兹器件制造方法通常依赖平面微加工或复杂手工装配，难以兼顾亚微米级对准精度、三维设计自由度和接近块体金属的电学性能。多光子光刻虽具有高分辨率和自由三维成形能力，但其常用聚合物材料导电性不足、介电损耗较高，难以直接满足高性能毫米波与太赫兹器件对低损耗导电结构的要求。
近日，德国卡尔斯鲁厄理工学院Christian Koos教授团队在Light: Advanced Manufacturing发表了题为Freeform terahertz structures fabricated by multi-photon lithography and metal coating的研究论文。研究团队提出了一种金属包覆自由结构（metal-coated freeform structures, MCFS）制造方法，将多光子光刻的三维自由打印能力与高度定向金沉积技术相结合，并通过精确对准的遮蔽结构实现选择性金属化。该方法制备的结构兼具高表面质量、低介电损耗和与块体金属同量级的电导率，并可原位集成于平面毫米波/太赫兹电路之上。进一步地，研究团队展示了超宽带芯片间互连、太赫兹探针和悬空太赫兹天线等功能器件，为多光子光刻3D打印技术进入高性能毫米波与太赫兹器件制造提供了新的技术路线。
图1：基于金属包覆自由结构的三维太赫兹系统集成
该研究的核心思路是先打印三维聚合物模板，再进行选择性金属化，从而实现金属包覆自由结构的成形。整个过程无需转移或装配，三维结构如同直接生长在芯片电路之上。研究人员首先在预制的太赫兹共面波导电路上，利用多光子光刻打印自由形貌支撑结构和精确对准的遮蔽结构。支撑结构用于承载后续沉积的金属导体，并实现与平面电路的平滑连接；遮蔽结构则在金属沉积过程中局部阻挡金属覆盖，避免信号线与地线之间发生短路。同时，研究团队还在三维支撑体中设计了带欠切侧壁的隔离沟槽，用于分隔传输线中的信号导体和接地导体，从而保证太赫兹信号能够沿预设路径稳定传输。
图2：金属包覆自由结构的3D打印与选择性金属化制备流程
为实现高质量金属化，研究人员采用高度定向的物理气相沉积工艺，使金属主要沉积在具有直接视线暴露的三维结构表面。对于不希望被金属覆盖的平面电路区域，则通过喷墨打印PMMA牺牲层进行临时保护。金属沉积完成后，PMMA牺牲层被溶解去除，多余金属随之剥离，最后再移除3D打印遮蔽结构，即可得到最终的金属包覆自由结构。该流程避免了复杂手工装配，并可与常见晶圆级金属化工艺兼容，为芯片级太赫兹三维集成提供了可扩展的制造方案。
进一步地，研究团队对所制备结构的表面质量和电学性能进行了表征。结果显示，金属包覆自由结构的表面均方根粗糙度约为13~14 nm，接近其下方3D打印支撑结构的表面粗糙度；金属层有效电导率达到（3.29 ± 0.12）×107 S/m，约为块体铜标准电导率的57%。这一结果表明，该方法不仅能够实现复杂三维形貌，还能在其表面获得适用于毫米波和太赫兹器件的高质量导电层。
图3：太赫兹芯片间互连结构及宽带传输性能表征
在功能器件验证方面，研究团队首先展示了太赫兹芯片间互连结构。该结构类似一座微米尺度的三维桥梁，能够跨越跨越两侧共面波导端点之间约0.5 mm的间隙，将两侧共面波导平滑连接起来。测试结果表明，所制备的三组互连结构分别实现了0.307 THz、超过0.330 THz和0.290 THz的3 dB带宽。作者指出，超过0.33 THz的3 dB带宽代表了面内毫米波芯片间互连中的优异水平，说明该方法有望用于高频芯片封装、片间互连和太赫兹异质集成。
图4：太赫兹探针功能验证
除芯片互连外，研究人员还利用该方法制备了太赫兹探针和太赫兹天线。太赫兹探针可用于毫米波和太赫兹集成电路测试，实验中单个探针的3 dB带宽达到0.192 THz，6 dB带宽超过0.330 THz的测量系统上限。经过50次重复接触与分离测试后，传输信号仍保持较高稳定性，说明该3D打印金属化探针具有良好的接触重复性和机械可靠性。另一方面，悬空太赫兹天线通过将辐射结构抬离高折射率基底，改善了向自由空间的辐射效率，并在约0.27 THz处实现了5.5 dBi的最大实际增益。该结果展示了三维自由结构在提升片上太赫兹天线性能方面的潜力。
图5：太赫兹天线功能验证
总结与展望
综上所述，该研究提出了一种基于多光子光刻和定向金属沉积的金属包覆自由结构制造方法，突破了传统聚合物3D打印难以直接用于高性能毫米波和太赫兹器件的限制。通过精确设计三维支撑结构、遮蔽结构和隔离沟槽，研究团队实现了高导电、低损耗、可原位集成的三维太赫兹功能器件，并成功验证了芯片间互连、太赫兹探针和悬空天线等典型应用。未来，该方法有望进一步服务于高速无线通信、先进传感、宽带信号处理和芯片级太赫兹系统集成，也为多光子光刻3D打印技术进入高频电子与太赫兹制造领域开辟了新的应用方向。（来源：先进制造微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2026.036
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作者：Christian Koos等 来源：《光：先进制造》
