專利名稱：微結(jié)構(gòu)加工方法
微結(jié)構(gòu)加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，尤其涉及一種超材料的微結(jié)構(gòu)加工方法。
背景技術(shù)：
超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而或得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能。超材料的性質(zhì)和功能主要來自于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成它們的材料，因此為設(shè)計和合成超材料，人們進(jìn)行了很多研究工作。超材料包括人造結(jié)構(gòu)以及人造結(jié)構(gòu)所附著的材料，該附著材料對人造結(jié)構(gòu)起到支撐作用，因此可以是任何與人造結(jié)構(gòu)不同的材料，這兩種材料的疊加會在空間中產(chǎn)生一個等效介電常數(shù)與磁導(dǎo)率，而這兩個物理參數(shù)分別對應(yīng)了材料的電場響應(yīng)與磁場響應(yīng)。目前超材料的微結(jié)構(gòu)加工都是采用電路板的化學(xué)刻蝕的方法，此方法所用的基片上的銅箔與基片間結(jié)合力差。需要提供一種新的微結(jié)構(gòu)加工方法，能夠改善基片上的銅箔與基片間的結(jié)合力。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種微結(jié)構(gòu)加工方法，采取濺射鍍膜的方式來加工微結(jié)構(gòu)，可大大提高銅箔與基片的結(jié)合力并大大節(jié)省了銅金屬的用量，并且可以大批量高效率進(jìn)行超材料的批量化加工生產(chǎn)。

磁控濺射的工作原理是指電子在電場E的作用下，在飛向基片過程中與氬原子發(fā)生碰撞，使其電離產(chǎn)生出氬離子和新的電子；新電子飛向基片，氬離子在電場作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，而產(chǎn)生的二次電子會受到電場和磁場作用，產(chǎn)生E(電場)XB(磁場)所指的方向漂移，簡稱EXB漂移，其運(yùn)動軌跡近似于一條擺線。若為環(huán)形磁場，則電子就以近似擺線形式在靶表面做圓周運(yùn)動，它們的運(yùn)動路徑不僅很長，而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，并且在該區(qū)域中電離出大量的氬離子來轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)了高的沉積速率。隨著碰撞次數(shù)的增加，二次電子的能量消耗殆盡，逐漸遠(yuǎn)離靶表面，并在電場E的作用下最終沉積在基片上。由于該電子的能量很低，傳遞給基片的能量很小，致使基片溫升較低。磁控濺射過程是入射粒子和靶的碰撞過程。入射粒子在靶中經(jīng)歷復(fù)雜的散射過程，和靶原子碰撞，把部分動量傳給靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成級聯(lián)過程。在這種級聯(lián)過程中某些表面附近的靶原子獲得向外運(yùn)動的足夠動量，離開靶被濺射出來。磁控濺射以磁場束縛和延長電子的運(yùn)動路徑，改變電子的運(yùn)動方向，提高工作氣體的電離率和有效利用電子的能量。電子的歸宿不僅僅是基片，真空室內(nèi)壁及靶源陽極也是電子歸宿。根據(jù)本發(fā)明的一個主要方面，提供一種微結(jié)構(gòu)加工方法，該方法利用磁控濺射鍍膜裝置，包括以下步驟:a、獲取超材料基片；b、獲取圖案化的掩膜板；C、將圖案化的掩膜板覆蓋在超材料基片上；d、將該超材料基片固定于磁控濺射鍍膜裝置的陽極上，并將金屬片置于磁控濺射鍍膜裝置的、正對著基片的陰極上；e、將磁控濺射鍍膜裝置的真空室抽成高真空，然后充入低壓惰性氣體；f、在陽極和陰極之間加上預(yù)定電壓，使之產(chǎn)生輝光放電，然后經(jīng)預(yù)定時間后斷開該預(yù)定電壓；g、從超材料基片上揭去掩膜板即得到所需要的金屬微結(jié)構(gòu)。根據(jù)本 發(fā)明的一個方面，超材料基片為環(huán)氧樹脂基片、陶瓷基片或鐵電體基片。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，金屬片包括銅片、銀片、金片。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，金屬微結(jié)構(gòu)包括多個陣列排布的微結(jié)構(gòu)單元，微結(jié)構(gòu)單元為工字型或工字衍生型金屬線結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，金屬微結(jié)構(gòu)包括多個陣列排布的微結(jié)構(gòu)單元，微結(jié)構(gòu)單元為開口環(huán)型或開口環(huán)衍生型金屬線結(jié)構(gòu)。 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，利用電子束光刻方法來制備圖案化的掩膜。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，充入的惰性氣體氣壓為0.1 10Pa。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，充入的惰性氣體是氬氣(Ar)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，陽極和陰極之間的預(yù)定電壓為直流電壓。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，陽極和陰極之間的預(yù)定電壓為交流電壓。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，陽極和陰極之間的預(yù)定電壓為射頻電壓。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，本發(fā)明以上各方面中的特征可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)自由組合，而并不受其順序的限制一只要組合后的技術(shù)方案落在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神內(nèi)。

為了更清楚地說明本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將對本發(fā)明的附圖作簡單地介紹，其中:圖1為用于實(shí)施本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)加工方法的一種磁控濺射鍍膜裝置的示意圖。圖2則示意性地顯示了實(shí)施本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)加工方法的流程。圖3-6示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的方法得到的微結(jié)構(gòu)的基本單元的形狀。
具體實(shí)施方式下文將結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。需要明白，下文的描述(包括附圖)僅僅是示例性的，而非對本發(fā)明的限制性描述。在以下描述中會涉及到部件的具體數(shù)量，然而也需要明白的是，這些數(shù)量也僅僅是示例性的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以參照本發(fā)明任意選取適當(dāng)數(shù)量的部件。并且，在本發(fā)明中所提及的“第一”、“第二”等字眼，并非表示對部件重要性的排序，僅僅作區(qū)別部件名稱之用。參見圖1可知，用于實(shí)施本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)加工方法的一種磁控濺射鍍膜裝置10包括一陽極、一陰極以及真空腔(未標(biāo)記)。其中，在加工過程中，陽極上固定有待鍍膜的超材料基片1，而陰極上固定有作為靶材的銅片2。在陰極附近還設(shè)置有磁鐵3，以形成磁場。參見圖2可知本發(fā)明的實(shí)施流程。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施形式，首先利用已知的方法制備(或直接購買)未覆銅的超材料基片，優(yōu)選為環(huán)氧樹脂基片。該超材料基片的制備可以參照PCB基片的制備工藝。接著，利用電子束光刻方法制備圖案化的掩膜板。這其中首先在石英表面旋涂一層電子束光刻膠；其次利用電子束(或激光)直寫技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)移到電子束光刻膠層上，其中電子源產(chǎn)生大量電子，這些電子被加速并聚焦(通過磁方式或者電方式被聚焦)成形投影到電子束光刻膠上，掃描形成所需要微結(jié)構(gòu)的圖形；再次曝光、顯影形成線路圖形；最后利用激光技術(shù)按照圖案雕刻出鏤空的微結(jié)構(gòu)圖形模板，即圖案化的掩膜板。實(shí)際上，獲取未覆銅的超材料基片和獲取圖案化的掩膜板的步驟并不分先后，可以按照需要改變其相互間的順序。當(dāng)取得未覆銅的超材料基片以及圖案化的掩膜板之后，將圖案化的掩膜板覆蓋在未覆銅的超材料基片上，然后將該超材料基片固定于磁控濺射鍍膜裝置的陽極上，并將銅片置于磁控濺射鍍膜裝置的正對著基片的陰極上。將超材料基片與銅片分別在磁控濺射鍍膜裝置的陽極和陰極安置妥當(dāng)之后，將磁控濺射鍍膜裝置的真空室抽成高真空，然后充入低壓惰性氣體，優(yōu)選為氬氣(Ar)，其氣壓可為0.1 10Pa，優(yōu)選地為IPa。接著，在陽極和陰極之間加上l_3kV，優(yōu)選為2kV的高壓電壓(一般地，所加電壓為直流電壓，不過也可以使用交流電壓，例如13.56MHz的射頻電壓)，使氬氣產(chǎn)生輝光放電。電子在電場E的作用下，在飛向基片過程中與氬原子發(fā)生碰撞(當(dāng)然，其間運(yùn)動電子還受到磁場B的洛侖茲力，它們的運(yùn)動軌跡會發(fā)生彎曲甚至產(chǎn)生螺旋運(yùn)動，其運(yùn)動路徑會變長，這增加了與氬氣分子碰撞的次數(shù))，使其電離產(chǎn)生出Ar+和新的電子；新的電子飛向基片，而Ar+在電場作用下加速飛向陰極的靶材，即銅片，并以高能量轟擊靶材表面，與靶表面原子碰撞，使靶材發(fā)生濺射，即靶原子受碰撞而從靶面逸出。在濺射粒子中，中性的靶原子，即銅原子沉積在基片上形成薄膜。在其它實(shí)施例中，通過調(diào)節(jié)磁場的強(qiáng)度，也可以只施加幾百伏的電壓，例如300 800V的電壓。然后，經(jīng)約5分鐘(該時間長短取決于要沉積的薄膜厚度，還與其他參數(shù)有關(guān)，例如惰性氣體氣壓、陰陽極間的電壓等等)后斷開電壓。最后，從磁控濺射鍍膜裝置上取下超材料基片，從超材料基片上揭去掩膜板即得到所需要的金屬微結(jié)構(gòu)。圖3-6示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的方法得到的微結(jié)構(gòu)的基本單元形狀，這些形狀是在制備掩膜板的過程中預(yù)先設(shè)計好的。圖3和圖4所示為工字型及工字衍生型金屬線結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)單元。而圖5和圖6所示為開口環(huán)型或開口環(huán)衍生型金屬線結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)單元。金屬微結(jié)構(gòu)包括多個陣列排布的微結(jié)構(gòu)單元。使用本發(fā)明的方法來加工超材料的微結(jié)構(gòu)，一方面降低了薄膜污染的傾向；另一方面在很大程度上改善薄膜的質(zhì)量，可大大提高銅箔與基片的結(jié)合力并大大節(jié)省了銅金屬的用量，并且可以大批量高效率進(jìn)行超材料的批量化加工生產(chǎn)。需要明白，以上根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方式對本發(fā)明作了詳細(xì)的描述，不過需要理解的是，本發(fā)明的范圍并不局限于這些具體的實(shí)施方式，而是包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的公開能夠做出的任何改動和變更。
權(quán)利要求
1.一種微結(jié)構(gòu)加工方法，該方法利用磁控濺射鍍膜裝置，包括以下步驟: a、獲取超材料基片； b、獲取圖案化的掩膜板； C、將圖案化的掩膜板覆蓋在超材料基片上； d、將該超材料基片固定于磁控濺射鍍膜裝置的陽極上，并將金屬片置于磁控濺射鍍膜裝置的、正對著基片的陰極上； e、將磁控濺射鍍膜裝置的真空室抽成高真空，然后充入低壓惰性氣體； f、在陽極和陰極之間加上預(yù)定電壓，使之產(chǎn)生輝光放電，然后經(jīng)預(yù)定時間后斷開該預(yù)定電壓； g、從超材料基片上揭去掩膜板即得到所需要的金屬微結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述超材料基片為環(huán)氧樹脂基片、陶瓷基片或鐵電體基片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬片包括銅片、銀片、金片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬微結(jié)構(gòu)包括多個陣列排布的微結(jié)構(gòu)單元，所述微結(jié)構(gòu)單元為工字型或工字衍生型金屬線結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬微結(jié)構(gòu)包括多個陣列排布的微結(jié)構(gòu)單元，所述微結(jié)構(gòu)單元為開口環(huán)型或開口環(huán)衍生型金屬線結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用電子束光刻方法來制備圖案化的掩膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述充入的惰性氣體是氬氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述陽極和所述陰極之間的預(yù)定電壓為直流電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述陽極和所述陰極之間的預(yù)定電壓為交流電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述陽極和所述陰極之間的預(yù)定電壓為射頻電壓。
全文摘要
本發(fā)明提供一種微結(jié)構(gòu)加工方法，該方法利用磁控濺射鍍膜裝置，將附有圖案化的掩膜板的超材料基片設(shè)置在磁控濺射鍍膜裝置的陽極上，而將金屬片設(shè)置在陰極上；然后將磁控濺射鍍膜裝置的真空室抽成高真空后充入低壓惰性氣體；接著在陽極和陰極之間加上預(yù)定電壓后經(jīng)預(yù)定時間斷開；最后從超材料基片上揭去掩膜板而得到所需要的金屬微結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的方法來加工微結(jié)構(gòu)，可大大提高銅箔與基片的結(jié)合力并大大節(jié)省了金屬的用量，并且可以大批量高效率進(jìn)行超材料的批量化加工生產(chǎn)。
文檔編號H01Q15/00GK103178349SQ20111043998
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者劉若鵬, 趙治亞, 法布里齊亞·蓋佐, 金晶 申請人:深圳光啟高等理工研究院