CN105347295A - 一种基于聚焦离子束和mems加工工艺的可调控超材料阵列设计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用聚焦离子束和MEMS加工工艺制备可调控超材料阵列的方法，可用于平面光学元部件构造，并应用于通信、电磁传感以及成像领域(包括毫米波、太赫兹、红外波段范围)。其优点如下：1)通过MEMS工艺加工得到悬浮型双金属谐振环超材料阵列，尺寸可控制在微米以及亚微米量级，其负折射率特性的谐振频率可在毫米波、太赫兹(THz)或红外波段；2)通过FIB辐照，在内谐振环固支端引入应力，通过控制FIB的加速电压、轰击束流、作用时间和辐照图案，可精确控制超材料每个单元中悬浮内谐振环结构的翘曲角度(-40°至+120°)；3)超材料阵列的负折射率的谐振频率可调，通过选择加工参数，可精确控制电磁波的振幅、相位以及出射方向。

Description

一种基于聚焦离子束和MEMS加工工艺的可调控超材料阵列设计

技术领域

本发明涉及一种使用聚焦离子束(FocusedIonbeam，FIB)以及MEMS工艺加工可调控超材料阵列的设计方法。

背景技术

超材料由前苏联科学家VectorVeselag提出，具备许多不同寻常的物理特性，如：完美成像、负相速度、负折射率、逆Doppler效应、逆切伦科夫辐射。可调控超材料是近些年的研究热点，通过热、静电力等MEMS手段，可以得到特性可变的超材料阵列，在传感、光学等领域有着重要作用。

FIB是一种自顶向下(Top-Down)的微纳米加工方法。传统的基于FIB的加工方法是利用高能粒子跟目标材料的相互作用，产生溅射、淀积等效应，从而精确控制刻蚀和淀积。本发明利用聚焦离子束应力引入致形变技术，对超材料单元施加应力，导致结构弯曲，通过对超材料阵列中每个单元进行原位操控，达到调控超材料特性的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种设计、加工可调控超材料阵列的方法。首先利用常规MEMS工艺加工出悬浮的经典超材料单元——双金属谐振环结构，以及其阵列，随后运用FIB应力引入技术，使得各个单元中的内金属谐振环按照设计发生翘曲，从而达到控制超材料单元及其阵列形貌，调节超材料特性的目的。

包括如下步骤：

1)准备并清洗所选用的衬底，在衬底上依次制备介质层和金属层薄膜；

2)通过光刻定义双金属谐振环超材料阵列结构；

3)通过各项同性刻蚀介质层和衬底层得到悬浮的内谐振环结构；

4)模拟仿真各单元悬浮内谐振环在不同翘曲下，超材料阵列的反射率与透射率特性，从而得到满足一定超材料阵列特性(调控)的悬浮内谐振环阵列翘曲的总体设计；

5)FIB原位引入应力。通过控制离子束作用的条件(如加速电压、轰击束流、作用时间等)以及选择目标薄膜材料的性质和初始图形，可精确控制各单元悬浮内谐振环的翘曲角度；

6)通过完成每个单元的悬浮内谐振环的翘曲加工，得到所设计的阵列型超材料结构。

本发明的结构设计优点如下：1)通过MEMS工艺加工得到悬浮型双金属谐振环超材料阵列，尺寸可控制在微米以及亚微米量级，其负折射率特性的谐振频率可在毫米波、太赫兹(THz)或红外波段；2)通过FIB应力引入技术，在内谐振环固支端引入应力，通过控制FIB的加速电压、轰击束流、作用时间和辐照图案，可精确控制超材料每个单元中悬浮内谐振环结构的翘曲角度(角度可控制在-40°至+120°)，从而精确、任意控制超材料阵列形貌；3)由此得到的超材料阵列，其负折射率的谐振频率可根据设计发生改变，从而可通过合理设计加工参数，精确控制出射电磁波的振幅、相位以及出射方向，使其适用于通信、传感及成像领域。

附图说明

图1为双金属谐振环超材料单元的加工流程图

图2为加工出的超材料单元的示意图

图3为FIB应力引入区域以及内金属谐振环翘曲示意图

图4为内金属谐振环阵列不同翘曲角度分布的超材料阵列示意图

图5为内金属谐振环阵列不同翘曲角度分布的超材料阵列的透射率谱图

具体实施方法

1)如图1所示，准备SOI(SystemonIsolator)衬底(图1a)，其中硅器件层为2μm，氧化硅绝缘层为2μm。首先通过化学气相淀积在衬底表面生长一层100nm厚的氧化硅，随后通过光刻定义出保护区域(图1b)，定义该保护区域的目的是防止后续各向同性刻蚀硅掏空外层金属；

2)然后，物理汽相淀积(PVD)一层100nm铝或金或铜层，并通过光刻定义双金属谐振环结构(图1c)；随后先后采用各向异性与各向同性的反应离子刻蚀去除硅器件层，将C型内谐振环结构悬浮起来；最后通过合理控制FIB辐照参数，精确控制内谐振环的翘曲角度(图1e)。关于FIB的具体操作请见步骤4)。

3)图2所示为步骤1)加工所得双金属谐振环结构示意图，该结构主要为两部分，一是外部固支“C”型金属环，一是内部单端固支悬浮“C”型金属环，固执点在结构右侧，与下层氧化硅相连；

4)通过FIB应力引入技术，可以精确控制内悬浮谐振环的翘曲角度。具体过程如下：首先根据内谐振环固定梁宽度、金属层厚度等已知条件确定FIB的扫描区域图形面积，例如4μm×0.5μm，如图3a所示。随后根据扫描图形面积选择合适的离子束能量、束流以及辐照时间；通过准确控制离子作用能量和剂量，可以精确地调节内谐振环的翘曲角度，翘曲角度范围可以任意控制，例如-20°(图3b)、+30°(图3c)、+60°(图3d)、+90°(图3e)。

5)对每一个超材料单元内谐振环执行步骤4)，的弯曲角度，可以得到内金属谐振环阵列不同翘曲角度分布的一系列超材料阵列，如图4所示。图4a为不对每一个单元内谐振环执行步骤4)时的超材料阵列，图4b、4c分别为每一个单元内谐振环都翘曲30°、90°角度时的超材料阵列，图4d为各单元内金属谐振环翘曲角度渐变的超材料阵列。可以看出，由于FIB加工的灵活与精确，能够加工出任意形貌的超材料阵列。

6)具有不同单元内金属谐振环翘曲角度的超材料阵列的特性会有不同，如图5a-d分别是各单元内金属谐振环翘曲角度为0°-90°的超材料阵列的透射率谱图。可以看出，其谐振峰发生了明显的蓝移，说明通过FIB应力引入致内谐振环翘曲，可以调节超材料阵列的负折射率特性。

Claims (7)

1.一种基于聚焦离子束和MEMS加工工艺的可调控超材料阵列设计，包括如下步骤：

1)准备并清洗所选用的衬底，在衬底上依次制备介质层和金属层薄膜；

2)通过光刻定义双金属谐振环超材料阵列结构；

3)通过各项同性刻蚀介质层和衬底层得到悬浮的内谐振环结构；

4)模拟仿真各单元悬浮内谐振环在不同翘曲下，超材料阵列的反射率与透射率特性，从而得到满足一定超材料阵列特性(调控)的悬浮内谐振环阵列翘曲的总体设计；

5)FIB原位引入应力。通过控制离子束作用的条件(如加速电压、轰击束流、作用时间等)以及选择目标薄膜材料的性质和初始图形，可精确控制各单元悬浮内谐振环的翘曲角度；

6)通过完成每个单元的悬浮内谐振环的翘曲加工，得到所设计的阵列型超材料结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：超材料阵列中的金属材料可为金、铜、铝等。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过MEMS工艺加工得到悬浮型双金属谐振环超材料阵列，尺寸可控制在微米以及亚微米量级。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：悬浮型双金属谐振环超材料阵列负折射率特性的谐振频率可在毫米波、太赫兹(THz)或红外波段。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过FIB应力引入技术，在内谐振环固支端引入应力，通过控制FIB的加速电压、轰击束流、作用时间和辐照图案，可精确控制超材料每个单元中悬浮内谐振环结构的翘曲角度，从而精确、任意控制超材料阵列形貌。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：超材料单元悬浮内谐振环结构的)翘曲角度可控制在-40°至+120°。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：超材料阵列负折射率的谐振频率可根据设计发生改变，从而可通过合理设计加工参数，精确控制出射电磁波的振幅、相位以及出射方向，使其适用于通信、传感及成像领域。