CN110831419A - 一种基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料的制备方法，包括步骤S1：在透明衬底上镀制金属薄膜；步骤S2：在金属薄膜上旋涂光刻胶；步骤S3：通过光刻技术获得网栅形状的光刻胶；步骤S4：利用离子束刻蚀(IBE)的阴影效应，在大角度离子束入射的模式下将光刻胶图形的线宽进行缩减；步骤S5：将光刻胶的图形传递至金属层；步骤S6：浸泡在丙酮中去除光刻胶，获取基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料。本发明提出的缩减线宽方法也可用于减小二维周期性结构材料的特征尺寸。本发明最终能有效地减小金属网栅的线宽，从而进一步提高材料的光透过率，为基于金属网栅、亚微米特征尺寸的透明电磁屏蔽材料提供一种简易、廉价的制备方法。

Description

一种基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料的制备方法
技术领域
本发明属于微纳加工及透明电磁屏蔽领域，涉及一种基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料的制备方法。
背景技术
电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)是信息时代重大污染源。光学透明电磁屏蔽技术在隔绝外界微波信号干扰的同时，还能保留可见光及红外光的透明窗口，这种透明光学窗与电磁屏蔽技术的结合广泛应用于航空航天、军事及生物医疗设备。金属网栅是透明电磁屏蔽材料的常见结构形式，由于网栅的周期远小于微波波长，大部分入射波能量被金属网栅反射，从而实现了微波波段的电磁屏蔽。金属网栅相对于氧化铟锡、石墨烯、银纳米线等材料，具备更为优越的光电性能。但是，为获得更高的光透过率以及屏蔽效能(shielding effectiveness，SE)，需要减小金属网栅的周期以及线宽，这对设备的加工能力特别是光刻技术分辨力提出严苛要求。同时，亚微米线宽的金属网栅材料的加工成本高昂，研发低成本制备手段是拓宽透明电磁屏蔽材料应用场景的迫切需求。
为了弥补加工设备分辨力的不足、降低亚微米线宽金属网栅的制备成本，本发明提出利用离子束刻蚀(ion beam etching，IBE)的阴影效应达到缩减结构特征尺寸的方法。倾斜入射模式下，离子束的入射角度(入射方向与入射面法线方向的夹角)较小时，由于光刻胶遮挡了部分离子，而且承片台是旋转的，所以被刻蚀材料会形成一个倾斜台阶，其台阶宽度与入射角有关，这种现象称为IBE阴影效应，其带来的倾斜台阶影响了图形传递的保真度，因此阴影效应通常是工艺人员需要克服的负面效应。然而，当入射角增大到一定程度时，金属的裸露面可以被光刻胶侧面完全保护，相对于光刻胶侧面而言，金属受到离子束轰击的程度可忽略。因此，借助大角度入射，IBE阴影效应可以选择性的刻蚀光刻胶侧壁，具有缩减光刻胶线宽的作用。为保证后续图形传递的有效性，缩减光刻胶线宽的同时，必须保证胶厚度变化较小。同时，光刻胶的刻蚀速率与入射角大小呈现负相关，对于理想光刻胶剖面(即矩形)而言，光刻胶顶端与侧面的入射角是互补的。当离子束以较大入射角轰击材料表面时，光刻胶侧壁的刻蚀速率远大于顶端的刻蚀速率，因此本发明能保证对光刻胶不同方向的刻蚀选择性。本发明结合两次刻蚀的方法，第一次大角度入射获取亚微米线宽的光刻胶图形，第二次小角度入射将光刻胶图形转移至金属层，最终实现亚微米线宽的金属网栅，兼具高屏蔽效能以及高透光率。
与此同时，亚微米特征尺寸的掩模版需要电子束直写技术，加工效率低且成本高昂，不利于大面积加工。利用IBE阴影效应配合激光直写使用，可降低加工成本。因此本发明也提供一种低成本、大面积的掩模版制备方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：
(1)、减小结构材料的特征尺寸需要更高分辨力的加工设备或者复杂的工艺流程，本发明提供一种简易可行的减小特征尺寸的方法，减小幅度至少为3倍。
(2)、大面积加工基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料的成本十分高昂，屏蔽效能越高，需要的网栅周期及线宽越小，亟需一种大面积、低成本的亚微米线宽金属网栅的制备方法，同时能有效提高材料的屏蔽效能。
(3)、目前大面积的亚微米特征尺寸的掩模版需要电子束直写技术进行加工，本发明结合激光直写技术能提供一种解决掩模版加工成本高的方法。
本发明提供的技术方案是，一种基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料的制备方法，包含以下步骤：
步骤S1：在透明衬底上镀制金属薄膜；
步骤S2：在金属薄膜上旋涂光刻胶；
步骤S3：使用光刻技术获取图形化的光刻胶；
步骤S4：利用IBE的阴影效应，在大角度离子束入射的模式下将光刻胶图形的线宽进行缩减；
步骤S5：调整至小角度离子束入射的模式，将光刻胶的图形传递至金属层；
步骤S6：浸泡在丙酮中，超声波清洗，去除光刻胶，获取基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料；
具体的，步骤S1中的透明衬底可以是硬质材料包括石英、玻璃等，也可以是柔性衬底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚苯乙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜或聚乙烯醇薄膜。
具体的，步骤S2中的金属薄膜包括铜、铝、金和银导电率高的材料。
具体的，步骤S3中的光刻技术可以是激光直写、电子束直写和接触式、接近式、投影式、多光束干涉曝光技术。掩模版的图形是二维周期性图形，特征尺寸为1-5μm，周期是10-100μm。
具体的，步骤S4中的离子束入射角为θ＝arctan[d/(p-w)]，其中d、p和w分别为光刻胶图形的厚度、周期和线宽，保证光刻胶侧壁能完全保护裸露的金属层表面，通过改变刻蚀时间能够有效控制光刻胶的线宽。离子束的束流为100-300mA之间，加速电压为30-100V之间。
具体的，步骤S5中的离子束入射角为0-30°之间，保证对金属层有较高的刻蚀速率。离子束的束流为100-300mA之间，加速电压为30-100V之间。
具体的，步骤S6中超声清洗功率为50-100w，时间为30-60秒。
本发明与现有的技术相比优势在于：
(1)、本发明借助IBE阴影效应，在不改变光刻设备的分辨力的前提下，提供一种至少缩减三倍特征尺寸的简易、低成本方法，为大面积亚微米特征尺寸的掩模版提供一种替代加工方案。
(2)、本发明通过缩减线宽的方法，能够有效提高金属网栅材料的光透过率，同时保证材料具备充足的屏蔽效能，工艺方法简易且可行。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的描述。
附图说明
图1是金属网栅加工流程示意图；
图2是借助IBE阴影效应缩减图形线宽的原理示意图；
图3是实施例二中金属网栅的线宽分别与最低屏蔽效能和光透过率的仿真结果图，其中插图是金属网栅单元结构的示意图；
图4是实施例二中借助IBE阴影效应在不同刻蚀时间下获得的光刻胶图形的扫描电子显微镜图像，其中图4(a)的刻蚀时间为0分钟，图4(b)为5分钟，图4(c)为10分钟；
图5是实施例一中屏蔽效能与频率的仿真结果图，其中插图是金属网栅的金相显微镜图；
图中附图标记含义：
1、镀制金属膜；
2、旋涂光刻胶；
3、光刻胶图形化；
4、IBE缩减光刻胶线宽；
5、IBE传递图形至金属层；
6、去除光刻胶；
7、衬底；
8、金属薄膜；
9、光刻胶；
10、光刻胶侧壁被刻蚀的部分；
11、以较大角度入射的离子束；
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进行具体说明
实施例一：
一种基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)、在玻璃衬底上蒸镀500nm的铜。
(2)、在铜表面旋涂600nm的光刻胶，型号为AZ1500
(3)、将步骤(2)中样品置于中心波长为365nm、光强为65mW/cm2的紫外光源下曝光20s，使用的光刻掩模版的周期为12μm、线宽为1.5μm，其图形结构为二维周期方格。然后将样品置于型号为AZ300MIF的显影液中浸泡60秒，获得图形化的光刻胶，置样品于热烘箱中30min，温度为120℃，最后用金相显微镜测得线宽为1.5μm。
(4)、调整离子束入射角为80°，束流为150mA，加速电压为60V，承片台的转速为100rpm，对步骤(3)所得样品进行刻蚀，时间为10min，测得缩减后的光刻胶线宽为520nm。
(5)、调整离子束入射角为30°，束流为150mA，加速电压为60V，承片台的转速为100rpm，刻蚀5min，将光刻胶图形传递至金属层。
(6)、将样品浸泡于丙酮中去胶，超声处理1min，功率设置为50w，最终获得图5插图所示的金属网栅。
其中，图1是该实施例的加工流程图，最终获取的单层金属网栅的周期为12μm，线宽约为520nm。对该结构使用CST Microwave Studio进行仿真，结果如图5所示，在0.3-20GHz范围内的屏蔽效能均高于50dB。
实施例二：
一种基于IBE阴影效应缩减特征尺寸的方法，具体步骤如下：
(1)、在硅衬底上旋涂600nm厚的光刻胶，型号是AZ1500
(2)、将样片置于紫外光源下曝光20s，光源波长为365nm，光强为65mW/cm2，使用的光刻掩模版的图形结构为二维周期网格，其周期为12μm，线宽为1.5μm。然后将样品置于型号为AZ300MIF的显影液中浸泡60秒，获得图形化的光刻胶，置样品于热烘箱中30min，温度为120℃，使用金相显微镜测得线宽为1.5μm。
(3)、大角度模式下进行IBE，束流设置为150mA，加速电压为60V，承片台转速100rpm，入射角为80°，对样品进行5min的刻蚀，再增加5min的刻蚀时间，观察线宽变化情况。
图4是通过扫描电子显微镜获取的图像，演示了在0min、5min及10min刻蚀时间下光刻胶的线宽变化，其中图4(a)线宽为1500nm，图4(b)为850nm，图4(c)为520nm。该实施例说明了在一定刻蚀时间范围内线宽缩减的效果是可控的。对这三种线宽的铜网栅进行屏蔽效能的仿真，在0.3-20GHz内最小屏蔽效能均高于50dB，使用占空比公式计算光透过率，发现随着线宽减小，光透过率从76.6％提升至91.8％。通过本发明提出的缩减线宽方法，能够有效地降低加工成本和提升金属网栅的透光率，同时保证充裕的屏蔽效能。
以上内容结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能理解为限制了本发明的范围，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在透明衬底上镀制金属薄膜；
步骤S2：在金属薄膜上旋涂光刻胶；
步骤S3：使用光刻技术获取图形化的光刻胶；
步骤S4：利用IBE的阴影效应，在大角度离子束入射的模式下将光刻胶图形的线宽进行缩减；
步骤S5：调整至小角度离子束入射的模式，将光刻胶的图形传递至金属层；
步骤S6：浸泡在丙酮溶液中，超声波清洗，去除光刻胶，获取基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，步骤S1所述的透明衬底可以是硬质材料包括石英、玻璃，也可以是柔性衬底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚苯乙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜或聚乙烯醇薄膜，步骤S1所述的金属薄膜包括铜、铝、金和银导电率高的材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，步骤S2所述的光刻胶包括正胶和负胶。
4.根据权利要求1所述的一种基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，步骤S3所述的光刻技术可以是激光直写、电子束直写和接触式、接近式、投影式、多光束干涉曝光技术，光刻掩模版的图形是二维周期性图形，特征尺寸为1-5μm之间，周期是10-100μm之间。
5.根据权利要求1所述的一种基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，步骤S4所述的离子束入射角由公式θ＝arctan[d/(p-w)]定义，其中d、p和w分别为光刻胶图形的厚度、周期和线宽，步骤S4所述的离子束的束流为100-300mA之间，加速电压为30-100V之间。
6.根据权利要求1所述的一种基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，步骤S5所述的离子束入射角为0-30°之间，保证对金属层有较高的刻蚀速率，离子束的束流为100-300mA之间，加速电压为30-100V之间。
7.根据权利要求1所述的一种基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料的制备方法，其特征在于，步骤S6所述的超声清洗功率为50-100w，时间为30-60秒。
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