TWI472819B - 超穎材料結構及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係為一種超穎材料結構及其製造方法，更特別為一種具有裂環共振結構之超穎材料結構及其製造方法。
超穎材料(Metamaterials)為一種具有左手性質(Left-Handed,LH)的人工合成結構或合成介質。更詳細而言，透過元件幾何形狀設計，人們可操控其顯現的特殊電磁性質，超穎材料之特性係與右手系物質(Right-Handed,RH)之特性相異，其可具有負值的介電係數(dielectric,ε)和導磁係數(permeability，目前，常見的超穎材料結構之基本幾何形狀有線狀、網狀以及裂環(split ring)等，藉由此些基本幾何形狀之陣列排列，可製造出具有特殊之反射、穿透與吸收頻譜之超穎材料。例如，當某特定波長之光波入射具有多個裂環陣列排列之超穎材料時，其磁場與電場可與超穎材料產生共振而具有電響應(electric response)、磁響應(magnetic response)或超環響應(toroidal response)等特性。
裂環共振器在超穎材料的應用主要在於其所顯現的磁響應可具有負磁導率的特性。然而，如第1圖所示，現階段之超穎材料結構
99表面之裂環陣列10大都實現在二維的平面上。因此若要以入射光波之磁場使裂環陣列產生磁響應，則入射光之磁場需具有分量於裂環面之法線方向，才能使得超穎材料與入射光波磁場產生共振。如此一來，便限制了入射光波與超穎材料99之光耦合現象。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之其中一目的就是在提供一種超穎材料結構及其製造方法，其具有三維之裂環陣列結構，以解決習知技術中之入射光波與二維之裂環陣列結構之超穎材料之耦合限制的問題。
根據本發明之其中之一目的，提出一種超穎材料結構，其包含基板、第一共振單元以及第二共振單元。其中，基板之表面具有一凸塊，第一共振單元包含第一接著件以及第一懸臂，第一接著件位於凸塊之接著方向上，且第一懸臂係由第一接著件延伸而出。第二共振單元包含第二接著件以及第二懸臂，第二接著件設置於第一接著件之接著方向上，且第二懸臂係由第二接著件延伸而出，且第二懸臂朝向基板之表面之反方向翹曲。
較佳地，超穎材料結構可更包含一連結部，連結部連結第一接著件以及第二接著件，凸塊連結基板以及第一接著件，且連結部之外形小於第一接著件以及第二接著件，凸塊之外形小於第一接著件。
較佳地，第一接著件可具有第一侧壁面，第二接著件可具有第二側壁面，第一懸臂自第一侧壁面延伸而出，第一懸臂連接第一接著件之部分之外形係小於第一側壁面，第二懸臂係自第二侧壁面
延伸而出，第二懸臂連接第二接著件之部分之外形係小於第二側壁面。
根據本發明之另一目的，提出一種超穎材料結構之製造方法，包含：提供基板，並在基板之表面定義輪廓，輪廓包含接著區域以及自接著區域延伸而出之懸臂區域；沉積第一金屬層於基板上；沉積連結層於第一金屬層上；沉積第二金屬層於連結層上，其中第二金屬層具有向基板之表面之反方向翹曲之應力；利用舉離製程使第一金屬層，第二金屬層與連結層形成輪廓；以及蝕刻懸臂區域以及連結層對應懸壁區域之部分，使第二金屬層對應懸臂區域之輪廓部分翹曲形成超穎材料結構。
較佳地，懸臂區域可自接著區域之一侧邊延伸而出，懸臂區域連接接著區域之部分係小於接著區域之側邊。
較佳地，其中蝕刻懸臂所對應之該輪廓部分之該基板之步驟中，可利用乾式蝕刻或濕式蝕刻法。
較佳地，其中定義輪廓之方法可為電子束微影術(Electron Beam Lithography)、光微影術(Photolithography)、聚焦離子束術(Focused Ion Beam)、奈米壓印(Nano imprinting)或雷射直寫術(Laser direct beam)。
根據本發明之再一目的，包含基板以及第一共振單元。基板表面具有第一凸塊，第一共振單元包含第一接著件以及第一懸臂。第一接著件接著於第一凸塊上，第一懸臂朝向基板之表面之反方向翹曲。
較佳地，第一懸臂可與基板之表面形成缺口。
較佳地，第一懸臂可由第一接著件之侧壁面延伸而出，且第一懸臂連接第一接著件部分之外形小於第一接著件之侧壁面之外形。
較佳地，第一共振單元可更包含第二懸臂，其中，第一接著件具有相對之第一側壁面以及第二侧壁面，第一懸臂可由第一侧壁面延伸而出，第二懸壁可由第二侧壁面延伸而出，並且，第一懸臂連接第一接著件之部分之外形係小於第一侧壁面之外形，第二懸臂連接第一接著件之部分之外形係小於第二侧壁面之外形。
較佳地，第一懸臂之長度可大於第二懸臂之長度，且第一懸臂與第二懸臂之間形成缺口。
根據本發明之再一目的，提出一種超穎材料結構，其包含基板以及複數個共振單元。基板表面具有複數個凸塊，且該些凸塊係環狀排列或矩形陣列排列。該些共振單元係一對一連接該些凸塊，且共振單元可為前述之第一共振單元。
承上所述，本發明之超穎材料結構，因為具有三維之裂環共振結構，所以可以提高特定頻率之入射光波之光耦合效率並可應用於製作可即時調變之超穎材料。
10‧‧‧裂環陣列
99、98、95、94、93、89‧‧‧超穎材料結構
100‧‧‧基板
101‧‧‧凸塊
112‧‧‧第一共振單元
113‧‧‧第一接著件
114、115‧‧‧第一懸臂
116‧‧‧第二共振單元
116a‧‧‧共振單元
117‧‧‧第二接著件
117a‧‧‧接著件
118、119‧‧‧第二懸臂
118a、119a‧‧‧懸臂
120‧‧‧輪廓
121‧‧‧接著區域
122、123‧‧‧懸臂區域
125‧‧‧連結部
125a‧‧‧連結層
130‧‧‧第一金屬層
140‧‧‧第二金屬層
1131‧‧‧第一側壁面
1132‧‧‧第二側壁面
1133‧‧‧第三側壁面
1134‧‧‧第四側壁面
p‧‧‧接著方向
g‧‧‧缺口
第1圖係為習知之二維裂環共振結構。
第2A圖係為本發明之超穎材料結構之第一實施例之立體示意圖。
第2B圖係為本發明之超穎材料結構之第一實施例在Z-X平面的剖面示意圖。
第3A至第3D圖係為本發明之第一實施例之製造流程圖。
第4A圖係為本發明之超穎材料結構之第二實施例之立體示意圖。
第4B圖係為本發明之超穎材料結構之第二實施例沿XZ平面的剖面示意圖。
第5圖係為本發明之超穎材料結構之第三實施例之立體示意圖。
第6圖係為本發明之超穎材料結構之第四實施例之立體示意圖。
第7圖係為本發明之超穎材料結構之第五實施例之立體示意圖。
以下將參照相關圖式，說明依本發明之超穎材料結構及其製造方法之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。
其中，在此要說明的是，本說明書之超穎材料陣列結構係用以與特定波長之光波產生共振，或於特定波長之光波下，本發明之超穎材料陣列結構可產生負磁導率或負折射係數之效應。因此，本發明之之超穎材料陣列結構係屬光波之次波長之週期結構。另外，本說明書中之「翹曲」，係指向某方向捲曲之意。
請一併參閱第2A與第2B圖，第2A圖係為本發明之超穎材料結構之第一實施例之立體示意圖，第2B圖係為本發明之超穎材料結構之第一實施例在Z-X平面的剖面示意圖。圖中，超穎材料結構98包含有基板100、第一共振單元112與第二共振單元116，基板100之表面具有凸塊101。在此要說明的是，基板100與凸塊101具有相同之材質。換言之，凸塊101為從基板100延伸突出之結構。
第一共陣單元112包含第一接著件113以及第一懸臂114、115。其中，第一接著件113位於凸塊101之接著方向p上，第一懸臂114、115則由第一接著件113延伸而出。
本實施例之接著方向p係與基板100之表面垂直，但並不以此為限。在本發明之其它實施例中，接著方向p可與基板100之表面呈現約略垂直的狀態。
另外，本實施例之第一懸臂114、115係以兩個為例，但不以此為限。在本發明之其它實施例中，可只具有一個懸臂或多個懸臂。
第二共振單元116包含第二接著件117以及第二懸臂118、119。其中，第二接著件117係設置於第一接著件113之接著方向p上。而第二懸臂118、119及第二接著件117之間之連結關係與第一懸臂114、115及第一接著件113類似，在此便不贅述。
值得注意的是，本實施例之第二懸臂118、119並非如第一懸臂114、115與基板100之表面呈現近似平行的狀態，而是與以朝向基板100之表面之反方向翹曲，並且第二懸臂118之末端與第二懸臂119之末端之間係間隔有一間隙g。
如此一來，本實施例之第一共振單元116由於具有間隙g，因此當入射光波之磁場具有分量於第一共振單元116所存在之zx平面法線方向或入射光電場具有分量於間隙時，第一共振單元116即會對特定頻率之光波產生磁共振響應。其中，藉由控制間隙g之大小可調整欲產生共振響應之光波頻率。並且，因為本實施例具有立體的裂環結構，所以當光波以較小的入射角度發射於基板100上時，本實施例之第一共單元116可提供較佳的光耦合效率。除此之外，本實施例之第二共振單元112則可與入射電磁波產生電共振並顯現出負介電係數之特性。故藉由第一共振單元116之隙環結構以及第二共振單元112平行於基板100之懸臂結構，可使得
超穎材料結構98具有負折射係數的效應。
值得注意的是，本實施例之超穎材料結構更包含連結部125。連結部125連結第一接著件113以及第二接著件117，凸塊101連結基板100以及第一接著件113，且連結部125之外形小於第一接著件113以及第二接著件117，凸塊101之外形小於第一接著件113。連結部125之材質可與基板100相同，以於同一道製程中與凸塊101共同形成。
第一接著件113可具有相對之第一側壁面1131以及第二側壁面1132。各第一懸臂114、115係由第一側壁面1131以及第二側壁面1132延伸而出，且各第一懸臂114、115連接第一接著件113之部分之外形係小於第一側壁面1131以及第二側壁面1132之外形。同樣的，第二懸臂118、119與第二接著件117之第三側壁面1133以及第四側壁面1134之連結關係與第一懸臂114、115與第一接著件113之間類似，在此便不贅述。
由於第一接著件113以及第二接著件117之側壁面大於第一懸臂114、115以及第二懸臂118、119之接著部分之外形，因此第一接著件113以及第二接著件117可對第一懸臂114、115以及第二懸臂118、119提供較佳的連結性。尤其是在使第二懸臂118、119翹曲的時候，較大外形的第二接著件117可提供作為第二懸臂118、119之接著點。
在此要說明的是，本實施例之三維超穎材料金屬結構除接著件外皆為懸浮(free standing)於基板之結構，故可利用外在環境變化，如溫度、電場、磁場等，調變其幾何外貌並改變其共振頻率
，可用以製作一即時調變之超穎材料。
請參考第3A圖至3D圖，其係為本發明之第一實施例之製造流程圖。如第3A圖所示，首先，提供基板100，並在基板100之表面定義一輪廓120，此輪廓120包含接著區域121以及自接著區域延伸而出的懸臂區域122、123。而本實施例係以電子束微影術(Electron Beam Lithography)定義輪廓120，但並不限於此。在本發明之其它實施例中，可利用光微影術(Photolithography)、聚焦離子束術(Focused Ion Beam)、奈米壓印(Nano imprinting)或雷射直寫術(Laser direct beam)等方法定義輪廓120。
在此要注意的是，本實施例之接著區域121連接懸臂區域122、123之部分係較具有較懸臂區域122、123長之邊界，並且本實施之接著區域121係以矩形為例，懸臂區域122、123係以長條形為例，但本發明並不限於此。
接著，如第3B圖所示。沉積第一金屬層130於基板100上，沈積連結層125a於第一金屬層130，並接著沈積第二金屬層140於連結層125a。其中，在沉積第一金屬層130以及第二金屬層140時，可由一種以上金屬或一層以上金屬所組成，以獲得不同之金屬應力。其中，在本實施例中，係設計第二金屬層140具有向基板110之表面之反方向翹曲之應力，而第一金屬層130則不具有翹曲之應力。此外，由於本實施例之結構係由金屬組成，故亦可透過外在環境改變如溫度變化、外加電場等操控其外在形貌及翹曲程度。
接著，如第3C圖所示。圖案化第一金屬層130與第二金屬層140以
使第一金屬層130與第二金屬層140形成第3A圖中的輪廓120。其中，圖案化第一金屬層130與第二金屬層140可以舉離(lift-off)的步驟達成，此為本領域人士所熟知之技術，在此便不贅述。
接著，如第3D圖所示，蝕刻基板110之懸臂區域122。如此一來，具有金屬應力之第二金屬層140所對應之第3A圖中之懸臂區域122、123之輪廓部分即翹曲形成三維之裂環共振結構。亦即，形成第2A圖中之多個多穎材料結構98。其中，本實施例係利用乾式蝕刻法，以C4F8氣體對基板進行蝕刻，但不以此為限。在本發明之其它實施中，也可利用濕式蝕刻法對基板進行蝕刻。
接著請參考第4A圖以及第4B，第4A圖係為本發明之超穎材料結構之第二實施例之立體示意圖，第4B圖係為本發明之超穎材料結構之第二實施例沿XZ平面的剖面示意圖。其中，第二實施例之超穎材料結構95與第一實施例最大的不同在於，第二實施例只具有單一個共振單元，即第二共振單元116。
接著請考第5圖，其係為本發明之超穎材料結構之第三實施例之立體示意圖。圖中，超穎材料結構94之共振單元116a只具有單一個懸臂118a以及接著件117a，懸臂118a與基板100之表面形成缺口g。本實施例藉著改變缺口的方向，可調整與入射光共振的頻率。
接著請參考第6圖，其係為本發明之超穎材料結構之第四實施例之立體示意圖。圖中，超穎材料結構93之共振單元116a具有懸臂118a以及119a。藉由調整懸臂118a以及119a的長度，可調整缺口g的方向，藉以調整與入射光共振的頻率。
接著請參考第7圖，其係為本發明之超穎材料結構之第五實施例之立體示意圖。如圖所示，超穎材料結構89可將前述第三實施例之超穎材料結構94做環形排列，藉此與入射光形成超環共振(Toroidal response)。
綜上所述，本發明之三維裂環共振結構之超穎材料由於其具有三維之裂環共振器，因此可以增進與入射光波之耦合效率，並可即時調變其形貌及共振頻率。除此之外，藉由設置多個共振單元，可製造出有負折射率效應之光學材料。
除此之外，本發明之超穎材料結構除了接著件外皆為懸浮(free standing)於基板之結構，故可利用外在環境變化，如溫度、電場、磁場等，調變其幾何外貌並改變其共振頻率，可用以製作一即時調變之超穎材料。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
98‧‧‧超穎材料結構
100‧‧‧基板
112‧‧‧第一共振單元
113‧‧‧第一接著件
114、115‧‧‧第一懸臂
116‧‧‧第二共振單元
117‧‧‧第二接著件
118、119‧‧‧第二懸臂
1131‧‧‧第一側壁面
1132‧‧‧第二側壁面
1133‧‧‧第三側壁面
1134‧‧‧第四側壁面
p‧‧‧接著方向
g‧‧‧缺口
Claims (11)
- 一種超穎材料結構，其包含：一基板，其表面具有一凸塊；一第一共振單元，其包含一第一接著件以及一第一懸臂，該第一接著件係位於該凸塊之一接著方向上，該第一懸臂係由該第一接著件延伸而出；一第二共振單元，其包含一第二接著件以及一第二懸臂，該第二接著件係沿著該第一接著件之該接著方向上設置，該第二懸臂係由該第二接著件延伸而出，且該第二懸臂係朝向該基板之表面之反方向翹曲；以及一連結部，該連結部連結該第一接著件以及該第二接著件，該凸塊連結該基板以及該第一接著件，且該連結部之外形小於該第一接著件以及該第二接著件，該凸塊之外形小於該第一接著件。
- 如申請專利範圍第1項所述之超穎材料結構，其中，該第一接著件具有一第一侧壁面，該第二接著件具有一第二側壁面，該第一懸臂係自該第一侧壁面延伸而出，該第一懸臂連接該第一接著件之部分之外形係小於該第一側壁面，該第二懸臂係自該第二侧壁延伸而出，該第二懸臂連接該第二接著件之部分之外形係小於該第二側壁面。
- 一種超穎材料結構之製造方法，其包含：提供一基板，並在該基板之表面定義一輪廓，該輪廓包含一接著區域以及自該接著區域延伸而出之一懸臂區域； 沉積一第一金屬層於該基板上；沉積一連結層於該第一金屬層上；沉積一第二金屬層於該連結層上，其中該第二金屬層具有向該基板之表面之反方向翹曲之應力；利用舉離製程使該第一金屬層，該第二金屬層與該連結層形成該輪廓；以及蝕刻該懸臂區域以及該連結層對應該懸壁區域之部分，使該第二金屬層對應該懸臂區域之該輪廓部分翹曲形成該超穎材料結構。
- 如申請專利範圍第3項所述之製造方法，其中該懸臂區域自該接著區域之一侧邊延伸而出，該懸臂區域連接該接著區域之部分係小於該接著區域之該側邊。
- 如申請專利範圍第3項所述之製造方法，其中該蝕刻該懸臂所對應之該輪廓部分之該基板之步驟中，係利用乾式蝕刻或濕式蝕刻法。
- 如申請專利範圍第3項所述之製造方法，其中定義該輪廓之方法為電子束微影術(Electron Beam Lithography)、光微影術(Photolithography)、聚焦離子束術(Focused Ion Beam)、奈米壓印(Nano imprinting)或雷射直寫術(Laser direct beam)。
- 一種超穎材料結構，其包含：一基板，其表面具有一第一凸塊；以及一第一共振單元，其包含：一第一接著件，係接著於該第一凸塊上；及一第一懸臂，係由該第一接著件延伸而出，且該一懸臂係朝向該基板之表面之反方向翹曲；其中，該第一懸臂係由該第一接著件之一侧壁面延伸而出，且該 第一懸臂連接該第一接著件部分之外形係小於該侧壁面之外形。
- 如申請專利範圍第7項所述之超穎材料結構，該第一懸臂係與該基板之表面形成一缺口。
- 如申請專利範圍第7項所述之超穎材料結構，該第一共振單元更包含一第二懸臂，其中，該第一接著件具有相對之一第一側壁面以及一第二侧壁面，該第一懸臂係由該第一侧壁面延伸而出，該第二懸壁係由該第二侧壁面延伸而出，並且，該第一懸臂連接該第一接著件之部分之外形係小於該第一侧壁面之外形，該第二懸臂連接該第一接著件之部分之外形係小於該第二侧壁面之外形。
- 如申請專利範圍第9項所述之超穎材料結構，其中該第一懸臂之長度係大於該第二懸臂之長度，且該第一懸臂與該第二懸臂之間形成一缺口。
- 一種超穎材料結構，包含：一基板，其表面具有複數個凸塊，該些凸塊係環狀排列或矩形陣列排列；以及複數個共振單元，係一對一連結該些凸塊，且該些共振單元係為申請專利範圍第7項至第10項之任一項之該第一共振單元。
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