王 建,徐均琪,蘇俊宏,李 綿,時(shí) 凱

(西安工業(yè)大學(xué) 陜西省薄膜技術(shù)與光學(xué)檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710021)

1 引 言

作為四大污染之一的電磁污染,不僅嚴(yán)重影響人們的健康,而且一些犯罪分子利用電磁設(shè)備進(jìn)行竊聽、監(jiān)視、竊密等間諜活動(dòng),對(duì)國(guó)防安全和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重的威脅。在軍事領(lǐng)域,對(duì)手強(qiáng)大的電磁干擾致使另一方的導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)失靈、電子通訊系統(tǒng)癱瘓、最終導(dǎo)致戰(zhàn)爭(zhēng)的失敗。如何能有效的控制電磁干擾成為本世紀(jì)以來(lái)急需解決問(wèn)題。在高透紅外、屏蔽長(zhǎng)波段電磁干擾方面,受通帶阻接近、基底透光性差、連續(xù)膜材料限制等原因,目前金屬網(wǎng)柵仍然無(wú)法被替代[1]。

電磁屏蔽膜是一種在特定波段具有一定的光學(xué)透射率,且能有效地屏蔽該波段以外的其他干擾電磁波的一類薄膜,包括透明導(dǎo)電膜和金屬網(wǎng)柵膜。目前電磁屏蔽薄膜的制備方法有很多,主要包括激光直寫技術(shù)、光刻掩膜+真空鍍膜技術(shù)、真空鍍膜+化學(xué)腐蝕、印刷納米銀導(dǎo)電工藝等[1-5]。研究者發(fā)現(xiàn)除了網(wǎng)柵的線寬和周期,屏蔽體連接效果、屏蔽體與干擾源距離、干擾源頻率、不連續(xù)屏蔽表面及工藝缺陷、掩模板制作精度、涂膠技術(shù)、光刻質(zhì)量等都會(huì)對(duì)屏蔽效能造成影響[6-9]。網(wǎng)柵的開口度、網(wǎng)柵的孔徑長(zhǎng)寬比及尺寸、圖案的形狀也會(huì)影響電磁屏蔽效能[10-12]。為了得到較高的光學(xué)透過(guò)率和電磁屏蔽效能而采用多層網(wǎng)柵薄膜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),P.K[13]等通過(guò)磁控濺射和光刻工藝制備Ta / Al / Ta多層網(wǎng)柵,研究Al厚度從20～150 nm,網(wǎng)柵的光學(xué)透過(guò)率和電磁屏蔽效能。Al厚度為150 nm時(shí),在研究的可見(jiàn)-近紅外光譜范圍內(nèi)透射率為86 %,在6 GHz頻段處電磁屏蔽達(dá)48 dB。國(guó)內(nèi)也有學(xué)者就多層網(wǎng)柵薄膜以及摻雜金屬的方法對(duì)電磁屏蔽薄膜進(jìn)行了研究并取得了一定的成果[14-15]。M.S[16]等基于稀疏網(wǎng)柵的高階阻抗邊界條件提出一種有效介質(zhì)的方法來(lái)預(yù)測(cè)嵌入或者非嵌入介電基質(zhì)中的周期金屬網(wǎng)柵的屏蔽效能,適用于線柵、擴(kuò)展金屬箔的模擬。

本文在理論分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)CST電磁仿真軟件對(duì)不同線寬、周期的網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,探究了網(wǎng)柵制備的最佳工藝,分析了線寬和周期對(duì)網(wǎng)柵的透光率和屏蔽效能的影響。

2 金屬網(wǎng)柵的光學(xué)及電磁屏蔽特性

金屬網(wǎng)柵的周期小于常用雷達(dá)波的波長(zhǎng),具有較高的電磁屏蔽效能；而對(duì)于紅外和可見(jiàn)光波段,金屬網(wǎng)柵的周期大于入射波的波長(zhǎng),所以不會(huì)對(duì)紅外光和可見(jiàn)光的透射率造成太大影響。為了保證金屬網(wǎng)柵薄膜具有良好的光電性能,有必要對(duì)其進(jìn)行理論分析,為后期的網(wǎng)柵的設(shè)計(jì)與制作提供一定的理論指導(dǎo)。

2.1 金屬網(wǎng)柵光學(xué)透射率

據(jù)Kohin[17]研究表明,在紅外光學(xué)波段的范圍內(nèi),金屬網(wǎng)柵表現(xiàn)為衍射光柵,會(huì)對(duì)入射波產(chǎn)生衍射作用,網(wǎng)柵的總透射率相當(dāng)于所有衍射級(jí)的透射率總和,可以簡(jiǎn)單用遮擋比(打開面積所占的比例)表示:

(1)

其中,g表示網(wǎng)柵的周期;2a表示網(wǎng)柵的線寬。從式(1)可以看出,網(wǎng)柵線寬與周期比越小,會(huì)得到越高的紅外透光率。所以在周期一定的情況下,網(wǎng)柵的線寬越小越好,但由于加工工藝、線寬過(guò)窄會(huì)出現(xiàn)斷線(影響屏蔽效能)等因素限制,線寬不能過(guò)窄。

2.2 金屬網(wǎng)柵電磁屏蔽效能

根據(jù)Ulrich等人的研究,利用等效電路原理對(duì)金屬網(wǎng)柵的電磁屏蔽效能進(jìn)行分析。在網(wǎng)柵薄膜的厚度t?2a,2a?g的前提下,對(duì)于垂直入射的雷達(dá)波,感性網(wǎng)柵歸一化導(dǎo)納為:

(2)

當(dāng)雷達(dá)波垂直入射金屬網(wǎng)柵時(shí),電磁波的透過(guò)率可以表示為:

(3)

因?yàn)榻饘倬W(wǎng)柵的周期g近似于諧振波波長(zhǎng),即可得:f0≈1;對(duì)于2～18 GHz頻段的雷達(dá)波,網(wǎng)柵周期選擇200～700 μm時(shí),滿足等效電路條件:y?1,λ?g,結(jié)合式(2)和式(3)可以得到金屬網(wǎng)柵的電磁透射率:

(4)

金屬網(wǎng)柵電磁屏蔽效能表示:

S=-10lgT

(5)

從式(2)(3)(4)(5)分析可知,為增加金屬網(wǎng)柵的屏蔽效能,需要有較大的線寬,而為了增加金屬網(wǎng)柵的紅外波段透射率,則需要較小的線寬,顯然兩種特性對(duì)金屬網(wǎng)柵線寬的要求是互相矛盾的。若得到良好的光學(xué)特性,在網(wǎng)柵的設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮合理的線寬及周期。

網(wǎng)柵通常分為連通式網(wǎng)柵和貼片式網(wǎng)柵。根據(jù)等效電路原理,連通式網(wǎng)柵對(duì)電磁波等效電感、電容并聯(lián)振蕩電路,該電路的電納是感性,所以連通式網(wǎng)柵也被稱為感性網(wǎng)柵如圖1,縫隙單元在低頻段反射,高頻段傳輸,類似于高通濾波器,該結(jié)構(gòu)在電磁波諧振頻率波長(zhǎng)約等于其一個(gè)周長(zhǎng)時(shí)發(fā)生諧振,單元排列更緊湊,受電磁波入射角度變化的影響較小。根據(jù)網(wǎng)柵工作環(huán)境選擇連通式網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)。

圖1 連通式網(wǎng)柵示意圖及單元結(jié)構(gòu)

3 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試

3.1 金屬網(wǎng)柵的仿真

采用CST Studio Suite電磁仿真軟件設(shè)計(jì)了周期g=500 μm,線寬2a分別為10 μm,20 μm,30 μm,40 μm的金屬網(wǎng)柵電磁屏蔽效能,頻率范圍為:1～18 GHz。仿真結(jié)果如圖2(a)所示。仿真線寬為2a=30 μm,周期分別為350 μm,450 μm,650 μm,750 μm的金屬網(wǎng)柵電磁屏蔽效能,如圖2(b)所示。

圖2 網(wǎng)柵仿真電磁屏蔽效能

分析圖2(a),可以得到在保持網(wǎng)柵的周期(g=500 μm)一定時(shí),隨著網(wǎng)柵線寬的增加,網(wǎng)柵的電磁屏蔽效能不斷增加,原因是網(wǎng)柵的線寬的增加,使得網(wǎng)柵的面電阻不斷減小,網(wǎng)柵的電磁屏蔽效能增加[6]。因此可以通過(guò)增加網(wǎng)柵線寬增強(qiáng)電磁屏蔽效能。分析圖2(b),網(wǎng)柵的線寬(2a=30 μm)一定時(shí),在網(wǎng)柵的周期不斷增加時(shí),網(wǎng)柵的電磁屏蔽卻不斷下降,但是根據(jù)占空比公式(1)的計(jì)算,網(wǎng)柵的透射率卻得到提高,綜合分析可知,網(wǎng)柵的光電特性是矛盾,具體如表1所示。從圖2的(a)、(b)圖可以發(fā)現(xiàn),隨著電磁波頻率的增加,網(wǎng)柵的屏蔽效能下降,主要是由于隨著頻率的增加,金屬網(wǎng)柵的電阻和電抗增加而導(dǎo)致的[6]。

表1 2a=30 μm,不同周期的網(wǎng)柵透射率

3.2 金屬網(wǎng)柵的制作

本文通過(guò)光學(xué)掩模的方法制作金屬網(wǎng)柵。首先基片放入無(wú)水乙醇溶液中使用超聲波清洗10 min,用氮?dú)獯蹈?。采用永光電子化學(xué)公司生產(chǎn)的EPG533光刻膠旋涂在單晶硅上。通過(guò)中科院研發(fā)的勻膠機(jī)以低速800 rad/min(用時(shí)12 s)、高速2000 rad/min(用時(shí)20 s)完成光刻膠的涂覆,為了增加膠膜與基片的黏附性、減少膠層內(nèi)部應(yīng)力,緊接著采用美國(guó)的(Thermolyne)馬弗爐烘烤涂膠基片(時(shí)間為90 s,溫度90 ℃),待基片冷卻至室溫時(shí)采用QUINTEL公司生產(chǎn)的Q-4000型光刻機(jī)完成掩模曝光(曝光時(shí)間為15 s),曝光結(jié)束后采用顯影液將曝光的樣片進(jìn)行顯影(顯影時(shí)間15 s),最后得到掩模版轉(zhuǎn)圖案。將顯影曝光的樣片采用電阻熱蒸發(fā)技術(shù)沉積金屬鋁膜,采用丙酮溶液擦拭鍍膜面去除光刻膠,最后得到所需的金屬網(wǎng)柵。其中涂膠的厚度約為250 nm,金屬膜的厚度約為150 nm。具體的工藝流程如圖3所示,本文采用基材為菲林的掩膜版,該基材一層遮光層是感光材料,類似相機(jī)膠卷,通過(guò)顯影、定影、水洗、烘過(guò)程形成遮光和透光的黑白分明的圖案。

圖3 金屬網(wǎng)柵制作工藝流程

4 結(jié)果與分析

4.1 光刻膠涂覆

通過(guò)勻膠機(jī)在硅基片涂覆光刻膠。圖4為涂覆光刻膠的單晶硅基片,圖4(a)是采用低速為500rad/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行涂膠得到的膠膜,可以明顯的看出光刻膠涂覆的非常不均勻,甚至出現(xiàn)部分沒(méi)有涂上膠的區(qū)域。圖4(b)、圖4(c)分別是采用低速為700 rad/min、800 rad/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行涂膠的得到的膠膜,光刻膠均勻的涂覆在基片上?？梢哉f(shuō)明的是在勻膠過(guò)程中選擇低速涂膠時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)低會(huì)出現(xiàn)勻膠膜層不均勻的現(xiàn)象。

圖4 涂覆光刻膠的單晶硅基片

4.2 顯影圖案微觀結(jié)構(gòu)

將曝光后的基片放入顯影中進(jìn)行顯影,顯影后用去離子水進(jìn)行基片清洗、氮?dú)獯蹈?然后通過(guò)光學(xué)顯微鏡下觀察其微觀結(jié)構(gòu)并改善工藝如圖5所示。圖5(a)圖案出現(xiàn)了光刻膠脫落的現(xiàn)象,分析原因可能是烘烤時(shí)間過(guò)短使得光刻膠與基片的黏著性太差,在顯影的過(guò)程中出現(xiàn)了未曝光的光刻膠出現(xiàn)了脫落現(xiàn)象。圖5(b)的圖案在曝光顯影后,曝光區(qū)域的光刻膠不能在顯影液中溶解,可能是在曝光過(guò)程中的曝光時(shí)間過(guò)短導(dǎo)致曝光區(qū)域的光刻膠不能及時(shí)發(fā)生光化反應(yīng)造成的。圖5(c)是經(jīng)過(guò)適當(dāng)增加烘烤時(shí)間和曝光時(shí)間后經(jīng)過(guò)顯影得到的圖案,從圖中可以看出光刻膠不僅沒(méi)有出現(xiàn)脫膠的現(xiàn)象,而且曝光區(qū)域和未曝光區(qū)域經(jīng)過(guò)顯影后的輪廓之間有明顯的界限。

圖5 掩模光刻的網(wǎng)柵微觀結(jié)構(gòu)

4.3 金屬網(wǎng)柵薄膜的制備

采用南光機(jī)械有限公司生產(chǎn)的ZZS500-2/G真空箱式鍍膜機(jī)電阻熱蒸發(fā)沉積技術(shù)制備金屬膜。將經(jīng)過(guò)清洗的掩模光刻網(wǎng)柵的基片裝夾在工件夾上,薄膜的沉積溫度設(shè)置為120 ℃,調(diào)節(jié)工件反饋電流保證工件以一定的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)得到厚度均勻的薄膜。通過(guò)機(jī)械泵、擴(kuò)散泵抽真空,待箱室內(nèi)的真空度到3.0×10-3Pa進(jìn)行鍍膜,最后經(jīng)冷卻取件。取出制備好的金屬膜冷卻一段時(shí)間(室溫),用蘸取丙酮溶液的棉簽擦拭金屬膜表面。由于光刻膠易溶解丙酮,附著在光刻膠上的金屬隨光刻膠一起脫落,沒(méi)有光刻膠的區(qū)域沉積的金屬薄膜不會(huì)脫落,這樣就得到了金屬網(wǎng)柵,如圖6所示。

圖6 金屬網(wǎng)柵薄膜

4.4 金屬網(wǎng)柵光譜及電磁屏蔽效能特性

采用有Bruker公司生產(chǎn)的真空型傅里葉紅外光譜儀測(cè)試金屬網(wǎng)柵的光學(xué)特性。測(cè)試波長(zhǎng)選擇2.8 ～5.5 μm。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。使用Keysight公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)制備的金屬網(wǎng)柵的電磁屏蔽效能進(jìn)行測(cè)試。選擇測(cè)試頻段為12～18 GHz,測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 金屬網(wǎng)柵的光學(xué)-電學(xué)特性

從圖7(a)可以看出,網(wǎng)柵的線寬一定時(shí),隨著網(wǎng)柵的周期增加,金屬網(wǎng)柵的透光率不斷增加。該測(cè)試結(jié)果的變化與式(1)計(jì)算結(jié)果是一致的。因?yàn)榫€寬保持不變的情況下,網(wǎng)柵的周期不斷增大,對(duì)應(yīng)的透光的占空比不斷增加使得透射率不斷提高。圖7(b)分析發(fā)現(xiàn),線寬一定的情況下,隨著周期的增加網(wǎng)柵的電磁屏蔽效能卻不斷下降,這一結(jié)果與式(2)～(5)的計(jì)算結(jié)果以及電磁軟件的仿真結(jié)果一致。進(jìn)一步說(shuō)明了金屬網(wǎng)柵的光學(xué)-電學(xué)特性是矛盾的。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),實(shí)際制備的網(wǎng)柵電磁屏蔽效能低于電磁軟件仿真的結(jié)果。一方面是由于仿真實(shí)驗(yàn)中使用的理想導(dǎo)體(電導(dǎo)率為無(wú)窮大),而實(shí)驗(yàn)中采用的金屬并非如此,另一方面網(wǎng)柵的掩膜板在加工存在誤差,同時(shí)制備的網(wǎng)柵自身也存在缺陷。

5 總 結(jié)

通過(guò)理論分析網(wǎng)柵的光電特性得到了金屬網(wǎng)柵的光學(xué)特性和電學(xué)特性是矛盾的。采用CST電磁仿真軟件對(duì)不同線寬、不同周期的金屬網(wǎng)柵進(jìn)行模擬仿真,通過(guò)光學(xué)掩膜技術(shù)、真空熱蒸發(fā)技術(shù)制備了金屬網(wǎng)柵,探究了光刻掩膜的最佳工藝,分析了工藝參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。研究了金屬網(wǎng)柵的紅外光學(xué)透射率和電磁屏蔽特性。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了在12 GHz～18 GHz頻段內(nèi),金屬網(wǎng)柵的電磁屏蔽效能達(dá)到12 dB以上。在透射率方面,網(wǎng)柵的透射率損耗大約8 %,進(jìn)一步分析了仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果誤差,一方面是仿真采用的理想導(dǎo)體,另一方面網(wǎng)柵的掩膜板加工精度存在誤差、金屬網(wǎng)柵制備的過(guò)程中存在一些缺陷導(dǎo)致的。