专利名称：微结构加工方法
微结构加工方法
技术领域：
本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种超材料的微结构加工方法。
背景技术：
超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而或得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料，因此为设计和合成超材料，人们进行了很多研究工作。超材料包括人造结构以及人造结构所附着的材料，该附着材料对人造结构起到支撑作用，因此可以是任何与人造结构不同的材料，这两种材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数与磁导率，而这两个物理参数分别对应了材料的电场响应与磁场响应。目前超材料的微结构加工都是采用电路板的化学刻蚀的方法，此方法所用的基片上的铜箔与基片间结合力差。需要提供一种新的微结构加工方法，能够改善基片上的铜箔与基片间的结合力。
发明内容本发明提供一种微结构加工方法，采取溅射镀膜的方式来加工微结构，可大大提高铜箔与基片的结合力并大大节省了铜金属的用量，并且可以大批量高效率进行超材料的批量化加工生产。
磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出氩离子和新的电子；新电子飞向基片，氩离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E(电场)XB(磁场)所指的方向漂移，简称EXB漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的氩离子来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。磁控溅射过程是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。磁控溅射以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。电子的归宿不仅仅是基片，真空室内壁及靶源阳极也是电子归宿。根据本发明的一个主要方面，提供一种微结构加工方法，该方法利用磁控溅射镀膜装置，包括以下步骤:a、获取超材料基片；b、获取图案化的掩膜板；C、将图案化的掩膜板覆盖在超材料基片上；d、将该超材料基片固定于磁控溅射镀膜装置的阳极上，并将金属片置于磁控溅射镀膜装置的、正对着基片的阴极上；e、将磁控溅射镀膜装置的真空室抽成高真空，然后充入低压惰性气体；f、在阳极和阴极之间加上预定电压，使之产生辉光放电，然后经预定时间后断开该预定电压；g、从超材料基片上揭去掩膜板即得到所需要的金属微结构。根据本 发明的一个方面，超材料基片为环氧树脂基片、陶瓷基片或铁电体基片。根据本发明的一个方面，金属片包括铜片、银片、金片。根据本发明的一个方面，金属微结构包括多个阵列排布的微结构单元，微结构单元为工字型或工字衍生型金属线结构。根据本发明的一个方面，金属微结构包括多个阵列排布的微结构单元，微结构单元为开口环型或开口环衍生型金属线结构。 根据本发明的一个方面，利用电子束光刻方法来制备图案化的掩膜。根据本发明的一个方面，充入的惰性气体气压为0.1 10Pa。根据本发明的一个方面，充入的惰性气体是氩气(Ar)。根据本发明的一个方面，阳极和阴极之间的预定电压为直流电压。根据本发明的一个方面，阳极和阴极之间的预定电压为交流电压。根据本发明的一个方面，阳极和阴极之间的预定电压为射频电压。应当认识到，本发明以上各方面中的特征可以在本发明的范围内自由组合，而并不受其顺序的限制一只要组合后的技术方案落在本发明的实质精神内。
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明的附图作简单地介绍，其中:图1为用于实施本发明的微结构加工方法的一种磁控溅射镀膜装置的示意图。图2则示意性地显示了实施本发明的微结构加工方法的流程。图3-6示意性地显示了根据本发明的方法得到的微结构的基本单元的形状。
具体实施方式下文将结合本发明的优选实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要明白，下文的描述(包括附图)仅仅是示例性的，而非对本发明的限制性描述。在以下描述中会涉及到部件的具体数量，然而也需要明白的是，这些数量也仅仅是示例性的，本领域技术人员可以参照本发明任意选取适当数量的部件。并且，在本发明中所提及的“第一”、“第二”等字眼，并非表示对部件重要性的排序，仅仅作区别部件名称之用。参见图1可知，用于实施本发明的微结构加工方法的一种磁控溅射镀膜装置10包括一阳极、一阴极以及真空腔(未标记)。其中，在加工过程中，阳极上固定有待镀膜的超材料基片1，而阴极上固定有作为靶材的铜片2。在阴极附近还设置有磁铁3，以形成磁场。参见图2可知本发明的实施流程。根据本发明的一个实施形式，首先利用已知的方法制备(或直接购买)未覆铜的超材料基片，优选为环氧树脂基片。该超材料基片的制备可以参照PCB基片的制备工艺。接着，利用电子束光刻方法制备图案化的掩膜板。这其中首先在石英表面旋涂一层电子束光刻胶；其次利用电子束(或激光)直写技术将图形转移到电子束光刻胶层上，其中电子源产生大量电子，这些电子被加速并聚焦(通过磁方式或者电方式被聚焦)成形投影到电子束光刻胶上，扫描形成所需要微结构的图形；再次曝光、显影形成线路图形；最后利用激光技术按照图案雕刻出镂空的微结构图形模板，即图案化的掩膜板。实际上，获取未覆铜的超材料基片和获取图案化的掩膜板的步骤并不分先后，可以按照需要改变其相互间的顺序。当取得未覆铜的超材料基片以及图案化的掩膜板之后，将图案化的掩膜板覆盖在未覆铜的超材料基片上，然后将该超材料基片固定于磁控溅射镀膜装置的阳极上，并将铜片置于磁控溅射镀膜装置的正对着基片的阴极上。将超材料基片与铜片分别在磁控溅射镀膜装置的阳极和阴极安置妥当之后，将磁控溅射镀膜装置的真空室抽成高真空，然后充入低压惰性气体，优选为氩气(Ar)，其气压可为0.1 10Pa，优选地为IPa。接着，在阳极和阴极之间加上l_3kV，优选为2kV的高压电压(一般地，所加电压为直流电压，不过也可以使用交流电压，例如13.56MHz的射频电压)，使氩气产生辉光放电。电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞(当然，其间运动电子还受到磁场B的洛仑兹力，它们的运动轨迹会发生弯曲甚至产生螺旋运动，其运动路径会变长，这增加了与氩气分子碰撞的次数)，使其电离产生出Ar+和新的电子；新的电子飞向基片，而Ar+在电场作用下加速飞向阴极的靶材，即铜片，并以高能量轰击靶材表面，与靶表面原子碰撞，使靶材发生溅射，即靶原子受碰撞而从靶面逸出。在溅射粒子中，中性的靶原子，即铜原子沉积在基片上形成薄膜。在其它实施例中，通过调节磁场的强度，也可以只施加几百伏的电压，例如300 800V的电压。然后，经约5分钟(该时间长短取决于要沉积的薄膜厚度，还与其他参数有关，例如惰性气体气压、阴阳极间的电压等等)后断开电压。最后，从磁控溅射镀膜装置上取下超材料基片，从超材料基片上揭去掩膜板即得到所需要的金属微结构。图3-6示意性地显示了根据本发明的方法得到的微结构的基本单元形状，这些形状是在制备掩膜板的过程中预先设计好的。图3和图4所示为工字型及工字衍生型金属线结构的微结构单元。而图5和图6所示为开口环型或开口环衍生型金属线结构的微结构单元。金属微结构包括多个阵列排布的微结构单元。使用本发明的方法来加工超材料的微结构，一方面降低了薄膜污染的倾向；另一方面在很大程度上改善薄膜的质量，可大大提高铜箔与基片的结合力并大大节省了铜金属的用量，并且可以大批量高效率进行超材料的批量化加工生产。需要明白，以上根据优选的实施方式对本发明作了详细的描述，不过需要理解的是，本发明的范围并不局限于这些具体的实施方式，而是包括本领域技术人员根据本发明的公开能够做出的任何改动和变更。
权利要求
1.一种微结构加工方法，该方法利用磁控溅射镀膜装置，包括以下步骤: a、获取超材料基片； b、获取图案化的掩膜板； C、将图案化的掩膜板覆盖在超材料基片上； d、将该超材料基片固定于磁控溅射镀膜装置的阳极上，并将金属片置于磁控溅射镀膜装置的、正对着基片的阴极上； e、将磁控溅射镀膜装置的真空室抽成高真空，然后充入低压惰性气体； f、在阳极和阴极之间加上预定电压，使之产生辉光放电，然后经预定时间后断开该预定电压； g、从超材料基片上揭去掩膜板即得到所需要的金属微结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超材料基片为环氧树脂基片、陶瓷基片或铁电体基片。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属片包括铜片、银片、金片。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属微结构包括多个阵列排布的微结构单元，所述微结构单元为工字型或工字衍生型金属线结构。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属微结构包括多个阵列排布的微结构单元，所述微结构单元为开口环型或开口环衍生型金属线结构。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用电子束光刻方法来制备图案化的掩膜。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述充入的惰性气体是氩气。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阳极和所述阴极之间的预定电压为直流电压。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阳极和所述阴极之间的预定电压为交流电压。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述阳极和所述阴极之间的预定电压为射频电压。
全文摘要
本发明提供一种微结构加工方法，该方法利用磁控溅射镀膜装置，将附有图案化的掩膜板的超材料基片设置在磁控溅射镀膜装置的阳极上，而将金属片设置在阴极上；然后将磁控溅射镀膜装置的真空室抽成高真空后充入低压惰性气体；接着在阳极和阴极之间加上预定电压后经预定时间断开；最后从超材料基片上揭去掩膜板而得到所需要的金属微结构。根据本发明的方法来加工微结构，可大大提高铜箔与基片的结合力并大大节省了金属的用量，并且可以大批量高效率进行超材料的批量化加工生产。
文档编号H01Q15/00GK103178349SQ20111043998
公开日2013年6月26日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者刘若鹏, 赵治亚, 法布里齐亚·盖佐, 金晶 申请人:深圳光启高等理工研究院