金屬網(wǎng)柵電磁屏蔽窗口薄膜的設計與制備

王 建,徐均琪,蘇俊宏,李 綿,時 凱

(西安工業(yè)大學 陜西省薄膜技術(shù)與光學檢測重點實驗室,陜西 西安 710021)

1 引 言

作為四大污染之一的電磁污染,不僅嚴重影響人們的健康,而且一些犯罪分子利用電磁設備進行竊聽、監(jiān)視、竊密等間諜活動,對國防安全和人民的生命財產(chǎn)造成嚴重的威脅。在軍事領域,對手強大的電磁干擾致使另一方的導彈制導系統(tǒng)失靈、電子通訊系統(tǒng)癱瘓、最終導致戰(zhàn)爭的失敗。如何能有效的控制電磁干擾成為本世紀以來急需解決問題。在高透紅外、屏蔽長波段電磁干擾方面,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+化學腐蝕、印刷納米銀導電工藝等[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)量等都會對屏蔽效能造成影響[6-9]。網(wǎng)柵的開口度、網(wǎng)柵的孔徑長寬比及尺寸、圖案的形狀也會影響電磁屏蔽效能[10-12]。為了得到較高的光學透過率和電磁屏蔽效能而采用多層網(wǎng)柵薄膜結(jié)構(gòu)實現(xiàn),P.K[13]等通過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)柵的光學透過率和電磁屏蔽效能。Al厚度為150 nm時,在研究的可見-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48 dB。國內(nèi)也有學者就多層網(wǎng)柵薄膜以及摻雜金屬的方法對電磁屏蔽薄膜進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)的方法來預測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、擴展金屬箔的模擬。

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

2 金屬網(wǎng)柵的光學及電磁屏蔽特性

金屬網(wǎng)柵的周期小于常用雷達波的波長,具有較高的電磁屏蔽效能；而對于紅外和可見光波段,金屬網(wǎng)柵的周期大于入射波的波長,所以不會對紅外光和可見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,有必要對其進行理論分析,為后期的網(wǎng)柵的設計與制作提供一定的理論指導。

2.1 金屬網(wǎng)柵光學透射率

據(jù)Kohin[17]研究表明,在紅外光學波段的范圍內(nèi),金屬網(wǎng)柵表現(xiàn)為衍射光柵,會對入射波產(chǎn)生衍射作用,網(wǎng)柵的總透射率相當于所有衍射級的透射率總和,可以簡單用遮擋比(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、線寬過窄會出現(xiàn)斷線(影響屏蔽效能)等因素限制,線寬不能過窄。

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金屬網(wǎng)柵的電磁屏蔽效能進行分析。在網(wǎng)柵薄膜的厚度t?2a,2a?g的前提下,對于垂直入射的雷達波,感性網(wǎng)柵歸一化導納為:

(2)

當雷達波垂直入射金屬網(wǎng)柵時,電磁波的透過率可以表示為:

(3)

因為金屬網(wǎng)柵的周期g近似于諧振波波長,即可得:f0≈1;對于2～18 GHz頻段的雷達波,網(wǎng)柵周期選擇200～700 μm時,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,顯然兩種特性對金屬網(wǎng)柵線寬的要求是互相矛盾的。若得到良好的光學特性,在網(wǎng)柵的設計過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約等于其一個周長時發(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 實驗及測試

3.1 金屬網(wǎng)柵的仿真

采用CST Studio Suite電磁仿真軟件設計了周期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,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]。因此可以通過增加網(wǎng)柵線寬增強電磁屏蔽效能。分析圖2(b),網(wǎng)柵的線寬(2a=30 μm)一定時,在網(wǎng)柵的周期不斷增加時,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

本文通過光學掩模的方法制作金屬網(wǎng)柵。首先基片放入無水乙醇溶液中使用超聲波清洗10 min,用氮氣吹干。采用永光電子化學公司生產(chǎn)的EPG533光刻膠旋涂在單晶硅上。通過中科院研發(fā)的勻膠機以低速800 rad/min(用時12 s)、高速2000 rad/min(用時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)部應力,緊接著采用美國的(Thermolyne)馬弗爐烘烤涂膠基片(時間為90 s,溫度90 ℃),待基片冷卻至室溫時采用QUINTEL公司生產(chǎn)的Q-4000型光刻機完成掩模曝光(曝光時間為15 s),曝光結(jié)束后采用顯影液將曝光的樣片進行顯影(顯影時間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,類似相機膠卷,通過顯影、定影、水洗、烘過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

通過勻膠機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)速進行涂膠的得到的膠膜,光刻膠均勻的涂覆在基片上?？梢哉f明的是在勻膠過程中選擇低速涂膠時轉(zhuǎn)速過低會出現(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行顯影,顯影后用去離子水進行基片清洗、氮氣吹干,然后通過光學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間過短使得光刻膠與基片的黏著性太差,在顯影的過程中出現(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,可能是在曝光過程中的曝光時間過短導致曝光區(qū)域的光刻膠不能及時發(fā)生光化反應造成的。圖5(c)是經(jīng)過適當增加烘烤時間和曝光時間后經(jīng)過顯影得到的圖案,從圖中可以看出光刻膠不僅沒有出現(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

采用南光機械有限公司生產(chǎn)的ZZS500-2/G真空箱式鍍膜機電阻熱蒸發(fā)沉積技術(shù)制備金屬膜。將經(jīng)過清洗的掩模光刻網(wǎng)柵的基片裝夾在工件夾上,薄膜的沉積溫度設置為120 ℃,調(diào)節(jié)工件反饋電流保證工件以一定的速度進行旋轉(zhuǎn)得到厚度均勻的薄膜。通過機械泵、擴散泵抽真空,待箱室內(nèi)的真空度到3.0×10-3Pa進行鍍膜,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,沒有光刻膠的區(qū)域沉積的金屬薄膜不會脫落,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試金屬網(wǎng)柵的光學特性。測試波長選擇2.8 ～5.5 μm。測試結(jié)果如圖7所示。使用Keysight公司的矢量網(wǎng)絡分析儀對制備的金屬網(wǎng)柵的電磁屏蔽效能進行測試。選擇測試頻段為12～18 GHz,測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 金屬網(wǎng)柵的光學-電學特性

從圖7(a)可以看出,網(wǎng)柵的線寬一定時,隨著網(wǎng)柵的周期增加,金屬網(wǎng)柵的透光率不斷增加。該測試結(jié)果的變化與式(1)計算結(jié)果是一致的。因為線寬保持不變的情況下,網(wǎng)柵的周期不斷增大,對應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)的計算結(jié)果以及電磁軟件的仿真結(jié)果一致。進一步說明了金屬網(wǎng)柵的光學-電學特性是矛盾的。仿真結(jié)果與實驗實際測試結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),實際制備的網(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驗中使用的理想導體(電導率為無窮大),而實驗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,同時制備的網(wǎng)柵自身也存在缺陷。

5 總 結(jié)

通過理論分析網(wǎng)柵的光電特性得到了金屬網(wǎng)柵的光學特性和電學特性是矛盾的。采用CST電磁仿真軟件對不同線寬、不同周期的金屬網(wǎng)柵進行模擬仿真,通過光學掩膜技術(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)對實驗結(jié)果的影響。研究了金屬網(wǎng)柵的紅外光學透射率和電磁屏蔽特性。使用矢量網(wǎng)絡分析儀測試,實現(xiàn)了在12 GHz～18 GHz頻段內(nèi),金屬網(wǎng)柵的電磁屏蔽效能達到12 dB以上。在透射率方面,網(wǎng)柵的透射率損耗大約8 %,進一步分析了仿真結(jié)果與實際測試結(jié)果誤差,一方面是仿真采用的理想導體,另一方面網(wǎng)柵的掩膜板加工精度存在誤差、金屬網(wǎng)柵制備的過程中存在一些缺陷導致的。