金属网栅电磁屏蔽窗口薄膜的设计与制备

王 建,徐均琪,苏俊宏,李 绵,时 凯

(西安工业大学 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室,陕西 西安 710021)

1 引 言

作为四大污染之一的电磁污染,不仅严重影响人们的健康,而且一些犯罪分子利用电磁设备进行窃听、监视、窃密等间谍活动,对国防安全和人民的生命财产造成严重的威胁。在军事领域,对手强大的电磁干扰致使另一方的导弹制导系统失灵、电子通讯系统瘫痪、最终导致战争的失败。如何能有效的控制电磁干扰成为本世纪以来急需解决问题。在高透红外、屏蔽长波段电磁干扰方面,受通带阻接近、基底透光性差、连续膜材料限制等原因,目前金属网栅仍然无法被替代[1]。

电磁屏蔽膜是一种在特定波段具有一定的光学透射率,且能有效地屏蔽该波段以外的其他干扰电磁波的一类薄膜,包括透明导电膜和金属网栅膜。目前电磁屏蔽薄膜的制备方法有很多,主要包括激光直写技术、光刻掩膜+真空镀膜技术、真空镀膜+化学腐蚀、印刷纳米银导电工艺等[1-5]。研究者发现除了网栅的线宽和周期,屏蔽体连接效果、屏蔽体与干扰源距离、干扰源频率、不连续屏蔽表面及工艺缺陷、掩模板制作精度、涂胶技术、光刻质量等都会对屏蔽效能造成影响[6-9]。网栅的开口度、网栅的孔径长宽比及尺寸、图案的形状也会影响电磁屏蔽效能[10-12]。为了得到较高的光学透过率和电磁屏蔽效能而采用多层网栅薄膜结构实现,P.K[13]等通过磁控溅射和光刻工艺制备Ta / Al / Ta多层网栅,研究Al厚度从20～150 nm,网栅的光学透过率和电磁屏蔽效能。Al厚度为150 nm时,在研究的可见-近红外光谱范围内透射率为86 %,在6 GHz频段处电磁屏蔽达48 dB。国内也有学者就多层网栅薄膜以及掺杂金属的方法对电磁屏蔽薄膜进行了研究并取得了一定的成果[14-15]。M.S[16]等基于稀疏网栅的高阶阻抗边界条件提出一种有效介质的方法来预测嵌入或者非嵌入介电基质中的周期金属网栅的屏蔽效能,适用于线栅、扩展金属箔的模拟。

本文在理论分析的基础上,通过CST电磁仿真软件对不同线宽、周期的网栅结构进行仿真分析,探究了网栅制备的最佳工艺,分析了线宽和周期对网栅的透光率和屏蔽效能的影响。

2 金属网栅的光学及电磁屏蔽特性

金属网栅的周期小于常用雷达波的波长,具有较高的电磁屏蔽效能；而对于红外和可见光波段,金属网栅的周期大于入射波的波长,所以不会对红外光和可见光的透射率造成太大影响。为了保证金属网栅薄膜具有良好的光电性能,有必要对其进行理论分析,为后期的网栅的设计与制作提供一定的理论指导。

2.1 金属网栅光学透射率

据Kohin[17]研究表明,在红外光学波段的范围内,金属网栅表现为衍射光栅,会对入射波产生衍射作用,网栅的总透射率相当于所有衍射级的透射率总和,可以简单用遮挡比(打开面积所占的比例)表示:

(1)

其中,g表示网栅的周期;2a表示网栅的线宽。从式(1)可以看出,网栅线宽与周期比越小,会得到越高的红外透光率。所以在周期一定的情况下,网栅的线宽越小越好,但由于加工工艺、线宽过窄会出现断线(影响屏蔽效能)等因素限制,线宽不能过窄。

2.2 金属网栅电磁屏蔽效能

根据Ulrich等人的研究,利用等效电路原理对金属网栅的电磁屏蔽效能进行分析。在网栅薄膜的厚度t≪2a,2a≪g的前提下,对于垂直入射的雷达波,感性网栅归一化导纳为:

(2)

当雷达波垂直入射金属网栅时,电磁波的透过率可以表示为:

(3)

因为金属网栅的周期g近似于谐振波波长,即可得:f0≈1;对于2～18 GHz频段的雷达波,网栅周期选择200～700 μm时,满足等效电路条件:y≪1,λ≫g,结合式(2)和式(3)可以得到金属网栅的电磁透射率:

(4)

金属网栅电磁屏蔽效能表示:

S=-10lgT

(5)

从式(2)(3)(4)(5)分析可知,为增加金属网栅的屏蔽效能,需要有较大的线宽,而为了增加金属网栅的红外波段透射率,则需要较小的线宽,显然两种特性对金属网栅线宽的要求是互相矛盾的。若得到良好的光学特性,在网栅的设计过程中需考虑合理的线宽及周期。

网栅通常分为连通式网栅和贴片式网栅。根据等效电路原理,连通式网栅对电磁波等效电感、电容并联振荡电路,该电路的电纳是感性,所以连通式网栅也被称为感性网栅如图1,缝隙单元在低频段反射,高频段传输,类似于高通滤波器,该结构在电磁波谐振频率波长约等于其一个周长时发生谐振,单元排列更紧凑,受电磁波入射角度变化的影响较小。根据网栅工作环境选择连通式网栅结构。

图1 连通式网栅示意图及单元结构

3 实验及测试

3.1 金属网栅的仿真

采用CST Studio Suite电磁仿真软件设计了周期g=500 μm,线宽2a分别为10 μm,20 μm,30 μm,40 μm的金属网栅电磁屏蔽效能,频率范围为:1～18 GHz。仿真结果如图2(a)所示。仿真线宽为2a=30 μm,周期分别为350 μm,450 μm,650 μm,750 μm的金属网栅电磁屏蔽效能,如图2(b)所示。

图2 网栅仿真电磁屏蔽效能

分析图2(a),可以得到在保持网栅的周期(g=500 μm)一定时,随着网栅线宽的增加,网栅的电磁屏蔽效能不断增加,原因是网栅的线宽的增加,使得网栅的面电阻不断减小,网栅的电磁屏蔽效能增加[6]。因此可以通过增加网栅线宽增强电磁屏蔽效能。分析图2(b),网栅的线宽(2a=30 μm)一定时,在网栅的周期不断增加时,网栅的电磁屏蔽却不断下降,但是根据占空比公式(1)的计算,网栅的透射率却得到提高,综合分析可知,网栅的光电特性是矛盾,具体如表1所示。从图2的(a)、(b)图可以发现,随着电磁波频率的增加,网栅的屏蔽效能下降,主要是由于随着频率的增加,金属网栅的电阻和电抗增加而导致的[6]。

表1 2a=30 μm,不同周期的网栅透射率

3.2 金属网栅的制作

本文通过光学掩模的方法制作金属网栅。首先基片放入无水乙醇溶液中使用超声波清洗10 min,用氮气吹干。采用永光电子化学公司生产的EPG533光刻胶旋涂在单晶硅上。通过中科院研发的匀胶机以低速800 rad/min(用时12 s)、高速2000 rad/min(用时20 s)完成光刻胶的涂覆,为了增加胶膜与基片的黏附性、减少胶层内部应力,紧接着采用美国的(Thermolyne)马弗炉烘烤涂胶基片(时间为90 s,温度90 ℃),待基片冷却至室温时采用QUINTEL公司生产的Q-4000型光刻机完成掩模曝光(曝光时间为15 s),曝光结束后采用显影液将曝光的样片进行显影(显影时间15 s),最后得到掩模版转图案。将显影曝光的样片采用电阻热蒸发技术沉积金属铝膜,采用丙酮溶液擦拭镀膜面去除光刻胶,最后得到所需的金属网栅。其中涂胶的厚度约为250 nm,金属膜的厚度约为150 nm。具体的工艺流程如图3所示,本文采用基材为菲林的掩膜版,该基材一层遮光层是感光材料,类似相机胶卷,通过显影、定影、水洗、烘过程形成遮光和透光的黑白分明的图案。

图3 金属网栅制作工艺流程

4 结果与分析

4.1 光刻胶涂覆

通过匀胶机在硅基片涂覆光刻胶。图4为涂覆光刻胶的单晶硅基片,图4(a)是采用低速为500rad/min的转速进行涂胶得到的胶膜,可以明显的看出光刻胶涂覆的非常不均匀,甚至出现部分没有涂上胶的区域。图4(b)、图4(c)分别是采用低速为700 rad/min、800 rad/min的转速进行涂胶的得到的胶膜,光刻胶均匀的涂覆在基片上。可以说明的是在匀胶过程中选择低速涂胶时转速过低会出现匀胶膜层不均匀的现象。

图4 涂覆光刻胶的单晶硅基片

4.2 显影图案微观结构

将曝光后的基片放入显影中进行显影,显影后用去离子水进行基片清洗、氮气吹干,然后通过光学显微镜下观察其微观结构并改善工艺如图5所示。图5(a)图案出现了光刻胶脱落的现象,分析原因可能是烘烤时间过短使得光刻胶与基片的黏着性太差,在显影的过程中出现了未曝光的光刻胶出现了脱落现象。图5(b)的图案在曝光显影后,曝光区域的光刻胶不能在显影液中溶解,可能是在曝光过程中的曝光时间过短导致曝光区域的光刻胶不能及时发生光化反应造成的。图5(c)是经过适当增加烘烤时间和曝光时间后经过显影得到的图案,从图中可以看出光刻胶不仅没有出现脱胶的现象,而且曝光区域和未曝光区域经过显影后的轮廓之间有明显的界限。

图5 掩模光刻的网栅微观结构

4.3 金属网栅薄膜的制备

采用南光机械有限公司生产的ZZS500-2/G真空箱式镀膜机电阻热蒸发沉积技术制备金属膜。将经过清洗的掩模光刻网栅的基片装夹在工件夹上,薄膜的沉积温度设置为120 ℃,调节工件反馈电流保证工件以一定的速度进行旋转得到厚度均匀的薄膜。通过机械泵、扩散泵抽真空,待箱室内的真空度到3.0×10-3Pa进行镀膜,最后经冷却取件。取出制备好的金属膜冷却一段时间(室温),用蘸取丙酮溶液的棉签擦拭金属膜表面。由于光刻胶易溶解丙酮,附着在光刻胶上的金属随光刻胶一起脱落,没有光刻胶的区域沉积的金属薄膜不会脱落,这样就得到了金属网栅,如图6所示。

图6 金属网栅薄膜

4.4 金属网栅光谱及电磁屏蔽效能特性

采用有Bruker公司生产的真空型傅里叶红外光谱仪测试金属网栅的光学特性。测试波长选择2.8 ～5.5 μm。测试结果如图7所示。使用Keysight公司的矢量网络分析仪对制备的金属网栅的电磁屏蔽效能进行测试。选择测试频段为12～18 GHz,测试结果如图7所示。

图7 金属网栅的光学-电学特性

从图7(a)可以看出,网栅的线宽一定时,随着网栅的周期增加,金属网栅的透光率不断增加。该测试结果的变化与式(1)计算结果是一致的。因为线宽保持不变的情况下,网栅的周期不断增大,对应的透光的占空比不断增加使得透射率不断提高。图7(b)分析发现,线宽一定的情况下,随着周期的增加网栅的电磁屏蔽效能却不断下降,这一结果与式(2)～(5)的计算结果以及电磁软件的仿真结果一致。进一步说明了金属网栅的光学-电学特性是矛盾的。仿真结果与实验实际测试结果对比发现,实际制备的网栅电磁屏蔽效能低于电磁软件仿真的结果。一方面是由于仿真实验中使用的理想导体(电导率为无穷大),而实验中采用的金属并非如此,另一方面网栅的掩膜板在加工存在误差,同时制备的网栅自身也存在缺陷。

5 总 结

通过理论分析网栅的光电特性得到了金属网栅的光学特性和电学特性是矛盾的。采用CST电磁仿真软件对不同线宽、不同周期的金属网栅进行模拟仿真,通过光学掩膜技术、真空热蒸发技术制备了金属网栅,探究了光刻掩膜的最佳工艺,分析了工艺参数对实验结果的影响。研究了金属网栅的红外光学透射率和电磁屏蔽特性。使用矢量网络分析仪测试,实现了在12 GHz～18 GHz频段内,金属网栅的电磁屏蔽效能达到12 dB以上。在透射率方面,网栅的透射率损耗大约8 %,进一步分析了仿真结果与实际测试结果误差,一方面是仿真采用的理想导体,另一方面网栅的掩膜板加工精度存在误差、金属网栅制备的过程中存在一些缺陷导致的。