СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАМАТЕРИАЛА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК H01Q1/38 

Область техники

Группа изобретений относится к области микроэлектроники - технологии изготовления слоистых изделий - и может быть использовано при создании электродинамических и/или антенных устройств, содержащих в своей структуре слоистый материал со специфическими электрическими свойствами и обеспечивающих искажение рабочего электромагнитного поля.

Уровень техники

Из уровня техники известен способ изготовления тонкопленочной структуры (микросхемы), включающий нанесение на предварительно окисленную кремниевую пластину-носитель полиимидного лака с последующей термоимидизацией для формирования полиимидного слоя, вакуумное напыление металлов и фотолитографию для формирования топологического рисунка, с последующим отделением полиимидной пленки с топологическим рисунком от кремниевой пластины-носителя путем травления «жертвенного» слоя - окисла кремния - плавиковой кислотой [1].

Недостатком известного технического решения является низкая воспроизводимость технологического процесса из-за высокой вероятности повреждения слоев металлизации, полученных вакуумным напылением и фотолитографией, при отделении кремниевой пластины-носителя путем травления «жертвенного» слоя - окисла кремния - плавиковой кислотой.

Из уровня техники известен способ изготовления метаматериала, основанный на технологии поверхностной и объемной микрообработки с использованием «жертвенного» слоя [2]. Согласно известному техническому решению способ изготовления метаматериала реализуется в следующей последовательности операций: формирования на двух кремниевых пластинах-носителях «жертвенного» слоя - хрома, резонансных структур первого и второго уровней, соответственно, методами микрообработки, формирование полимерных колец, отделение полимерных колец с регулярными резонансными структурами травлением «жертвенного» слоя от кремниевых пластин-носителей, совмещение и сборку резонансных структур первого и второго уровней через слой диэлектрика.

К недостаткам известного способа изготовления метаматериала относится низкая воспроизводимость процесса изготовления из-за сложности и неточности позиционирования при сборке резонансных структур первого и второго уровней, а также невозможности быстрого и качественного травления «жертвенного» слоя.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом заявленной группы изобретений является создание воспроизводимых и стабильных процессов изготовления метаматериалов, в том числе многоуровневых, с качественным и высокоточным исполнением металлических резонансных структур без разрывов и подтравов в связи с отсутствием операции травления «жертвенного» слоя (жидкостного или плазмохимического травления).

Технический результат достигается тем, что способ изготовления метаматериала по первому варианту (см. пункты 1-6 формулы изобретения) заключается в том, что:

- формируют на пластине-носителе защитный слой;

- формируют на защитном слое, последовательно чередуя между собой, m+1 уровней резонансных структур и m слоев диэлектрика соответственно, где m - целое число ≥1;

- отделяют сформированные последовательно чередующиеся между собой уровни резонансных структур и слои диэлектрика с защитным слоем от пластины-носителя.

Отделение сформированных последовательно чередующихся между собой уровней резонансных структур и слоев диэлектрика с защитным слоем от пластины-носителя осуществляют в воде. Используют предварительно окисленную кремниевую пластину-носитель или пластину-носитель из стекла с гидрофилизированной поверхностью. Защитный слой и слои диэлектрика формируют из полиимида, который формируют из раствора пиромилитового диангидрида и оксидианилина в полярном растворителе нанесением с последующей сушкой и имидизацией. Толщина защитного слоя составляет не менее 10 нм.

Способ изготовления метаматериала по второму варианту (см. пункты 7-13 формулы изобретения) заключается в том, что:

- формируют на n пластинах-носителях n защитных слоев, где n - целое число;

- формируют на защитных слоях, последовательно чередуя между собой, m+1 уровней резонансных структур и m слоев диэлектрика соответственно, где m - целое число ≥1;

- отделяют сформированные последовательно чередующиеся между собой уровни резонансных структур и слои диэлектрика с защитными слоями от соответствующих n пластин-носителей;

- соединяют последовательно методом монтажа с помощью меток совмещения, расположенных в каждом уровне резонансных структур, отделенные сформированные последовательно чередующиеся между собой уровни резонансных структур и слои диэлектрика с защитным слоем через радиочастотные диэлектрические пластины.

Отделение сформированных последовательно чередующихся между собой уровней резонансных структур и слоев диэлектрика с защитными слоями от пластин-носителей осуществляют в воде. Используют предварительно окисленные кремниевые пластины-носители или пластины-носители из стекла с гидрофилизированными поверхносями. Защитные слои и слои диэлектрика формируют из полиимида, который формируют из раствора пиромилитового диангидрида и оксидианилина в полярном растворителе нанесением с последующей сушкой и имидизацией. В качестве радиочастотных диэлектрических пластин применяют, например, пенопласт, полистирол, флан. Толщина защитных слоев составляет не менее 10 нм.

Минимальная толщина защитного слоя 10 нм определяется тем, что при формировании защитного слоя (пленки) меньшей толщины она имеет островковую структуру и первый уровень резонансных структур будет формироваться не на защитном слое (пленке), а на пластине-носителе из кремния или стекла, частично, что приведет впоследствии при отделении метаматериала от пластины-носителя к 100%-ному браку последнего.

Краткое описание чертежей

Признаки и сущность заявленной группы изобретений поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.

На фиг.1 представлены примеры изготовления метаматериала по пунктам 1-6 формулы изобретения (вариант №1 и вариант №2).

На фиг.2 представлен пример изготовления метаматериала по пунктам 7-13 формулы изобретения (вариант №3).

На фиг.3 представлен пример изготовления метаматериала по пунктам 7-17 формулы изобретения (вариант №4).

На фигурах 1-3 обозначено следующее:

1 - пластина-носитель, например, из кремния или стекла;

2 - гидрофилизированная поверхность пластины-носителя;

3 - защитный слой из полиимида толщиной не менее 10 нм;

4 - первый уровень резонансных структур;

5 - первый слой диэлектрика из полиимида;

6 - второй уровень резонансных структур;

7 - однослойный, с точки зрения количества диэлектрических слоев из полиимида, метаматериал на пластине-носителе;

8 - 3-слойный, с точки зрения количества диэлектрических слоев из полиимида, метаматериал на пластине-носителе;

9-1 - трещина между гидрофилизированной поверхностью пластины-носителя и защитным слоем при отделении в воде 3-слойного метаматериала от пластины-носителя;

9-2 - трещина между гидрофилизированной поверхностью пластины-носителя и защитным слоем при отделении в воде однослойного метаматериала от пластины-носителя;

10-1 - 3-х слойный метаматериал (вариант №1);

10-2 - однослойный метаматериал (вариант №2);

11 - радиочастотная диэлектрическая пластина, например, из пенопласта, полистирола или флана;

12 - клей;

13 - метаматериал с радиочастотными диэлектрическими пластинами (вариант №3);

14 - метаматериал с радиочастотными диэлектрическими пластинами (вариант №4).

Осуществление и примеры реализации группы изобретений

Заявленный способ изготовления метаматериала (варианты) был применен при изготовлении малогабаритной антенны с узкой диаграммой направленности. Изготовление осуществляли следующим образом.

На фиг.1 изображено следующее.

Стеклянные или кремниевые пластины-носители (1) после химической обработки подвергали гидрофилизации (2) в щелочном растворе гидроокиси калия в течение 100 секунд с последующей промывкой в деионизованной воде и сушкой на центрифуге. Далее на пластинах-носителях формировали защитный полиимидный слой (3) толщиной не менее 10 нм методом центрифугирования раствора пиромилитового диангидрида и оксидианилина в полярном растворителе с последующей сушкой и имидизацией. После этого методом напыления и фотолитографии формировали первый уровень резонансных структур (4) на основе металлов хром-медь. Затем на резонансных структурах первого уровня (4) формировали первый слой диэлектрика (5) методом центрифугирования раствора пиромилитового диангидрида и оксидианилина в полярном растворителе с последующей сушкой и имидизацией, а на нем снова методом напыления и фотолитографии изготавливали второй уровень резонансных структур (6) на основе металлов хром-медь, получая одноуровневые (с точки зрения количества диэлектрических слоев из полиимида) метаматериальные заготовки (7) на пластинах-носителях (1). Далее также методом центрифугирования раствора пиромилитового диангидрида и оксидианилина в полярном растворителе с последующей сушкой и имидизацией и напыления системы металлов хром-медь и фотолитографии формировали последовательно чередующиеся между собой 3 слоя диэлектрика - полиимида и 4 уровня резонансных структур, получая трехуровневые (с точки зрения количества диэлектрических слоев) метаматериальные заготовки (8). После этого одно- и трехуровневые метаматериальные заготовки (7) и (8) соответственно отделяли от пластин-носителей в воде (9-1), (9-2), высушивали в термошкафу, получая два варианта метаматериалов. Вариант №1 - трехуровневый метаматериал (10-1), вариант №2 - одноуровневый метаматериал (10-2) (по количеству слоев диэлектрика). Количество диэлектрических слоев - уровней в метаматериале - может достигать m, где m - целое число ≥1, и определяется конструкцией метаматериала. После всех операций метаматериал монтировали на излучатель и измеряли характеристики антенны.

На фиг.2 изображено следующее.

Стеклянные или кремниевые пластины-носители (1) после химической обработки подвергали гидрофилизации (2) в щелочном растворе гидроокиси калия в течение 100 секунд с последующей промывкой в деионизованной воде и сушкой на центрифуге. Далее на пластинах-носителях формировали защитный полиимидный слой (3) толщиной не менее 10 нм методом центрифугирования раствора пиромилитового диангидрида и оксидианилина в полярном растворителе с последующей сушкой и имидизацией. После этого методом напыления и фотолитографии формировали первый уровень резонансных структур (4) на основе металлов хром-медь. Затем на резонансных структурах первого уровня (4) формировали первый слой диэлектрика (5) методом центрифугирования раствора пиромилитового диангидрида и оксидианилина в полярном растворителе с последующей сушкой и имидизацией, а на нем снова методом напыления и фотолитографии изготавливали второй уровень резонансных структур (6) на основе металлов хром-медь, получая одноуровневые (с точки зрения количества диэлектрических слоев из полиимида) метаматериальные заготовки (7) на пластинах-носителях (1). После этого одноуровневые метаматериальные заготовки (7) отделяли от пластин-носителей (2) в воде (9-2), высушивали в термошкафу, получая одноуровневый метаматериал (10-2), и отправляли на сборку.

Сборка метаматериала осуществлялась следующим образом.

На радиочастотные диэлектрические пластины (11), например, из полистирола, выполненные методами механической обработки, приклеивали с помощью клея (12) одноуровневые метаматериальные заготовки (10-2), затем последовательно собирали и приклеивали еще два одноуровневых метаматериала (10-2) с радиочастотными диэлектрическими пластинами (11), например, из полистирола и пенопласта. Полученный методами сборки и монтажа метаматериал (вариант №3) монтировали на излучатель и измеряли характеристики антенны.

На фиг.3 изображено следующее.

Стеклянные или кремниевые пластины-носители (1) после химической обработки подвергали гидрофилизации (2) в щелочном растворе гидроокиси калия в течение 100 секунд с последующей промывкой в деионизованной воде и сушкой на центрифуге. Далее методом центрифугирования раствора полиамидокислоты в диметилформамиде с последующей сушкой и термоимидизацией на пластинах-носителях (1) формировали защитный полиимидный слой (3) толщиной не менее 10 нм. После этого методом напыления и фотолитографии формировали первый уровень резонансных структур (4) на основе металлов хром-медь. Затем методом центрифугирования раствора полиамидокислоты в диметилформамиде с последующей сушкой и термоимидизацией на резонансных структурах первого уровня формировали слой диэлектрика (5), а на нем методом напыления и фотолитографии изготавливали второй уровень резонансных структур (6) на основе металлов хром-медь и метки для последующей сборки, получая трехуровневые (с точки зрения количества диэлектрических слоев из полиимида) метаматериальные заготовки (8) на пластинах-носителях (1).

Далее на пластинах-носителях формировали защитный полиимидный слой (3) толщиной не менее 10 нм методом центрифугирования раствора пиромилитового диангидрида и оксидианилина в полярном растворителе с последующей сушкой и имидизацией. После этого методом напыления и фотолитографии формировали первый уровень резонансных структур (4) на основе металлов хром-медь. Затем на резонансных структурах первого уровня (4) еще формировали последовательно чередующиеся между собой 3 слоя диэлектрика - полиимида из раствора пиромилитового диангидрида и оксидианилина в полярном растворителе с последующей сушкой и имидизацией, и три уровня резонансных структур, получая трехуровневые (с точки зрения количества диэлектрических слоев) метаматериальные заготовки (8). После этого их отделяли от пластин-носителей (1) в воде (9-1), высушивали в термошкафу, получая трехуровневый метаматериал (10-1), который отправляли на сборку.

Сборка метаматериала осуществлялась следующим образом.

На радиочастотные диэлектрические пластины (11), например, из полистирола, выполненные методами механической обработки, приклеивали с помощью клея (12) трехуровневые метаматериальные заготовки (10-1), затем последовательно собирали и приклеивали еще два трехуровневых метаматериала (10-1) с радиочастотными диэлектрическими пластинами (11), например, из полистирола, пенопласта. Полученный методами сборки и монтажа метаматериал (14) (вариант №4) монтировали на излучатель и измеряли характеристики антенны.

Таким образом, метаматериалы, изготовленные по вышеописанным методам, имеют качественное, высокоточное исполнение металлических резонансных структур без разрывов и подтравов в связи с отсутствием операции травления «жертвенного» слоя (жидкостного или плазмохимического).

Техническим результатом заявленной группы изобретений является создание воспроизводимых и стабильных процессов изготовления метаматериалов, в том числе многоуровневых.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР на изобретение SU 1556521, «Способ изготовления микросхемы», опубл. 20.07.1996.

2. Международная публикация заявки на изобретение WO 2009/116956, опубл. 24.09.2009, «A Metamaterial and metod for producing the same».

Группа изобретений относится к области микроэлектроники - технологии изготовления слоистых изделий - и может быть использована при создании электродинамических и/или антенных устройств, содержащих в своей структуре слоистый материал со специфическими электрическими свойствами и обеспечивающих искажение рабочего электромагнитного поля. Технический результат - создание воспроизводимых и стабильных процессов изготовления метаматериалов, в том числе многоуровневых, с качественным и высокоточным исполнением металлических резонансных структур без разрывов и подтравов. Для этого в способе отсутствует операция травления «жертвенного» слоя (жидкостного или плазмохимического травления). Способ изготовления метаматериала заключается в формировании на n пластинах-носителях n защитных слоев, на которых формируют, последовательно чередуя между собой, m+1 уровней резонансных структур и m слоев диэлектрика соответственно, отделяют сформированные последовательно чередующиеся между собой уровни резонансных структур и слои диэлектрика с защитными слоями от соответствующих n пластин-носителей; соединяют последовательно методом монтажа с помощью меток совмещения, расположенных в каждом уровне резонансных структур, отделенные сформированные последовательно чередующиеся между собой уровни резонансных структур и слои диэлектрика с защитным слоем через радиочастотные диэлектрические пластины. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления метаматериала, заключающийся в том, что:
- формируют на пластине-носителе защитный слой;
- формируют на защитном слое, последовательно чередуя между собой, m+1 уровней резонансных структур и m слоев диэлектрика соответственно, где m - целое число ≥1;
- отделяют сформированные последовательно чередующиеся между собой уровни резонансных структур и слои диэлектрика с защитным слоем от пластины-носителя.

2. Способ по п.1, в котором отделение сформированных последовательно чередующихся между собой уровней резонансных структур и слоев диэлектрика с защитным слоем от пластины-носителя осуществляют в воде.

3. Способ по п.2, в котором используют предварительно окисленную кремниевую пластину-носитель или пластину-носитель из стекла с гидрофилизированной поверхностью.

4. Способ по п.3, в котором защитный слой и слои диэлектрика формируют из полиимида.

5. Способ по п.4, в котором полиимид формируют из раствора пиромилитового диангидрида и оксидианилина в полярном растворителе нанесением с последующей сушкой и имидизацией.

6. Способ по пп.1-5, в котором толщина защитного слоя составляет не менее 10 нм.

7. Способ изготовления метаматериала, заключающийся в том, что:
- формируют на n пластинах-носителях n защитных слоев, где n - целое число;
- формируют на защитных слоях, последовательно чередуя между собой, m+1 уровней резонансных структур и m слоев диэлектрика соответственно, где m - целое число ≥1;
- отделяют сформированные последовательно чередующиеся между собой уровни резонансных структур и слои диэлектрика с защитными слоями от соответствующих n пластин-носителей;
- соединяют последовательно методом монтажа с помощью меток совмещения, расположенных в каждом уровне резонансных структур, отделенные сформированные последовательно чередующиеся между собой уровни резонансные структур и слои диэлектрика с защитным слоем через радиочастотные диэлектрические пластины.

8. Способ по п.7, в котором отделение сформированных последовательно чередующихся между собой уровней резонансных структур и слоев диэлектрика с защитными слоями от пластин-носителей осуществляют в воде.

9. Способ по п.8, в котором используют предварительно окисленные кремниевые пластины-носители или пластины-носители из стекла с гидрофилизированными поверхносями.

10. Способ по п.9, в котором защитные слои и слои диэлектрика формируют из полиимида.

11. Способ по п.10, в котором полиимид формируют из раствора пиромилитового диангидрида и оксидианилина в полярном растворителе нанесением с последующей сушкой и имидизацией.

12. Способ по п.11, в котором в качестве радиочастотных диэлектрических пластин применяют, например, пенопласт, полистирол, флан.

13. Способ по пп.7-12, в котором толщина защитных слоев составляет не менее 10 нм.