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CN112635948A - 毫米波太赫兹频段极低损耗介质薄膜及表面金属化方法 - Google Patents

毫米波太赫兹频段极低损耗介质薄膜及表面金属化方法 Download PDF

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CN112635948A
CN112635948A CN202011506780.9A CN202011506780A CN112635948A CN 112635948 A CN112635948 A CN 112635948A CN 202011506780 A CN202011506780 A CN 202011506780A CN 112635948 A CN112635948 A CN 112635948A
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cyclic olefin
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olefin copolymer
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CN202011506780.9A
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蔡龙珠
洪伟
蒋之浩
陈晖�
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Nanjing Ruima Millimeter Wave Terahertz Technology Research Institute Co ltd
Southeast University
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Nanjing Ruima Millimeter Wave Terahertz Technology Research Institute Co ltd
Southeast University
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Abstract

本发明公开了一种毫米波太赫兹频段极低损耗介质薄膜及表面金属化方法。该介质薄膜以柔性环烯烃共聚物薄膜(1)为基底，在柔性环烯烃共聚物薄膜(1)的下面设置作为支撑层的硅片(2)，在柔性环烯烃共聚物薄膜(1)的上面设置金属层(3)，所述柔性环烯烃共聚物薄膜(1)属于环烯烃共聚物，在毫米波太赫兹频段具有极低的介质损耗，在该介质薄膜表面形成稳定可靠的金属化太赫兹电路结构，实现基于环烯烃共聚物介质薄膜的毫米波太赫兹电路。实现基于环烯烃共聚物新型介质薄膜的毫米波太赫兹电路，对该新型介质薄膜在毫米波太赫兹的应用具有重要的意义。

Description

毫米波太赫兹频段极低损耗介质薄膜及表面金属化方法
技术领域
本发明涉及一种新型介质薄膜的表面金属化方法，特别是涉及一种在毫米波太赫兹 频段具有极低损耗新型介质薄膜的表面金属化方法。
背景技术
太赫兹源和太赫兹探测技术领域的发展，使得社会上对成像和传感应用中的太赫兹 探测设备的需求日益增长。众所周知，太赫兹器件的性能与所使用的介质基片特性密切相关。然而，研究表明，氧气、水和其他气体对太赫兹信号有很强的衰减作用，这导致 介质基片在太赫兹频段下的介电损耗因子增加。太赫兹频段下介质损耗过大被认为是太 赫兹技术发展的挑战之一。
因此现在有大量的研究试图将各种介质基片应用于太赫兹领域的器件设计，包括硅、 二氧化硅、光刻胶(SU-8)，聚二甲硅氧烷(PDMS),苯并环丁烯(BCB),聚酯合成纤维(PET)， 石英，及其他柔性编织物等。为了在这些基片上实现电路，则需要用到金属，在这些介 质基片上实现金属化。由于介质的耐温强度、化学特性等性质不同，在基片上如何实现金属化也会有所区别。以Al2O3陶瓷基板为例，常用的表面金属化方法有薄膜法、厚膜 法以及直接覆铜法，这三种方法在实现原理和流程上的不同，都有各自的优点和局限性。 对于薄膜法，其缺点在于金属层和基板之间的结合力不稳定，可能需要一层过渡层(如 Ti)，用以增强金属与陶瓷的结合力。在完成图形转移后还需要对过渡层进行蚀刻，增 加了工艺复杂难度，且该方法需要真空条件，生产效率也较低。在厚膜法中，应用最广 泛的是丝网印刷技术，其工艺简单，但由于所用导电浆料和丝网尺寸的限制，所能实现 的金属化导线最小宽度较大(50微米左右)。同时，由于浆料中掺有玻璃粘结剂和有机 溶剂，所制作的导电线路的导电性能较差。直接覆铜法是一种主要由Al2O3陶瓷基板发 展起来的表面金属化技术。由于所用铜箔厚度较大，通常在0.1mm以上，因此在后续 化学蚀刻时不容易得到高精度的电路导线。同时，在高温反应界面的氧元素难以控制， 铜箔与陶瓷之间可能出现气孔，导致器件性能不稳定。
目前有一种新型介质薄膜基片，环烯烃共聚物(COC)，经研究测试发现该薄膜基片在毫米波太赫兹频段具有极低的介质损耗。环烯烃共聚物薄膜基片优越的材料特性使得其在毫米波太赫兹领域具有非常大的应用潜力。因为环烯烃共聚物的特殊性质，目前 主要应用于包装、光学薄膜、医疗器械及透镜等领域。若将其应用范围扩展至毫米波太 赫兹领域，尝试制备基于环烯烃共聚物介质薄膜的毫米波太赫兹电路，则需要根据环烯 烃共聚物介质薄膜的性质，优化和研究适用于该新型介质薄膜表面金属化的方法，能够 在其表面形成稳定可靠的金属化电路结构，这对该新型介质薄膜在毫米波太赫兹的应用 具有重要的意义。
发明内容
技术问题：本发明针对现有技术中的缺陷和空白，提出一种毫米波太赫兹频段极低 损耗介质薄膜及表面金属化方法，并基于新型介质薄膜特性，研究和优化能够实现其表面金属化的方法，最终形成稳定可靠的金属化电路结构。
技术方案：为达到此目的，本发明的一种毫米波太赫兹频段极低损耗介质薄膜采用 以下技术方案：
该介质薄膜以柔性环烯烃共聚物薄膜为基底，在柔性环烯烃共聚物薄膜的下面设置 作为支撑层的硅片，在柔性环烯烃共聚物薄膜的上面设置金属层，所述柔性环烯烃共聚物薄膜属于环烯烃共聚物，在毫米波太赫兹频段具有极低的介质损耗，在该介质薄膜表 面形成稳定可靠的金属化太赫兹电路结构，实现基于环烯烃共聚物介质薄膜的毫米波太 赫兹电路。
所述的柔性环烯烃共聚物薄膜为一类由降冰片烯和乙烯两种单体组成的环烯烃共聚 物，两者不同的比重参杂所形成的环烯烃共聚物种类不同，从而特性有所差异，但在毫 米波太赫兹频段均具有较小的介质损耗。
所述金属层和柔性环烯烃共聚物薄膜之间的表面结合力相关，当结合力不足以支撑 所需要的金属厚度及尺寸精度时，则需要沉积一层钛/铬/铂等金属作为粘结过渡层，用以增强金属与该介质薄膜的结合力。
所述的金属化太赫兹电路结构，由200ⅹ200的相同单元结构组成，该单元结构是一种环绕正方形贴片的金属线圈，且在金属正方形贴片内部挖出一个十字形谐振腔。
所述的单元电路尺寸为120微米，凹槽缝隙间隔为8微米，通过所述金属化方法实现一致的金属化效果。
本发明的毫米波太赫兹频段极低损耗介质薄膜的表面金属化方法包括以下步骤：
S1.将100微米厚的柔性环烯烃共聚物薄膜固定在作为支撑层的硅片上；
S2.采用磁控溅射法在环烯烃共聚物薄膜表面直接沉积一层200纳米厚的金属层(3) 薄膜；
S3.用旋涂机在金属层薄膜上旋涂正性光刻胶；
S4.在软烘烤过程之后，将步骤S3中样品放入光刻机器中，然后将紫外线照射在一个镂空结构掩模板上，用于雕刻所需的金属图案，该掩模板与下面的硅片对齐，紫外 线辐射区域的化学性质会逐渐发生变化，在下一步可以被显影剂洗去；
S5.样品在烘烤后浸入显影剂溶液中显影，紫外线辐射区域的正性光刻胶溶解，而未被紫外线照射的光刻胶区域保持不变；
S6.然后将样品浸入蚀刻剂中，去除暴露在外部即未被光刻胶覆盖的金属层薄膜，而在光刻胶下方的金属层薄膜不会受到影响；
S7.将样品依次放入丙酮和异丙醇的超声波机中清洗，去除剩余的光刻胶；
S8.通过将带有金属电路结构的薄膜样品支撑层的硅片上剥离，从而成功地实现了 薄膜样品的第一面电路结构；
S9.若需要实现介质薄膜另一面的电路金属化，通过重复前面的步骤实现。
有益效果：本发明公开了一种介质薄膜的表面金属化方法，特别是涉及一种在毫米 波太赫兹频段具有极低损耗介质薄膜的表面金属化方法，与现有技术相比，具有如下的有益效果：
1)本发明提出一种新型介质薄膜的表面金属化方法，该新型介质薄膜在毫米波太赫兹频段具有极低损耗，在其表面形成稳定可靠的电路结构，对扩大其应用范围具有重 要意义；
2)本发明提出的新型介质薄膜表面金属化方法，具备一般性，从介质薄膜的化学特性(种类、耐化学性、耐温特性、玻璃化转变温度等)，物理特性(薄膜厚度、柔韧 性、表面粗糙度等)，目标电路结构特性(金属种类、金属厚度、电路尺寸精度等)的 思路入手，进行个性化设置和分析，可以实现表面电路金属化；
3)本发明提出的新型介质薄膜的表面金属化方法，操作简单，成本低，方便集成，所形成的毫米波太赫兹电路具有很低的损耗。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中新型介质薄膜表面金属化的流程图，从步骤(1)-步骤(9)；
图2为本发明实施一中所实现的基于新型环烯烃共聚物薄膜的柔性太赫兹器件实物 图；
图3为本发明实施一中表面金属化形成的稳定太赫兹电路的光学显微镜图；
图4为本发明实施二中表面金属化形成的易脱落太赫兹电路的光学显微镜图；
图中有：柔性环烯烃共聚物薄膜1，作为支撑层的硅片2，金属层3，正性光刻胶4，镂空结构掩模板5，紫外线辐射区域6。
具体实施方式
本发明所述的一种毫米波太赫兹极低损耗介质薄膜的表面金属化方法，具备一般性， 从介质薄膜的化学特性(种类、耐化学性、耐温特性、玻璃化转变温度等)，物理特性(薄膜厚度、柔韧性、表面粗糙度等)，目标电路结构特性(金属种类、金属厚度、电 路尺寸精度等)的思路入手，进行个性化设置和分析，可以实现稳定可靠的金属化电路 结构；
所述的毫米波太赫兹极低损耗介质薄膜为一类由降冰片烯和乙烯两种单体组成的 环烯烃共聚物，两者不同的比重参杂所形成的环烯烃共聚物种类不同，从而特性有所差异，但在毫米波太赫兹频段均具有较小的介质损耗。
对于不同种类的环烯烃共聚物介质薄膜，其耐化学性，耐温情况，玻璃化转变温度不同，所用的金属化方法个性化设置也不同。
所述介质薄膜的耐化学性，耐温情况，玻璃化转变温度与后面金属化方法的选择和 个性化设置息息相关，使在微加工过程中所用的酸碱强弱，烘烤温度高低的选择上符合介质薄膜特性。
所述介质薄膜的厚度、柔韧度和表面粗糙度，与微加工过程中多次酸碱及丙酮和酒 精浸泡、光刻胶去除、样品剥离等相关，在薄膜厚度很薄、柔韧度很好、表面粗糙不平时，多次操作和返工会使介质薄膜弯曲，导致金属图案出现混乱和脱落。
所述介质薄膜金属化过程中所需金属种类、厚度及尺寸精度，与金属和环烯烃共聚 物介质薄膜之间的表面结合力相关，当结合力不足以支撑所需要的金属厚度及尺寸精度 时，则需要沉积一层钛/铬/铂等金属作为粘结过渡层，用以增强金属与该介质薄膜的结合力。
对金属化方法进行选择和个性化设置，形成稳定可靠的金属化电路结构。
该毫米波太赫兹频段极低损耗介质薄膜以柔性环烯烃共聚物薄膜1为基底，在柔性 环烯烃共聚物薄膜1的下面设置作为支撑层的硅片2，在柔性环烯烃共聚物薄膜1的上面设置金属层3，所述柔性环烯烃共聚物薄膜1属于环烯烃共聚物，在毫米波太赫兹频 段具有极低的介质损耗，在该介质薄膜表面形成稳定可靠的金属化太赫兹电路结构，实 现基于环烯烃共聚物介质薄膜的毫米波太赫兹电路。
或所述的柔性环烯烃共聚物薄膜1为一类由降冰片烯和乙烯两种单体组成的环烯烃 共聚物，两者不同的比重参杂所形成的环烯烃共聚物种类不同，从而特性有所差异，但在毫米波太赫兹频段均具有较小的介质损耗。
所述金属层3和柔性环烯烃共聚物薄膜1之间的表面结合力相关，当结合力不足以支撑所需要的金属厚度及尺寸精度时，则需要沉积一层钛/铬/铂等金属作为 粘结过渡层，用以增强金属与该介质薄膜的结合力。
所述的金属化太赫兹电路结构，由200ⅹ200的相同单元结构组成，该单元结构是一种环绕正方形贴片的金属线圈，且在金属正方形贴片内部挖出一个十字形谐振腔。
所述的单元电路尺寸为120微米，凹槽缝隙间隔为8微米，通过所述金属化方法实现一致的金属化效果。
形成稳定可靠的金属化电路结构一般需要如下几个步骤，如附图1新型介质薄膜表 面金属化的流程图所示：
(1)柔性环烯烃共聚物薄膜1固定在作为支撑层的硅片2。
(2)用磁控溅射法在柔性环烯烃共聚物薄膜1上沉积了一定厚度的金属层3。(3)
将正性光刻胶4旋涂于金属层3上。
(4)通过曝光操作将紫外光照射在正性光刻胶4上，正性光刻胶4上方有一个具 有镂空结构掩模板5，其中正性光刻胶4表面的紫外线辐射区域6表示被紫外光直 接照射从而化学性质发生变化的区域。
(5)将样品浸入显影剂溶液中进行显影，正性光刻胶4中的紫外线辐射区域6被 溶解。
(6)用蚀刻剂去除未被正性光刻胶4覆盖的导电层。
(7)清除剩余的正性光刻胶4。
(8)从作为支撑层的硅片2上剥离出带有金属电路结构的薄膜样品。
(9)重复步骤(1)-(8)可以获得柔性环烯烃共聚物薄膜1另一面的金属电 路图案。
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。通过结合本发明实施 例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领 域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明 保护的范围。
实施例一：新型介质薄膜表面金属化形成稳定太赫兹电路。
参见图1，是本发明新型介质薄膜表面金属化的流程图，该制备方法包括：
S1.将100微米厚的柔性环烯烃共聚物薄膜1固定在作为支撑层的硅片2上。
S2.采用磁控溅射法在柔性环烯烃共聚物薄膜1表面直接沉积一层200纳米厚的金属金薄膜。
S3.用旋涂机在金薄膜层上旋涂正性光刻胶4。
S4.在软烘烤过程之后，将步骤S3中样品放入光刻机器中，然后将紫外线照射在一个特别设计的镂空结构掩模板5(用于雕刻所需的金属图案)上，该掩模板与下面的 硅片对齐。紫外辐射区域6的化学性质会逐渐发生变化，在下一步可以被显影剂洗去。
S5.样品在烘烤后浸入显影剂溶液中显影，紫外线辐射区域6的正性光刻胶溶解，而未被紫外线照射的光刻胶区域保持不变。
S6.然后将样品浸入蚀刻剂中，去除暴露在外部(未被光刻胶覆盖)的金薄膜层，而在光刻胶下方的金薄膜不会受到影响。
S7.将样品依次放入丙酮和异丙醇的超声波机中清洗，去除剩余的光刻胶。
S8.通过将带有金属电路结构的新型薄膜样品从作为支撑层的硅片2上剥离，从而成功地实现了薄膜样品的第一面电路结。
S9.若需要实现新型介质薄膜另一面的电路金属化，可以通过重复前面的步骤实现。
进一步地，所实现的基于新型环烯烃共聚物薄膜的柔性太赫兹器件实物如图2所示， 该单元结构是一种环绕正方形贴片的金属线圈，且在金属正方形贴片内部挖出一个十字 形谐振腔。
进一步地，所实现的基于新型环烯烃共聚物薄膜的柔性太赫兹器件，通过表面金属 化形成的稳定太赫兹电路的光学显微镜图如图3所示，单元电路尺寸为120微米，凹槽缝隙间隔为8微米，具有非常一致的金属化效果。
实施例二：新型介质薄膜表面金属化形成的易脱落太赫兹电路。
为了进一步说明新型环烯烃共聚物薄膜表面金属化方法，可以从介质薄膜的化学特 性(种类、耐化学性、耐温特性、玻璃化转变温度等)，物理特性(薄膜厚度、柔韧性、 表面粗糙度等)，目标电路结构特性(金属种类、金属厚度、电路尺寸精度等)的思路 入手，进行个性化设置和分析，可以实现表面电路金属化。该实例提供一个由其中一项 变量引起的表面金属化不成功的案例。
参见图1，是新型介质薄膜表面金属化的流程图，除了更新其中的步骤S2外，进 行实施例一中的制备步骤S1和S3-S9。
更新的步骤S2为：采用磁控溅射法在柔性环烯烃共聚物薄膜1表面直接沉积一层300纳米厚的金属金薄膜。
进一步地，所实现的基于新型环烯烃共聚物薄膜的柔性太赫兹器件，通过光学显微 镜所观测到的金属化图案如图4所示，这显示了一个易脱落的太赫兹电路图。这表明了在新型环烯烃共聚物薄膜上直接沉积300纳米厚的金属金薄膜，容易出现金属电路脱落 的情况。这说明了目标电路结构特性中的金属厚度是实现稳定可靠表面金属化电路的变 量之一。在薄膜化学特性、物理特性以及目标电路结构特性的其他变量脱离合适范围时， 也容易实现不成功的表面金属化电路结构。在具体的实施过程中，根据需求和环烯烃共 聚物特性选择合适的实施例及参数。
在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，通过成功和失败的具体个例对本 发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法 及其核心思想；同时，本领域技术人员在阅读本专利申请后，根据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种毫米波太赫兹频段极低损耗介质薄膜，其特征在于，该介质薄膜以柔性环烯烃共聚物薄膜(1)为基底，在柔性环烯烃共聚物薄膜(1)的下面设置作为支撑层的硅片(2)，在柔性环烯烃共聚物薄膜(1)的上面设置金属层(3)，所述柔性环烯烃共聚物薄膜(1)属于环烯烃共聚物，在毫米波太赫兹频段具有极低的介质损耗，在该介质薄膜表面形成稳定可靠的金属化太赫兹电路结构，实现基于环烯烃共聚物介质薄膜的毫米波太赫兹电路。
2.根据权利要求1所述的毫米波太赫兹频段极低损耗介质薄膜，其特征在于，所述的柔性环烯烃共聚物薄膜(1)为一类由降冰片烯和乙烯两种单体组成的环烯烃共聚物，两者不同的比重参杂所形成的环烯烃共聚物种类不同，从而特性有所差异，但在毫米波太赫兹频段均具有较小的介质损耗。
3.根据权利要求1所述的毫米波太赫兹频段极低损耗介质薄膜，其特征在于，所述金属层(3)和柔性环烯烃共聚物薄膜(1)之间的表面结合力相关，当结合力不足以支撑所需要的金属厚度及尺寸精度时，则需要沉积一层钛/铬/铂等金属作为粘结过渡层，用以增强金属与该介质薄膜的结合力。
4.根据权利要求1所述的毫米波太赫兹频段极低损耗介质薄膜，其特征在于，所述的金属化太赫兹电路结构，由200ⅹ200的相同单元结构组成，该单元结构是一种环绕正方形贴片的金属线圈，且在金属正方形贴片内部挖出一个十字形谐振腔。
5.根据权利要求4所述的毫米波太赫兹频段极低损耗介质薄膜，其特征在于，所述的单元电路尺寸为120微米，凹槽缝隙间隔为8微米，通过所述金属化方法实现一致的金属化效果。
6.一种如权利要求1所述的毫米波太赫兹频段极低损耗介质薄膜的表面金属化方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1.将100微米厚的柔性环烯烃共聚物薄膜(1)固定在作为支撑层的硅片(2)上；
S2.采用磁控溅射法在环烯烃共聚物薄膜(1)表面直接沉积一层200纳米厚的金属层(3)薄膜；
S3.用旋涂机在金属层(3)薄膜上旋涂正性光刻胶(4)；
S4.在软烘烤过程之后，将步骤S3中样品放入光刻机器中，然后将紫外线照射在一个镂空结构掩模板(5)上，用于雕刻所需的金属图案，该掩模板与下面的硅片对齐，紫外线辐射区域(6)的化学性质会逐渐发生变化，在下一步可以被显影剂洗去；
S5.样品在烘烤后浸入显影剂溶液中显影，紫外线辐射区域(6)的正性光刻胶溶解，而未被紫外线照射的光刻胶区域保持不变；
S6.然后将样品浸入蚀刻剂中，去除暴露在外部即未被光刻胶覆盖的金属层(3)薄膜，而在光刻胶下方的金属层(3)薄膜不会受到影响；
S7.将样品依次放入丙酮和异丙醇的超声波机中清洗，去除剩余的光刻胶；
S8.通过将带有金属电路结构的薄膜样品支撑层的硅片(2)上剥离，从而成功地实现了薄膜样品的第一面电路结构；
S9.若需要实现介质薄膜另一面的电路金属化，通过重复前面的步骤实现。
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