研究人員集成納米級3D打印與先進金屬加工技術，開發(fā)新一代精密射頻設備
時間：2025-05-14 09:27 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年5月13日，來自比爾肯特大學和南洋理工大學的研究人員開發(fā)了一種將納米級3D打印與先進金屬加工技術相結合的新型制造工藝，可以制造分辨率低于10微米的高縱橫比三維微結構，從而解決了射頻（RF）器件工程中最持久的挑戰(zhàn)之一。
具有深溝槽的微三維雕刻超結構，分辨率達 10 微米以下
相關研究以題為“Micro-3D sculpturedmetastructures with deep trenches for sub-10 μm resolution”的論文發(fā)表在《微系統(tǒng)與納米工程》期刊上。
幾十年來，傳統(tǒng)的光刻技術（例如電子束光刻和納米壓印）一直難以滿足人們對超精細、高縱橫比結構的需求。金屬基射頻元件也面臨著同樣的挑戰(zhàn)。諸如厚度控制不佳、側壁不均勻以及材料限制等問題限制了性能和可擴展性。2PP以納米級精度和3D設計能力而聞名，已成為一種頗具前景的替代方案。然而，由于工藝不兼容，將2PP與可靠的金屬化工藝集成用于功能性射頻元件仍然難以實現(xiàn)。彌合這一差距對于實現(xiàn)緊湊型高頻設備至關重要，這些設備能夠滿足無線通信、材料傳感和芯片級集成不斷發(fā)展的需求。
在本研究中，研究人員通過結合雙光子聚合（2PP）、電鍍和干法蝕刻，研究團隊實現(xiàn)了寬高比為1:4的深溝槽，同時實現(xiàn)了對諧振特性的精確控制，并顯著提高了性能。這種混合制造技術不僅提高了射頻元結構的品質(zhì)因數(shù)（Q值）和頻率可調(diào)性，還將器件尺寸減少了高達45%。這項創(chuàng)新為傳感、MEMS和射頻超材料等領域的下一代應用鋪平了道路，而這些應用的關鍵在于精度和微型化。
新的光刻方法使用2PP技術創(chuàng)建復雜的深溝槽，然后通過電鍍填充銅，并通過干法蝕刻進行精制。最終成果是：超緊湊的射頻諧振器，可調(diào)頻率在4至6 GHz之間，縱橫比為1:4，并具有卓越的Q值——所有這些都在低于10微米的分辨率框架內(nèi)實現(xiàn)。這一里程碑代表了下一代射頻和超材料元件制造領域的重大進步。
這項研究的核心是一套結合增材制造和減材制造技術的精密工作流程：首先采用雙平面蝕刻 (2PP) 技術，在光刻膠層中定義高縱橫比溝槽。然后，通過電鍍技術，用厚達 8 µm 的銅填充這些空隙。隨后，干法蝕刻去除種子層，形成具有平坦垂直側壁和卓越尺寸精度的獨立金屬結構。研究團隊演示了寬度僅為 2-3 µm、高度超過 10 µm 的微結構。
△工藝流程包括以下步驟：a在 ITO 涂層玻璃上旋涂AZ-4562 正性光刻膠，b將準備好的基板放置在 3D 打印系統(tǒng)的樣品架上并曝光以獲得所需的圖案，c顯影光刻膠的暴露部分，d沿著給定圖案的線在 ITO 種子層上沉積厚膜金屬銅，e旋涂保護層，f用切割鋸將基板切成小塊，g去除光刻膠，h用 ICP 對 ITO 種子層進行干蝕刻，以及i熱退火以強化銅結構
△高深寬比設計圖案。a三維深度 10–11 µm，寬度 2–3 µm；b側壁平坦。（比例尺：10 µm）
所成形精密射頻設備的性能方面同樣表現(xiàn)優(yōu)異。通過調(diào)整幾何形狀（尤其是增加金屬厚度），Q 值提高了 6 到 7 倍，諧振頻率偏移高達 200 MHz，從而能夠針對特定的射頻應用進行精確定制。與傳統(tǒng)的 PCB 制造諧振器相比，3D 打印版本在保持性能的同時，體積縮小了 45%。
為了確保結構穩(wěn)定性，研究人員采用快速退火工藝來強化銅鍵，從而解決了熱學和機械方面的挑戰(zhàn)。掃描電子顯微鏡 (SEM) 驗證了結構的高保真度，從而確認了堅固性和可制造性。這項技術克服了平面光刻技術的局限性，為緊湊、高性能射頻元結構和微型電子器件開辟了新的領域。
研究的資深作者希爾米·沃爾坎·德米爾教授說道：“這項工作彌合了3D打印和功能性射頻設備之間的關鍵差距。通過在高縱橫比金屬結構中實現(xiàn)亞10微米分辨率，我們?yōu)槲⑿透咝阅芙M件開啟了新的設計自由。通過幾何控制來調(diào)整諧振頻率和Q因子的能力，為下一代傳感器和通信系統(tǒng)帶來了激動人心的機遇。”
這一制造突破有望重塑需要超緊湊、高精度組件的行業(yè)。在無線傳感領域，它可以實現(xiàn)具有卓越靈敏度的微型射頻傳感器。在生物醫(yī)學技術領域，該技術可用于診斷和治療的可植入或可穿戴微型設備。與 MEMS 集成后，它可以徹底改變物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的片上天線和信號處理器。與傳統(tǒng)光刻技術不同，這種方法可擴展且經(jīng)濟高效，有望在工業(yè)部署中得到更廣泛的應用。未來的發(fā)展方向包括集成其他功能材料或構建多層結構以擴展設備功能。隨著 5G、航空航天和智能可穿戴設備等領域對更小、更智能的電子產(chǎn)品的需求激增，這項創(chuàng)新為微納米級射頻工程樹立了新的標準。
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