МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СЕТОЧНАЯ СТРУКТУРА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
METAL MESH STRUCTURE AND METHOD OF MAKING SAID STRUCTURE

Изобретение относится к конструкции и способу изготовления используемых для фильтрации электромагнитного излучения перфорированных (со сквозными отверстиями) металлических сеточных структур (МСС). Способ включает в себя применение одного из видов резистивной литографии (фото-, электроно-, рентгено-, ионо-) с целью создания на рабочей поверхности электропроводящей (или имеющей верхний электропроводящий слой) подложки резистивной маски и изготовление электрохимическим осаждением через нее металлической сетки, которая, будучи «освобожденной» от исходной подложки и остатков резиста и расположенной на пути следования электромагнитного излучения, осуществляет его фильтрацию (частотную и пространственную селекцию).
В качестве аналога выбраны конструкция и способ [описанные в работе Reinhard Ulrich -Interference Filters for the Far Infrared //Applied Optics, October 1968, Vol.7, №10, pp.1987-1996], где конструкция МСС представляет собой тонкопленочную медную структуру толщиной ~1 мкм, сформированную с использованием фотолитографии на поверхности поддерживающей политилен-терефталатной пленки (PTER film) толщиной ~2,5 мкм.
Устройство, выбранное в качестве аналога, характеризуется следующими недостатками: сравнительно низкими механо- и теплопрочностными характеристиками, а также дополнительными (непроизводительными) потерями фильтруемого электромагнитного излучения в поддерживающей полимерной пленке.
В качестве прототипа выбраны конструкция и способ [описанные в работе Кузнецов С.А., Гольденберг Б.Г., Калинин П.В., Елисеев B.C., Петрова Е.В. Разработка медных сеточных структур для частотной и пространственной селекции ТГц-излучения новосибирского лазера на свободных электронах // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2009, №9, с.38-49], где конструкция МСС представляет собой свободновисящую пленочную медную структуру толщиной ~80 мкм, сформированную с использованием глубокой рентгенолитографии на поверхности проводящей стеклоуглеродной подложки с использованием разделительного слоя из рения толщиной ~1 мкм.
Способ изготовления МСС-прототипа содержит следующие этапы:
- подготовка поверхности исходной электропроводящей подложки - стеклоуглеродной пластинки (планаризация и снижение шероховатости ее рабочей поверхности);
- формирование на ее рабочей поверхности резистивной маски (с применением синхротронной рентгенолитографии);
- электрохимическое осаждение на рабочую поверхность подложки через резистивную маску металлического разделительного (рениевого) слоя толщиной ~1 мкм;
- электрохимическое осаждение на рабочую поверхность подложки через резистивную маску металлической (медной) пленки толщиной ~10÷400 мкм;
- удаление резистивной маски (удаление с рабочей поверхности остатков резиста, контроль геометрических размеров и качества осажденной сетки);
- отслоение сетки от исходной подложки и фиксация сетки на несущей рамке.
Недостатком прототипа - свободновисящей перфорированной МСС - является отсутствие опорного кольца, вследствие чего имеющиеся в тонкой металлической пленке внутренние напряжения приводят к ее плоскостным деформациям (к изгибам рабочей поверхности), влекущим ухудшение работы МСС. Отсутствие опорного кольца, сформированного в процессе изготовления МСС, затрудняет проведение операций по ее фиксации и может привести к ее разрушению (особенно в тех случаях, когда производится крепление тонкопленочной (несколько микрометров толщиной) сеточной структуры). Кроме того, отсутствие у прототипа массивного опорного кольца, имеющего надежный тепловой контакт с металлической пленкой, заметно ухудшает теплосъем с рабочей зоны МСС. Приклейка тонкопленочной МСС к опорному кольцу не может полностью решить все вышеуказанные проблемы как из-за неравномерной усадки клея при его полимеризации (или высыхании), так и по причине его, как правило, более низкой по сравнению с металлом теплопроводности.
Предлагаемая конструкция самоподдерживающейся перфорированной МСС, представляющей собой тонкую перфорированную металлическую пленку, гальванически выращенную поверх массивного опорного кольца и своими краями крепящуюся к нему, свободна от недостатков, свойственных прототипу.
С целью улучшения рабочих характеристик перфорированных МСС путем минимизации их плоскостных деформаций, улучшения теплосъема с рабочей зоны, а также с целью упрощения работы с ними, предлагается изготавливать их самоподдерживающимися, т.е. имеющими опорные кольца, способом, содержащим следующие технологические операции:
1) изготовление комбинированной подложки, включающей в свой состав две детали: опорное кольцо и запрессованный в него диск, выполненные из различных металлов (позволяющих производить селективное травление диска), их рабочие поверхности «выведены» процессом шлифовки в одну плоскость;
2) формирование на рабочей поверхности комбинированной подложки резистивной маски (нанесение резиста, его экспонирование и травление в растворителе);
3) электрохимическое осаждение на рабочую поверхность подложки через резистивную маску металлической (например, медной) пленки толщиной ~2÷400 мкм;
4) удаление центрального диска и резистивной маски.
Прохождение исходной подложки по предлагаемому маршруту схематично иллюстрируется чертежами, представленными фиг.1 (подложка после первых трех операций) и фиг.2 (окончательный вид сеточной структуры). В обеспечение наглядности пропорции размеров основных элементов МСС не соблюдены.
На фиг.1, где схематично изображена подложка после первых трех операций, где в опорное кольцо 1 запрессован диск 2, на их общую рабочую поверхность напылен очень тонкий (~1 мкм) слой металла 3, поверх него сформирована резистивная маска 4, через которую произведено осаждение металлической сеточной структуры 5.
Окончательный вид предлагаемой самоподдерживающейся перфорированной сеточной структуры представлен на фиг.2, где к массивному опорному кольцу 1 своими краями крепится гальванически осажденная перфорированная МСС 5.
Предлагаемые конструкция и способ изготовления самоподдерживающейся перфорированной МСС с применением составной подложки, исходно содержащей опорное металлическое кольцо, достаточно просты и легкореализуемы. В случае необходимости блокирования химического взаимодействия материалов диска или кольца с электролитом на рабочую поверхность комбинированной подложки напыляют тонкий слой металла, например, того, электрохимическое осаждение которого производится на следующей стадии.
При этом конструкция фильтра характеризуется хорошим механическим и тепловым контактом сетки с опорным кольцом, вследствие чего значительно упрощается работа (выполнение механических операций) с фильтром, возрастает его прочность и способность отводить тепло от рабочей зоны (что особенно важно при работе фильтра в вакууме). Кроме того, в предлагаемом способе изготовления не предполагается никаких механических воздействий на уже сформированную сеточную структуру, что приводит к увеличению процента выхода годных МСС, поскольку сводит к минимуму как их нежелательные деформации, так и их потери (порывы при проведении операции отслоения, что особенно актуально при изготовлении тонкопленочных МСС).
Пример конкретного исполнения. Для реализации предлагаемых конструкции МСС и способа ее изготовления было выточено латунное (материал ЛС-59) кольцо (размерами: толщина 6 мм, внешний диаметр 40 мм, внутренний диаметр 24 мм), в которое был запрессован дюралевый (материал Д-16) диск (размерами: толщина 6 мм, внешний диаметр 24 мм). Выбор данных материалов обусловлен, во-первых, наличием для них селективного химического травителя, а именно щелочи - гидроксида натрия (NaOH); во-вторых, способностью алюминиевого сплава «затягивать» в процессе шлифовки границу (стык) между деталями.
На следующем этапе производится планеризация исходной комбинированной подложки методом шлифовки (рабочие поверхности кольца и диска «выводятся» в одну плоскость). Затем на рабочей поверхности комбинированной подложки формируются тонкий (защитный при проведении гальваники) слой меди (толщиной ~1 мкм, производится методом магнетронного напыления) и поверх него резистивная маска (нанесение резиста SU-8 (толщиной ~30-80 мкм), его экспонирование синхротронным излучением через рентгеношаблон, с последующим травлением в растворителе). «Выращивание» сеточной структуры производилось электрохимическим осаждением меди на рабочую поверхность подложки через резистивную маску. Были выращены МСС толщиной ~20 мкм и ~70 мкм, которые имели прочное сцепление с краями опорного латунного кольца. На последних стадиях методом химического травления в щелочи (5% водный раствор гидроксида натрия при температуре Т≈50°С) удалялся центральный диск (более чем на 90% состоящий из алюминия), а затем резист SU-8 (по технологии, рекомендуемой фирмой-производителем). В результате были получены самоподдерживающиеся перфорированные МСС с рабочим полем 24 мм и толщинами медных пленок ~20 мкм и ~70 мкм.