研究人員集成納米級3D打印與先進(jìn)金屬加工技術(shù)，開發(fā)新一代精密射頻設(shè)備

2025年5月13日，南極熊獲悉，來自比爾肯特大學(xué)和南洋理工大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種將納米級3D打印與先進(jìn)金屬加工技術(shù)相結(jié)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，分辨率達(dá) 10 微米以下

相關(guān)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。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41378-025-00888-5

幾十年來，傳統(tǒng)的光刻技術(shù)（例如電子束光刻和納米壓�。┮恢彪y以滿足人們對超精細(xì)、高縱橫比結(jié)構(gòu)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(cè)壁不均勻以及材料限制等問題限制了性能和可擴(kuò)展性。2PP以納米級精度和3D設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。彌合這一差距對于實(shí)現(xiàn)緊湊型高頻設(shè)備至關(guān)重要，這些設(shè)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(jié)合雙光子聚合（2PP）、電鍍和干法蝕刻，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了寬高比為1:4的深溝槽，同時(shí)實(shí)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(shù)不僅提高了射頻元結(jié)構(gòu)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(dá)45%。這項(xiàng)創(chuàng)新為傳感、MEMS和射頻超材料等領(lǐng)域的下一代應(yīng)用鋪平了道路，而這些應(yīng)用的關(guān)鍵在于精度和微型化。

新的光刻方法使用2PP技術(shù)創(chuàng)建復(fù)雜的深溝槽，然后通過電鍍填充銅，并通過干法蝕刻進(jìn)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(shí)現(xiàn)。這一里程碑代表了下一代射頻和超材料元件制造領(lǐng)域的重大進(jìn)步。

這項(xiàng)研究的核心是一套結(jié)合增材制造和減材制造技術(shù)的精密工作流程：首先采用雙平面蝕刻 (2PP) 技術(shù)，在光刻膠層中定義高縱橫比溝槽。然后，通過電鍍技術(shù)，用厚達(dá) 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(cè)壁和卓越尺寸精度的獨(dú)立金屬結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)演示了寬度僅為 2-3 µm、高度超過 10 µm 的微結(jié)構(gòu)。

△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(zhǔn)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(hù)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(jìn)行干蝕刻，以及i熱退火以強(qiáng)化銅結(jié)構(gòu)

△高深寬比設(shè)計(jì)圖案。a三維深度 10–11 µm，寬度 2–3 µm；b側(cè)壁平坦。（比例尺：10 µm）

所成形精密射頻設(shè)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(dá) 200 MHz，從而能夠針對特定的射頻應(yīng)用進(jìn)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(shí)，體積縮小了 45%。

為了確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，研究人員采用快速退火工藝來強(qiáng)化銅鍵，從而解決了熱學(xué)和機(jī)械方面的挑戰(zhàn)。掃描電子顯微鏡 (SEM) 驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的高保真度，從而確認(rèn)了堅(jiān)固性和可制造性。這項(xiàng)技術(shù)克服了平面光刻技術(shù)的局限性，為緊湊、高性能射頻元結(jié)構(gòu)和微型電子器件開辟了新的領(lǐng)域。

研究的資深作者希爾米·沃爾坎·德米爾教授說道：“這項(xiàng)工作彌合了3D打印和功能性射頻設(shè)備之間的關(guān)鍵差距。通過在高縱橫比金屬結(jié)構(gòu)中實(shí)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(shè)計(jì)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(jī)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(lǐng)域，它可以實(shí)現(xiàn)具有卓越靈敏度的微型射頻傳感器。在生物醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，該技術(shù)可用于診斷和治療的可植入或可穿戴微型設(shè)備。與 MEMS 集成后，它可以徹底改變物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的片上天線和信號處理器。與傳統(tǒng)光刻技術(shù)不同，這種方法可擴(kuò)展且經(jīng)濟(jì)高效，有望在工業(yè)部署中得到更廣泛的應(yīng)用。未來的發(fā)展方向包括集成其他功能材料或構(gòu)建多層結(jié)構(gòu)以擴(kuò)展設(shè)備功能。隨著 5G、航空航天和智能可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域?qū)Ω�小、更智能的電子產(chǎn)品的需求激增，這項(xiàng)創(chuàng)新為微納米級射頻工程樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)。