СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Литературный обзор
1.1. Методы формирования металлического покрытия на полимерной подложке
1.2. Особенности деформации полимерной подложки с тонким твердым покрытием
1.3. Оптические характеристики анизотропных материалов с поверхностным микрорельефом
1.4. Применение подложек с поверхностным микрорельефом в оптоэлектронике и устройствах отображения информации
1.5. Применение полимерных подложек с тонким металлическим покрытием в СВЧ технике
Глава 2. Одномерное деформирование полимерных подложек с тонким твердым покрытием с целью получения периодического поверхностного микрорельефа
2.1. Обработка подложек и методика эксперимента
2.2. Анализ влияния режимов деформирования полимерных подложек с тонким твердым покрытием на параметры микрорельефа
Глава 3. Физические свойства полимерных подложек с периодическим поверхностным микрорельефом
3.1. Оптические характеристики и методы их измерения
3.2. Ориентация жидких кристаллов на подложке с микрорельефом и методы ее измерения
Глава 4. Расчет оптических характеристик подложек из анизотропных материалов с поверхностным микрорельефом
4.1. Описание прохождения поляризованного света через дифракционную решетку, состоящую из множества оптически анизотропных слоев (метод ОАРПМ - оптически анизотропные решетки с поверхностным микрорельефом)
4.2. Сравнение расчетов методом ОАРПМ с результатами прямого интегрирования уравнений Максвелла
4
8
8
9
10
17
35
41
41
44
62
62
64
68
68
72
2
4.3. Расчет дифракционной эффективности различных оптически анизотропных решеток с поверхностным микрорельефом для различных применений 83
Глава 5. СВЧ и электронные элементы на основе полимерных и керамических подложек с тонким металлическим покрытием 96
5.1. Общие принципы подхода к конструированию и технологии СВЧ и электронных элементов на полимерных и керамических подложках 96
5.2. Разработка конструкции и технологии микрополоскового преселектора
на подложке из поликора . 98
5.3. Разработка конструкции и технологии усилителя СВЧ на подложках из поликора 107
5.4. Разработка и изготовление платы фильтра Кауэра на керамической подложке 113
5.5. Технология изготовления микросборок на полиимидной пленке 116
Выводы 129
Литература 130
Заключение 140
з
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. В настоящее время недостаточно изучены свойства различных композитных материалов, в том числе и многослойных, состоящих из веществ с существенно различающимися свойствами. В первую очередь, это система полимер-металл, являющаяся частным случаем более общей системы твердое покрытие на податливом основании. Вследствие большой разности модулей упругости слоев деформация этой системы отличается от деформации обычных анизодиаметрических тел. В таких системах наблюдается возникновение периодического микрорельефа, что делает их привлекательным для применения в оптических приборах в качестве дифракционных оптических элементов (ДОЭ) различного назначения. Кроме того, полимерные подложки обладают меньшим весом и хрупкостью по сравнению со стеклянными или металлическими, что находит применение в оптических и СВЧ системах. Для поиска возможных применений указанных многослойных систем необходимо исследование их деформации при различных условиях, их оптических свойств, взаимодействия с другими материалами. Другим важным классом современных композитных материалов являются керамики, для которых важно влияние электрофизических и механических свойств, поверхностного взаимодействия на характеристики пленочных СВЧ и электронных элементов.
Фундаментальные исследования свойств систем на основе полимеров и керамик, удовлетворяющих требованиям малой плотности, прочности и простоты изготовления, могут применяться для разработки новых конструкционных элементов, жестких и гибких подложек для металлических покрытий, различных оптических деталей. Это особенно актуально для современных задач космического приборостроения, где все более необходимым становится совершенствование элементной базы с целью уменьшения массы устройства, его габаритов, упрощения и удешевления
4
изготовления при сохранении функциональных характеристик без потери надежности.
Целью работы является исследование физических свойств систем, состоящих из полимерных или керамических подложек с металлическими покрытиями, для оптических, СВЧ и электронных элементов различного назначения. Научная новизна.
1. В экспериментах по деформации полимерных подложек с тонким твердым покрытием показано, как влияют условия деформации на период и форму микрорельефа.
2. Для оптически анизотропных полимерных подтожек с микрорельефом впервые определены значения двулучепреломления и азимутальной энергии сцепления жидкого кристалла с поверхностью таких подложек.
3. Предложен способ теоретического описания прохождения света через двулучепреломляющую среду с поверхностным микрорельефом путем разбиения среды на слои периодических решеток и вычисления амплитуд световых волн с разными поляризациями на границах между слоями.
Практическая значимость.
1. Разработаны методы нанесения твердого покрытия с толщиной в нанометровом диапазоне на поверхность полимерных материалов и деформации такого двуслойного материала с возможностью управлять параметрами возникающего периодического микрорельефа.
2. Разработаны оптические методы измерения двулучепреломления
полимерных подтожек с микрорельефом и азимутальной энергии сцепления жидкого кристалла с поверхностью таких подтожек.
3. Разработан математический аппарат для расчета значений
дифракционной эффективности при различных параметрах двулучепреломляющей среды с поверхностным микрорельефом.
4. На основе проведенных исследований предложены сочетания
параметров двулучепреломляющей среды с поверхностным микрорельефом
5
для реализации дифракционных оптических элементов различного назначения и изготовлены опытные образцы таких элементов.
5. Предложена технология формирования многослойных печатных плат на гибкой полиимидной пленке и СВЧ-элементов на жесткой поликоровой подложке с высокой плотностью интеграции.
Защищаемые положения.
1. При одномерной деформации (растяжении или сжатии) полимерной подложки с тонким твердым покрытием на ее поверхности возникает периодический микрорельеф, параметры которого можно изменить при варьировании условий деформации.
2. В исследованных образцах деформированных полимерных материалов двулучепреломление пропорционально величине деформации и находится в диапазоне 0,0003-0,003 при растяжении 250-350%.
3. В ячейках с поверхностным микрорельефом на подложках исследованных полимерных материалов величина азимутальной энергии сцепления жидкого кристалла с поверхностью таких подложек составляет 5x10"МО-4 Дж см'2 при растяжении 250-350%.
4. Разработанный метод для расчета дифракционной эффективности при различных параметрах двулучепреломляющей среды с поверхностным микрорельефом обеспечивает точность вычислений не хуже 3% для нормального падения света.
5. Метод формирования многослойных печатных плат на полиимидной пленке с 10-12 слоями топологии и СВЧ элементов на керамических подложках с различной диэлектрической проницаемостью.
Апробация работы.
Работа докладывалась на научно-технических конференциях ФГУП ЦНИИ «Комета» 2000 г. и 2003 г., 10-м Международном симпозиуме
«Перспективные дисплейные технологии» (Москва, 2000 г.), Международной
6
научно-технической конференции «Межфазная релаксация в полиматериалах» (Москва, 2001), 2-й Международной конференции по изготовлению дисплеев (Сеул, Южная Корея, 2002 г.), 22-й Международной исследовательской конференции по дисплеям (Ницца, Франция, 2002 г.).
Глава!. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Методы формирования периодического микрорельефа на полимерных подложках и их применения
Полимерные материалы сейчас широко применяются в изделиях гражданской и специальной техники. В настоящее время идет активная разработка новых материалов для СВЧ устройств, оптических элементов оптоэлектронных приборов и систем отображения информации (дисплеев), в частности, для равномерной подсветки дисплеев, компенсаторов, ориентации жидких кристаллов (ЖК) и др. [1-6]. Необходимость в данных работах вызвана потребностью в управлении лазерными пучками и улучшении качественных характеристик дисплеев (контраст или яркость, углы обзора) и одновременно - поиском более дешевых технологий. Использование полимеров вместо стекла позволяет также существенно уменьшить массу устройства, увеличить стойкость к хрупкости. Во многих случаях оказывается возможным создание гибких оптоэлектронных устройств для межсоединений и крепления к поверхности произвольной формы.
Для многих применений хорошие результаты достигаются при использовании подложек и элементов с микрорельефом заданной формы [7-19]. Так, равномерная подсветка ЖК дисплеев получается при использовании прозрачной подложки с волноводными свойствами, на поверхности которой сформирован треугольный периодический микрорельеф [7]. Такие подложки используются и для разделения световых пучков с разной поляризацией. Также известно, что периодический микрорельеф с малым периодом (доли микрона) наряду с анизотропными поверхностными силами способствует анизотропной ориентации молекул в ЖК ячейках [8-10]. Световая эффективность устройств с пленочными электролюминофорами увеличивается в несколько раз при использовании подложек с синусоидальным, треугольным или колончатым микрорельефом [11-14]. Формирование полосок или столбиков заданной высоты на стеклянных подложках способствует созданию ЖК ячеек с чрезвычайно высокой однородностью зазора [15-17]. В квантовой электронике и адаптивной оптике
8
широко известно использование подложек с периодическим микрорельефом для разделения, отклонения, фокусирования световых пучков [18]. Наконец, для формирования пучков с одинаковой интенсивностью дифракции по разным направлениям или диффузного равномерного отражения необходимы решетки (подложки) со специально рассчитанной формой микрорельефа [18, 19].
Как правило, изготовление подложек со специальной формой •микрорельефа и заданной периодичностью представляет собой трудоемкую и дорогую операцию. В [20,21] описан способ формирования пилообразного микрорельефа с периодом доли микрона с использованием алмазного режущего станка. В [22] для ориентации ЖК на поверхности полимера предложено использовать острие атомно-силового микроскопа. Недостатком широко используемого метода химического травления является необходимость нескольких фотолитографических операций с большим количеством используемых вредных веществ.
Поэтому актуальной является задача разработки новых методов формирования микрорельефа на поверхности оптических материалов.
1.2. Особенности деформации полимерной подложки с тонким твердым покрытием
В [23-25] впервые описано возникновение поверхностного микрорельефа при растяжении системы «твердое покрытие на податливом основании». В этих работах изучалась деформация полимерных подложек с нанесенным на них металлическим покрытием в зависимости от параметров режима изготовления подложки (температура, скорость и величина растяжения, время релаксации) и используемых материалов (модули упругости, толщина). При использовании тонких полимерных подложек толщиной от 100 до 500 мкм показана возможность формирования микрорельефа различной формы (синусоидальный, треугольный, циклоидоподобный, сложный синусоидальный), периода от 0,5 мкм до сотен
микрон, высотой до 1 мкм. В [26] рассматривалась ориентация ЖК на таких подложках, а в [27-29] обсуждается использование таких систем для изготовления различных оптических компонентов: решеток, компенсаторов, поляризационных элементов, подложек ЖК дисплеев.
При этом остаются неясными многие особенности процесса формирования микрорельефа, не изучен практически важный случай более толстых подложек, не описаны оптические характеристики деформированных полимерных подложек.
Поэтому целью настоящей работы является изучение процесса формирования микрорельефа в полимерных подложках толщиной до 1 мм и исследование их оптических характеристик.
1.3. Оптические характеристики анизотропных материалов с поверхностным микрорельефом
Общеизвестно, что пространственная модуляция оптических характеристик вещества или рельефа поверхности приводит к существенному изменению пропускания и отражения света по сравнению со случаем однородной среды с плоскими границами [30-32]. Достаточно упомянуть селективное по длинам волн отражение от периодически неоднородных диэлектриков или аномальное подавление отражения мелкомасштабным рельефом металлической поверхности. При этом анизотропия диэлектрического тензора в сочетании с пространственной периодичностью ориентации главных осей существенно меняет состояние поляризации в дифракционных порядках [33-36]. Естественно предположить, что совместное действие таких объемных и поверхностных факторов может расширить диапазон оптических эффектов и открыть новые возможности оптических устройств.
В последнее время появились примеры таких сред с оптической анизотропией и поверхностным микрорельефом, которые используются для
10
управления направлением распространения и поляризацией световых пучков [37-40], а также для создания жидкокристаллических устройств с долговременной памятью [41,42] и равномерной подсветкой поля зрения [7].
а) Дифракция на слоистых структурах
В поиске таких возможностей полезную роль может сыграть численное моделирование с использованием различных подходов. В диссертации разработан метод одновременного учета упомянутых факторов для частного, но достаточно важного случая слоистых структур, элементы которых характеризуются одной и той же периодичностью по некоторому направлению вдоль слоев. Это может быть как периодичность материальных констант в слоях, так и периодичность профилей поверхностей, разделяющих эти слои, включая рельефы внешних поверхностей. При этом сложный рельеф или слой с плавной неоднородностью вдоль нормали к слою заменяются стопкой квазиоднородных слоев. Сложный рельеф представляется плоскопараллельной стопкой тонких решеток с различной шириной щелей, края которых образуют ступенчатую линию, аппроксимирующую истинный профиль (Рис. 1.1). Слой с плавной поперечной неоднородностью тоже представляется стопкой слоев, квазиоднородных в поперечном направлении, подобно тому, как в методах Джойса и Берремана [43] для однородных по плоскости слоев. Поглощение учитывается использованием комплексного диэлектрического тензора.
Предлагаемый подход по существу является развитием метода Рокушимы-Ямакиты [33,34] для расчета отражения и пропускания анизотропных диэлектрических решеток, в том числе хиральных смектических жидких кристаллов. Отличительным моментом, позволяющим реализовать предложенную схему, является использование полученного в работе [36] способа расчета граничных матриц передачи светового поля для решеток. В остальном полностью используется формализм Рокушимы-Ямакиты, со всеми его достоинствами, а также метод Глитциса-Гейлорда для
и
многослойных амплитудных и фазовых решеток [35]. Возможно рассматривать любые направления падающей волны и ее поляризацию, любую ориентацию решетки (при условии постоянства тангенциальной составляющей вектора обратной решетки), любую анизотропию среды.
б) Метод конечных разностей для расчета дифракционных задач прямым интегрированием уравнений Максвелла
Для вычисления оптических характеристик периодических структур разработано много новых методов, описанных, например, в [44]. Однако для расчета распространения света в анизотропных средах наиболее точные результаты получаются при прямом интегрировании уравнений Максвелла.
На сегодня одним из самых популярных методов расчета задач вычислительной электродинамики является метод конечных разностей или РЭТТ) (Апке-сйАГегепсе бте-с!отат) [45-47]. Одним из главных достоинств этого метода является его универсальность, позволяющая успешно применять РОТО для решения практически любых электродинамических задач, в том числе нестационарных и нелинейных. Рассмотрим некоторые особенности этого метода при работе с периодическими оптическими средами.
В рамках метода РИТО исследуемая область пространства разбивается на ячейки длиной &с= & = д, а изучаемый интервал времени разбивается
на отрезки длиной &. Реальные электрическое и магнитное поля при этом заменяются дискретными функциями переменных времени п и пространственных координат /,у, к:
Е(Г, дг, у, г) -> Е" О', У, к)
Н(Г,х,у,2)->Н-(/,УД)
Производные по времени и по пространству заменяются конечными разностями, причем разностная схема имеет второй порядок точности по пространству и времени, что достигается сдвигом узлов, в которых записываются значения электрической индукции и напряженности
- Київ+380960830922