CN113594019B - 一种法拉第笼的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种法拉第笼的制备方法，属于微纳加工技术领域。本发明方法根据所需加工的法拉第笼，适当设计平面材料的二维图形，并将平面结构拉伸至三维，实现法拉第笼的制备。本发明设计的平面结构整体为一圆形，包括：中心的圆形区域和外圈的环形区域，在中心和外圈之间区域设置有多条同心环，每相邻两同心环之间设置有多条环间线；中心和外圈为材料实心填充，同心环和环间线也为实心材料，其他区域为镂空区域。本发明可以制备高对称性、高可重复度的小型法拉第笼，可用来加工批量生产尺寸高度统一的微纳结构，且制造成本低。

Description

一种法拉第笼的制备方法

技术领域

本发明属于微纳加工技术领域，具体涉及一种法拉第笼的制备方法。

背景技术

法拉第笼是防止电磁场进入或逃脱的金属外壳，是一个由金属或者良导体形成的笼子。现有技术在反应离子刻蚀过程中，使用法拉第笼可以改变离子的运动轨迹，从而实现制备立体结构的器件。在离子蚀刻过程中使用法拉第笼来增强蚀刻方向性的研究始于1980年。2012年哈佛大学Loncar组改进了这一方法，用来在块材衬底上加工自支撑的光子学和力学微纳结构，并申请了美国专利，专利号为US8999105B2。在2017年美国专利US9659797B1提出，使用均匀一致的多个小型法拉第笼分布在整片晶元上，可以实现微纳器件的批量制备。然而均匀一致的小型法拉第笼并无简易加工方法。在哈佛大学的工作中，法拉第笼由铝网在模具的压制下成型，但由于形变过程中的材料张力和拓扑限制，得到的法拉第笼开孔和形状均不够匀称，导致蚀刻过程中需要频繁调整笼体位置来得到均匀的蚀刻效果，如参考文献1[Latawiec,P.,et al."Faraday cage angled-etching of nanostructures inbulk dielectrics."Journal of Vacuum Science&Technology B Nanotechnology&Microelectronics Materials Processing Measurement&Phenomena 34.4(2016).]中记载。可见即使只使用单个法拉第笼，如果笼体的均匀性不理想，该工艺也难以推广。

小型法拉第笼用于辅助离子蚀刻时，需笼体高度小于蚀刻机的过渡腔室(load-lock)到主体腔(main chamber)的门高(约1厘米左右)，且笼体孔洞的致密和均匀程度影响蚀刻方向性。工业标准的铝网在二维平面上开孔均匀，但将其压制为立体轴对称结构时因拓扑限制导致孔洞不可能保持均匀，因此在参考文献1中提到加工过程中需要每隔30秒将样本从真空室中取出，调整位置后再次抽真空继续加工，不仅耗时巨大且可重复性差。此外，这一方法制备的法拉第笼开孔大小、密度受制于工业铝网的标准，难以根据需求定制。2020年，韩国科学技术研究院采用微细铣削(micro-milling)的方式加工法拉第笼，成品具有高度的对称性和可重复性，并成功用于纳米光子结构的蚀刻，如参考文献2中记载[Jeon,SW.,etal.“Bright Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond Inverted Nanocones”,ACSPHOTONICS,2020；7(10):2739]。而细微铣削加工虽然可以制备均匀的笼体，孔洞位置大小可以按需设计，但因为是微米精度的机械加工，成本高速度慢，且笼体在加工过程中需要保持一定的刚性，这就反过来限制了开孔密度不可以过大，或者笼体材料须保持一定厚度。这些缺点限制了蚀刻工艺的灵活性和加工速度。因此，推广法拉第笼辅助的离子蚀刻工艺，要求提出新的加工技术，实现小型法拉第笼可重复、可定制、快速、低成本的制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种法拉第笼的制备方法，通过适当设计平面材料的二维图形，并将平面结构拉伸至三维，从而实现制备高对称性、高可重复度的小型法拉第笼，进而可用来实现量产尺寸高度统一的微纳器件。

本发明提供的一种法拉第笼的制备方法，包括：

步骤一：根据需要加工的法拉第笼的参数，设计平面结构并加工平面材料；所述的平面结构整体为一圆形，中心的圆形区域和外圈的环形区域均为材料实心填充，在中心和外圈之间区域设置有多条同心环，每相邻两同心环之间设置有多条环间线；在中心和外圈之间区域除了同心环和环间线为实心材料外，其他区域为镂空区域；

步骤二：将加工好的平面材料拉伸为立体形状，获得法拉第笼；在拉伸时，固定外圈环形区域，将同心环和中心圆形区域沿垂直于外圈环形区域所在平面的方向移动。

所述的步骤一中，当需要加工锥形的轴对称的并具有旋转对称性的法拉第笼时，设置中心和外圈之间区域的同心环等间距，各同心环之间的环间线的长度相同，位于同一两同心环间的环间线沿圆周方向上均匀等间隔设置，具有角向平移对称性。当需要加工非锥形的轴对称法拉第笼时，设置中心和外圈之间区域的同心环的间距不相等，相邻同心环间的环间线的长度不相同。当需要加工不具有旋转对称性的法拉第笼时，设置同心环的环间线不具有角向平移对称性。

相比现有技术，本发明的优点与积极效果在于：(1)本发明方法可以实现小型法拉第笼的低成本、规模化地制造；(2)本发明方法可制备出对称性高、设计还原度好的法拉第笼；(3)采用本发明方法制备法拉第笼时，具体形状参数容易在设计过程中调整，适宜定制不同形状的法拉第笼，满足各种实际需求。

附图说明

图1是本发明的法拉第笼的制备方法中设计平面材料的二维图形；

图2是辅助说明图1所设计的二维图像的示意图；

图3是本发明实施例在加工立体形状时固定平面材料的环状部分的工具示意图；

图4是本发明实施例在加工立体形状时拉伸同心环、环间线和中心圆形部分的示意图；

图5是本发明实施例中拉伸得到的法拉第笼的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的一种法拉第笼的制备方法，主要包括两部分，第一部分是设计平面材料的二维图形并加工，第二部分是将加工好的平面材料拉伸为立体形状，获得法拉第笼。

第一步，根据所需加工的法拉第笼的参数，设计二维图形的平面结构，并加工平面材料为对应的平面结构。

如图1所示，本发明实施例中设计的平面材料的二维图像，整体为一圆形，其中黑色部分表示有材料，图像的中心部分和外圈部分均为材料实心填充，中心与外圈之间为材料镂空填充。在加工时，根据预先设计的图像结构，可先截取整体平面材料，再使用激光直刻加工出平面图形结构。平面图形结构还可以使用其他实现方法来加工，包括但不限于机械铣削、化学蚀刻、增材(3D)打印等。

为便于表述图1中所设计的平面结构，利用图2来辅助说明。图2中的区域一是指平面材料的外圈环形区域，区域二是指的平面材料的中心圆形区域。

如图2所示，区域一和区域二同用一个圆心，首先确定中心圆形区域的半径r，区域一和区域二之间的距离D，以及外圈环区域的环宽w；r、w可直接根据法拉第笼的参数来获得，D可根据法拉第笼的高度来计算获得；再在两区域之间设置多条同心环，本发明实施例中设计的法拉第笼为锥形的轴对称的法拉第笼，因此均匀设置了三条同心环，环间距为d，即d＝D/4；然后设计每相邻两同心环之间的环间线，环间线长度记为L。环间线可以是直线，也可以是曲线，在任何情况下，总长度记为L。当把二维平面拉伸至三维笼体后，如果二维图案上的环间线完全拉伸至直线并垂直于同心环，三维笼体的侧面与区域一所在平面的夹角为θ＝arccos(d/L)；亦即，当已知所需笼体侧斜面倾角为θ时，d与L需要满足关系L>d/cosθ。

本发明实施例所需设计锥形的轴对称的法拉第笼，并具有旋转对称性，因此除在中心与外圈之间设置的多条同心环为等间距d外，设置各同心环之间的环间线长度L相同，位于相同两同心环之间的环间线沿圆周方向上均匀等间隔设置，环间线与同心环之间的夹角一致，具有角向平移对称性。

在设计更复杂结构的法拉第笼时，可根据需要设置同心环间距d和环间线长度L。同心环间距d可以是不相同的，即同心环不均匀地分布在中心和外圈之间，不同同心环间的环间线长度L也可以是不均匀的，即相邻同心环间的环间线的长度可以不相同，这种情况下随着每个同心环间d/L比例变化，可以得到非锥形的轴对称法拉第笼，用来加工更加复杂的结构。环间线也不必须是角向平移对称的线段，即可设计不同同心环间的环间线的长度，以及环间线与同心环之间的角度可以不同，这种情况下可以用来设计具有旋转不对称性的法拉第笼。

平面材料选取能够塑性形变的导体材料，例如但不限于高纯铝箔。

第二步，将加工好的平面材料拉伸为立体形状。

本发明实施例中，首先使用图3所示的两个辅助工具来固定平面材料的环带状部分，即图2中的区域一，辅助工具上加工的通孔是用来穿过螺丝，紧固区域一；再用图4所示的模具来使同心环、环间线和中心圆形部分，即图2中的区域二，凸出外圈环状区域所在的平面。

具体地，将加工好的平面材料夹在图3所示两个辅助工具之间，两辅助工具均为圆环型，内圆环的直径与平面材料外圈环状部分的内圆环直径相同，辅助工具的圆环宽度大于等于平面材料外圈环状部分的环宽。两辅助工具均开有安装通孔，用于配合固定安装，其中一个辅助工具内环边缘加工为凸缘，另一个辅助工具内环边缘加工为凹缘，以便于两辅助工具相互配合安装。

图4所示模具包括同心的底部圆柱体a、中间圆柱体b和截顶圆锥体c。其中底部圆柱体a可与图3的辅助工具的内圆环相配合嵌入，截顶圆锥体c的顶部为一圆形平面，该圆形平面的大小与平面材料的中心圆形部分相同。截顶圆锥体c的底面与斜边的夹角为θ。

利用图4所示模具拉伸被图3所示工具固定的平面材料，在此过程中，同心环和区域二沿垂直于区域一所定义的平面移动。同心环的间距扩大，带动环间线的角度变化，在极限状态下，环间线垂直于同心环，得到特定平面设计允许的最大高度法拉第笼，如图5所示，为拉伸至三维的立体法拉第笼。

本发明设计中，设法拉第笼的最大倾角，即斜面生成线与底面的夹角为arccos(d/L)，图4中模具的倾角θ应小于该最大值。图4中的柱高g应等于图3中辅助工件的厚度，底部圆柱体a的底盘直径φ应大于中间圆柱体b的底面直径，这样在拉伸过程中可以保证笼体倾角不超过最大倾角，否则易使材料断裂。当平面图形的同心环总宽度D一定时，d越小，三维笼体的竖直方向(侧斜面上)孔间距越小。笼体中心的平顶圆形面积(区域二)没有严格设计要求，其主要作用是增加离子蚀刻工艺的方向选择性；但如果区域二面积过大，可能会遮挡离子束从而使部分衬底无法被蚀刻。

在将平面材料拉伸为立体形状时，可以使用上述本发明实施例的方式，但不限于该方式，只要实现平面材料的拉伸进而得到立体的法拉第笼均属于本发明的保护范围。

采用本发明提供的加工方法，通过适当设计平面材料的二维图形，并将平面结构拉伸至三维，可以实现制备高对称性、高可重复度的小型法拉第笼，可用来实现批量生产尺寸高度统一的微纳结构。

Claims (7)

1.一种法拉第笼的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)依据设计的平面结构加工平面材料；所述的平面结构整体为一圆形，中心的圆形区域和外圈的环形区域均为材料实心填充，在中心和外圈之间区域设置有m条同心环，每相邻两同心环之间设置有n条环间线；在中心和外圈之间区域除了同心环和环间线为实心材料外，其他区域为镂空区域；其中，m、n均为大于2的正整数；

(2)将加工好的平面材料拉伸为立体形状，获得法拉第笼；在拉伸时，固定外圈环形区域，将同心环和中心圆形区域沿垂直于外圈环形区域所在平面的方向移动。

2.根据权利要求1所述的一种法拉第笼的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，当需要加工锥形的轴对称的并具有旋转对称性的法拉第笼时，设置中心和外圈之间区域的同心环等间距，各同心环之间的环间线的长度相同，位于同一两同心环间的环间线沿圆周方向上均匀等间隔设置，具有角向平移对称性；设同心环的间距为d，环间线的长度为L，d与L需满足关系L>d/cosθ，θ为法拉第笼的侧斜面倾角。

3.根据权利要求1所述的一种法拉第笼的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，当需要加工非锥形的轴对称法拉第笼时，设置中心和外圈之间区域的同心环的间距d不相等，相邻同心环间的环间线的长度L不相同，设置每同心环的比例d/L不完全相同。

4.根据权利要求1或3所述的一种法拉第笼的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，当需要加工不具有旋转对称性的法拉第笼时，设置同心环的环间线不具有角向平移对称性。

5.根据权利要求1或2所述的一种法拉第笼的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，设计辅助工具用于拉伸平面材料；所述的辅助工具包括：

(a)两圆环型的辅助工具，用于夹住平面材料的外圈环形区域；两圆环型辅助工具的内圆环的直径与平面材料的外圈环状区域的直径相同，其中一个圆环型辅助工具的内环边缘加工为凸缘，另一个内环边缘加工为凹缘，以相互配合；

(b)具有底部圆柱体、中间圆柱体和截顶圆锥体的磨具，用于将平面材料的同心环和中心圆形区域凸出外圈环状区域所在的平面；截顶圆锥体顶部的圆形平面的大小与平面材料的中心圆形区域相同，中间圆柱体的高度等于圆环型辅助工具的厚度，底部圆柱体的底面直径大于中间圆柱体的底面直径；截顶圆锥体的底面与斜边的夹角为θ，θ小于arccos(d/L)，其中d为同心环间距，L为环间线长度。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种法拉第笼的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中采用激光直刻或增材打印或化学蚀刻或机械铣削的方式加工平面材料。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种法拉第笼的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，设计的环间线为直线或曲线。

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