盲专网 - 一种内部球形空腔阵列稳定成形的三维光子晶体制备方法

专利申请流程有哪些步骤？

申请

申请号：指国家知识产权局受理一件专利申请时给予该专利申请的一个标示号码。唯一性原则。

申请日：提出专利申请之日。

2020-06-15

申请公布

申请公布指发明专利申请经初步审查合格后，自申请日（或优先权日）起18个月期满时的公布或根据申请人的请求提前进行的公布。

申请公布号：专利申请过程中，在尚未取得专利授权之前，国家专利局《专利公报》公开专利时的编号。

申请公布日：申请公开的日期，即在专利公报上予以公开的日期。

2020-10-27

授权

授权指对发明专利申请经实质审查没有发现驳回理由，授予发明专利权；或对实用新型或外观设计专利申请经初步审查没有发现驳回理由，授予实用新型专利权或外观设计专利权。

2021-05-11

预估到期

发明专利权的期限为二十年，实用新型专利权期限为十年，外观设计专利权期限为十五年，均自申请日起计算。专利届满后法律终止保护。

2040-06-15

基本信息

有效性	有效专利	专利类型	发明专利
申请号	CN202010543296.7	申请日	2020-06-15
公开/公告号	CN111705361B	公开/公告日	2021-05-11
授权日	2021-05-11	预估到期日	2040-06-15
申请年	2020年	公开/公告年	2021年
缴费截止日
分类号	C30B29/06 、C30B33/12 、C30B33/04 、C30B33/02	主分类号	C30B29/06
是否联合申请	独立申请	文献类型号	B
独权数量	1	从权数量	4
权利要求数量	5	非专利引证数量	1
引用专利数量	1	被引证专利数量	0
非专利引证	1、2008.09.02CN 1358882 A,2002.07.17CN 111175894 A,2020.05.19Zhang, L.等.Temperature Induces Self-assembly of Silicon Nano/Micro-structurebased on Multi-physics Approach《.Journalof Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed.》.2018,第33卷第823–827页.;
引用专利	US7421179B	被引证专利
专利权维持	2	专利申请国编码	CN
专利事件		事务标签	公开、实质审查、授权

申请人信息

申请人	杭州电子科技大学	第一申请人	杭州电子科技大学
专利权人	杭州电子科技大学	当前专利权人	杭州电子科技大学
发明人	张俐楠、陈建龙、朱伟华、吴立群、王洪成	第一发明人	张俐楠
地址	浙江省杭州市经济技术开发区白杨街道2号大街1158号	邮编	310018
申请人数量	1	发明人数量	5
申请人所在省	浙江省	申请人所在市	浙江省杭州市

代理人信息

代理机构

专利代理机构是经省专利管理局审核，国家知识产权局批准设立，可以接受委托人的委托，在委托权限范围内以委托人的名义办理专利申请或其他专利事务的服务机构。

浙江千克知识产权代理有限公司

代理人

专利代理师是代理他人进行专利申请和办理其他专利事务，取得一定资格的人。

周希良

摘要

本发明公开了一种内部球形空腔阵列稳定成形的三维光子晶体制备方法，包括步骤：S1：在硅基光子晶体表面离子刻蚀出规则排列的二维阵列微孔；S2：采用两块水平的钼板作为电场的两个电极板，钼板电极分别与直流电源连接；S3：将硅片样品放置在水平管式炉的高温加热区内，保证管内真空环境，向管内通入一定流量的纯氩气；S4：将钼板放置在水平管式炉的上下两侧；S5：调节直流电压控制电场强度，并进行热处理。本发明在温度场的基础上，拟通过引入电场，通过调节电场强度、方向、作用时间等参数，利用热‑电耦合抵消内部机械应力，来保障硅基内部结构的稳定成形。

摘要附图
说明书附图：图1
说明书附图：图2
说明书附图：图3
说明书附图：图4
说明书附图：图5

法律状态

序号	法律状态公告日	法律状态	法律状态信息
1	2021-05-11	授权
2	2020-10-27	实质审查的生效	IPC(主分类): C30B 29/06 专利申请号: 202010543296.7 申请日: 2020.06.15
3	2020-09-25	公开

权利要求

权利要求书是申请文件最核心的部分，是申请人向国家申请保护他的发明创造及划定保护范围的文件。

1.一种内部球形空腔阵列稳定成形的三维光子晶体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在硅基光子晶体表面离子刻蚀出规则排列的二维阵列微孔；
S2：采用两块水平的钼板作为电场的两个电极板，钼板电极分别与直流电源连接；
S3：将硅片样品放置在水平管式炉的高温加热区内，保证管内真空环境，向管内通入一定流量的纯氩气；
S4：将钼板放置在水平管式炉的上下两侧；
S5：调节直流电压控制电场强度，并进行热处理。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤S1中，阵列微孔的孔径D、孔深L、孔距Ds需满足：5≤L/D；Ds＞D。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤S2中，根据硅基光子晶体内部球形空腔结构的数量及排列位置，来确定电极板的摆放方式、电场作用方向。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤S3中，水平管式炉的环境温度为
1150℃。
6

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤S5中，电场强度区间为8.90×10V/
7
cm‑1.35×10V/cm。

说明书

技术领域

[0001] 本发明属于微纳米制造技术领域，具体涉及一种热‑电耦合作用下硅基三维光子晶体内部球形空腔阵列稳定成形研究。

背景技术

[0002] 硅基三维微纳结构在力学、光学和电学等方面展现出独特的性能，在DNA检测、传感器等领域具有广泛的应用前景。然而，在硅基内部进行球形空腔三维结构加工时，多种制约因素的影响，如：对硅基初始结构进行刻蚀时，产生的内部机械应力；硅基内部空腔结构成形时，表面能不足或过大等等，致使硅基内部结构成形不稳定，从而导致结构对器件的兼容性差，进而影响微纳器件的性能表现。因此，硅基三维微纳结构的稳定成形是微纳器件加工领域的基础性关键问题。

[0003] 近年来，采用电场调控微观结构成形等方面的研究受到青睐。国内外有课题组研究了电‑力耦合效应可有效调控微纳表面自组装过程；也有某课题组发现空位缺陷的运动会受到电场的影响，从而致使硅晶体的生长方向、生长速率均受到电场的控制；还有课题组模拟了电迁移诱导表面扩散的过程，表明电场能和表面能均可驱使原子进行扩散；更有甚者，通过实验表明当施加电场时，大量定向运动的电子在电子风力的作用下碰撞硅原子，通过动量交换，原子获得能量克服势垒，硅原子会以晶格扩散的方式，离开原来的平衡位置，向晶格缺陷处移动，以抵消晶格缺陷所产生的内部机械应力，最终保证表面能在无外力干扰的条件下，主导内部结构稳定成形。

[0004] 因此，利用热‑电耦合作用，抵消硅基系统残余机械应力的干扰，诱导缺陷结构的成型位置，最终实现硅基内部球形空腔阵列三维结构的稳定成形，具有重要的学术价值和理论研究意义。

发明内容

[0005] 本发明提供了一种热电耦合作用下内部球形空腔阵列稳定成形的硅基三维光子晶体制备方法。本发明在温度场的基础上，拟通过引入电场，通过调节电场强度、方向、作用时间等参数，利用热‑电耦合抵消内部机械应力，来保障硅基内部结构的稳定成形。

[0006] 为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

[0007] 一种内部球形空腔阵列稳定成形的三维光子晶体制备方法，包括以下步骤：

[0008] S1：在硅基光子晶体表面离子刻蚀出规则排列的二维阵列微孔；

[0009] S2：采用两块水平的钼板作为电场的两个电极板，钼板电极分别与直流电源连接；

[0010] S3：将硅片样品放置在水平管式炉的高温加热区内，保证管内真空环境，向管内通入一定流量的纯氩气；

[0011] S4：将钼板放置在水平管式炉的上下两侧；

[0012] S5：调节直流电压控制电场强度，并进行热处理。

[0013] 作为本发明的优选方案之一，步骤S1中，阵列微孔的孔径D、孔深L、孔距Ds需满足：5≤L/D；Ds＞D。

[0014] 作为本发明的优选方案之一，步骤S2中，根据硅基光子晶体内部球形空腔结构的数量及排列位置，来确定电极板的摆放方式、电场作用方向。

[0015] 作为本发明的优选方案之一，步骤S3中，水平管式炉的环境温度为1150℃。

[0016] 作为本发明的优选方案之一，步骤S5中，电场强度区间为8.90×106V/cm‑1.35×7
10V/cm。

[0017] 本发明与现有技术相比，有益效果是：

[0018] 其一，本发明专利制造规则排列的硅基三维光子晶体的方法简易，实现了三维球形空腔结构的稳定成形(形状、位置)。

[0019] 其二，本发明专利所使用的器材多为常规器材，操作方法简单且绿色无污染。

[0020] 其三，本发明专利所提出的热‑电耦合诱导硅基光子成型作用机理可推广至其他半导体材料的制备上，为高品质半导体材料的加工制造提供新的方案。

实施方案

[0026] 为使本发明的目的、特征和优点能更加的明显易懂，下面将结合附图对本发明专利的具体实施步骤做详细说明。需要说明是，附图采用简化的形式且均使用非精确的比例，仅用以方便、明确的说明本发明实施例的目的。

[0027] 首先对长方体硅基光子晶体进行离子刻蚀的技术操作。将其放在离子刻蚀的机器上，如图1所示的圆柱孔深度L、孔的直径D和孔之间的距离Ds等参数进行刻蚀操作。

[0028] 在进行离子刻蚀技术时，刻蚀的每一个圆柱孔的尺寸要保持一致且在光子晶体表面均匀分布。上述的操作使得最终形成的内部球形空腔更加的规则。

[0029] 优选的，阵列微孔的尺寸(孔径D、孔深L、孔距Ds)满足：5≤L/D；Ds＞D。

[0030] 其次，搭建高温度场下的热‑电耦合实验装置，实验环境温度设置为1150℃。将表面刻有二维阵列圆柱孔的硅基光子晶体放在该实验装置当中，如图2所示。其中电极板(钼板)水平放置在硅基光子晶体的上下方，可根据实验需要来调节电极板位置，通过调节直流电压控制电场强度。N型硅基光子晶体内部存在大量自由电子，电场对电子产生电子风力。电子在电子风力的推动下和原子进行碰撞，传递部分能量给原子，发生动量交换，促使原子向晶格缺陷处移动。如图3‑4所示，在表面力以及电场力的耦合作用下，表面的阵列圆柱孔将会发生形变。图3和图4中，虚线箭头表示硅原子迁移方向，实线箭头表示电子流方向，实心虚线圆圈表示硅原子，空心虚线圆圈表示晶格缺陷位置。

[0031] 随着作用时间的增长，圆柱孔会逐渐的成形出体积一样的球形空腔，且周期性规则排列。对比于未加电场作用的光子晶体内部空腔形成结果，如图5所示。

[0032] 优选的，使用钼板作为电极板，根据光子晶体内部球形空腔结构的数量及排列位置，来确定电极板的摆放方式、电场作用方向。

[0033] 优选的，根据实验需求，球形空腔成形结构不同，电场强度区间为8.90×106V/cm‑7
1.35×10V/cm。

[0034] 以上例举仅为本发明的优选实施例。本发明并不限于以上实施例，从本发明公开内容，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也视为本发明的保护范围。

附图说明

[0021] 图1表面刻有规则排列的二维阵列微孔的硅基光子晶体示意图；

[0022] 图2为硅基内部结构在热‑电耦合作用下的结构示意图；

[0023] 图3为硅基内部结构在热‑电耦合作用下的成形示意图一；

[0024] 图4为硅基内部结构在热‑电耦合作用下的成形示意图二；

[0025] 图5为有无热‑电耦合作用的硅基三维光子晶体的成形对比示意图。

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实施方案

附图说明