[发明专利]一种基于机械加工方式制备纤锌矿型硅晶体的方法

说明书

本公开属于硅晶体材料技术领域，具体涉及一种基于机械加工方式制备纤锌矿型硅晶体的方法。本发明研究发现通过机械加工对单晶硅表面施加一定的压强能够使加工接触面的晶型实现转变，本发明具体提供了通过犁切加工的方式对单晶硅表面进行加压，使接触面的晶型转变，并且通过退火热处理得到纤锌矿型结构。该方法实现了纤锌矿型硅晶体的高效高质、批量制备，并且制备方法简单，无需大型复杂设备支撑，成本经济，具有良好的推广意义。

技术领域

本发明属于硅晶体材料技术领域，具体涉及一种基于机械加工方式制备纤锌矿型硅晶体的方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本公开的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

单晶硅以其原料来源丰富、制备工艺成熟、以及优异的光电和力学性能，是目前最主要的半导体材料，被广泛应用于微电子器件、精密光学器件和光伏领域等。

单晶硅在常温常压条件下为稳定的金刚石立方晶体结构，是典型的脆性非金属材料。现有研究表明，在不同载荷作用下单晶硅可发生相变而由金刚石立方晶体结构转变为其它结构，且在不同压强范围下存在有多达12种处于稳态或亚稳态的硅晶体结构。高压条件下单晶硅的相变行为也是目前硅晶体发生脆塑转变的主要机理解释之一。

在硅晶体的不同相中，有一种相为纤锌矿型结构(也称之为第四相)，属于2H六方晶系，其光电及力学性能显著优于常温常压条件下的金刚石立方结构，在半导体领域表现出广阔的应用前景。目前，纤锌矿型硅晶体的制备手段主要包括脉冲激光处理、高能量密度激光烧蚀以及化学气相沉积等，但上述制备工艺所需设备极其昂贵，效率较低，且难以制备大尺寸纤锌矿型硅晶体材料。目前尚缺乏纤锌矿型硅晶体的高效率低成本制备工艺，严重制约了该晶型硅晶体的拓展应用。

发明内容

基于上述研究背景，本发明提供了一种基于机械加工的方式制备纤锌矿型硅晶体的方法，通过机械切割及热处理将单晶硅的金刚石立方晶体结构转变为纤锌矿型，实现了大尺寸纤锌矿型硅晶体材料的制备。该制备工艺简单，无需复杂设备，制备成本低，易于推广。

基于上述研究成果，本发明提供以下技术方案：

第一方面，提供一种纤锌矿型硅晶体的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：通过机械加工对单晶硅基体表面加载压强并对加工完成后的单晶硅基体进行退火热处理。

优选的，所述压强值大于等于12GPa，小于16Gpa。

本发明研究表明，当加载压强达到12GPa时，单晶硅由金刚石立方晶体结构转变为亚稳态β-tin结构的β-Si相。当加载压强增大至16GPa以上时，单晶硅的金刚石立方晶体结构则转变为简单六角晶体结构和斜方体心立方结构等晶型。由于β-Si相具有金属晶体结构特征，其形成对单晶硅的塑性变形具有重要意义。

进一步的，本公开提供了通过犁切加工控制单晶硅加工表层β-Si相的形成，保证单晶硅被切除层材料的塑性去除，是避免微裂纹和脆性剥落等缺陷形成的前提。此外，β-Si相属于亚稳态相，当外界载荷卸载后(即金刚石刀具犁切过后)，β-Si相会转变为体心立方结构相、菱形结构相或非晶相。低速率卸载时(如犁切速度小于10mm/min)，Si-II相转变为体心立方结构相和菱形结构相的混合结构；高速率卸载时(如犁切速度大于10m/s)，β-Si相完全转变为非晶相；中等速率卸载时β-Si相会转变为上述三种相的混合结构。本公开通过调整刀具参数与犁切参数，控制犁切加工表面后仅形成非晶相。

优选的，所述机械加工方式为采用球头刀具犁切加工。

进一步优选的，所述球头刀具为金刚石球头刀具。

更进一步的，所述金刚石球头刀具半径为15μm–20μm。