[发明专利]一种蓝宝石晶棒退火工艺方法

说明书

本发明提供了一种用于蓝宝石晶棒的退火工艺。其工艺流程包括快速升温、缓慢升温、保温、缓慢降温、快速降温五个阶段，其中保温阶段最高温度可达1900℃。采用该工艺，可以显著降低蓝宝石晶棒掏棒过程中产生的内应力并减少后续蓝宝石晶片加工中出现的翘曲和崩角现象，同时可以减少蓝宝石长晶过程中的位错密度并使晶棒变得无色透明。经验证，退火后的蓝宝石晶棒加工成晶片后，晶片的翘曲度(warp)不良率为0，弯曲度(bow)不良率为0.9％，比退火前的不良率分别降低100％和70％，且在可见光波段的透过率达到了86％。该退火工艺具有较短的退火时间，可显著提高效率并降低成本；同时工艺流程简便，易于实施。

技术领域

本发明属于人工晶体领域，具体涉及一种蓝宝石晶棒退火工艺方法及得到的产品。

背景技术

在过去的几十年中，蓝宝石晶体得到了广泛地应用，如作为GaN蓝绿光半导体二极管最实用的衬底材料、高功率激光器理想的窗口材料和激光基质材料等，目前采用温度梯度法、泡生法、导模法等已能生产出多种级别的蓝宝石晶体，如80kg级、120kg级和150kg级等。采用石墨发热体作为加热元件的生长炉中,石墨在2010℃高温生长条件下存在一定程度的挥发，因此造成实际生长气氛为弱还原性气氛。原料中的过渡性金属杂质离子在还原气氛下往往以低价态形式如Cr³⁺、Ti³⁺存在于蓝宝石晶体中，Cr³⁺、Ti³⁺等在可见光500nm范围内有吸收。同时石墨碳的挥发主要以扩散、渗透等形式进入熔体并与之发生反应，故所得到的蓝宝石晶体不同程度地带有颜色，不同部位表现也有所不同。一般上部(靠近籽晶)由于过渡离子Cr³⁺、Ti³⁺等的可见光吸收为浅红色，尾部由于碳的吸收为浅黄绿色或褐色。而在以钨笼作为加热元件的生长炉中，钨原子(W)和少量的钼原子(Mo)在高温下可能以固态扩散、渗透等形式随机进入熔体，使晶体内部产生晶格畸变、位错、晶界等缺陷，同样可能影响蓝宝石晶体的品质。此外，蓝宝石晶体在长晶过程中，晶体内不可避免的会出现内应力。对蓝宝石晶棒而言，在掏棒加工过程后还会引入加工应力。存在应力的蓝宝石晶棒在切割时可能造成线弓弧度较大，切割线痕精准度低等问题。进一步地，这些问题可能增加晶片表面应力，使切割后的晶片翘曲度(wrap)和弯曲度(bow)更大。另外，晶片进行常规的退火处理(1400℃左右)后，晶片内部的应力仍无法释放，切割所得到的蓝宝石晶片内部依然保留应力，这使得晶片在研磨和倒角加工时容易产生崩边、裂纹、翘曲等问题。从上述分析可知，为提高晶片加工的良品率，及时消除蓝宝石晶棒的应力是十分必要的。因此，为提高蓝宝石晶体的品质和加工质量需进行去应力及去色退火处理。

根据已有的论文报道和公开专利，目前蓝宝石晶体退火工艺大致分为三类。一类是以徐军等人为代表，在已发表的论文《温梯法蓝宝石(Al₂O₃)晶体的脱碳去色退火研究》和公开的CN 1266112A专利中，采用“两步法”工艺退火，具体是将温度梯度法(TGT法)生长的蓝宝石晶体依次经中高温氧化气氛(1600℃空气气氛)恒温120h、高温还原气氛(1900℃氢气气氛)恒温120h进行脱碳、去色退火处理，晶体变成无色、透明。经测试，蓝宝石晶体的完整性、光学透过率和光学均匀性均有显著提高。于海欧等人在《导模法生长蓝宝石晶体的退火工艺》一文中，采用相似的工艺对蓝宝石晶体进行退火，可以有效的消除晶体尾部产生的黑色絮状包裹体和晶体内部生成的色心。另外，公开的专利CN 110453287A也有相似的报道。但采用这种方法在高温氧化气氛退火阶段，退火温度较低；且采用两步法进行退火处理，增加了时间成本和退火工艺成本。此外，蓝宝石长晶后可直接在惰性气氛或真空气氛中高温退火，也可以降低晶体的晶格畸变和位错密度以及由此产生的残余应力，如公开的CN101580965A专利所报道的。其他公开的专利如CN 103014874A、CN 103540998A、CN105525355A、CN 106435741A、CN 111155173A也采用相似的技术路线，但都需要采用惰性气氛或真空气氛，且退火工艺较为复杂。