專利名稱：中性、惰性氣氛中晶體的退火處理方法
技術領域：
本發明屬晶體的熱處理領域，涉及晶體的高溫退火以及熱處理，具體地說是涉及中性氣氛、惰性氣氛及其兩者混合氣氛中晶體的退火方法和熱處理方法。
背景技術：
當今，生長晶體的技術有感應加熱提拉法(即引上法)，泡生法，電阻加熱提拉法，導向溫梯法(即導向溫度梯度法、簡稱溫梯法)，熱交換法等，上述方法的晶體生長都是以固-液界面的溫度差推動結晶面形成的結晶過程，易產生晶格點缺陷及引入周圍的氣氛污染，嚴重影響晶體性能。故生長后的晶體毛坯，基本上都須經過高溫退火處理，這是晶體界人人皆知的基本常識，以往的晶體退火，通常采用在氧化氣氛(大氣)中的高溫退火，還原氣氛(氫氣)中高溫退火{參見《人工晶體》1982年，2-3期24頁；國際《晶體生長雜志》1981年，第52卷第二部分546-550頁；國際《晶體生長雜志》1986年，第78卷31-35頁；《人工晶體學報》1992年，第21卷第1期31-36頁和95-100頁；以及氧化氣氛和還原氣氛中的二步退火方法(專利號00111882.X藍寶石晶體的脫碳去色退火方法)}都是以氧化氣氛或還原氣氛作為晶體的高溫退火介質。
晶體在氧化氣氛(大氣)中高溫退火，雖然能達到脫碳去色和消除晶體中因氧缺位等點缺陷形成的色心，但由于大氣中塵埃的擴散與反擴散作用，退火晶體會由于空氣中雜質，再次受到污染(產生二次污染)，因此，經氧化氣氛退火后的晶體，其亮度，透明度總不理想(氧化氣氛中高溫退火一般適應于，需要先經氧化氣氛中退火的晶體)，而還原氣氛(氫氣)中高溫退火，雖然晶體的亮度，透明度相對于氧化氣氛中退火的結果好的多，但由于氫氣中強還原氣氛的還原作用，原本以各種方法生長的氧化物晶體中，由氧缺位(氧空位)等點缺陷形成的色心，不但難以消除甚至加深，能適應氫氣中退火的晶體品種，針對性很強，即便是同一種藍寶石晶體，其退火效果也大不一樣(它只適應于，的確需要在還原氣氛中退火的晶體，如摻鈦寶石)，更為主要的是氧化氣氛退火或還原氣氛退火，容易引起晶格中的離子價態變化，影響晶體性能。
本發明的目的提供新的晶體退火處理方法，即在中性、惰性氣氛中進行晶體的高溫退火以及熱處理，達到晶體、晶片、晶體棒的充分脫碳去色、去色心、去污染、去除晶體內應力和晶體的重結晶，使晶體的亮度、透明度以及結晶完整性和光學均勻性具佳，甚至連一些原本不能使用的帶有絲狀光路的晶體，也能成為晶瑩透亮的優質晶體。
發明內容
將待退火的晶體、如各種結晶方法生長的晶體，或經過氧化氣氛，還原氣氛退火過的晶體、晶片、晶體棒，置于“晶體退火裝置”的熱處理室內，退火裝置(退火爐)密封后，先將爐膛內的氣體排氣至真空度高于2×10-2Pa時，再充入中性氣體(氮氣)、或充入惰性氣體(氬氣)、或充入惰性氣體(氦氣)、或充入其混合氣體、至爐膛內壓力大于大氣壓，開始升溫，隨著爐溫升高，爐內氣壓加大，當爐溫升至約900℃時開始放氣，維持爐內壓力于0.03-0.05MPa為宜，此為密封狀態下退火處理。若采用循環氣體退火，調整氣壓瓶低壓閥門出氣口(即退火爐的進氣口)氣體流量與退火爐出氣口的氣體流量平衡，維持爐內壓力于0.03-0.05MPa。升溫速率、恒溫溫度、恒溫時間、降溫速率(即退火周期、退火溫度)，依據待退火處理的晶體毛坯尺寸大小，晶體樣品的規格和種類，晶體退火目的要求決定，其差異特大。以去色心，去污染處理為目的的退火周期短，以脫碳去色和去除晶體內應力以及完善結晶完整性為目的重結晶退火周期長。襯底晶片和晶體大小不一樣，其退火周期又有很大差別。以完善結晶完整性為目的的重結晶退火，退火周期較長且只有正確選擇晶體品種的軟化點溫度(即退火溫度)，才能達到最佳的重結晶效果。一般是退火升溫速率為40℃/小時-450℃/小時；退火溫度的恒溫時間為1小時至大于100小時；降溫速率為20℃/小時-350℃/小時。
與現有技術相比中性、惰性氣氛中晶體的退火處理方法，晶體中離子價態不受氧化—還原氣氛影響，退火晶體不受空氣的二次污染。晶體的脫碳去色、去色心、去污染、去除晶體內應力以及晶體的重結晶效果好。經中性、惰性氣氛退火處理后的晶體亮度、透明度具佳，重結晶效果又好，大大改善提高晶體的結晶完整性和光學均勻性。
圖1、右邊照片是導向溫梯法生長的帶棕紅色色心的藍寶石晶體毛坯。
左邊照片是置于高純氬氣中高溫退火后，成為晶瑩透亮、無色透明的藍寶石晶體毛坯。
圖2、導向溫梯法生長的藍寶石晶體毛坯，加工成直徑2英寸的圓柱體后帶淺棕紅色色心。
圖3、將圖2帶淺棕紅色色心的藍寶石圓柱體，置于高純氮氣中高溫退火后，成為晶瑩透亮的無色透明晶體。
圖4、經氧化氣氛(空氣)中高溫退火處理后，仍然帶有淺棕紅色色心的藍寶石晶片。
圖5、再將已經過氧化氣氛(空氣)退火后的藍寶石晶片(圖4)、置于高純氮氣中高溫熱處理，熱處理后成為晶瑩透亮的無色透明晶片。
圖6、照片左邊是導向溫梯法生長的藍寶石晶體，經加工后受污染而帶雜色的晶片。
照片右邊是將照片左邊受污染而帶雜色的晶片、置于高純氮氣中高溫熱處理后，成為晶瑩透亮、無色透明的半導體二極管LED和二極管LD使用的氮化物襯底片。
具體實施例方式
實施例1將三塊導向溫梯法生長出爐后的藍寶石晶體毛坯、置于“晶體退火裝置”的熱處理室內，退火裝置密封后，將退火裝置(退火爐)內的氣體排氣至真空度高于3×10-3Pa時，充入高純氬氣，在惰性氣氛中脫碳去色、重結晶高溫退火。退火程序為升溫速率90℃/小時-110℃/小時；于1830℃恒溫96小時；降溫速率90℃/小時-110℃/小時。
退火前晶體檢測級別評定第一塊晶體有輕微絲狀光路，內部有絲狀物(B501級)；第二塊晶體有明顯絲狀光路，內部有白色絲狀物(B901級)；第三快晶體內部(整個)有明顯絲狀光路和絲狀物(B912級)。
惰性氣氛(氬氣)中高溫退火后，晶體中絲狀光路檢測第一快晶體無光路，無散射；第二塊晶體輕微絲狀光路，星點散射；第三塊晶體無光路。說明三塊藍寶石晶體在惰性氣氛(氬氣)中高溫退火的重結晶效果相當好。
實施例2將五塊導向溫梯法生長出爐后的藍寶石晶體毛坯、置于“晶體退火裝置”的熱處理室內，退火裝置密封后，將退火裝置(退火爐)內的氣體排氣至真空度高于3×10-3Pa時，充入高純氫氣，在還原氣氛中脫碳去色、重結晶高溫退火。退火程序與實施例1同樣為升溫速率90℃/小時-110℃/小時；于1830℃恒溫96小時；降溫速率90℃/小時-110℃/小時。
退火前晶體檢測級別評定第一塊晶體為B661級；第二快晶體為B900級；第三快晶體為B012級；第四塊晶體為B810級；第五快晶體為B431級。
還原氣氛(氫氣)中高溫退火后，晶體中絲狀光路檢測第一塊晶體有明顯絲狀光路及白色絲狀物，晶體內均有散射；第二塊晶體內30毫米長一段有明顯絲狀光路，余下一小段有星點散射；第三快晶體內有輕微光路。第四塊晶體內28毫米長有明顯絲狀光路及白色絲狀物，其余部分為星點散射；第五塊晶體43毫米長一段有絲狀光路，其余小部分無光路。說明五塊晶體在還原氣氛中高溫退火處理后，沒有什么重結晶效果。
實施例1和實施例2兩種不同氣氛中，藍寶石晶體高溫退火的重結晶效果，充分說明惰性氣氛(高純氬氣)中藍寶石晶體的重結晶效果遠優于還原氣氛(高純氫氣)中藍寶石晶體的重結晶。
解注導向溫梯法生長出爐后的藍寶石晶體毛坯級別評定A級無任何絲狀光路，星點散射和裂口。
B000靠B第一個零、表示絲狀光路，從1-9，1表示輕微絲狀光路，9表示絲狀光路特別嚴重。
靠B第二個零、表示星點散射，從1-9，1表示個別星點散射，9表示星點散射嚴重。
靠B第三個零、表示剛出爐時的藍寶石晶體毛坯開裂情況。
實施例3直徑2英寸圓柱體的脫碳去色，去色心退火，將導向溫梯法生長的藍寶石晶體毛坯，加工成直徑2英寸圓柱體(圖2)、置于“晶體退火裝置”的熱處理室內，退火裝置密封后，將退火裝置(退火爐)內的氣體排氣至真空度高于3×10-3Pa，充入高純氮氣至爐內、使爐內壓力大于大氣壓，開始升溫，當爐溫升至約900℃開始放氣，維持爐內壓力于0.03-0.05MPa。退火程序為升溫速率215℃/小時-310℃/小時；于1740℃恒溫5小時；降溫速率215℃/小時-305℃/小時。經中性氣氛(氮氣)退火后的藍寶石圓柱體，成為晶瑩透亮的無色透明晶體(圖3)。
實施例4作為氮化物襯底材料、藍-綠光半導體二極管LED和二極管LD襯底用的藍寶石晶片的去色、去污染的熱處理方法將已經過氧化氣氛(空氣)中退火后、依然帶有淺棕紅色色心的晶片(圖4)和經過機械加工后受污染而帶雜色的藍寶石晶片(圖6左邊的照片)、置于“晶體退火裝置”的熱處理室內。退火裝置密封后，將退火裝置(退火爐)內的氣體排氣至真空度高于3×10-3Pa，充入高純氮氣至爐內壓力大于大氣壓，開始升溫，當爐溫升至約900℃時開始放氣，維持爐內壓力于0.03-0.05MPa。退火程序為升溫速率可達400℃/小時，于1570℃恒溫3小時；降溫速率可達400℃/小時。經中性氣氛(氮氣)高溫熱處理后，藍寶石晶片成為如圖5和圖6右邊所示晶瑩透亮的無色透明襯底片。
權利要求
1.中性、惰性氣氛中晶體的退火處理方法，其特征在于將待退火和熱處理的各種結晶方法生長的晶體，或經過機械加工處理的晶體，或使用過的晶體、晶片、晶體棒，或已經過氧化氣氛(大氣)中、還原氣氛(氫氣)中高溫退火處理過的晶體、晶片、晶體棒，或陶瓷晶體，置于“晶體退火裝置”的熱處理室或退火裝置可密封的電阻加熱爐、感應加熱爐的熱處理室內，在中性氣氛或惰性氣氛或其兩者混合氣體的氣氛中，從事晶體的脫碳去色、去色心、去污染、去除晶體內應力和晶體的重結晶以及從事陶瓷晶體的燒結等目的的退火，以及熱處理。
2.依據權利要求1所述的中性、惰性氣氛中晶體的退火處理方法，其特征在于將待退火的晶體、晶片、晶體棒或陶瓷晶體，置于“晶體退火裝置”的熱處理室內，退火裝置密封后，先將爐膛內的氣體排氣至真空度高于2×10-2Pa，再充入中性氣體、氮氣。
3.依據權利要求1或2所述的中性、惰性氣氛中晶體的退火處理方法，其特征在于中性、惰性氣氛中晶體的退火處理方法，充入的氣體是惰性氣體、氬氣。
4.依據權利要求1或2所述的中性、惰性氣氛中晶體的退火處理方法，其特征在于中性、惰性氣氛中晶體的退火處理方法，充入的氣體是惰性氣體、氦氣。
5.依據權利要求1或2、3、4所述的中性、惰性氣氛中晶體的退火處理方法，其特征在于中性、惰性氣氛中晶體的退火處理方法，充入的氣體是其中性氣體和惰性氣體的混合氣體。
6.依據權利要求1所述的中性、惰性氣氛中晶體的退火處理方法，其特征在于依據待退火晶體毛坯尺寸大小，晶體樣品或陶瓷晶體的種類和規格，晶體退火處理要求，晶體退火目的決定退火處理周期，即退火處理時間。
7.依據權利要求1或6所述的中性、惰性氣氛中晶體的退火處理方法，其特征在于退火處理升溫速率為40℃/小時-450℃/小時；退火處理溫度的恒溫時間為1小時至大于100小時；降溫速率為20℃/小時-350℃/小時。
8.依據權利要求1或6所述的中性、惰性氣氛中晶體的退火處理方法，其特征在于依據不同晶體品種、不同規格的晶體坯塊、晶片、晶體棒，不同品種的陶瓷晶體，決定其最高退火恒溫溫度和恒溫時間及熱處理時間和溫度。
9.依據權利要求1所述的中性、惰性氣氛中晶體的退火處理方法，其特征在于可采用爐內壓力為0.01～0.06MPa的封閉狀態下的退火方法及熱處理方法。
10.依據權利要求1所述的中性、惰性氣氛中晶體的退火處理方法，其特征在于可采用爐內壓力為0.01～0.06MPa的流通氣體退火方法及熱處理方法。
全文摘要
本發明屬晶體的熱處理領域，中性、惰性氣氛中晶體的退火處理方法在于將待退火和熱處理的晶體、置于“晶體退火裝置”內，在真空狀態下，充入中性氣體或惰性氣體或其混合氣體，在中性、惰性氣氛中從事晶體的退火或熱處理。利用純氣體在高溫狀態下的強吸附作用，達到晶體的脫碳去色、去色心、去污染、去除晶體內應力和晶體的重結晶。中性、惰性氣氛中晶體的高溫退火，不會產生新的晶格缺陷和離子價態變化，加之熱場穩定、均勻，極適合于晶體的重結晶效應。經過中性、惰性氣氛中退火或熱處理后的晶體，其亮度、透明度俱佳，結晶完整性和光學均勻性大為改善，并使原來不能使用的藍寶石晶體中的絲狀光路也消失，成為晶瑩透亮的無色優質晶體。
文檔編號C30B33/02GK1743514SQ200510028670
公開日2006年3月8日 申請日期2005年8月11日 優先權日2005年8月11日
發明者周永宗 申請人:周永宗