專利名稱：藍寶石晶體的脫碳去色退火方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種適用于用石墨電阻發(fā)熱體為加熱元件所生長的含雜質(zhì)碳和帶雜色的藍寶石(Al2O3)晶體的脫碳去色退火方法。
藍寶石晶體是使用最廣泛、最實用的GaN藍光半導(dǎo)體二極管的襯底材料，是高功率激光器理想的窗口材料，是世界級重力波干涉儀上的光學(xué)材料。
已有技術(shù)目前生長光學(xué)級優(yōu)質(zhì)藍寶石晶體尤以電阻爐提拉法和溫度梯度法(TGT)為主，這兩種方法均用石墨電阻發(fā)熱體為加熱元件。由于石墨材料在2050℃生長溫度的揮發(fā)，造成實際生長氣氛為弱還原性氣氛，在這樣的條件下，原料中的雜質(zhì)離子以低價態(tài)形式如Cr3+，Ti3+存在于晶體中，Cr3+，Ti3+等在可見光范圍內(nèi)有吸收，因此所得到的晶體不同程度地存在顏色，一般提拉法生長的藍寶石晶體呈微紅色或微黃色，溫梯法生長的藍寶石(Al2O3)晶體在不同部位表現(xiàn)不同顏色，一般上部為淺紅色，下部為淺黃色。這種顏色影響了透過率。
殷順湖等人在1993年采用氧氣氛在1200℃，恒溫48小時對以石墨電阻為發(fā)熱體的坩堝下降法生長的藍寶石晶體進行退火，可以消除著色，但晶體尺寸僅為25×25×3mm3(參見人工晶體學(xué)報，1993(5)，第22卷，第2期)，而且脫碳不徹底。
本發(fā)明的目的提供一種藍寶石晶體的脫碳支色退火方法。將原來帶有顏色的含碳的藍寶石晶體變得無色、透明，晶體透過率將大幅度提高，并進一步提高晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性。
本發(fā)明的方法，主要包括兩大步驟(1)將待退火的藍寶石晶體置于退火爐內(nèi)，首先進行高溫氧化氣氛退火。對置放待退火的藍寶石晶體的退火爐內(nèi)，在空氣中升溫到1200℃至1700℃，恒溫大于100小時后，緩慢降至室溫。
(2)進行高溫強還原氣氛脫碳退火。將經(jīng)過上述高溫氧化氣氛退火后的藍寶石晶體置于密封的退火爐內(nèi)，先排除退火爐內(nèi)的空氣，當真空度高于5×10-3Pa時，充入氫氣，充入氫氣氣壓為0.02MPa至0.05MPa時，升溫到1600℃至2200℃，恒溫大于100小時后，緩慢降到室溫。
按上述步驟，先進行高溫氧化氣氛退火，主要達到兩個目的其一，將藍寶石晶體原料中的低價態(tài)雜質(zhì)離子如Cr3+，Ti3+充分氧化成高價態(tài)Cr4+，Ti4+，消除Cr3+，Ti3+對可見光的吸收；其二，利用氧氣對碳的高溫吸附作用，使內(nèi)部的微量碳滲透到晶體的表面，并與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)如，以CO2或CO的形式析出，即起脫碳的作用。
將經(jīng)過上述高溫氧化氣氛退火的晶體再進行高溫強還原氣氛脫碳退火，當溫度高于900℃時，氫氣(H2)主要以分子狀態(tài)吸附碳，在2000℃時，碳的質(zhì)量損耗速率為0.133g/cm2·s，為1800℃時的四倍。高溫強還原氣氛退火起徹底脫碳的作用，但不會引起高價態(tài)Cr4+，Ti4+離子向低價態(tài)Cr3+，Ti3+的轉(zhuǎn)變，因為高價態(tài)Cr4+，Ti4+離子在Al2O3晶體結(jié)構(gòu)中非常穩(wěn)定。
本發(fā)明方法的優(yōu)點利用Al2O3晶體結(jié)構(gòu)中高價態(tài)Cr4+，Ti4+離子的穩(wěn)定性比Cr3+，Ti3+離子的穩(wěn)定性高的特點，先氧化氣氛、后還原氣氛的退火過程，對石墨電阻發(fā)熱體為加熱元件生長的含碳和帶雜色的藍寶石晶體實現(xiàn)去色、多次脫碳的效果，使得晶體變得無色透明，提高了透過率，晶體結(jié)構(gòu)更趨完整性，位錯密度降低近兩個數(shù)量級。


圖1是溫梯法生長的含雜質(zhì)碳和帶雜色的藍寶石晶體(φ110×80mm3)毛坯。
圖2是經(jīng)過高溫氧化氣氛退火的表面附有氧化碳的藍寶石晶體。
圖3是經(jīng)氧化氣氛退火后再進行強還原氣氛退火的無色透明晶體。
實施例l將待退火的藍寶石晶體置于退火爐中，按照上述步驟依此進行高溫氧化和高溫強還原去色脫碳的退火。
采用溫度梯度法生長的Al2O3晶體尺寸為φ110×80mm3，晶體完整但帶有多種顏色，近籽晶部位(上部)淺紅色，下部為微綠色，如圖1。將Al2O3晶體毛坯置于KSY-12D-18硅鉬棒發(fā)熱體電阻爐的退火爐內(nèi)，以60℃/hr速率升溫，逐漸升溫至1600℃，恒溫120小時，進行高溫氧化氣氛(空氣)去色、脫碳退火。恒溫120小時后，以40℃/hr速率緩慢降至室溫，待晶體完全冷卻后取出，此時，Al2O3晶體毛坯呈黑色如圖2。將經(jīng)氧化氣氛退火的上述Al2O3晶體再置于鐘罩式真空電阻爐的退火爐內(nèi)。當鐘罩式電阻爐密封后，在室溫抽真空至真空度到10-3Pa后，以80℃/hr速率升溫至1200℃時，恒溫1小時，盡可能排除爐膛內(nèi)吸附的水分和強揮發(fā)性的雜質(zhì)。接著，充入具有強吸附碳能力的高純H2作為保護氣體，采用高純氫氣起多次脫碳作用，爐內(nèi)壓力為0.03MPa，待爐內(nèi)溫度平衡后，以60℃/hr速率升溫至1900℃，恒溫120小時，進行高溫還原脫碳退火。恒溫120小時后，以20℃/hr速率緩慢降至室溫，待Al2O3晶體完全冷卻后，取出晶體，此時Al2O3晶體為無色、透明如圖3所示。經(jīng)測試，退火前晶體的位錯密度為105/cm2量級，退火后晶體的位錯密度為103-104/cm2量級；退火前晶體的光學(xué)透過率為85％，退火后晶體的光學(xué)透過率為88％。可見，經(jīng)上述兩次退火后，Al2O3晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整性和光學(xué)透過率都有顯著地提高。
權(quán)利要求
一種藍寶石晶體的脫碳去色退火方法，將待退火的藍寶石晶體置于退火爐內(nèi)進行退火，其特征在于主要包括兩大步驟<1>首先進行高溫氧化氣氛退火對置放待退火的藍寶石晶體的退火爐內(nèi)，在空氣中升溫到1200℃至1700℃，恒溫大于100小時后，緩慢降至室溫；<2>進行高溫強還原氣氛脫碳退火將經(jīng)過上述高溫氧化氣氛退火后的藍寶石晶體置于密封的退火爐內(nèi)，先排除退火爐內(nèi)的空氣，當真空度高于5×10-3Pa時，充入氫氣，當氫氣氣壓為0.02MPa至0.05MPa時，升溫到1600℃至2200℃，恒溫大于100小時后，緩慢降至室溫。
全文摘要
一種藍寶石晶體的脫碳去色退火方法,主要包括兩大步驟:首先將待退火的藍寶石晶體置于退火爐內(nèi),進行高溫氧化氣氛退火,消除晶體內(nèi)低價態(tài)雜質(zhì)離子Cr
文檔編號C30B33/00GK1266112SQ0011188
公開日2000年9月13日 申請日期2000年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月3日
發(fā)明者徐軍, 周國清, 鄧佩珍 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所