一步法消除藍寶石晶體材料的內部應力

戴生伢，黃振進，柳祝平，高長有，王東海，龐 旭

(1.南京理工宇龍新材料科技股份有限公司，南京 211212;2.元亮科技有限公司,無錫 214000; 3.江蘇京晶光電科技有限公司,常州 213314;4.同濟大學物理科學與工程學院，上海 200092)

在過去的幾十年中，藍寶石晶體得到了廣泛地應用，如作為GaN 藍綠光半導體二極管最實用的襯底材料、高功率激光器理想的窗口材料和激光基質材料等。目前采用溫度梯度法、泡生法已能生產出多種級別的藍寶石晶體，如80 kg級、120 kg級和150 kg級等。

藍寶石晶體在長晶過程中，晶體內不可避免的會出現應力，尤其對藍寶石晶棒而言，在掏棒加工過程后還會引入額外的加工應力。存在應力的藍寶石晶棒在切割時可能造成線弓弧度較大，切割精準度低等問題。這些問題可能增加晶片切割面的應力，使切割后的晶片翹曲度(warp)和彎曲度(bow)更大。另外，晶片進行常規的退火處理(1400 ℃左右)后，晶片內部的應力仍無法釋放，因此，晶片在后續的研磨和倒角加工時容易產生崩邊、裂紋、翹曲、散光等問題，這將進一步降低藍寶石晶片的良品率。因此，為提高晶片加工的良品率，及時消除藍寶石晶棒的內部應力是十分必要的。此外，在以鎢籠作為加熱元件的生長爐中,鎢原子(W)和少量的鉬原子(Mo)在高溫下可能以固態擴散、滲透等形式隨機進入熔體，使晶體內部產生晶格畸變、位錯、晶界等缺陷，同樣可能影響藍寶石晶體的品質。

根據已有的報道，徐軍等將溫度梯度法(TGT法)生長的藍寶石晶體依次經中高溫氧化氣氛(1600 ℃空氣氣氛)恒溫120 h、高溫還原氣氛(1900 ℃氫氣氣氛)恒溫120 h進行釋放應力、去色退火處理，即“兩步法”退火處理，晶體變成無色、透明[1]。經測試，藍寶石晶體的完整性、光學透過率均有顯著提高。但采用兩步法進行退火處理，時間成本和退火工藝成本較高。我們經過前期工藝探索研究，現提出“一步法”高溫退火工藝，即在1750～1800 ℃空氣氣氛中直接進行高溫退火，保溫時間根據晶體品質而定(一般不超過40 h)。其一，將藍寶石原料中的可能含有的低價態雜質離子(如Cr3+、Ti3+)充分氧化成高價態(Cr4+、Ti4+)，進一步減少晶棒的色差，增加晶棒品質。其二，鎢和鉬原子(W & Mo)經氧化后生成WO3和MoO3，二者在高溫下易升華，W & Mo原子以氣態的形式脫離晶棒。其三，高溫退火處理是消除晶體內部應力的最佳方法，且溫度越高，退火時間越短[2-3]，且與現有兩步法工藝相比，本工藝大大縮短了退火周期。

圖1 高溫退火爐的外形示意圖Fig.1 Outline diagram of high temperature furnace

本工藝使用的高溫退火爐(LGYL-1800AAA-30,Nanjing, Polytechnic Yulong New Materials Polytron Technologies Co., Ltd., China)外形示意圖如圖1。將待退火的藍寶石晶棒(或其他藍寶石產品)置于退火爐內退火，按照既定的升溫曲線升至1750 ～1800 ℃并恒溫40 h左右，而后按照既定的降溫曲線降至室溫。整個工藝明顯縮短了藍寶石晶棒的退火周期，節約了退火的時間成本和工藝成本。

藍寶石晶棒的外觀顏色在退火前后發生了根本性的變化，退火前，藍寶石呈現微渾濁、深暗色(圖2(a))；退火后，藍寶石內部澄清透明(圖2(b))。經透過光譜測試，見圖3，未退火的藍寶石晶片透過率82%，退火后提高到86%(樣品厚度0.84 mm)。此外，經過幾年來藍寶石加工企業就晶棒退火前后品質驗證(表1)：不事先退火處理，晶棒加工成晶片，晶片的warp不良率為0.86%，bow不良率為2.96%；經退火處理后，晶片的warp不良率為0，bow不良率為0.9%，不良率分別降低了100%和70%。由上述數據可知，該一步法退火工藝對藍寶石晶棒的晶片加工和光學透過率有明顯的改善。

圖2 退火對藍寶石晶棒外觀的影響Fig.2 Effect of annealing on appearance of sapphire ingot

圖3 藍寶石晶片退火前后透過率曲線Fig.3 Transmission curves of sapphire wafer before and after annealing

表1 晶棒退火前后加工不良率(終檢)Table 1 The rejection rate of sapphire rod before and after the heat annealing (final checkout)

WarpBowReject rateBefore annealing0.86%2.96%3.82%After annealing00.9%0.9%