СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПЛАСТИН САПФИРА
METHOD FOR THERMAL TREATMENT OF SAPPHIRE PLATES

Изобретение относится к области производства подложек из лейкосапфира для гетероэпитаксии нитридов III группы, которые в дальнейшем применяются для изготовления различных оптоэлектронных элементов и устройств.
Подложки лейкосапфира (чистого бесцветного сапфира) проходят достаточно сложный технологический цикл, связанный с разрезанием кристаллов на отдельные пластины, шлифованием пластин, отжигом резаных и шлифованных пластин на воздухе при температурах 1000÷1400°C, полированием пластин, химической и гидромеханической очисткой их поверхности [1].
Известно, что наличие активных примесей в сапфире в количествах более 0,01% приводит к окрашиванию кристалла [2]. Цветовой оттенок зависит от типа примеси. Например, наличие примеси хрома дает розовую окраску (рубин). Наличие активных примесей в количествах менее 0,01% не окрашивает кристалл, однако проявляется в виде изменения его окраски при отжиге пластин на воздухе при температурах 1000÷1400°C и при ультрафиолетовом облучении пластин при комнатной температуре. Интенсивность изменения цвета пропорциональна содержанию примеси, активности ее состояния в кристалле и времени обработки. Отжиг кристаллов сапфира в восстановительной среде приводит к изменению состояния ионов примеси в кристалле и уменьшению интенсивности его окрашивания [2].
В последнее время для подложек лейкосапфира, используемых в производстве приборов оптоэлектроники, ужесточились требования к их чистоте. Требуются подложки лейкосапфира с содержанием примесей металлов на уровне 0,005% и менее. Определение содержания примесей в кристаллическом сапфире на этом уровне сложная и дорогостоящая процедура. Поэтому качество лейкосапфира по содержанию активных примесей определяют косвенным методом по изменению цвета пластины под воздействием отжига на воздухе при температурах 1000÷1400°C в течение 2 часов и при ультрафиолетовом облучении пластин в течение 1 часа при комнатной температуре. При этом появление цветового оттенка на подложках лейкосапфира не допускается.
Имеется достаточно большой объем кристаллов и пластин лейкосапфира с содержанием в них активных примесей на уровне 0,005-0,01%. Целесообразно их использовать, изменив в них состояние примесей из активного на пассивное.
Термообработка пластин сапфира является одним из способов перевода примеси из активного состояния в пассивное. Способы термообработки кристаллов и пластин сапфира известны [1, 2]. Однако они используются в основном для уменьшения напряжений в кристаллах и пластинах, уменьшения поверхностной твердости, уменьшения плотности дислокации и удаления поверхностных загрязнений. Перечисленные способы не обеспечивают перевод примеси из активного состояния в пассивное и не позволяют получить пластины с содержанием примесей на уровне 0,005÷0,01% стойкие (без изменения цвета) к воздействию отжига на воздухе при температурах 1000÷1400°C в течение 2 часов и ультрафиолетового облучения в течение 1 часа при комнатной температуре.
Наиболее близким способом к предлагаемому и принятому за прототип является способ термической обработки пластин сапфира, приведенный в [2] (Рубин и сапфир. Изд-во "Наука" 1974 г., стр.200-208), заключающийся в том, что пластины сапфира отжигают в вакууме при температурах 1200÷1950°C в течение 1 часа в нейтральной или восстановительной среде. Недостатком этого способа является невозможность получения пластин лейкосапфира с содержанием примесей на уровне 0,005÷0,01%, стойких (без изменения цвета) к воздействию отжига на воздухе при температурах 1000÷1400°C в течение 2 часов и ультрафиолетового облучения в течение 1 часа при комнатной температуре.
Задачей настоящего изобретения является преодоление указанного недостатка и создание способа термической обработки пластин сапфира для повышения их стойкости (отсутствию изменения окраски) к воздействию отжига на воздухе при температурах 1000÷1400°C и ультрафиолетового облучения.
Техническое решение поставленной задачи достигается тем, что прошедшие шлифовку и отмывку пластины лейкосапфира размещают в углублениях графитовых ячеек - стаканов и покрывают поверхность пластин графитовым порошком, заполняя ячейку до ее верхнего уровня, ячейки с пластинами лейкосапфира размещают внутри графитового контейнера, устанавливая их вертикально одна на другую, контейнер заполняют графитовым порошком до его верхнего уровня и закрывают графитовой крышкой, контейнер размещают внутри камеры вакуумной печи отжига, в камере создают вакуум не хуже 5×10-4 мм рт.ст., напускают в камеру чистый газообразный азот и проводят повторное вакуумирование камеры, проводят разогрев контейнера с пластинами лейкосапфира до температуры отжига 1400÷1500°C со скоростью подъема температуры не более 30°C  в минуту при продолжающейся откачке камеры вакуумными насосами, проводят вакуумный отжиг в течение 2-4 час, проводят охлаждение контейнера с пластинами лейкосапфира со скоростью не более 2° в минуту до комнатной температуры, извлекают пластины лейкосапфира из ячеек и изготавливают из них подложки по известным технологиям.
В качестве материала ячейки, контейнера и порошка используют чистый графит марки ОСЧ. Углубление ячейки имеет плоское дно, внутренний диаметр, равный диаметру пластин лейкосапфира, и глубину, превышающую толщину пластин лейкосапфира не менее чем на 0,5 мм. Контейнер имеет плоское дно и внутренний диаметр, равный наружному диаметру ячеек.
Пример реализации способа
Шлифованные пластины лейкосапфира ориентации (0001) диаметром 100 мм, толщиной 0,6 мм с содержанием примесей на уровне 0,005÷0,01%, нестойкие к воздействию отжига на воздухе при температуре 1200°C в течение 2 часов (наличие оттенка синего цвета) и ультрафиолетового облучения в течение 1 часа при комнатной температуре (наличие оттенка коричневого цвета) в количестве 50 шт. размещали в углублениях ячеек-стаканов, изготовленных из графита марки ОСЧ, покрывали поверхность пластин графитовым порошком марки ОСЧ, заполняя ячейки до их верхнего уровня, ячейки с пластинами лейкосапфира размещали внутри контейнера, изготовленного из графита марки ОСЧ, устанавливая их вертикально одна на другую, контейнер досыпали графитовым порошком марки ОСЧ до его верхнего уровня и закрывали графитовой крышкой, контейнер размещали внутри камеры вакуумной печи отжига, в камере создавали вакуум 1×10-4 мм рт.ст., напускали в камеру газообразный азот марки ОСЧ, проводили повторное вакуумирование камеры, проводили разогрев контейнера с пластинами лейкосапфира до температуры отжига 1450°C со скоростью подъема температуры 30°C в минуту при продолжающейся откачке камеры вакуумными насосами, проводили вакуумный отжиг в течение 4 час, проводили охлаждение контейнера с пластинами лейкосапфира со скоростью 2°C в минуту до комнатной температуры, извлекали контейнер из камеры вакуумной печи, выгружали обработанные пластины и проверяли повторно на стойкость к воздействию отжига на воздухе при температуре 1200°C в течение 2 часов и ультрафиолетового облучения в течение 1 часа при комнатной температуре. Пластины стали стойкими (изменения окраски не наблюдалось).
Проведенная серия процессов термообработки шлифованных пластины лейкосапфира при изготовлении сапфировых подложек ориентации (0001) диаметром 50,8; 76,2 и 100 мм подтвердила промышленную применимость предлагаемого способа.
Источники информации
1. Патент РФ №2284073. Способ изготовления пластин монокристаллов. Варакин М.В., Куликов В.И., Погудин А.А., Хан В.Е.
2. Рубин и сапфир. Изд-во "Наука" 1974 г., стр.1, 104÷106, 200÷207, 214÷218.