藍(lán)寶石單晶體的熱處理方法及裝置的制造方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明提供一種藍(lán)寶石(sapphire)單晶體的熱處理方法及裝置，其對(duì)藍(lán)寶石單晶體進(jìn)行熱處理，從而去除單晶體內(nèi)的殘留應(yīng)力，并抑制細(xì)微裂痕(crack)的產(chǎn)生，從而可提尚藍(lán)寶石單晶體的品質(zhì)?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]藍(lán)寶石單晶體是一種將氧化鋁(alumina，AL2O3)在一定溫度下熔融后凝固的過程中具有六方晶(HCP)系(hexagonalsystem)的結(jié)晶構(gòu)造、并向一個(gè)方向凝固的物質(zhì)，所述氧化鋁是鋁(Al)和氧(O)結(jié)合形態(tài)的化合物。[0003]藍(lán)寶石單晶體作為具有僅次于金剛石(diamond)的硬度的材料，與石英相比，耐磨損性、耐腐蝕性約高出10倍，且絕緣特性及光透過性優(yōu)秀，不僅用作合成寶石、時(shí)鐘玻璃，而且也廣范圍地應(yīng)用于IT、產(chǎn)業(yè)、軍事、LED基板等尖端材料領(lǐng)域。尤其，作為IT儀器的觸屏材料而廣受關(guān)注，并且用作軍事用紅外線探測(cè)導(dǎo)彈(missile)及戰(zhàn)斗機(jī)、探索機(jī)等的窗戶(window)材料。[0004]為了將藍(lán)寶石單晶體用于精密儀器的窗戶(window)等，使合成的藍(lán)寶石單晶體晶塊(ingot)適合最終產(chǎn)品的形態(tài)和大小，須經(jīng)過切斷、研磨及拋光(polishing)工藝。在所述切斷、研磨及拋光工藝中，通常使用比藍(lán)寶石單晶體硬度高的金剛石研磨劑。[0005]首先，切斷工藝作為從合成的藍(lán)寶石單晶體晶塊上切斷出與產(chǎn)品的基本形狀及大小一致的形狀的步驟，切斷時(shí)通過與藍(lán)寶石單晶體和研磨劑的摩擦等，由表面向厚度方向產(chǎn)生細(xì)微裂痕(crack)。此外，切斷時(shí)產(chǎn)生的加工應(yīng)力殘留于藍(lán)寶石單晶體內(nèi)部，從而具有粗糙的表面。[0006]并且，研磨工藝作為使經(jīng)過切斷后的藍(lán)寶石單晶體的表面更加美觀的步驟，切斷時(shí)由表面向厚度方向產(chǎn)生的細(xì)微裂痕通過研磨可去除大部分，但是切斷時(shí)所產(chǎn)生的細(xì)微裂痕不僅無法完美地去除，而且在研磨時(shí)，內(nèi)部殘留有比切斷時(shí)產(chǎn)生的細(xì)微裂痕小的其它的細(xì)微裂痕及加工應(yīng)力。[0007]最后，拋光工藝作為為了窗戶的光透過性而使得表面有光澤的步驟，在拋光工藝中，去除了研磨后無法完美去除的細(xì)微裂痕等，但在所述工藝中也一樣，在表面依然殘留有非常細(xì)微的裂痕及加工應(yīng)力。[0008]由此，為了將藍(lán)寶石單晶體用于窗戶等而經(jīng)過上述加工工藝，但是由于所述工藝中產(chǎn)生的細(xì)微裂痕及加工應(yīng)力的殘留，用于藍(lán)寶石單晶體窗戶的產(chǎn)品的強(qiáng)度會(huì)顯著降低，尤其，當(dāng)細(xì)微裂痕受到來自窗戶外部施加的力時(shí)，作為破壞的開始點(diǎn)，成為降低藍(lán)寶石產(chǎn)品整體強(qiáng)度的最大原因。[0009]殘留的內(nèi)部應(yīng)力也是降低整體強(qiáng)度的原因。強(qiáng)度降低的藍(lán)寶石單晶體窗戶用于IT儀器或軍需用等時(shí)，易于發(fā)生破壞的可能性提高，從而帶來在傳感器保護(hù)窗或窗口用途的使用上的制約。[0010]如韓國登記專利公報(bào)10-0578162(2006年5月2日)所公開的，現(xiàn)有的硅(silicon)單晶體晶片(wafer)的熱處理方法的構(gòu)成為，將娃單晶體晶塊(ingot)薄薄地切斷而得到晶片，使用急速加熱/急速冷卻裝置在1200°C以上的溫度下對(duì)所述晶片執(zhí)行I秒以上的退火(annealing)熱處理。將所述娃單晶體晶塊生長(zhǎng)速度提高至0.6mm/min以上而制造，且氧濃度為16ppma以下，并且大小為60?130nm的COP以高密度存在于所述娃單晶體晶塊。[0011]在執(zhí)行熱處理時(shí)，因?yàn)樗霈F(xiàn)有的硅單晶體晶片的熱處理方法以一定的升溫速度進(jìn)行加熱，所以升溫速度大的情況下，存在晶片受到熱的影響而產(chǎn)生裂痕等損傷的擔(dān)憂，升溫速度小的情況下，存在升溫時(shí)間變長(zhǎng)而生產(chǎn)率下降的問題?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0012]由此，本發(fā)明的目的在于提供一種藍(lán)寶石單晶體熱處理方法及熱處理裝置，其在對(duì)箱室內(nèi)進(jìn)行升溫時(shí)，以各自不同的升溫速度實(shí)施多步驟升溫，從而在縮短升溫時(shí)間的同時(shí)也能夠最小化藍(lán)寶石單晶體受到的熱影響。[0013]本發(fā)明想要解決的課題并非限定于上述所提及的技術(shù)課題，并且未提及的其他技術(shù)課題對(duì)于本發(fā)明所屬的
技術(shù)領(lǐng)域：
內(nèi)具有通常知識(shí)的人員來講，能夠從以下記載中得到明確地理解。[0014]為了達(dá)成所述目的，本發(fā)明的藍(lán)寶石單晶體熱處理方法包括:將藍(lán)寶石單晶體裝入箱室內(nèi)部的步驟；對(duì)箱室內(nèi)進(jìn)行加熱，從而升溫至目標(biāo)溫度的步驟；將箱室內(nèi)的溫度維持在一定溫度的步驟；將箱室內(nèi)冷卻至常溫的步驟，所述升溫步驟包括:第一升溫步驟，以40C/min?5°C/min的升溫率實(shí)施升溫至第一設(shè)定溫度；第二升溫步驟，完成第一升溫步驟后，以1°C/min以下的升溫率實(shí)施升溫至第二設(shè)定溫度。[0015]本發(fā)明的藍(lán)寶石單晶體熱處理裝置包括:箱室(chamber)，其收納有藍(lán)寶石單晶體；耐火材料，其安裝于所述箱室的內(nèi)壁面，從而對(duì)箱室的內(nèi)部進(jìn)行隔熱；發(fā)熱體，其設(shè)置于所述箱室內(nèi)部，從而對(duì)藍(lán)寶石單晶體進(jìn)行加熱；保護(hù)罩(shield)部件，其配置為包圍藍(lán)寶石單晶體，從而使發(fā)熱體的熱不直接傳遞至藍(lán)寶石單晶體，并且為了防止所述箱室由熱引起變形，從而使用具有冷媒流動(dòng)的通道的雙重箱室。[0016]如上所述，本發(fā)明的藍(lán)寶石單晶體熱處理方法及熱處理裝置的升溫步驟由第一升溫步驟和第二升溫步驟構(gòu)成，所述第一升溫步驟使升溫速度迅速達(dá)到一定溫度，所述第二升溫步驟在第一升溫步驟完成后，使升溫速度緩慢，從而升溫至目標(biāo)設(shè)定溫度，從而在縮短升溫時(shí)間的同時(shí)，防止藍(lán)寶石單晶體由于熱帶來的影響?！靖綀D說明】[0017]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的藍(lán)寶石單晶體熱處理裝置的截面圖。[0018]圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的藍(lán)寶石單晶體熱處理方法的工藝順序圖。[0019]圖3是表示熱處理前和熱處理后的藍(lán)寶石單晶體的破斷強(qiáng)度及破斷形狀的圖表(graph)。[0020]圖4是表示熱處理前藍(lán)寶石單晶體的細(xì)微裂痕的照片。[0021]圖5是表示熱處理后藍(lán)寶石單晶體的細(xì)微裂痕的照片?！揪唧w實(shí)施方式】[0022]以下，參照附圖對(duì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。在所述過程中，為了說明上的明晰和方便，附圖中所示出的構(gòu)成要素的大小或形狀等可能被夸張地示出。此外，考慮到本發(fā)明的構(gòu)成及作用，特別定義的術(shù)語根據(jù)使用者、運(yùn)用者的意圖或慣例可能不同。對(duì)所述術(shù)語的定義應(yīng)以本說明書全部?jī)?nèi)容為基礎(chǔ)來決定。[0023]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的藍(lán)寶石單晶體熱處理裝置的截面圖。[0024]參照?qǐng)D1，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的藍(lán)寶石單晶體熱處理裝置包括:箱室(chamber)10，其內(nèi)部收納有藍(lán)寶石單晶體100;耐火材料20，其安裝于箱室10的內(nèi)壁面，從而對(duì)箱室10的內(nèi)部進(jìn)行隔熱；發(fā)熱體30，其設(shè)置于箱室10內(nèi)部，從而對(duì)藍(lán)寶石單晶體100進(jìn)行加熱；保護(hù)罩(shield)部件40，其配置為包圍藍(lán)寶石單晶體100，從而使發(fā)熱體30的熱不直接傳遞至藍(lán)寶石單晶體100，進(jìn)而保護(hù)藍(lán)寶石單晶體100。[0025]所述熱處理裝置為了將藍(lán)寶石單晶體100的強(qiáng)度提升效果進(jìn)行最大化，應(yīng)能夠進(jìn)行超高溫的升溫及維持，以便在藍(lán)寶石單晶體的熔融點(diǎn)(2050°C)以下也能夠進(jìn)行熱處理。[0026]在藍(lán)寶石單晶體100的熔融點(diǎn)2050°C以下的高溫下，箱室10不應(yīng)該由于耐火材料20所放出的熱而產(chǎn)生變形，應(yīng)可在真空及氣體環(huán)境下進(jìn)行使用。[0027]由此，為了防止由熱引起的變形，箱室10可使用具有冷媒流動(dòng)的通道12的雙重箱室，以便能夠利用冷媒(冷卻水、氣體等)使箱室10冷卻。[0028]箱室10的內(nèi)部環(huán)境可使用真空環(huán)境或氣體環(huán)境，并且真空環(huán)境下維持低于一氣壓，氣體環(huán)境下可在一氣壓、一氣壓以上或者也可在低于一氣壓下使用。氣體可使用氬(Argon)、氫、氮或氦(helium)等。[0029]耐火材料20執(zhí)行防止從發(fā)熱體30放出的熱流出至外部的隔熱材料的作用，耐火材料20的原材料可使用鶴(tungsten)、鉬(moIybden)、碳(carbon)及石墨系租(felt)等金屬類及陶瓷類(ceramics)材料等。[0030]發(fā)熱體30的作用在于將箱室10內(nèi)部的溫度加熱至藍(lán)寶石單晶體100的熔融點(diǎn)以下，并且加熱方式可使用誘導(dǎo)加熱及電阻加熱方式等。尤其，在作為電阻加熱方式中的發(fā)熱體材料可使用鎢及鉬、石墨、碳化硅等的金屬類或非金屬類材料。[0031]保護(hù)罩部件40阻斷從發(fā)熱體30放出的熱直接傳遞至藍(lán)寶石單晶體100，從而防止由于發(fā)熱體30的發(fā)熱偏差導(dǎo)致藍(lán)寶石單晶體100的溫度不均衡，從而可進(jìn)行均勻的熱處理。[0032]所述保護(hù)罩部件40可使用鶴、鉬、銥(Iridiam)、鉭(tantalum)等金屬材料。并且，箱室10內(nèi)部具有臺(tái)子(table)50，其用于放置包圍藍(lán)寶石單晶體100的保護(hù)罩部件40。[0033]由此，對(duì)所構(gòu)成的根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的藍(lán)寶石單晶體熱處理裝置使用的熱處理方法進(jìn)行如下說明。[0034]圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的藍(lán)寶石單晶體熱處理方法的順序圖。[0035]本發(fā)明的熱處理工藝包括如下步驟:將熱處理對(duì)象藍(lán)寶石單晶體100裝入箱室10內(nèi)部的步驟SlO;升溫至目標(biāo)溫度的步驟S20;維持一定溫度的步驟S30及冷卻步驟S40。[0036]為了符合最終產(chǎn)品的形狀及大小，藍(lán)寶石單晶體晶塊須經(jīng)過切斷、研磨及拋光(polishing)工藝。[0037]由此，藍(lán)寶石單晶體100的熱處理不僅在拋光(polishing)工藝之后進(jìn)行，而且在切斷工藝之后，或研磨工藝之后也可進(jìn)行。此外，藍(lán)寶石結(jié)晶體的加工表面可使用為根據(jù)結(jié)晶取向的A-plane、C-plane、R-plane等全方位。[0038]首先，裝入步驟SlO作為將藍(lán)寶石單晶體100投入箱室10內(nèi)部的步驟，可使用將藍(lán)寶石單晶體相互重疊后投入的方法，及以間隔一定間距的方式層疊后投入的方法。[0039]將藍(lán)寶石單晶體100裝入的方法中，相互重疊投入的方法可在相同內(nèi)部空間大量投入，但會(huì)發(fā)生藍(lán)寶石單晶體100溫度分布不均勻的可能性，從而需要選定對(duì)比箱室10內(nèi)部大小的合適的量。[0040]并且，以相互間隔一定間距的方式層疊后投入的方法與在相同內(nèi)部空間相互重疊投入的方法相比，雖然投入的量少，但可均勻地進(jìn)行藍(lán)寶石單晶體的熱處理。[0041]將預(yù)備進(jìn)行熱處理的藍(lán)寶石單晶體100裝入箱室10當(dāng)前第1頁1 2