專利名稱：一種α-Al₂O₃單晶的清洗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種α -Al2O3單晶的清洗方法。
技術(shù)背景
α-Al2O3是氧化鋁的最普遍結(jié)構(gòu)晶型，α-Al2O3單晶又叫剛玉，藍(lán)寶石，紅寶石。 α-Al2O3單晶擁有許多獨(dú)特的物理化學(xué)性能，是一種重要的電子、陶瓷、催化用氧化物材料， 在這些應(yīng)用中，藍(lán)寶石作為制備GaN基薄膜外延生長(zhǎng)所需的襯底材料，其拋光表面的雜質(zhì)沾污將直接影響到后續(xù)GaN外延層的質(zhì)量，從而嚴(yán)重影響GaN基發(fā)光二極管(LED)的發(fā)光性能。在目前的LED生產(chǎn)中，仍有50%以上的廢品是由于藍(lán)寶石表面污染引起的，因此有效的可重復(fù)的藍(lán)寶石清潔方法，不管是對(duì)從事藍(lán)寶石晶片加工還是LED生產(chǎn)的人來(lái)說(shuō)都具有十分重要的工程意義，如果清洗處理不當(dāng)，可能使全部藍(lán)寶石晶片報(bào)廢，做不出LED管子來(lái)，或者制造出來(lái)的LED性能低劣、穩(wěn)定性和可靠性很差。
α -Al2O3單晶的表面清潔方法主要分為濕式清洗和干式清洗，目前濕式清洗在藍(lán)寶石晶片表面凈化中仍處于主導(dǎo)地位。而濕式清潔法雖有很多，但基本沿用清潔玻璃和單晶硅的方法。由于單晶α-Al2O3的性質(zhì)與玻璃和單晶硅有較大差異(如表面荷電性質(zhì)、溶解性、吸附性等)，對(duì)玻璃和單晶硅有效的清潔方法應(yīng)用于單晶α -Al2O3樣品時(shí)效果并不理術(shù)g；ο發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要解決因α -Al2O3單晶表面吸附性強(qiáng)、表面性質(zhì)穩(wěn)定，不易溶解， 導(dǎo)致現(xiàn)有α -Al2O3單晶的清洗方法難以將表面污染物清洗干凈的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種 α-Al2O3單晶的清洗方法。
本發(fā)明的α -Al2O3單晶的清洗方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的一、預(yù)處理a、在室溫下，將α-Al2O3單晶置于乙醇中浸泡10 15h，然后用去離子水沖洗α-Al2O3單晶，再氮?dú)獯蹈?；b、在室溫下，將經(jīng)步驟a處理后的α -Al2O3單晶置于表面活性劑中超聲處理20 50min，再將α-Al2O3單晶用去離子水沖洗后氮?dú)獯蹈桑?br> 二、將經(jīng)步驟一處理后的α -Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液A中浸泡 15 25min，然后用去離子水沖洗α -Al2O3單晶，再氮?dú)獯蹈?，其中混合溶液A為濃硫酸和雙氧水的混合液，硫酸和雙氧水的體積比為2. 8 3. 2 1 ；
三、將經(jīng)步驟二處理后的α -Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液B中浸泡 15 25min，然后用去離子水沖洗α-Al2O3單晶，再氮?dú)獯蹈桑渲谢旌先芤築為氨水、雙氧水和水的混合液，氨水和雙氧水的體積比為1 0. 8 1.2，氨水和水的體積比為1 1.8 2. 5 ；
四、將經(jīng)步驟三處理后的α -Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液C中浸泡15 25min，然后用去離子水沖洗α-Al2O3單晶，再氮?dú)獯蹈桑赐瓿搔?Al2O3單晶的清洗方法；其中混合溶液C為濃鹽酸、雙氧水和水的混合液，濃鹽酸和雙氧水的體積比為1 0.8 1.2，濃鹽酸和水的體積比為1 1.8 2. 5。
本發(fā)明的α-Al2O3單晶的清洗方法的每個(gè)步驟中采用的容器不能與使用的溶液發(fā)生反應(yīng)。例如采用聚四氟乙烯容器。
本發(fā)明的步驟一的b步驟中所述表面活性劑是陰離子離子表面活性劑，優(yōu)選的是由陰離子表面活性劑配比組成的陰離子液體清洗劑，現(xiàn)有商用陰離子液體清洗劑均可用于本發(fā)明。
本發(fā)明的步驟二至步驟四中使用的濃硫酸、雙氧水、氨水和濃鹽酸均為市售產(chǎn)品。
本發(fā)明的α -Al2O3單晶的清洗方法是一種多步驟的濕化學(xué)清潔方法，能夠有效地解決α -Al2O3單晶表面因吸附性強(qiáng)，表面性質(zhì)穩(wěn)定不易溶解造成的現(xiàn)有清洗方法難以將表面污染物清洗干凈的問(wèn)題。α -Al2O3單晶的清洗方法重復(fù)性好，清洗得的氧化鋁單晶潔凈度高，清洗后的Q-Al2O3單晶表面只有A1、0、C三種元素，其中碳含量<5%。清洗采用的設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，易于掌握，過(guò)程安全、無(wú)污染。
本發(fā)明的獨(dú)到之處和有益效果是
(1)針對(duì)α-Al2O3單晶的表面吸附力強(qiáng)，溶解度低，表面硬度高等特點(diǎn)，本發(fā)明確定了所用溶劑的順序及物質(zhì)配比，采用本發(fā)明的清洗方法能夠得到表面清潔的α -Al2O3單曰曰曰°
(2)對(duì)α -Al2O3單晶進(jìn)行預(yù)處理(步驟一)，利用α -Al2O3單晶在表面活性劑中浸泡超聲處理，可有效去除α-Al2O3單晶表面的顆粒型污染物及重有機(jī)物沾污物，此步去除的主要為與表面結(jié)合較弱的分子型污染物，避免其對(duì)離子型及原子型沾污雜質(zhì)的掩蔽作用。也避免了步驟二中在H2S04+H2&的混合溶液A中加熱處理時(shí)使大量有機(jī)污染物碳化而難以去除的問(wèn)題。
(3)步驟二至步驟四為改進(jìn)的RCA法，主要去除與表面結(jié)合較為牢固的離子型及原子型污染物。
(4)步驟二中利用H2SO4和H2A的強(qiáng)氧化性，去除掉前處理中余留的有機(jī)污染物。
(5)步驟三中采用ΝΗ3+Η2Α+Η20的混合溶液加熱處理，可以有效的去除α -Al2O3單晶表面粒子、部分有機(jī)物及部分金屬污染物。
(6)步驟四中采用HC1+HA+H20的混合溶液加熱處理，主要用于去除金屬污染。
(7)控制步驟二至步驟四中的各混合溶液的配比，調(diào)節(jié)PH值，增加其氧化性和蝕刻效率，從而有效的改善其表面清潔效率。


圖1是未經(jīng)試驗(yàn)1處理的α -Al2O3單晶的Χ_射線光電子能譜圖；圖2是經(jīng)試驗(yàn)1 處理后的α-Al2O3單晶的X-射線光電子能譜圖；圖3是經(jīng)試驗(yàn)1處理后的α-Al2O3單晶的大范圍的原子力顯微鏡照片；圖4是經(jīng)試驗(yàn)1處理后的α -Al2O3單晶的小范圍的原子力顯微鏡照片；圖5是經(jīng)試驗(yàn)1處理后的α -Al2O3單晶的表面接觸角示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式
，還包括各具體實(shí)施方式
間的任意組合。
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式為α -Al2O3單晶的清洗方法，其是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的
一、預(yù)處理a、在室溫下，將α-Al2O3單晶置于乙醇中浸泡10 15h，然后用去離子水沖洗α-Al2O3單晶，再氮?dú)獯蹈?；b、在室溫下，將經(jīng)步驟a處理后的Ci-Al2O3單晶置于表面活性劑中超聲處理20 50min，再將α -Al2O3單晶用去離子水沖洗后氮?dú)獯蹈桑?br> 二、將經(jīng)步驟一處理后的α -Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液A中浸泡 15 25min，然后用去離子水沖洗α -Al2O3單晶，再氮?dú)獯蹈?，其中混合溶液A為濃硫酸和雙氧水的混合液，濃硫酸和雙氧水的體積比為2. 8 3. 2 1 ；
三、將經(jīng)步驟二處理后的α -Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液B中浸泡 15 25min，然后用去離子水沖洗α-Al2O3單晶，再氮?dú)獯蹈桑渲谢旌先芤築為氨水、雙氧水和水的混合液，氨水和雙氧水的體積比為1 0. 8 1.2，氨水和水的體積比為1 1.8 2. 5 ；
四、將經(jīng)步驟三處理后的α -Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液C中浸泡15 25min，然后用去離子水沖洗α-Al2O3單晶，再氮?dú)獯蹈桑赐瓿搔?Al2O3單晶的清洗方法；其中混合溶液C為濃鹽酸、雙氧水和水的混合液，濃鹽酸和雙氧水的體積比為 1 0.8 1.2，濃鹽酸和水的體積比為1 1.8 2. 5。
本實(shí)施方式步驟二中的濃硫酸和雙氧水為市售產(chǎn)品，濃硫酸的質(zhì)量百分濃度為 98%，雙氧水為質(zhì)量百分濃度為30%的市售雙氧水。步驟三中氨水和雙氧水亦為市售產(chǎn)品， 氨水為質(zhì)量百分濃度為25% 的市售氨水，雙氧水為質(zhì)量百分濃度為30%的市售雙氧水。步驟四中濃鹽酸和雙氧水亦為市售產(chǎn)品，濃鹽酸的質(zhì)量百分濃度為36% 38%，雙氧水為質(zhì)量百分濃度為30%的市售雙氧水。
本實(shí)施方式的α -Al2O3單晶的清洗方法是一種多步驟的濕化學(xué)清潔方法，能夠有效地解決α -Al2O3單晶表面因吸附性強(qiáng)，表面性質(zhì)穩(wěn)定不易溶解造成的現(xiàn)有清洗方法難以將表面污染物清洗干凈的問(wèn)題。α -Al2O3單晶的清洗方法重復(fù)性好，清洗得的氧化鋁單晶潔凈度高。清洗采用的設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，易于掌握，過(guò)程安全、無(wú)污染。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟一的b步驟中表面活性劑為陰離子表面活性劑。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
本實(shí)施方式中優(yōu)選的是由陰離子表面活性劑配比組成的陰離子液體清洗劑，現(xiàn)有商用陰離子液體清洗劑均可用于本實(shí)施方式。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二不同的是步驟二中混合溶液 A為濃硫酸和雙氧水的混合液，濃硫酸和雙氧水的體積比為3 1。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一、二或三不同的是步驟三中混合溶液B為氨水、雙氧水和水的混合液，氨水和雙氧水的體積比為1 1，氨水和水的體積比為 1 2。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一、二或三相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至四之一不同的是步驟四種混合溶液C為濃鹽酸、雙氧水和水的混合液，濃鹽酸和雙氧水的體積比為1 1，濃鹽酸和水的體積比為1 2。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至四之一相同。
進(jìn)行如下試驗(yàn)，驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果
試驗(yàn)1 α -Al2O3單晶的清洗方法，其是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的
一、預(yù)處理a、在室溫下，將α -Al2O3單晶置于乙醇中浸泡12h，然后用去離子水沖洗α-Al2O3單晶，再氮?dú)獯蹈?；b、在室溫下，將經(jīng)步驟a處理后的α-Al2O3單晶置于表面活性劑中超聲處理30min，再將α -Al2O3單晶用去離子水沖洗后氮?dú)獯蹈桑?br> 二、將經(jīng)步驟一處理后的α -Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液A中浸泡 20min，然后用去離子水沖洗α -Al2O3單晶，再氮?dú)獯蹈?，其中混合溶液A為濃硫酸和雙氧水的混合液，濃硫酸和雙氧水的體積比為3 1 ；
三、將經(jīng)步驟二處理后的α -Al2O3單晶在溫度為80°C的混合溶液B中浸泡20min， 然后用去離子水沖洗α -Al2O3單晶，再氮?dú)獯蹈?，其中混合溶液B為氨水、雙氧水和水的混合液，氨水和雙氧水的體積比為1 1，氨水和水的體積比為1 2;
四、將經(jīng)步驟三處理后的α -Al2O3單晶在溫度為80°C的混合溶液C中浸泡20min， 然后用去離子水沖洗α-Al2O3單晶，再氮?dú)獯蹈桑赐瓿搔?Al2O3單晶的清洗方法；其中混合溶液C為濃鹽酸、雙氧水和水的混合液，濃鹽酸和雙氧水的體積比為1 1，濃鹽酸和水的體積比為1:2。
試驗(yàn)1步驟二中的濃硫酸和雙氧水為市售產(chǎn)品，濃硫酸的質(zhì)量百分濃度為98%， 雙氧水為質(zhì)量百分濃度為30%的市售雙氧水。步驟三中氨水和雙氧水亦為市售產(chǎn)品，氨水為質(zhì)量百分濃度為的市售氨水，雙氧水為質(zhì)量百分濃度為30%的市售雙氧水。步驟四中濃鹽酸和雙氧水亦為市售產(chǎn)品，濃鹽酸的質(zhì)量百分濃度為36%，雙氧水為質(zhì)量百分濃度為30%的市售雙氧水。
試驗(yàn)1的步驟一至步驟四中均采用聚四氟乙烯容器。試驗(yàn)1的b步驟中表面活性劑為陰離子表面活性劑配比組成的商用陰離子液體清洗劑，如品牌為L(zhǎng)iqui-Nox的精制液體清潔劑(主要由線性烷芳基磺酸鈉、二甲苯磺酸鈉、鏈烷醇酰胺和乙氧基醇的均勻混合物組成)。
對(duì)未經(jīng)試驗(yàn)1處理的α -Al2O3單晶和經(jīng)試驗(yàn)1處理后的α -Al2O3單晶進(jìn)行Χ_射線光電子能譜(XPS)測(cè)試，測(cè)試得到的XPS譜圖分別如圖1和圖2所示，對(duì)比圖1和圖2可見(jiàn)，經(jīng)試驗(yàn)1的清洗方法清洗后的α-Al2O3單晶表面只有Al、0、C三種元素，其中碳含量 < 5%。
經(jīng)試驗(yàn)1處理后的α -Al2O3單晶的原子力顯微鏡(AFM)照片如圖3和圖4所示， 由圖3的大范圍AFM照片可見(jiàn)，表面沒(méi)有任何污染物，可看見(jiàn)拋光劃痕；由圖4的小范圍AFM 照片可見(jiàn)，顯示有平臺(tái)-臺(tái)階結(jié)構(gòu)。
經(jīng)試驗(yàn)1處理后的α -Al2O3單晶的表面接觸角< 5°，水在α -Al2O3單晶表面接近鋪展，如圖5所示。
可見(jiàn)，經(jīng)試驗(yàn)1處理后的α -Al2O3單晶潔凈度高，且清洗采用的設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，易于掌握，過(guò)程安全、無(wú)污染。
權(quán)利要求
1.一種α-Al2O3單晶的清洗方法，其特征在于α-Al2O3單晶的清洗方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的一、預(yù)處理a、在室溫下，將α -Al2O3單晶置于乙醇中浸泡10 15h，然后用去離子水沖洗α-Al2O3單晶，再氮?dú)獯蹈?；b、在室溫下，將經(jīng)步驟a處理后的Ci-Al2O3單晶置于表面活性劑中超聲處理20 50min，再將α -Al2O3單晶用去離子水沖洗后氮?dú)獯蹈桑欢?、將?jīng)步驟一處理后的α-Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液A中浸泡15 25min，然后用去離子水沖洗α -Al2O3單晶，再氮?dú)獯蹈?，其中混合溶液A為濃硫酸和雙氧水的混合液，硫酸和雙氧水的體積比為2. 8 3. 2 1 ；三、將經(jīng)步驟二處理后的α-Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液B中浸泡15 25min，然后用去離子水沖洗α-Al2O3單晶，再氮?dú)獯蹈?，其中混合溶液B為氨水、雙氧水和水的混合液，氨水和雙氧水的體積比為1 0.8 1.2，氨水和水的體積比為1 1.8 2. 5 ；四、將經(jīng)步驟三處理后的α-Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液C中浸泡15 25min，然后用去離子水沖洗α -Al2O3單晶，再氮?dú)獯蹈?，即完成?-Al2O3單晶的清洗方法； 其中混合溶液C為濃鹽酸、雙氧水和水的混合液，濃鹽酸和雙氧水的體積比為1 0.8 1. 2，濃鹽酸和水的體積比為1 1. 8 2. 5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種α-Al2O3單晶的清洗方法，其特征在于步驟一的b步驟中表面活性劑為陰離子表面活性劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種α-Al2O3單晶的清洗方法，其特征在于步驟二中混合溶液A為濃硫酸和雙氧水的混合液，濃硫酸和雙氧水的體積比為3 1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種α-Al2O3單晶的清洗方法，其特征在于步驟三中混合溶液B為氨水、雙氧水和水的混合液，氨水和雙氧水的體積比為1 1，氨水和水的體積比為 1 2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種α-Al2O3單晶的清洗方法，其特征在于步驟四種混合溶液C為濃鹽酸、雙氧水和水的混合液，濃鹽酸和雙氧水的體積比為1 1，濃鹽酸和水的體積比為1:2。
全文摘要
一種α-Al2O3單晶的清洗方法，涉及α-Al2O3單晶的清洗方法。解決因α-Al2O3單晶表面吸附性強(qiáng)、表面性質(zhì)穩(wěn)定，不易溶解，導(dǎo)致現(xiàn)有α-Al2O3單晶的清洗方法難以將表面污染物清洗干凈的問(wèn)題。對(duì)α-Al2O3單晶依次采用乙醇和表面活性劑浸泡預(yù)處理后，然后依次在濃硫酸和雙氧水混合液，氨水、雙氧水和水混合液，以及濃鹽酸、雙氧水和水混合液中熱浸泡處理即可。本發(fā)明的α-Al2O3單晶的清洗方法是一種多步驟的濕化學(xué)清潔方法，能有效地將α-Al2O3單晶表面污染物清洗干凈，且清洗得的氧化鋁單晶潔凈度高，清洗方法重復(fù)性好。清洗采用的設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，易于掌握，過(guò)程安全、無(wú)污染。
文檔編號(hào)B08B3/08GK102500573SQ201110350729
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月8日
發(fā)明者張丹, 甘陽(yáng) 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)