藍寶石單晶體的熱處理方法及裝置的制造方法【
技術領域：
】[0001]本發(fā)明提供一種藍寶石(sapphire)單晶體的熱處理方法及裝置，其對藍寶石單晶體進行熱處理，從而去除單晶體內的殘留應力，并抑制細微裂痕(crack)的產生，從而可提尚藍寶石單晶體的品質?！?br>背景技術：
】[0002]藍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)的結晶構造、并向一個方向凝固的物質，所述氧化鋁是鋁(Al)和氧(O)結合形態(tài)的化合物。[0003]藍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、時鐘玻璃，而且也廣范圍地應用于IT、產業(yè)、軍事、LED基板等尖端材料領域。尤其，作為IT儀器的觸屏材料而廣受關注，并且用作軍事用紅外線探測導彈(missile)及戰(zhàn)斗機、探索機等的窗戶(window)材料。[0004]為了將藍寶石單晶體用于精密儀器的窗戶(window)等，使合成的藍寶石單晶體晶塊(ingot)適合最終產品的形態(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寶石單晶體晶塊上切斷出與產品的基本形狀及大小一致的形狀的步驟，切斷時通過與藍寶石單晶體和研磨劑的摩擦等，由表面向厚度方向產生細微裂痕(crack)。此外，切斷時產生的加工應力殘留于藍寶石單晶體內部，從而具有粗糙的表面。[0006]并且，研磨工藝作為使經(jīng)過切斷后的藍寶石單晶體的表面更加美觀的步驟，切斷時由表面向厚度方向產生的細微裂痕通過研磨可去除大部分，但是切斷時所產生的細微裂痕不僅無法完美地去除，而且在研磨時，內部殘留有比切斷時產生的細微裂痕小的其它的細微裂痕及加工應力。[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微的裂痕及加工應力。[0008]由此，為了將藍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生的細微裂痕及加工應力的殘留，用于藍寶石單晶體窗戶的產品的強度會顯著降低，尤其，當細微裂痕受到來自窗戶外部施加的力時，作為破壞的開始點，成為降低藍寶石產品整體強度的最大原因。[0009]殘留的內部應力也是降低整體強度的原因。強度降低的藍寶石單晶體窗戶用于IT儀器或軍需用等時，易于發(fā)生破壞的可能性提高，從而帶來在傳感器保護窗或窗口用途的使用上的制約。[0010]如韓國登記專利公報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，因為所述現(xiàn)有的硅單晶體晶片的熱處理方法以一定的升溫速度進行加熱，所以升溫速度大的情況下，存在晶片受到熱的影響而產生裂痕等損傷的擔憂，升溫速度小的情況下，存在升溫時間變長而生產率下降的問題?！?br/>發(fā)明內容】[0012]由此，本發(fā)明的目的在于提供一種藍寶石單晶體熱處理方法及熱處理裝置，其在對箱室內進行升溫時，以各自不同的升溫速度實施多步驟升溫，從而在縮短升溫時間的同時也能夠最小化藍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課題，并且未提及的其他技術課題對于本發(fā)明所屬的
技術領域：
內具有通常知識的人員來講，能夠從以下記載中得到明確地理解。[0014]為了達成所述目的，本發(fā)明的藍寶石單晶體熱處理方法包括:將藍寶石單晶體裝入箱室內部的步驟；對箱室內進行加熱，從而升溫至目標溫度的步驟；將箱室內的溫度維持在一定溫度的步驟；將箱室內冷卻至常溫的步驟，所述升溫步驟包括:第一升溫步驟，以40C/min?5°C/min的升溫率實施升溫至第一設定溫度；第二升溫步驟，完成第一升溫步驟后，以1°C/min以下的升溫率實施升溫至第二設定溫度。[0015]本發(fā)明的藍寶石單晶體熱處理裝置包括:箱室(chamber)，其收納有藍寶石單晶體；耐火材料，其安裝于所述箱室的內壁面，從而對箱室的內部進行隔熱；發(fā)熱體，其設置于所述箱室內部，從而對藍寶石單晶體進行加熱；保護罩(shield)部件，其配置為包圍藍寶石單晶體，從而使發(fā)熱體的熱不直接傳遞至藍寶石單晶體，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的通道的雙重箱室。[0016]如上所述，本發(fā)明的藍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成，所述第一升溫步驟使升溫速度迅速達到一定溫度，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，從而升溫至目標設定溫度，從而在縮短升溫時間的同時，防止藍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)明的一個實施例的藍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)明的一個實施例的藍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寶石單晶體的破斷強度及破斷形狀的圖表(graph)。[0020]圖4是表示熱處理前藍寶石單晶體的細微裂痕的照片。[0021]圖5是表示熱處理后藍寶石單晶體的細微裂痕的照片?！揪唧w實施方式】[0022]以下，參照附圖對根據(jù)本發(fā)明的實施例進行詳細說明。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)明的構成及作用，特別定義的術語根據(jù)使用者、運用者的意圖或慣例可能不同。對所述術語的定義應以本說明書全部內容為基礎來決定。[0023]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的藍寶石單晶體熱處理裝置的截面圖。[0024]參照圖1，根據(jù)一個實施例的藍寶石單晶體熱處理裝置包括:箱室(chamber)10，其內部收納有藍寶石單晶體100;耐火材料20，其安裝于箱室10的內壁面，從而對箱室10的內部進行隔熱；發(fā)熱體30，其設置于箱室10內部，從而對藍寶石單晶體100進行加熱；保護罩(shield)部件40，其配置為包圍藍寶石單晶體100，從而使發(fā)熱體30的熱不直接傳遞至藍寶石單晶體100，進而保護藍寶石單晶體100。[0025]所述熱處理裝置為了將藍寶石單晶體100的強度提升效果進行最大化，應能夠進行超高溫的升溫及維持，以便在藍寶石單晶體的熔融點(2050°C)以下也能夠進行熱處理。[0026]在藍寶石單晶體100的熔融點2050°C以下的高溫下，箱室10不應該由于耐火材料20所放出的熱而產生變形，應可在真空及氣體環(huán)境下進行使用。[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內部的溫度加熱至藍寶石單晶體100的熔融點以下，并且加熱方式可使用誘導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]保護罩部件40阻斷從發(fā)熱體30放出的熱直接傳遞至藍寶石單晶體100，從而防止由于發(fā)熱體30的發(fā)熱偏差導致藍寶石單晶體100的溫度不均衡，從而可進行均勻的熱處理。[0032]所述保護罩部件40可使用鶴、鉬、銥(Iridiam)、鉭(tantalum)等金屬材料。并且，箱室10內部具有臺子(table)50，其用于放置包圍藍寶石單晶體100的保護罩部件40。[0033]由此，對所構成的根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的藍寶石單晶體熱處理裝置使用的熱處理方法進行如下說明。[0034]圖2是表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的藍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:將熱處理對象藍寶石單晶體100裝入箱室10內部的步驟SlO;升溫至目標溫度的步驟S20;維持一定溫度的步驟S30及冷卻步驟S40。[0036]為了符合最終產品的形狀及大小，藍寶石單晶體晶塊須經(jīng)過切斷、研磨及拋光(polishing)工藝。[0037]由此，藍寶石單晶體100的熱處理不僅在拋光(polishing)工藝之后進行，而且在切斷工藝之后，或研磨工藝之后也可進行。此外，藍寶石結晶體的加工表面可使用為根據(jù)結晶取向的A-plane、C-plane、R-plane等全方位。[0038]首先，裝入步驟SlO作為將藍寶石單晶體100投入箱室10內部的步驟，可使用將藍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部空間大量投入，但會發(fā)生藍寶石單晶體100溫度分布不均勻的可能性，從而需要選定對比箱室10內部大小的合適的量。[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，但可均勻地進行藍寶石單晶體的熱處理。[0041]將預備進行熱處理的藍寶石單晶體100裝入箱室10當前第1頁1 2