一种高纯蓝宝石晶片c面表面位错密度检测的方法

1.本发明涉及晶片加工领域，具体涉及一种高纯蓝宝石晶片c面表面生长位错密度检测的方法。


背景技术：

2.蓝宝石是α-al2o3结晶，俗称刚玉，又名白宝石，是人类最早利用的几种天然矿石之一。人工制造的纯α-al2o3的莫氏硬度为9，仅次于金刚石，其晶体结构中的氧原子以接近六方最紧密堆积(hexagonal closed packed，hcp)的方式进行排列，铝原子填充在氧原子间的八面体配位，约有2/3的空隙，由此使它具有强度大、硬度高、耐高温(熔点达2050℃)、抗磨性强、耐腐蚀能力强，化学性质稳定等优点；其不溶于水，一般不受酸碱腐蚀，只有在特定高温条件下(400℃以上)才能被磷酸、氢氟酸或熔化的氢氧化钾(koh)侵蚀；同时，其具有与gan等半导体材料晶格匹配性好、对光的高透过率以及优异的电绝缘性等特性。
3.蓝宝石在材料、微电子及宇航工业等军事、民用领域应用广泛：如用于制造转子、活塞、高压钠灯管、多层集成电路基础板、多层电容器、微波器件、led衬底材料、激光器、化学传感器、导弹窗口及卫星用的整流罩、高马赫导弹整流罩、天线窗、生物陶瓷等。
4.其中，用蓝宝石制成的整流罩和光学窗口在军用航空领域应用比较广泛，是世界上许多国家研究的重点；而led衬底材料是蓝宝石重要的应用对象，据统计，led衬底材料的应用占蓝宝石需求量的75％以上，非衬底材料应用占25％左右；而led照明渗透率每增加1％，将直接拉动蓝宝石衬底约107万片的增长需求。随着led下游行业应用领域的快速增长，导致对上游衬底材料蓝宝石的需求增多。
5.国内目前泡生法制备蓝宝石技术正走在世界前列，内蒙古某公司2018年成功制成450kg世界最大蓝宝石，宁夏某公司在2019年达到工业化量产400kg蓝宝石晶体，均高于2017年俄罗斯报导的350kg。
6.然而，在蓝宝石的生产、加工过程中，温差、杂质、籽晶形态、受力不均以及使用过程中的环境因素等会在蓝宝石中引入一定量的位错，使得氧原子偏离hcp排列，进而导致蓝宝石成品的力学、化学、热力学以及光学等性能降低。因此，需要对加工后的蓝宝石进行检测，以判断其使用价值。现有技术的方法主要通过对蓝宝石c面表面进行点位错检测，以此计算蓝宝石晶块位错密度，但该方法的计数难度较大并且不准确。


技术实现要素：

7.本发明为改善现有蓝宝石c面表面位错检测方法中计数困难的问题，通过计算腐蚀区域的面积，形成了一种新的检测蓝宝石c面位错密度的方法。该方法在计数时采用面积计数方法，弥补了现有技术的点位错对原蓝宝石晶块位错密度计数结果造成的不利影响。
8.因此，本发明的技术方案如下：
9.一种检测蓝宝石c面位错的方法，包括以下步骤：
10.s1.将待测蓝宝石晶片在熔融氢氧化钾中腐蚀，清洗后使用显微镜观察蓝宝石晶
片c面上的腐蚀坑；
11.s2.在c面选择n个测试点拍摄相应的照片，计算n张照片中腐蚀坑的总面积，计算待测蓝宝石晶片c面表面位错密度。
12.根据本发明，所述在c面选择n个测试点拍摄相应的照片具体包括以下步骤：使用金相显微镜观察蓝宝石晶片c面的腐蚀坑，在c面上选取n个面积为a1的测试点，拍摄所有所述测试点的照片；
13.优选地，所述n≥5，优选地，n≥8，例如为9个，13个；优选地，所述n个测试点均匀分布，例如沿c面的中心均匀分布，例如所述n个测试点均匀分布在以c面中心为圆心的圆上。
14.优选地，所选每个测试点的面积a1的取值为0.005cm
2-0.05cm2，优选地，所述测试点的面积a1的取值为0.01cm
2-0.04cm2，例如所述测试点的面积a1的取值为0.02cm
2-0.03cm2。
15.优选地，每个所述测试点上至少存在一个腐蚀坑。
16.根据本发明，所述计算n张照片中腐蚀坑的总面积，计算待测蓝宝石晶片c面表面位错密度具体包括以下步骤：根据测试点的照片，计算所有测试点中腐蚀坑的总面积a2，选取n1个腐蚀坑为标准腐蚀坑，计算标准腐蚀坑的平均面积a3，根据(a2/a3)/(n*a1)，得到出蓝宝石样品c面表面位错密度。
17.优选地，所述n1≥3，优选地，n1≥4，例如为5个或6个。
18.优选地，所述标准腐蚀坑具有正三角形、近似正三角形的具有规则边缘的变形多边形或由三角形整齐排列而成的平行线间隔的结构，优选地，所述标准腐蚀坑为实心正三角形腐蚀坑；优选地，n1个所述标准腐蚀坑的面积相近，例如偏差不超过20％。
19.更优选地，所述标准腐蚀坑的面积的偏差不超过15％，进一步优选地，标准腐蚀坑的面积不超过10％。
20.根据本发明，步骤s1中，所述腐蚀在恒温条件下进行，所述腐蚀的温度为330℃-400℃，腐蚀时间为10-30min，优选地，所述腐蚀温度为350℃-380℃，所述腐蚀时间为15-25min，例如为20min。
21.根据本发明，所述腐蚀在坩埚中进行，例如，先将所述氢氧化钾预先放入坩埚并加热熔融，再将待测蓝宝石晶片的c面面向腐蚀液放入坩埚中进行腐蚀，优选地，所述腐蚀在高温设备中进行，例如在马弗炉或管式炉中进行。
22.根据本发明，所述待测蓝宝石晶片在清洗前，先在空气中进行冷却(空冷)，所述空冷时间为30-120s，例如60s。
23.根据本发明，所述待测蓝宝石的清洗包括将腐蚀后的蓝宝石用酸溶液清洗的步骤。
24.优选地，所述酸溶液为稀盐酸、稀硝酸或稀硫酸，优选为稀盐酸，所述稀盐酸的浓度为1％-20％，所述稀盐酸例如采用浓盐酸与水的按体积比为1:1～1:5配置而成，例如，浓盐酸与水的按体积比为1:3。优选地，使用优级纯原料配制的酸溶液。
25.根据本发明，将所述蓝宝石用酸溶液清洗后，还包括超声清洗或使用表面活性剂清洗的步骤。
26.优选地，所述表面活性剂包括选自阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂或两性表面活性剂或其两种或更多种的组合；优选地，包括选自直链烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙
烯醚硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵、月桂醇硫酸钠、月桂酰谷氨酸、壬基酚聚氧乙烯醚，硬脂酸甘油单酯、木质素磺酸盐、重烷基苯磺酸盐或烷基磺酸盐或其两种或更多种的组合，例如包括洗衣粉溶液、洗衣液溶液。
27.优选地，表面活性剂清洗后，还包括使用水或醇溶液清洗的步骤，具体包括使用纯净水、去离子水或甲醇清洗，所述清洗方式为冲洗或超声清洗，例如使用纯净水超声冲洗。
28.根据本发明，所述标准腐蚀坑具有基本如图2所示的结构。
29.根据本发明，所述金相显微镜放大倍率为50-500倍，更优选放大倍率为100倍；优选地，所述相机照片超过2,000,000像素。
30.根据本发明，计算所述腐蚀坑和/或标准腐蚀坑的面积，采用腐蚀坑图像像素积分法进行计算，优选地，当所述腐蚀坑和/或标准腐蚀坑为正三角形时，通过腐蚀坑的边长计算腐蚀坑面积。
31.有益效果
32.1、本发明将koh提前加热后再与蓝宝石晶片共热，防止不同体积koh加热时间长短对腐蚀时间造成影响，保证检测精度。
33.2、本发明通过面积计算腐蚀坑的来计算位错密度，与现有技术中因难以对线状三角形连成串或空心三角形进行计数，进而将其筛除后再计算相比，本发明将所有腐蚀坑面积均纳入计算范围内，得到的结果准确度较高。
34.同时，本发明所检测的位错密度，包括蓝宝石内部位错密度和生产、加工中，温差、杂质、籽晶形态、受力不均等引起的位错密度。
35.3、本发明的侵蚀法操作简单，设备成本较低，能够用于企业蓝宝石片的快速检测。
附图说明
36.图1为待测面取点图；
37.图2为晶体腐蚀坑图；
38.图3为实施例1中天通银厦公司蓝宝石晶体部分腐蚀坑图片；
39.图4为实施例2中天通银厦公司蓝宝石晶体部分腐蚀坑图片；
40.图5为实施例3中奥瑞德公司蓝宝石晶体部分腐蚀坑图片；
41.图6为实施例4中天通银厦公司蓝宝石晶体部分腐蚀坑图片。
具体实施方式
42.下文将结合具体实施例对本发明的方法和应用做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
43.除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
44.实施例1：
45.待测样品为天通银厦公司生产蓝宝石，取待测样品φ200mm
×
1mm晶片，置于360℃下熔融koh中，腐蚀20min后取出，用空冷60s后用盐酸和纯净水洗净，计算得平均腐蚀坑大小2485μm2，平均位错密度为197.5个/cm2。
46.部分腐蚀坑图片如图3所示。
47.实施例2：
48.待测样品为天通银厦公司生产蓝宝石，从晶柱侧面取待测样品φ200mm
×
1mm晶片，置于360℃下熔融koh中，腐蚀15min后取出，用空冷60s后用盐酸和纯净水洗净，计算得平均腐蚀坑大小1582μm2，平均位错密度为442.2个/cm2。
49.部分腐蚀坑图片如图4所示。
50.实施例3：
51.待测样品为奥瑞德公司生产蓝宝石，取待测样品φ20mm
×
1mm晶片，置于360℃下熔融koh中，腐蚀10min后取出，用空冷60s后用盐酸和纯净水洗净，计算得平均腐蚀坑大小334μm2，平均位错密度为3117.1个/cm2。
52.部分腐蚀坑图片如图5所示。
53.实施例4：
54.待测样品为天通银厦公司生产蓝宝石，取待测样品φ200mm
×
1mm晶片，置于360℃下熔融koh中，腐蚀25min后取出，用空冷60s后用盐酸和纯净水洗净，计算得平均腐蚀坑大小3614μm2，平均位错密度为197.4个/cm2。
55.部分腐蚀坑图片如图6所示。
56.以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。