一種α-Al₂O₃單晶的清洗方法

2023-05-06 07:40:16 1

專利名稱：一種α-Al2O3單晶的清洗方法
技術領域：
本發明涉及一種α -Al2O3單晶的清洗方法。
技術背景
α-Al2O3是氧化鋁的最普遍結構晶型，α-Al2O3單晶又叫剛玉，藍寶石，紅寶石。 α-Al2O3單晶擁有許多獨特的物理化學性能，是一種重要的電子、陶瓷、催化用氧化物材料， 在這些應用中，藍寶石作為製備GaN基薄膜外延生長所需的襯底材料，其拋光表面的雜質沾汙將直接影響到後續GaN外延層的質量，從而嚴重影響GaN基發光二極體(LED)的發光性能。在目前的LED生產中，仍有50%以上的廢品是由於藍寶石表面汙染引起的，因此有效的可重複的藍寶石清潔方法，不管是對從事藍寶石晶片加工還是LED生產的人來說都具有十分重要的工程意義，如果清洗處理不當，可能使全部藍寶石晶片報廢，做不出LED管子來，或者製造出來的LED性能低劣、穩定性和可靠性很差。
α -Al2O3單晶的表面清潔方法主要分為溼式清洗和乾式清洗，目前溼式清洗在藍寶石晶片表面淨化中仍處於主導地位。而溼式清潔法雖有很多，但基本沿用清潔玻璃和單晶矽的方法。由於單晶α-Al2O3的性質與玻璃和單晶矽有較大差異(如表面荷電性質、溶解性、吸附性等)，對玻璃和單晶矽有效的清潔方法應用於單晶α -Al2O3樣品時效果並不理術g；ο發明內容
本發明的目的是要解決因α -Al2O3單晶表面吸附性強、表面性質穩定，不易溶解， 導致現有α -Al2O3單晶的清洗方法難以將表面汙染物清洗乾淨的問題，本發明提供了一種 α-Al2O3單晶的清洗方法。
本發明的α -Al2O3單晶的清洗方法是通過以下步驟實現的一、預處理a、在室溫下，將α-Al2O3單晶置於乙醇中浸泡10 15h，然後用去離子水衝洗α-Al2O3單晶，再氮氣吹乾；b、在室溫下，將經步驟a處理後的α -Al2O3單晶置於表面活性劑中超聲處理20 50min，再將α-Al2O3單晶用去離子水衝洗後氮氣吹乾；
二、將經步驟一處理後的α -Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液A中浸泡 15 25min，然後用去離子水衝洗α -Al2O3單晶，再氮氣吹乾，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、將經步驟二處理後的α -Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液B中浸泡 15 25min，然後用去離子水衝洗α-Al2O3單晶，再氮氣吹乾，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、將經步驟三處理後的α -Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液C中浸泡15 25min，然後用去離子水衝洗α-Al2O3單晶，再氮氣吹乾，即完成α-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。
本發明的α-Al2O3單晶的清洗方法的每個步驟中採用的容器不能與使用的溶液發生反應。例如採用聚四氟乙烯容器。
本發明的步驟一的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，現有商用陰離子液體清洗劑均可用於本發明。
本發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品。
本發明的α -Al2O3單晶的清洗方法是一種多步驟的溼化學清潔方法，能夠有效地解決α -Al2O3單晶表面因吸附性強，表面性質穩定不易溶解造成的現有清洗方法難以將表面汙染物清洗乾淨的問題。α -Al2O3單晶的清洗方法重複性好，清洗得的氧化鋁單晶潔淨度高，清洗後的Q-Al2O3單晶表面只有A1、0、C三種元素，其中碳含量<5%。清洗採用的設備簡單，操作方便，易於掌握，過程安全、無汙染。
本發明的獨到之處和有益效果是
(1)針對α-Al2O3單晶的表面吸附力強，溶解度低，表面硬度高等特點，本發明確定了所用溶劑的順序及物質配比，採用本發明的清洗方法能夠得到表面清潔的α -Al2O3單曰曰曰°
(2)對α -Al2O3單晶進行預處理(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單晶表面的顆粒型汙染物及重有機物沾汙物，此步去除的主要為與表面結合較弱的分子型汙染物，避免其對離子型及原子型沾汙雜質的掩蔽作用。也避免了步驟二中在H2S04+H2&的混合溶液A中加熱處理時使大量有機汙染物碳化而難以去除的問題。
(3)步驟二至步驟四為改進的RCA法，主要去除與表面結合較為牢固的離子型及原子型汙染物。
(4)步驟二中利用H2SO4和H2A的強氧化性，去除掉前處理中餘留的有機汙染物。
(5)步驟三中採用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、部分有機物及部分金屬汙染物。
(6)步驟四中採用HC1+HA+H20的混合溶液加熱處理，主要用於去除金屬汙染。
(7)控制步驟二至步驟四中的各混合溶液的配比，調節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是未經試驗1處理的α -Al2O3單晶的Χ_射線光電子能譜圖；圖2是經試驗1 處理後的α-Al2O3單晶的X-射線光電子能譜圖；圖3是經試驗1處理後的α-Al2O3單晶的大範圍的原子力顯微鏡照片；圖4是經試驗1處理後的α -Al2O3單晶的小範圍的原子力顯微鏡照片；圖5是經試驗1處理後的α -Al2O3單晶的表面接觸角示意圖。
具體實施方式
本發明技術方案不局限於以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式為α -Al2O3單晶的清洗方法，其是通過以下步驟實現的
一、預處理a、在室溫下，將α-Al2O3單晶置於乙醇中浸泡10 15h，然後用去離子水衝洗α-Al2O3單晶，再氮氣吹乾；b、在室溫下，將經步驟a處理後的Ci-Al2O3單晶置於表面活性劑中超聲處理20 50min，再將α -Al2O3單晶用去離子水衝洗後氮氣吹乾；
二、將經步驟一處理後的α -Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液A中浸泡 15 25min，然後用去離子水衝洗α -Al2O3單晶，再氮氣吹乾，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、將經步驟二處理後的α -Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液B中浸泡 15 25min，然後用去離子水衝洗α-Al2O3單晶，再氮氣吹乾，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、將經步驟三處理後的α -Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液C中浸泡15 25min，然後用去離子水衝洗α-Al2O3單晶，再氮氣吹乾，即完成α-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。
本實施方式步驟二中的濃硫酸和雙氧水為市售產品，濃硫酸的質量百分濃度為 98%，雙氧水為質量百分濃度為30%的市售雙氧水。步驟三中氨水和雙氧水亦為市售產品， 氨水為質量百分濃度為25% 的市售氨水，雙氧水為質量百分濃度為30%的市售雙氧水。步驟四中濃鹽酸和雙氧水亦為市售產品，濃鹽酸的質量百分濃度為36% 38%，雙氧水為質量百分濃度為30%的市售雙氧水。
本實施方式的α -Al2O3單晶的清洗方法是一種多步驟的溼化學清潔方法，能夠有效地解決α -Al2O3單晶表面因吸附性強，表面性質穩定不易溶解造成的現有清洗方法難以將表面汙染物清洗乾淨的問題。α -Al2O3單晶的清洗方法重複性好，清洗得的氧化鋁單晶潔淨度高。清洗採用的設備簡單，操作方便，易於掌握，過程安全、無汙染。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
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。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
本實施方式中優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，現有商用陰離子液體清洗劑均可用於本實施方式。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
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。其它步驟及參數與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
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。其它步驟及參數與具體實施方式
一、二或三相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
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。其它步驟及參數與具體實施方式
一至四之一相同。
進行如下試驗，驗證本發明的有益效果
試驗1 α -Al2O3單晶的清洗方法，其是通過以下步驟實現的
一、預處理a、在室溫下，將α -Al2O3單晶置於乙醇中浸泡12h，然後用去離子水衝洗α-Al2O3單晶，再氮氣吹乾；b、在室溫下，將經步驟a處理後的α-Al2O3單晶置於表面活性劑中超聲處理30min，再將α -Al2O3單晶用去離子水衝洗後氮氣吹乾；
二、將經步驟一處理後的α -Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液A中浸泡 20min，然後用去離子水衝洗α -Al2O3單晶，再氮氣吹乾，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、將經步驟二處理後的α -Al2O3單晶在溫度為80°C的混合溶液B中浸泡20min， 然後用去離子水衝洗α -Al2O3單晶，再氮氣吹乾，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、將經步驟三處理後的α -Al2O3單晶在溫度為80°C的混合溶液C中浸泡20min， 然後用去離子水衝洗α-Al2O3單晶，再氮氣吹乾，即完成α-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1步驟二中的濃硫酸和雙氧水為市售產品，濃硫酸的質量百分濃度為98%， 雙氧水為質量百分濃度為30%的市售雙氧水。步驟三中氨水和雙氧水亦為市售產品，氨水為質量百分濃度為的市售氨水，雙氧水為質量百分濃度為30%的市售雙氧水。步驟四中濃鹽酸和雙氧水亦為市售產品，濃鹽酸的質量百分濃度為36%，雙氧水為質量百分濃度為30%的市售雙氧水。
試驗1的步驟一至步驟四中均採用聚四氟乙烯容器。試驗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Liqui-Nox的精製液體清潔劑(主要由線性烷芳基磺酸鈉、二甲苯磺酸鈉、鏈烷醇醯胺和乙氧基醇的均勻混合物組成)。
對未經試驗1處理的α -Al2O3單晶和經試驗1處理後的α -Al2O3單晶進行Χ_射線光電子能譜(XPS)測試，測試得到的XPS譜圖分別如圖1和圖2所示，對比圖1和圖2可見，經試驗1的清洗方法清洗後的α-Al2O3單晶表面只有Al、0、C三種元素，其中碳含量 < 5%。
經試驗1處理後的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的大範圍AFM照片可見，表面沒有任何汙染物，可看見拋光劃痕；由圖4的小範圍AFM 照片可見，顯示有平臺-臺階結構。
經試驗1處理後的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，經試驗1處理後的α -Al2O3單晶潔淨度高，且清洗採用的設備簡單，操作方便，易於掌握，過程安全、無汙染。
權利要求
1.一種α-Al2O3單晶的清洗方法，其特徵在於α-Al2O3單晶的清洗方法是通過以下步驟實現的一、預處理a、在室溫下，將α -Al2O3單晶置於乙醇中浸泡10 15h，然後用去離子水衝洗α-Al2O3單晶，再氮氣吹乾；b、在室溫下，將經步驟a處理後的Ci-Al2O3單晶置於表面活性劑中超聲處理20 50min，再將α -Al2O3單晶用去離子水衝洗後氮氣吹乾；二、將經步驟一處理後的α-Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液A中浸泡15 25min，然後用去離子水衝洗α -Al2O3單晶，再氮氣吹乾，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、將經步驟二處理後的α-Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液B中浸泡15 25min，然後用去離子水衝洗α-Al2O3單晶，再氮氣吹乾，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、將經步驟三處理後的α-Al2O3單晶在溫度為75 85°C的混合溶液C中浸泡15 25min，然後用去離子水衝洗α -Al2O3單晶，再氮氣吹乾，即完成α -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.根據權利要求1所述的一種α-Al2O3單晶的清洗方法，其特徵在於步驟一的b步驟中表面活性劑為陰離子表面活性劑。
3.根據權利要求1或2所述的一種α-Al2O3單晶的清洗方法，其特徵在於步驟二中混合溶液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.根據權利要求1或2所述的一種α-Al2O3單晶的清洗方法，其特徵在於步驟三中混合溶液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.根據權利要求1或2所述的一種α-Al2O3單晶的清洗方法，其特徵在於步驟四種混合溶液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、表面性質穩定，不易溶解，導致現有α-Al2O3單晶的清洗方法難以將表面汙染物清洗乾淨的問題。對α-Al2O3單晶依次採用乙醇和表面活性劑浸泡預處理後，然後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。本發明的α-Al2O3單晶的清洗方法是一種多步驟的溼化學清潔方法，能有效地將α-Al2O3單晶表面汙染物清洗乾淨，且清洗得的氧化鋁單晶潔淨度高，清洗方法重複性好。清洗採用的設備簡單，操作方便，易於掌握，過程安全、無汙染。
文檔編號B08B3/08GK102500573SQ201110350729
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月8日 優先權日2011年11月8日
發明者張丹, 甘陽 申請人:哈爾濱工業大學