CN104044307B - 蓝宝石衬底的层状涂层 - Google Patents

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Abstract

本文中描述了一种蓝宝石器件的层状涂层。蓝宝石器件包括粘附到蓝宝石部件的表面上的一个或多个氧化铝层。至少氧化铝的第一层粘附到蓝宝石部件的表面，填充表面中的缺陷，形成了还提供损伤隔离的新的层。

Description

蓝宝石衬底的层状涂层
相关技术的交叉引用
本申请主张2013年3月15日提交的美国临时申请案第61/798,892号的优先权，该案的公开内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本申请的主题总体涉及衬底上的表面涂层。尤其是，本申请涉及强化了用作诸如移动电话和计算设备的电子设备的窗的底层衬底的涂层。
背景技术
刚玉是氧化铝的一种结晶形式且被发现具有各种不同的颜色，其中大部分通常被称为蓝宝石。蓝宝石是一种坚硬的材料，硬度为莫氏硬度表上的9.0，源于此，它能够划破几乎所有其他的矿物质。由于其易碎的性质，其与环境的相互作用造成的小缺陷容易导致强度显著下降。因此，尽管蓝宝石零件在出厂时可能是非常可靠的，但是随着时间和使用，它可能由于小损伤的积累而变得不那么可靠。
此外，生产无缺陷的零件可以是非常具有挑战性的。脆性材料的强度受到表面上的缺陷总数的限制。不配套或不适当的表面抛光可以导致很弱的零件。玻璃在化学性质上被显著强化来使这些缺陷的影响最小化，但对于极硬的材料（例如蓝宝石），类似的工艺不是轻易可用的。例如，当实施常规加工技术时，蓝宝石的硬度使切割和抛光材料既困难又费时。再者，传统的加工工具例如刀具当用在蓝宝石上时磨损较快。这进一步增大了对蓝宝石零件进行表面抛光时的资源需求。
此外，由于蓝宝石的反射率高，设备中使用由不同材料（例如，蓝宝石和玻璃，玻璃和塑料，蓝宝石和塑料，等等）形成的零件可能导致并排部件的光学外观存在差异。在反射率方面差异特别大的两种材料之间，这种效果可能是很明显的。
发明内容
本文中描述了用于强化蓝宝石衬底的系统。本文描述的各个实施例涵盖一种蓝宝石衬底，其具有拥有多个表面缺陷的第一表面和第二表面。在第一表面上可沉积一个或多个氧化铝层。另外，衬底的第二表面可粘附到由氧化铝形成的第二层。附加层可粘附到第一层。附加层和第一层可包括不同的物理性能。多个层可粘附到蓝宝石衬底的第一表面，和/或多个层可粘附到蓝宝石衬底的第二表面。第一层中的材料（例如氧化铝）可具有莫氏测量的第一硬度。类似地，附加层中的材料（例如氧化铝）可具有莫氏测量的第二硬度。第一硬度和第二硬度可以不同。例如，第二层可以比第一层硬。
根据各实施例，附加层包括多种材料。例如，附加层可以是其内悬浮有硬块的聚合物基体。硬块可以配置成在聚合物基体横向和/或朝深度方向偏转。聚合物基体和硬块可以具有匹配的折射率。另一实施例中，附加层可以是具有比第一层小的折射率的抗反射涂层。
根据各实施例，可以对蓝宝石衬底表面进行预处理。例如，至少第一表面或第二表面可以是由离子注入造成的非晶表面，该离子注入把蓝宝石衬底上的原始结晶表面转变成该非晶表面。
本文中描述了强化蓝宝石衬底的方法。根据各实施例，一种方法包括获得具有上表面和下表面的蓝宝石衬底。可以对蓝宝石衬底的上表面和下表面的至少一个进行预处理。可以在蓝宝石衬底上沉积第一材料来形成第一层。第一层可以具有至少一种不同于蓝宝石衬底的材料特性。
可以在第一层上沉积第二材料来形成第二层。第二层可以具有至少一种不同于第一层和/或蓝宝石衬底的材料特性。具体实施例中， 第一材料和第二材料可以是氧化铝。具体实施例中，第二材料可以具有一种结构形式，该结构形式具有比第一材料的结构形式更低的折射率。
一些实施例中，可以通过第一工艺来沉积第一材料。可以通过第一工艺来沉积第二材料，只是采用一组不同的工艺条件。可以通过第二工艺来沉积第二材料，第二工艺可以把第二材料沉积为具有比第一材料的结构形式更硬的结构形式。
可以在沉积第一材料和第二材料之前加热第一材料、第二材料和蓝宝石衬底。可以在沉积后冷却第一材料、第二材料和蓝宝石衬底，让蓝宝石衬底的热膨胀差异能够使第一材料和第二材料受压。
附图说明
图1a示出了根据一个实施例的利用硬化衬底作为窗的设备。
图1b示出了根据一个实施例的图1a的设备窗的窗部。
图2示出了根据一个实施例的具有第一层的衬底沿图1b的A-A剖面线的横剖面示意图。
图3示出了根据一个实施例的在第一层与第二层之间的衬底沿图1b的A-A剖面线的横剖面示意图。
图4示出了根据一个实施例的具有第一层和附加层的衬底沿图1b的A-A剖面线的横剖面示意图。
图5示出了根据一个实施例的具有第一层和附加层的衬底（且该衬底位于第一层和第二层之间）沿图1b的A-A剖面线的横剖面示意图。
图6a示出了根据一个实施例的具有第一层和附加层的衬底沿图1b的A-A剖面线的横剖面示意图。
图6b示出了根据一个实施例的具有第一层和附加层的衬底沿图1b的A-A剖面线的横剖面示意图。
图7示出了根据一个实施例的用于对衬底进行表面处理的表面加工装置的示意图。
图8是示出根据一个实施例的衬底强化方法的流程图。
具体实施方式
许多消费类和非消费类设备利用由诸如蓝宝石的硬的材料形成的盖、窗和/或表面。如本文讨论的，根据各实施例，在盖、窗和/或表面上可应用一层或多层一种或多种有益涂层。如本文讨论的，所述一层或多层可具体加以选择，以提供强度、保护或其它改进的性能。例如，在蓝宝石衬底上可沉积一层氧化铝涂层，来提供对蓝宝石衬底的增加的强度和/或保护。
根据各实施例，图1a示出了可利用硬的衬底作为窗的设备。“硬”的衬底是一种通常耐刮擦的衬底，或更具体地，是一种已被处理成比未经处理的相同材料更耐刮擦的衬底。例如，蓝宝石和矾土可以为相同的化学成分：Al2O3。然而，基于结构上的差异，相比于蓝宝石的莫氏硬度9，矾土可具有略减小的硬度。
如可能的各种形式的氧化铝，蓝宝石可以被认为是一种硬的材料。据此应理解，术语“软”和“硬”也可能以对比的方式使用。例如，矾土可以比蓝宝石软。类似地，一种形式的氧化铝可以比另一种形式的氧化铝硬。
设备100可以是利用硬的衬底作为盖、窗和/或表面的多种设备中的任何一种。各种例子中，设备100可包括诸如移动电话、平板电脑、笔记本电脑、仪表窗、器械屏等的电子设备。另外，设备100可包括利用了类似硬窗的诸如机械手表的非电子类设备。
设备100可包括盖102，盖102具有围绕其外周边（例如边缘）的全部或一部分的边框104，其中，边框104以把盖102固定到设备100的方式与壳体106结合。依应用而定，边框104和壳体106可由各种不同的材料形成，这些材料包括但不限于：聚合物材料（如塑料），金属（如铝，钢等），非晶玻璃材料，复合材料，以及它们的组合。盖102可包括用于观看设备100的显示的各种部件。尤其是，盖102可具有窗110。如图1B所示的窗110可以是蓝宝石衬底，其被提供用于保护盖102的各部件免遭损伤。这里可以讨论这个窗110的各种例子和实施例。
根据各实施例，窗110可以用各种不同材料的任何一种制成。这些材料可包括透明聚合物、非晶玻璃和/或透明的结晶材料。窗110一般可由若干极硬的半透明材料中的任何一种形成。例如，极硬的半透明材料可包括蓝宝石。在蓝宝石的固有强度高于非晶玻璃的固有强度的情况下，没有类似于使非晶玻璃化学强化的、在机械成型后使强度显著改善的行之有效的工艺。蓝宝石的失效典型地由受力时表面缺陷的传播所驱动。
连续频繁使用具有蓝宝石保护衬底的设备100可能导致表面缺陷。即使是在没有对衬底造成损伤的环境下，也不可能毫无缺陷地制作衬底，因此很有可能存在表面缺陷。缺陷可能会大大降低零件的强度，所以可采用较厚的衬底和/或更多的表面抛光工艺来提高衬底的质量，虽然这些可能会大幅度增加制造成本。可以通过减少对衬底表面进行理想抛光必需的制造步骤来实现成本节约。同时，衬底厚度的减少可以产生显著的成本节约。
根据各实施例，可以在表面上应用涂层来降低表面缺陷的影响。涂层的应用可以填充表面缺陷。涂层的应用可以在蓝宝石衬底的表面上形成有益层，其也可以提供一个基本无缺陷的均匀外表面。提供均匀的表面可使衬底能够在使用时承受更高的压力。虽然第一涂层可解决表面缺陷，但多个涂层可以提供额外的好处。
如本文所使用的，应用到衬底上的一个或多个涂层的组合被称为“叠层”。一个或多个涂层的应用还可给予叠层附加的特性。附加涂层应用在第一涂层的近旁、下方和/或上方还可提供额外的益处。通过在一个或多个衬底表面上应用一个或多个涂层，可以实现衬底的各种性能。在许多实施例中，这可以在不牺牲原始衬底的性能的情况下得以实现。
如上所述，蓝宝石衬底200可以具有表面上的缺陷202和204。尽管把更软但类似材料（如矾土）的涂层应用到蓝宝石上可能是出 人意外的，但是此涂层可以强化蓝宝石衬底。例如，当蓝宝石衬底200受到拉力作用时，缺陷被拉开，这可能造成失效。然而，涂层可以限制拉力作用下缺陷202和204被拉开的数量，并且由于它可以最终限制衬底200的额外裂纹而可能是有益的。根据各实施例，涂层可形成适用于控制表面畸变的层，否则可能造成缺陷（例如缺陷202/204）扩大和引起蓝宝石衬底的失效。通过封住衬底表面缺陷，减少和/或消除了表面上的最弱点。封住缺陷有助于防止外力直接影响缺陷而造成额外的损伤。创建一个均匀层在破坏性外力和缺陷的应力升高（riser）之间造成屏障（barrier）。该屏障可具有使冲击力扩展开的效果并限制缺陷处的局部应力。各实施例可采用氮氧化硅（SiON）作为涂层，而其他实施例可以使用氧化铝，还有一些实施例可以使用这两者的组合。
根据各实施例，涂层可被应用作为牺牲涂层。即，涂层形成的层可以是牺牲表面。具体地，较软的表面（例如，莫氏等级较低的材料的表面）可能不会遭受较硬的表面（例如，莫氏等级较高的材料（例如蓝宝石）的表面）会遭受的损伤，例如，损伤穿透到较浅的深度。不易脆的表面可能不会遭受更易脆的表面会遭受的损伤，例如，损伤穿透到较浅的深度。涂层的损伤越少，造成的能够扩展成体衬底（bulk substrate）失效的缺陷越少。应对与表面的潜在性损伤接触，保护层可以吸收损伤，由此使衬底能够保持其高强度。根据各实施例，SiON和/或氧化铝可以是形成保护层的有用材料。
另外，应用到蓝宝石衬底表面的SiON和/或氧化铝可具有使氧化铝层强化并把压缩力加到蓝宝石表面来限制畸变和缺陷故障的内部压缩应力。可通过粘附和/或沉积工艺把内部压缩应力应用到氧化铝层。涂覆工艺期间，可以用离子轰击蓝宝石衬底表面来使SiON或氧化铝粘附到衬底200。改变涂覆参数，例如轰击离子与SiON或氧化铝的比例，可以提供具有高的内部压缩应力的层。另外，可以通过SiON或氧化铝层与蓝宝石衬底之间的热膨胀系数差异来应用内部压缩应力。例如，在沉积SiON/氧化铝之前可以加热SiON或氧化铝以及蓝宝石衬底。在沉积材料之后，蓝宝石衬底和氧化铝或SiON可以一起冷却。蓝宝石衬底与涂覆材料相比在热膨胀方面的差异可能使涂覆材料压缩蓝宝石的表面，导致蓝宝石表面层具有很大的压缩应力。依涂覆材料层的组分和工艺条件而定，可以实现相反的效果，来产生大应力的SiON和/或氧化铝涂层。
另外，对涂层材料应用足够高的加热可引起涂层材料（无论是SiON、氧化铝、还是它们的组合）的再结晶。通常，这些涂层材料可以应用到蓝宝石衬底上成为薄膜；该薄膜在沉积到衬底上时一般为非晶态。加热薄膜时可以对薄膜退火，从而引起从非晶薄膜形成多晶体。通过以这种方式使涂层材料再结晶，可以增大涂层的整体强度以及对于划伤、开裂和与冲击有关的失效的耐受力。
根据各实施例，一个或多个层可以各自互不相同（或者至少与相邻的层不相同），从而提供紧邻的层或衬底没有提供的特性。差异可以延伸到例如材料、化学结构、厚度、沉积工艺等。各个不同的涂层可以提供稍微不同的物理特性。例如，涂层可以具有不同的强度、硬度、疏油性能、光学性能（包括抗反射性、彩色光透光率等），等等。
如前所述并参照图2，一个或多个层可应用到衬底200的一个或多个表面上。任何数量的这些一个或多个层可被应用到衬底200上。根据各实施例，如图2所示，在衬底的横剖面示意图中，单个第一层210可直接粘附到衬底200的上表面206。
根据各实施例，如图3所示，单个第二层300可直接粘附到衬底200的下表面208。例如，可以通过上述的离子轰击来实现层的彼此“直接”粘附。通常，这种方式下层的直接粘附不需要或利用各层之间的任何单独的化学粘合剂。
尽管图3示出第二层300和第一层210都粘附到衬底200，但可以说，各层可以分开利用。例如，第一层210可粘附到衬底200而没有第二层300（如图2所示）。各实施例中，第二层300可粘附到衬底200而没有第一层210。第二层300可以是关于第一层210讨 论时提到的相同或类似的材料。另外，如关于第一层210和/或本文中讨论的任何其它层讨论时提到的那样，第二层300可以相同或类似地构造和/或执行类似的功能。
根据各实施例，如图4所示，在衬底的横剖面示意图中，二个或更多个层可以粘附到衬底200的上表面206。例如，第一层210可以直接粘附到衬底200的上表面206，附加层400粘附到第一层210。根据各实施例，在图5示出了衬底的横剖面示意图时，多个层（例如第一层210和附加层400）可以粘附到衬底200的上表面206。一个或多个层300可以粘附到衬底200的下表面208。这里讨论的各个层可按照任意组合、取向、厚度或数量粘附到衬底200，与特定的组合、取向、厚度或数量是否在这里讨论过无关。例如，当提及上层210和其物理尺寸、材料、化学结构、厚度、沉积工艺等时，相同的特性可只适用于第一层210，或者相同的特性可适用于具有这里讨论过或没有讨论的任意组合、取向和/或数量的附加层400、层300，或者除层210以外的和/或取代层210的没有具体讨论的其它层。
这里讨论的各层可以由各种不同的材料和/或工艺形成。例如，第一层210可以由各种不同的材料形成。一个实施例中，第一层210可以是无定形氧化铝涂层或SiON涂层。为易于引用和阅读，文中提到氧化铝涂层、薄膜、层等时意在涵盖SiON薄膜、涂层、层等，以及氧化铝和SiON的组合。由于无定形氧化铝与蓝宝石之间的材料相似性（均为Al2O3），因此氧化铝涂层可用作与蓝宝石衬底200紧邻的层。可以沉积具有各种不同的物理性能的各种不同形式的氧化铝来形成层。这样，可通过沉积不同结构或组成形式的氧化铝（例如可用掺杂形成）来实现不同的物理性能，以获得例如，不同结构和/或组成形式之间的不同硬度，或者例如，不同结构和/或组成形式之间的不同光学性能。氧化铝特性的变化可使不同形式的氧化铝能够被沉积在不同的层上。例如，第一层210可以是第一氧化铝结构，附加层400可以是第二氧化铝结构。各实施例中，第一层210上的第一氧化铝结构可以比附加层400上的第二氧化铝结构软。各实施 例中，第一层210上的第一氧化铝结构可以比附加层400上的第二氧化铝结构硬。
根据各实施例，应用到衬底200上的一个或多个层可以应用为各种厚度。如图5所示，第一层210可具有厚度TH1，附加层400可具有厚度TH2，下层300可具有厚度TH3，以及衬底200可具有厚度TH0。各例子中，上层210的厚度TH1可小于衬底200厚度TH0。进一步，TH1可以应用成可以为2-4μm、小于2μm或大于4μm的层。各例子中，TH1、TH2和TH3可具有不同厚度。另外，TH1、TH2和TH3可以是相同厚度。另一些实施例中，TH1可以是最厚的层，TH2可以是最厚的层，或者TH3可以是最厚的层。前面不同厚度的例子并非易于限制，而是示意性的。本领域普通技术人员会理解，基于描述的内容，各种厚度可适用于单个层或多个层，因此各实施例不局限于与本文中讨论的示范层相关的任何具体的厚度定位。
厚度的应用可以变化，以实现特定的特性。根据各实施例，如图5中所示，下层300（其可应用到衬底200的底面上）的厚度TH3可以小于第一层210的厚度TH1。另一例子中，相反的情况可能是真的，上表面206的厚度TH1小于下表面208的厚度TH3。由于衬底的上表面206可能在使用上不同于（例如，上表面206可能实质上与环境互作用）衬底200的下表面208（例如，下表面208可能面对设备100的内部），因此各层的这种不对称应用可以是有益的。据此，应对设备的正常使用,下表面208可能受到较小的影响，因此损伤较少。这样，在应用到下表面208上时，较薄的涂层可以与较厚的涂层一样有帮助。然而，如上所述，由于衬底不太可能被毫无缺陷地制作而很可能存在表面缺陷，涂层在下表面208可以是有益的。另外，通过减少对下表面208进行理想抛光所需的制造步骤，来换取应用强化层（例如第二层300），可以实现成本的节约。
可以说，蓝宝石衬底200上方和下方的层的不对称应用（如图5所示）可能使蓝宝石衬底200翘曲。根据各实施例，在蓝宝石衬底的下表面上应用压应力大的层，可以通过把下衬底表面置于压缩状态而使下衬底表面更强。这可以减轻整个零件的翘曲，不然，翘曲可能由于蓝宝石衬底的上表面和下表面的不同的涂层厚度而发生。
诸如移动电话和膝上型电脑的电子设备已经具有在蓝宝石衬底的下面或近旁的许多层。例如，触敏显示电路可以层叠在蓝宝石衬底的下方、内部或上方。触摸屏(或其他部件)可以被纳入设备100中，例如，在盖102内部或下面。根据各实施例，下层300可以直接应用到蓝宝石衬底200的下表面208上，然后触敏器件可以紧靠着下层300层叠。根据各实施例，下层可以应用到可能紧靠着下表面208层叠的触敏器件上。
如所讨论的，第一层210可以与一个或多个附加层400组合应用到衬底上，使衬底200的组合物能够受益于叠层的组合效应。例如，利用软的氧化铝或SiON形成第一层210提供了与衬底200的交界面，限制了表面缺陷202和204的明显畸变而最终防止衬底的额外开裂，并且提供了牺牲层而防止额外缺陷形成在衬底200的表面206上。
各实施例中，第一层210可以是软形式的氧化铝或SiON(该层材料可具有7左右至小于9的莫氏等级的硬度)，其配置为搭在蓝宝石衬底200上的保护层。类似地，下层300可以是配置为搭在蓝宝石衬底200上的保护层的、软形式的氧化铝和/或SiON。然而，由于氧化铝和/或SiON可能改变叠层的光学特性、强度特性和/或硬度特性，因此可以选择附加层400来降低下层210的任何负面影响。
附加层400可以由各种材料的任一种形成或具有各种特性的任一种。例如，附加层400的特性可以包括改进的耐久性、提高的清晰度和/或改进的防反射性能。可以实现多个层或涂层来提供清晰的光学器件或者甚至防反射性能，同时保持强化和提高耐久性的效果。另外，可以选择涂层来改善可靠性，在提供冲击性事件抗性或硬质材料相互作用的目标的驱使下确定其厚度和结构。可以赋予该涂层大的应力水平，以提供增强的块体强度。
根据各实施例，最外面的层（如图4和5中所示，其为附加层400）可以包括比第一层210更硬的表面。由于第一层210可以选择为软形式的氧化铝或SiON，因此增加附加层400可能是有益的，附加层400配置用于提供与环境交接的硬的外层。各实施例中，附加层400可以是专门加工成比第一层210硬的氧化铝或SiON。
除去其它益处或者单独来说，可以形成一层来提供改善的透过蓝宝石衬底观看时电子屏幕的性能。例如，可以应用抗反射（AR）涂层来形成抗反射层。可以说，根据各实施例，AR涂层可能不是通常包括如氮化硅（Si3N4）和二氧化硅（SiO2）的材料的典型耐久性AR涂层。相反，AR涂层可能涉及蓝宝石衬底的相似材料，如氧化铝（Al2O3）。然而，在其他实施例中，AR涂层可以由SiO2、SiON、氟化镁（MgF2）、氮化硅（Si3N4）、氧化铝（Al2O3）、氧化铪（HFO2）、氢化碳（DLC）和/或氧化铌（NbXO）形成。
根据各实施例，最外面的层可以包括抗反射（AR）涂层。蓝宝石和空气之间的折射率差异大，这可能会导致在一定的光照条件下不期望的反射出现在蓝宝石表面上。氧化铝和空气之间的折射率也有点大，所以当一个实施例的最上面的表面由氧化铝涂层形成时可能会有类似的问题。为了减小空气和蓝宝石的折射率之间的任何失配，附加涂层可以被添加到涂层210来提供抗反射性能。
或者，可以采用氧化铝和/或SiON的多层叠层来最小化或减小相邻层的折射率之间的失配。例如，具有不同的硬度（因此具有不同的折射率）的多个层可沉积在蓝宝石衬底上，第一个层之后的每个这样的层或薄膜被沉积在位于其下面的层上。各层/薄膜可以选择为使得相邻的任何两层之间的折射率在较小的三角形内，即使蓝宝石衬底和最外面的层的折射率之间的差异可能大于相邻的任何两个层之间的差异。以这种方式，可以减少或消除光学赝像。
也可以调整第一层210，以去掉或调整叠层的某些属性。例如，穿透叠层的光学性能可能对光的透过率有负面影响。因此，该叠层在被观察时可能呈现着色、轻微着色和/或朦胧。为了补偿，可以修 改叠层的某些层，例如与蓝宝石衬底200最接近的层，来消除负面影响。这样，根据各实施例，下层210可以包括选择用于补偿色偏的材料（例如，典型的抗反射材料涂层）。采用第一层210来控制通过叠层的光学性能和对光透光率的影响可能会影响到第一层210作为强化层的功效。这样，可以增加附加层400；此附加层400可以由适合用作强化层的材料形成。该层400例如可以是氧化铝或SiON。
根据各实施例，任何一层另外可以具有贯穿该层的性能、结构性特点和/或材料的梯度。例如，由于连续修改沉积氧化铝材料的方式，氧化铝和/或SiON可能具有性能的梯度。各实施例中，层可以从一种材料过渡到另一种材料。这种结构在2012年9月21日申请的且题为“蓝宝石上的疏油涂层（Oleophobic Coating Gn Sapphire）”的美国临时专利申请案第61/704,275号中进行了讨论（引用的方式并入）。具体而言，各层可以具有出现在该层内的材料的梯度（从氧化铝或SiON到二氧化硅）。在把疏油材料并入实施例时可以采用这类的层。例如，第一层210可以是氧化铝或SiON至二氧化硅的梯度层，和附加层400可以是憎油材料。
类似于本文中讨论的各层，复合材料用作各层。根据各实施例，如图6a所示，外层600可以采取聚合物基体620的形式，多个硬块610悬浮在聚合物基体620内。在一些实施例中，多个硬块610可以在基体表面形成单行。可替换地或附加地，多个硬块610可以形成多个重叠的行。多个硬块610可配置成朝聚合物基体620的深度方向且在聚合物基体620内横向地偏转。为了防止块610与基体620之间明显的视觉不连续，基体和块可以具有匹配的或接近匹配的折射率。
这种结构的效果是，当应用作为表面时，外层600可以提供硬块610的强度、感觉和/或硬度性能，但是具有聚合物基体620的柔韧性。在聚合物基体620中设置若干行的硬块610可以创建拥有足够的刚性（和其他机械性能）以便在许多应用中用作衬底的层，例如，用作电子计算装置的盖玻璃的替代物。所述块可以由蓝宝石衬底的小部分、氧化铝或SiON沉积物的团块等形成。
除了在聚合物基体中排列蓝宝石、氧化铝、SiON等的块，可以采用多种其它方式来提供分段型衬底。举例来说且如图6b所示，外层650可以由与沉积有该层的衬底垂直的子层的沉积材料形成。例如，层650可以包括多个纵向子层660和670。这些纵向子层的引入可以防止缺陷、裂纹或断裂水平传播。
本文中讨论的各层可以按照多种方式应用到衬底200上。正如贯穿全文所讨论的，在各种实施例中，第一层210、第二层300和附加层400可以是氧化铝或SiON层。该层可以通过许多不同的技术以合适的粘附力进行应用。例如，这些技术可以包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、离子束辅助沉积(IBAD)、物理气相沉积(PVD)和/或化学气相沉积(CVD)，各自使层产生稍微不同的结构。不同的结构可能影响最终零件的硬度、强度和/或光学性能。伴随着特定的条件(包括气氛，衬底和室的温度，压力，额外的高能离子的存在、比率、类型和能量，所施加的涂层材料的沉积速率和条件)，涂层材料的沉积随工艺而变，所有这些条件都对能够影响各种材料性能的最终结构、组成和密度起一份作用。
根据各实施例，如图7所示，表面处理装置700可以对电子设备的表面200进行表面处理。在这个特定的例子中，沉积系统700包括具有各种涂层材料708(例如，SiON，氧化铝，疏油性材料，SiO2，MgF2，Si3N4，Al2O3，HFXO，DLC，NBXO，任何其他抗反射材料和/或其他表面处理)的一个或多个容器710。为了减少容器710内的氧化、湿气和污染，可以由气体源716通过吹扫或加压流管714供应惰性气体712(例如，氩气或氮气)。根据设计，容器710通过一个或多个输送管722连接到真空室718，输送管722配置用于把材料708从容器710输送到供应系统720。供应系统720利用管、泵、阀门和其他部件的适当组合来把材料708引导至蒸发或沉积单元726，用于沉积到衬底200上，例如，沉积到电子设备100上的边框104或窗110的外表面108上，如上文参考图1a所描述的。在图 7的特定配置中，沉积单元726设置为CVD或PVD器件的形式。或者，可以利用其它工艺和器件，例如，以便通过溅射、电子束沉积或电子束蒸发、IBAD、PECVD或这些工艺的组合来处理衬底200。
一些实施例中，表面处理系统700还控制压力、温度和湿度（以使室718运行作为真空室）或者其他化学或物理气相沉积环境。表面处理系统700还可为表面涂布工艺维持特定的温度，例如在约100℃和约150℃之间，或者在约100℃和170℃之间。为了在受控工艺中使衬底200暴露于大气中，在涂布工艺期间或之后，还可以在从室718移走衬底之前向室718内提供空气。
通常，控制供应系统720和沉积单元726来把选定量的材料（例如，SiON，氧化铝，二氧化硅，石英玻璃，疏油性材料，抗反射材料和其他表面处理）按照特定的顺序和组合沉积到衬底200上，如上文参考图2-6b所描述的。或者，诸如氧化铝、二氧化硅和石英玻璃的材料708也可设置在一个或多个供应系统720或沉积单元726内、容器710和其它外部组件内。
根据各实施例，如图8所示，把有益层应用到衬底200上的方法可以获得合适的衬底200（步骤800）开始。例如，衬底可以是扁平的蓝宝石透明片，其切割成合适的大小，以用作便携式设备100的窗，如上文参考图1a-7所描述的。
为了更好的粘附和/或物理强化，衬底200的各表面可以进行预处理（步骤810）。例如，衬底200的表面可以进行预处理，以便粘附到各个层。各例子中，预处理可以包括对蓝宝石表面进行彻底的加工和抛光来消除缺陷。各例子中，还可利用离子注入技术来提高衬底200的性能。离子注入可以包括：相对于离子注入设备定位蓝宝石衬底的第一表面，以及把离子引导至蓝宝石衬底的第一表面，以使它们埋入第一表面下。该工艺还可包括以下过程的一个或多个：加热蓝宝石衬底，以使注入的离子扩散到蓝宝石衬底的更深层；冷却蓝宝石衬底；以及执行至少第二注入步骤来把离子引导至蓝宝石衬底的第一表面，以使离子埋入第一表面下。
离子注入工艺中，用诸如N+（氮）离子的离子轰击衬底200的表面，提供厚度高达约600纳米或更厚的压应力层，用于改善抗缺陷传播的能力。离子注入可以使衬底表面非晶化，使得非晶层能够更好地粘附到衬底表面。这样的处理可以施加到，例如衬底200、第一层210、下层300、附加层400、本文中没有另外讨论的任何其它层和/或它们的任意组合。
沉积材料来形成第一层210（例如氧化铝和/或SiON），在沉积该材料之前可以对蓝宝石衬底进行预处理（步骤815）。例如，预处理可以包括加热材料和蓝宝石衬底（例如，至300-500℃的温度）。在沉积形成第一层的材料之后，蓝宝石衬底和第一层可以一起冷却。蓝宝石衬底相比于第一层中的SiON/氧化铝在热膨胀方面的差异可使得蓝宝石衬底压第一层，导致SiON/氧化铝层具有大的压应力。
第一层210可以应用到衬底200的上表面206上（步骤820）。第一层210可以是相比于其相邻材料（如蓝宝石和/或附加层400）具有至少一种不同的特性的材料，其中该特性选自密度、强度、硬度、光学性能（如折射率）和/或疏油性能的列表。可利用选自CVD、PVD、IBAD、PECVD、溅射、电子束沉积和/或电子束蒸发的列表的至少一种工艺把第一层210沉积在衬底200上。例如，第一层210可以是比蓝宝石衬底软的氧化铝或SiON层。
可以把附加层400应用到第一层210上（步骤830）。附加层400可以是相比于其相邻材料（如第一层210）具有至少一种不同的特性的材料，其中该特性选自密度、强度、硬度、光学性能（如折射率）和/或疏油性能的列表。例如，附加层400可以是第二氧化铝或SiON层，其具有不同于第一层210中所用材料的特性的物理特性。如步骤820的例子中所描述的，第一层210可以是第一氧化铝或SiON层。附加层400可以是第二氧化铝或SiON层。第二氧化铝或SiON层可以具有至少一种不同于第一层的特性；例如，第二层可以比第一层更硬。
可以把第二层300应用到衬底200的下表面208上（步骤840）。 第二层300可以是相比于其相邻材料（如蓝宝石200）具有至少一种不同的特性的材料，其中该特性选自密度、强度、硬度、光学性能（其一个例子是折射率）和/或疏油性能的列表。例如，第二层300可以是氧化铝或SiON层。可利用选自CVD、PVD、IBAD、PECVD、溅射、电子束沉积和/或电子束蒸发的列表的至少一种工艺把第二层300沉积在衬底200上。
一些实施例可采用薄膜或涂层来减少相邻的两种材料的反射率差异。一般来说，透明材料的外观由两种成分确定：镜面反射和漫反射。镜面反射通常被认为是离开材料的外表面的反射。镜面反射一般是材料的折射率的函数。漫反射是由离开透明材料下面的背底或基底材料的光线的反射所引起的。作为一个例子，蓝宝石可以用作透明材料，而施加到蓝宝石材料的下表面的油墨可以作为背底。
当两种材料的折射率不同时，较高折射率的材料的镜面反射会更大，这意味着观察到的外观将具有较大比例的镜面反射。相比之下，漫反射主要由背底表面的表面状况和颜色所确定。
由于它的高折射率，蓝宝石是尤其反光的。这使得蓝宝石成为与其他的设备部件匹配困难的材料。
根据各实施例，与第二材料（如玻璃或塑料）的镜面和/或漫反射相比，通过施加表面或涂层至设备，或者至少至设备的蓝宝石元件，可以减少蓝宝石的镜面和/或漫反射。
例如，考虑具有由蓝宝石衬底和相邻却不同的材料所形成的表面的一种设备。可以在蓝宝石衬底的上表面上应用第一涂层。各实施例中，第一涂层可以是氧化铝和/或SiON的层。应用如上所述的氧化铝和/或SiON的层可用作抗反射涂层。氧化铝和/或SiON层可以把蓝宝石衬底的镜面和/或漫反射改变至与相邻材料（其可以构成设备的任何部分）一致的水平。因此，尽管只有蓝宝石进行了涂布，但蓝宝石的镜面和/或漫反射可以匹配或制作成较接近于设备的相邻材料的镜面和/或漫反射。
相邻部分可以是第二衬底的一部分，或者就它们可以被粘接、 模塑、焊接或用其它方式粘附到蓝宝石衬底上的情况而言，其可以构成同一衬底的一部分。各实施例中，第二衬底可以是不同于蓝宝石衬底的材料。如此，具有比蓝宝石低的镜面反射（例如氧化铝）的层可以更好地匹配第二衬底，并且由于它是较硬的材料，也可能是有益的，如上面所讨论的。然而，还可以才有其它涂层。
一些实施例中，上述的涂层或薄膜可以不仅放置在蓝宝石上，而且可放置在相邻却不同的材料上。例如，考虑一种移动电话，其背面在一个区域中由蓝宝石制成而在另一个区域中由塑料制成。蓝宝石和塑料区域的镜面和漫反射是不同的，导致同一设备的背面上不同的光学效果。
均匀的涂层可应用到移动设备的蓝宝石和塑料部分。可以选择涂层或薄膜，以确保该薄膜一旦被应用则两部分就具有比较一致的镜面和/或漫反射，从而使这个方向的各材料彼此相互光学匹配。应当明了，涂层或薄膜可能会降低一种材料（如蓝宝石）的反射特性，使它与其他材料匹配，或者，它可能会增大材料（如上述塑料）的反射特性，来匹配其他材料（例如，蓝宝石）。一些实施例中，薄膜或涂层可以是氧化铝或SiON，这通常会使它所应用的玻璃或塑料部分的镜面反射率增大到近似匹配蓝宝石元件，无论蓝宝石是否涂布有氧化铝或SiON。此外，这种涂层可以耐刮擦，而赋予涂布后材料额外的性能，如本文中总体描述的。
下面总体讨论反射率匹配。根据各实施例，可以把蓝宝石衬底应用到设备中（图1a-2示出了这种衬底的例子）。蓝宝石衬底可以包括第一表面和第二表面（如图2的上表面206和和下表面208），第二表面上施加了第一衬底材料。例如，图3示出了下表面208上的第二层300。此层潜在地可以是任何材料；例如，层300可以是第一衬底材料。一些实施例中，第一衬底材料可能是油墨着色剂。第一层可以应用到第一表面。第一层可以是抗反射涂层。例如，第一层可以是氧化铝或SiON。
在设备中还可应用第二衬底。第二衬底可以是设备的任意部分， 如按钮、边框、盖或类似的部分（参见例如图1a）。第二衬底可以由任何材料形成。例如，材料可以是玻璃、塑料、铝、碳纤维或可以用在设备上的任何其他材料。
在第二衬底上可应用颜色匹配材料。着色剂可应用到第二衬底的下表面上，类似于图3示出的下层300。着色剂可以是选择用于使上述的第一衬底材料的外观匹配的颜色匹配材料。把诸如氧化铝的抗反射层应用到第二衬底上，可以使第二衬底的视觉方面与颜色匹配材料恰当的匹配，以及第一衬底与其油墨着色剂恰当的匹配。还可以把附加层添加到第二衬底。例如，可以把氧化铝应用到第二衬底的上表面上。这可以进一步使第一衬底和第二衬底的镜面反射率匹配。这还可赋予第二衬底较硬的表面。
各实施例中，第二衬底可以具有施加到其上表面的着色剂。例如，第二衬底可以是塑料。一些实施例中，塑料衬底可能在所有表面上被染色（因为它不得是透明的）。这样的实施例中，可以把氧化铝涂层应用到着色剂之上。这可以使塑料部分更耐磨，以及使塑料部分的镜面反射匹配或接近于蓝宝石部分。
尽管前面的讨论给出了具体的实施例，但前文仅仅说明了本发明的原理。本领域技术人员会认识到，可以做出形式和细节上的改变而不脱离本公开的精神和范围，因为本领域技术人员根据本文的教导会易于明白所描述的实施例的各种修改和变型。例如，可以按照另一顺序或者按照不同的组合来执行处理步骤。因此会明了，本领域技术人员将能够设计出实现本公开原理并由此落入本发明的精神和范围内的若干系统、装置和方法，尽管它们没有在本文中明确的显示和描述。根据上面的描述和附图，本领域普通技术人员会理解，图示和描述的特定实施例仅仅为了说明，且对特定实施例的细节的提及并非意欲限制由所附权利要求书限定的本发明的范围。

Claims (25)

1.一种窗，包括：
蓝宝石衬底，包括具有多个表面缺陷的第一表面和第二表面，第二表面与第一表面相对；以及
第一层，粘附到第一表面和第一表面上的多个表面缺陷以填充表面缺陷，所述第一层由第一厚度的氧化铝或氮氧化硅中的一种形成；
第二层，粘附到第二表面和第二表面上的多个表面缺陷，第二表面层由小于第一厚度的第二厚度的氧化铝或氮氧化硅中的一种形成；
其中所述第二层引起蓝宝石衬底内的压缩应力，所述第二层包括具有比所述第一层的材料更大的硬度的材料。
2.权利要求1所述的窗，
其中所述第二层以升高的温度形成并且被冷却以产生蓝宝石衬底内的压缩应力。
3.权利要求1所述的窗，还包括：
粘附到所述第一层的附加层，
其中所述附加层由与所述第一层相同的化学成分形成，但是具有不同于第一层的结构，该不同的结构使得所述附加层具有与所述第一层不同的物理特性。
4.权利要求1所述的窗，其中
所述第一层具有低于所述蓝宝石衬底的硬度，并且
其中所述第一层的硬度是莫氏等级上的7至9。
5.权利要求3所述的窗，其中所述附加层是氧化铝，并且所述附加层的氧化铝具有在蓝宝石的硬度和第一氧化铝层的硬度之间的硬度。
6.权利要求3所述的窗，其中所述附加层是氮氧化硅或氧化铝中的一种，且比第一氧化铝层更软。
7.权利要求3所述的窗，其中所述附加层是具有悬浮在其中的多个块的聚合物基体，并且
一组块被配置成在其上施加力时朝聚合物基体的深度方向偏转。
8.权利要求3所述的窗，其中所述附加层是具有比第一层小的折射率的抗反射涂层。
9.权利要求1所述的窗，其中至少第一表面或第二表面中的一个是非晶表面，并且
其中所述非晶表面被离子注入。
10.一种方法，包括：
获得具有上表面和与上表面相对的下表面的蓝宝石衬底；
对所述蓝宝石衬底的上表面和下表面中的至少一个进行预处理；
在所述蓝宝石衬底的上表面上沉积作为第一材料的氮氧化硅或氧化铝中的一种，以便形成第一层，
所述第一层具有至少一种不同于所述蓝宝石衬底的材料特性并且具有第一厚度；以及
在所述蓝宝石衬底的下表面上沉积第二材料从而形成第二层，第二层具有小于第一厚度的第二厚度；
其中在下表面上形成所述第二材料引起所述蓝宝石衬底内的压缩应力，所述第二材料包括具有比所述第一材料更大的硬度的材料。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
在所述第一层上沉积附加材料，从而形成附加层，
其中所述附加层具有至少一种不同于所述第一层的材料特性。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一材料通过第一工艺来沉积；并且
其中所述第二材料是氮氧化硅或氧化铝中的一种且通过第二工艺来沉积，所述第二工艺以比通过所述第一工艺沉积的第一材料的结构形式更硬的结构形式沉积所述第二材料。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一材料通过第一工艺来沉积；并且
其中所述第二材料是氧化铝且通过第二工艺来沉积，所述第二材料具有比所述第一材料低的折射率。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述附加材料是氧化铝。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在沉积所述第一材料和所述附加材料之前加热所述第一材料、所述附加材料和所述蓝宝石衬底；以及
在沉积后冷却所述第一材料、所述附加材料和所述蓝宝石衬底，使所述蓝宝石衬底的热膨胀差异能够压缩所述第一层中的第一材料和所述附加层中的附加材料。
16.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二材料是抗反射材料。
17.根据权利要求10所述的方法，其中通过离子注入对蓝宝石衬底进行预处理。
18.根据权利要求10所述的方法，其中利用选自CVD、PVD、IBAD、溅射、电子束沉积和/或电子束蒸发的列表的至少一种工艺将所述第一层沉积在所述蓝宝石衬底上。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述CVD包括PECVD。
20.一种方法，包括：
将蓝宝石衬底应用到设备，所述蓝宝石衬底包括：
第一表面；
应用到第一表面的第一层，所述第一层具有第一厚度；
第二表面，与第一表面相对；以及
应用到第二表面上的第一衬底材料，所述第一衬底材料包括具有比所述第一层更大的硬度的材料，其中所述第一衬底材料具有小于第一厚度的第二厚度，并且引起蓝宝石材料内的压缩应力；
将第二衬底应用到所述设备；
将颜色匹配材料应用到第二衬底，其中所述颜色匹配材料被选择为匹配第一衬底材料的外观；以及
通过将第一涂层应用到所述蓝宝石衬底的第一表面来降低所述蓝宝石衬底的折射率，其中第一涂层具有大于3.4的莫氏硬度。
21.权利要求20所述的方法，其中第一衬底材料是具有氮氧化硅或氧化铝中的一种的层。
22.权利要求20所述的方法，还包括：
把第二涂层材料应用到第二衬底的上表面上。
23.权利要求22所述的方法，其中第二涂层是具有氮氧化硅或氧化铝中的一种的层。
24.权利要求20所述的方法，其中第二衬底是玻璃，并且颜色匹配材料是应用到第二衬底的下表面上的油墨。
25.权利要求20所述的方法，还包括：
把氧化铝涂层应用到第二衬底，其中第二衬底是塑料；以及
其中所述颜色匹配材料是应用到第二衬底的上表面的塑料着色剂，并且所述氧化铝涂层被应用在所述颜色匹配材料的外面。
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