CN104145320A

CN104145320A - 多步骤离子注入

Info

Publication number: CN104145320A
Application number: CN201380003317.4A
Authority: CN
Inventors: D·N·麦麦陵; S·A·迈尔斯; D·韦伯
Original assignee: Apple Computer Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2013-02-12
Filing date: 2013-02-12
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2033-02-12
Also published as: US9828668B2; JP5999668B2; KR101641807B1; US20160024646A1; WO2014126551A1; KR20140110858A; CN104145320B; JP2015518517A; EP2789004A1

Abstract

本文描述了用于强化蓝宝石部件的系统和方法。一个实施方式可采用方法的形式，其包括确定蓝宝石组件的第一表面相对于离子注入设备的方向，并且执行第一注入步骤。该注入步骤可包括在该蓝宝石组件的第一表面引导离子以将它们嵌入第一表面下。该系统和方法也可包括如下步骤中的一个或多个：加热蓝宝石组件以将注入的离子扩散进入蓝宝石组件的更深层；冷却蓝宝石组件；和执行至少第二注入步骤，在蓝宝石组件的第一表面引导离子以将离子嵌入第一表面下。

Description

多步骤离子注入

技术领域

本申请涉及蓝宝石材料，更特别地，涉及刚玉和其它经加工的蓝宝石材料的物理性能。

背景技术

刚玉是氧化铝的结晶形式，并且存在各种不同的颜色，所有这些一般通常被称为蓝宝石，除了通常被称为红宝石的红色刚玉和被称为得帕德玛刚玉（padparadscha）的粉橙色刚玉。透明形式的刚玉被认为是宝石（precious stone）或宝石（gem）。通常，刚玉非常坚硬，规定纯刚玉的莫氏硬度为9.0，这样，能够刮伤几乎所有其它矿石。

如可以理解的，由于刚玉的某些特征，尤其是其硬度和透明的特性，使得它可在各种不同的应用中是有用的。然而，该有利于特殊应用的相同的特征通常会增加在加工和制备用于那些应用的蓝宝石中的成本和难度。因此，制备特定用途的刚玉的成本往往是过高的，超出了与它是宝石相关的成本。例如，蓝宝石的硬度使得当采用传统加工技术时，切割和抛光该材料既困难又费时。此外，当用于刚玉时，传统的加工工具如切割工具经历相对快的磨损。

发明内容

本文描述了强化蓝宝石部件的系统和方法。一个实施方式采取方法的形式，其包括确定蓝宝石组件的第一表面相对于离子注入设备的方向，并且执行第一注入步骤。该注入步骤可包括在蓝宝石组件的第一表面引导（例如，高能量）离子以将它们嵌入第一表面下。该方法也可包括如下步骤中的一个或多个：加热蓝宝石组件，以使注入的离子扩散进入蓝宝石组件的较深层；冷却蓝宝石组件；和执行至少第二注入步骤，在蓝宝石组件第一表面引导离子，以将这些离子嵌入第一表面下。

嵌入离子可在蓝宝石表面产生压缩应力。例如，离子可填隙式地嵌入第一表面下现存的晶格位点之间，以产生压缩应力。或者，这些离子可填充蓝宝石晶格中的空位，或者可嵌入离子使得嵌入区域部分在性质上基本是无定形或非晶的。

另一个实施方式可采用离子注入系统的形式。该系统可包括第一离子注入设备，配置用来将离子注入晶体部件的晶格结构，和加热器，配置用来加热晶体部件以使注入的离子能够扩散。

也可利用等离子体离子浸渍作为离子注入系统或方法。在等离子体离子浸渍中，可用的离子能量可稍微低于以具有较高生产量的离子束注入而获得的离子能量。例如，用于将离子嵌入蓝宝石部件表面的等离子体离子浸渍系统可包括等离子体（离子）源、真空室、和用于连接等离子体源和真空室的连接机构。该真空室可包括缝阀和涡轮分子泵或其它泵浦系统以维持低压。可利用电源（例如，脉冲DC电源）将离子从等离子体源引导到蓝宝石部件的表面，其中离子可被如上面描述地注入。

又一个实施方式可采用方法的形式，其包括确定蓝宝石组件的第一表面相对于离子注入设备的方向，并且执行第一注入步骤。该第一注入步骤可包括在蓝宝石组件的第一表面引导第一离子。该第一离子可具有第一注入能量或能量水平，并且可被嵌入第一表面下。该方法也可包括执行至少第二注入步骤，该第二注入步骤包括在蓝宝石组件的第一表面引导第二离子。该第二离子可具有第二注入能量或能量水平，并且可被嵌入到第一表面下与第一离子不同的深度。

更进一步，另一个实施方式可采用方法的形式，其包括确定蓝宝石组件的表面相对于离子注入设备的方向，并且在蓝宝石组件的表面引导离子。可将这些离子嵌入该表面下。该方法也可包括用铝原子和氧原子的至少一种来轰击蓝宝石组件的该表面。

虽然公开了多个实施方式，通过下面的详细描述使本发明的其它实施方式对本领域技术人员变得清楚。如将认识到的，这些实施方式能够在各方面进行修改，而都没有脱离这些实施方式的精神和范围。因此，可认为附图和详细描述实质上是用于说明而不是限制。

附图说明

附图1说明了示例的蓝宝石部件。

附图2A说明了示例的用于将离子注入附图1的蓝宝石部件表面的离子注入系统。

附图2B说明了另一个用于将离子注入蓝宝石部件表面的离子注入系统。

附图3说明了附图2A或2B的离子注入系统的支撑组件，用于在离子注入过程中支撑蓝宝石部件。

附图4是沿附图3的IV－IV线的蓝宝石部件的局部剖视图，并且显示了格状晶体结构。

附图5是沿附图3的IV－IV线的蓝宝石部件的局部剖视图，并且显示了注入到格状晶体结构内的离子。

附图6是沿附图3的IV－IV线的蓝宝石部件的局部剖视图，并且显示了压缩层，例如以减小或防止蓝宝石部件中的裂纹扩展。

附图7是沿附图3的IV－IV线的蓝宝石部件的局部剖视图，并且显示了该蓝宝石部件的顶表面和底表面两者上的压缩层。

附图8是表，其说明了相对于在蓝宝石部件中注入的离子浓度的蓝宝石部件的强度。

附图9说明了附图3的支撑组件，其夹持蓝宝石部件使得部件的边缘可用离子轰击。

附图10说明了具有指示离子浓度的曲线的蓝宝石部件的倒角边缘。

附图11说明了用于进一步将离子扩散进入格状晶体结构的加热步骤。

附图12说明了附图11的加热步骤后的离子注入步骤，以增加蓝宝石部件表面的离子浓度。

附图13说明了附图1的蓝宝石部件，其具有不同的离子注入区域，以获得希望的诸如区域着色的效果。

附图14是流程图，说明了根据一个示例的实施方式的离子注入方法。

附图15说明了根据另一个实施方式的用于将离子注入蓝宝石结构的系统。

附图16说明了附图15的系统，其具有用于离子流动的偏压终端。

附图17说明了注入曲线，其显示由于离子注入造成的在晶体结构的不同深度的压缩应力。横轴代表在晶体结构中的深度，纵轴代表应力水平。

附图18说明了附图17的注入曲线，具有在两峰之间的平滑区域。

附图19说明了另一条注入或净应力曲线。

附图20是说明离子注入方法的流程图，该方法包括原子轰击步骤以置换晶体结构的被置换原子。

附图21说明了带有微调（trim）以防止干扰的相机窗口。

附图22说明了具有着色边缘以防止干扰的蓝宝石窗口。

具体实施方式

虽然蓝宝石的固有强度比玻璃高，但是没有很好的已经建立的如化学强化的方法在机械成型后提供显著的强度改善。通常在应力下的表面裂缝的扩展导致蓝宝石的失效。因此，为了改善蓝宝石的强度和坚固性，应用离子注入方法来提供强度增加可能是有用的。

用于玻璃的化学强化方法，其中扩散用较大离子置换地取代较小离子，在玻璃部件表面的周围产生压缩应力层，其用来防止表面裂缝扩展。相反，蓝宝石的瞬间离子注入用高能量离子轰击蓝宝石部件，该离子以填隙式或其它形式嵌入表面下，以产生用于阻止裂缝扩展的类似薄层或压缩应力层。蓝宝石离子注入工艺产生通常小于约1微米深度的应变晶格。利用氮或氩离子获得强化，尽管这没有限制，因为任何离子的浓度能够产生具有表面压缩应力所需的晶格应变。

用于强化的浓度可落在约10¹³－约10¹⁹个离子/cm²之间。也可实施这个范围外的其它浓度，然而，应当当心，低浓度将不能产生足够的晶格畸变以具有可测量的强度效果，且高浓度能够造成表面劣化，由于注入的离子可使表面破裂从而降低强度，或者能够产生能降低强度的从晶体向非晶体的结构变化。离子和浓度的选择可取决于离子的尺寸、它的能量、它的电荷以及它与蓝宝石的化学反应，因为这些将决定注入层的深度、在表面产生的应力的大小以及产生的蓝宝石的颜色，如果有的话。

由于蓝宝石中的杂质能够赋予颜色，具体的应用可确定是否希望着色的或无色的外观。另外，由于离子注入可为视线工艺，为了希望的效果，可以使用掩模来遮蔽部件的不同位置。例如，也许为获得最大强化所需的浓度导致着色。在那种情况下，可以选择离子来在具体位置产生更希望的颜色，同时使在其它区域的着色最小化。该思想的一个合理的实现是在蓝宝石显示器外表的周围注入高浓度的离子以产生具体颜色的掩模（如可产生深色，诸如黑色的铁和钛）。因此，离子注入可既改善易损边缘的强度，也提供希望的颜色。然后可在显示器部分上注入减少浓度的潜在的不同离子，也提供强化但避免了可使显示器外观劣化的着色。这项技术可享有产生掩模的附加利益，该掩模在蓝宝石中显现而不是如利用传统油墨返回印刷（ink backprinting）情况下在下部显现。

在一些实施方式中，可用于注入工艺的设备既可影响注入的深度，也可影响实施的技术。例如，如果在80千电子伏特（keV）或接近80千电子伏特（keV）下操作注入设备，离子可在第一深度注入，然而在160keV或接近160keV操作的注入设备可在比第一深度深的第二深度注入离子。因此，使用不同的注入能量可提供不同的应力曲线并且防止不同类型和/或深度的损伤。在一些实施方式中，可使用两个（或多个）注入设备在两个不同深度注入离子。也可利用等离子体工艺，其中离子具有不同的（例如更低的）能量，并且注入发生在其它深度（例如，在相对于注入表面更小的深度）。进一步，在一些实施方式中，可配置单一的注入设备来在两个或多个不同的能量水平操作以获得希望的应力曲线。

另外，在注入过程中，可置换晶体结构的原子。具体地，当Ar、N、Ti、Fe、或其它离子轰击晶体表面时，可置换铝或氧原子。为了有助于保护晶体结构的完整性，在最初的注入步骤后可通过离子注入工艺将Al或O离子再插入。例如，可首先注入氩来获得希望的强化曲线，随后可执行注入步骤再插入任何在氩注入期间被置换的氧原子。也可在高温（例如在一些实施方式中约500－1800℃之间）下执行一个或多个注入步骤。例如，可在相对于氧步骤的高温下执行氩注入步骤，反之亦然。

附图1说明了示例的蓝宝石部件100。该蓝宝石部件100可通过任何合适的方法形成，该方法包括，但不限于，限边馈膜生长法（EFG），泡生法（Kyropoulos）、焰熔法（Verneuil）、提拉法（Czochralski）、助熔剂法（flux）、水热法（hydrothermal）、垂直水平梯度凝固法（“VHGF”），和布里奇曼法（即水平移动生长）。该蓝宝石部件100可从蓝宝石晶片、蓝宝石条或其它这样的蓝宝石组件上切割下来。该蓝宝石部件100可取任何合适的几何形状，并且可为任何适当的目的而制造。在一个实施方式中，例如，该蓝宝石部件100可通常具有矩形形状，并且可配置用来作为电子器件中的防护玻璃。在其它实施方式中，该蓝宝石部件100可具有圆形形状，并且可配置用来作为相机的防护玻璃。

可将离子注入蓝宝石部件100的一个或多个表面，以帮助强化该部件。具体地，例如，可用离子注入顶表面102和一个或多个边缘104。在一些实施方式中，表面，诸如顶表面102，可具有注入的离子浓度梯度，具有具备不同离子浓度和/或不同离子类型的区域。例如，顶表面102的外围边缘106可具有比顶表面的中心108更高的离子浓度。另外，或者作为选择，顶表面102可注入与边缘104不同的离子浓度。进一步，每个边缘104可具有不同的离子浓度。

另外，或者作为选择，顶表面102的外围边缘106可注入与中心108不同的离子。例如，外围边缘可注入钛离子和/或铁离子，而中心108可注入氮和/或氩离子。

应当理解，可以实现其它离子和/或离子的其它组合。边缘104也可注入与顶表面102不同的离子和/或一个或多个边缘可注入与另一个边缘不同的离子。进一步，顶表面和底表面可具有不同的离子浓度和/或具有不同的注入离子。

附图2A说明了用于将离子注入蓝宝石部件100的离子注入系统110。通常，注入系统110可根据传统技术操作。首先，可将多个部件100设置在末端工位112，使得可将离子引导并注入部件100。用于注入的离子在具有磁铁115的离子源114启动。离子源114包括室116（或阳极）和灯丝（或阴极）118。磁铁115位于离子源114附近。通过元素源120将元素诸如钛、氩、铁、氮或另一元素供给到室116中并且转化为等离子体。在被磁铁124改变方向前，使元素通过离子抽提结构单元/预加速单元122，并且用质谱分析狭缝125过滤或分离。接着，使离子通过离子加速柱126。离子在冲击部件之前，通过磁四极透镜128和电子扫描系统或单元130。

附图2B说明了另一个通过等离子体离子浸渍工艺，用于向蓝宝石部件100注入离子的离子注入系统110。在附图2B的特殊构造中，例如，该注入系统110包括真空室型末端工位112，用于向蓝宝石（晶体氧化铝或AlOx）部件或零件100的选择的表面中注入离子，其中所选的离子131产生自电子/离子等离子体131A。

由等离子体离子源121提供注入离子131，配置等离子体源121用来产生电子/离子等离子体131A，其包括被选择用来注入蓝宝石部件100的特殊离子131，例如铝、氧、氮、氩、镁、钛、铜、铁或铬离子131，或它们的组合。真空室末端工位112通过真空管道或其它连接部件132与等离子体源121连接。真空室112也可包括各种真空阀和泵部件133和134，以便维持适用于执行蓝宝石部件100的等离子体浸渍离子注入工艺的希望的低压力。

如附图2B中所示，例如使用固定装置或支撑组件135，将防护玻璃或其它蓝宝石部件100浸渍或暴露于等离子体131A，使得选择用来离子注入的表面101暴露于选择的离子131。提供电极136与部件100接触或电荷连通，用来施加电压以从电子/离子等离子体131A中分离所选择的离子131，并且朝向所选择的表面101加速离子131。

提供电源137以在电极136上产生所选择的注入电压，例如，绝对值在几千伏（kV）数量级（例如约1kV-约10kV），或几十或几百千伏数量级（例如，约10kV-约100kV，或更高）的负操作电压-V₀，使得所选择的离子131朝向蓝宝石部件100的注入表面101加速。在朝向注入表面101加速的过程中，离子131获得动能K=qV₀，其中q是离子电荷的绝对值，例如e、2e、3e等，并且其中e是电子上的基础电荷的绝对值。

这样，能量qV₀代表离子注入能量，其可通过选择操作电压V₀和离子化电荷q（或离子化水平）来选择，以在蓝宝石部件100中的希望的目标深度（或在希望的目标深度范围）注入离子131。相对于选择的注入表面101来定义注入深度，使得在蓝宝石部件100的注入表面101下的目标深度，或在相应的目标深度范围内注入选择的离子131。注入深度也依赖于选择的离子131的尺寸和相应的用于来自蓝宝石部件100的晶格中的原子的散射的横截面，以及离子化等级或电荷q。

例如，电源137可在脉冲DC模式下操作，其中将操作电压－V₀施加到电极136上（和蓝宝石部件100）相对短的时间，该相对短的时间如用电子/离子等离子体131A的等离子体频率来定义，例如在几微秒或更长的数量级（例如约1μs或小于约10μs或更长）。在DC脉冲期间，由于通过电极136施加到蓝宝石部件100上的负电荷脉冲-V₀，将电子/离子等离子体131A中的电子从选择的离子注入表面101排斥开。

同时，将选择的离子131朝向蓝宝石部件100加速，并且基于上面描述的注入能量、电荷、和散射横截面，在选择的离子注入表面101下的希望的目标深度或范围注入。作为选择，可应用基本恒定的DC电压，经过基本大于1-10μs的注入时间，例如在毫秒的数量级，或者在秒的数量级或更长。例如，可根据离子选择、等离子体密度、电荷数，和其它参数，比如希望的离子表面密度和目标深度，以及作为结果的邻近选择的离子注入表面101的蓝宝石部件100的压缩应力、颜色、透明度和不透明度来确定注入时间。

在一些设计中，真空室末端工位112也可包括加热器138或其它配置用来加热蓝宝石部件100的设备，例如通过利用固定装置135的传导路径，或通过传导、辐射和对流的组合与真空室112内部一起加热蓝宝石部件100。在这些设计中，可将蓝宝石部件100加热到足够的扩散温度，使得选择的离子131扩散到蓝宝石部件100的所选择的表面101下大于目标深度的深度。

加热可在真空室112内的低压下，或在较高压力的惰性气氛中进行。例如，可将蓝宝石部件100加热到约500℃-约1800℃的扩散温度，例如几分钟或几小时的扩散时间段，使得选择的离子131扩散到蓝宝石部件100的所选择的离子注入表面101下大于目标深度的深度。通常，如上所述，扩散离子将保持足以在蓝宝石部件100的所选择的离子注入表面101内产生压缩应力的扩散浓度。

在加热蓝宝石部件100以扩散所选择离子131到较大深度之前或之后，或者在加热过程中，也可将额外的离子131嵌入所选择的表面101。例如，可将额外的离子131嵌入在最初的目标深度（例如采用相同的注入能量或脉冲电压V₀），或者在另一个目标深度（例如，采用不同的注入能量或脉冲电压V₀）。类似地，在加热蓝宝石部件100到扩散温度之前嵌入或注入到所选择的表面101时，可从与最初的离子131相同的元素产生额外的离子131。作为选择，可配置等离子体离子源121以从不同的元素产生所选择的离子131，用来在加热蓝宝石部件100到扩散温度之前、过程中或之后，嵌入所选择的表面101。

电源137也可配置成产生具有跨越电极136的梯度的操作电压V₀，使得所选择的离子131以不同深度或浓度嵌入蓝宝石部件100的所选择的表面101，如基于相应的注入能量的梯度沿着电压梯度所定义的。例如，如附图2B所示，可以分段的形式提供电极136，不同的电压施加到不同的电极部分，以便产生跨越蓝宝石部件100的所选择的表面101的希望的电压梯度，这样产生相应的注入深度或注入离子131的密度的梯度。

在另外的实例中，可将蓝宝石部件100进行遮蔽，例如通过利用电极136作为遮蔽结构，或使用不同的遮蔽材料。在这些应用中，将所选择的表面101暴露于电子/离子等离子体231中的离子131，而将蓝宝石部件100的至少一个其它表面遮蔽，使得离子131嵌入所选择的表面101，且离子131没有嵌入蓝宝石部件100的被电极或其它遮蔽元件136覆盖的其它（遮蔽的）表面。

附图3说明了支撑蓝宝石部件100的末端工位112的支撑组件140。该支撑组件140可通常包括，夹住蓝宝石部件100以保护蓝宝石部件的两个反向的结构142。由于蓝宝石的硬度，通常不用担心该反向结构142会损伤蓝宝石部件100。然而，在一些实施方式中，可在结构142和蓝宝石部件100之间的界面上提供一个或多个缓冲组件。可将支持组件140配置为移动或旋转，使得蓝宝石部件100的多个侧面可暴露于离子。如可以理解的，在末端工位中也可有多个或许多支撑组件来支撑多个或许多蓝宝石部件。

附图4－7是蓝宝石部件100的局部剖视图，例如沿附图3中线IV－IV获得。应当理解，这些附图不是按比例的，目的仅仅是说明本文提出的概念。这样，不应当将附图解读成限制或表示尺寸、维度或说明的零件的精确关系。

附图4显示蓝宝石部件100的格状晶体结构150。如上面讨论的，在本离子注入工艺中，离子可注入格状晶体结构150的填隙空间152。或者，离子可置换蓝宝石晶格中的现存原子，或填充蓝宝石晶格中的空位点，或可嵌入离子，从而使得嵌入区域的部分性质上基本为无定型或非晶体的。

例如，离子可渗入晶格150的初级晶格（primary lattice）层或位点，并且置换现存的（例如铝或氧）原子，或占据初级晶格150的空位点，使得注入的离子排列在蓝宝石部件100的初级晶体结构内。或者，离子可渗入并且占据填隙位点152，形成如附图5中所示的次级晶格（secondary lattice）结构。

附图5显示注入到蓝宝石部件100，例如注入填隙空间152的离子154。离子154在填隙空间152的注入（或以其它方式注入蓝宝石部件100），可在蓝宝石结构中产生有助于防止蓝宝石部件100的表面中裂缝或缺陷扩展的压缩层。

例如，如附图4所示，注入的离子154可占据填隙位点152，形成排列在部件100的初级（例如蓝宝石）晶格内或之间的次级晶格结构或次级晶格层，如附图5所示。或者，注入的离子154可占据初级晶格150中的位点，如上面描述的。注入的离子154也可在晶格结构中产生局部中断，在蓝宝石部件100的初级晶格150周围的嵌入离子区域内形成局部无定型（非晶体）材料区域。注入的离子可为＋1价离子、＋2价离子，或其它离子价的离子。

附图6说明了压缩层160和表面102中的裂缝162或缺陷。在格状晶体结构上由注入的离子154提供的压缩防止裂缝162的扩大。这样，例如如果由于诸如导致蓝宝石部件撞击坚硬表面的坠落事件的应力产生的缺陷或裂缝，则注入的离子有助于保护蓝宝石部件的完整性。

附图7显示了具有通过离子注入产生的压缩层160的蓝宝石部件100的顶表面102和底表面103。在一些实施方式中，可将顶表面102和/或顶表面的一部分注入与底表面103不同的离子和/或不同的离子浓度。应当理解，在其它实施方式中，表面中的一个可不注入离子。这可以是当表面中的一个没有从设备外壳暴露于外表的情况，这样限制了它暴露于引起撞击和其它操作后果的缺陷。

注入的离子浓度通常可在约10¹³－约10¹⁹个离子/cm²。然而，在一些实施方式中，浓度可大于或小于这个范围。

附图8说明了曲线图170，其绘制了蓝宝石部件中强度与离子浓度的关系曲线。具体地，横轴代表注入的离子的浓度，纵轴说明蓝宝石结构的强度。如曲线172显示的，当离子注入至某浓度时，蓝宝石结构的强度在超过浓度的阈值水平后开始降低之前是增强的。为了说明的目的，在横轴上的第一标记174处或其附近浓度可为约10¹³个离子/cm²，在第二标记176处或其附近浓度可为约10¹⁹个离子/cm²。通常，离子浓度应当在提供提高强度的水平。如曲线172显示，过高的浓度可降低蓝宝石的强度。

尽管大量的前述讨论涉及蓝宝石部件100的表面，应当理解，在蓝宝石部件的边缘104也进行离子注入，并且前面提到的也应用到蓝宝石部件100的边缘104。具体地，附图3的支撑组件140可配置用来以允许边缘受到离子流冲击的方式夹持蓝宝石部件100，如附图9所示。边缘104可用与顶表面和/或底表面102、103相同或不同的离子，且以相同或不同的浓度进行注入。可配置支撑组件140以旋转，使得蓝宝石部件100的所有边缘104可暴露于离子注入。另外，可配置支撑组件140以在不同方向移动，以适应边缘形状。例如，支撑组件140可倾斜，使得离子可更直接地冲击直的或倒角的边缘，或其它边缘结构。

附图10说明了蓝宝石组件的倒角边缘180。另外，在倒角边缘上的曲线182说明了离子注入的相对浓度。如图所示，由于可最直接地接受离子流，在边缘180的平坦部分或邻近边缘180的平坦部分离子可更富集。边缘180的倾斜部分可具有较低的离子浓度。然而，在一些实施方式中，在边缘180的整个部分浓度是一致的。例如，在支撑组件140能够倾斜的实施方式中，离子流可直接冲击倾斜边缘，沿边缘180离子浓度可发生变化，或者沿边缘180基本上一致或基本上相同。

离子注入的一个限制可以是处理深度。通常，离子注入可限制在最大深度为约1微米，当相对于注入表面而定义时。这样，就存在如下风险，即加工缺陷或者处理损伤可能引入穿过比处理层更深的材料表面的划痕或缺陷，因此，限制了它在防止裂缝扩展方面的效力。为了改进该工艺，可以在每个注入步骤之间，或在一个或多个连续的注入步骤之间完成高温热处理的情况下连续地完成离子注入。

在这些实施方式中，可完成将导致晶格应变至深度x的注入。通过在高温下处理材料，扩散将允许注入的离子更深地扩散到材料中至x+y，同时降低表面的离子浓度。然后可以完成另一个注入步骤，以再次升高表面的离子浓度水平。可重复完成这些步骤，以产生最终处理层，其具有与常规单一处理相同水平的表面应力，但是具有比其它可能方式更大的离子渗入深度。

附图11说明了通过加热步骤，离子扩散到更深的晶格层。可提供热源190来加热表面102或加热蓝宝石部件100。随着蓝宝石部件被加热，晶格结构150可变得松弛，离子154可扩散进入晶格结构的更深层。在一些实施方式中，末端工位112或真空室（附图2A或附图2B）可用作烘箱或可用别的方式加热，使得在加热和注入步骤之间不移动蓝宝石部件100。在其它实施方式中，在加热和离子注入步骤之间可交错和更迭多批次蓝宝石部件，使得当一批次在末端工位112中时，另一批次可被加热，例如在末端工位112外部的烘箱中，或在末端工位烘箱112中。

扩散可降低接近或邻接注入表面的外层的离子浓度。这样，可利用接下来的离子注入步骤以在外层中补足离子，如附图12所示。通过注入与加热步骤的组合，离子可更深地注入到晶格结构中，以便有助于防止表面下的层的缺陷扩展。

在一些实施方式中，可实现多加热器和/或多离子注入系统，在一个实施方式中，第一离子注入器可注入第一元素的离子，第二离子注入器可注入第二元素的离子来获得希望的效果。在每个离子注入步骤之间，或在两个或多个连续的离子注入步骤之间，可使用加热器来帮助扩散先前注入的离子。

附图13说明了离子注入后的部件100，其中顶表面102的第一区域200由注入的离子着色（例如，变黑或给予另一颜色），第二区域202保持基本上清澈或透明。通常，第一区域200可包括顶表面102的周边部分，第二区域202可包括顶表面的中心部。在一些实施方式中，在离子注入过程中，可使用掩模来产生不同（例如清澈和着色的）区域。

从工艺的观点，离子注入可在后处理退火之后并且先于装饰执行，由于注入可损伤或影响任何表面墨迹或涂层，并且可期待在具有最小缺陷的表面方面最成功。附图14是根据本公开的实施方式的加工蓝宝石部件的方法210。

首先，生长蓝宝石晶体（框格212）。然后切割蓝宝石晶体（框格214）以形成蓝宝石部件，然后使它通过退火工艺（框格216）。然后，为了离子注入，将蓝宝石部件的一个或多个表面用离子流的离子轰击（框格218）。在离子注入期间，控制蓝宝石部件相对于离子流的位置，以便在每个希望的表面适当地注入离子。另外，在一个或多个离子注入步骤期间可对蓝宝石部件的某个区域进行遮蔽，以获得希望的浓度，和/或选择希望的离子来注入某个区域而不是其它区域。然后可加热蓝宝石部件，以促成离子扩散到更深的晶格层（框格220）。

在加热后，可再次用离子轰击蓝宝石部件（框格222）。离子注入、控制、遮蔽和加热/扩散步骤可以任何顺序、数目或组合重复，以便获得希望的离子选择、注入深度、浓度、颜色和其它性质。

接着，可执行后处理步骤诸如油墨掩模（ink mask）应用（框格224）。通常，在离子注入后不太可能有抛光步骤，以便保护压缩应力和其它希望的性质。或者，在离子注入表面后，可施加轻抛光步骤或其它后注入表面工艺。

可执行其它技术来将离子注入蓝宝石晶格结构、填隙或其它。例如，在一些实施方式中，蓝宝石组件可涂覆有离子浆或糊，并且将电流施加到浆中，以便在选择的表面中嵌入选择的离子至选择的深度。或者，如上面描述的，可单独利用等离子体浸渍工艺，或者与离子束沉积、离子浆和其它离子沉积方法组合。

附图15说明了离子浆工艺。详细地显示了在蓝宝石组件230的一个或两个（或每个）侧面102、103上具有离子糊232涂层的蓝宝石组件230。电终端234（如具有相反电压±V₀的单一终端）电连接至离子糊232或蓝宝石组件230，电流±I₀通过终端234施加至离子糊，例如使用电流源或电源238。

具体地，终端234可在蓝宝石组件230的不同（例如主要相反的）侧面102、103上施加相反电荷或电压±V₀，使得离子流过选择的注入表面（例如顶表面或底表面102或103）。终端234的电荷或偏压可稍微低于离子束和等离子体沉积工艺中的，也可交替，使得离子糊232中的离子注入到蓝宝石部件或组件230的每个侧面102和103，或注入蓝宝石组件230的边缘，或注入蓝宝石组件230的侧面102、103和边缘104的组合。也就是说，可切换阴极和阳极（或可使用一个接地终端234和另一个具有电压±V₀的终端234），以提供交流（AC）或直流（DC）偏压用于将离子糊或浆232中的离子注入到蓝宝石组件230的选择的侧面102、103和/或边缘104。

附图16说明了引起（例如，正的）离子沿箭头236方向流动的终端234的偏压。可使用任何适当的电源238来将电流±I₀施加至离子糊232。例如，在一些实施方式中，可向离子糊232施加交流电（AC）±I₀来注入离子。在其它实施方式中，可向离子糊232施加直流电（DC）±I₀，终端234的极性可周期性地切换。在另一些实施方式中，在电源238中可包括一个或多个开关电容器，并用它们向终端234提供脉冲电荷。

通常，向蓝宝石组件230内的扩散快于向蓝宝石组件230外的扩散，使得随着过程的完成，离子注入到蓝宝石中，例如填隙地或通过置换进入晶格。或者，离子可占据空的晶格体积，或在晶格内形成基本无定型结构的区域。离子糊232可包括至少一种离子元素和对于选择的离子元素适合的介质（或适合的一些介质）。选择的离子或离子元素可具有与上面描述的磁四极透镜和等离子体浸渍系统中的离子通常相同或相似的尺寸和化学性质。

应当理解，在附图15和16中说明的离子注入系统也可与上面描述的加热步骤一起提供，以帮助离子进一步扩散进入蓝宝石的格状晶体结构。在一些实施方式中，可在离子糊232仍在蓝宝石组件230的表面时实施加热，而在其它实施方式中，可在加热步骤前移除离子糊。在另外的实施方式中，离子注入过程可在炉或烘箱诸如真空炉末端工位或整理室112中进行，使得不用移动蓝宝石组件就可执行加热和离子注入步骤。

在一些实施方式中，离子的注入深度可以是注入能量、离子的尺寸和注入离子的晶面的函数。注入能量可以是系统、机械装置和注入离子使用的方法的函数。离子注入设备，诸如附图2A、2B、15和16中说明的，可在部分由离子的注入深度确定的特定能量水平下操作。例如，注入设备可在与第一注入深度相关的80keV下操作，而第二注入设备可在160keV下操作，其与比第一注入深度更深的第二注入深度相关。或者，也可选择离子电荷来瞄准特定的如相对于注入表面定义的注入深度，例如特定类型的单电离（＋1电荷）原子渗入第一目标深度，特定类型的双电离或多电离（＋2电荷或更高）原子渗入第二、更小目标注入深度。

更通常地，可单独或者组合使用基于不同的离子束、等离子体和离子浆的离子注入系统和方法，以便根据参数（其包括但不限于离子类型（原子数和原子量）、电荷（离子化水平）、注入能量和入射角度），以不同离子密度和注入深度注入选择的离子。不同注入深度和离子类型和密度通常在晶体结构的不同深度产生不同的压缩或拉伸应力，并且可进行选择，从而可操作地防止在相对于离子注入表面定义的结构的不同水平或深度的损伤的扩展。

转向附图17，其说明了注入曲线240,注入曲线240显示了由于离子注入而产生的在晶体结构的不同深度的压缩应力。横轴241代表在晶体结构中的深度，纵轴243代表（例如压缩）应力。例如，第一应力峰242可位于第一深度，而第二应力峰244可位于不同于第一深度的第二深度。这样，基于选择的离子注入系统和方法，一个、两个或更多个不同的深度可经受相同或不同的压缩应力，以便防止晶体结构中的裂缝的扩展。

这样，离子可具有浓度梯度地注入，使得离子浓度作为蓝宝石材料中的深度的函数而变化，如在相对于注入表面基本上横的或纵的（垂直的）方向所定义的。或者，离子可以跨越注入表面的浓度梯度而注入，使得离子浓度在沿表面的横向方向变化，例如与中心部分或区域相比，如上面关于附图1所描述的，沿周围的边缘具有不同的选择离子浓度和/或注入深度。

基于普遍的损伤曲线可选择不同的应力峰和深度或以不同的应力峰和深度为目标。例如，第一应力峰可位于通常发生表面损伤的深度附近。例如，第一峰242可近似地集中在相对于离子注入表面约20nm或更小的深度。第二峰244可位于目标损伤比表面类型深的深度，例如大于约20nm的深度。

如可以理解的，可通过一个或多个注入器或注入系统执行不同深度的离子注入。例如，第一注入器可在如下的能量水平操作，该能量水平在比第二注入器更深的水平注入离子，该第二注入器可在更低的能量水平操作，反之亦然。例如，第一注入器可在约160keV下操作，第二注入器可在约80keV下操作。如上面描述的，也可以利用不同的离子束、等离子体浸渍和离子浆注入系统和方法。

进一步，在一些实施方式中，单一注入器可配置用来在多个不同能量水平或使用不同的方法操作，以便获得希望的注入曲线。也可配置注入器的能量水平用来在随后的离子注入步骤中在不同的操作能量水平之间切换。进一步，注入器可配置用来当它在不同能量水平之间转变时连续注入离子。这样，可将离子注入或注入在晶体结构中的一个或多个基本离散的水平或深度，或在不同于通常的离散水平，例如，在晶体结构中基本连续的深度范围内。

附图18说明了具有平滑曲线的注入曲线240。具体地，离子可在两峰242和244之间的深度246注入。平滑可帮助强化目标深度之间的结构层。由于当在不同的目标能量水平之间转化时，注入器的连续注入的结果，可出现平滑曲线。另外，或者作为选择，可由于离子的扩散出现平滑曲线，例如在扩散加热步骤或退火步骤期间。此外，由于两个或多个使用不同能量水平的离散注入步骤的离子注入深度的叠加，可出现平滑。也就是说，注入的每个步骤都可包括没有注入精确目标深度的离子，从而导致可与意图为不同目标深度的离子注入叠加的注入曲线。

附图19说明了注入曲线248，它可代表由平滑曲线产生的净应力曲线。如所说明的，注入曲线248包括在代表目标深度的两个峰处的增强的压缩应力。然而，存在从表面（例如横轴上的起点）延伸到超过两峰深度（例如超过第二目标深度）的压缩应力。

应当理解，净应力曲线可基于希望的结构强度特性来制订。也就是说，可选择具体的目标深度来增强压缩应力，以提供对抗具体类型损伤的希望的保护。另外，应当理解，可为离子注入制定比两个深度更多或更少的目标。此外，深度可基于使用不同离子或元素而变化，以控制注入深度，而不是注入能量，深度或者可基于能量水平、注入方法、和/或离子/元素选择的一些组合而变化。进一步，注入离子密度可在不同深度水平变化。这样，第一深度可包括具有第一浓度的第一离子，第二深度可包括具有第二浓度的第二离子，第二浓度与第一深度的第一离子浓度不同或相同。

进一步，在一些实施方式中，可在特定的深度水平存在离子的一些组合以获得希望的效果。例如，可将钛离子和氩离子注入相同或大致相同的水平。希望的效果可包括由于注入的离子而产生的希望的着色和/或强化。在一些实施方式中，为了强化可选择特定深度水平，可以另一个水平为目标来给出特定的着色。

在一些实施方式中，离子注入的深度水平可基于被注入的晶体结构的表面而变化。例如，结构的顶表面可具有与结构的侧壁的注入深度不同的注入深度。另外，顶表面可具有与底表面或侧壁表面不同的注入深度，和/或不同的离子浓度等。也可在结构的不同表面注入不同的离子/元素或它们的组合。

在一些情况下，轰击离子进入晶体结构（或其它离子注入工艺）可造成构成结构的原子的置换。也就是说，当将离子注入结构时，例如以使结构强化或者向结构添加颜色，铝或氧原子可从晶格中被置换。相信通常在结构的表面层置换更普遍。在一些情况下，铝或者氧原子也可具有相对于其它原子更高的置换速率。例如与铝相比可置换更多的氧。

如可以理解的，置换可改变结构的化学构成。为了保护结构的完整性，可提供氧和/或铝原子来代替置换的原子。例如，如果氧原子以比铝更高的速率被置换，可将氧原子或离子轰击到结构的表面。在一些实施方式中，在相同或不同的原子轰击或注入步骤中，可将氧和铝两者（或其它选择的原子或离子）轰击到表面上，例如通过离子束工艺，或利用等离子体浸渍或离子浆工艺，或这些工艺的组合，如上面描述的，或通过另一个原子或离子轰击工艺。

附图20是说明包括原子轰击步骤的示例的工艺250的流程图。首先，可根据上面讨论的技术注入掺杂离子（框格252）。可执行加热扩散步骤（框格254）来帮助离子扩散进入结构的不同层。然后可执行第二离子注入步骤（或附加注入步骤）（框格256）。第二离子注入步骤可用不同的注入能量、不同的浓度水平、不同的离子、或以不同的温度或用与第一注入相同的操作参数执行。

在离子注入步骤后，可用铝和/或氧原子轰击该表面（框格258）。这个步骤可在高于或低于注入步骤的温度下执行。另外，可执行一个或多个退火步骤260（框格260）。退火步骤可帮助恢复晶体结构（例如，获得合适的或希望的铝原子与氧原子的关系/比率）。

本文描述的各种技术具有许多不同的应用。尤其是，在消费类电子设备中，可具有涉及和包括，但不限于设备的防护玻璃、窗口和设备内的其它结构的应用。一个这样的示例性的应用是用于相机窗口或防护玻璃零件，或选择的表面或它们的一部分。

附图21说明了相机窗口280。相机窗口的两侧（或周围）是微调元件282，其提供用来防止来自频闪放电管元件284（例如闪光灯）和/或其它光源，诸如位于相对于相机窗口和背板286的壳体内的显示器的干扰。转到附图22，根据本技术，蓝宝石窗口290可代替或用于相机窗口，并且可使它的边缘292着色以有效地防止来自频闪放电管284和其它来源的干扰，例如通过用足够密度的选择的离子进行的离子注入，来给予一个或多个基本上不透明的边缘292。这样，可消除（例如分离或离散的）微调组件282。这可提供几个优点，诸如减小的z堆栈尺寸（例如可能更薄的设备），以及用于相机的更坚固的窗口。

在处理蓝宝石窗口零件中，顶表面和底表面也可注入相对于边缘不同的离子和/或浓度，使得与没有进行离子注入表面的零件相比，顶表面和底表面对于窗口的光学具有有限的影响或基本没有影响。也就是说，当边缘注入离子，使边缘基本不透明或防止光通过时，可将基本维持蓝宝石材料透明度的浓度的离子注入顶表面和底表面。

尽管前面的讨论介绍了具体的实施方式，本领域技术人员可认识到在没有脱离本公开的精神和范围的情况下，可在形式和细节上做出改变。例如，工艺步骤可以另外的顺序或以不同的组合执行。进一步，不同的离子注入步骤可包括不同的电荷（例如单电荷和双电荷离子）以及不同的注入方法和能量水平。这样，可基于多个不同参数和它们的组合来选择注入深度。因此，本文描述的具体实施方式应当被理解为实例，而不是限制本公开的范围。

前面仅仅说明了发明的原理。在本文的教导下，对于本领域技术人员来说，对所描述的实施方式的各种修改和变化是显而易见的。因此，应当这样理解，本领域技术人员能够设计出许多系统、装置和方法，尽管没有在本文中清楚地显示和描述它们，但体现了本公开的原理，且因此落在本发明的精神和范围内。从上面的说明书和附图中，本领域技术人员可以理解，显示和描述的特定的实施方式仅为了说明的目的，对于特定实施方式的细节的参考不是意图限制由所附的权利要求所定义的本发明的范围。

Claims

1.一种方法，包括：

确定蓝宝石组件的第一表面相对于离子注入设备的方向；

执行第一注入步骤，该第一注入步骤包括在蓝宝石组件的第一表面引导离子，该离子嵌入到第一表面下；

加热蓝宝石组件，以使注入的离子扩散进入蓝宝石组件的更深层；

冷却蓝宝石组件；以及

执行至少第二注入步骤，该第二注入步骤包括在蓝宝石组件的第一表面引导离子，将该离子嵌入到第一表面下。

2.权利要求1的方法，其中第一注入步骤的离子与第二注入步骤的离子不同。

3.权利要求1的方法，其中第一注入步骤的离子具有比第二注入步骤的离子更高的能量。

4.权利要求1的方法，其中第一注入步骤的离子具有比第二注入步骤的离子更低的能量。

5.权利要求1的方法，其中在第一表面引导离子以获得约10¹³－10¹⁹个离子/cm²的离子浓度。

6.权利要求5的方法，其中离子以跨越第一表面的浓度梯度注入。

7.权利要求5的方法，其中第一表面包括至少两个区域，每个区域具有不同的注入离子浓度。

8.权利要求7的方法，其中至少两个区域的第一区域包括第一表面的外周缘，至少两个区域的第二区域包括第一表面的中心部。

9.权利要求1的方法，其进一步包括：

再次确定蓝宝石组件的方向；

选择离子注入浓度；以及

在蓝宝石组件的第二表面引导离子，该离子嵌入第二表面下，以在第二表面中产生压缩应力。

10.权利要求9的方法，其中第二表面下的选择的离子注入浓度与第一表面下的相应的离子注入浓度不同。

11.权利要求1的方法，其中选择在第一表面引导的离子和在第二表面引导的离子，以使它们各自包括氮离子、氩离子、钛离子或铁离子中的一种或多种。

12.权利要求11的方法，其中选择的离子包括＋1价离子。

13.权利要求11的方法，其中选择的离子包括＋2价离子。

14.权利要求1的方法，其中离子渗入并嵌入蓝宝石组件的初级晶格层。

15.权利要求1的方法，其中离子渗入并嵌入蓝宝石组件的次级晶格层。

16.权利要求1的方法，其进一步包括对蓝宝石表面的一部分进行遮蔽，以阻止在蓝宝石表面被遮蔽部分中的离子注入。

17.一种用于离子注入的系统，包括：

第一离子注入装置，配置用来将高能量离子注入晶体部件的晶格结构中；以及

加热器，配置用来加热晶体部件以使注入的离子的扩散成为可能。

18.权利要求17的系统，其进一步包括第二离子注入装置，配置用来将离子注入晶体部件的晶格结构中。

19.权利要求18的系统，其中该第一离子注入装置注入第一元素的离子，第二注入装置注入第二元素的离子。

20.一种方法，包括：

确定蓝宝石组件的第一表面相对于离子注入设备的方向；

执行第一注入步骤，其包括在蓝宝石组件的第一表面引导第一离子，该第一离子具有第一注入能量并且嵌入蓝宝石组件的第一表面下；以及

执行至少第二注入步骤，其包括在蓝宝石组件的第一表面引导第二离子，该第二离子具有第二注入能量并且嵌入蓝宝石组件的第一表面下不同于第一离子的深度。

21.权利要求20的方法，其进一步包括对蓝宝石组件的第一表面执行退火步骤。

22.权利要求20的方法，其进一步包括对蓝宝石组件的第一表面执行原子轰击步骤。

23.权利要求22的方法，其中原子轰击步骤包括用铝原子或氧原子的至少一种轰击该第一表面。

24.权利要求20的方法，其中该第一和第二离子是单电荷或者双电荷的。

25.权利要求24的方法，其中该第一离子与该第二离子具有不同的电荷。

26.权利要求20的方法，其进一步包括加热蓝宝石组件以引起注入的离子的扩散。

27.一种方法，包括：

确定蓝宝石组件的表面相对于离子注入设备的方向；

在蓝宝石组件的表面引导第一离子，将该第一离子嵌入该表面下；以及

用铝原子和氧原子的至少一种轰击该蓝宝石组件的表面。

28.权利要求27的方法，其进一步包括在该蓝宝石组件的表面引导第二离子，将该第二离子在与第一离子不同的目标深度嵌入该表面下。

29.权利要求28的方法，其进一步包括通过在不同目标深度之间注入第一和第二离子中的一者或两者来使蓝宝石组件的应力曲线平滑。

30.权利要求29的方法，其中平滑包括加热步骤，以在不同的目标深度之间扩散第一和第二离子中的一者或两者。

31.权利要求28的方法，其中第一和第二离子具有不同的电荷水平。

32.权利要求28的方法，其中以不同的注入浓度水平注入第一和第二离子。

33.权利要求28的方法，其中该第一和第二离子是不同的元素。