CN104823127A - 包含超薄蓝宝石包覆板的行动式电子装置 - Google Patents

包含超薄蓝宝石包覆板的行动式电子装置 Download PDF

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Abstract

所揭示的是一种包含包覆板的电子装置。包覆板包含具有一或多个厚度小于50微米的蓝宝石层。还揭示的是使用离子布植/剥离方法制备这些超薄蓝宝石层的方法。

Description

包含超薄蓝宝石包覆板的行动式电子装置
相关申请案的相互参考
本专利申请案主张2013年5月28日申请的美国临时专利申请案第61/828,067号、2013年4月5日申请的美国临时专利申请案第61/808,964号以及2012年11月14日申请的美国临时专利申请案第61/726,227号的优先权，每个申请案在此并入援引为本案的参考。
技术领域
本发明是关于包含蓝宝石包覆板的行动电子装置。
背景技术
目前已有多种包括有至少部分透明的显示视窗总成的行动电子装置。这些包括例如媒体播放器、行动电话(蜂巢式电话)、个人资料助理器(PDA)、呼叫器之类的手持式电子装置、以及膝上型电脑和笔记型电脑。显示萤幕总成可包括多个组件层，诸如液晶显示器(LCD)之类的视觉显示层、供使用者输入的触控感测层、以及至少一用于保护视觉显示器的外包覆层。这些层件通常都层压或连结在一起。
现今使用的行动电子装置有许多遭逢机械及/或化学破坏，尤其是起因于操作不慎及/或掉落、起因于如使用者口袋或手提包内钥匙之类东西与萤幕的接触、或起因于触控萤幕频繁使用。例如，触控萤幕表面及智慧型手机与PDA的介面可因实体使用者介面刮伤与凹陷而磨损破坏，并且这些瑕疵可有应力集中点的作用，使萤幕及/或底下组件在机械或其它震动时更容易破裂。另外，来自使用者皮肤的油脂或其它碎屑可覆盖表面并且进一步促使装置效能降低。此磨损及化学作用可使下面电子显示组件的视觉清晰度降低，从而可能阻碍装置的使用和享用并且限制其使用期限。
已为了提升行动电子装置显示视窗的耐用度而使用各种方法及材料。例如，可为了提供阻障物防止效能降低而对触控萤幕表面涂敷聚合物涂料或层件。然而，此类层件可阻挠下面电子显示器的视觉清晰度以及阻挠触控萤幕灵敏度。再者，由于涂料通常也软，其本身可变得容易坏掉而必需固定更换或限制装置的使用期限。
另一种常见的方法是使用更高度防化学及刮伤材料作为显示视窗的外表面。例如，某些行动装置的触敏萤幕可包括一层化学强化碱金属铝硅酸盐(alkali aluminosilicate)玻璃，用钾离子取代钠离子以强化硬度，如康宁(Corning)所制称为「金刚玻璃」的材料。然而，即使是这类玻璃，仍究可遭受许多更硬的材料所刮伤，还有，玻璃本身就易于碎坏或震毁。也已建议并且使用蓝宝石作为显示器总成外层用的材料或作为涂敷于显示视窗的分离式保护薄片。然而，蓝宝石相当昂贵，尤其是对于目前可得的厚度而言，并且不易取得作为超薄层。
因此，尽管可得到能使行动电子装置显示器相对抗损坏的材料，产业界仍需要用于改良机械轫性及防刮而未降低透光度的材料及方法。
发明内容
本发明是关于包含具有至少一透明显示区的包覆板的电子装置。包覆板包含一或多个蓝宝石层，其厚度小于50微米，如小于30微米、小于25微米、以及小于15微米。包覆板可为单一、独立蓝宝石层或可包含多于一个蓝宝石层，每一层的厚度都小于50微米，如小于30微米。包覆板可贴附于电子装置显示元件的表面，或其可为可移除式定位或置于显示元件顶部的保护层。较佳的是，薄蓝宝石层是包覆板的前表面。本发明还关于包含厚度小于50微米的一或多个蓝宝石层的包覆板、以及关于超薄蓝宝石层。
本发明还关于制备电子装置的包覆板的方法，并且较佳的是，本发明的包覆板是通过本方法予以制备。尤其是，本方法包含的步骤有，提供蓝宝石施体主体(donor body)，利用离子剂量(ion dosage)透过施体主体顶部表面布植，以在顶部表面下方形成裁面(cleave plane)，沿着裁面使蓝宝石层从施体主体剥离，以及形成包含厚度小于50微米的蓝宝石层的包覆板。较佳的是，离子剂量包含氢与氦离子。
要理解的是，前述的一般说明及底下的详细说明两者仅属示例性及说明性，而目的在于对本发明提供进一步说明，如权利要求所述。
附图说明
图1、图2及图3表示本发明电子装置的包覆板的各个具体实施例。
具体实施方式
本发明是关于包含具有至少一薄蓝宝石层的包覆板的电子装置，并且是关于包覆板、蓝宝石层、以及它们的制备方法。
本发明的电子装置包含具有至少一透明显示区的包覆板，如来自包覆板置于其上的显示元件的影像可透过透明显示区予以显示。还可有非透明区，尤其是作为如边框之类的装饰元件或作为界定(delineate)显示器的各个功能区(functional section)的元件。电子装置可为本技术中包含显示器或显示元件在内的任何已知特征(anyknown)，如行动或手持式电子装置，包括但不局限于如mp3播放器之类的音乐及/或影片用电子媒体播放器、行动电话(蜂巢式电话)、个人资料助理器(PDA)、呼叫器、膝上型电脑、或电子笔记本。装置的显示元件可包括多个组件层，包括例如LCD之类的视觉显示层以及作为部分触控萤幕应用的触敏层。显示元件的表面可取决于例如电子装置的设计而变。例如，显示元件表面可为扁平表面或曲状表面(具有经界定的截面曲率半径)。另外，表面可呈刚性或可挠性。包覆板可贴附于装置显示元件的显示面，并且较佳的是贴附于整体表面，匹配任何曲度并且随着弯曲维持贴附。或者，包覆板可为分离式保护层，其可置于或定位于显示元件上方或顶部，较佳的是整体表面，并且后者在有需要时得以移除。
本发明电子装置的包覆板包含一或多个蓝宝石层或薄层，其厚度小于50微米，包括例如小于30微米、小于25微米、小于20微米、或甚至是小于15微米。较厚的蓝宝石层将可望较刚硬，而较薄层则可望相对较有挠性及可弯曲性。因此，包覆板可为单一、独立的超薄蓝宝石层或可包含多个层件，其中至少一个为超薄蓝宝石层，具有小于50微米的厚度。包覆板还可包含超过一个厚度小于50微米的蓝宝石层或薄层，包括2至10层，如2至5层之类。例如，包覆板可为单一、独立的蓝宝石多层复合物，其中每一层都具有小于50微米的厚度。较佳的是，虽然也可涂敷厚度通常介于约0.001微米到大约1.5微米之间的抗反射及/或疏油涂层，蓝宝石层仍是包覆板及电子装置的外部层。本发明电子装置包覆板的整体厚度可取决于包括例如层数、透明显示区所需尺寸、以及装置显示表面尺寸与形状在内的各种因素而变。一般来说，对于多层包覆板而言，包覆板的厚度小于大约5毫米(mm)，如小于大约3毫米。
厚度小于50微米的超薄型蓝宝石就成本观点而言是可取的，几乎比具有一般厚度的蓝宝石便宜一个数量级，但极难兼顾材料整体防刮、硬度、以及耐用性的维持而制备。本发明电子装置中所用包覆板的蓝宝石层较佳的是具有类似于较厚蓝宝石层的机械及物理特性。例如，在室温下，超薄蓝宝石层较佳的是具有包括介于约800与1000MPa之间至少约700MPA的挠曲强度、包括介于约2与5MPa之间大于1MPa的破裂轫性(也就是，含裂缝或刮痕的材料抗破裂的能力)、包括介于约17与约20GPa之间大于约15GPa的诺蒲硬度(Knop hardness)、及/或包括介于2000与3000kg/m之间大于约1000kg/m的维氏硬度(Vickers hardness)。如杨氏模数(Young’s modulus)之类的模数也类似于通常介于约300至400GPa之间的蓝宝石模数，但可取决于包覆板的所需特性(如触敏度之类)而变。
在一个具体实施例中，包覆板包含与对包覆板提供额外所需特征的一或多个永久性或暂时性载体基底或层件结合的蓝宝石层。例如，包覆板可还包含具有蓝宝石层所附着之前或后接触面的透明子表面层，藉以形成多层复合物。子表面层可为本技术中已知的任何透明材料，包括例如含包括有化学强化碱金属铝硅酸盐(alkalialuminosilicate)玻璃(如康宁(Corning)所制称为「金刚玻璃」的材料)如碱石灰、硼硅酸盐、或铝硅酸盐之类玻璃的层件、或含像是聚碳酸酯或如聚甲基丙烯酸甲酯等聚甲基丙烯酸酯之类聚合物材料的层件。子表面层可相对远厚于蓝宝石层，具有大于0.2毫米的厚度，包括大于0.4毫米，如介于约0.2毫米到约1.0毫米之间。通过为本发明电子装置的包覆板将较厚子表面层与超薄蓝宝石层结合，复合物将保持蓝宝石的所需表面特性，如硬度及防刮防污之类，同时还利用子表面材料的所需整体性质(bulk property)，如良好的抗断强度及低成本。例如，在蓝宝石玻璃复合结构中，蓝宝石将强化玻璃的抗震度与防刮性，同时对于蓝宝石聚合材料复合物，此组合将更加能防止机械破坏，如破裂，尤其是在为了配合曲面而折挠或弯曲的情况下。此等复合物不会牺牲包覆板的透明度。超薄蓝宝石层与透明基底的其它有利组合也是可行的，并且可由所属领域具备普通技术的人员决定，而受益于本揭示。
在特定实施例中，含本发明电子装置用蓝宝石多层复合物的包覆板的一个具体实施例示于图1中。如图所示，蓝宝石复合物100包含蓝宝石薄层110，厚度小于50微米，附着于如玻璃或塑胶基底之类的子表面层120，于蓝宝石薄层110的下表面和子表面层120前(上)表面形成介面130。
蓝宝石层与子表面层可利用本技术中已知的任何技术予以结合，于其之间形成介面，包括2010年12月10日所申请名称为“A methodto Form a Device by Constructing a Support Element on a ThinSemiconductor Lamina”的美国第12/980,424号专利申请案中所述的方法，现为美国第8,173,452号专利，全文引用含括于本文内。例如，可通过与粘着层连结而形成介面，藉以将蓝宝石层贴附至透明子表面层的前表面。适用的粘着剂实施例包括但不局限于聚合物或聚合物组合，如聚碳酸酯(PC)、聚乙二醇(PEC)、或聚丁二碳酸(PBC)。还可利用静电粘着。另外，可通过将蓝宝石薄层热连结至子表面层而形成介面，诸如透过从包括40psi在内大约5至100psi的压力、以及从包括400℃在内大约300至500℃的温度的热压缩连结之类。特定连结条件将取决于所用子表面层的特定种类而变。再者，可将透明子表面层融合或熔化至蓝宝石层以形成介面，而温度将取决于当作子表面层的材料的类型。例如，用于将玻璃基底熔化至蓝宝石的温度可为650至1050℃的等级，而如110至150℃之类的较低温度将适用于塑胶基底。
包覆板可还包含至少一个透明导电氧化层。这对于其中触控萤幕电气组件与包覆板整合的显示元件中包括有电容式触控萤幕的电子装置尤其较佳。使用包含超薄蓝宝石薄层的包覆板可有助于更轻易地将电容式触控萤幕整合到显示器内。例如，电容式触控萤幕结构通常由两层通过介电层隔开的透明导电氧化物(TCO)组成。这两个TCO层通常图案化成线条，第一层上的线条垂直于第二层上的线条，但其它线条图案也是可行的。这些图案化线条的间距可介于0.1与10毫米之间(如6毫米)，而这些图案化线条的宽度可介于0.2与6毫米之间(如5.9毫米或1毫米)。介电层可为一层玻璃，或可为溅镀薄膜，导致较薄整体结构的配置。
本发明电子装置的包覆板可包含这些TCO层配置中的任何一种。特定实施例示于图2及图3。举例而言，如图2所示，通过使用厚度如小于30微米之类小于50微米的蓝宝石薄层，可将TCO/薄介电质/TCO结构140移往子表面层120的前面，蓝宝石层110在上面。因此，如图所示，TCO层置于蓝宝石层与透明子表面层之间。这可有益于增加使用者手指与TCO上层之间的电容量，其将提升触控萤幕感测器相对于标准触控萤幕装置的信号强度，改善灵敏度、精确性、及/或降低触控感测器的功率消耗。
或者，包含超薄蓝宝石层的包覆板还可起触控萤幕介电质的作用。此具体实施例示于图3，其中TCO层150与160各沉积于子表面层120的侧部，其可为玻璃或塑胶片，并且各如上所述予以图案化。蓝宝石薄层110贴附于子表面层120的一个表面，一层图案化TCO 160沉积于子表面层120与蓝宝石薄层110之间。由于不需沉积介电层，此结构还将提升触控感测器的信号强度，以及简化制造程序。
可使用各种不同方法制备包覆片的蓝宝石层。例如，可通过自施体蓝宝石材料切割(cutting)或薄切(slicing)层件并且将产出材料向下机械研磨至所需厚度而制备蓝宝石层。若有必要，可使用随选的研磨步骤移除任何不想要的表面缺陷。此方法对厚度大于约25至约50微米的蓝宝石层尤其有用，但也可通过本方法生产更薄的蓝宝石层。或者，还可使用已知用于将薄层移离施体材料的各种层件转移方法制备蓝宝石层，包括例如控制型剥落或离子布植与剥离方法，如2008年2月5日所申请名称为“Method to Form a Photovoltaic CellComprising a Thin Lamina”并且公开为第2009/0194162号美国专利申请公开案的第12/026,530号美国专利申请案、以及2011年12月20日所申请名称为“Method and Apparatus for Forming a Thin Lamina”的美国第13/331,909号专利申请案中广泛说明的布植/剥离方法，两申请案是完整引用含括于本文中，以供制造包含非沉积半导体材料所构成薄型半导体薄层的光电伏打电池。目前已发现此先前从未想到用于蓝宝石的离子布植/剥离方法是较佳的，尤其是优于目前制备薄型晶圆的方法，如藉助于锯切(sawing)或切割之类，理由在于关于蓝宝石所需而考量的非常特性(硬度和强度)使切割非常困难、耗时、以及昂贵。另外，锯切或切割方法产生显著的截口损失、浪费宝贵的材料、并且无法可靠地用于生产薄型蓝宝石薄层，尤其是厚度小于50微米的超薄型薄层。因此，本发明还涉及制备超薄型蓝宝石层或薄层的方法、以及关于厚度包括小于30微米、小于25微米、以及小于15微米在内小于50微米尤指独立薄层或片件的蓝宝石层。
因此，本发明还涉及制备蓝宝石层或薄层的方法，以及关于厚度包括上述任何厚度范围小于50微米的蓝宝石层，尤指独立薄层或片件。在一个具体实施例中，通过包含后述步骤的方法制备蓝宝石层，提供一层具有初始厚度的蓝宝石，将此层蓝宝石由初始厚度缩减至小于50微米的厚度，以及随选研磨此层蓝宝石。蓝宝石层可通过本技术已知的任何方法予以提供，包括上述的锯切法，并且可使用包括例如机械研磨在内的各种不同方法缩减蓝宝石层的厚度。在另一个具体实施例中，蓝宝石层是通过包含后述步骤的方法予以制备，提供具有顶部表面的蓝宝石的施体主体，并且随后透过施体主体的顶部表面布植离子剂量。使用此布植方法，得以在施体主体的顶部表面下方形成裁面，以及蓝宝石层接着可沿着此裁面自施体主体剥离。离子剂量可包含例如氢、氦、或其组合。可视需要改变布植条件以生产具有如厚度及强度之类目标特性的蓝宝石薄层。例如，离子剂量可为介于约1.0×1014与1.0×1018H/cm2如0.5-3.0×1017H/cm2之类的任何剂量。剂量能量也可改变，如介于大约500keV到大约3MeV之间。在某些具体实施例中，离子布植温度可维持在大约200与950℃之间，如介于300与800℃之间或介于550与750℃之间。在某些具体实施例中，布植温度可取决于特定材料种类及蓝宝石施体主体的取向予以改变。其它可调整的布植条件可包括如布植用量(dose)与布植离子比率(如H/He离子比率)之类的初始程序参数。在其它具体实施例中，可结合如剥离温度、剥离基座(susceptor)真空程度、加热率及/或剥离压力之类的剥离条件而最佳化布植条件。例如，剥离温度可在大约400℃与大约1200℃之间改变。通过调整布植及剥离条件，可最大化产出薄层实质无实体缺陷的面积。可视需要进一步处理产出的蓝宝石层，如产生平滑的最终表面。
可使用本技术已知的任何方法生产蓝宝石施体主体。例如，蓝宝石可予以制备于晶体生长设备中，其为能够在温度通常大于约1000℃的坩埚中加热并且熔化如氧化铝之类固态进料、随后促使所产生已熔化进料物质再固化，以形成如蓝宝石刚玉之类结晶材料的高温熔炉。较佳的是，蓝宝石施体主体是制备于热交换器法晶体生长熔炉内，其中含氧化铝进料的坩埚及至少一块单晶蓝宝石晶种是加热至高于其熔点，以熔化进料而未实质熔化晶种，以及使用如氦冷却式热交换器之类与坩埚底部热传递，并且置于晶种下方的热交换器将热量移离坩埚。本方法已经证实用于生产大型、高品质的蓝宝石刚玉，可使用离子布植/剥离程序用的可得方法将蓝宝石施体主体轻易地移离蓝宝石刚玉。例如，施体主体可呈晶圆形式，具有大于约0.5毫米的厚度，如从大约1毫米到大约5毫米。如此，一蓝宝石施体主体可用于生产多个蓝宝石层，进而降低成本，并且在剥离后可转售或重复利用残留部分以供某些其它应用，包括如用于生产另一蓝宝石刚玉(boule)的进料。
本发明进一步涉及制备电子装置的包覆板的方法。本方法包含的步骤有，制备至少一厚度小于50微米的蓝宝石层，并且随后将一或多个这些层件并入包覆板。较佳的是使用如上所述的离子布植/剥离方法制备蓝宝石层，并且也利用以上所详述方法中的任何一种将这些层件并入包覆板内，包括例如提供具有前表面的透明子表面层以及将蓝宝石层贴附于透明子表面层的前表面。
已为了描述及说明介绍本发明较佳具体实施例在前述的说明。目的不在于彻底说明或将本发明局限于所揭示的精确形式。鉴于上述指导，改进及变化是有可能的，或可获自本发明的实践。具体实施例是为了解释本发明的理论及其实际应用而选择并且说明，以使所属领域的技术人员能够以适用于所思特殊用途的各种具体实施例及各种改进利用本发明。意图在于本发明的范畴是由所附权利要求书、以及其均等件予以界定。
请求保护范围如权利要求书所述。

Claims (43)

1.一种电子装置，其包含具有至少一透明显示区的包覆板，其中该包覆板包含一或多个厚度小于50微米的蓝宝石层。
2.根据权利要求1所述的电子装置，其中该蓝宝石层具有小于30微米的厚度。
3.根据权利要求1所述的电子装置，其中该蓝宝石层具有小于25微米的厚度。
4.根据权利要求1所述的电子装置，其中该蓝宝石层具有小于15微米的厚度。
5.根据权利要求1所述的电子装置，其中该包覆板是一独立蓝宝石层。
6.根据权利要求1所述的电子装置，其中该包覆板包含超过一个厚度各小于50微米的蓝宝石层。
7.根据权利要求1所述的电子装置，其中该蓝宝石层是该包覆板的外部层。
8.根据权利要求1所述的电子装置，其中该电子装置还包含具有显示表面的至少一显示元件，并且其中该包覆板贴附于该显示表面。
9.根据权利要求1所述的电子装置，其中该电子装置还包含具有显示表面的至少一显示元件，并且其中该包覆板是可移动式置于该显示表面的顶部的保护层。
10.根据权利要求1所述的电子装置，其中该包覆板还包含具有前表面的透明子表面层，并且其中该蓝宝石层贴附于该透明子表面层的该前表面。
11.根据权利要求10所述的电子装置，其中该透明子表面层包含玻璃。
12.根据权利要求11所述的电子装置，其中该玻璃为碱石灰玻璃。
13.根据权利要求11所述的电子装置，其中该玻璃为硼硅酸盐玻璃。
14.根据权利要求11所述的电子装置，其中该玻璃为铝硅酸盐玻璃。
15.根据权利要求14所述的电子装置，其中该铝硅酸盐玻璃为化学强化碱金属铝硅酸盐玻璃。
16.根据权利要求10所述的电子装置，其中该透明子表面层包含聚合材料。
17.根据权利要求16所述的电子装置，其中该聚合材料是聚碳酸酯。
18.根据权利要求16所述的电子装置，其中该聚合材料是聚甲基丙烯酸。
19.根据权利要求10所述的电子装置，其中该蓝宝石层通过粘着层予以贴附于该透明子表面层的该前表面。
20.根据权利要求10所述的电子装置，其中该蓝宝石层及该透明子表面层的该前表面是予以热连结。
21.根据权利要求10所述的电子装置，其中该透明子表面层的该前表面是融合至该蓝宝石层。
22.根据权利要求10所述的电子装置，其中该包覆板还包含置于该透明子表面层上的透明导电氧化层。
23.根据权利要求22所述的电子装置，其中该透明导电氧化层介于该蓝宝石层与该透明子表面层之间。
24.根据权利要求22所述的电子装置，其中该透明导电氧化层是经过图案化。
25.根据权利要求1所述的电子装置，其中该蓝宝石层具有以抗反射层予以涂布的外部表面。
26.根据权利要求25所述的电子装置，其中该抗反射层具有由大约0.01微米到大约1.5微米的厚度。
27.根据权利要求1所述的电子装置，其中该电子装置为电子媒体播放器、行动电话、个人资料助理器、呼叫器、膝上型电脑、或电子笔记本。
28.根据权利要求1所述的电子装置，其中该蓝宝石层包含制备于晶体生长熔炉内的单晶蓝宝石。
29.根据权利要求28所述的电子装置，其中该晶体生长熔炉为热交换器方法熔炉。
30.根据权利要求1所述的电子装置，其中该蓝宝石层通过如下步骤予以制备：
i)提供含顶部表面的蓝宝石的施体主体；
ii)利用离子剂量透过该施体主体的该顶部表面布植，以在该顶部表面下方形成裁面；以及
iii)沿着该裁面使该蓝宝石层自该施体主体剥离。
31.根据权利要求30所述的电子装置，其中该离子剂量包含氢离子。
32.根据权利要求30所述的电子装置，其中该离子剂量包含氦离子。
33.一种制备电子装置的包覆板的方法，该包覆板具有至少一透明显示区并且包含一或多个蓝宝石层，其中该方法包含如下步骤：
i)提供含顶部表面的蓝宝石的施体主体；
ii)利用离子剂量透过该施体主体的该顶部表面布植，以在该顶部表面下方形成裁面；
iii)沿着该裁面使该蓝宝石层自该施体主体剥离，该蓝宝石层具有小于50微米的厚度；以及
iv)形成包含该蓝宝石层的该包覆板。
34.根据权利要求33所述的方法，其中形成该包覆板的步骤包含提供具有前表面的透明子表面，以及使该蓝宝石层贴附于该透明子表面层的该前表面。
35.根据权利要求33所述的方法，其中该离子剂量包含氢离子。
36.根据权利要求33所述的方法，其中该离子剂量包含氦离子。
37.一种电子装置的包覆板，该包覆板具有至少一透明显示区，其中该包覆板包含一或多个厚度小于50微米的蓝宝石层。
38.根据权利要求37所述的包覆板，其中该包覆板包含超过一个厚度小于50微米的蓝宝石层。
39.一种厚度小于50微米的蓝宝石层。
40.根据权利要求39所述的蓝宝石层，其中该厚度小于30微米。
41.根据权利要求39所述的蓝宝石层，其中该厚度小于25微米。
42.根据权利要求39所述的蓝宝石层，其中该厚度小于15微米。
43.根据权利要求39所述的蓝宝石层，其中该蓝宝石层具独立性。
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