CN105401220A - 一种消除蓝宝石薄片应力的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除蓝宝石薄片应力的方法及设备。包括升温步骤、保温步骤和降温步骤，其特征在于所述蓝宝石薄片紧密贴合形成工件，水平放置在蓝宝石长晶炉内，其中，上述升温、保温和降温步骤在封闭热场中进行，该封闭热场由若干水平等温面组成，蓝宝石薄片的产品大面与水平等温面平行，在封闭热场中竖直方向的温度梯度Gv和水平方向的温度梯度Gh都趋向于零。本发明可有效消除薄片内部应力、并且可以愈合加工过程产生的损伤，使蓝宝石薄片的强度大幅度提高，充分发挥了蓝宝石的优良特性。

Description

一种消除蓝宝石薄片应力的方法及设备

技术领域

本发明涉及一种消除蓝宝石薄片应力的方法及设备。

背景技术

鉴于蓝宝石有接近于金刚石是的硬度，莫氏硬度9，优良的可见光和红外光、紫外光透过率T>85％(400-800纳米波长)，并具有优良的抗弯强度和弹性模量，所以用在高端的手机屏主镜片、手表镜片、激光窗口片、摄像头保护镜片、激光条码扫描仪视窗片、触摸屏保护盖板。

蓝宝石在长晶和加工过程中，会产生的内部应力，但目前现有技术无法有效消除，主要是因为现有技术采用的消除应力的方法多是自然退火方法，即蓝宝石工件放在承载部件上自然散热。自然散热的缺点在于，温度梯度是杂乱的和无方向性的，这种方式还会引入新的热应力。无法有效消除材料内部应力，致使蓝宝石片材的强度离散度大、强度优势相比较玻璃并不突出，这是蓝宝石加工迄今未解决的问题，大大限制了蓝宝石的应用发展。

蓝宝石薄片应用在手机、电脑或其它LCD屏主镜片(屏幕盖板)、光学视窗片(窗口片、镜片)，其强度指标包括抗静压强度、环压(ROR)强度、四点弯曲强度和耐冲击强度(落球试验)，只有通过上述四项强度指标测试的蓝宝石薄片与玻璃等其他材料相比才具有优势。

中国专利文献CN103014874A公开了一种蓝宝石晶体退火工艺，包括以下步骤：高温阶段降温、中温阶段降温及低温阶段降温，且在低温阶段降温中使用惰性气体降温并进行保护。其宣称有益效果是退火时间短，耗能低，较传统退火方法可节省10％左右时间且耗能减少10％提高了生产效率，同时降温均匀迅速，避免蓝宝石晶体应力开裂，提升了产品质量及成品率。

中国专利文献CN102634850A公开了另一种蓝宝石晶片的退火方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将蓝宝石晶片装入退火炉中，快速直接升温至低温度区域150℃～300℃，保温2～4小时，此阶段升温时间为1～2小时；(2)经过低温保温一段时间后，升温至中温区域600℃～800℃，保温5～10小时，此阶段升温时间为4～6小时；(3)经过中温保温一段时间后，升温至高温区域900℃～1600℃，保温10～20小时，此阶段保温时间为6～20小时。

中国专利文献CN103540998A公开了另一种泡生法生长大尺寸蓝宝石晶体的退火工艺，在泡生法生长大尺寸蓝宝石晶体完成后，保持单晶炉内真空度，逐步降低加热器功率，降温分为五个阶段，直至加热器功率为零；分阶段保温退火可有效降低大尺寸蓝宝石的位错密度，消除晶体内应力，提高晶体质量和利用率；退火时间短，降低了能耗，缩短了大尺寸蓝宝石晶体的生长周期；在保温阶段旋转蓝宝石晶体，使蓝宝石晶体退火均匀，消除退火时温度场不均的影响。

但是上述方法经过强度实验，其强度并没有强于玻璃。其原因是上述退火过程中由于难以保证散热的均匀，往往蓝宝石薄片会产生细小的裂纹，加上加工过程中难免造成的表面损伤，上述缺陷难以修复造成整体强度的急剧下降。

发明内容

本发明提供了一种新型的退火工艺，可有效消除薄片内部应力、并且可以愈合加工过程产生的损伤，使蓝宝石薄片的强度大幅度提高，充分发挥了蓝宝石的优良特性。

本发明的具体技术路线如下：

一种消除蓝宝石薄片应力的方法，包括升温步骤、保温步骤和降温步骤，其特征在于所述蓝宝石薄片紧密贴合形成工件，水平放置在蓝宝石长晶炉内；升温步骤，炉内温度从室温升高至1900℃，升温速率小于180℃/小时，

保温步骤，炉内升温至1900℃～2050℃，并保温15小时以上，利用热场中反馈的温度信号变化进行PID整定，精确控制长晶炉加热装置的输出功率，实现监测点温度波动小于0.01度/小时，

降温步骤，匀速降温至室温，降温速率小于100℃/小时，

其中，上述升温、保温和降温步骤在封闭热场中进行，该封闭热场由若干水平等温面组成，蓝宝石薄片的产品大面与水平等温面平行，在封闭热场中竖直方向的温度梯度Gv和水平方向的温度梯度Gh都趋向于零。

所述蓝宝石薄片的产品大面指的是矩形体的面积最大的一面。

精确控温技术是实现竖直方向的温度梯度Gv和水平方向的温度梯度Gh趋向于零的关键技术之一。

进一步地，所述长晶炉内充有保护气体氦气或氩气，气体压力维持在25-50TORR，炉内通入保护气体的流量为0.5-1CFH。保护气体作为直接跟蓝宝石接触的介质，必须具有符合要求的热传导系数，否则蓝宝石表面散热难以达到预期效果。

进一步地，所述升温步骤中，保持匀速升温，升温速率小于180℃/小时；降温步骤中，通过可控硅改变加热装置的功率大小，按照预设的温度配方实现匀速降温，降温速率小于100℃/小时。过大的升温或降温速率容易引发新的热应力，在本方案的升降温速率下，蓝宝石产品的热传导趋于平稳，不易产生新的热应力。

一种消除蓝宝石薄片应力的设备，包括一个炉体，其特征在于所述炉体为封闭炉体，炉体内设有一个用于放置蓝宝石工件的封闭钼坩埚，炉体外周包覆保温碳毡，炉体内还设有加热装置和测温装置。

进一步地，所述加热装置包含一个圆筒加热器，该圆筒加热器为三相接法，上部设三个螺纹接口和三个石墨电极连接，为保证炉内温度均匀性加热器三相电阻的毫欧值偏差要小于2.5％；圆筒加热器的功率由可控硅SCR控制。升降温时首先设置温度配方，输入温度控制程序，温度控制程序根据光学测温点反馈的温度进行PID整定，实线对加热器功率的调整进而实现自动控温。实现了炉内温度控制，通过对炉内温度的有效精确控制而实现对坩埚内产品的温度控制。最终确保蓝宝石工件的温度可控性。

进一步地，所述测温装置包含至少两个测温点；一个位于圆筒加热器的中部，这样有利于监控炉内恒温区的温度；另一个设在圆筒加热器的偏下部，并且离加热器底部距离大于50毫米，用于监控恒温区边缘的温度。

进一步地，所述保温碳毡包裹和固定在炉体内的石墨板和石墨炉筒上，厚度大于11层，每层厚度大于10毫米。

进一步地，所述炉体热场包含加热器、炉筒、底板、盖板和保温毡。炉衬由石墨炉筒、底板、盖板构成，石墨有良好的高温导热性能，以利炉腔内温度均匀。所述圆筒加热器筒壁上间隔开有沟槽，所述沟槽深度超过加热器筒壁高度的一半以上，相邻沟槽之间开口方向相反。沟槽的作用之一是有利于精确控制加热器功率。

消除蓝宝石薄片应力的设备的设计思路：

1、为达到均匀温度采取的退火炉结构设计方法

为使产品在退火时温度均匀，设计了专用的退火炉。这种退火炉的特点在于采用封闭型热场，为达到一定高度或长度的等温区域，加热器高度或长度大于450mm,炉腔设计时为保证温度的均匀性加热器两端须有底板、盖板和保温材料，不能是开口的通过式热场，保证加热器内部有一段是恒温区。有利于产品在热场中温度均匀使每件产品的温度梯度接近于零。

温度梯度G_T和温度T、距离Z之间的关系式如下：

$G_T=\frac{\∂T}{\∂Z}$

所以Z₂和Z₃之间的温度T₂和T₃接近相等时，温度梯度也接近于零。

$G_{T(3-2)}=\frac{\∂T(3-2)}{\∂Z(3-2)}\→0$ (当T₂≈T₃)

G_T包括竖直方向的温度梯度Gv和水平方向的温度梯度Gh。

2、为避免温度梯度造成的热应力特别设计了产品在退火炉中的装炉方式

蓝宝石薄片在放入退火炉中时，要放入带盖的坩埚中，以保证内部温度的均匀和洁净。产品大面要和炉内热场等温线平行，使单张片材的温差接近于零度。这样有效降低了材料的温度梯度。在整个退火温度变化过程消除了原材料的应力，且不再引入新的应力。

根据内部热应力公式每片产品的热应力如下：

$\begin{array}{c}\mathrm{\σ}=\mathrm{\α}.E_y.W^2.\frac{d^{2}T}{d{Z}^2}\\ =7.7\×{10}^{-6}\×470.W^2.\frac{d^{2}T}{d{Z}^2}\end{array}$

这里σ为材料内部热应力、α为线膨胀系数、E_y为杨氏模量、W为产品尺寸、为温度的二阶导数。

对于蓝宝石材料来说，上述公式中：

线膨胀系数α＝7.7×10^-6℃杨氏模量E_y＝470GPa

蓝宝石内部应力公式又可写作：

$\mathrm{\σ}=7.7\×{10}^{-6}\×470.W^2.\frac{d^{2}T}{d{Z}^2}$

由上述公式当蓝宝石薄片的厚度W由原来的1毫米降低到0.7毫米时，其在其厚度方向的应力下降到了原来的0.7²＝0.49＝49％。当单片的温度接近相等时，值趋于0。

$\mathrm{\σ}=7.7\×{10}^{-6}\×470.W^2.\frac{d^{2}T}{d{Z}^2}\→0$

蓝宝石薄片的内部应力也接近于0。

所以把产品放在等温区内，采取将已经切成薄片的蓝宝石材料退火，目的是有效消除产品热应力。

3、为消除产品的内部应力和愈合产品损伤而设计的温度曲线

升温：室温-1900摄氏度，匀速升温。为防止热冲击带来的温度梯度而使产品引入新的热应力。升温时一定要控制升温速率小于180摄氏度/每小时。

保温：为使产品内部原有的应力得到释放和损伤的得到愈合产品保温温度要大于1900摄氏度，小于蓝宝石的熔点2050摄氏度。保温时间大于15小时。这里设计的最高温度要到1900摄氏度以上，其目的在于愈合产品在加工过程中产生的损伤，由于蓝宝石材料在接近熔点的温度下，材料内部分子运动加剧，受到损伤的的地方原来产生的隐形裂纹由于键合作用，微裂纹得到愈合。充分恢复了蓝宝石的原有特性。

降温：降温速率要小于100摄氏度/每小时。同样要匀速降温，防止热冲击使产品引入新的热应力。

有效地控制温度升降速率，其目的在于降低材料在升降温时动态温度梯度。使热量的传导量和温差趋于零。材料内部的温差通过热量传导可趋于零。对于单张薄片热量传导和蓝宝石的热导率λ及温差的有关。

如图3所示,ABCD面内靠近AC边的温度为T₁，靠近BD边的温度为T₂，当T₁和T₂存在温差时，AC和BD之间的距离用Z(AC-BC)表式，蓝宝石20℃的热导率为42W/(m.k)，热传导量q如下：

$q=\mathrm{\λ}\frac{T_2-T_1}{Z(\mathrm{AC}-\mathrm{BC})}=42\×\frac{T_2-T_1}{Z(\mathrm{AC}-\mathrm{BC})}$

从公式看出当材料受到急冷和急热时热量传导时间不够及时，会对材料造成温度梯度。又根据热应力公式材料内部会产生热应力降低材料强度。

4、温度监控

为了精确地监控温度，在热场中部和底部分别设一个光学测温点，中部测到的温度为热场等温区域的温度，也就是产品摆放位置的温度。这样有利于对退火产品的温度进行精密测量。底部测温点位于加热器底部，检测到的温度和中部监测点进行比较，从检测值计算纵向温度梯度。

附图说明

图1为本发明热场结构以及对应温度分布示意图。

图2为本发明退火炉结构以及对应温度分布示意图。

图3为蓝宝石薄片结构示意图。

图4为圆形加热器结构示意图

图5为实施例三薄片尺寸示意图。

图6为实施例四薄片尺寸示意图。

图7为实施例四的热场结构示意图。

其中，固定碳毡的石墨板1，石墨盖板2，加热器3，中部测温点4，底部测温点5，石墨底板6，石墨炉壁7，保温碳毡8，水平等温线9，水平放置的叠合蓝宝石薄片工件10，封闭带盖的钼坩埚11，炉衬12，方形带盖坩埚13，蓝宝石薄片垂直放置在载具上14，方形四面加热器15，热场保温材料16。

具体实施方式

实施例一

多线切割过的尺寸为167(L)×67(W)×0.8(D)mm的蓝宝石手机片照图2所示，放在圆形加热器的热场中，手机片大面水平放置，和热场等温线平行。以125.6摄氏度/每小时的升温速度经过16小时匀速升到2010摄氏度，停留在2010摄氏度经过25小时保温，使产品在切割过程中造成的损伤得到愈合并释放内部应力。再以60摄氏度/每小时的速率经33.3小时缓慢降温，确保单片温度梯度接近于零。将经过消除应力的薄片进行检测，强度高于常规退火的强度。

表一

检测项目	本实验	常规退火平均值
			环压检测(N)(环40和8)	3876	1636.2
4点弯曲(N)(跨距20和40)	1409	850.8
			落球实验32克小球(m)	1.9(未碎)	1.4375
对应能量(J)	＞0.6	0.4625
			静压(N)	765	644.4

实施例二

将经过金刚石多线切割过的尺寸为155.8(L)×75.5(W)×0.7(D)mm的手机片经过仿形、雕刻、研磨，按照图2所示，放在圆形加热器的热场中，手机片大面水平放置，和热场等温线平行。以117.6摄氏度/每小时的升温速度经过17小时匀速升到2000摄氏度，停留在2000摄氏度经过25小时保温，使产品在切割过程中造成的损伤得到愈合并释放内部应力。再以60摄氏度/每小时的速率经33.3小时缓慢降温，确保单片温度梯度接近于零。将经过消除应力的薄片进行检测，强度高于常规退火的强度。

表二

实施例三

将经过切片、仿形、雕刻、研磨、粗抛厚度为0.6mm手机外形尺寸如图5所示。放在圆形加热器的热场中，手机片大面水平放置，和热场等温线平行。以100摄氏度/每小时的升温速度经过19小时匀速升到1900摄氏度，停留在1900摄氏度经过30小时保温，使产品在切割过程中造成的损伤得到愈合并释放内部应力。再以60摄氏度/每小时的速率经33.3小时缓慢降温，确保单片温度梯度接近于零。将经过消除应力的薄片进行检测，强度高于常规退火的强度。

表三

检测项目	本实验	常规退火平均值
			环压检测(N)(环40和8)	3193	1636.2
4点弯曲(N)(跨距20和40)	901	850.8
			落球实验32克小球(m)	1.7	1.4375
对应能量(J)	0.55	0.4625
			静压(N)	700	644.4

实施例四

将将经过切片、仿形、雕刻、研磨、粗抛、精抛厚度为0.7mm手机抛光片外形尺寸如图6.

放在方形四面有加热器的热场中，手机片大面垂直放置在载具上，再将载具和蓝宝石薄片放在带盖的方形坩埚内，薄片大面和热场等温线平行。以126摄氏度/每小时的升温速度经过15小时匀速升到1900摄氏度，停留在1900摄氏度经过15小时保温，使产品在切割过程中造成的损伤得到愈合并释放内部应力。再以85摄氏度/每小时的速率经22.3小时缓慢降温，确保单片温度梯度接近于零。将经过消除应力的薄片进行检测，强度高于常规退火的强度。

表四

检测项目	本实验	常规退火平均值
			环压检测(N)(环40和8)	2825	1636.2
4点弯曲(N)(跨距20和40)	1230	850.8
			落球实验32克小球(m)	1.9(未碎)	1.4375
对应能量(J)	＞0.6	0.4625
			静压(N)	748	644.4

Claims (8)

1.一种消除蓝宝石薄片应力的方法，包括升温步骤、保温步骤和降温步骤，其特征在于

所述蓝宝石薄片紧密贴合形成工件，水平放置在蓝宝石长晶炉内；升温步骤，炉内温度从室温升高至1900℃，升温速率小于180℃/小时，

保温步骤，炉内升温至1900℃~2050℃，并保温15小时以上，利用热场中反馈的温度信号变化进行PID整定，精确控制长晶炉加热装置的输出功率，实现监测点温度波动小于0.01度/小时，

降温步骤，匀速降温至室温，降温速率小于100℃/小时，

其中，上述升温、保温和降温步骤在封闭热场中进行，该封闭热场由若干水平等温面组成，蓝宝石薄片的产品大面与水平等温面平行，在封闭热场中竖直方向的温度梯度Gv和水平方向的温度梯度Gh都趋向于零。

2.根据权利要求1所述消除蓝宝石薄片应力的方法，其特征在于所述长晶炉内充有保护气体氦气或氩气，气体压力维持在25-50TORR，炉内通入保护气体的流量为0.5-1CFH。

3.根据权利要求1或2所述消除蓝宝石薄片应力的方法，其特征在于所述升温步骤中，保持匀速升温，升温速率小于180℃/小时；降温步骤中，通过可控硅改变加热装置的功率大小，按照预设的温度配方实现匀速降温，降温速率小于100℃/小时。

4.一种消除蓝宝石薄片应力的设备，包括一个炉体，其特征在于所述炉体为封闭炉体，炉体内设有一个用于放置蓝宝石工件的封闭钼坩埚，炉体外周包覆保温碳毡，炉体内还设有加热装置和测温装置。

5.根据权利要求4所述消除蓝宝石薄片应力的设备，其特征在于所述加热装置包含一个圆筒加热器，该圆筒加热器为三相接法，上部设三个螺纹接口和三个石墨电极连接，为保证炉内温度均匀性，加热器三相电阻的毫欧值偏差小于2.5%；圆筒加热器的功率由可控硅控制。

6.根据权利要求4所述的消除蓝宝石薄片应力的设备，其特征在于所述测温装置包含至少两个测温点；一个位于圆筒加热器的中部；另一个设在圆筒加热器的偏下部，并且离加热器底部距离大于50毫米。

7.根据权利要求4所述的消除蓝宝石薄片应力的设备，其特征在于所述保温碳毡包裹和固定在炉体内的石墨板和石墨炉筒上，厚度大于11层，每层厚度大于10毫米。

8.根据权利要求5所述的消除蓝宝石薄片应力的设备，其特征在于所述圆筒加热器筒壁上间隔开有沟槽，所述沟槽深度超过加热器筒壁高度的一半以上，相邻沟槽之间开口方向相反。