CN107561611A - 一种蓝宝石基板的表面图案化加工方法 - Google Patents

Abstract

一种蓝宝石基板的表面图案化加工方法，包括以下步骤：步骤1：对蓝宝石基板进行清洗；步骤2：在蓝宝石基板表面形成一层金属铝薄膜；步骤3：将带有金属铝薄膜的蓝宝石基板放入退火炉中，进行高温退火，在基板表面形成纳米级金属铝颗粒；步骤4：然后对带有金属铝颗粒的蓝宝石基板进行等离子体干法刻蚀，获得二维减反射微结构。本发明操作方便，普适性强，生产成本低廉，得到的蓝宝石基板具有高硬度和耐磨损等特性。

Description

一种蓝宝石基板的表面图案化加工方法

技术领域

本发明属于表面处理技术领域，涉及到一种蓝宝石基板的表面图案化加工方法。

背景技术

由于蓝宝石具有硬度高、耐高温、耐磨损和透光波段宽等优良特性，蓝宝石基板在诸如掌上电脑、车载导航仪、笔记本电脑等电子产品上被广泛作为触摸屏使用，特别地，随着智能手机的迅猛发展，蓝宝石基板在手机显示屏和摄像头镜片应用上也得到了长足推广。然而，在手机摄像头镜片应用方面存在的问题是，相对普通玻璃镜片的折射率n≈1.5，蓝宝石镜片的折射率高达n≈1.78，高折射率差产生更高的菲涅尔反射损失，从而降低入射光的透射率，另外，被反射的光线影响拍照过程，产生炫光和成像不清晰等现象；在电子产品的触摸屏应用方面，由于蓝宝石材料相对低的透射率，使得图像显示效果不佳，清晰度不高，很难带给人一种视觉上的冲击和满足感。为了改善镜片透射率低的问题，传统方法是直接在镜片表面进行镀膜处理，如中国专利申请（CN106291781A）公开了一种光学镜片增透膜，是由二氧化硅、五氧化三钛和氟化镁九层薄膜交替组成。虽然，采用增透膜改善了镜片的透射率，但其制备工艺复杂，生产成本高，精度不容易控制，且增透膜在使用过程中容易被磨损，影响使用寿命。另外，一维层状增透膜结构对可见光的透射率有选择性，很难实现整个可见光波段的高透射性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种蓝宝石基板的表面图案化加工方法，操作方便，普适性强，生产成本低廉，得到的蓝宝石基板具有高硬度和耐磨损等特性。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种蓝宝石基板的表面图案化加工方法，包括以下步骤：

步骤1：对蓝宝石基板进行清洗；

步骤2：在蓝宝石基板表面形成一层金属铝薄膜；

步骤3：将带有金属铝薄膜的蓝宝石基板放入退火炉中，进行高温退火，在基板表面形成纳米级金属铝颗粒；

步骤4：然后对带有金属铝颗粒的蓝宝石基板进行等离子体干法刻蚀，获得二维减反射微结构。

所述步骤1具体包括：将蓝宝石基板放入浓硫酸与双氧水混合溶液中浸泡清洗，浓硫酸与双氧水的体积比为5:1-3:1，混合溶液温度控制在100℃-150℃，清洗时间为10分钟-30分钟。

所述步骤2具体包括：采用电子束蒸发或磁控溅射方式在蓝宝石基板表面形成一层金属铝薄膜。

所述电子束蒸发方式具体为：将蓝宝石基板放入电子束蒸发腔室内，抽真空，当电子束蒸发腔室达到预设的真空度时，控制铝原子在蓝宝石基板上的沉积速率在0.1-1nm/s，该金属铝薄膜厚度为5 nm -100 nm。

所述磁控溅射方式具体为：将蓝宝石基板放入磁控溅射设备的腔室内，抽真空，当腔室达到预设的真空度时，控制铝靶材的溅射速率，使得整片蓝宝石基板表面的铝膜厚度均匀分布，该金属铝薄膜厚度为5 nm -100 nm。

所述步骤3具体包括：将蓝宝石基板送入退火炉腔室内，设定退火温度和时间并启动加热，通入氮气流以调整加热均匀性，退火温度为200℃-550℃，退火时间为2分钟至1小时。

所述金属铝颗粒的形貌为类球形，直径为10nm-300nm，相邻金属铝颗粒之间的间距为5nm-200nm。

所述步骤4具体包括：带有金属铝颗粒的蓝宝石基板放入ICP设备真空室，抽真空，通入工艺气体，工艺气体为三氯化硼和氯气，上电极功率为1000-1500W，下电极功率为100-700W，金属铝颗粒的刻蚀速率为10-80nm/min, 蓝宝石材料刻蚀速率为30-100 nm/min，刻蚀时间为1min-15min，整个刻蚀过程，金属铝颗粒起到刻蚀掩膜作用，当金属铝颗粒被完全蚀刻掉后，在蓝宝石基板表面形成了二维减反射微结构。

所述二维减反射微结构的横截面形貌为三角形状、抛物线状或内凹针尖状，该二维减反射微结构的底面宽度为20nm-500nm，微结构高度为50 nm-400 nm。

本发明具有以下有益效果：

（1）利用公知的电子束蒸发、磁控溅射、退火炉和刻蚀设备，就能获得亚波长级减反射微结构图案，方法简单快捷，普适性强，工艺步骤简单，生产成本低廉。

（2）本发明所实现的带有二维减反射微结构的蓝宝石基板，相对传统镀膜技术实现的增透膜基板，具有以下几方面的优势：

a. 由于二维减反射微结构的尺寸均小于可见光波段发生衍射效应所对应的最小尺寸，因而，本发明的蓝宝石基板对整个可见光波段的透射率不存在选择性，均具有高透射性，从而更有利于改善显示屏的清晰度或消除摄像头在拍照过程中的炫光和成像不清晰等现象。

b. 由于二维减反射微结构是通过刻蚀技术之间转移在蓝宝石基板上，因而不存在图案脱落或不连续的问题，另外，二维减反射微结构图案的材质就是蓝宝石本身，具有高硬度和耐磨损等特性，因而，它不存在使用寿命短的问题。

附图说明

附图1为本发明流程示意图；

附图2为本发明加工过程状态示意图；

附图3为本发明加工得到的二维减反射微结构的横截面实施例一示意图；

附图4为本发明加工得到的二维减反射微结构的横截面实施例二示意图；

附图5为本发明加工得到的二维减反射微结构的横截面实施例三示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述。

实施例一

如附图1和2所示，本发明揭示了一种蓝宝石基板的表面图案化加工方法，包括以下步骤：

步骤1：对蓝宝石基板进行清洗。具体为：将蓝宝石基板1放入浓硫酸与双氧水混合溶液中浸泡清洗，浓硫酸与双氧水的体积比为5:1，混合溶液温度控制在130℃，清洗时间为30分钟。

步骤2：采用电子束蒸发方式在蓝宝石基板1表面形成一层金属铝薄膜2。具体为：将蓝宝石基板放入电子束蒸发腔室内，抽真空，当电子束蒸发腔室达到预设的真空度时，控制铝原子在蓝宝石基板上的沉积速率在0.2nm/s，该金属铝薄膜厚度为20 nm。

步骤3：将带有金属铝薄膜的蓝宝石基板1放入退火炉中，进行高温退火，在基板表面形成纳米级金属铝颗粒3。具体为：将蓝宝石基板送入退火炉腔室内，设定退火温度和时间并启动加热，通入氮气流以调整加热均匀性，退火温度为300℃，退火时间为5分钟。金属铝颗粒的形貌为类球形，直径为80-100 nm，相邻金属铝颗粒之间的间距为20±5 nm。

步骤4：然后对带有金属铝颗粒3的蓝宝石基板1进行等离子体ICP干法刻蚀，获得二维减反射微结构4。具体为：将带有金属铝颗粒的蓝宝石基板放入ICP设备真空室，抽真空，通入工艺气体，工艺气体为三氯化硼和氯气，上电极功率为1000W，下电极功率为300W，金属铝颗粒的刻蚀速率约为30nm/min, 蓝宝石材料刻蚀速率约为50nm/min，刻蚀时间为3min，整个刻蚀过程中，金属铝颗粒起到刻蚀掩膜作用，当金属铝颗粒被完全蚀刻掉后，在蓝宝石基板表面形成了亚波长量级锥状微结构图案，即是二维减反射微结构，该图案具有减反射效果，从而弱化蓝宝石/空气界面的菲涅尔反射损失，提高蓝宝石基板对整个可见光波段的透射率。该二维减反射微结构本身是蓝宝石基板的一部分，因此具有高硬度和耐磨损等特性，不存在使用寿命短的问题

二维减反射微结构的横截面形貌为抛物线形状，并且该二维减反射微结构的高度为70-130 nm,底面宽度为90-150 nm，微结构图形底部相互衔接在一起，如附图3所示。

实施例二

本发明揭示了一种蓝宝石基板的表面图案化加工方法，包括以下步骤：

步骤1：对蓝宝石基板进行清洗。具体为：将蓝宝石基板放入浓硫酸与双氧水混合溶液中浸泡清洗，浓硫酸与双氧水的体积比为5:1，混合溶液温度控制在130℃，清洗时间为30分钟。

步骤2：采用磁控溅射方式在蓝宝石基板表面形成一层金属铝薄膜。具体为：将蓝宝石基板放入磁控溅射设备的腔室内，抽真空，当腔室达到预设的真空度时，控制铝靶材的溅射速率，使得整片蓝宝石基板表面的铝膜厚度均匀分布，该金属铝薄膜厚度为50 nm。

步骤3：将带有金属铝薄膜的蓝宝石基板放入退火炉中，进行高温退火，在基板表面形成纳米级金属铝颗粒。具体为：将蓝宝石基板送入退火炉腔室内，设定退火温度和时间并启动加热，通入氮气流以调整加热均匀性，退火温度为500℃，退火时间为10分钟。金属铝颗粒的形貌为类球形，直径为90-150nm，相邻金属铝颗粒之间的间距为20-40 nm。

步骤4：然后对带有金属铝颗粒的蓝宝石基板进行等离子体干法刻蚀，获得二维减反射微结构。具体为：将带有金属铝颗粒的蓝宝石基板放入ICP设备真空室，抽真空，通入工艺气体，工艺气体为三氯化硼和氯气，上电极功率为1500W，下电极功率为600W，金属铝颗粒的刻蚀速率约为50nm/min, 蓝宝石材料刻蚀速率约为70nm/min，刻蚀时间为2 min；降低下电极功率至300W，刻蚀时间为3 min。整个刻蚀过程中，金属铝颗粒起到刻蚀掩膜作用，当金属铝颗粒被完全蚀刻掉后，在蓝宝石基板表面形成了亚波长量级锥状微结构图案，即是二维减反射微结构，该图案具有减反射效果，从而弱化蓝宝石/空气界面的菲涅尔反射损失，提高蓝宝石基板对整个可见光波段的透射率。该二维减反射微结构本身是蓝宝石基板的一部分，因此具有高硬度和耐磨损等特性，不存在使用寿命短的问题。

二维减反射微结构的横截面形貌为三角形状，并且该二维减反射微结构的高度为100-140nm,底面宽度为120-180nm，微结构图形底部相互衔接在一起，如附图4所示。

实施例三

本发明揭示了一种蓝宝石基板的表面图案化加工方法，包括以下步骤：

步骤1：对蓝宝石基板进行清洗。具体为：将蓝宝石基板放入浓硫酸与双氧水混合溶液中浸泡清洗，浓硫酸与双氧水的体积比为5:1，混合溶液温度控制在130℃，清洗时间为30分钟。

步骤2：采用磁控溅射方式在蓝宝石基板表面形成一层金属铝薄膜。具体为：将蓝宝石基板放入磁控溅射设备的腔室内，抽真空，当腔室达到预设的真空度时，控制铝靶材的溅射速率，使得整片蓝宝石基板表面的铝膜厚度均匀分布，该金属铝薄膜厚度为100 nm。

步骤3：将带有金属铝薄膜的蓝宝石基板放入退火炉中，进行高温退火，在基板表面形成纳米级金属铝颗粒。具体为：将蓝宝石基板送入退火炉腔室内，设定退火温度和时间并启动加热，通入氮气流以调整加热均匀性，退火温度为550℃，退火时间为30分钟。金属铝颗粒的形貌为类球形，直径为220-280 nm，相邻金属铝颗粒之间的间距为40-60 nm。

步骤4：然后对带有金属铝颗粒的蓝宝石基板进行等离子体干法刻蚀，获得二维减反射微结构。具体为：将带有金属铝颗粒的蓝宝石基板放入ICP设备真空室，抽真空，通入工艺气体，工艺气体为三氯化硼和氯气，上电极功率为1500W，下电极功率为700W，金属铝颗粒的刻蚀速率约为60nm/min, 蓝宝石材料刻蚀速率约为80nm/min，刻蚀时间为3min；降低下电极功率至300W，刻蚀时间为8 min。整个刻蚀过程中，金属铝颗粒起到刻蚀掩膜作用，当金属铝颗粒被完全蚀刻掉后，在蓝宝石基板表面形成了内凹针尖状的二维减反射微结构。该二维减反射微结构的高度为130-170 nm,底面宽度为250-350nm，微结构图形底部相互衔接在一起，如附图5所示。

需要说明的是，以上所述并非是对本发明的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种蓝宝石基板的表面图案化加工方法，包括以下步骤：

步骤1：对蓝宝石基板进行清洗；

步骤2：在蓝宝石基板表面形成一层金属铝薄膜；

步骤3：将带有金属铝薄膜的蓝宝石基板放入退火炉中，进行高温退火，在基板表面形成纳米级金属铝颗粒；

步骤4：然后对带有金属铝颗粒的蓝宝石基板进行等离子体干法刻蚀，获得二维减反射微结构。

2.根据权利要求1所述的蓝宝石基板的表面图案化加工方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：将蓝宝石基板放入浓硫酸与双氧水混合溶液中浸泡清洗，浓硫酸与双氧水的体积比为5:1-3:1，混合溶液温度控制在100℃-150℃，清洗时间为10分钟-30分钟。

3.根据权利要求2所述的蓝宝石基板的表面图案化加工方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：采用电子束蒸发或磁控溅射方式在蓝宝石基板表面形成一层金属铝薄膜。

4.根据权利要求3所述的蓝宝石基板的表面图案化加工方法，其特征在于，所述电子束蒸发方式具体为：将蓝宝石基板放入电子束蒸发腔室内，抽真空，当电子束蒸发腔室达到预设的真空度时，控制铝原子在蓝宝石基板上的沉积速率在0.1-1nm/s，该金属铝薄膜厚度为5 nm -100 nm。

5.根据权利要求3所述的蓝宝石基板的表面图案化加工方法，其特征在于，所述磁控溅射方式具体为：将蓝宝石基板放入磁控溅射设备的腔室内，抽真空，当腔室达到预设的真空度时，控制铝靶材的溅射速率，使得整片蓝宝石基板表面的铝膜厚度均匀分布，该金属铝薄膜厚度为5 nm -100 nm。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的蓝宝石基板的表面图案化加工方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：将蓝宝石基板送入退火炉腔室内，设定退火温度和时间并启动加热，通入氮气流以调整加热均匀性，退火温度为200℃-550℃，退火时间为2分钟至1小时。

7.根据权利要求6所述的蓝宝石基板的表面图案化加工方法，其特征在于，所述金属铝颗粒的形貌为类球形，直径为10nm-300nm，相邻金属铝颗粒之间的间距为5 nm-200 nm。

8.根据权利要求7所述的蓝宝石基板的表面图案化加工方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：带有金属铝颗粒的蓝宝石基板放入ICP设备真空室，抽真空，通入工艺气体，工艺气体为三氯化硼和氯气，上电极功率为1000-1500W，下电极功率为100-700W，金属铝颗粒的刻蚀速率为10-80 nm/min, 蓝宝石材料刻蚀速率为30-100 nm/min，刻蚀时间为1min-15min，整个刻蚀过程，金属铝颗粒起到刻蚀掩膜作用，当金属铝颗粒被完全蚀刻掉后，在蓝宝石基板表面形成了二维减反射微结构。

9.根据权利要求8所述的蓝宝石基板的表面图案化加工方法，其特征在于，所述二维减反射微结构的横截面形貌为三角形状、抛物线状或内凹针尖状，该二维减反射微结构的底面宽度为20nm-500 nm，微结构高度为50nm-400 nm。