CN116686033A - 在金刚石显示玻璃上单片集成波导传感器的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种透明显示器包括显示器，该显示器包括透明基底和图案化金刚石层，该图案化金刚石层形成在透明基底上以至少部分地限定金刚石波导。至少两个电子设备可以通过金刚石波导连接，并且可以包括传感器、换能器或电子电路，该电子电路包括通信电子电路、控制电子电路或数据处理电子电路。
Description
相关申请
本公开是要求于2020年12月29日提交的第63/131,541号美国临时专利申请的优先权利益的非临时专利申请的一部分，该美国临时专利申请通过引用以其整体并入。
技术领域
本公开总体上涉及支持透明金刚石光电子器件(optoelectronics)的材料和涂层领域。更具体地，描述了用于将传感器集成到诸如可以用于电子设备的多层金刚石显示系统中的系统和方法。
背景
金刚石具有良好的光学、机械和半导体性能特征，使得能够制造透明的电子器件和光电子器件，包括与消费电子部件和材料(例如显示器和透镜材料)相关的那些电子器件和光电子器件。这些应用通常包括严格的设计要求，例如增加的硬度、耐刮擦性和防水性。这些应用通常还要求使用集成的感测部件(例如，热感测部件、生物感测部件和化学感测部件)。尽管金刚石非常适合于满足这些严格的设计要求和功能，但由于制造成本或工艺限制，消费电子器件的实际应用受到限制。需要减少或消除这些问题的材料、结构和程序。
附图简述
参考以下附图描述了本公开的非限制性和非穷举性的实施例，其中，除非另外指明，否则在通篇各个附图中，相同的附图标记指代相同的部件。
图1是具有用于对传感器进行集成的集成光学波导结构的示例性显示玻璃系统的示意图；
图2是用于制造显示玻璃系统的方法的实施例，该显示玻璃系统具有用于对传感器进行集成的集成金刚石波导；以及
图3是用于制造显示玻璃系统的方法的实施例，该显示玻璃系统具有包含多晶(polycrystalline)和/或纳米晶(nanocrystalline)金刚石涂层的光学波导。
详细描述
消费和工业电子器件越来越多地结合了各种各样的传感器和换能器，以增强用户的体验。例如，现代移动电话通常结合用于温度(例如，以保护电路)、医疗(例如，心率)和化学(例如，诸如水的液体)目的的传感器。广泛结合传感器的其他电子设备包括但不限于虚拟现实头戴式装置(headset)、防护面罩、平视显示器、相机和电视。已经或被设想集成到移动电话和其他设备中的示例环境传感器和换能器可以包括响应可见光、红外光、温度、检测到的化学物质、接近度或压力的那些环境传感器和换能器。示例生物传感器可以包括用于心率、血氧、血压、指纹、皮肤电反应、EEG/EKG或脑电波的监测器。示例机电传感器或换能器可以包括扬声器、麦克风、陀螺仪、加速度计、无线电源、光子电源(photonic power)或量子安全部件。
这些传感器和换能器中的许多可以嵌入在无源显示器或用户交互式显示器中。同样地，传感器、换能器和外部电路之间的通信链路可以嵌入在显示器中。为了保持高质量的用户体验，这些传感器、换能器以及其间的通信链路可以对可见光透明。嵌入在显示系统中的透明光学波导能够并且预期会促进这些通信链路。
有利地，金刚石在可见光光谱上具有宽的光学透射率，因此使得其能够用作显示玻璃上的保护涂层。已知金刚石具有有用的物理性质，例如具有极高的硬度和热导率，这可以改善显示玻璃的耐刮擦性和温度管理。金刚石的其它性质，例如疏水性和化学/生物惰性，也使得其作为显示玻璃上的保护涂层是非常合适的。金刚石和其他材料(包括其他碳化合物)的多层组合可以进一步增强这些性质。
本公开描述了使用金刚石来实现透明光学波导，以在现代显示系统中集成传感器和换能器。在本发明中，金刚石被用作光学波导、用于玻璃光学波导的保护涂层和/或用于显示系统的表面保护剂。本文公开了一种新的和改进的用于将传感器集成到金刚石涂覆的光学透明显示玻璃系统中的系统和方法。根据该方法的一个方面，具有集成传感器的光学透明显示玻璃系统可以包括光学透明的单层(例如，铝硅酸盐)或多层玻璃基底。在一个实施例中，多晶金刚石、纳米晶金刚石(即，其晶粒尺寸(grain size)小于约100nm)或多晶金刚石和纳米晶金刚石的组合可以被包括在涂覆玻璃基底的金刚石膜中，以及被包括在金刚石膜涂层中形成的光学波导中。实际上，低成本、耐用且有用的显示结构可以包括至少两个电子设备，该至少两个电子设备是传感器、换能器或电子电路(包括通信、控制或数据处理电子电路)中的至少一个。电子设备可以通过金刚石波导透明基底和形成在透明基底上以至少部分地限定金刚石波导的图案化金刚石层连接。
根据该方法的另一方面，一种制造光学透明显示玻璃系统的方法可以包括以下步骤：(1)选择单层或多层玻璃基底，(2)对基底进行清洗和种晶(seeding)，(3)使用具有反应器的化学气相沉积系统在玻璃基底上形成包括多晶和/或纳米晶金刚石的金刚石膜，在该反应器中添加甲烷、氢气和氩气源气体，(4)使用半导体光刻将光学波导结构图案化，以及(5)使用反应离子蚀刻在金刚石中形成光学波导结构。
在另一个实施例中，一种用于形成结合波导的透明显示器的方法包括提供透明基底和在透明基底上形成包括多晶和/或纳米晶金刚石的金刚石膜。金刚石膜中的光学波导结构还可以包括多晶和/或纳米晶金刚石，并且可以通过蚀刻来图案化，其中光学波导结构能够将至少两个电子设备互连。
美国专利10,254,445和10,224,514通过引用被并入，并且包括关于适合与所描述的系统和方法结合使用的在玻璃上使用和沉积金刚石的信息。专利申请US17/031,762也通过引用被并入，并且包括关于适合与所描述的系统和方法结合使用的沉积金刚石和氟化氧化石墨烯的信息。
在检查下面的附图和详细描述后，本文公开的系统和方法的其他系统、方法、方面、特征、实施例和优点对于本领域普通技术人员来说将是明显的或将变得明显。意图是，所有这样的附加系统、方法、方面、特征、实施例和优点被包括在本说明书中，并且在所附权利要求的范围内。
图1示出了具有用于对传感器进行集成的集成光学波导结构的示例性显示玻璃系统100。在这个示例中，显示玻璃系统被集成到移动电话中。显示玻璃系统100可以包括单层或多层基底110，该基底110包括金刚石层112。可选地，增强显示器的表面性质的一个或更多个附加层可以被包括在金刚石层112的上方或下方，所有这些层对可见光都是透明的。显示玻璃系统100可以包括嵌入在系统的透明层中、系统的透明层上或系统的透明层下面的传感器和换能器120、122、124和126。显示玻璃系统100还可以包括透明光学波导130、132、134和136，它们将嵌入的传感器和换能器120、122、124和126以及显示系统外部的任何相关联的光电子电路互连。基底、金刚石层112和可选的增强层可以在边缘处弯曲，以促进经由遵循弯曲表面的轮廓的波导的“环绕式”通信。
单层或多层基底可由玻璃、显示塑料或本领域普通技术人员已知的其他透明材料组成，该玻璃包括(化学或非化学硬化的)铝硅酸盐、硅酸盐、钠钙(soda-lime)、硼硅酸盐、锗酸盐、磷酸盐、氟化物或硫族化物(chalcogenide)玻璃。任何前述材料及其组合都可以包括在基底层中。
在一些实施例中，金刚石层112可以包括各种金刚石、类金刚石或含金刚石的材料和结构的涂层。为了本公开的目的，金刚石是指碳原子在四面体配位的晶格中与其他碳原子键合(称为sp3键合)的晶体结构。每个碳原子可以被其他四个碳原子围绕并与其键合，每个碳原子位于正四面体的尖端。在一些实施例中，碳原子的四面体键合构型对于金刚石层112的至少一些体积来说可能是不规则的或扭曲的，或者以其他方式偏离如上所述的金刚石的标准四面体构型。这样的扭曲通常导致一些键的延长和另一些键的缩短，以及键之间的键角的变化。在一些实施例中，四面体的扭曲将碳的特性和性质改变为实际上介于以sp3构型键合的碳(即金刚石)的特性与以sp2构型键合的碳(即石墨)的特性之间。具有以扭曲的四面体键合而键合的碳原子的材料的一个示例是无定形金刚石。在其它金刚石膜实施例中，类金刚石碳可以形成为具有碳原子作为主要元素的含碳材料，其中一定量的这样的碳原子以扭曲的四面体配位键合。金刚石膜可以包括各种其他元素作为杂质或作为掺杂剂，包括但不限于氢、硫、磷、硼、氮、硅或钨。例如，这在改变金刚石膜的电学或化学性质方面可能是有用的。
金刚石沉积可以通过任何工艺(例如但不限于化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD))进行。可以使用气相沉积方法的多种实施例。气相沉积方法的示例包括热丝CVD、rf-CVD、激光CVD(LCVD)、激光烧蚀、保形金刚石涂层工艺、金属有机CVD(MOCVD)、溅射、热蒸镀PVD、电离金属PVD(IMPVD)、电子束PVD(EBPVD)、反应PVD、阴极电弧等。
在一些实施例中，可以使用活化介质(例如等离子体)、氩气和碳源(例如甲烷)以小于570摄氏度的相对较低温度沉积薄金刚石膜。在其他实施例中，沉积可以在375摄氏度至500摄氏度之间的温度进行。有利地，与用于金刚石膜生长的常规700摄氏度-800摄氏度的温度相比，如此低的温度大大降低了基底或施加的其它涂层或相关联的电子器件或光电子器件的热翘曲。在其他实施例中，金刚石层112可以是在低温沉积的薄膜多晶金刚石，以消除或最小化基底玻璃、嵌入的电子器件或嵌入的光电子器件的退化，例如在小于450摄氏度的温度处。在一个实施例中，金刚石层可以是大约500nm厚，以支持在该层中制造光学波导。在另一个实施例中，金刚石层可以是大约100nm厚，以用作下面的玻璃层和在其中制造的光学波导的表面保护剂。
在一些实施例中，沉积气体被点燃并形成生长在晶圆上的小金刚石，从而产生连续的、薄的且保形的层。所沉积的金刚石的类型和结构取决于所使用的种晶方法。大晶粒晶种(seed)可以导致具有增大的硬度的微晶金刚石。纳米晶金刚石中的小晶粒尺寸(通常小于100nm)可以提供较低的表面粗糙度。
金刚石膜的性质可以使用拉曼光谱(Raman spectroscopy)来测量和表征。立方金刚石在布里渊区(Brillouin zone)的中心具有单一拉曼活性的一阶声子模(phononmode)。尖锐的拉曼线的存在允许在石墨或其他碳晶体类型的背景下识别立方金刚石。谱带波数(band wavenumber)的小变化可以指示金刚石的成分和性质。在一些实施例中，根据如本公开中所指示的那样形成的金刚石膜的拉曼表征获得的半峰全宽(FWHM)可以在5-10之间。
在一些实施例中，金刚石膜可以作为连续层保形地沉积在表面上。可替代地，通过使用掩模、蚀刻或合适的生长增强或生长减少技术，可以仅为选定的区域提供金刚石膜。在一些实施例中，金刚石膜厚度可以在整个表面上是恒定的，而在其他实施例中，厚度可以根据位置而变化。
在一些实施例中，金刚石膜厚度可以在整个表面上是恒定的，而在其他实施例中，厚度可以根据位置而变化。金刚石厚度可以在10纳米至100微米之间。在一些实施例中，晶粒尺寸可以在200微米至300微米之间。在一些实施例中，至少95％的晶粒的尺寸被确定在200微米至300微米之间。在另外的其它实施例中，至少99％的晶粒的尺寸被确定在200微米至300微米之间。
附加的薄膜材料(例如，氟化氧化石墨烯)可以被包括在金刚石层上，以进一步增强显示器的表面性质(例如，疏水性)。该附加层可以是碳基化合物或其它材料。
嵌入在显示系统100的透明层中、显示系统100的透明层上或显示系统100的透明层下面的传感器和换能器120、122、124和126可以用透明的光电子电路来制造。该电路可以在半导体金刚石层112中被制造，该半导体金刚石层112具有改变电学特性的掺杂区域。传感器和换能器120、122、124和126可以经由嵌入在显示系统100的金刚石层112或基底层中的光学波导结构通过光学接收和/或发送接口进行通信。与传感器和换能器120、122、124和126的接口可以用于接收控制信号、发送数据、接收功率或促进传感器、换能器、计算机、控制器、设备中的其他电路和外部电路之间的其他通信。
光学波导130、132、134和136可以形成在薄膜金刚石涂层中或者形成在下面的玻璃层中，该玻璃层随后涂覆有保护性金刚石薄膜。波导结构的横截面可以是矩形的，例如其尺寸小于1um，以促进在低红外范围内的光学通信。波导结构可以遵循直线或曲线路径。波导还可以“环绕”显示系统的弯曲边缘，以促进与下方的或邻近的外部光电子器件的通信。光学波导的弯曲半径可以例如小于0.5mm，而不会引起过多的传输损耗。
图2示出了用于在玻璃基底上制造金刚石光学波导的工艺200的一个实施例。多层结构的制造可以通过利用技术的组合来实现，这些技术例如为化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、光刻(可以是电子束光刻或光学光刻)和反应离子蚀刻(RIE)。
基于应用和操作环境，玻璃基底可以是任何类型的玻璃，例如(化学硬化和非化学硬化的)铝硅酸盐、熔融二氧化硅、硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、硫族化物玻璃、滤光器和衰减器玻璃、冕牌(crown)和燧石玻璃，以及可以是可折叠塑料。
所选择的玻璃基底可以通过暴露于酸性清洗混合物(例如(4:1H2SO4/H2O2,5:1:1H2O/H2O2/HCl))和缓冲氧化物蚀刻剂(etch)来清洗，以去除表面污染物和氧化物。此外，基底经受基于酒精的超声波清洗。下一步骤涉及用纳米晶种(nanoseed)溶液混合物对玻璃基底进行种晶，并在酒精溶液中进行超声波处理(ultrasonication)以促进成核和膜团聚。
为了形成工艺200的层结构210，使用包含甲烷、氢气和氩气混合物的热丝化学气相沉积(HF-CVD)或微波等离子体CVD生长工艺在玻璃上生长多晶金刚石，其中金刚石沉积是每小时几百纳米的数量级。在金刚石生长超过目标厚度的情况下，经由氩气和氧气混合物进行的反应离子蚀刻和/或离子铣削可以产生块状、平面化的、均匀的金刚石膜。金刚石表面还可以被抛光以最小化表面粗糙度并改善随后形成的金刚石波导的透射率。
为了形成工艺200的层结构220，从而允许在金刚石上制造光学波导，首先通过溅射或蒸镀技术沉积15nm的Al层。然后将作为负性电子束抗蚀剂的氢倍半硅氧烷(Hydrogensilsesquioxane，HSQ)旋涂到Al层上，以形成工艺200的层结构230。为了形成工艺200的层结构240，执行电子束光刻并进行显影(develop)以将光学波导图案化。波导的宽度可以在100nm至700nm之间变化。HSQ充当掩模，用于使用具有氧气和氩气等离子体的反应离子蚀刻(RIE)来蚀刻多晶金刚石(PCD)。以受控方式蚀刻400nm PCD来形成波导并确保存在剩余100nm的金刚石层，以形成肋形波导结构。可以使用任何蚀刻技术(通过等离子体蚀刻或湿法蚀刻方法(例如，使用缓冲氧化物蚀刻剂))来去除HSQ层和Al层。
附加的薄膜材料(例如，氟化氧化石墨烯)可以包括在金刚石层上，以进一步增强显示器的表面性质(例如，疏水性)。该附加层可以是碳基化合物或其它材料。用于沉积该层的方法可以在专利申请US17/031,762中找到，该专利申请先前通过引用被并入，并且包括关于适合与所描述的系统和方法结合使用的沉积金刚石和氟化氧化石墨烯的信息。
在一些实施例中，整个多层玻璃、金刚石、金刚石波导和FGO结构可以经受热弯曲工艺以形成例如具有大约88度弯曲角的瀑布屏。
图3示出了用于制造金刚石光学波导的工艺300的一个实施例。多层结构的制造可以通过利用技术的组合来实现，这些技术例如为化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、光刻(可以是电子束光刻或光学光刻)和反应离子蚀刻(RIE)。
基于应用和操作环境，玻璃基底可以是任何类型的玻璃，例如(化学硬化和非化学硬化的)铝硅酸盐、熔融二氧化硅、硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、硫族化物玻璃、滤光器和衰减器玻璃、冕牌和燧石玻璃，以及可以是可折叠塑料。
工艺300可以涉及将选择的基底暴露于酸性清洗混合物(例如(4:1H2SO4/H2O2,5:1:1H2O/H2O2/HCl))和缓冲氧化物蚀刻剂，以去除表面污染物和氧化物。此外，基底经受基于酒精的超声波清洗。
为了形成可用于在玻璃上制造光学波导的工艺300的层结构310，首先通过溅射或蒸镀技术沉积50nm的Cr层，以充当用于将波导图案化的掩模。为了形成工艺300的层结构320，然后将氢倍半硅氧烷(HSQ)或类似的负性电子束抗蚀剂旋涂到Cr层上。为了形成工艺300的层结构330，执行光刻(例如电子束光刻)并且进行显影，以将光学波导图案化。波导具有在100nm至700nm之间变化的宽度。Cr充当掩模，用于使用具有CF4/CHF3等离子体的反应离子蚀刻(RIE)来蚀刻玻璃。以受控方式蚀刻400nm的玻璃来形成波导，该波导形成肋形波导结构。为了形成工艺300的层结构340，可以使用任何蚀刻技术(通过等离子体蚀刻或湿法蚀刻方法(例如，使用缓冲氧化物蚀刻剂))来去除残留的HSQ层和Cr层。
为了形成工艺300的层结构350，下一步骤涉及用纳米晶种溶液混合物对基底进行种晶，并且在酒精溶液中进行超声波处理以促进成核和膜团聚。使用包含甲烷、氢气和氩气混合物的热丝化学气相沉积(HF-CVD)或微波等离子体CVD生长工艺在玻璃上生长多晶金刚石352，其中金刚石沉积是每小时几百纳米的数量级。
附加的薄膜材料(例如，氟化氧化石墨烯)可以包括在金刚石层上，以进一步增强显示器的表面性质(例如，疏水性)。该附加层可以是碳基化合物或其它材料。用于沉积该层的方法可以在专利申请US17/031,762中找到，该专利申请先前通过引用被并入，并且包括关于适合与所描述的系统和方法结合使用的沉积金刚石和氟化氧化石墨烯的信息。
在一些实施例中，整个多层玻璃、金刚石、金刚石波导和FGO结构可以经受热弯曲工艺以形成例如具有大约88度弯曲角的瀑布屏。
在前述描述中，参考了形成其一部分的附图，并且其中通过说明的方式示出了可以实践本公开的特定示例性实施例。足够详细地描述了这些实施例，以使本领域技术人员能够实践本文公开的概念，并且应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对各种公开的实施例进行修改，并且可以利用其他实施例。因此，前述的详细描述不应视为限制性的。
整个本说明书对“一个实施例(one embodiment)”、“实施例(an embodiment)”、“一个示例(one example)”或“示例(an example)”的引用意味着结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性包括在本公开的至少一个实施例中。因此，在整个本说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指的是同一实施例或示例。此外，特定特征、结构、数据库或特性可以在一个或更多个实施例或示例中以任何合适的组合和/或子组合进行组合。另外，应当理解，随此提供的附图是出于对本领域普通技术人员的解释目的，并且附图不一定按比例绘制。
受益于在前述描述和相关联的附图中呈现的教导的本领域技术人员将想到本发明的许多修改和其他实施例。因此，应当理解，本发明不限于所公开的特定实施例，并且修改和实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。还应当理解，可以在缺少本文未具体公开的元件/步骤的情况下实践本发明的其他实施例。
Claims (14)
1.一种透明显示器，包括：
显示器，所述显示器包括透明基底和图案化金刚石层，所述图案化金刚石层形成在所述透明基底上以至少部分地限定金刚石波导；以及
通过所述金刚石波导连接的至少两个电子设备。
2.根据权利要求1所述的透明显示器，其中，所述至少两个电子设备是传感器、换能器或电子电路中的至少一个，所述电子电路包括通信电子电路、控制电子电路或数据处理电子电路。
3.根据权利要求1所述的透明显示器，其中，所述透明基底是玻璃。
4.根据权利要求1所述的透明显示器，其中，所述图案化金刚石层在小于570摄氏度的温度形成。
5.根据权利要求1所述的透明显示器，其中，所述图案化金刚石层被形成为连续地覆盖所述显示器。
6.根据权利要求1所述的透明显示器，其中，所述图案化金刚石层具有小于500微米的厚度。
7.根据权利要求1所述的透明显示器，其中，所述显示器以一定角度弯曲。
8.一种用于形成结合波导的透明显示器的方法，包括：
提供透明基底；
在所述透明基底上形成包括多晶金刚石和/或纳米晶金刚石的金刚石膜，以及
在所述金刚石膜中通过蚀刻来将光学波导结构图案化，其中，所述光学波导结构能够将至少两个电子设备互连。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述至少两个电子设备是传感器、换能器或电子电路中的至少一个，所述电子电路包括通信电子电路、控制电子电路或数据处理电子电路。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述透明基底是玻璃。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述金刚石膜在小于570摄氏度的温度形成。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述金刚石膜被形成为连续地覆盖所述透明显示器。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述金刚石膜具有小于500微米的厚度。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，具有结合的波导的所述透明显示器以一定角度弯曲。
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