JP6095132B2 - サファイア積層体 - Google Patents

Description

本出願は概してサファイアに関し、より詳細には、薄いサファイア積層体に関する。
［関連出願の相互参照］

本出願は、２０１２年３月６日に出願され、「Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｌａｍｉｎａｔｅｓ」と題された米国特許仮出願第６１／６０７，４０１号に対する優先権を主張する。同文献の内容は全体が本明細書において参照により組み込まれている。

コランダムは酸化アルミニウムの結晶形態であり、種々の異なる色のものがあり、ルビーとして一般に知られる赤色のコランダム及びパパラチアとして知られるピンク色がかったオレンジ色のコランダムを除き、それらは全て広く一般にサファイアと呼ばれる。コランダムの透明な形態は宝石又は宝玉と見なされる。一般的に、コランダムは極めて硬く、純粋なコランダムは９．０モースを有すると定義され、それゆえ、ほぼ全ての他の鉱物を引っかく能力を有する。目下の目的のために、用語「コランダム」及び「サファイア」は、酸化アルミニウムの結晶形態に広く言及するために交換可能に用いられる場合がある。

理解され得るとおり、コランダムの、とりわけ、その硬度及び透過特性を含む、一部の特性のゆえに、コランダムはさまざまな異なる用途において有用になり得る。しかし、特定の用途のために有益である同じ特性は一般に、それらの用途のためのサファイアの加工及び準備のコストも難しさもどちらも増大させる。それゆえ、それが宝石であることに関連付けられるコスト以上に、特定の使用のためにコランダムを準備するコストが法外に高くなることがしばしばある。例えば、従来の加工技法が実施される場合には、サファイアの硬さのために、この材料の切削及び研磨は、困難でもあり時間もかかるものになる。更に、カッター等の従来の加工用具は、コランダムに対して用いられると、比較的急速な摩耗を経験する。

本明細書では、種々のサファイア構造体及び積層体構造体が説明される。一実施形態は、主表面を形成する第１のサファイア面種を有する、第１のサファイアシートと、主表面を形成する第２の異なるサファイア面種を有する、第２のサファイアシートと、を有するサファイア構造体の形態をとってもよい。第１及び第２のサファイアシートは互いに融合され、サファイアを形成する。

別の実施形態は、第１のサファイアシートと、第１のサファイアシートに融合される第２のサファイアシートと、を有するサファイア積層体の形態をとってもよい。第１及び第２のサファイアシートはそれらの主表面に対しては同じ結晶方位を有するが、それらの縁部に対しては異なる結晶方位を有する。すなわち、第１及び第２のサファイアシートは、主表面を形成する共通のサファイア面、及び二次的表面を形成する異なるサファイア面を有してもよい。

更に別の実施形態は、ガラスシートと、ガラスシートに接着されるサファイアシートと、を有するガラス構造体の形態をとってもよい。ガラス構造体は１ｍｍ未満の厚さであるか又はそれにほぼ等しい。

更に別の実施形態は、積層体構造体の製造方法の形態をとってもよい。本方法は、サファイアシートの第１の面をラッピングし、研磨する工程と、サファイアシートをガラスシートに接着する工程と、を含む。本方法は、サファイアシートの第２の面をラッピングし、研磨する工程と、ガラスシートを化学的に強化する工程も含む。

更になお、別の実施形態は、民生用エレクトロニクスデバイスのディスプレイ用に、ガラス内面を有するサファイア外面の使用を含んでもよく、この場合、２枚のサファイア表面は互いに積層され、ガラスはディスプレイのための支持を提供し、サファイアは耐スクラッチ性及び耐久性の利点を提供する。

複数の実施形態が開示されているが、以下の詳細な説明から当業者には本発明の更に別の実施形態が明らかになるであろう。理解されるであろうように、諸実施形態は、全て諸実施形態の趣旨及び範囲から逸脱することなく、種々の側面において変更が可能である。したがって、図面及び詳細な説明は本質的に例示と見なされるべきであり、限定と見なされてはならない。

サファイアカバープレートを有する電子デバイスである。 それぞれ主表面上に異なる面を有する２枚のサファイアのシートであって、これらのシートを互いに接合し、サファイア構造体を形成する前の、２枚のサファイアのシートである。 互いに接合され、サファイア構造体を形成する図２の２枚のサファイアのシートである。 ２枚のサファイアシートを有するサファイア構造体を製作するための工程を示すフローチャートである。 それぞれ主表面上に同じ面をそれぞれ有するが、異なって配向され、そのため、縁部表面上では異なる面が互いに隣接する、２枚のサファイアのシートである。 互いに接合され、サファイア構造体を形成する図５の２枚のサファイアのシートである。 ガラスシートをサファイアシートと共に積層する前のサファイアシート及びガラスシートである。 ２枚のサファイアシートの間にガラスシートを有するサファイア構造体である。

本明細書では、サファイアの特性を利用するサファイア積層体が説明される。特に、サファイアは異方性であり、サファイアの結晶構造体は複数の異なる面を有する。それぞれの面は他の鉱物を上回る著しい硬度を呈するが、いくつかの面は追加的な異なる特性を有してもよい。例えば、Ｃ面サファイアは他のサファイア面よりも硬い場合がある一方で、Ａ面サファイアは、他の面よりも高い破断係数を有し得る。Ｒ面及びＭ面サファイアは他の利点を提供することができる。

実施形態によっては、異なるサファイア面を有する２枚のサファイアシートを互いに融合し、異なる面の異なる特性を利用する。他の実施形態では、縁部が、異なる面を有してもよいように、サファイアシートの二次的方位が制御される。他の実施形態では、サファイアシートが別の材料の上に積層されてもよい。例えば、一実施形態では、サファイアシートがガラスシートに接着されてもよい。

更に、約１ミリメートル以下であるサファイアシートのハンドリング及び加工は、破損を防止するために更に注意が必要になるため難しい。より具体的には、約０．５ミリメートル未満のサファイアシート（０．４ミリメートルのシート等）をハンドリングすると、通常、サファイアシートの破損が増加する結果をもたらす。本明細書において説明されている諸技法によれば、ガラス上のサファイア構造体及び／又はサファイア積層体は、厚さが約１ミリメートル以下のシートの製作を可能にする。更に、サファイアは一般的にガラスよりも入手及び／又は加工に高額の費用がかかるため、ガラスをサファイアと共に積層する場合には、ガラスの使用は、サファイアの使用を上回るコスト削減をもたらし得る。サファイア積層体は硬度の増大をもたらし、摩耗、引っかき及び／又はガラスに対する損傷を防止する。

図１を参照すると、サファイア構造体又は積層体が実装され得る電子デバイス１００の例が示されている。例えば、デバイス１００のカバーガラス及び／又はバックプレートとしてサファイア積層体１０２が利用されてもよい。加えて、又は代替的に、デバイスのカメラのためのカバー及び／又はレンズとしてサファイア積層体が利用されてもよい。サファイア積層体は種々の異なるデバイスにおいて利用され得ることを理解されたい。例えば、それらは、とりわけ、カメラ、コンピュータ、移動デバイス、腕時計、表示デバイス、タッチスクリーン及び時計におけるウィンドウ、ミラー、カバーガラス、レンズなどのために用いることができる。

図２は、シートを互いに融合又は接着する前の２枚のサファイアシートを示す。それぞれのシートは、シートの主表面において異なる面を有してもよい。例えば、上部シート１０４はＣ面シートであってもよく、下側のシート１０６はＡ面シートであってもよい。Ｃ面は、増大した硬度を提供することができ、その一方、Ａ面は、より高い破断係数を提供することができる。それゆえ、２枚のシートの組み合わせはＡ面シートの硬度及びＣ面シートの強度を改善し、主表面において単一の面のみを有するサファイアシートよりも改善されたサファイアシートを提供することができる。図３は、互いに結合され、サファイア構造体１０８を形成する２枚のサファイアシートを示す。

図４は、２枚のサファイアシートを互いに融合する方法１１０を示すフローチャートである。最初に、第１のサファイアシートの第１の面がラッピングされ、研磨される（ブロック１１２）。次に、第２のシートの第１の面がラッピングされ、研磨される（ブロック１１４）。第１及び第２のサファイアシートの第１の面は、シートの光学特性に影響を及ぼし得るあらゆる欠陥又は不適合の可能性を低減することを助けるために研磨される。次に、第１及び第２のサファイアシートのラッピングされ研磨された面は互いに融合され、サファイア積層体を形成する（ブロック１１６）。サファイアシートの融合はサファイアの融解温度の付近又はその上で生じてよい。実施形態によっては、２枚のシートは、融合される代わりに接着剤を用いて互いに接着されてもよい。接着剤が利用される実施形態では、光が一方のサファイアシートから接着剤を通って他方のサファイアシート内へ通過する際に生じ得るあらゆる屈折を除去又は低減することを助けるために、接着剤は、サファイアの屈折率にほぼ等しいか又はそれに近い屈折率を有してもよい。

２枚のシートが互いに接合され、サファイア積層体を形成すると、サファイア積層体の露出面はラッピングされ、研磨されてもよい（ブロック１１８）。サファイア積層体の両方の露出面は同時にラッピングされ、研磨されてもよい。すなわち、サファイア積層体は、それぞれの面に研磨パッドを当て、研削及び／又は研磨スラリー内に浸漬されてもよい。サファイア構造体は、チッピング又は割れの可能性を低減することを助けるために、機械的に変更されてもよい。（ブロック１２０）。例えば、縁部は、斜面に切られる、又は面取りされてもよい。更に、サファイア構造体は疎油性コーティングを用いて処理され、及び／又はインクを印刷されてもよい（ブロック１２２）。

実施形態によっては、１つ以上の工程は省略されてもよく、及び／又は工程が実行される順序は変更されてもよいことを理解されたい。例えば、一実施形態では、積層後のラッピングはない。すなわち、個々のシートは積層前に完全に仕上げられてもよい。

得られるサファイア積層体は、複数の面を利用するため、優れた硬度及び強度を両立することができる。これらの特性の組み合わせによって、サファイア積層体は、破損の可能性を低下させて、１ミリメートル未満の厚さにおいてハンドリングすることを可能にすることができる。一例では、サファイア積層体の製作前のハンドリングによる破損の可能性を低減することを助けるために、それぞれのサファイアシートは約１ミリメートルの厚さを有してもよい。サファイア積層体が形成された後に、それは１ミリメートル未満の厚さにラッピングされ、研磨されてもよい。積層体によって提供される硬度及び強度のおかげで、破損のリスクを低下させて更なるハンドリングが可能になる。より薄い積層体は、サファイア積層体を実装する製品の奥行き又は厚さを低減することを助けるために有用であり得る。

図５は、２枚のシートであって、それらの主表面においてサファイアの同じ面を有する２枚のシートの形態をとる別の実施形態を示す。本明細書で使用するとき、主表面という用語はシートの主な面（例えば、サファイアシートの上面又は底面）を指す。具体的には、サファイアの２枚のＡ面シート１３０、１３２が示されている。この実施形態では、Ａ面シート１３０、１３２は、縁部１３４、１３６が異なる面に配向されるように、互いに対して回転されてもよい。例えば、上部シートは右の縁部に沿ってＣ面を有してもよく、底部シートは右の辺に沿ってＭ面を有してもよい。すなわち、上部シート１３０の長軸はＣ面に配向されてもよく、それに対して、底部シート１３２の長軸はＭ面に配向されてもよい。それゆえ、シートの縦軸（及び軸方向の軸）はサファイアの結晶構造体に対して特定の角度で配向されてもよい。実施形態によっては、シートの縁部は結晶構造体とちょうど揃っていなくてもよい。例えば、縁部はＣ面から１０度オフセットされていてもよい。

縁部に沿って多様な面を設けることにより、サファイア構造体の縁部の弾力性を向上させることを助けることができる。例えば、縁部は、異なる線に沿って割れることのできる、異なるサファイア面を有してもよく、更に、異なる硬度及び強度特性を提供してもよいので、縁部は破損に対してより抵抗性が高くなり得ると考えられている。より具体的には、１つの面はチッピングに対してより抵抗性が高く、一方、別の面は強度を配慮すると好ましい場合には、シートを互いに積層することによって、有利にチッピングが低減し、強度が増大した縁部が提供される。図６は、２枚のシートが互いに融合された後のサファイア構造体１３８を示す。

図７は、サファイアシート１４０及びガラスシート１４２を有する更に別の実施形態を示す。サファイアシート１４０の１つの面１４４はラッピングされ、研磨される。ガラスシートも研磨されてよい。次に、サファイアの研磨された面は接着剤によってガラスシートに接着される。サファイアとガラスとの間の境界面において、又はそれに沿って生じ得るあらゆる光学効果を低減することを助けるために、サファイアの屈折率とガラスの屈折率との間にある屈折率を有する接着剤が用いられてもよい。一般的に、光学透明接着剤によって薄くて硬い接着が達成されることが望まれる。いくつかのエポキシ樹脂及び液体光学透明接着剤（liquid optically clear adhesive「ＬＯＣＡ」）が接着剤として用いられてもよい。

実施形態はガラス上のサファイア積層体として説明されているが、スチールバックプレート、プラスチックバックプレート又はその他の材料にサファイア積層体が適用されてもよいことを理解されたい。これらの実施形態でも、エポキシ樹脂及びＬＯＣＡを用いて達成可能な薄くて硬い接着がなお望まれてよい。

次に、サファイアの第２の面（例えば、サファイアの露出面）は更にラッピングされ、研磨されてよい。ガラスもラッピングされ、研磨されてよい。ガラス及びサファイアのラッピング及び研磨は単一の両面ラッピング手順で行われてもよい。ガラスはサファイアよりも軟らかいので、それは一般的にラッピングプロセスの間にサファイアよりも速く薄くなることになる。ガラスのより速いラッピングの効果を打ち消すために、実施形態によっては、ガラス層は最初、サファイアよりも大幅に厚くてもよく、又はラッピングパッドは異なる材料からなってもよい。結合されたサファイア及びガラスをラッピング及び研磨した後に、合計厚さは約１ミリメートル未満になってもよい。実施形態によっては、合計厚さは約１ミリメートル以下（例えば、約０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、又は０．４ミリメートル以下）よりも小さいか又はほぼその大きさであってよい。ガラス及びサファイアシートを一緒にラッピングすると、薄いサファイアシートのみをラッピングし、研磨することに関連付けられる歩留まりの問題が最小限に抑えることができる。すなわち、サファイアシートは、ガラスと一緒にラッピングされると、損傷を受けにくくなり得る。

ラッピング及び研磨の前にサファイア積層ガラスに対してコンピュータ数値制御プロセスが実行されてもよい。加えて、接合部を滑らかにし、ガラス及びサファイアの接合から生じるあらゆる目に見える影響を更に除去するために、接着剤及び接合部のために縁部研磨が実行されてもよい。

実施形態によっては、ガラスは化学的に強化されてもよい。サファイアはガラスの化学的強化プロセスによってほとんど影響を受けないので、化学的強化は、ガラス及びサファイアが互いに接着される前に実行されてもよく、又はその後に実行されてもよい。一般的に、ガラスは、ガラスが研磨された後に化学的に強化されてもよい。実施形態によっては、若干の再研磨が化学的強化の後に実行されてもよい。更に、ガラス及びサファイアは、例えば、面取りされた縁部を有するように、機械的に変更されてもよい。

ガラス基板をサファイアのために利用すると、増大した弾力性をサファイアに提供することができる。すなわち、ガラスは、サファイアを補強することによってサファイアシートの破損の可能性の低減に役立つことができる。加えて、ガラス基板の使用によって、より薄いサファイアのシートを利用することが可能になり、このおかげで、それらをより薄く切り出すことができるので、デバイス毎に用いられるサファイアが少なくなることになり、より多くのサファイアシートがブールから採取でき、コストの削減がもたらされ得る。

図８は、２枚のサファイアシート１５４、１５６の間にガラスシート１５２を有するサファイア構造体１５０を示す。サファイア構造体１５０は、さまざまな異なる役割を果たすように構成されてよい。例えば、サファイア構造体１５０は、スマートフォン、タブレットコンピュータ、カメラなど等の、民生用電子デバイスにおけるカバーガラスとしての役割を果たすことができる。実装によっては、サファイア構造体は薄いことが有利である場合がある。それゆえ、それは約１．５ｍｍ又はそれ未満の薄さであってもよい。例えば、サファイア構造体は、約１．４ｍｍ、１．３ｍｍ、１．２ｍｍ、１．１ｍｍ、１．０ｍｍ、又はそれ未満の薄さであってもよい。加えて、種々のシートは、構造体を形成するための任意の好適な方法で互いに接着されてよい。

実施形態によっては、サファイアシート１５４、１５６はそれらの主表面において同じ結晶方位を有してもよい。すなわち、サファイアシートのそれぞれはそれぞれＣ面又はＡ面サファイアであってもよい。ただし、代替実施形態では、サファイアシートはそれぞれ、それらの主表面において異なる方位を有してもよい。例えば、第１のシート１５４はＣ面サファイアであってもよく、第２のシート１５６はＡ面サファイアであってもよい。

更に、上述のように、サファイアシートの二次的方位は、サファイアの異なる面の固有の特性を利用するために、互いに関して異なってもよい。例えば、第１のシート１５４は、耐チッピング性を提供する二次的方位を有してもよく、それに対して、第２のシート１５６は強度に有利である方位を有してもよい。上述のように、二次的方位は、サファイア構造体の特定の面又は縁部に特定の特性を提供するように選択されてもよいことを理解されたい。加えて、実施形態によっては、二次的方位は構造体の縁部からある角度オフセットされていてもよいことを理解されたい。すなわち、サファイアシートの結晶方位は構造体の縁部に対してある角度をなしていてもよい。例えば、それは構造体の長辺から約４５度の角度オフセットされていてもよい。オフセット角は０〜９０度の間の任意の好適な角度であってよいことを理解されたい。

上述のことはサファイア構造体及び積層体のいくつかの実施形態例を説明している。上述の説明は特定の実施形態を提示しているが、当業者は、実施形態の趣旨及び範囲から逸脱することなく形態及び細部において変更がなされてもよいことを認識するであろう。特に、一実施形態に関して上述された一部のプロセス及び／又は処理は他の実施形態で実施されてもよい。したがって、本明細書に記載されている特定の実施形態は例であり、その範囲を限定するものではないと理解されるべきである。

Claims (20)

1. サファイア構造体であって、
   ４つのシート縁部によって囲まれたシートの主表面を形成する第１のサファイア結晶面方位を有する単結晶構造から形成された、第１のサファイアシートと、
   ４つのシート縁部によって囲まれたシートの主表面を形成する第２のサファイア結晶面方位を有する単結晶構造から形成された、第２のサファイアシートであって、前記第１のサファイアシートに融合され、前記サファイア構造体を形成する、第２のサファイアシートと、
   を含み、
   前記第２のサファイアシートの前記主表面の前記第２のサファイア結晶面方位は、前記第１のサファイアシートの前記主表面の前記第１のサファイア結晶面方位と異なり、
   前記第１のサファイアシートのシート縁部は前記第２のサファイアシートのシート縁部と同一平面上にあり、
   シート縁部の同一平面のペアの各シート縁部は異なる結晶面方位を有する、
   サファイア構造体。
2. 前記第１のサファイアシートがＣ面シートを含む、請求項１に記載のサファイア構造体。
3. 前記第２のサファイアシートがＡ面シートを含む、請求項１に記載のサファイア構造体。
4. 前記第１のサファイアシートの少なくとも１つのシート縁部が結晶サファイア面と平行である、請求項１に記載のサファイア構造体。
5. 前記第1のサファイアシートの少なくとも１つのシート縁部が、前記第１のサファイア結晶面方位に対して第１の角度で配向される第１のシート縁部、及び前記第１のサファイア結晶面方位に対して第２の角度で配向される第２のシート縁部を含む、請求項１に記載のサファイア構造体。
6. 少なくとも１つのシート縁部がＣ面と平行に配向される、請求項５に記載のサファイア構造体。
7. 前記サファイア構造体は１ｍｍ未満の厚さである、請求項１に記載のサファイア構造体。
8. 面取りされた縁部を含み、前記面取りされた縁部は、丸みのある面取り部又は角のある面取り部の一方を含む、請求項１に記載のサファイア構造体。
9. サファイア構造体であって、
   単結晶サファイアから形成される第１のサファイアシートと、
   単結晶サファイアから形成され、前記第１のサファイアシートに融合される第２のサファイアシートと、を含み、
   前記第１及び第２のサファイアシートは、前記各サファイアシートの主表面を形成する共通のサファイア結晶面方位を有し、
   前記第１及び第２のサファイアシートはそれぞれ４つのシート縁部を有し、
   前記第1のサファイアシートの前記シート縁部は前記第２のサファイアシートのシート縁部と同一平面上にあり、
   同一平面のシート縁部の各ペアの各シート縁部は、異なる結晶方位を有する、
   サファイア構造体。
10. 前記第１及び第２のサファイアシートがＣ面又はＡ面の一方の方位の主表面を有する、請求項９に記載のサファイア構造体。
11. 前記サファイア構造体の前記少なくとも１つの縁部は、Ｃ面、Ａ面又はｍ面のうちの少なくとも１つに平行に配向される、請求項９に記載のサファイア構造体。
12. カバーガラスを含む電子デバイスであって、
    前記カバーガラスは、
    単結晶として形成され、第１の面、第２の面及び４つのシート縁部を有する第１のサファイアシートと、
    単結晶として形成され、第１の面、第２の面及び４つのシート縁部を有する第２のサファイアシートであって、前記第２のサファイアシートの前記第１の面は前記第１のサファイアシートの前記第１の面に結合される、第２のサファイアシートと、
    を含み、
    前記第１のサファイアシートの前記第１の面及び前記第２のサファイアシートの前記第１の面は、共通のサファイア結晶面方位を有し、
    前記第１のサファイアシートの各シート縁部は前記第２のサファイアシートの各シート縁部と同一面上にあり、
    各同一平面上のシート縁部のペアの各シート縁部は異なる結晶面方位を有する、
    電子デバイス。
13. 前記カバーガラスの第１のサファイアシートの前記第１の面はラップされて研磨された表面を有し、前記カバーガラスの第２のサファイアシートの前記第１の面はラップされて研磨された表面を有する、請求項１２に記載の電子デバイス。
14. 前記カバーガラスの第１のサファイアシートの前記第２の面はラップされて研磨された方面を有し、前記カバーガラスの第２のサファイアシートの前記第２の面はラップされて研磨された表面を有する、請求項１２に記載の電子デバイス。
15. 前記カバーガラスの前記第１のサファイアシート及び前記第２のサファイアシートの少なくとも１つの上に疎油性コーティングを更に含む、請求項１２に記載の電子デバイス。
16. 前記カバーガラスの前記第１のサファイアシート及び前記第２のサファイアシートの少なくとも１つの上にインクコーティングを更に含む、請求項１２に記載の電子デバイス。
17. 前記カバーガラスの前記第１のサファイアシートと前記第２のサファイアシートとの間に配置された接着剤であって、前記第１のサファイアシートを前記第２のサファイアシートに接着する接着剤を更に含む、請求項１２に記載の電子デバイス。
18. 前記接着剤は、前記カバーガラスの前記第１のサファイアシート及び前記第２のサファイアシートの少なくとも１つの屈折率とほぼ等しい屈折率を有している、請求項１７に記載の電子デバイス。
19. 前記第２のサファイアシートの前記第１の面は前記第１のサファイアシートの前記第１の面と直接融合される、請求項１２に記載の電子デバイス。
20. 前記カバーガラスは、
    バックプレート、
    レンズ及び
    カメラのためのカバーのうちの少なくとも１つを含む、
    請求項１２に記載の電子デバイス。

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