JP6556634B2 - イオン注入を通じたサファイア特性変更 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本ＰＣＴ（特許協力条約）特許出願は、２０１３年３月２日に出願され、「Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｉｏｎ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ」と題する米国非仮特許出願第１３／７８３，２６４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。

本出願はサファイア材料に関し、より詳細には、コランダム及びその他の処理されたサファイア材料の物理的特性に関する。

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モース尺度で９．０の硬度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。

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。

本明細書においては、サファイア部品を強化するためのシステム及び方法が説明される。１つの方法は、サファイア部材の第１の表面をイオン注入デバイスに対して配向させる工程と、イオン注入濃度を選択する工程と、（例えば、高エネルギー）イオンをサファイア部材の第１の表面に向けて誘導する工程と、の形態をとってもよい。

イオンはサファイア部材内に埋め込まれ、サファイア表面内に圧縮応力を生み出してもよい。例えば、イオンは、サファイア表面内に圧縮応力を生み出すために、第１の表面の下において、既存の結晶格子サイト間に、格子間に埋め込まれてもよい。代替的に、イオンはサファイア格子内の空サイトを埋めてもよいか、又はイオンは、埋め込まれた領域の部分を本質的に実質的にアモルファス若しくは非晶質にするために埋め込まれてもよい。

別の実施形態はイオン注入のためのシステムの形態をとってもよい。システムは、元素を受け取るように構成されるイオン源と、イオン流を作り出すイオン源に結合されるイオン引き出しユニットと、イオン引き出しユニットの後に連続する方向変更磁石と、方向を変更されたイオン流をフィルタリングする質量分析スリットと、を含んでもよい。加えて、システムは、フィルタリングされたイオン流を加速するイオン加速管と、イオン流を集束させるための複数のレンズと、イオン流をエンドステーション内へ誘導する走査ユニットと、イオンが埋め込まれる、サファイア部品の位置を支持し、操作するためのエンドステーション内の支持部材と、を含んでもよい。

プラズマイオン浸漬が同様にイオン注入システム又はプロセスとして利用されてもよい。プラズマイオン浸漬では、利用可能なイオンエネルギーは、より高いスループットを有する、イオンビーム注入を用いて達成されるものよりもいくらか低くなり得る。例えば、サファイア構成要素の表面内にイオンを埋め込むためのプラズマイオン浸漬システムは、プラズマ（イオン）源、真空チャンバ、及びプラズマ源を真空チャンバに結合するための結合機構を含んでもよい。真空チャンバは、低圧を維持するために、スリットバルブ、並びにターボ分子ポンプ若しくはその他のポンプシステムを含んでもよい。プラズマ源から、イオンが上述されたように注入されてもよいサファイア構成要素の表面へイオンを誘導するために、電源（例えば、パルス状ＤＣ電源）が利用されてもよい。

更に他の実施形態は、サファイア部材内にイオンを注入する方法の形態をとってもよい。本方法は、サファイア部材の２つの面にイオンペーストを塗布する工程と、イオンペーストに端子群を電気結合する工程と、を含んでもよい。サファイアの各面上のイオンペーストに端子（例えば、唯一の端子）が結合されてもよい。加えて、本方法は、端子に電流を供給する工程と、端子の電流の方向を交番させる工程と、を含んでもよい。

更に、別の実施形態はサファイア窓の形態をとってもよい。サファイア窓は、サファイア窓の結晶構造の強化を助けるためにイオンを注入された上面を含んでもよい。サファイア窓の少なくとも１つの縁部面は、サファイア窓内へのクロストークの防止を助けるためにイオンを注入されてもよい。

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。

サファイア部品の一例を示す。 図１のサファイア部品の表面内にイオンを注入するためのイオン注入システムの一例を示す。 サファイア部品の表面内にイオンを注入するための代替的なイオン注入システムを示す。 イオン注入プロセスの間にサファイア部品を支持するための、図２Ａ又は図２Ｂのイオン注入システムの支持部材を示す。 図３の線ＩＶ−ＩＶに沿って見たサファイア部品の部分断面図であり、格子結晶構造を示す図である。 図３の線ＩＶ−ＩＶに沿って見たサファイア部品の部分断面図であり、格子結晶構造内に注入されたイオンを示す図である。 図３の線ＩＶ−ＩＶに沿って見たサファイア部品の部分断面図であり、例えば、サファイア部品内の亀裂伝搬を低減又は防止するための、圧縮層を示す図である。 図３の線ＩＶ−ＩＶに沿って見たサファイア部品の部分断面図であり、サファイア部品の上面及び下面の両方の上の圧縮層を示す図である。 サファイア部品内に注入されたイオンの濃度に対するサファイア部品の強度を示すプロットである。 図３の支持部材が、サファイア部品を、この部品の縁部がイオンによって衝撃され得るように保持する様子を示す。 イオンの濃度を指示する曲線を有するサファイア部品の面取りされた縁部を示す。 イオンを更に格子結晶構造内へ拡散させるための加熱ステップを示す。 サファイア部品の表面におけるイオンの濃度を増大させるための図１１の加熱ステップに続くイオン注入ステップを示す。 区域の着色などの所望の効果を達成するためにイオン注入の異なる区域を有する図１のサファイア部品を示す。 実施形態の一例に係るイオン注入の方法を示すフローチャートである。 代替実施形態に係るサファイア構造内へのイオン注入のためのシステムを示す。 イオン流動のために端子にバイアスをかけられた状態における図１５のシステムを示す。 イオン注入による結晶構造の異なる深さにおける圧縮応力を示す注入曲線を示す。横軸は結晶構造内の深さを表し、縦軸は応力レベルを表す。 ２つのピーク間の平滑化領域を有する図１７の注入曲線を示す。 代替的な注入又は正味応力曲線を示す。 結晶構造の変位原子を置換するための原子衝撃ステップを含むイオン注入プロセスを示すフローチャートである。 クロストークを防止するための縁取りを有するカメラ窓を示す。 クロストークを防止するための着色された縁部を有するサファイア窓を示す。

サファイアの固有強度はガラスのものよりも高いが、機械的成形後の大きな強度改善を提供するための化学強化のようなよく確立されたプロセスは存在しない。サファイア内の欠陥は通例、応力下における表面傷の伝搬によって促される。したがって、サファイアの強度及びロバスト性を改善するために、強度向上を提供するべくイオン注入プロセスを適用することが有用になり得る。

拡散がより小さなイオンをより大きなイオンで代替置換する、ガラスのための化学強化プロセスは、表面亀裂の伝搬を防止する役割を果たすガラス部品の表面の周りの圧縮応力層を作り出す。対照的に、サファイアの当該イオン注入は、高エネルギーイオンを用いてサファイア部品を衝撃し、イオンは表面下内において、格子間に、又は別様に埋め込まれ、亀裂伝搬を阻止する役割を果たす同様の薄層又は圧縮応力を作り出す。サファイアイオン注入プロセスは、一般的におおよそ１マイクロメートル未満の深さまでひずんだ格子を生じさせる。強化は、窒素又はアルゴンのイオンを利用して達成される。ただし、いかなるイオンの濃度も、表面圧縮応力を有するために必要な格子ひずみを生み出すことができるであろうから、これは限定的なものではない。

強化のための濃度は、おおよそ１０¹³〜おおよそ１０¹⁹イオン／ｃｍ²の範囲にあってもよい。この範囲外の他の濃度も実施されてよいが、注意を払わなければならない。この場合には、濃度が低ければ、測定可能な強度効果を有するために十分な格子変形を生じさせないであろうし、濃度が高ければ、注入イオンは表面を破壊し、それにより、強度を低下させ得るか、又は強度を劣化させ得るであろう結晶体からアモルファスへの構造変化を生じさせ得るであろうから、表面劣化を引き起しかねない。イオン及び濃度の選定は、イオンのサイズ、そのエネルギー、その電荷、及びサファイアとのその化学的相互作用に依存してもよい。なぜなら、これらは、注入層の深さ、表面において生み出される応力の量、及びサファイアの結果として生じる色がある場合には、その色を決定することになるからである。

サファイア内の不純物は色を付与することができるため、特定の適用は、有色の外観が所望されるであろうか、それとも無色の外観が所望されるであろうかを指図してもよい。加えて、イオン注入は見通し線プロセスであってもよいので、所望の効果のために部品の異なる場所を遮蔽するために、マスクを用いることができるであろう。例えば、ことによると、最大強化を達成するために必要とされる濃度は色合いを生じさせる。その場合には、イオンは、特定の場所ではより所望される色を生み出し、その一方で、他のエリアでは色合いを最小限にするように選定することができるであろう。このコンセプトの１つのもっともらしい実装形態は、（黒などの、暗い色を生み出し得る鉄及びチタンのような）特定の色のマスクを作り出すためにサファイアディスプレイの外部の周りに高濃度のイオンを注入することである。したがって、イオン注入は、損傷を受けやすい縁部における強度の改善もし、更に、所望の色の提供もし得る。次に、同じく強化を提供するが、ディスプレイの外観を劣化させるであろう着色を回避するために、ディスプレイ区間の上に、低減された濃度の、場合によっては異なるイオンが注入されてもよい。この技法は、従来のインク裏面印刷の場合のようにサファイアの下ではなく、その内部に現れるであろうマスクを作り出す追加の恩恵を享受する。

いくつかの実施形態では、注入プロセスのために利用可能な設備が、注入の深さ及び実装される技法の両方を左右し得る。例えば、注入デバイスが８０キロ電子ボルト（ｋｅＶ）又はその付近で動作する場合には、イオンは第１の深さにおいて注入されてもよく、それに対して、１６０ｋｅＶ又はその付近で動作する注入デバイスは、第１の深さよりも深い第２の深さにおいてイオンを注入してもよい。したがって、異なる注入エネルギーの利用は、異なる応力分布を提供し、異なる種類及び／又は深さの損傷を防ぎ得る。いくつかの実施形態では、２つの（又はそれより多くの）注入デバイスが、２つの異なる深さにおいてイオンを注入するために用いられてもよい。同様に、イオンが異なる（例えば、より低い）エネルギーを有し、注入が他の深さにおいて（例えば、注入表面に対して、より小さい深さにおいて）行われる、プラズマプロセスが利用されてもよい。更に、いくつかの実施形態では、単一の注入デバイスが、所望の応力分布を達成するために、２つを超える異なるエネルギーレベルで動作するように構成されてもよい。

加えて、注入プロセスの間に、結晶構造の原子は変位されてもよい。具体的には、Ａｒ、Ｎ、Ｔｉ、Ｆｅ、又はその他のイオンが結晶の表面を衝撃すると、アルミニウム又は酸素原子は変位されてもよい。結晶構造の完全性の保存を助けるために、最初の注入ステップの後のイオン注入プロセスを通じてＡｌ又はＯイオンが再挿入されてもよい。例えば、所望の強化分布を達成するためにアルゴンが最初に注入されてもよく、アルゴン注入の間に変位された全ての酸素原子を再挿入するために後続の注入ステップが実行されてもよい。注入ステップのうちの１つ以上はまた、高められた温度（例えば、いくつかの実施形態では、摂氏約５００〜１８００度）で実行されてもよい。例えば、アルゴン注入ステップは、酸素ステップに対して高められた温度で実行されてもよいか、又はその逆も可である。

図１はサファイア部品１００の一例を示す。サファイア部品１００は、限定するものではないが、縁部確定膜供給成長（ＥＦＧ：edge-defined film-fed growth）法、キロポーラス法、ベルヌイ法、チョクラルスキー法、フラックス法、熱水法、垂直水平グラジエントフリーズ（「ＶＨＧＦ」：vertical horizontal gradient freezing）法、及びブリッジマン（すなわち、水平移動成長）法を含む、任意の好適なプロセスを通じて形成されてもよい。サファイア部品１００は、サファイアウェハ、サファイアリボン又はその他のこのようなサファイア部材から切断されてもよい。サファイア部品１００は任意の好適な幾何形状をとることができ、任意の好適な目的のために作られることができる。１つの実施形態では、例えば、サファイア部品１００は一般的に四角形形状を有してもよく、電子デバイス内のカバーガラスとしての機能を果たすように構成されてもよい。他の実施形態では、サファイア部品１００は円形形状を有してもよく、カメラのためのカバーガラスとしての機能を果たすように構成されてもよい。

サファイア部品１００の１つ以上の表面は、部品の強化を助けるために、イオンを注入されてもよい。具体的には、例えば、上面１０２は、１つ以上の縁部１０４とともに、イオンを注入されてもよい。いくつかの実施形態では、上面１０２などの表面は、異なる濃度のイオン及び／又は異なる種類のイオンを有する領域を持つ注入イオン濃度勾配を有してもよい。例えば、上面１０２の周辺縁部１０６は、上面の中心１０８よりも高いイオン濃度を有してもよい。加えて、又は代替的に、上面１０２は、縁部１０４と異なるイオン濃度を注入されてもよい。更に、縁部１０４の各々は異なるイオン濃度を有してもよい。

加えて、又は代替的に、上面１０２の周辺縁部１０６は、中心１０８と異なるイオンを注入されてもよい。例えば、周辺縁部はチタンイオン及び／又は鉄イオンを注入されてもよく、その一方で、中心１０８は窒素及び／又はアルゴンイオンを注入されてもよい。

その他のイオン及び／又はイオンのその他の組み合わせが実装されてもよいことを理解されたい。縁部１０４はまた、上面１０２のものと異なるイオンを注入されてもよく、及び／又は縁部のうちの１つ以上は、別の縁部と異なるイオンを注入されてもよい。更に、上面及び下面は、異なるイオン濃度及び／又は異なる注入イオンの両方を有してもよい。

図２Ａは、サファイア部品１００内にイオンを注入するためのイオン注入システム１１０を示す。概ね、注入システム１１０は従来の技法に従って動作してもよい。最初に、複数の部品１００が、イオンが部品１００に向けて誘導され、その内部に注入され得るようにエンドステーション１１２内に位置付けられてもよい。注入のためのイオンは、イオン源１１４から磁石１１５によって出発する。イオン源１１４は、チャンバ１１６（又は陽極）及びフィラメント（又は陰極）１１８を含む。磁石１１５はイオン源１１４の周囲に配置される。チタン、アルゴン、鉄、窒素、又は別の元素などの元素が元素源１２０を介してチャンバ１１６内に送り込まれ、プラズマに変換されてもよい。元素は、磁石１２４によって方向を変更され、質量分析スリット１２５によってフィルタリング又は分離される前に、イオン引き出し部材／前段加速ユニット１２２を通される。その後、イオンはイオン加速管１２６を通される。イオンは、部品に衝突する前に、磁気四重極レンズ１２８並びに電子走査システム若しくはユニット１３０を通される。

図２Ｂは、プラズマイオン浸漬プロセスを用いて、サファイア部品１００内にイオンを注入するための代替的なイオン注入システム１１０を示す。図２Ｂの特定の構成では、例えば、注入システム１１０は、サファイア（結晶性酸化アルミニウム又はＡｌＯｘ）部品又は構成要素１００の選択面内にイオンを注入するための真空チャンバ型のエンドステーション１１２を含む。ここでは、選択イオン１３１は電子／イオンプラズマ１３１Ａから生成される。

注入イオン１３１はプラズマイオン源１２１によって提供される。プラズマイオン源１２１は、サファイア部品１００内への注入のために選択された特定のイオン１３１、例えばアルミニウム、酸素、窒素アルゴン、マグネシウム、チタン、銅、鉄若しくはクロムイオン１３１、又はそれらの組み合わせ、を含む電子／イオンプラズマ１３１Ａを生成するように構成される。真空チャンバエンドステーション１１２は真空管路又はその他の結合構成要素１３２を介してプラズマ源１２１に結合される。真空チャンバ１１２はまた、サファイア部品１００のプラズマ浸漬イオン注入処理の実行に適した所望の低圧を維持するために、種々の真空弁及びポンプ構成要素１３３及び１３４を含んでもよい。

図２Ｂに示されるように、カバーガラス又はその他のサファイア部品１００が、例えば、固定具又は支持部材１３５を用いて、プラズマ１３１Ａに浸漬又は曝露され、それにより、イオン注入のために選択された表面１０１が選択イオン１３１に曝露されるようにする。選択イオン１３１を電子／イオンプラズマ１３１Ａから分離し、イオン１３１を選択面１０１に向かって加速するべく電圧を印加するために、部品１００と接触するか、又は電荷をやり取りする電極１３６が提供される。

選択された注入電圧、例えば、絶対値で数キロボルト（ｋＶ）（例えば、約１ｋＶ〜約１０ｋＶ）のオーダの、又は数十若しくは数百キロボルト（例えば、約１０ｋＶ〜約１００ｋＶ、若しくはそれ以上）のオーダの負の動作電圧−Ｖ₀、を電極１３６上に発生し、それにより、選択イオン１３１がサファイア部品１００の注入面１０１に向かって加速されるようにするために、電源１３７が提供される。注入面１０１に向かって加速する際に、イオン１３１はＫ＝ｑＶ₀の運動エネルギーを得る。ここで、ｑはイオン電荷の絶対値、例えばｅ、２ｅ、３ｅ、などであり、ここで、ｅは電子上の基本電荷の絶対値である。

それゆえ、エネルギーｑＶ₀は、サファイア部品１００内の所望の目標深さに（又は所望の目標深さ範囲内に）イオン１３１を注入するために動作電圧Ｖ₀及び電離電荷ｑ（又は電離レベル）を選ぶことによって選択することができる、イオン注入エネルギーを表す。注入深さは、選択イオン１３１がサファイア部品１００の注入面１０１の下方の目標深さに、又は対応する目標深さ範囲内に注入されるように、選択注入面１０１に対して定義される。注入深さはまた、選択イオン１３１のサイズ、及びサファイア部品１００の結晶格子内の原子からの散乱のための対応する断面積、並びに電離等級若しくは電荷ｑに依存する。

例えば、電源１３７は、電子／イオンプラズマ１３１Ａのプラズマ周波数によって定義されるとおりの、例えば、数マイクロ秒以上（例えば、約１μｓ以下〜約１０μｓ以上）のオーダの、比較的短期間、動作電圧−Ｖ₀が電極１３６（及びサファイア部品１００）にかけられる、パルス状ＤＣモードで動作してもよい。ＤＣパルスの間に、電極１３６によってサファイア部品１００にかけられた負の電荷パルス−Ｖ₀のゆえに、電子／イオンプラズマ１３１Ａ内の電子は、選択イオン注入面１０１から追い払われる。

同時に、選択イオン１３１はサファイア部品１００に向かって加速され、上述されたように、注入エネルギー、電荷、及び散乱断面積に基づき、選択イオン注入面１０１の下方の所望の目標深さ又は範囲において注入される。代替的に、１〜１０μｓを相当に超える、例えば、数ミリ秒のオーダ、又は数秒以上のオーダの注入時間にわたって、実質的に一定のＤＣ電圧が印加されてもよい。注入時間は、例えば、所望のイオン表面密度及び目標深さ、並びに選択イオン注入面１０１の直近における、サファイア部品１００の、結果として生じる圧縮応力、色、透明度及び不透明度と比較したときの、イオン選択、プラズマ密度、電荷数、及びその他のパラメータに依存して決定されてもよい。

いくつかの設計では、真空チャンバエンドステーション１１２はまた、例えば、固定具１３５を利用した伝導経路を介して、又は伝導、放射、及び対流の組み合わせを介してサファイア部品１００を真空チャンバ１１２の内部と一緒に加熱することによって、サファイア部品１００を加熱するように構成される加熱器１３８又はその他のデバイスを含んでもよい。これらの設計では、サファイア部品１００は、選択イオン１３１が、サファイア部品１００の選択面１０１の下方の、目標深さよりも大きな深さまで拡散するように十分な拡散温度まで加熱されてもよい。

加熱は真空チャンバ１１２内で低圧で実施されるか、又はより高い圧力における不活性雰囲気内で実施されてもよい。例えば、サファイア部品１００は、選択イオン１３１が、サファイア部品１００の選択イオン注入面１０１の下方の、目標深さよりも大きな深さまで拡散するように、例えば、数分又は数時間の拡散期間の間、約５００℃〜約１８００℃の拡散温度まで加熱されてもよい。一般的に、拡散されたイオンは、上述されたように、サファイア部品１００の選択イオン注入面１０１内に圧縮応力を発生させるために十分な拡散濃度を維持することになる。

選択イオン１３１をより大きな深さへ拡散させるためにサファイア部品１００を加熱する前、若しくはその後のいずれか、又は加熱プロセスの最中に、追加のイオン１３１が選択面１０１内に更に埋め込まれてもよい。例えば、追加のイオン１３１は、（例えば、同じ注入エネルギー若しくはパルス電圧Ｖ₀を用いて）元の目標深さにおいて、又は（例えば、異なる注入エネルギー若しくはパルス電圧Ｖ₀を用いて）別の目標深さにおいて埋め込まれてもよい。同様に、追加のイオン１３１は、サファイア部品１００を拡散温度まで加熱する前に選択面１０１内に埋め込まれるか、又は注入されたとおりの、元のイオン１３１と同じ元素から生成されてもよい。代替的に、プラズマイオン源１２１は、サファイア部品１００を拡散温度まで加熱する前、その最中、又はその後に、選択面１０１内に埋め込むために、異なる元素から選択イオン１３１を生成するように構成されてもよい。

また、電源１３７は、電極１３６にわたる勾配を有する動作電圧Ｖ₀を生成するように構成されてもよく、それにより、電圧勾配に沿って、注入エネルギーの対応する勾配に基づいて定まるとおりの異なる深さ又は濃度において、選択イオン１３１がサファイア部品１００の選択面１０１内に埋め込まれるようにする。例えば、電極１３６は、図２Ｂに示されるように、サファイア部品１００の選択面１０１にわたる所望の電圧勾配を発生し、かくして、注入イオン１３１の注入深さ又は密度の対応する勾配を発生するために、異なる電極区分に異なる電圧が印加される、区分化された形態で提供されてもよい。

追加の例では、サファイア部品１００は、例えば、電極１３６をマスキング構造として利用すること、又は異なるマスキング材料を用いることによって、マスクされてもよい。これらの適用では、選択面１０１は電子／イオンプラズマ２３１内のイオン１３１に曝露され、それに対して、サファイア部品１００の少なくとも１つの他の表面はマスクされ、それにより、イオン１３１は選択面１０１内に埋め込まれ、イオン１３１は、電極又はその他のマスキング元素１３６によって覆われている、サファイア部品１００の他の（マスクされた）表面内には埋め込まれない。

図３は、サファイア部品１００を支持するエンドステーション１１２の支持部材１４０を示す。支持部材１４０は全体として、サファイア部品を固定するためにサファイア部品１００を挟んで締め付ける２つの向かい合う構造体１４２を含んでもよい。サファイアの硬度のゆえに、向かい合う構造体１４２がサファイア部品１００を損傷することになる心配は一般的にほとんどない。しかし、いくつかの実施形態では、構造体１４２とサファイア部品１００との間の境界面において緩衝部材又は部材群が提供されてもよい。支持部材１４０は、サファイア部品１００の複数の面をイオンに曝露させることができるように、運動及び又は回転するように構成されてもよい。理解され得るとおり、また、複数又は多くのサファイア部品を支持する、複数又は多くの支持部材がエンドステーション内に存在してもよい。

図４〜図７は、例えば、図３における線ＩＶ−ＩＶに沿って見たとおりの、サファイア部品１００の部分断面図である。本図面は原寸に比例して描かれておらず、単に、本明細書に説明されている概念の例示となることを意図されていることを理解されたい。それゆえ、図面は、限定として、又は示されている要素のサイズ、寸法又は正確な関係の明示として読むべきではない。

図４はサファイア部品１００の格子結晶構造１５０を示す。上述されたように、本イオン注入プロセスでは、イオンは格子結晶構造１５０の格子間空間１５２内に注入されてもよい。代替的に、イオンはサファイア格子内の既存の原子を置換するか、若しくはサファイア格子内の空サイトを埋めてもよいか、又はイオンは、埋め込まれた領域の部分を本質的に実質的にアモルファス若しくは非晶質にするために埋め込まれてもよい。

例えば、イオンは、格子１５０内の１次格子層又はサイトまで貫通し、既存の（例えば、アルミニウム若しくは酸素）原子を変位させるか、又は１次格子１５０内の空のサイトを占有してもよく、それにより、注入イオンはサファイア部品１００の１次結晶構造内に配される。代替的に、イオンは格子間サイト１５２まで貫通してそれらを占有し、図５に示されるとおりの２次格子構造を形成してもよい。

図５は、サファイア部品１００内に、例えば、格子間空間１５２内に、注入されたイオン１５４を示す。格子間空間１５２内への（又は他の仕方でサファイア部品１００内に注入される）イオン１５４の注入は、サファイア部品１００の表面内の亀裂又は欠陥の伝搬の防止を助ける圧縮層をサファイア構造内に作り出してもよい。

例えば、注入イオン１５４は、図４に示されるとおりの格子間サイト１５２を占有し、図５に示されるように、部品１００の１次（例えば、サファイア）結晶格子内、又はその間に配される２次格子構造又は２次格子層を形成してもよい。代替的に、注入イオン１５４は、上述されたように、１次格子１５０内のサイトを占有してもよい。注入イオン１５４はまた、格子構造内に局所的崩壊を発生させ、サファイア部品１００の周囲の１次格子１５０の内部で、埋め込みイオン領域内にアモルファス（非晶質）材料の局所エリアを形成してもよい。注入イオンは、＋１価のイオン、＋２価のイオン、又は別のイオンレベルのものであってもよい。

図６は、圧縮層１６０、及び表面１０２内の亀裂１６２若しくは欠陥を示す。注入イオン１５４によって格子結晶構造に対して提供される圧縮は、亀裂１６２が拡大することを防止する。それゆえ、例えば、サファイア部品が硬い表面に衝突する結果をもたらす落下事象などの応力のせいで万一欠陥又は亀裂が発展する場合には、注入イオンは、サファイア部品の完全性の保存を助ける。

図７は、イオン注入を通じて作り出される圧縮層１６０を有するサファイア部品１００の上面１０２及び下面１０３の両方を示す。いくつかの実施形態では、上面１０２、及び／又は上面の一部分は、下面１０３と異なるイオン及び／又は異なる濃度のイオンを注入されてもよい。他の実施形態では、表面のうちの１つはイオンを注入されなくてもよいことを理解されたい。これは、表面のうちの１つはデバイスハウジングから外部に曝露されないことになっており、それゆえ、欠陥を誘起する衝撃及びその他の作用効果へのその曝露を抑制する場合に、当てはまってもよい。

注入イオンの濃度は一般的に約１０¹³〜約１０¹⁹イオン／ｃｍ²であってもよい。しかし、いくつかの実施形態では、濃度はその範囲よりも大きいか、又はそれよりも小さくてもよい。

図８は、サファイア部品における強度対イオン濃度を描くグラフ１７０を示す。具体的には、横軸は注入イオンの濃度を表し、縦軸はサファイア構造の強度を示す。曲線１７２によって示されるように、イオンが一定の濃度まで注入されるに従い、サファイア構造の強度は、濃度の閾値レベルを超えた後に低下を始めるまで、増大する。説明の目的のために、約１０¹³イオン／ｃｍ²の濃度は横軸上の第１の目盛１７４又はその付近にあってもよく、約１０¹⁹イオン／ｃｍ²の濃度は第２の目盛１７６又はその付近にあってもよい。一般的に、イオンの濃度は、増大した強度を提供するレベルにあるべきである。曲線１７２が示すように、過大な濃度はサファイアの強度を低下させ得る。

上述の説明の多くはサファイア部品１００の表面に関するが、サファイア部品の縁部１０４が同じくその内部にイオンを注入されてもよく、上述したことはサファイア部品１００の縁部１０４にも適用されることを理解されたい。具体的には、図３の支持部材１４０は、図９に示されるように、縁部がイオン流によって衝突を受けることを許す仕方でサファイア部品１００を保持するように構成されてもよい。縁部１０４は、上面及び／又は下面１０２、１０３と同じか又は異なるイオンを同じか又は異なる濃度で注入されてもよい。支持部材１４０は、サファイア部品１００の全ての縁部１０４がイオン注入に曝露され得るように回転するように構成されてもよい。加えて、支持部材１４０は、縁部形状に対応するために、異なる方向に動くように構成されてもよい。例えば、支持部材１４０は、イオンが、まっすぐな縁部若しくは面取りされた縁部、又はその他の縁部構造によりダイレクトに衝突し得るように傾転してもよい。

図１０はサファイア部材の面取りされた縁部１８０を示す。加えて、面取りされた縁部上の曲線１８２はイオン注入の相対濃度を示す。図示のように、イオンは縁部１８０の平坦な部分又はその付近では、そこはイオン流を最もダイレクトに受け得るため、より濃度が高くなってもよい。縁部１８０の斜めの部分はより低いイオン濃度を有してもよい。しかし、いくつかの実施形態では、濃度は縁部１８０の全ての部分にわたって一貫していてもよい。例えば、支持部材１４０が傾転することができる実施形態では、斜めの縁部はイオン流によってダイレクトに衝突を受けてもよく、イオン濃度は縁部１８０にわたって変化するか、又は縁部１８０にわたって実質的に一貫するか、若しくは実質的に同じになってもよい。

イオン注入の制限の１つは処理の深さであってもよい。一般的に、イオン注入は、注入面に対して定義されたときの、おおよそ１マイクロメートルの最大深さに制限されてもよい。それゆえ、加工不良又は取り扱い損傷のいずれかが、処理層よりも深く材料の表面を貫通する引っかき傷又は欠陥を生じさせ、その結果、亀裂伝搬の防止におけるその効果を制限しかねないというリスクがある。プロセスを改善するために、イオン注入は、各注入ステップの合間、又は１つ以上の連続した注入ステップの合間に高温加熱処理が達成されることによって、逐次的に達成することができるであろう。

これらの実施形態では、ｘの深さまで格子ひずみをもたらすであろう注入が達成されてもよい。材料を高温で処理することによって、拡散は、注入イオンが材料内へｘ＋ｙまでより深く拡散することを許し、その一方で、表面におけるイオン濃度を低下させる。次に、表面におけるイオン濃度レベルを再び上げるために、別の注入ステップを達成することができるであろう。これらのステップは、普通の単一の処理の同じレベルの表面応力を有するが、さもなければあり得たであろうよりも大きなイオン貫通深さを有する、最終的な処理層を生じさせるために、繰り返し達成されてもよい。

図１１は、イオンが加熱ステップを通じてより深い格子層内へ拡散する様子を示す。表面１０２を加熱するため、又はサファイア部品１００を加熱するための熱源１９０が提供されてもよい。サファイア部品が加熱されると、格子構造１５０は弛緩してもよく、イオン１５４は格子構造のより深い層内へ拡散してもよい。いくつかの実施形態では、エンドステーション１１２若しくは真空チャンバ（図２Ａ若しくは図２Ｂ）がオーブンとしての機能を果たしてもよいか、又は加熱ステップ及び注入ステップの間にサファイア部品１００が動かされないように、他の仕方で加熱されてもよい。他の実施形態では、サファイア部品の複数のバッチが互い違いに配列され、加熱ステップ及びイオン注入ステップを交互に繰り返してもよく、それにより、１つのバッチがエンドステーション１１２内にあるときには、別のバッチは、例えば、エンドステーション１１２の外部のオーブン内、又はエンドステーションオーブン１１２内で、加熱されてもよい。

拡散は、注入面の直近の、又はそれに隣接した、外層内のイオンの濃度を低下させ得る。それゆえ、図１２に示されるように、外層内のイオンを補充するために、後続のイオン注入ステップが利用されてもよい。注入ステップ及び加熱ステップの組み合わせを通じて、イオンは、表面の下方の層における欠陥伝搬の防止を助けるために、格子構造内へより深く注入されてもよい。

いくつかの実施形態では、複数の加熱器及び／又は複数のイオン注入システムが実装されてもよい。１つの実施形態では、所望の効果を達成するために、第１のイオン注入機が第１の元素のイオンを注入してもよく、第２のイオン注入機が第２の元素のイオンを注入してもよい。各イオン注入ステップの合間、又は２つを超える連続したイオン注入ステップの合間に、以前に注入されたイオンを拡散させるのを助けるために、加熱器が用いられてもよい。

図１３は、上面１０２の第１の区域２００は注入イオンによって（例えば、黒色又は所与の別の色に）着色され、第２の区域２０２は実質的に透き通ったまま、又は透明なまま残っている、イオン注入後の部品１００を示す。一般的に、第１の区域２００は上面１０２の周辺部分を含んでもよく、第２の区域２０２は上面の中心部分を含んでもよい。いくつかの実施形態では、異なる（例えば、透き通った、及び着色された）区域を作り出すために、イオン注入プロセスの間にマスクが用いられてもよい。

プロセスの観点から考えると、注入はあらゆる表面インク又はコーティングを損傷するか、又はそれらに影響を及ぼし得るため、イオン注入は、後処理アニールの後、及び装飾の前に実行されてもよく、欠陥を最小限に抑え、表面上で最も良好に行われることが期待できるであろう。図１４は、本開示の実施形態に係るサファイア部品の処理方法２１０である。

最初に、サファイア結晶を成長させる（ブロック２１２）。次に、サファイア部品を成形するために、サファイア結晶を切断してもよく（ブロック２１４）、次に、そのサファイア部品をアニールプロセスに通す（ブロック２１６）。次に、イオン注入のためにイオン流のイオンを用いてサファイア部品の１つ以上の表面を衝撃してもよい（ブロック２１８）。イオン注入の間に、イオンを所望の各表面内に適切に注入するために、サファイア部品の位置をイオン流に対して操作してもよい。加えて、他ではなく特定の領域内への注入のために選択される所望の濃度、及び／又は所望のイオンを達成するために、サファイア部品の特定の領域を１つ以上のイオン注入ステップの間にマスクしてもよい。次に、より深い格子層内へのイオンの拡散を生じさせるために、サファイア部品を加熱してもよい（ブロック２２０）。

加熱後に、イオンを用いてサファイア部品に再び衝撃を与えてもよい（ブロック２２２）。所望のイオン選択、注入深さ、濃度、色、及びその他の特性を達成するために、イオン注入、操作、マスキング、及び加熱／拡散ステップは、任意の順序、数又は組み合わせで繰り返されてもよい。

その後、インクマスク塗布などの後処理ステップを実行してもよい（ブロック２２４）。通例、圧縮応力及びその他の所望の特性を保存するために、イオン注入後の研磨ステップはおそらく存在しないであろう。代替的に、表面内へのイオン注入後に、軽研磨ステップ又はその他の注入後表面仕上げプロセスが適用されてもよい。

イオンをサファイア格子構造内に、格子間に、又は別様に注入するためのその他の技法が実装されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、サファイア部材はイオンスラリ又はペーストをコーティングされてもよく、選択イオンを選択面内に選択深さまで埋め込むために、スラリに電流が印加されてもよい。代替的に、上述されたように、プラズマ浸漬プロセスが、単独、又はイオンビーム堆積、イオンスラリ、及びその他のイオン堆積方法との任意の組み合わせのいずれかで、利用されてもよい。

図１５はイオンスラリプロセスを示す。具体的には、サファイア部材２３０の一方又は両方の（若しくは各々の）面１０２、１０３上にイオンペースト２３２のコーティングを有するサファイア部材２３０が示されている。イオンペースト２３２又はサファイア部材２３０に電気端子２３４（例えば、反対の電圧±Ｖ₀を有する単数、単体又は唯一の端子）が電気結合され、例えば、電流源又は電源２３８を用いて、端子２３４を通してイオンペーストに電流±Ｉ₀が印加される。

具体的には、端子２３４は、サファイア部材２３０の異なる（例えば、主要な向かい合う）面１０２、１０３上に反対の電荷又は電圧±Ｖ₀を印加してもよく、それにより、イオンが選択注入面（例えば、上面又は下面１０２又は１０３）を横切って流れるようにする。端子２３４の電荷又はバイアス電圧はイオンビーム及びプラズマ堆積プロセスの場合よりもいくらか低くてもよく、また、交番されてもよく、それにより、イオンペースト２３２内のイオンが、サファイア部品若しくは部材２３０の各面１０２及び１０３内、又はサファイア部材２３０の縁部内、あるいはサファイア部材２３０の面１０２、１０３及び縁部１０４の組み合わせ内へ注入されるようにする。すなわち、イオンペースト又はスラリ２３２内のイオンをサファイア部材２３０の選択面１０２、１０３及び／又は縁部１０４に注入するための交流電流（ＡＣ）又は直流電流（ＤＣ）バイアスを提供するために、陰極及び陽極は切り替えられてもよい（又は一方の接地端子２３４、及び電圧±Ｖ₀を有するもう一方の端子２３４が用いられてもよい）。

図１６は、矢印２３６の方向に（例えば、正の）イオン流動を生じさせるための端子２３４のバイアス印加を示す。任意の好適な電源２３８が、イオンペースト２３２に電流±Ｉ₀を印加するために用いられてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、イオンを注入するために、イオンペースト２３２に交流電流（ＡＣ）±Ｉ₀が印加されてもよい。他の実施形態では、イオンペースト２３２に直流電流（ＤＣ）±Ｉ₀が印加されてもよく、周期的に端子２３４の極性が切り替えられてもよい。更に他の実施形態では、１つ以上のスイッチトキャパシタが電源２３８内に含まれ、端子２３４にインパルス電荷を提供するために用いられてもよい。

一般的に、サファイア部材２３０内への拡散はサファイア部材から外への拡散よりも速くなり得、そのため、プロセスが完了すると、サファイア内へ注入されたイオンが、例えば、格子間に、又は結晶格子内への代入によって、存在する。代替的に、イオンは、結晶格子内において、空の格子サイズを占有するか、又は実質的にアモルファス構造の領域を形成してもよい。イオンペースト２３２は、少なくとも１つのイオン元素、並びに選択イオン元素のための好適な媒質（若しくは好適な媒質群）を含んでもよい。選択イオン又はイオン元素は、上述されたとおりの、磁気四重極レンズ及びプラズマ浸漬システムにおけるイオンのものと概ね同じか又は同様のサイズ及び化学的性質を有してもよい。

図１５及び図１６に示されるイオン注入システムはまた、イオンがサファイアの格子結晶構造内に更に拡散するのを助けるために、上述の加熱ステップとともに実装されてもよいことを理解されたい。いくつかの実施形態では、熱は、イオンペースト２３２がまだサファイア部材２３０の表面上にある間に加えられてもよい。その一方で、他の実施形態では、イオンペーストは加熱ステップの前に除去されてもよい。更に他の実施形態では、加熱ステップ及びイオン注入ステップが、サファイア部材を動かすことなく実行されてもよいように、イオン注入プロセスは、真空炉エンドステーション又は仕上げチャンバ１１２などの炉又はオーブン内で実施されてもよい。

いくつかの実施形態では、イオンの注入の深さは、注入エネルギー、イオンのサイズ、及びイオンが注入される結晶面の関数であってもよい。注入エネルギーは、イオンを注入するために用いられるシステム、機械及び方法の関数であってもよい。図２Ａ、図２Ｂ、図１５及び図１６に示されるものなどの、イオン注入デバイスは、イオンの注入の深さを部分的に決定する特定のエネルギーレベルで動作してもよい。例えば、注入デバイスは、第１の注入深さに相関してもよい、８０ｋｅＶで動作してもよく、それに対して、第２の注入デバイスは１６０ｋｅＶで動作し、第１の注入深さよりも深い第２の注入深さに相関してもよい。代替的に、また、イオン電荷が、特定の注入深さを目標にするために選択されてもよく、例えば、特定の種類の１価にイオン化した（＋１価の電荷）原子は、注入面に対して定義したときの、第１の目標深さまで貫通し、その特定の種類の２価若しくは複数価にイオン化した（＋２価の電荷又はそれよりも高い）原子は、第２のより小さな目標注入深さまで貫通する。

より一般的には、選択イオンを異なるイオン密度及び注入深さにおいて注入するために、限定するものではないが、イオン種（原子番号及び原子質量）、電荷（電離レベル）、注入エネルギー、及び入射角を含むパラメータに基づき、異なるイオンビーム、プラズマ、及びイオンスラリベースのイオン注入システム及び方法が、単独か、又は組み合わせるかのいずれかで、用いられてもよい。異なる注入深さ並びにイオン種及び密度は一般的に、結晶構造の異なる深さにおいて異なる圧縮又は引張応力を生み出し、イオン注入面に対して定義されたときの、構造内の異なるレベル又は深さにおける損傷の伝搬を防止する働きをするように選択されてもよい。

図１７を参照すると、イオン注入による結晶構造の異なる深さにおける圧縮応力を示す注入曲線２４０が示されている。横軸２４１は結晶構造内の深さを表し、縦軸２４３は（例えば、圧縮）応力を表す。例えば、第１の応力ピーク２４２が第１の深さに位置してもよく、第２の応力ピーク２４４が、第１の深さと異なる第２の深さに位置してもよい。それゆえ、選択イオン注入システム及び方法に基づき、結晶構造内の亀裂の伝搬を防止するために、１つ、２つ又はそれを超える別個の深さが、同じか又は異なる圧縮応力を受けてもよい。

それゆえ、イオンは、注入面に対して実質的に横断方向又は直交方向（垂直方向）の向きに定義されたときの、サファイア材料内の深さの関数としてイオン濃度が変化するように、濃度勾配を有するように注入されてもよい。代替的に、イオンは、例えば、図１に関して上述されたように、例えば、中心部分又は中心領域と比較して、周辺縁部に沿って異なる選択イオン濃度及び／又は注入深さを有するように、表面に沿って横方向にイオン濃度が変化するように、注入面にわたる濃度勾配を有するように注入されてもよい。

異なる応力ピーク及び深さは、よく起こる傷分布に基づいて選択されるか、又は目標にされてもよい。例えば、第１の応力ピークは、おおよそ、表面損傷がよく起こる深さに配されてもよい。例えば、第１のピーク２４２は、イオン注入面に対して、約２０ｎｍ以下の深さにおおよそ中心を有してもよい。第２のピーク２４４は、表面性のものよりも深い損傷を目標にする深さに、例えば、おおよそ２０ｎｍよりも大きい深さに、位置してもよい。

理解され得るとおり、異なる深さにおけるイオン注入は、１つ以上の注入機又は注入システムによって実行されてもよい。例えば、第１の注入機は、より低いエネルギーレベルで動作してもよい第２の注入機よりも深いレベルにおいてイオンを注入するエネルギーレベルで動作してもよい。又は、その逆も可である。例えば、第１の注入機はおおよそ１６０ｋｅＶで動作してもよく、第２の注入機はおおよそ８０ｋｅＶで動作してもよい。上述されたように、異なるイオンビーム、プラズマ浸漬、及びイオンスラリ注入システム及び方法が同様に利用されてもよい。

更に、いくつかの実施形態では、単一の注入機が、所望の注入分布を達成するために、複数の異なるエネルギーレベルで、又は異なる方法を用いて動作するように構成されてもよい。注入機のエネルギーレベルはまた、後続のイオン注入ステップにおいて、異なる動作エネルギーレベルの間で切り替わるように構成されてもよい。更に、注入機は、それが異なるエネルギーレベルの間で移行する際に、イオンを継続的に注入するように構成されてもよい。それゆえ、イオンは、結晶構造内の１つ以上の実質的に別個のレベル又は深さ内に、若しくはこれらのレベル又は深さにおいて注入されるか、又は全体的に別個ではないレベルにおいて、例えば、結晶構造内の深さの実質的に連続した範囲内において、注入されてもよい。

図１８は、分布平滑化を有する注入曲線２４０を示す。具体的には、イオンは２つのピーク２４２及び２４４の中間の深さ２４６において注入されてもよい。平滑化は、目標にされた深さの合間の構造の層の強化に役立ち得る。分布平滑化は、注入機が、異なる目標エネルギーレベル間で移行する際における、注入機の継続注入の結果として生じてもよい。加えて、又は代替的に、分布平滑化は、例えば、拡散加熱ステップ又はアニールステップの間における、イオンの拡散に起因して生じてもよい。更に、平滑化は、異なるエネルギーレベルを用いた２つを超える別個の注入ステップのためのイオン注入深さの重なりの結果として生じてもよい。すなわち、注入の各ステップは、正確な目標深さにおいて注入しないイオンを含んでもよく、それにより、異なる目標深さのために意図されたイオン注入と重なり得る注入曲線を生じさせる。

図１９は、曲線平滑化の結果生じる正味応力曲線を表してもよい注入曲線２４８を示す。図示のように、注入曲線２４８は、目標深さを表してもよい、２つのピークにおいて増大した圧縮応力を含む。しかし、表面（例えば、横軸上の原点）から、２つのピークのうちのより深い方を越えた所（例えば、第２の目標深さを越えた所）まで延びる圧縮応力が存在する。

正味応力曲線は、構造のための所望の強度特性に基づいて個別調整されてもよいことを理解されたい。すなわち、特定の目標深さは、特定の種類の損傷に対する所望の防護を提供するための増大した圧縮応力のために選択されてもよい。加えて、２つよりも多いか又は少ない深さがイオン注入のための目標にされてもよいことを理解されたい。更に、深さは、注入の深さを制御するために、注入エネルギーではなく、異なるイオン又は元素を用いること、又はエネルギーレベル、注入方法、及び／若しくはイオン／元素選択の何らかの組み合わせを用いることに基づいて変更されてもよい。更に、注入イオン密度は異なる深さレベルにおいて変化してもよい。それゆえ、第１の深さは、第１の濃度を有する第１のイオンを含んでもよく、第２の深さは、第１の深さにおける第１のイオンの濃度と異なるか又は同じである第２の濃度を有する第２のイオンを含んでもよい。

なお更に、いくつかの実施形態では、所望の効果を達成するための特定の深さレベルにおけるイオンの何らかの組み合わせが存在してもよい。例えば、チタンイオン及びアルゴンイオンが同じか又はおおよそ同じレベルにおいて注入されてもよい。所望の効果は、注入イオンによる所望の着色及び／又は強化を含んでもよい。いくつかの実施形態では、特定の深さレベルは強化のために選択されてもよく、別のレベルは、特定の着色を与えるために目標にされてもよい。

いくつかの実施形態では、イオン注入の深さレベルは、結晶構造のどの表面が注入されているのかに基づいて変化してもよい。例えば、構造の上面は、構造の側壁のものと異なるイオン注入深さを有してもよい。加えて、上面は、下面又は側壁面のものと異なるイオン注入深さ、及び／又は異なるイオン濃度などを有してもよい。また、構造の異なる表面内に、異なるイオン／元素又はそれらの組み合わせが注入されてもよい。

場合によっては、結晶構造内へのイオンの衝撃（又はその他のイオン注入プロセス）は、構造を構成する原子の変位を生じさせてもよい。すなわち、イオンが、例えば、構造を強化するか、又は色を加えるかのどちらかのために、構造内に注入されると、アルミニウム又は酸素原子は結晶格子から変位されてもよい。変位は一般的に構造の表面層においてより多く見られてもよいと考えられている。場合によっては、アルミニウム又は酸素原子のどちらかはまた、他方の原子に対してより高い変位割合を有してもよい。例えば、酸素はアルミニウムよりも多く変位されてもよい。

理解され得るとおり、変位は構造の化学組成を変化させてもよい。構造の完全性を保存するために、酸素及び／又はアルミニウム原子が、変位原子を置換するべく提供されてもよい。例えば、酸素原子が、アルミニウムよりも高い割合で変位される場合には、酸素原子又はイオンが構造の表面上に衝撃されてもよい。いくつかの実施形態では、酸素及びアルミニウムの両方（又はその他の選択原子若しくはイオン）が、同じか若しくは異なる原子衝撃若しくは注入ステップ内で、例えば、上述されたように、イオンビームプロセスを用いるか、又はプラズマ浸漬若しくはイオンスラリプロセス、又はこのようなプロセスの組み合わせを利用して、あるいは別の原子若しくはイオン衝撃プロセスを用いて、表面上に衝撃されてもよい。

図２０は、原子衝撃ステップを含むプロセス２５０の一例を示すフローチャートである。最初に、上述された技法に従ってドーピングイオンを注入してもよい（ブロック２５２）。イオンが構造の異なる層内へ拡散するのを助けるために、加熱拡散ステップを実行してもよい（ブロック２５４）。次に、第２のイオン注入ステップ（又は追加の注入ステップ）を実行してもよい（ブロック２５６）。第２のイオン注入ステップは、異なる注入エネルギーを用いるか、異なる濃度レベル、異なるイオンを用いるか、若しくは異なる温度で実行するか、又は第１の注入と同じ動作パラメータを用いて実行してもよい。

イオン注入ステップの後に、アルミニウム及び／又は酸素原子を用いて表面を衝撃してもよい（ブロック２５８）。このステップは、注入ステップのものからより高いか又はより低い温度で実行してもよい。加えて、１つ以上のアニールステップ２６０を実行してもよい（ブロック２６０）。アニールステップは結晶構造の復元（例えば、アルミニウム原子の、酸素原子に対する適正な、又は所望の関係／比の達成）を助けてもよい。

本明細書において説明されている種々の技法は数多くの異なる適用を有する。具体的には、消費者電子デバイスにおいては、限定するものではないが、デバイスカバーガラス、窓、及びデバイス内のその他の構造に関連する適用、及びそれらを含む適用が存在してもよい。１つのこのような例示的な用途は、カメラ窓若しくはカバーガラス構成要素、又はその選択面若しくは部分のためのものである。

図２１はカメラ窓２８０を示す。１つの両側（又はそれを包囲して）カメラ窓は、ストロボ要素２８４（例えば、フラッシュ）、及び／又はハウジング内にカメラ窓及びバックプレート２８６に対して位置付けられてもよいディスプレイなどの、その他の光源からのクロストークを防止するために提供される、縁取り要素２８２がある。図２２を参照すると、本技法によれば、サファイア窓２９０はカメラ窓を置換するか、又はそのために利用されてもよく、その縁部２９２は、ストロボ２８４及びその他の光源からのクロストークを効果的に防止するために、例えば、１つ以上の縁部２９２を実質的に不透明にするために十分な密度の選択イオンを用いたイオン注入によって、着色されてもよい。それゆえ、（例えば、分離した、又は別個の）縁取り要素２８２は排除されてもよい。これは、低減されたｚ−積み重ね寸法（例えば、場合により、より薄いデバイス）、及びより高強度の窓などの、いくつかの利点をカメラのために提供し得る。

サファイア窓構成要素の処理において、上面及び下面はまた、イオン注入面を有しない構成要素と比較して、上面及び下面が窓の光学的諸特性にほとんど又は実質的に全く影響を与えないように、縁部に対して異なるイオン及び／又は濃度を用いて注入されてもよい。すなわち、縁部は、実質的に不透明になるか、又は光の通過を防止するためにイオンを注入されてもよいのに対して、上面及び下面は、サファイア材料の透明度を実質的に維持することになる濃度でイオンを注入されてもよい。

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、本開示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。例えば、処理ステップは、別の順序で、又は異なる組み合わせで実行されてもよい。更に、異なるイオン注入ステップは、異なる電荷（例えば、１価の電荷を持つイオン及び２価の電荷を持つイオン）、並びに異なる注入方法及びエネルギーレベルを含んでもよい。それゆえ、注入深さは、複数の異なるパラメータ及びそれらの組み合わせに基づいて選択されてもよい。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、本開示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。

上述のことは単に本発明の原理を示しているにすぎない。本明細書における教示に鑑みれば、上述の実施形態に対する種々の変更及び改変が当業者には明らかであろう。それゆえ、当業者であれば、本明細書に明示的に示されていないか、又は記載されていなくても、本開示の原理を取り入れ、それゆえ、本発明の趣旨及び範囲内にある、数多くのシステム、機構及び方法を考案することができるであろうことを理解されたい。以上の説明及び図面から、図示され、説明されている特定の実施形態は単に例示の目的のためのものにすぎず、特定の実施形態の詳細への言及は、添付の請求項によって定義されるとおりの、本発明の範囲を限定することを意図されていないことが当業者によって理解されるであろう。

Claims (22)

1. サファイアシートの表面をイオン注入デバイスに対して配向させる工程と、
   イオンの第１のグループを前記サファイアシートの外周領域に向けて誘導する工程であって、前記イオンの第１のグループは第１の濃度で前記外周領域の第１の表面の下に埋まり込み、前記第１の表面に沿って第１の圧縮応力を生み出す、誘導する工程と、
   イオンの第２のグループを前記外周領域によって囲まれている前記サファイアシートの窓領域に向けて誘導する工程であって、前記イオンの第２のグループは第２の濃度で前記窓領域の第２の表面の下に埋まり込み、前記第２の表面に沿って第２の圧縮応力を生み出す、誘導する工程と、
   を含み、
   前記サファイアシートの表面に沿って横方向に変化するイオン濃度を有する濃度勾配が前記外周領域と窓領域との間において形成されることを特徴とする、方法。
2. 前記イオンの第１のグループが、１０¹³〜１０¹⁹イオン／ｃｍ²のイオン濃度を達成するために、前記外周領域の表面に向けて誘導されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記外周領域は前記サファイアシートの外周全体を囲んで形成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記表面は第１の表面であり、
   前記方法は更に、
   前記イオン注入デバイスに対して前記サファイアシートを再配向させる工程と、
   イオンの第３のグループを前記第１の表面の反対面である前記サファイアシートの第２の表面に向けて誘導する工程であって、前記イオンの第３のグループは前記第２の表面の下に埋まり込み、前記第２の表面内に第３の圧縮応力を生み出す、誘導する工程と、
   を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記イオンの第３のグループは、前記第１及び第２の濃度と異なる第３の濃度で前記第２の表面の下に埋まり込んでいることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記イオンの第１、第２及び第３のグループは、窒素イオン、アルゴンイオン、チタンイオン、又は鉄イオンのうちの１つ以上を含むように各々選択されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
7. 前記イオンの第１のグループが＋１価のイオンを含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記イオンの第１のグループが＋２価のイオンを含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
9. 前記イオンの第１のグループが前記サファイアシートの１次格子層まで貫通し、その内部に埋め込まれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
10. 前記イオンの第１のグループが前記サファイアシートの第２の格子層まで貫通し、その内部に埋め込まれ、前記第２の格子層は前記１次格子層の格子間サイトにおいて形成されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記サファイアシートの表面の一部分をマスクする工程であって、それにより、前記サファイアシートの表面の前記マスクされた部分内のイオン注入を妨げる、マスクする工程を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
12. 電子デバイスのためのサファイアカバーを形成する工程と、
    第１の選択イオンを第１のイオン濃度で前記サファイアカバーの選択面の第１の区域内に埋め込む工程であって、前記第１の選択イオンは、前記第１の区域の前記選択面の下方の第１の目標深さにおいて埋め込まれる、埋め込む工程と、
    第２の選択イオンを第２のイオン濃度で前記第１の区域を囲む前記サファイアカバーの前記選択面の第２の区域内に埋め込む工程であって、前記第２の選択イオンは、前記第２の区域の前記選択面の下方の第２の目標深さにおいて埋め込まれる、埋め込む工程と、
    前記サファイアカバーを、
    前記第１の選択イオンが、前記サファイアカバーの前記選択面の下方の前記第１の目標深さよりも大きな深さまで、その内部に第１の圧縮応力を発生させるために十分に拡散し、
    前記第２の選択イオンが、前記サファイアカバーの前記選択面の下方の前記第２の目標深さよりも大きな深さまで、その内部に第２の圧縮応力を発生させるために十分に拡散する
    ように、十分な温度まで加熱する工程と、
    を含み、
    前記サファイアカバーの前記選択面に沿って横方向に変化するイオン濃度を有する濃度勾配が前記第１の区域と第２の区域との間において形成される、ことを特徴とする方法。
13. 前記サファイアカバーを、前記選択面が曝露されるように、前記第１の選択イオンを含むプラズマ内に浸漬する工程と、
    前記第１の選択イオンが前記選択面の下方の前記第１の目標深さにおいて前記サファイアカバー内に埋め込まれるように、前記サファイアカバーに電圧を印加する工程と、
    を更に含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１及び第２の選択イオンをより大きな深さまで拡散させるために前記サファイアカバーを加熱した後に前記選択面内に追加のイオンを埋め込む工程を更に含むことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 前記追加のイオンが、前記サファイアカバーを加熱する前に埋め込まれた前記第１及び第２の選択イオンのものと異なる目標深さにおいて埋め込まれることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 前記追加のイオンが、前記サファイアカバーを加熱する前に埋め込まれた前記第１及び第２の選択イオンのものと異なる元素から発生されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
17. 前記サファイアカバーを、前記選択面が前記第１の選択イオンに曝露されるようにマスクする工程であって、前記サファイアカバーの他の表面は、前記第１の選択イオンがその内部に埋め込まれないようにマスクされる、マスクする工程を更に含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
18. 請求項１２に記載の方法を実行するための装置であって、前記装置は、
    前記第１の選択イオンを含むプラズマを発生するように構成されるプラズマ源と、
    前記サファイアカバーを、前記選択面が前記第１の選択イオンに曝露されるように、前記プラズマ内に浸漬するための真空チャンバと、
    前記サファイアカバーと、それに電圧を印加するために電荷をやり取りする電極と、
    前記第１の選択イオンが前記選択面の下方の前記第１の目標深さにおいて前記サファイアカバー内に埋め込まれるように、前記電極上の前記電圧を発生するための電源と、
    を備えることを特徴とする、請求項１２に記載の方法を実行するための装置。
19. 前記電源が、前記電極にわたる勾配を有する前記電圧を発生するように構成され、それにより、前記イオンは前記サファイアカバーの前記選択面内に、前記勾配に沿って異なる深さにおいて、又は異なる濃度で埋め込まれることを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
20. 前記真空チャンバが、前記第１の選択イオンをその内部のより大きな深さまで拡散させるために前記サファイアカバーを加熱するための真空炉を含むことを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
21. 前記第１の選択イオンのビームを前記サファイアカバーの前記選択面上に誘導する工程と、
    前記第１の選択イオンが、前記選択面の下方の前記第１の目標深さにおいて前記サファイアカバー内に埋め込まれるように、前記ビームのためのエネルギーを選択する工程と、 を更に含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
22. 前記第１の選択イオンを含むイオンペーストを前記サファイアカバーに塗布する工程と、
    前記イオンペーストに端子群を電気結合する工程であって、前記サファイアカバーの前記選択面上の前記イオンペーストに端子が結合される、電気結合する工程と、
    前記第１の選択イオンが前記選択面の下方の前記第１の目標深さにおいて前記サファイアカバー内に埋め込まれるように、前記端子に電流を供給する工程と、
    を更に含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。

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