JP6626008B2 - サファイア材料表面の反射色を変える処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、一価及び／又は多価ガスイオンビームによる照射を含むサファイア材料表面の反射色を変える処理方法に関する。

本発明は、前記処理方法によって処理された少なくとも１つの表面を含む合成サファイア材料でできた部品にも関する。

本発明によれば、「サファイア材料」は、コランダム、すなわち酸化アルミニウム（α−Ａｌ_２Ｏ_３）から実質的になる材料である。サファイア材料は、コランダムにそれぞれ青、黄、紫、オレンジ又は緑色を与えることができる鉄、チタン、クロム、銅、マグネシウムなどの微量の元素を含むことができる。コランダム中のクロム不純物は、ピンク又は赤の色合いを与え、後者は、通常、「ルビー」と呼ばれる。ルビーは、本発明の用語ではサファイア材料の一部である。色は、不純物の存在に起因するコランダムバンドギャップ内のエネルギー準位の出現に起因する。これらのレベルは、材料の発光及び吸収スペクトルを変え、したがってその色を変える。他の微量元素もサファイア材料の一部であり得る。

サファイア材料は、少なくとも９８重量％の酸化アルミニウム、例えば、少なくとも９９重量％の酸化アルミニウム、例えば、少なくとも９９．９重量％の酸化アルミニウムを含む。

サファイア材料は、１個又は複数のコランダム単結晶（単数又は複数）でできていてもよく、したがって多結晶とすることができ、本発明の一実施形態によれば、サファイア材料は、１個のコランダム単結晶部品である。

サファイア材料は天然でも合成でもよく、一実施形態によれば、本発明のサファイア材料は、合成サファイア材料である。

１９世紀初頭から、合成サファイア（及び合成ルビー）を実験室で製造する方法が知られており、その化学組成及び物性は天然宝石と同じである。少なくとも最古の製造では、これらの合成宝石を一般に曲線状のその結晶線によって検出することができる。

合成サファイア材料製造は、現在、産業段階にある。合成サファイア材料は、例えば、Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉプロセスによって、又はＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉプロセスから誘導される方法（例えば、Ｋｙｒｏｐｏｌｉｓ法、Ｂａｇｄａｓａｒｏｖ法、Ｓｔｅｐａｎｏｖ法、Ｅｄｇｅ ｄｅｆｉｎｅｄ Ｆｉｌｍ ｆｅｄ Ｇｒｏｗｔｈ（ＥＦＧ）プロセス）によって製造することができる。合成サファイア材料は、不活性雰囲気で（熱間静水圧プレスなどによって）焼結及び融合された凝集酸化アルミニウムから製造することもでき、透明であるが、わずかに多孔質の多結晶生成物を生成する。

サファイア材料は、「ブルーガラス」又は「サファイアガラス」としても知られるが、それ自体はガラスではなく、結晶性材料である。

物理用語では、合成サファイア材料は、コランダム系に属する極めて硬い結晶性材料（モース尺度で硬度９）であり、１．７６の極めて高い屈折率を有する。

サファイアは熱処理され得る。明るすぎる、暗すぎる、又は包有物の多い宝石は、熱処理され得る。このプロセスは、宝石中に痕跡として存在する元素を溶解しながら、色及び透明性を増大させることができる。

その高い耐引っかき傷性のために、合成サファイア材料は、スクリーン、例えば、腕時計ガラス、窓、タッチスクリーン、照明装置部品、発光装置（ＬＥＤ：ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）部品、例えば装置レンズ、カメラレンズなどの光学部品などの広範囲の用途に使用される。スマートフォンの分野において合成サファイア材料を使用することは、例えば、特に関連があり得る。

一般に入手可能なサファイア材料は、ほぼ無色であり、色度が実質的に中性である。

それでも、多数の用途に有用であり得る着色サファイア材料が必要である。

例えば、宝石類は、サファイア材料の機械的性質を利用することができ、デザイン又は美的要求に応じて調節又は選択することができる広範囲な色の前記材料を得ることが望ましい。

別の一例として、照明産業も、着色フィルタを製造するための着色サファイア材料を必要とし得る。

別の一例として、スクリーン産業も、着色スクリーンを製造するための着色サファイア材料を必要とし得る。

本発明の目的は、新たな道を開くサファイア材料の反射色を変える方法を提供することであり、好ましくは、前記方法は、高価でなく、又は安価でありながら、表面を処理して多数の用途の要求を満たすのに適切である。

そのために、本発明の一目的は、サファイア材料においてイオン注入層を生成するように、一価及び／又は多価ガスイオンビームによる照射を含むサファイア材料表面の反射色を変える処理方法であり、
−加速電圧が５ｋＶから１０００ｋＶの範囲で選択され、
−各イオンビームの単位表面積当たりの注入一価及び／又は多価ガスイオンの線量が、１０^１２イオン／ｃｍ^２から１０^１８イオン／ｃｍ^２の範囲で選択され、
−注入一価及び／又は多価ガスイオンの線量並びに加速電圧が、さらに、未処理サファイア材料表面とは異なる反射色の処理サファイア材料表面が得られるように選択され、
−一価及び／又は多価ガスイオンのイオンが、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、ケイ素（Ｓｉ）、リン（Ｐ）及び硫黄（Ｓ）からなるリストからの元素のイオンから選択される。

前記処理方法によって、サファイア材料の反射色を変えることができる。

前記処理方法によって、サファイア材料表面を処理して、多数の用途の要求を満たすことができる。これらの用途としては、タッチスクリーン、窓、腕時計ガラス、発光装置（ＬＥＤ）部品、照明装置部品、例えば装置レンズなどの光学部品を挙げることができる。

サファイア材料の新しい用途を本発明の処理方法によって開拓することもできる。

さらに、本発明の処理方法を費用効果の高い装置のゆえに実施することもできる。それを高い生産性レベルが得られるように実施することもできる。

したがって、本発明は、サファイア材料の処理及び使用に新たな道を開くものである。

一実施形態によれば、本発明の処理方法によって得られた着色サファイア材料は、防眩性も有する。

合成サファイア材料表面が入射光の約１５．５％を反射することは周知である。こうした高い光反射は、サファイア材料窓の後ろにある情報を読みたいときに欠点となり得る。それは、実際に、例えば、時計又はコンピュータ若しくは携帯電話のフラットスクリーンの読解力を低下させ得る。

合成サファイア材料表面のこの光反射は、入射角９０°、以下の反射係数（Ｒ）及び透過係数（Ｔ）で界面を通過する光線に対するフレネルの式によってより一般的に説明される。
Ｒ＝（（ｎＳ−ｎＭ）／（ｎＳ＋ｎＭ））^２、
Ｔ＝４．ｎＭ．ｎＳ／（ｎＳ＋ｎＭ）^２。

反射係数（Ｒ）は、通常、「パワー反射係数（ｐｏｗｅｒ ｒｅｆｌｅｘｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）」又は「反射率」とも呼ばれる。

透過係数（Ｔ）は、通常、「パワー透過係数（ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）」又は「透過率」とも呼ばれる。

本明細書全体を通して式における記号「．」は、２つのパラメータの間に含まれるときには乗法記号を意味する。記号「×」を乗法記号を示すのに使用することもできる。

ｎＳ及びｎＭは、それぞれサファイア材料、及びサファイア材料に隣接し、界面によってそれから分離されている媒体の可視光範囲（４００から８００ｎｍを含む波長値）における屈折率である。

なお、Ｒ＋Ｔ＝１である（エネルギー保存）。

一例として、空気／サファイア材料構成のＲ及びＴを計算することができる。ここで、空気の場合はｎＭ＝１であり（ｎＭ＝ｎＡ、空気の屈折率）、合成サファイア材料の一例ではｎＳ＝１．７６であり、上記式は以下の結果を与える。
Ｒ＝０．０７５８及びＴ＝１−Ｒ＝０．９２４２

したがって、前記サファイア材料と空気の屈折率差のために、光の７．６％が反射され、光の９２．４％が透過する。この光反射レベルは、高いと考えられる場合もあり、幾つかの用途では欠点となり得る。

この欠点は、２つの空気層で囲まれ、したがって２つの空気／サファイア材料界面を有するサファイア材料を考えるときにはより一層重要である。２面からなるこうした合成サファイア材料片の場合、反射損は２倍、すなわち２×７．６％＝１５．２％になる。この高反射の結果、サファイア材料スクリーン又は腕時計ガラスの下にあるデータが読みづらくなる。

本発明の処理方法によって、サファイア材料の防眩処理を行うこともでき、こうした防眩処理は、優れた透過結果、すなわち可視域をもたらし得る。実施形態によれば、これまで到達しなかった透過結果を得ることができる。実施形態によれば、可視域における入射波の反射を、未処理サファイア材料上の例えば入射波波長５６０ｎｍなどの可視域における入射波の反射に比べて、少なくとも１／３だけ、例えば、１／２だけ低減することができる。

本発明の種々の実施形態によれば、以下のすべての技術的価値のある実施形態を組み合わせることができる。
・一価及び／又は多価ガスイオンのイオンが、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、窒素（Ｎ）及び酸素（Ｏ）からなるリスト、例えば、窒素（Ｎ）及び酸素（Ｏ）からなるリストからの元素のイオンから選択され、例えば、一価及び／又は多価ガスイオンのイオンが酸素（Ｏ）のイオンである。
・一価及び／又は多価ガスイオンビームによる照射用イオンが電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）源によって生成される。
・ガスビームのイオンが一価及び多価であり、１０％の多価イオン又は１０％を超える多価イオンを含む。
・加速電圧が１０ｋＶから１００ｋＶの範囲で選択される。
・単位表面積当たりの注入一価及び／又は多価ガスイオンの線量が、１０^１６イオン／ｃｍ^２から１０^１８イオン／ｃｍ^２の範囲で選択される、例えば、２．１０^１６イオン／ｃｍ^２から２．１０^１７イオン／ｃｍ^２の範囲で選択される。
・単位表面積当たりの注入一価及び／又は多価ガスイオンの線量が、５％以上２０％以下の注入イオンの原子濃度が得られるように選択される。
・サファイア材料が一価及び／又は多価ガスイオンビームに対して０．１ｍｍ／ｓから１０００ｍｍ／ｓの速度Ｖ_Ｄで移動可能であり、一実施形態によれば、サファイア材料の同じ領域が、一価及び／又は多価ガスイオンビームの下で複数ＮＰの経路に沿って速度Ｖ_Ｄで移動する。
・処理が、サファイア材料においてイオン注入層を生成するように複数の一価及び／又は多価ガスイオンビームによるサファイア材料表面の照射を含み、イオンビームの加速電圧及び／又は元素がガスイオンビームごとに異なる。
・方法が、サファイア材料において第１のサファイア材料表面にイオン注入層を生成し、第２のサファイア材料表面にイオン注入層を生成するように、各々１つ又は複数の一価及び／又は多価ガスイオンビーム（単数又は複数）による第１及び第２のサファイア材料表面の照射を含み、第１と第２のサファイア材料表面が透明媒体によって分離された実質的に平行な表面であり、第２のサファイア材料表面の処理のためのイオンビームの加速電圧及び／又は元素が、第１のサファイア材料表面の処理のためのイオンビーム（単数又は複数）の加速電圧（単数又は複数）及び／又は元素とはそれぞれ異なる。
・異なるガスイオンビームが使用され、異なるガスイオンビームのイオンが同じ元素のイオンであり、イオンビームの加速電圧がガスイオンビームごとに異なり、一実施形態によれば、イオンビームの加速電圧が５から５０ｋＶを含む値、例えば、１０から２０ｋＶを含む値とは異なる。
・加速電圧並びに注入一価及び／又は多価ガスイオンの線量が、更に、追加の選択則に従って選択され、例えば、
〇追加の選択則が、処理されるサファイア材料の一価及び／又は多価ガスイオンビームによる照射前のステップにおいて収集されたデータの使用を含むことができ、
−前記ステップが、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、ケイ素（Ｓｉ）、リン（Ｐ）及び硫黄（Ｓ）からなるリストからの元素の一価及び／又は多価イオンのうち１タイプを選択するステップと、照射される前記イオンを用いることによって、処理されるものと類似したサファイア材料を用いて複数の実験を実施するステップと、サファイア材料表面の変更された反射色を得るのに適切なイオン注入層を生成するように所望の単位表面積当たりの注入一価及び／又は多価ガスイオン線量範囲並びに加速電圧範囲を決定するまで、単位表面積当たりの注入一価及び／又は多価ガスイオン線量並びに加速電圧を変化させるステップとからなり、
−単位表面積当たりの一価及び／又は多価ガスイオン線量並びに加速電圧値を前記先行ステップの範囲内で選択し、処理される前記サファイア材料を前記イオン前記値で処理するステップ、
〇一価及び／又は多価イオンビームの元素、加速電圧並びに単位表面積当たりのイオン線量に応じたサファイア表面の色変化の指針を与えるように、複数の実験から得られたデータが収集され、処理され、
〇一価及び／又は多価イオンビームの元素、単位表面積当たりの一価及び／又は多価ガスイオン線量、並びに加速電圧値の選択が、サファイア材料表面の反射色の色標的の要件を満たすように成される。

本発明は、先行の請求項のいずれか一項に記載の方法によって処理された少なくとも１つの表面を含む合成サファイア材料でできた部品であって、処理表面の反射色の主波長λ_ＤＴが、未処理サファイア材料表面の反射色の主波長λ_ＤＵから少なくとも＋５０ｎｍ又は少なくとも−５０ｎｍシフトした、例えば少なくとも＋１００ｎｍ又は少なくとも−１００ｎｍシフトした、部品も対象とする。

本発明は、例えばタッチスクリーンなどのスクリーン、窓、腕時計ガラス、発光装置（ＬＥＤ）部品などの照明装置部品、例えば装置レンズなどの光学部品からなるリストから選択された合成サファイア材料でできた固体部品を処理するための、前述の方法の任意の実施形態に係る処理方法の使用も対象とする。

本発明は、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、ケイ素（Ｓｉ）、リン（Ｐ）及び硫黄（Ｓ）からなるリストからの元素の注入イオンを有する少なくとも１つの表面を含む着色合成サファイア材料も対象とする。前記表面の可視域における入射波の反射は、波長５６０ｎｍで測定して、２％以下、例えば、１％以下である。

可視域における防眩性も要求されるときには、以下の実施形態を実施することができる。
・電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）源によって生成された一価又は多価ガスイオンビームによる照射、ここで、
−単位表面積当たりの注入一価及び多価ガスイオンの線量は、注入層の屈折率ｎが（ｎＡ．ｎＳ）^１／２にほぼ等しいようなガスイオンの原子濃度が得られるように１０^１２イオン／ｃｍ^２から１０^１８イオン／ｃｍ^２の範囲で選択され、ここでｎＡは空気の屈折率であり、ｎＳは合成サファイア材料の屈折率であり、
−加速電圧は、ｐ．λ／４．ｎに等しい注入厚さｅが得られるように５ｋＶから１０００ｋＶの範囲で選択され、ここでｅは注入領域に対応する注入厚さであり、注入一価及び多価ガスイオンの原子濃度は１％以上であり、ｐは整数であり、λは入射波長であり、ｎＬは注入層の屈折率である。
・前記方法においては、イオンビームの一価及び多価ガスイオンは、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）からなるリストからの元素のイオンから選択することができる。
・前記方法においては、イオンビームの一価及び多価ガスイオンは、窒素（Ｎ_２）及び酸素（Ｏ_２）からなるリストからのガスのイオンから選択することができる。
・前記方法においては、加速電圧は、ｐ．１００ｎｍに等しい注入厚さが得られるように選択され、ここでｐは整数である。
・前記方法においては、単位表面積当たりの注入一価又は多価ガスイオンの線量は、（＋／−）５％の不確実性で１０％に等しい注入イオンの原子濃度が得られるように選択することができる。
・前記方法においては、単位表面積当たりの注入一価及び多価ガスイオン線量の選択、並びに加速電圧の選択は、単位表面積当たりの注入一価又は多価ガスイオン線量を評価するために前もって行われる計算によって、注入深さに応じて選択されるイオン注入プロファイルに基づいて（＋／−）５％の不確実性で１０％に等しい注入イオンの原子濃度が得られるように行うことができる。

以下、実施例を添付図面を参照して記述する。

サファイア材料結晶の略図である。 本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の透過のグラフである。 本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の透過のグラフである。 本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の透過のグラフである。 本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の透過のグラフである。 本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の透過のグラフである。 本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の結果の考察に使用された図である。 本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の結果の考察に使用された図である。 本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の結果の考察に使用された図である。 本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の結果の考察に使用された図である。 本発明の方法によってサファイア材料表面の反射色を変えた例を示すグラフである。 本発明の方法によってサファイア材料表面の反射色を変えた例を示すグラフである。 本発明の方法によってサファイア材料表面の反射色を変えた例を示すグラフである。 本発明の方法によってサファイア材料表面の反射色を変えた例を示すグラフである。 本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の透過のグラフである。 本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の透過のグラフである。 本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の透過のグラフである。 本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の透過のグラフである。 本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の透過のグラフである。

図中の一部の要素は、簡単かつ見やすいように示されており、必ずしも一定の縮尺で描かれてはいない。

しかしながら、透過の図は、一定の縮尺で描かれている。透過の図は、光の波長の関数としての１つ（又は複数）の透過係数（Ｔ）（通常、「パワー透過係数」又は「透過率」とも呼ばれる）の変化を示す。波長範囲は、可視波長範囲を含む。

透過の図は、分光光度計を用いて成された測定の結果であり、入射光線は試料の２つの主面を通過し、前記試料を通る光の透過が複数の波長で測定される。前記２つの主面は、通常、平行な面である。

本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の透過の図は、ＭＥＴＡＳＨ Ｃｏｍｐａｎｙによって市販されたＵＶ−５２００ＵＶ／ＶＩＳ分光光度計を用いて測定された。この測定においては、サファイア材料試料の主面の各々に面する（及び接する）媒体は空気である。

図１は、サファイア材料単結晶の略図であり、こうした結晶の結晶学的な主な特徴を識別することができる。サファイア（コランダム）単結晶構造は、Ｏ^２−イオンが八面体の頂部（ピーク）にあり、Ａｌ^３＋イオンが八面体の内部にある八面体を規定することによって表すことができる。図１は、サファイアの構造システムに対応するサファイア結晶の主要な面の構造を示す。この図には以下の面が示されている：Ｃ面は（０００１）であり、Ａ面は（１１２０）であり、Ｒ面は（１０１２）である。面の命名法は、通常の結晶学的命名法に対応する。

上述したように、一般に入手可能なサファイア材料は、ほぼ無色であり、色度が実質的に中性である。上述したように、未処理サファイア材料試料の各面は、入射光の約７．７５％を反射し、したがって、未処理サファイア材料試料の透過は可視域において約８４．５％である。

本発明者らは、本発明によって処理されたサファイア材料試料を用いて試験を行った。

使用したサファイア材料試料は、それぞれ直径１インチ及び一辺１０ｍｍの円形又は正方形の板であり、その厚さは１ｍｍ以下である。

以下の例においては、これらの一価及び多価ガスイオンをＥＣＲ源（電子サイクロトロン共鳴源）によって放出させた。

図２から図５は、本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の透過の図であり、以下の実験条件に従ってサファイア材料試料を処理した後に測定された。

図２から図５に関する限り、一価及び／又は多価ガスイオンビームは、一価及び多価酸素イオンＯ^＋、Ｏ^２＋、Ｏ^３＋ビームであり、Ｏイオンの推定分布は以下の通り、すなわち、Ｏ^＋６０％、Ｏ^２＋３０％、Ｏ^３＋１０％である。

図２及び図３に関する限り、サファイア材料試料の片面のみを処理した。

図４及び図５に関する限り、サファイア材料試料の両面を処理した。

図２及び図４に関する限り、サファイア材料試料のプラン（単数又は複数）Ａを処理した。

図３及び図５に関する限り、サファイア材料試料のプラン（単数又は複数）Ｃを処理した。

以下のデータにおいては、イオン線量（更に「線量」とも称する）を１０^１６イオン／ｃｍ^２で表し、加速電圧（更に「電圧」とも称する）をｋＶで表す。

図２においては、曲線２０は未処理サファイア材料試料に関し、曲線２１は線量＝１１及び電圧＝１７．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線２２は線量＝１２．５及び電圧＝２５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線２３は線量＝１５及び電圧＝３２．５で処理されたサファイア材料試料に関する。

図３においては、曲線３０は未処理サファイア材料試料に関し、曲線３１は線量＝１１及び電圧＝１７．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線３２は線量＝１２．５及び電圧＝２５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線３３は線量＝１５及び電圧＝３２．５で処理されたサファイア材料試料に関する。

図４においては、曲線４０は未処理サファイア材料試料に関し、曲線４１は線量＝１１及び電圧＝１７．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線４２は線量＝１２．５及び電圧＝２５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線４３は線量＝１５及び電圧＝３２．５で処理されたサファイア材料試料に関する。

図５においては、曲線５０は未処理サファイア材料試料に関し、曲線５１は線量＝１１及び電圧＝１７．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線５２は線量＝１２．５及び電圧＝２５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線５３は線量＝１５及び電圧＝３２．５で処理されたサファイア材料試料に関する。

これらの図によって、複数のプロセスパラメータの影響を考えることができる。

図２及び図３をそれぞれ図４及び図５と比較して、片面対両面処理の影響を示すことができる。

図２から図５に報告された測定結果は、本発明に係るサファイア材料の表面の照射によってサファイア材料表面の反射色が変わることを示している。

電圧が１７．５ｋＶである曲線２１、３１、４１及び５１に対応する試料のサファイア材料表面の反射色は、ほぼオレンジ色である。

電圧が２５ｋＶである曲線２２、３２、４２及び５２に対応する試料のサファイア材料表面の反射色は、ほぼ紫色である。

電圧が３２．５ｋＶである曲線２３、３３、４３及び５３に対応する試料のサファイア材料表面の反射色は、ほぼ濃青色である。

したがって、サファイア材料表面の反射色を選択することができ、所望の色を得ることができる関連する処理方法パラメータを選択することができる。

このようなタイプの実験に基づいて、一価及び／又は多価イオンビームの元素（ここでは酸素）、加速電圧並びに単位表面積当たりのイオン線量に応じたサファイア表面の色変化の更なる指針を与えるように、データを収集し、処理することができる。

図２から図５に報告された測定結果は、一価及び／又は多価ガスイオンビームによる、サファイア材料とは異なる媒体に面したサファイア材料の表面の照射が、サファイア材料において可視域における防眩処理を与えるイオン注入層の生成にも適していることを示している。

驚くべきことに、極めて高い透過が可視域において得られた。

注入イオンを有する少なくとも１つの表面を含む合成サファイア材料が得られ、前記表面の可視域における入射波の反射は、波長５６０ｎｍで測定して２％以下、例えば、１％以下である。

図２から図５に報告された結果から、本発明に係る方法を実施するのに好ましい範囲を決定することができる。

前記好ましい範囲の決定は、元素のイオン、加速電圧並びに注入一価及び／又は多価ガスイオンの線量を必要に応じて選択する追加の選択則を与える一方法である。

図６から図１０は、一価及び／又は多価イオンとして酸素を使用するときのパラメータを選択するのに有用であり得るデータを示す。

本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の透過の図を図６に基づいて分析することができ、透過の図（６０）に基づいて３つのパラメータを明確にする。ここで、Ｐは透過ピーク位置（ｎｍ）であり、Ｄは可変性パラメータ（透過単位）であり、ＬはＤ可変性に対応する透過の図の幅（ｎｍ）である。

図７及び図８は、サファイア材料のそれぞれプランＡ及びＣの加速電圧に応じた透過ピーク位置の変化（それぞれ、曲線７０及び８０）を示す。

こうした図によって、所望の色を得るための加速電圧を選択することができる。

図９は、Ａ面に従って処理されたサファイア材料の可変性パラメータ（Ｄ）の関数としての透過の図の幅（Ｌ）の変化を示す。

図１０は、Ｃ面に従って処理されたサファイア材料の可変性パラメータ（Ｄ）の関数としての透過の図の幅（Ｌ）の変化を示す。

多数の別のデータ表示を使用して、所望の色を得るための追加の選択則を提供することができる。

上記結果によって示されるように、本発明の処理方法は、サファイア材料の単一表面にイオン注入層を生成するように使用することができ、又はサファイア材料の第１及び第２のサファイア材料表面に複数のイオン注入層を生成するように使用することができ、第１と第２のサファイア材料表面は実質的に平行な表面であり、透明媒体によって分離されている。

図１１から図１４は、サファイア材料においてイオン注入層を生成するように複数の一価及び／又は多価ガスイオンビームを使用するときに本発明の方法によってサファイア材料表面の反射色を変えた例を示す。同様の結果は、サファイア材料の第１及び第２のサファイア材料表面の複数のイオン注入層を使用するときにも得られると考えられ、第１と第２のサファイア材料表面は、透明媒体によって分離された実質的に平行な表面である。

図１１は、可視域内の透過に対する第１、１１０及び第２、１１１の酸素多価ガスイオンビームの入射を示す略図であり、加速電圧は、関係している限りガスイオンビームごとに異なる。ピーク差ΔＰを２本の曲線１１０、１１１の間に見ることができる。加速電圧は、例えば１０から５０ｋＶの範囲、例えば１５から３５ｋＶの範囲であり、隣接間の加速電圧差は、５から５０ｋＶ、１０から２０ｋＶを含む。本発明者らは、こうした曲線の組合せに起因する比色特性を測定し、対応するデータを図１２に示した。

図１２は、ＣＩＥｘｙ色度図に基づくＣＩＥ１９３１色空間における結果である。外側の曲線境界１２０はスペクトル軌跡であり、波長をナノメートルで示す。図は、普通の人に見える色度のすべてを表す。こうした図は、色情報提示の分野で一般に使用され、こうした図の解釈は当業者に周知である。点１２１は、１５ｋＶ及び２５ｋＶ酸素多価ガスイオンビームで処理されたサファイア材料表面の色度に対応し、対応する色はピンクである。点１２２は、２０ｋＶ及び３０ｋＶ酸素多価ガスイオンビームで処理されたサファイア材料表面の色度に対応し、対応する色は紫がかったピンクである。点１２３は、２５ｋＶ及び３５ｋＶ酸素多価ガスイオンビームで処理されたサファイア材料表面の色度に対応し、対応する色は青紫／青である。

図１３は、可視内の透過に対する第１（１３１）、第２（１３２）及び第３（１３３）の酸素多価ガスイオンビームの入射を示す略図であり、加速電圧は、可視域透過に関する限りガスイオンビームごとに異なる。ピーク差ΔＰを２本の両端の曲線１３１、１３３の間に見ることができる。加速電圧は、図１１と同じ範囲で定義される。

図１４は、ＣＩＥｘｙ色度図に基づくＣＩＥ１９３１色空間における結果である。外側の曲線境界１４０はスペクトル軌跡であり、波長をナノメートルで示す。点１４１は、１０ｋＶ、２０ｋＶ及び３０ｋＶ酸素多価ガスイオンビームで処理されたサファイア材料表面の色度に対応し、対応する色はわずかに黄色がかったピンクである。点１４２は、１２．５ｋＶ、２２．５ｋＶ及び３２．５ｋＶ酸素多価ガスイオンビームで処理されたサファイア材料表面の色度に対応し、対応する色は無色である。点１４３は、１５ｋＶ、２５ｋＶ及び３５ｋＶ酸素多価ガスイオンビームで処理されたサファイア材料表面の色度に対応し、対応する色は淡青色である。

図１４のＣＩＥｘｙ色度図においては、中性点１４５に隣接する矩形１４６によって画定された「中間色ボックス」を示した。点１４２は、前記中間色ボックス内に位置する。

本発明に係る複数の酸素多価ガスイオンビームの組合せによって、サファイア材料の表面の反射色を微調整することができる。上で示したように、本発明の方法によって、イオン注入層を有するサファイア材料の表面の中間反射色を与えることもできる。したがって、中間色防眩表面を得ることができる。

イオン注入層を有するサファイア材料の表面の中間反射色は、平坦な一定の透過プロファイルが得られるように、異なる加速電圧に対応する複数の透過プロファイルを組合せることによって得ることができる。

一実施形態によれば、青（４００ｎｍ）から赤（８００ｎｍ）の間に位置する９６から９７％の平坦な一定の透過プロファイルを得るために、本発明者らは、２段階で実施される以下のイオン照射処理例も示す。
・（黄色グレアを４５°で得るのに適した）基準引き出し電圧よりも約１０％低い引き出し電圧、及び（同じ黄色グレアを角度４５°で得るのに使用される）基準線量の半分に相当する線量、換言すれば、２０ＫＶにほぼ等しい電圧、及び０．７５×１０^１７イオン／ｃｍ^２に等しい線量の第１のイオン照射処理。
・（黄色グレアを４５°で得るのに適した）基準引き出し電圧よりも約１０％高い引き出し電圧、及び（同じ黄色グレアを角度４５°で得るのに使用される）基準線量の半分に相当する線量、換言すれば、２５ＫＶにほぼ等しい電圧、及びの第２のイオン照射処理。

この２段階の処理によって、黄色（５６０ｎｍ）に対する高い透過を実質的に維持しながら、青（４００ｎｍ）から赤（８００ｎｍ）の間の平坦な一定の透過プロファイルを有利なことに作成することができる。

図１５から図１９は、本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の透過の図であり、以下の実験条件に従ってサファイア材料試料を処理した後に測定された。

図１５から図１８に関する限り、一価及び／又は多価ガスイオンビームは、一価及び多価窒素イオンＮ^＋、Ｎ^２＋、Ｎ^３＋ビームであり、Ｎイオンの推定分布は以下の通り、すなわち、Ｎ^＋５７％、Ｎ^２＋３２％、Ｎ^３＋１１％であり、サファイア材料試料の１面のみを処理した。

図１５及び図１６に関する限り、サファイア材料試料のプランＡを処理した。

図１７及び図１８に関する限り、サファイア材料試料のプランＣを処理した。

以下のデータにおいては、イオン線量（更に「線量」とも称する）を１０^１６イオン／ｃｍ^２で表し、加速電圧（更に「電圧」とも称する）をｋＶで表す。

図１５及び図１７に関する限り、電圧＝２０である。

図１６及び図１８に関する限り、電圧＝２５である。

図１５においては、曲線１５０は未処理サファイア材料試料に関し、曲線１５１は線量＝２．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１５２は線量＝５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１５３は線量＝７．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１５４は線量＝１０で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１５５は線量＝１２．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１５６は線量＝１５で処理されたサファイア材料試料に関する。

図１６においては、曲線１６０は未処理サファイア材料試料に関し、曲線１６１は線量＝２．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１６２は線量＝５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１６３は線量＝７．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１６４は線量＝１０で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１６５は線量＝１２．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１６６は線量＝１５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１６７は線量＝１７．５で処理されたサファイア材料試料に関する。

図１７においては、曲線１７０は未処理サファイア材料試料に関し、曲線１７１は線量＝２．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１７２は線量＝５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１７３は線量＝７．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１７４は線量＝１０で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１７５は線量＝１２．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１７６は線量＝１５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１７７は線量＝１７．５で処理されたサファイア材料試料に関する。

図１８においては、曲線１８０は未処理サファイア材料試料に関し、曲線１８１は線量＝２．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１８２は線量＝５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１８３は線量＝７．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１８４は線量＝１０で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１８５は線量＝１２．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１８６は線量＝１５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１８７は線量＝１７．５で処理されたサファイア材料試料に関する。

加速電圧２０ｋＶで処理された試料は紺青色であり、加速電圧１５ｋＶで処理された試料は藤色である。

したがって、サファイア材料表面の反射色は、窒素イオンを使用するときに本発明の方法によって変更することができる。防眩性も窒素イオンを使用するときに本発明の方法によって得ることができる。

図１９は、本発明の方法によって処理されたサファイア材料試料の透過の図であり、以下の実験条件に従ってサファイア材料試料を処理した後に測定された。

一価及び／又は多価ガスイオンビームは、一価及び多価アルゴンイオンＡｒ^＋、Ａｒ^２＋、Ａｒ^３＋ビームであり、Ａｒイオンの推定分布は以下の通り、すなわち、Ａｒ^＋７１％、Ａｒ^２＋２３％、Ａｒ^３＋６％であり、サファイア材料試料の２面を処理した。処理は、サファイア材料のプランＡである。加速電圧は３５ｋＶである。以下のデータにおいては、イオン線量（更に「線量」とも称する）を１０^１６イオン／ｃｍ^２で表す。

曲線１９０は未処理サファイア材料試料に関し、曲線１９１は線量＝２．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１９２は線量＝７．５で処理されたサファイア材料試料に関し、曲線１９３は線量＝１０で処理されたサファイア材料試料に関する。

したがって、サファイア材料表面の反射色は、アルゴンイオンを使用するときに本発明の方法によって変更することができる。防眩性もアルゴンイオンを使用するときに本発明の方法によって得ることができる。

収集したデータに基づいて、他のイオンが本発明の方法の実施に適しているはずであり、サファイア材料表面の反射色の変更に関連することを高い信頼度で推定することができる。

アルゴン（Ａｒ）イオンが本発明の方法の実施に適していることが上で示され、したがって、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などの他の「貴」ガスイオンも本発明の方法の実施に適しているように見える。

窒素（Ｎ）及び酸素（Ｏ）イオンが本発明の方法の実施に適していることが上で示され、したがって、ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、フッ素（Ｆ）、ケイ素（Ｓｉ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）などの他の周期表の周囲のイオンも本発明の方法の実施に適しているように見える。

上記結果及び所見に基づいて、当業者は、本発明の教示を利用することができ、イオンビームの元素がガスイオンビームごとに異なる複数のビームを使用することによって処理方法を実施することができる。前記ビームは、サファイア材料の単一表面にイオン注入層を生成するように使用することができ、又はサファイア材料の第１及び第２のサファイア材料表面に複数のイオン注入層を生成するように使用することができ、第１と第２のサファイア材料表面は実質的に平行な表面であり、透明媒体によって分離されている。

一実施形態によれば、本発明に使用されるサファイア材料のイオン照射反射防止処理は、長い処理時間を必要としない（１ｃｍ^２及び超小型加速度計（ｍｉｃｒｏ−ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）１台当たり数秒）。

本発明に使用されるサファイア材料表面の反射色の変更は、産業におけるその使用を可能にし得るものであり、そのコストは、サファイア基板のコストに対して売買契約取消し（ｒｅｄｈｉｂｉｔｏｒｙ）されないものでなくてはならない（例えば、タッチパネル用サファイア１ｃｍ^２は約４ユーロであり、本発明の範囲内で処理される１ｃｍ^２は数セントである）。

本発明によれば、先行の請求項のいずれか一項に記載の方法によって処理された少なくとも１つの表面を含む合成サファイア材料でできた部品であって、処理表面の反射色の主波長λ_ＤＴが、未処理サファイア材料表面の反射色の主波長λ_ＤＵから少なくとも＋５０ｎｍ又は少なくとも−５０ｎｍシフトした、例えば少なくとも＋１００ｎｍ又は少なくとも−１００ｎｍシフトした、部品を得ることができる。

本発明の処理方法は、例えば、それだけに限定されないが、例えばタッチスクリーンなどのスクリーン、窓、腕時計ガラス、発光装置（ＬＥＤ）部品などの照明装置部品、例えば装置レンズなどの光学部品からなるリストから選択されるサファイア材料でできた固体部品の処理に使用することができる。

本発明を実施形態を利用して一般的な発明の概念に限定されずに上述した。特に、パラメータは、記載した実施例に限定されない。

Claims (15)

1. 合成サファイア材料においてイオン注入層を生成するように、一価及び／又は多価ガスイオンビームによるサファイア材料表面の照射を含む、サファイア材料表面の４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長領域内の反射色を変える処理方法であって、
   −加速電圧は５ｋＶから１０００ｋＶの範囲、例えば１０ｋＶから１００ｋＶの範囲であり、
   −各イオンビームの単位表面積当たりの注入一価及び／又は多価ガスイオンの線量は、１０^１２イオン／ｃｍ^２から１０^１８イオン／ｃｍ^２の範囲、例えば１０ ^１６ イオン／ｃｍ ^２ から１０ ^１８ イオン／ｃｍ ^２ の範囲、さらに例えば２×１０ ^１６ イオン／ｃｍ ^２ から２×１０ ^１７ イオン／ｃｍ ^２ の範囲であり、
   −前記一価及び／又は多価ガスイオンのイオンは、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、ケイ素（Ｓｉ）、リン（Ｐ）及び硫黄（Ｓ）からなるリストからの元素のイオンから選択され、
   前記注入一価及び／又は多価ガスイオンの線量並びに前記加速電圧は、未処理サファイア材料表面とは異なる反射色の処理サファイア材料表面が得られるように選択され、それによって、前記サファイア材料の処理表面の反射色の主波長λ _ＤＴ が、前記サファイア材料の未処理表面の反射色の主波長λ _ＤＵ から少なくとも＋５０ｎｍ又は少なくとも−５０ｎｍシフトされる、処理方法。
2. 前記一価及び／又は多価ガスイオンの前記イオンは、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、窒素（Ｎ）及び酸素（Ｏ）からなるリスト、例えば、窒素（Ｎ）及び酸素（Ｏ）からなるリストからの元素のイオンから選択され、例えば、前記一価及び／又は多価ガスイオンの前記イオンが酸素（Ｏ）のイオンである、請求項１に記載の処理方法。
3. 一価及び／又は多価ガスイオンビームによる照射用イオンは、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）源によって生成される、請求項１又は２に記載の処理方法。
4. 前記ガスビームの前記イオンは一価及び多価であり、１０％の多価イオン又は１０％を超える多価イオンを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の処理方法。
   に記載の処理方法。
5. 前記単位表面積当たりの注入一価及び／又は多価ガスイオンの線量は、５％以上２０％以下の注入イオンの原子濃度が得られるように選択される、請求項１から４のいずれか一項に記載の処理方法。
6. 前記サファイア材料は、前記一価及び／又は多価ガスイオンビームに対して０．１ｍｍ／ｓから１０００ｍｍ／ｓの速度Ｖ_Ｄで移動可能である、請求項１から５のいずれか一項に記載の処理方法。
7. 前記処理は、前記サファイア材料において前記イオン注入層を生成するように複数の一価及び／又は多価ガスイオンビームによる前記サファイア材料表面の照射を含み、前記イオンビームの加速電圧及び／又は元素はガスイオンビームごとに異なる、請求項１から６のいずれか一項に記載の処理方法。
8. 前記方法は、前記サファイア材料において第１のサファイア材料表面にイオン注入層を生成し、第２のサファイア材料表面にイオン注入層を生成するように、各々１つ又は複数の一価及び／又は多価ガスイオンビーム（単数又は複数）による前記第１及び第２のサファイア材料表面の照射を含み、前記第１及び第２のサファイア材料表面は、透明媒体によって分離された実質的に平行な表面であり、前記第２のサファイア材料表面の処理のためのイオンビームの加速電圧及び／又は元素は、前記第１のサファイア材料表面の処理のための前記イオンビーム（単数又は複数）の加速電圧（単数又は複数）及び／又は元素とはそれぞれ異なる、請求項１から７のいずれか一項に記載の処理方法。
9. 前記異なるガスイオンビームのイオンは同じ一つの元素のイオンであり、前記イオンビームの加速電圧はガスイオンビームごとに異なる、請求項７又は８に記載の処理方法。
10. 前記イオンビームの加速電圧はガスイオンビームごとに５から５０ｋＶを含む値、例えば１０から２０ｋＶを含む値で異なる、請求項９に記載の処理方法。
11. 前記加速電圧並びに前記注入一価及び／又は多価ガスイオンの線量は、追加の選択則に従って更に選択され、
    前記追加の選択則は、処理される前記サファイア材料の一価及び／又は多価ガスイオンビームによる照射前のステップにおいて収集されたデータの使用を含み、
    −前記ステップは、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、ケイ素（Ｓｉ）、リン（Ｐ）及び硫黄（Ｓ）からなるリストからの元素の一価及び／又は多価イオンのうち１タイプを選択するステップと、照射される前記イオンを用いることによって、処理されるものと類似したサファイア材料を用いて複数の実験を実施するステップと、前記サファイア材料表面の変更された反射色を得るのに適切なイオン注入層を生成するように所望の単位表面積当たりの注入一価及び／又は多価ガスイオン線量範囲並びに加速電圧範囲を決定するまで、前記単位表面積当たりの注入一価及び／又は多価ガスイオン線量並びに前記加速電圧を変化させるステップとからなり、
    −単位表面積当たりの一価及び／又は多価ガスイオン線量並びに加速電圧値を前記先行ステップの範囲内で選択し、処理される前記サファイア材料を前記イオン前記値で処理する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の処理方法。
12. 前記一価及び／又は多価イオンビームの元素、前記加速電圧並びに前記単位表面積当たりのイオン線量に応じたサファイア表面の色変化の指針を与えるように、複数の実験から得られたデータが収集され、処理される、請求項１１に記載の処理方法。
13. 前記一価及び／又は多価イオンビームの元素、前記単位表面積当たりの一価及び／又は多価ガスイオン線量、並びに前記加速電圧値の選択は、サファイア材料表面の反射色の色標的の要件を満たすように成される、請求項１２に記載の処理方法。
14. 前記処理表面の反射色の主波長λ_ＤＴが前記未処理サファイア材料表面の反射色の主波長λ_ＤＵから少なくとも＋１００ｎｍ又は少なくとも−１００ｎｍシフトされる、請求項１から１３のいずれか一項に記載の処理方法。
15. 合成サファイア材料が、例えばタッチスクリーンなどのスクリーン、窓、腕時計ガラス、発光装置（ＬＥＤ）部品などの照明装置部品、例えば装置レンズなどの光学部品からなるリストから選択された要素を形成する固体部品である、請求項１から１４のいずれか一項に記載の処理方法。

Images