手機面板用藍寶石玻璃性質(zhì)與制備
湯華娟、王承遇
前言
1、藍寶石的結(jié)構與性質(zhì)
2、大尺寸藍寶石的制備方法
（以上內(nèi)容請關注11月12日資訊）
2．1熱交換法
熱交換法是由美國Schmid1975年研發(fā)的，主要原理是利用熱交換器帶走熔體的熱量，同時控制熱交換器內(nèi)氦氣流量的大小并改變加熱功率的高低來控制熔體的溫度，使坩堝內(nèi)熔體由下慢慢向上凝固成藍寶石晶體。熱交換法的設備如圖7。
1—晶體爐；2—加熱元件；3—熱屏蔽部件；4—鉬坩堝；5—熔體；6—籽晶；7—熱交換器；8—可移動的絕緣部件；9—支撐塊
圖7 熱交換法設備示意圖
在坩堝2底部中心處加入籽晶8，再裝入氧化鋁原料，坩堝放在熱交換器5的頂端，將晶體爐1密封并抽真空。用石墨加熱器3加熱到2050℃左右，使氧化鋁熔融，同時在熱交換器5中不斷通入氦氣，帶走籽晶附近一部分熱量，以免籽晶完全熔融。當籽晶回熔到足夠數(shù)量時，就加大氦氣流量，使其帶走更多籽晶熱量，從而使籽晶持續(xù)生長成晶體。
熱交換器是熱交換法設備的重要部件，通常由兩個同心管組成。氦氣由熱交換器中心管流入，到達熱交換器頂端，即坩堝底部與熱交換器接觸部分，吸收坩堝底部的熱量，然后從熱交換器外管向下到底端流出。
在藍寶石晶體生長過程中，籽晶和坩堝均不移動，晶體生長的驅(qū)動力來自固液界面上溫度梯度。在晶體生長過程中，熔體的溫度通過調(diào)節(jié)爐溫來控制，石墨加熱器的熱量通過熔體、晶體和熱交換器，最后由氦氣流帶出。
在熱交換法中，晶體和加熱區(qū)均未移動，可以減少熔體渦流和熱量對流以及固液界面濃度和溫度波動，使晶體均勻性和完整性都比較好。在晶體生長過程中能獨立控制晶體及熔體溫度，降低晶體的熱應力，減少晶體開裂與位錯等缺陷，從而提高晶體強度，晶體生長速度也較快。另外可根據(jù)晶體所需形狀，選擇正方形、柱狀、盤狀坩堝，生長出與坩堝形狀相似的晶體，這些均為熱交換法的優(yōu)點。但是此法消耗的氦氣量大，如晶體生長速度過大，易形成過冷結(jié)構，導致晶體中出現(xiàn)氣泡。如采用鉬坩堝，其膨脹系數(shù)與藍寶石晶體膨脹系數(shù)相差，坩堝邊緣處易產(chǎn)生應力，導致生長的藍寶石晶體外部易開裂。美國Crystal Systems有限公司一直采用熱交換法生產(chǎn)藍寶石晶體。
2．2泡生法
泡生法是由Kyropoulos1926年提出的晶體生長法，后經(jīng)蘇聯(lián)Musalov改進用于制備藍寶石晶體。2007年Demina采用計算機輔助設計改進泡生法設備及工藝，用于生產(chǎn)藍寶石晶體，美國也已用此法制備出200kg的藍寶石晶體。
泡生法是將籽晶用籽晶桿接觸到熔融的高純氧化鋁熔體表面，當籽晶在熔體固液面上開始生長與籽晶結(jié)構相同的單晶時，籽晶桿以很慢速度向上提拉，提拉一段時間后形成晶頸，等熔體與籽晶界面凝固速度穩(wěn)定后，籽晶不再提升，也不再旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上向下逐步凝固，最后凝固成一個單晶錠，然后再進行退火和冷卻，其設備見圖8。通常用鎢坩堝，加熱體由鎢材料編成籠形狀結(jié)構，加熱時使溫度達到上低下高。籽晶通過鉬質(zhì)夾持器與耐熱不銹鋼水冷卻器相連接，形成熱交換器，以控制籽晶及附近溫度。
1—水冷籽晶桿；2—水冷電極；3—籽晶；4—坩堝蓋；5—晶體；6—熔體；7—保溫材料；8—發(fā)熱棒；9—坩堝支撐架
圖8 泡生法設備示意圖
泡生法特點是利用溫度控制晶體生長，雖然初期從引晶、縮頸到擴肩階段存在提拉過程，但到了晶體等徑生長階段，就可以依靠不斷降溫的結(jié)晶動力使晶體生長，不再使用提拉技術。與傳統(tǒng)的提拉法對比，泡生法在晶體生長過程中，晶體不需要提出坩堝外，精確控制冷卻速度，減少熱應力，避免坩堝污染，晶體生長速度也較快。但在晶體生長過程中存在晶體的移動和轉(zhuǎn)動，可能對質(zhì)量有影響。
2．3冷心放肩微量提拉法
冷心放肩微量提拉法是由韓杰才等2005年發(fā)明的大尺寸藍寶石單晶生長方法，設備如圖9所示。
1—水冷棒；2—加熱裝置；3—籽晶夾持桿；4—頂部散熱器；5—坩堝；6—晶體；7—固液界面；8—熔體；9—支撐裝置；10—隔溫層
圖9 冷心放肩微量提拉法設備示意圖
冷心放肩微量提拉法生產(chǎn)藍寶石晶體可分為引晶、放肩、等徑、退火和冷卻4個控制階段。首先將氧化鋁原料加入鎢坩堝5內(nèi)，晶體爐密閉，抽真空以保持壓力不大于6×10－3Pa，利用鎢發(fā)熱體2加熱到2050℃使氧化鋁熔融，調(diào)節(jié)爐內(nèi)加熱體發(fā)熱量在100～2500W/h，使液面對流形態(tài)穩(wěn)定并緩慢調(diào)節(jié)籽晶夾持桿3，使其下端到熔體液面上5～20mm，熔體內(nèi)冷心位置與坩堝幾何中心相對偏差不大于20.00mm。用傳統(tǒng)提拉法
工藝，沿冷心偏離方向，經(jīng)5～15次引晶后，使結(jié)晶中心移到冷心，并進行旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為2～16r/min。然后冷心放肩控制提拉速度0.3～6mm/h，調(diào)節(jié)功率下降速度0.1～25.5W/h，使單晶體外側(cè)靠近坩堝壁，但不接觸；再以0.5～6.8mm/h速度進行等徑提拉，等到單晶重量均勻增加后，將提升速度增加到20～170g/h，待晶體重量不再增加時，就完成了晶體生長過程，再進行退火和冷卻。當爐內(nèi)溫度降到1700℃后，將爐內(nèi)功率下降速度調(diào)至10～18W/h，使溫度緩慢下降，對單晶作退火處理。當爐內(nèi)溫度降到500℃，將降溫速度調(diào)為30～60W/h，直至溫度降至100℃，完成冷卻過程。
冷心放肩法特色在于冷心位置處與坩堝幾何中心相對偏差不大于20mm放肩，使結(jié)晶過程中藍寶石單晶的晶向遺傳特性良好，保證高質(zhì)量單晶生長。通過高精度能量控制配合微量提拉，在結(jié)晶過程中沒有明顯的溫度擾動，降低了缺陷產(chǎn)生幾率。晶體直徑可以一直長到距坩堝壁1～3cm位置而不與坩堝壁接觸，能制備出大尺寸晶體，材料綜合利用率可達泡生法的1．2倍以上。在整個制備過程中晶體不被提拉出坩堝，晶體內(nèi)溫差小，可減少熱應力，選用水作為冷卻介質(zhì)降低成本，晶體可實現(xiàn)原位退火。
3、展望
采用藍寶石代替玻璃制作手機面板，增加了其耐磨性、光澤、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，可適應于極端惡劣環(huán)境條件，提高手機面板使用壽命，但藍寶石較玻璃制備工藝復雜，成本高。隨著藍寶石制備方法的改進，規(guī)模擴大，生產(chǎn)效率提高，價格有可能進一步下降。
美國專利及商標局（USPTO）曾報導了蘋果公司將一層藍寶石與另一層藍寶石層壓或一層藍寶石與一層玻璃層壓，制成疊層材料。由于藍寶石很硬，研磨和拋光困難，采用疊層方案，只需將外層藍寶石拋光，而內(nèi)層藍寶石可降低表面光潔度要求。通常每層藍寶石厚0.5mm，疊層后厚1mm。國內(nèi)袁軍等也將一層藍寶石與一層玻璃用光學透明膠粘合為疊層材料，用以制備電容式觸摸屏，并申請了實用新型專利。此種疊層材料即充分發(fā)揮藍寶石的優(yōu)良性質(zhì)，又減少藍寶石用量，可以大幅度降低成本。
