手機(jī)面板用藍(lán)寶石玻璃性質(zhì)與制備
湯華娟、王承遇
前言
1、藍(lán)寶石的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)
2、大尺寸藍(lán)寶石的制備方法
（以上內(nèi)容請(qǐng)關(guān)注11月12日資訊）
2．1熱交換法
熱交換法是由美國(guó)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(shí)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(lái)控制熔體的溫度，使坩堝內(nèi)熔體由下慢慢向上凝固成藍(lán)寶石晶體。熱交換法的設(shè)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(dòng)的絕緣部件；9—支撐塊
圖7 熱交換法設(shè)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(shí)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(dāng)籽晶回熔到足夠數(shù)量時(shí)，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(zhǎng)成晶體。
熱交換器是熱交換法設(shè)備的重要部件，通常由兩個(gè)同心管組成。氦氣由熱交換器中心管流入，到達(dá)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(lán)寶石晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，籽晶和坩堝均不移動(dòng)，晶體生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自固液界面上溫度梯度。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，熔體的溫度通過(guò)調(diào)節(jié)爐溫來(lái)控制，石墨加熱器的熱量通過(guò)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(dòng)，可以減少熔體渦流和熱量對(duì)流以及固液界面濃度和溫度波動(dòng)，使晶體均勻性和完整性都比較好。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中能獨(dú)立控制晶體及熔體溫度，降低晶體的熱應(yīng)力，減少晶體開(kāi)裂與位錯(cuò)等缺陷，從而提高晶體強(qiáng)度，晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)出與坩堝形狀相似的晶體，這些均為熱交換法的優(yōu)點(diǎn)。但是此法消耗的氦氣量大，如晶體生長(zhǎng)速度過(guò)大，易形成過(guò)冷結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致晶體中出現(xiàn)氣泡。如采用鉬坩堝，其膨脹系數(shù)與藍(lán)寶石晶體膨脹系數(shù)相差，坩堝邊緣處易產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致生長(zhǎng)的藍(lán)寶石晶體外部易開(kāi)裂。美國(guó)Crystal Systems有限公司一直采用熱交換法生產(chǎn)藍(lán)寶石晶體。
2．2泡生法
泡生法是由Kyropoulos1926年提出的晶體生長(zhǎng)法，后經(jīng)蘇聯(lián)Musalov改進(jìn)用于制備藍(lán)寶石晶體。2007年Demina采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)改進(jìn)泡生法設(shè)備及工藝，用于生產(chǎn)藍(lán)寶石晶體，美國(guó)也已用此法制備出200kg的藍(lán)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(dāng)籽晶在熔體固液面上開(kāi)始生長(zhǎng)與籽晶結(jié)構(gòu)相同的單晶時(shí)，籽晶桿以很慢速度向上提拉，提拉一段時(shí)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(lái)使單晶從上向下逐步凝固，最后凝固成一個(gè)單晶錠，然后再進(jìn)行退火和冷卻，其設(shè)備見(jiàn)圖8。通常用鎢坩堝，加熱體由鎢材料編成籠形狀結(jié)構(gòu)，加熱時(shí)使溫度達(dá)到上低下高。籽晶通過(guò)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(shè)備示意圖
泡生法特點(diǎn)是利用溫度控制晶體生長(zhǎng)，雖然初期從引晶、縮頸到擴(kuò)肩階段存在提拉過(guò)程，但到了晶體等徑生長(zhǎng)階段，就可以依靠不斷降溫的結(jié)晶動(dòng)力使晶體生長(zhǎng)，不再使用提拉技術(shù)。與傳統(tǒng)的提拉法對(duì)比，泡生法在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，晶體不需要提出坩堝外，精確控制冷卻速度，減少熱應(yīng)力，避免坩堝污染，晶體生長(zhǎng)速度也較快。但在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中存在晶體的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，可能對(duì)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(lán)寶石單晶生長(zhǎng)方法，設(shè)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(shè)備示意圖
冷心放肩微量提拉法生產(chǎn)藍(lán)寶石晶體可分為引晶、放肩、等徑、退火和冷卻4個(gè)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(duì)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(duì)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(jìn)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(jìn)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(shí)，就完成了晶體生長(zhǎng)過(guò)程，再進(jìn)行退火和冷卻。當(dāng)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(duì)單晶作退火處理。當(dāng)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(guò)程。
冷心放肩法特色在于冷心位置處與坩堝幾何中心相對(duì)偏差不大于20mm放肩，使結(jié)晶過(guò)程中藍(lán)寶石單晶的晶向遺傳特性良好，保證高質(zhì)量單晶生長(zhǎng)。通過(guò)高精度能量控制配合微量提拉，在結(jié)晶過(guò)程中沒(méi)有明顯的溫度擾動(dòng)，降低了缺陷產(chǎn)生幾率。晶體直徑可以一直長(zhǎng)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(dá)泡生法的1．2倍以上。在整個(gè)制備過(guò)程中晶體不被提拉出坩堝，晶體內(nèi)溫差小，可減少熱應(yīng)力，選用水作為冷卻介質(zhì)降低成本，晶體可實(shí)現(xiàn)原位退火。
3、展望
采用藍(lán)寶石代替玻璃制作手機(jī)面板，增加了其耐磨性、光澤、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，可適應(yīng)于極端惡劣環(huán)境條件，提高手機(jī)面板使用壽命，但藍(lán)寶石較玻璃制備工藝復(fù)雜，成本高。隨著藍(lán)寶石制備方法的改進(jìn)，規(guī)模擴(kuò)大，生產(chǎn)效率提高，價(jià)格有可能進(jìn)一步下降。
美國(guó)專利及商標(biāo)局（USPTO）曾報(bào)導(dǎo)了蘋果公司將一層藍(lán)寶石與另一層藍(lán)寶石層壓或一層藍(lán)寶石與一層玻璃層壓，制成疊層材料。由于藍(lán)寶石很硬，研磨和拋光困難，采用疊層方案，只需將外層藍(lán)寶石拋光，而內(nèi)層藍(lán)寶石可降低表面光潔度要求。通常每層藍(lán)寶石厚0.5mm，疊層后厚1mm。國(guó)內(nèi)袁軍等也將一層藍(lán)寶石與一層玻璃用光學(xué)透明膠粘合為疊層材料，用以制備電容式觸摸屏，并申請(qǐng)了實(shí)用新型專利。此種疊層材料即充分發(fā)揮藍(lán)寶石的優(yōu)良性質(zhì)，又減少藍(lán)寶石用量，可以大幅度降低成本。
