(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア部材の表面をイオンインプランテーション装置に対して配向し、
サファイア部材の表面にイオンを向けて、その表面の下にイオンを埋め込むことを含む第１のインプランテーションステップを遂行し、
サファイア部材を加熱して、前記インプランテーションされたイオンをサファイア部材の深部層へ拡散し、
サファイア部材を冷却し、及び
サファイア部材の表面にイオンを向けて、その表面の下にイオンを埋め込むことを含む少なくとも第２のインプランテーションステップを遂行し、
前記サファイア部材を再配向し、
イオンインプランテーション濃度を選択し、そして
前記サファイア部材の二次表面にイオンを向けて、該二次表面の下にイオンを埋め込み、前記二次表面に圧縮応力を生成する、
という段階を備え、
前記第１のインプランテーションステップのイオンは、前記第２のインプランテーションステップのイオンとは異なること、
前記第１のインプランテーションステップのイオンは、前記第２のインプランテーションステップのイオンより高いエネルギーを有すること、及び、
前記第１のインプランテーションステップのイオンは、前記第２のインプランテーションステップのイオンより低いエネルギーを有すること、のうち少なくとも１つの条件を充足する方法。
【請求項２】
イオンは、１０13から１０19イオン／ｃｍ2のイオン濃度を達成するように前記表面に向けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
イオンは、前記表面にわたって濃度勾配をもつようにインプランテーションされる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記表面は、異なるインプランテーションイオン濃度を各々有する少なくとも２つのゾーンを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも２つのゾーンの第１ゾーンは、前記表面の周囲縁を含み、前記少なくとも２つのゾーンの第２ゾーンは、前記表面の中央部分を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記二次表面の下の選択されたイオンインプランテーション濃度は、前記表面の下の対応するイオンインプランテーション濃度とは異なる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記表面に向けられるイオン及び前記二次表面に向けられるイオンは、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１つ以上を含むように各々選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記選択されたイオンは、＋１イオンを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記選択されたイオンは、＋２イオンを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
イオンは、前記サファイア部材の一次格子層へ貫通しそして前記サファイア部材の一次格子層に埋め込まれる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
イオンは、前記サファイア部材の二次格子層へ貫通しそして前記サファイア部材の二次格子層に埋め込まれる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
サファイア表面の一部分をマスクして、サファイア表面のそのマスクされた部分のイオンインプランテーションを除外する段階を更に備えた、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
サファイア部分の格子構造体へ第１イオンをインプランテーションするように構成された第１のイオンインプランテーション装置と、
サファイア部分の格子構造体へ第２イオンをインプランテーションするように構成された第２のイオンインプランテーション装置と、
前記第１イオンまたは第２イオンをインプランテーションすることによって退去させられた原子と置き換わるように、前記サファイア部分をアルミニウム原子または酸素原子の少なくとも１つに衝突させるように構成された原子衝突装置と、
サファイア部分を加熱してそのインプランテーションされたイオンを拡散できるように構成されたヒータと、
を備えたイオンインプランテーションシステム。
【請求項１４】
前記第１のイオンインプランテーション装置は、第１元素の前記第１イオンをインプランテーションし、そして前記第２のインプランテーション装置は、第２元素の前記第２イオンをインプランテーションする、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
サファイア部材の表面をイオンインプランテーション装置に対して配向し、
サファイア部材の表面に第１インプランテーションエネルギーを有する第１イオンを向けて、表面の下でサファイア部材へ埋め込むことを含む第１のインプランテーションステップを遂行し、及び
サファイア部材の表面に第２インプランテーションエネルギーを有する第２イオンを向けて、サファイア部材の表面の下で第１イオンとは異なる深さに埋め込むことを含む少なくとも第２のインプランテーションステップを遂行し、
前記第１のインプランテーションステップまたは第２のインプランテーションステップによって退去させられた原子と置き換わるように前記サファイア部材の表面を原子と衝突させ、前記第１イオンと第２イオンとが異なる原子である段階を備えた方法。
【請求項１６】
前記サファイア部材の表面で遂行されるアニールステップを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記原子衝突ステップは、アルミニウム原子又は酸素原子の少なくとも一方を前記表面に衝突させることを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１及び第２イオンは、単一荷電又は二重荷電のものである、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１イオンは前記第２イオンとは異なる電荷を有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記サファイア部材を加熱して、インプランテーションされたイオンを拡散させることを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
サファイア部材の表面をイオンインプランテーション装置に対して配向し、
サファイア部材の表面に第１イオンを向けて、第１イオンを表面の下に埋め込むことを含む第１のインプランテーションステップを遂行し、
サファイア部材の表面に第２イオンを向けて、この第２イオンを前記第１イオンとは異なるターゲット深さで表面の下に埋め込むことを含む少なくとも第２のインプランテーションステップを遂行し、及び
アルミニウム原子及び酸素原子の少なくとも一方を前記サファイア部材の表面に衝突させる、
という段階を備えた方法。
【請求項２２】
異なるターゲット深さ間に前記第１及び第２イオンの一方又は両方をインプランテーションすることによりサファイア部材の応力曲線を平滑化する段階を更に含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記平滑化は、異なるターゲット深さ間に前記第１及び第２イオンの一方又は両方を拡散するための加熱ステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１及び第２イオンは、異なる電荷レベルを有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１及び第２イオンは、異なるインプランテーション濃度レベルでインプランテーションされる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１及び第２イオンは、異なる元素である、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア物質に関するもので、より詳細には、コランダム及び他の処理済みサファイア物質の物理的特性に関する。
【背景技術】
【０００２】
コランダムとは、酸化アルミニウムの結晶形態で、種々の異なる色で見つかり、それらは、全て、一般的にサファイアと称されるが、赤いコランダムは、ルビーとして一般的に知られており、そしてピンクオレンジのコランダムは、パパラチアとして知られている。透明形態のコランダムは、宝石又は宝玉とみなされる。一般的に、コランダムは、著しく硬く、純粋なコランダムは、モーススケールで９．０の硬度を有し、従って、ほぼ全ての他の鉱物にかき傷を作ることができると定義されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
明らかなように、コランダムは、とりわけ硬度及び透明度特性を含む幾つかの特性のために、種々の異なる用途に有用である。しかしながら、特定の用途に有益な同じ特性が、一般的に、それらの用途のためのサファイアの処理及び調製においてコスト及び困難さの両方を高める。従って、宝石であることに関連したコストを越えて、特定の用途に対してコランダムを調製するコストがしばしば禁止的なものとなる。例えば、サファイアの硬度は、従来の処理技術を実施するときには、材料の切削及び研磨を困難にすると共に、時間もかかるようにする。更に、カッターのような従来の処理工具は、コランダムに使用したときには比較的急速な摩耗を経験する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
サファイア部品を強化するためのシステム及び方法についてここに述べる。１つの実施形態は、サファイア部材の第１表面をイオンインプランテーション装置に対して配向しそして第１のインプランテーションステップを遂行することを含む方法の形態をとる。インプランテーションステップは、サファイア部材の第１表面に（例えば、高エネルギーの）イオンを向けて、第１表面の下にそれを埋め込むことを含む。又、この方法は、サファイア部材を加熱して、インプランテーションされたイオンをサファイア部材のより深部の層へ拡散すること、サファイア部材を冷却すること、及び少なくとも第２のインプランテーションステップを遂行して、イオンをサファイア部材の第１表面に向けて、第１表面の下にイオンを埋め込むこと、の１つ以上を含む。
【０００５】
イオンを埋め込むことで、サファイア表面に圧縮応力を生成する。例えば、イオンは、第１表面の下で既存の結晶格子場所間の隙間に埋め込まれて、圧縮応力を生成する。或いは又、イオンは、サファイア格子の空いた場所を埋めるか、又はイオンは、埋め込み領域の部分を実質的にアモルファス又は非結晶性にするように埋め込まれる。
【０００６】
別の実施形態は、イオンインプランテーションのシステムの形態をとる。このシステムは、結晶部分の格子構造体へイオンをインプランテーションするように構成された第１のイオンインプランテーション装置と、結晶部分を加熱してそのインプランテーションされたイオンを拡散できるように構成されたヒータとを備えている。
【０００７】
イオンインプランテーションシステム又はプロセスとしてプラズマイオン浸漬も使用される。プラズマイオン浸漬では、利用できるイオンエネルギーは、高いスループットでイオンビームインプランテーションにより得られるものより若干低い。例えば、イオンをサファイアコンポーネントの表面へ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）ソース、真空チャンバー、及びプラズマソースを真空チャンバーに結合するための結合メカニズムを備えている。真空チャンバーは、スリットバルブ、及び低い圧力を維持するためのターボ分子ポンプを備えている。電源（例えば、パルス型ＤＣ電源）を使用して、プラズマソースからサファイアコンポーネントの表面へイオンを向け、イオンは、上述されたようにインプランテーションされる。
【０００８】
更に別の実施形態は、サファイア部材の第１表面をイオンインプランテーション装置に対して配向しそして第１のインプランテーションステップを遂行することを含む方法の形態をとる。この第１のインプランテーションステップは、第１イオンをサファイア部材の第１表面に向けることを含む。第１イオンは、第１のインプランテーションエネルギー又はエネルギーレベルを有し、そして第１表面の下に埋め込まれる。この方法は、第２イオンをサファイア部材の第１表面に向けることを含む少なくとも第２のインプランテーションステップを遂行することも含む。第２イオンは、第２のインプランテーションエネルギー又はエネルギーレベルを有し、そして第１表面の下で第１イオンとは異なる深さに埋め込まれる。
【０００９】
更に別の実施形態は、サファイア部材の表面をイオンインプランテーション装置に対して配向しそしてサファイア部材の表面にイオンを向けることを含む方法の形態をとる。イオンは、表面の下に埋め込まれる。又、この方法は、アルミニウム原子及び酸素原子の少なくとも一方でサファイア部材の表面に衝突することも含む。
【００１０】
幾つかの実施形態を開示するが、当業者であれば、以下の詳細な説明から本発明の更に別の実施形態が明らかとなろう。それら実施形態の精神及び範囲から逸脱せずに種々の観点について変更をなし得ることが明らかであろう。従って、図面及び詳細な説明は、例示に過ぎず、それに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】規範的なサファイア部品を示す。
【図２Ａ】図１のサファイア部品の表面にイオンをインプランテーションする規範的なイオンインプランテーションシステムを示す。
【図２Ｂ】サファイア部品の表面にイオンをインプランテーションする別のイオンインプランテーションシステムを示す。
【図３】イオンインプランテーションプロセス中にサファイア部品を支持するための図２Ａ又は２Ｂのイオンインプランテーションシステムのサポート部材を示す。
【図４】図３の線IV−IVに沿ったサファイア部品の部分断面図で、格子結晶構造を示す図である。
【図５】図３の線IV−IVに沿ったサファイア部品の部分断面図で、格子結晶構造にインプランテーションされたイオンを示す図である。
【図６】図３の線IV−IVに沿ったサファイア部品の部分断面図で、例えば、サファイア部品におけるクラックの伝播を減少するための圧縮層を示す図である。
【図７】図３の線IV−IVに沿ったサファイア部品の部分断面図で、サファイア部品の上面及び下面の両方における圧縮層を示す図である。
【図８】サファイア部品の強度を、サファイア部品にインプランテーションされたイオンの濃度に対して示すグラフである。
【図９】サファイア部品の縁がイオンの衝撃を受けるようにサファイア部品を保持する図３の支持部材を示す。
【図１０】イオンの濃度を示す曲線と共にサファイア部品の面取りされた縁を示す。
【図１１】イオンを格子結晶構造へ更に拡散するための加熱ステップを示す。
【図１２】サファイア部品の表面におけるイオン濃度を高めるための図１１の加熱ステップに続くイオンインプランテーションステップを示す。
【図１３】ゾーンの着色のような望ましい効果を達成するためにイオンインプランテーションの異なるゾーンを有する図１のサファイア部品を示す。
【図１４】規範的な実施形態によるイオンインプランテーションの方法を示すフローチャートである。
【図１５】別の実施形態によりサファイア構造へイオンインプランテーションするシステムを示す。
【図１６】イオン流のためにターミナルがバイアスされた図１５のシステムを示す。
【図１７】イオンインプランテーションによる結晶構造の異なる深さにおける圧縮応力を示すインプランテーション曲線であって、水平軸は、結晶構造における深さを表わし、そして垂直軸は、応力レベルを表わす。
【図１８】２つのピーク間に平滑領域を伴う図１７のインプランテーション曲線を示す。
【図１９】別のインプランテーション又は正味応力曲線を示す。
【図２０】結晶構造の退去された原子に置き換わるための原子衝撃ステップを含むイオンインプランテーションプロセスを示すフローチャートである。
【図２１】クロストークを防止するためのトリムを伴うカメラウインドウを示す。
【図２２】クロストークを防止するための着色縁を伴うサファイアウインドウを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
サファイアの固有の強度は、ガラスより高いが、機械的な整形の後に顕著な強度改善を果たすための化学的強化のような良好なプロセスは確立されていない。サファイアの欠陥は、典型的に、応力のもとでの表面の傷の伝播により推進される。それ故、サファイアの強度及び頑健性を改善するには、イオンインプランテーションプロセスを適用して強度の向上を与えるのが有用である。
【００１３】
拡散により小さなイオンに代わって大きなイオンに置き換えるガラスの化学的強化プロセスは、ガラス部品の表面の周りに、表面クラックの伝播を防止するように働く圧縮応力層を生成する。対照的に、サファイアの本イオンインプランテーションは、サファイア部品に高エネルギーイオンを衝突させ、それらのイオンは、隙間に、さもなければ、表面下に埋め込まれて、クラックの伝播を阻止するように働く同様の薄膜又は圧縮応力を生成する。サファイアのイオンインプランテーションプロセスは、一般的にほぼ１マイクロメータ未満の深さまで格子に歪を生じさせる。強化は、窒素又はアルゴンのイオンを使用して達成されるが、これに限定されない。というのは、表面圧縮応力をもつのに必要な格子歪は、ある濃度のイオンで生成できるからである。
【００１４】
強化のための濃度は、ほぼ１０13からほぼ１０19イオン／ｃｍ2の間に入る。この範囲以外の他の濃度も実施できるが、低い濃度では、測定可能な強度効果を与えるに足る格子歪を生じず、又、高い濃度では、インプランテーションされたイオンが表面を破壊することがあるので表面の劣化を引き起こし、従って、強度を下げることになるか、或いは結晶からアモルファスへの構造的変化を生じて、強度を低下させることに注意を払わねばならない。イオン及びその濃度の選択は、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化学的相互作用に依存する。というのは、それらは、インプランテーションされる層の深さ、表面に生成される応力の大きさ、及びもしあれば、それにより生じるサファイアの色を決定するからである。
【００１５】
サファイア内の不純物が色を与えるので、特定の用途では、望ましい見掛けは色付きであるか無色であるか指示される。更に、イオンインプランテーションは、視線プロセスであるから、マスクを使用して、望ましい効果に対して部品の異なる位置をシールドすることができる。例えば、おそらく、最大強度を達成するのに必要な濃度は、色合いを導く。その場合には、特定の位置に、より望ましい色を生成する一方、他のエリアでは色合いを最少にするようにイオンを選択することができる。この概念の１つの妥当な実施は、サファイアディスプレイの外部の周りに高い濃度のイオンをインプランテーションして、特定の色のマスク（ブラックのような暗い色を生じる鉄及びチタンのような）を生成することである。従って、イオンインプランテーションは、弱い縁の強度を改善すると共に、望ましい色も与える。次いで、濃度の低い潜在的に異なるイオンをディスプレイ区分にわたってインプランテーションして、強化は果たすが、ディスプレイの見掛けを悪くする着色を回避することもできる。この技術は、従来のインクバックプリンティングの場合のように下ではなくサファイア内に現れるマスクを生成するという付加的な利益を楽しむものである。
【００１６】
ある実施形態では、インプランテーションプロセスに利用できる装置は、インプランテーションの深さと、実施される技術との両方に作用する。例えば、インプランテーション装置が８０キロエレクトロンボルト（ｋｅＶ）又はその付近で動作する場合、イオンは、第１の深さにインプランテーションされるが、１６０ｋｅＶ又はその付近で動作するインプランテーション装置は、第１の深さより深い第２の深さにイオンをインプランテーションする。従って、異なるインプランテーションエネルギーを使用することで、異なる応力プロフィールを与えると共に、異なる形式及び／又は深さのダメージに対して保護することができる。ある実施形態では、２つ（以上）のインプランテーション装置を使用して、２つの異なる深さにイオンをインプランテーションすることができる。又、イオンが異なる（例えば、低い）エネルギーを有し、且つインプランテーションが他の深さ（例えば、インプランテーション表面に対して浅い深さ）で行われるようなプラズマプロセスを利用することもできる。更に、ある実施形態では、単一のインプランテーション装置が、２つ以上の異なるエネルギーレベルで動作して、望ましい応力プロフィールを達成するように構成されてもよい。
【００１７】
更に、インプランテーションプロセス中に、結晶構造の原子が退去されることがある。特に、Ａｒ、Ｎ、Ｔｉ、Ｆｅ又は他のイオンが結晶の表面に衝突するときには、アルミニウム又は酸素原子が退去される。結晶構造の完全性を保存する上で助けとなるため、最初のインプランテーションステップに続くイオンインプランテーションプロセスを通してＡｌ又はＯイオンが再挿入される。例えば、アルゴンは、最初、望ましい強化プロフィールを達成するためにイオンインプランテーションされ、そしてアルゴンのインプランテーション中に退去した酸素原子を再挿入するためにそれに続くインプランテーションステップが遂行される。又、１つ以上のインプランテーションステップが高い温度（例えば、ある実施形態では、ほぼ５００ないし１８００℃）で遂行されてもよい。例えば、アルゴンインプランテーションステップが酸素ステップに対して高い温度で遂行されてもよく、或いはその逆のことも言える。
【００１８】
図１は、規範的なサファイア部品１００を示す。サファイア部品１００は、これに限定されないが、縁画成膜供給成長（ＥＦＧ）、キロポーラス(Kyropoulos)、バーネル(Verneuil)、チョクラルスキー(Czochralski)、フラックス、ハイドロサーマル、垂直水平勾配凍結（ＶＨＧＦ）、及びブリッジマン（即ち、水平移動成長）プロセスを含む適当なプロセスにより形成される。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、又は他のそのようなサファイア部材からカットされる。サファイア部品１００は、適当な幾何学的形状をとり、そして適当な目的で生成される。１つの実施形態において、例えば、サファイア部品１００は、一般的に、長方形の形状であり、電子装置におけるカバーガラスとして働くように構成される。他の実施形態では、サファイア部品１００は、円形の形状であり、カメラのカバーガラスとして働くように構成される。
【００１９】
サファイア部品１００を強化する上で助けとなるように、その１つ以上の表面にイオンがインプランテーションされる。より詳細には、例えば、上面１０２、及び１つ以上の縁１０４に、イオンがインプランテーションされる。ある実施形態では、上面１０２のような表面は、インプランテーションされるイオン濃度に勾配があり、異なるイオン濃度及び／又は異なるイオン形式を有する領域をもつ。例えば、上面１０２の周囲縁１０６は、上面の中央部１０８よりイオン濃度が高い。それに加えて又はそれとは別に、上面１０２には、縁１０４とは異なる濃度でイオンがインプランテーションされてもよい。更に、各縁１０４は、異なるイオン濃度を有してもよい。
【００２０】
それに加えて又はそれとは別に、上面１０２の周囲縁１０６には、中央部１０８とは異なるイオンがインプランテーションされてもよい。例えば、周囲縁には、チタンイオン及び／又は鉄イオンがインプランテーションされ、一方、中央部１０８には、窒素及び／又はアルゴンイオンがインプランテーションされてもよい。
【００２１】
他のイオン及び／又はイオンの他の組み合わせでインプランテーションを行ってもよいことが明らかである。又、縁１０４には、上面１０２とは異なるイオンがインプランテーションされてもよく、及び／又は１つ以上の縁には、別の縁とは異なるイオンがインプランテーションされてもよい。更に、上面及び下面は、異なるイオン濃度及び／又は異なるインプランテーションイオンを有してもよい。
【００２２】
図２Ａは、サファイア部品１００にイオンをインプランテーションするためのイオンインプランテーションシステム１１０を示す。一般的に、インプランテーションシステム１１０は、従来の技術に基づいて動作する。最初に、多数の部品１００がエンドステーション１１２に配置され、イオンを部品１００に向けてインプランテーションする。インプランテーションのためのイオンは、磁石１１５を備えたイオンソース１１４において開始される。イオンソース１１４は、チャンバー（又はアノード）１１６及びフィラメント（又はカソード）１１８を備えている。磁石１１５は、イオンソース１１４の周りに配置される。チタン、アルゴン、鉄、窒素、又は他の元素のような元素が、元素ソース１２０を経てチャンバー１１６へ供給されて、プラズマに変換される。元素は、イオン抽出部材／前加速ユニット１２２に通された後に、磁石１２４により向きを変えられ、そして質量分析スリット１２５によりフィルタリング又は分離される。イオンは、その後、イオン加速カラム１２６に通される。イオンは、磁気四重極レンズ１２８、及び電子スキャニングシステム又はユニット１３０に通された後に、部品に衝突する。
【００２３】
図２Ｂは、プラズマイオン浸漬プロセスを経てサファイア部品１００にイオンをインプランテーションするための別のイオンインプランテーションシステム１１０を示す。図２Ｂの特定の構成において、例えば、インプランテーションシステム１１０は、サファイア（酸化アルミニウム結晶又はＡｌＯx）部品又はコンポーネント１００の選択された表面へイオンをインプランテーションするための真空チャンバー形式のエンドステーション１１２を備え、電子／イオンプラズマ１３１Ａから選択されたイオン１３１が発生される。
【００２４】
インプランテーションイオン１３１は、プラズマイオンソース１２１により与えられ、これは、サファイア部品１００へインプランテーションする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、又はクロムイオン１３１を含む電子／イオンプラズマ１３１Ａを発生するように構成される。真空チャンバーエンドステーション１１２は、真空コンジット又は他の結合コンポーネント１３２を経てプラズマソース１２１に結合される。又、真空チャンバー１１２は、サファイア部品１００のプラズマ浸漬イオンインプランテーション処理を遂行するのに適した望ましい低い圧力を維持するために、種々の真空バルブ及びポンプコンポーネント１３３及び１３４も備えている。
【００２５】
図２Ｂに示すように、カバーガラス又は他のサファイア部品１００は、例えば、固定具又は支持部材１３５を使用して、プラズマ１３１Ａに浸漬又は露出され、イオンインプランテーションのために選択された表面１０１が選択されたイオン１３１に露出されるようにする。選択されたイオン１３１を電子／イオンプラズマ１３１Ａから分離しそしてそのイオン１３１を選択された表面１０１に向かって加速するための電圧を印加するために、電極１３６が部品１００と接触又は電荷連通するように設けられる。
【００２６】
電源１３７が設けられていて、選択されたインプランテーション電圧、例えば、絶対値で数キロボルト（ｋＶ）程度（例えば、約１ｋＶないし約１０ｋＶ）、或いは数十又は数百キロボルト程度（例えば、約１０ｋＶないし約１００ｋＶ以上）の負の動作電圧−Ｖ0を電極１３６に発生し、選択されたイオン１３１がサファイア部品１００のインプランテーション表面１０１に向かって加速されるようにする。インプランテーション表面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、但し、ｑは、イオン電荷の絶対値、例えば、ｅ、２ｅ、３ｅ、等であり、そしてｅは、電子の基本的電荷の絶対値である。
【００２７】
従って、エネルギーｑＶ0は、サファイア部品１００内の望ましいターゲット深さ（又は望ましいターゲット深さ範囲）にイオン１３１をインプランテーションするために動作電圧Ｖ0及びイオン化電荷ｑ（又はイオン化レベル）を選択することによって選択できるイオンインプランテーションエネルギーを表わす。インプランテーション深さは、選択されたイオン１３１がサファイア部品１００のインプランテーション表面１０１の下のターゲット深さ又はそれに対応するターゲット深さ範囲内にインプランテーションされるように、選択されたインプランテーション表面１０１に対して定義される。又、インプランテーション深さは、選択されたイオン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散乱するための対応する断面、並びにイオン化順序又は電荷ｑにも依存する。
【００２８】
例えば、電源１３７は、パルス型ＤＣモードで動作し、このモードでは、電子／イオンプラズマ１３１Ａのプラズマ周波数で定義された比較的短い時間中、例えば、数マイクロ秒以上という程度（例えば、約１μｓ以下から約１０μｓ以上）の時間中、電極１３６（及びサファイア部品１００）に動作電圧−Ｖ0が印加される。ＤＣパルス中に、電子／イオンプラズマ１３１Ａの電子は、電極１３６によってサファイア部品１００に印加される負の電荷パルス−Ｖ0のため、選択されたイオンインプランテーション表面１０１から離れるように反発される。
【００２９】
同時に、選択されたイオン１３１は、サファイア部品１００に向かって加速され、そして上述したように、インプランテーションエネルギー、電荷、及び散乱断面に基づいて、選択されたイオンインプランテーション表面１０１の下の望ましいターゲット深さ又はその範囲にインプランテーションされる。或いは又、実質的に一定のＤＣ電圧が、実質的に１−１０μｓ以上のインプランテーション時間、例えば、数ミリ秒程度、又は数秒以上という程度にわたって印加される。インプランテーション時間は、例えば、望ましいイオン表面密度及びターゲット深さに比して、イオン選択、プラズマ密度、電荷数、及び他のパラメータ、並びにそれにより生じる、選択されたイオンインプランテーション表面１０１の付近のサファイア部品１００の圧縮応力、色、透明度及び不透明度に基づいて決定される。
【００３０】
ある設計において、真空チャンバーエンドステーション１１２は、例えば、固定具１３５を利用する導電性経路を経てサファイア部品１００を加熱するか、又は伝導、放射及び対流の組み合わせによって真空チャンバー１１２の内部と一緒にサファイア部品１００を加熱するように構成されたヒータ１３８又は他の装置も備えている。これらの設計では、サファイア部品１００は、選択されたイオン１３１がサファイア部品１００の選択された表面１０１の下のターゲット深さより更に深い所へ拡散するに充分な拡散温度に加熱される。
【００３１】
加熱は、真空チャンバー１１２内において低い圧力で行われるか又は不活性雰囲気中で高い圧力で行われる。例えば、サファイア部品１００は、例えば、数分又は数時間の拡散周期中に、約５００℃から約１８００℃の拡散温度に加熱され、選択されたイオン１３１がサファイア部品１００の選択されたイオンインプランテーション表面１０１の下のターゲット深さより更に深い所へ拡散するようにされる。一般的に、拡散イオンは、上述したように、サファイア部品１００の選択されたイオンインプランテーション表面１０１に圧縮応力を発生するに充分な拡散濃度を維持する。
【００３２】
又、選択されたイオン１３１をより深いところへ拡散するためにサファイア部品１００を加熱する前又は後に、或いは加熱プロセス中に、付加的なイオン１３１が選択された表面１０１へ埋め込まれてもよい。例えば、付加的なイオン１３１は、元のターゲット深さに埋め込まれてもよいし（例えば、同じインプランテーションエネルギー又はパルス電圧Ｖ0を使用して）、別のターゲット深さに埋め込まれてもよい（例えば、異なるインプランテーションエネルギー又はパルス電圧Ｖ0を使用して）。同様に、付加的なイオン１３１は、サファイア部品１００を拡散温度に加熱する前に、元のイオン１３１と同じ元素から発生されて、選択された表面１０１へ埋め込まれ又はインプランテーションされてもよい。或いは又、プラズマイオンソース１２１は、サファイア部品１００を拡散温度に加熱する前、その間又はその後に、選択されたイオン１３１を異なる元素から発生して、選択された表面１０１へ埋め込むように構成されてもよい。
【００３３】
又、電源１３７は、電極１３６にわたって勾配をもつ動作電圧Ｖ0を発生するように構成され、選択されたイオン１３１が、インプランテーションエネルギーの対応する勾配に基づいて、電圧勾配に沿って決められる異なる深さに又は濃度でサファイア部品１００の選択された表面１０１へ埋め込まれるようにする。例えば、電極１３６は、図２Ｂに示すようにセグメント化形態で設けられて、異なる電極セグメントに異なる電圧が印加されるようにし、サファイア部品１００の選択された表面１０１にわたって望ましい電圧勾配を発生し、従って、インプランテーションされるイオン１３１のインプランテーション深さに又は密度で対応勾配を発生することができる。
【００３４】
更に別の例において、サファイア部品１００は、例えば、電極１３６をマスキング構造体として使用するか、又は異なるマスキング材料を使用することにより、マスクされる。これらの用途では、選択された表面１０１は、電子／イオンプラズマ２３１におけるイオン１３１に露出されるが、サファイア部品１００の少なくとも１つの他の表面は、マスクされており、従って、イオン１３１は、選択された表面１０１には埋め込まれるが、電極又は他のマスキング素子１３６で覆われたサファイア部品１００の他の（マスクされた）表面には埋め込まれない。
【００３５】
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、一般的に、サファイア部品１００を締め付けてそれを固定する２つの対向構造体１４２を含む。サファイアの硬度のために、対向構造体１４２がサファイア部品１００にダメージを及ぼすことはほとんどない。しかしながら、ある実施形態では、構造体１４２とサファイア部品１００との間の界面にクッション部材（１つ又は複数）が設けられる。支持部材１４０は、移動及び／又は回転するように構成され、サファイア部品１００の複数の側面がイオンに露出されるようにする。明らかなように、エンドステーションに複数の又は多数の支持部材を設けて、複数の又は多数のサファイア部品を支持することもできる。
【００３６】
図４−７は、例えば、図３のIV−IV線に沿って見たサファイア部品１００の部分断面図である。これらの図は、必ずしも一定の縮尺ではなく、ここに述べる概念を単に例示するものに過ぎないことが明らかである。従って、これら図面は、図示された品目のサイズ、寸法又は厳密な関係を限定し又は表現するものではない。
【００３７】
図４は、サファイア部品１００の格子結晶構造１５０を示す。上述したように、本イオンインプランテーションプロセスでは、イオンが格子結晶構造１５０の隙間空間１５２へインプランテーションされる。それとは別に、イオンは、サファイア格子の既存の原子に置き換わるか又はサファイア格子の空いた場所を埋めてもよいし、或いはイオンは、埋め込み領域の各部分を実質的にアモルファス又は非結晶特性にするように埋め込まれてもよい。
【００３８】
例えば、イオンは、一次格子層又は格子１５０の場所へ貫通して既存の（例えば、アルミニウム又は酸素）原子を退去させるか、或いは一次格子１５０の空いた場所を占有し、インプランテーションされたイオンがサファイア部品１００の一次結晶構造内に配置されるようにする。それとは別に、イオンは、隙間場所１５２へ貫通してそれを占有し、図５に示す二次格子構造を形成する。
【００３９】
図５は、イオン１５４がサファイア部品１００へ、例えば、その隙間空間１５２へインプランテーションされたところを示す。隙間空間１５２へのイオン１５４のインプランテーション（さもなければ、サファイア部品１００へのインプランテーション）は、サファイア部品１００の表面内でのクラック又は欠陥の伝播を防止する上で役立つ圧縮層をサファイア構造体内に生成する。
【００４０】
例えば、インプランテーションされたイオン１５４は、図４に示す隙間場所１５２を占有して、図５に示す部品１００の一次（例えば、サファイア）結晶格子内又は結晶格子間に配置された二次格子構造又は二次格子層を形成する。それとは別に、インプランテーションされたイオン１５４は、上述したように、一次格子１５０の場所を占有する。又、インプランテーションされたイオン１５４は、格子構造に局部的な中断を招くこともあり、サファイア部品１００の周囲一次格子１５０内の埋め込みイオン領域にアモルファス（非結晶）材料の局部エリアを形成する。インプランテーションされたイオンは、＋１イオン、＋２イオン、又は別のイオンレベルである。
【００４１】
図６は、表面１０２における圧縮層１６０及びクラック１６２又は欠陥を示す。格子結晶構造にインプランテーションされるイオン１５４により生じる圧縮は、クラック１６２が広がるのを防止する。従って、インプランテーションされるイオンは、例えば、サファイア部品１００を硬い表面に衝突させる落下事象のような応力のために欠陥又はクラックが発生した場合に、サファイア部品の完全性を保存する上で助けとなる。
【００４２】
図７は、イオンインプランテーションを通して生成された圧縮層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。ある実施形態では、上面１０２及び／又は上面の一部分は、下面１０３とは異なるイオンが及び／又は異なるイオン濃度でインプランテーションされる。他の実施形態では、表面の１つは、イオンがインプランテーションされないことを理解されたい。これは、表面の１つが装置ハウジングから外部へ露出されず、従って、欠陥を誘起する衝突や他の動作上の作用に露出を制限する場合である。
【００４３】
インプランテーションされるイオンの濃度は、一般的に、ほぼ１０13からほぼ１０19イオン／ｃｍ2である。しかしながら、ある実施形態では、濃度は、この範囲より大きくても小さくてもよい。
【００４４】
図８は、サファイア部品の強度対イオン濃度をプロットしたグラフ１７０である。より詳細には、水平軸は、インプランテーションされるイオンの濃度を表わし、そして垂直軸は、サファイア構造体の強度を示す。曲線１７２で示すように、イオンがある濃度でインプランテーションされるとき、サファイア構造体の強度は、増加するが、スレッシュホールド濃度レベルを越えた後に減少し始める。説明上、約１０13イオン／ｃｍ2の濃度は、水平軸の第１マーク１７４又はその付近であり、又、約１０19イオン／ｃｍ2の濃度は、第２マーク１７６又はその付近である。一般的に、イオンの濃度は、強度の増加を与えるレベルでなければならない。曲線１７２で示すように、過剰な濃度は、サファイアの強度を低下させる。
【００４５】
前記説明の多くは、サファイア部品１００の表面に関連したものであるが、サファイア部品の縁１０４にもイオンがインプランテーションされ、従って、サファイア部品１００の縁１０４にも前記説明が適用されることが明らかである。より詳細には、図３の支持部材１４０は、図９に示すように、縁にイオン流を衝突させることができる仕方でサファイア部品１００を保持するように構成される。縁１０４には、上面及び／又は下面１０２、１０３から同じ又は異なるイオンが同じ又は異なる濃度でインプランテーションされる。支持部材１４０は、サファイア部品１００の全ての縁１０４がイオンインプランテーションに露出されるように、回転するよう構成される。更に、支持部材１４０は、縁の形状を受け容れるように異なる方向に動かすよう構成される。例えば、支持部材１４０は、イオンがまっすぐな又は面取りされた縁又は他の縁構造体に直接的に衝突するように傾斜させることができる。
【００４６】
図１０は、サファイア部材の面取りされた縁１８０を示す。更に、面取りされた縁の曲線１８２は、イオンインプランテーションの相対的な濃度を示す。図示されたように、イオンは、縁１８０のフラットな部分又はその付近において濃度が高くなる。というのは、その部分がイオン流を最も直接的に受け取るからである。縁１８０の傾斜部分は、イオン濃度が低い。しかしながら、ある実施形態では、縁１８０の全ての部分にわたって濃度が一貫したものである。例えば、支持部材１４０を傾斜できる実施形態では、傾斜した縁にイオン流を直接的に衝突させ、イオン濃度を縁１８０にわたって変化させることもできるし、或いは縁１８０にわたって実質的に一貫したもの又は実質的に同じものとすることもできる。
【００４７】
イオンインプランテーションの限度の１つは、処理の深さである。一般的に、イオンインプランテーションは、インプランテーション表面に対して定義される約１マイクロメータの最大深さに制限される。従って、処理欠陥又は取り扱いダメージのため、処理層より深く材料の表面を貫通してクラック伝播防止の有効性を制限するかき傷又は欠陥を招くというリスクが生じる。このプロセスを改善するために、イオンインプランテーションは、高温熱処理が各インプランテーションステップ間に完了されるか又は１つ以上の連続するインプランテーションステップ間に完了されるようにしてシリアルに完了させることができる。
【００４８】
これらの実施形態において、ｘの深さに格子歪を導くインプランテーションが完了される。高い温度で材料を処理することにより、拡散で、インプランテーションされたイオンが材料のより深部ｘ＋ｙへ拡散されるが、表面のイオン濃度は減少される。次いで、別のインプランテーションステップを完了させて、表面のイオン濃度レベルを再び上昇させることができる。これらのステップを繰り返し完了させて、通常の単一処理と同じレベルの表面応力をもつが、そうでなければ得られない大きなイオン貫通深さをもつ最終処理層が生成される。
【００４９】
図１１は、加熱ステップを通してより深い格子層へのイオン拡散を示す。表面１０２を加熱するか又はサファイア部品１００を加熱するために、熱源１９０が設けられる。サファイア部品が加熱されるにつれて、格子構造１５０が弛緩し、そしてイオン１５４が格子構造の深部層へ拡散する。ある実施形態では、エンドステーション１１２又は真空チャンバー（図２Ａ又は図２Ｂ）は、オーブンとして働くか、さもなければ、サファイア部品１００が加熱ステップとインプランテーションステップとの間で移動しないように加熱される。他の実施形態では、サファイア部品の複数のバッチが加熱ステップとイオンインプランテーションステップとの間でずらされて交番され、１つのバッチがエンドステーション１１２にあるときに、別のバッチが、例えば、エンドステーション１１２の外部のオーブン又はエンドステーションのオーブン１１２で加熱されるようにする。
【００５０】
拡散は、インプランテーション表面に接近又は隣接した外側層におけるイオンの濃度を低下させる。従って、その後のイオンインプランテーションステップを使用して、図１２に示すように、外側層にイオンを補給することができる。インプランテーションステップと加熱ステップを結合することにより、イオンが格子構造のより深部へインプランテーションされ、表面より下の層の欠陥伝播を防止する上で助けとなる。
【００５１】
ある実施形態では、複数ヒータ及び／又は複数イオンインプランテーションシステムが実施される。１つの実施形態において、第１のイオンインプランテーション装置は、第１元素のイオンをインプランテーションし、そして第２のイオンインプランテーション装置は、第２元素のイオンをインプランテーションして、望ましい効果を達成する。各イオンインプランテーションステップとステップとの間に、又は２つ以上の連続するイオンインプランテーションステップとステップとの間に、ヒータを使用して、その前にインプランテーションされたイオンを拡散する上で助けとなるようにする。
【００５２】
図１３は、イオンインプランテーション後の部品１００を示すもので、上面１０２の第１ゾーン２００は、インプランテーションされたイオンにより着色され（例えば、ブラック又は所与の別の色）、そして第２ゾーン２０２は、実質的に透き通った又は透明のままとされる。一般的に、第１ゾーン２００は、上面１０２の周囲部分を含み、そして第２ゾーン２０２は、上面の中央部分を含む。ある実施形態では、イオンインプランテーションプロセス中にマスクを使用して、異なる（例えば、等名及び着色）ゾーンを形成することができる。
【００５３】
プロセスの観点から、イオンインプランテーションは、後処理アニールの後であって、且つ装飾の前に行われる。というのは、インプランテーションは、表面インク又はコーティングにダメージを与え又は影響を及ぼすと共に、欠陥が最小の表面で行うのが最も成功すると期待されるからである。図１４は、本発明の一実施形態に基づいてサファイア部品を処理する方法２１０である。
【００５４】
最初に、サファイア結晶を成長させる（ブロック２１２）。次いで、サファイア結晶をカットして（ブロック２１４）、サファイア部品を整形し、これをアニールプロセスに通す（ブロック２１６）。サファイア部品の１つ以上の表面にイオン流のイオンを衝突させて、イオンインプランテーションを行う（ブロック２１８）。イオンインプランテーション中に、サファイア部品の位置をイオン流に対して操作して、望ましい各表面にイオンを適切にインプランテーションする。更に、１つ以上のイオンインプランテーションステップ中にサファイア部品のある領域にマスクをして、ある領域へのインプランテーションに選択され且つ他については選択されない望ましい濃度及び／又は望ましいイオンを達成する。次いで、サファイア部品を加熱して、深い格子層へイオンを拡散させる（ブロック２２０）。
【００５５】
加熱の後、サファイア部品に、再び、イオンを衝突させる（ブロック２２２）。イオンインプランテーション、操作、マスキング、及び加熱／拡散ステップは、望ましいイオン選択、インプランテーション深さ、濃度、色及び他の特性を得るために、いかなる順序、回数、又は組み合わせで繰り返されてもよい。
【００５６】
その後、インクマスクの適用のような後処理ステップを遂行する（ブロック２２４）。典型的に、圧縮応力及び他の望ましい特性を保存するために、イオンインプランテーションの後に、おそらく研磨ステップは行わない。或いは又、表面へのイオンインプランテーションの後に、軽い研磨ステップ又は他の後インプランテーション表面プロセスが適用されてもよい。
【００５７】
サファイア格子構造の隙間等へイオンをインプランテーションするために、他の技術が実施されてもよい。例えば、ある実施形態では、サファイア部材にイオンスラリ又はペーストをコーティングし、そしてスラリに電流を流して、選択されたイオンを、選択された表面に、選択された深さまで埋め込んでもよい。或いは又、上述したように、単独で使用してもよいし、或いはイオンビーム堆積、イオンスラリ、及び他のイオン堆積方法と組み合わせて使用してもよい。
【００５８】
図１５は、イオンスラリプロセスを示す。より詳細には、サファイア部材２３０は、その一方又は両方（又は各々）の側面１０２、１０３にイオンペースト２３２のコーティングをもつように示されている。電気端子２３４（例えば、逆の電圧±Ｖ0を有する単一の、一体的な又は独特のターミナル）がイオンペースト２３２又はサファイア部材２３０に電気的に結合され、そして例えば、電流源又は電源２３８を使用して、電流±Ｉ0が端子２３４を経てイオンペーストへ通流される。
【００５９】
より詳細には、端子２３４は、サファイア部材２３０の異なる（例えば、主たる逆の）側面１０２、１０３に逆の電荷又は電圧±Ｖ0を印加し、選択されたインプランテーション表面（例えば、上面又は下面１０２又は１０３）にわたりイオンが流れるようにする。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若干低く、そして交番もされ、イオンペースト２３２内のイオンがサファイア部品又は部材２３０の各側面１０２及び１０３へ、又はサファイア部材２３０の縁へ、又はサファイア部材２３０の側面１０２、１０３及び縁１０４の組み合わせへインプランテーションされるようにする。即ち、カソード及びアノードがスイッチされ（又は電圧±Ｖ0をもつ１つの接地端子２３４及び別の端子２３４が使用され）、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の選択された側面１０２、１０３及び／又は縁１０４へインプランテーションするための交流（ＡＣ）又は直流（ＤＣ）バイアスを発生することができる。
【００６０】
図１６は、端子２３４をバイアスして、（例えば、正の）イオン流を矢印２３６に方向に生じさせることを示す。適当な電源２３８を使用して、電流±Ｉ0をイオンペースト２３２へ通流させる。例えば、ある実施形態では、交流（ＡＣ）±Ｉ0をイオンペースト２３２へ通流させて、イオンをインプランテーションさせる。他の実施形態では、直流（ＤＣ）±Ｉ0をイオンペースト２３２へ通流させ、そして周期的に端子２３４の極性をスイッチさせる。更に別の実施形態では、１つ以上のスイッチ型キャパシタを電源２３８に含ませ、インパルス電荷を端子２３４へ与えるのに使用される。
【００６１】
一般的に、サファイア部材２３０への拡散は、サファイア部材からの拡散より高速であり、プロセスの完了時に、例えば、サファイアの隙間へイオンがインプランテーションされるか、又は結晶格子への代入によりインプランテーションされる。或いは又、イオンは、空の格子サイズを占有するか、又は結晶格子内に実質的にアモルファス構造の領域を形成する。イオンペースト２３２は、少なくとも１つのイオン元素と、選択されたイオン元素に適した媒体（１つ又は複数）とを含む。選択されたイオン又はイオン元素は、上述した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と一般的に同じ又は同様のサイズ及び化学成分を有する。
【００６２】
図１５及び１６に示すイオンインプランテーションシステムは、サファイアの格子結晶構造へのイオンの更なる拡散を助けるために、上述した加熱ステップと一緒に実施されてもよいことが明らかである。ある実施形態では、サファイア部材２３０の表面にイオンペースト２３２がまだある間に熱が加えられるが、他の実施形態では、加熱ステップの前にイオンペーストが除去される。更に別の実施形態では、イオンインプランテーションプロセスは、真空炉エンドステーション又は仕上げチャンバー１１２のような炉又はオーブンにおいて実行されて、サファイア部材を移動せずに加熱及びイオンインプランテーションステップを実行できるようにする。
【００６３】
ある実施形態では、イオンインプランテーションの深さは、インプランテーションエネルギー、イオンのサイズ、及びイオンがインプランテーションされる結晶平面、の関数である。インプランテーションエネルギーは、イオンをインプランテーションするのに使用されるシステム、マシン及び方法の関数である。図２Ａ、２Ｂ、１５及び１６に示すようなイオンインプランテーション装置は、イオンのインプランテーション深さを一部分決定する特定のエネルギーレベルで動作する。例えば、インプランテーション装置は、第１のインプランテーション深さに相関する８０ｋｅＶで動作し、一方、第２のインプランテーション装置は、１６０ｋｅＶで動作し、これは、第１のインプランテーション深さより深い第２のインプランテーション深さに相関する。それとは別に、イオン電荷は、特定のインプランテーション深さをターゲットとするように選択されてもよく、例えば、特定形式の単一イオン化（＋１電荷）原子は、第１のターゲット深さまで貫通し、又、特定形式の二重又は多重イオン化（＋２電荷以上）原子は、インプランテーション表面に対して定義される第２のより小さなターゲットインプランテーション深さまで貫通するとされる。
【００６４】
より一般的には、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インプランテーションシステム及び方法は、これに限定されないが、イオン形式（原子番号及び原子質量）、電荷（イオン化レベル）、インプランテーションエネルギー及び入射角を含むパラメータに基づいて、選択されたイオンを異なるイオン密度及びイオン深さでインプランテーションするために、単独で使用されてもよいし又は組み合わせて使用されてもよい。異なるインプランテーション深さ並びにイオン形式及び密度は、一般的に、結晶構造の異なる深さに異なる圧縮又は引っ張り応力を生成し、そしてイオンインプランテーション表面に対して定義される構造の異なるレベル又は深さにおいてダメージの伝播を防止するように動作するよう選択される。
【００６５】
図１７を参照すれば、イオンインプランテーションによる結晶構造の異なる深さにおける圧縮応力を示すインプランテーション曲線２４０が示されている。水平軸２４１は、結晶構造における深さを表わし、そして垂直軸２４３は、（例えば、圧縮）応力を表わす。例えば、第１の応力ピーク２４２は、第１の深さに位置し、そして第２の応力ピーク２４４は、第１の深さとは異なる第２の深さに位置している。従って、１つ、２つ又はそれ以上の個別の深さは、結晶構造におけるクラックの伝播を防止するために、選択されたイオンインプランテーションシステム及び方法に基づいて同じ又は異なる圧縮応力を受ける。
【００６６】
従って、インプランテーション表面に対して実質的に横断方向又は直交（垂直）方向で定義されたサファイア材料における深さの関数としてイオン濃度が変化するような濃度勾配でイオンがインプランテーションされる。或いは又、例えば、図１を参照して上述したように、中央部分又は領域に比して、周囲縁に沿って異なる選択されたイオン濃度及び／又はインプランテーション深さで、表面に沿って横方向にイオン濃度が変化するような、インプランテーション表面にわたる濃度勾配で、イオンがインプランテーションされてもよい。
【００６７】
共通のダメージプロフィールに基づいて異なる応力ピーク及び深さが選択され又はターゲットとされる。例えば、第１の応力ピークは、表面的なダメージが共通に生じるおおよその深さに位置する。例えば、第１のピーク２４２は、イオンインプランテーション表面に対して約２０ｎｍ以下の深さをおおよその中心としている。第２のピーク２４４は、表面的な特性より深いところのダメージをターゲットとする深さ、例えば、おおよそ２０ｎｍより深い深さに位置する。
【００６８】
明らかに、異なる深さのイオンインプランテーションは、１つ以上のインプランテーション装置又はインプランテーションシステムにより遂行される。例えば、第１のインプランテーション装置は、低いエネルギーレベルで動作する第２のインプランテーション装置より深いレベルでイオンをインプランテーションするエネルギーレベルで動作し、又はその逆のことも言える。例えば、第１のインプランテーション装置は、ほぼ１６０ｋｅＶで動作し、そして第２のインプランテーション装置は、ほぼ８０ｋｅＶで動作する。上述したように、異なるイオンビーム、プラズマ浸漬、及びイオンスラリインプランテーションシステム及び方法を使用してもよい。
【００６９】
更に、ある実施形態では、単一のインプランテーション装置は、望ましいインプランテーションプロフィールを達成するために、複数の異なるエネルギーレベルで、又は異なる方法を使用して、動作するように構成される。又、インプランテーション装置のエネルギーレベルは、その後のイオンインプランテーションステップにおいて異なる動作エネルギーレベル間でスイッチングするように構成されてもよい。更に、インプランテーション装置は、異なるエネルギーレベル間を遷移するときにイオンをインプランテーションし続けるように構成されてもよい。従って、イオンは、結晶構造内の１つ以上の実質的に個別のレベル又は深さで、又は一般的な個別レベル以外で、例えば、結晶構造内の実質的に連続的な深さ範囲で、インプランテーションされてもよい。
【００７０】
図１８は、プロフィールの平滑化を伴うインプランテーション曲線２４０を示す。より詳細には、イオンは、２つのピーク２４２と２４４との間の深さ２４６においてインプランテーションされる。平滑化は、ターゲットとする深さ間の構造体の層を強化する上で助けとなる。プロフィールの平滑化は、ターゲットとする異なるエネルギーレベル間を遷移するときのインプランテーション装置の連続的なインプランテーションの結果として生じる。それに加えて又はそれとは別に、プロフィールの平滑化は、例えば、拡散加熱ステップ又はアニールステップ中のイオンの拡散により生じる。更に、平滑化は、異なるエネルギーレベルを使用する２つ以上の個別のインプランテーションステップに対するイオンインプランテーション深さの重畳の結果として生じる。即ち、各インプランテーションステップは、正確なターゲット深さにインプランテーションされないイオンを含み、従って、異なるターゲット深さに意図されたイオンインプランテーションと重畳するインプランテーション曲線を生じる。
【００７１】
図１９は、カーブした平滑化から生じる正味応力曲線を表わすインプランテーション曲線２４８を示す。図示されたように、インプランテーション曲線２４８は、ターゲット深さを表わす２つのピークに増加圧縮応力を含む。しかしながら、２つのピークの深い方を越える（例えば、第２のターゲット深さを越える）ように表面（例えば、水平軸の原点）から延びる圧縮応力がある。
【００７２】
この正味応力曲線は、構造の望ましい強度特性に基づいてカスタマイズされてもよいことが明らかである。即ち、特定形式のダメージに対して望ましい保護を与えるために増加圧縮応力に対して特定のターゲット深さが選択される。更に、イオンインプランテーションに対して２つより多い又は少ない深さがターゲットとされることが明らかである。又、異なるイオン又は元素を使用して、インプランテーションエネルギーではなくインプランテーションの深さをコントロールすることや、或いはエネルギーレベル、インプランテーション方法、及び／又はイオン／元素選択のある組み合わせに基づいて、深さが変えられる。更に、インプランテーションされるイオンの密度は、異なる深さレベルにおいて変化する。従って、第１深さは、第１濃度を有する第１イオンを含み、そして第２深さは、第１深さにおける第１イオンの濃度とは異なる又はそれと同じ第２濃度を有する第２イオンを含む。
【００７３】
更に、ある実施形態では、望ましい効果を得るために特定の深さレベルにおいてイオンの組み合わせがなされる。例えば、同じ又はほぼ同じレベルにおいてチタンイオン及びアルゴンイオンがインプランテーションされる。望ましい効果は、インプランテーションされたイオンによる望ましい着色及び／又は強化を含む。ある実施形態では、強化のために特定の深さレベルが選択され、そして特定の着色を与えるために別のレベルがターゲットとされる。
【００７４】
ある実施形態では、イオンインプランテーションの深さレベルは、結晶構造のどの表面にインプランテーションするかに基づいて変化する。例えば、構造体の上面は、構造体の側壁とは異なるイオンインプランテーション深さを有する。更に、上面は、下面又は側面とは異なるイオンインプランテーション深さ、及び／又は異なるイオン濃度、等を有する。又、異なるイオン／元素又はその組み合わせが、構造体の異なる表面にインプランテーションされてもよい。
【００７５】
あるケースでは、結晶構造体へのイオンの衝突（又は他のイオンインプランテーションプロセス）は、構造体を作り上げている原子を退去させる。即ち、例えば、構造体を強化するか又は構造体に色を追加するために構造体にイオンがインプランテーションされるときには、結晶格子からアルミニウム又は酸素原子が退去される。退去は、一般的に、構造体の表面層に生じると考えられる。あるケースでは、アルミニウム又は酸素原子は、他の原子より高い退去率を有する。例えば、アルミニウムより酸素の方が多く退去される。
【００７６】
明らかなように、退去は、構造体の化学的構成を変化させる。構造体の完全性を保存するために、退去された原子に置き換わるように酸素及び／又はアルミニウム原子が与えられる。例えば、酸素原子がアルミニウムより高いレートで退去される場合には、酸素原子又はイオンが構造体の表面に衝突される。ある実施形態では、酸素及びアルミニウムの両方（又は他の選択された原子又はイオン）が、同じ又は異なる原子衝突又はインプランテーションステップにおいて、例えば、イオンビームプロセスを経て、又は上述したプラズマ浸漬又はイオンスラリプロセス又はそのようなプロセスの組み合わせを使用して、或いは別の原子又はイオン衝突プロセスを経て、表面に衝突される。
【００７７】
図２０は、原子衝突ステップを含む規範的なプロセス２５０を示すフローチャートである。最初に、上述した技術に従ってドーピングイオンをインプランテーションする（ブロック２５２）。構造体の異なる層へイオンを拡散する上で助けとなるように加熱拡散ステップ（ブロック２５４）を遂行する。次いで、第２のイオンインプランテーションステップ（又は付加的なインプランテーションステップ）を遂行する（ブロック２５６）。第２のイオンインプランテーションステップを、異なるインプランテーションエネルギー、異なる濃度レベル、異なるイオン、又は異なる温度、或いは第１のインプランテーションと同じ動作パラメータで遂行する。
【００７８】
イオンインプランテーションステップの後に、表面にアルミニウム及び／又は酸素原子を衝突させる（ブロック２５８）。このステップは、インプランテーションステップより高い又は低い温度で遂行されてもよい。更に、１つ以上のアニールステップ２６０を遂行する（ブロック２６０）。アニールステップは、結晶構造体を回復させる上で役立つ（例えば、アルミニウム原子対酸素原子の適切な又は望ましい関係／比率を得る）。
【００７９】
ここに述べる種々の技術は、多数の異なる用途を有する。特に、消費者向け電子装置では、これに限定されないが、装置カバーガラス、ウインドウ、及び装置内の他の構造体を含む及びそれに関連した用途がある。１つのそのような規範的な使用は、カメラのウインドウ又はカバーガラスコンポーネント或いは選択された表面又はその一部分に対するものである。
【００８０】
図２１は、カメラウインドウ２８０を示す。カメラウインドウの各側（又は周囲）にはトリム素子２８２があり、これは、ストロボ素子２８４（例えば、フラッシュ）及び／又は他の光源、例えば、カメラウインドウ及びバックプレート２８６に対してハウジング内に位置されたディスプレイからのクロストークを防止するために設けられている。図２２を参照すれば、本発明の技術により、サファイアウインドウ２９０がカメラウインドウに置き換わり又はカメラウインドウとして使用され、そして１つ以上の縁２９２を実質的に不透明にさせるに充分な密度の選択されたイオンでイオンインプランテーションすることによりストロボ２８４及び他のソースからのクロストークを効果的に防止するようにその縁２９２を着色している。従って、（例えば、別々又は個別の）トリム素子２８２が排除される。これは、ｚスタック寸法の減少（例えば、おそらく薄い装置）、並びにカメラのための強力なウインドウといった多数の効果を発揮する。
【００８１】
サファイアウインドウコンポーネントを処理する際に、上面及び下面は、縁に対して異なるイオン及び／又は濃度でインプランテーションされ、上面及び下面は、表面がイオンインプランテーションされないコンポーネントに比して、ウインドウの光学特性への影響を制限し又は実質的に与えないようにする。即ち、縁は、実質的に不透明であるか又は光の通過を防止するようにイオンがインプランテーションされるが、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濃度でイオンがインプランテーションされる。
【００８２】
以上、特定の実施形態について説明したが、当業者であれば、本開示の精神及び範囲から逸脱せずに、その形態及び細部に変更がなされることが明らかであろう。例えば、処理ステップは、別の順序又は異なる組み合わせで遂行されてもよい。更に、異なるイオンインプランテーションステップは、異なる電荷（例えば、単一電荷及び二重電荷イオン）、並びに異なるインプランテーション方法及びエネルギーレベルを含んでもよい。従って、インプランテーション深さは、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。従って、ここに述べた特定の実施形態は、例示に過ぎず、本開示の範囲を限定するものではないことを理解されたい。
【００８３】
以上、本発明の原理が単に説明された。当業者であれば、それらの教示に鑑み、ここに述べた実施形態に対する種々の変更や代替えが明らかとなろう。従って、当業者であれば、ここでは明確に示し又は説明しなかったが、本開示の原理を実施し、ひいては、本発明の精神及び範囲内に包含される多数のシステム、構成及び方法を案出できることが明らかであろう。又、以上の説明及び図面から、当業者であれば、図示して説明した特定の実施形態は、単なる例示に過ぎず、且つ特定の実施形態の細部を言及したことは、特許請求の範囲に規定された本発明の範囲を限定するためではないことが理解されよう。
【符号の説明】
【００８４】
１００：サファイア部品
１０２：上面
１０４：縁
１０６：周囲縁
１０８：中央部
１１０：イオンインプランテーションシステム
１１２：真空チャンバー形式のエンドステーション
１１４：イオンソース
１１５：磁石
１１６：チャンバー
１１８：フィラメント
１２０：元素ソース
１２１：プラズマイオンソース
１２２：イオン抽出部材／前加速ユニット
１２４：磁石
１２５：質量分析スリット
１２８：磁気四極レンズ
１３１：選択されたイオン
１３１Ａ：電子／イオンプラズマ
１３２：真空コンジット
１３３：真空バルブ
１３４：真空ポンプ
１３５：固定具
１３６：電極
１３７：電源
１３８：ヒータ
１４０：支持部材
１４２：対向構造体
１５０：格子結晶構造
１５２：隙間空間
１５４：イオン
１６０：圧縮層
１６２：クラック
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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